CN104285259A - 用于核电厂的非能动安全壳空气冷却 - Google Patents

Abstract

一种用于核电厂的非能动安全壳空气冷却系统，其增强在容置反应堆系统的金属安全壳的上方的空气流动，以提高安全壳的热量传递。热量传递如此提高：采用旋涡叶片以随着空气由于自然循环沿安全壳的壁上升而混合空气，并且采用与沿冷却空气路径的排出口接近的涡流发动机以增加沿安全壳抽吸的空气量。

Description

用于核电厂的非能动安全壳空气冷却

相关申请的交叉引用

本申请与与其同时提交的共同未决的专利申请序列No.13/444,932(代理人案号NPP2009-014)相关。

技术领域

本发明涉及用于核反应堆电厂的非能动安全壳冷却系统，并且更特别地涉及依靠在金属安全壳的表面上的自然空气循环的非能动安全壳空气冷却系统。

背景技术

核能在1950年代以来在发电中起着重要作用，并且胜过热力和水力电厂。由放射性物料的核裂变实现通过核能发电。由于核反应的波动性，核电厂在实践中被要求设计成使得即使对于能够想到的最恶劣的事故，也要保障公众的健康和安全。对于利用水作为冷却剂的电厂，最恶劣的事故被认为是在反应堆冷却系统中的最大管道的双端断裂并且被称为失水事故(LOCA)。

为了防止事故，这些电厂利用安全壳系统，所述安全壳系统设计成物理地容纳水、蒸气以及可能从反应堆冷却系统逸出的任何夹带的裂变产物。安全壳系统通常被认为包含提供最大可靠性并且完全防止可能发生的任何事故的所有结构、系统和装置。工程化的保护系统被特别设计成减轻事故的后果。基本上，安全壳系统的设计目标是在发生事故的情况下无放射性物料从核电厂逸出，以使得周围密集人口的生命不受危险。

近来，反应堆制造商已经给出非能动电厂设计，即，在发生事故的情况下将关闭而无需操作员干预或厂外能量的电厂。西屋电气有限公司给出AP1000非能动电厂设计，所述AP1000非能动电厂设计采用使用大型钢壳的非能动安全壳冷却系统。安全壳冷却系统在不大可能的失水事故发生的情况下抑制很可能将在安全壳内发生的压力上升。非能动安全壳冷却系统是工程化的安全性能系统。其目的是在安全壳内发生失水事故或蒸气管道断裂事故之后通过从安全壳气氛中移除热能而降低安全壳温度和压力。非能动安全壳冷却系统也用作针对导致安全壳压力和温度显著增加的其他事件的传热装置。非能动安全壳冷却系统还通过降低安全壳气氛和外部环境之间的压差，由此减小用于裂变产物从安全壳泄漏到大气的驱动力，从而限制放射性释放(事故后)。非能动安全壳冷却系统还为废燃料池冷却水提供了补水源。为了实现前述目的，安全壳建筑物由钢制成，以提供高效的从安全壳内到安全壳外的热传递。在正常操作期间，通过持续的自然空气循环从安全壳容器移除热量。然而，在事故期间，需要更多的热量移除，并且通过由非能动安全壳冷却系统储水槽和重力给水提供的水的蒸发来补充空气冷却。

包围AP1000反应堆系统的AP1000安全壳系统10在图1中示意性示出，所述AP1000反应堆系统包括反应堆容器12、蒸气发生器14、增压器16和主冷却剂循环泵18；它们都通过管路20连接。安全壳系统10部分地包括被混凝土屏蔽建筑物24围绕的钢圆顶安全壳容器包封体22，所述混凝土屏蔽建筑物提供用于钢圆顶安全壳容器22的结构防护。

非能动安全壳冷却系统的主要部件是非能动安全壳冷却储水槽26、空气挡板28、空气入口30、空气出口32以及水分配系统34。非能动安全壳冷却储水槽26被结合到屏蔽建筑物结构24中，位于钢圆顶安全壳容器22上方。位于钢圆顶安全壳容器22和混凝土屏蔽建筑物24之间的空气挡板28限定冷却空气流动路径，所述冷却空气流动路径大约在钢圆顶安全壳容器22的顶部的高度处穿过屏蔽建筑物24中的开口进入。在进入屏蔽建筑物24之后，空气路径在空气挡板28的一侧向下行进并且在邻近于钢圆顶安全壳容器的较低部分的高度处围绕空气挡板反转方向。空气路径而后在挡板和钢圆顶安全壳容器22之间向上流动并且在屏蔽建筑物24的顶部中的排出开口32处离开。排出开口32被非能动安全壳冷却储水槽26围绕。

在不大可能的事故发生的情况下，非能动安全壳冷却系统提供由于重力而从非能动安全壳冷却储水槽排出并且在钢圆顶安全壳容器22上形成膜的水。水膜蒸发，从而从安全壳建筑物22移除热量。

非能动安全壳冷却系统能够在发生导致安全壳增压的设计基准事件之后从安全壳气氛移除充足的热能(包括随后的衰变热量)，以使得安全壳压力在所需的至少72小时维持低于设计值而无需操作员动作。

在围绕钢圆顶安全壳容器22的屏蔽建筑物24和空气挡板28之间形成的空气流动路径导致自然空气循环沿安全壳容器的外侧钢表面向上。当流动空气被安全壳钢表面加热时，并且当空气被加热并蒸发被施加到安全壳表面的水时，这种自然空气循环被浮力驱动。流动空气也增强自水表面发生的蒸发。在发生事故的情况下，被加热的安全壳钢表面传到空气的对流热量仅占所需总热量传递的小部分，所述总热量传递主要由来自安全壳钢表面的湿润区域的水的蒸发实现，这样冷却在表面上的水、然后冷却安全壳钢、然后冷却内侧安全壳气氛以及冷凝在安全壳内的蒸气。

在设计基准事件后的最初七十二小时，水经由重力从非能动安全壳冷却储水槽26持续供给到安全壳容器钢表面22。水施加到安全壳容器钢表面22增强了穿过容器的热量传递并且协助冷凝在安全壳内的蒸气，因此也限制在安全壳内的压力增加。在最初七十二小时之后，能动厂内泵送方法在至少附加的四天中将补充水提供给非能动安全壳冷却储水槽26。在七天之后，附加的厂内和厂外水源和泵送方法继续将补充水提供给非能动安全壳冷却储水槽26。

本发明的目的在于使得安全壳容器的空气冷却能够独自提供充足的衰变热量移除，以在最初三天之后维持可接受的低安全壳压力。

此外，本发明的目的在于使得安全壳容器的空气冷却能够提供所述充足的衰变热量移除而不依靠能动部件、操作员动作、或非安全的厂内或厂外水源。

附加地，本发明的目的在于提供使得所需非能动安全壳冷却储水槽的尺寸能够减小的充足的安全壳容器的空气冷却。

发明内容

这些和其他目的依据此后列出的实施方式实现，所述实施方式包括应用旋涡发生器、导向叶片、以及涡流发动机。更具体地，列出的实施方式包括：具有侧部和盖的固体金属核安全壳的壳体，其尺寸定为围绕核反应堆系统的一次冷却剂环路的至少一部分。具有侧部和顶部的外壳，其基本围绕固体金属壳的外表面并且与固体金属壳的外表面隔开，从而形成围绕固体金属壳的侧部的外表面的环形冷却流体通道，所述环形冷却流体通道与盖和顶部之间的通道连通。流体吸入口使外壳的外侧和环形通道的较低部分之间连通，并且流体排出口延伸穿过所述顶部的一部分。旋涡叶片组件被支撑在环形通道中，位于外壳的侧部的内侧和金属壳的侧部的外表面之间，以在空气被通过固体金属壳传递的热量加热时增强在沿固体金属壳的环形通道中上升的空气的湍流和混合。

优选地，旋涡叶片组件包括定位在大约相同高度处并且相互接近的至少两个旋涡叶片，其中所述至少两个旋涡叶片被设置成反向旋转对，以在空气沿固体金属壳上升时增强空气的混合。在优选实施方式中，旋涡叶片组件包括旋涡叶片的多个反向旋转对，所述多个反向旋转对在大约相同高度处围绕固体金属壳的侧部的外表面周向隔开。期望地，所述相同高度在环形通道的较低部分中。在一个实施方式中，旋涡叶片组件由与固体金属壳的外表面相对的壁支撑，优选地，挡板介于外壳的侧部和固体金属壳的外表面之间，以使得挡板大约从外壳的顶部的较低表面延伸到与固体金属壳的在旋涡叶片组件下方的侧部的较低部分并列的高度，从而穿过外壳的冷却空气吸入口连通挡板和外壳之间的冷却空气，并且使冷却空气进入旋涡叶片组件下方的环形通道。期望地，旋涡叶片组件被支撑在挡板的内部上。作为进一步的改进，旋涡叶片组件包括在两个隔开高度处被支撑的至少两个旋涡叶片组件，一个旋涡叶片组件在另一个旋涡叶片组件之上。

在另一实施方式中，核反应堆安全壳包括接近空气出口32或在空气出口内支撑的涡流发动机42。

在另一实施方式中，方向性导向叶片44被支撑在盖和顶部之间的通道中，所述方向性导向叶片定向为将冷却流体从环形通道指引到涡流发动机上的吸入口。

附图说明

通过结合附图阅读以下对优选实施方式的说明可以得到对本发明的进一步的理解，在附图中：

图1是AP1000核电厂的简化示意图；

图2是旋涡叶片的透视图，所述旋涡叶片可以被应用在图1中示出的安全壳中；

图3是涡流发动机的平面图，所述涡流发动机可以接近图1中示出的屏蔽建筑物中的烟囱被应用、或在该烟囱内被应用；

图4是图3中示出的涡流发动机的侧视图；

图5是导向叶片的平面图，所述导向叶片可以被应用在屏蔽建筑物的顶部和钢圆顶安全壳容器的盖之间的空间中，以将上升的被加热的空气引入涡流发动机；以及

图6是结合有在此描述的一个实施方式的旋涡叶片、导向叶片以及涡流发动机的图1中示出的安全壳系统的简化示意图。

具体实施方式

如前所述，在非能动冷却安全壳系统中，由被加热的安全壳钢表面传递到空气的对流热量仅占小部分的总热量传递；所述总热量传递主要由来自安全壳钢表面的湿润区域的水的蒸发实现，所述水的蒸发冷却在表面上的水、而后冷却安全壳钢、而后冷却内侧安全壳气氛并且冷凝蒸气。在此描述的实施方式的目的是使得在最初三天之后，当在非能动安全壳冷却储水槽26中的初始水量已经耗尽时，空气冷却能够独自提供充足的热量移除以维持可接受的低安全壳压力而不依靠能动部件、操作员动作、或辅助水源。

前述目的在相关的提交日期为_____(代理人案号NPP 2009-014)的共同未决的申请序列No.______中如此实现：在钢安全壳容器上形成曲折空气路径并且实际上形成增加的表面区域，冷却空气经过钢安全壳容器流动。在此描述的实施方式如此实现相同目的：促进在挡板28和钢圆顶壳22之间的环形通道34内的空气更好地混合；并且每单位时间抽吸更多空气穿过所述通道。这些概念中的其中一个可以被独自使用，或它们可以被一起使用以促进反应堆安全壳的更高效的冷却。虽然圆顶安全壳壳22被确定为由钢构成，但是应该理解的是，安全壳容器可以由具有相对良好的导热性以及必要的整体性和强度的其他材料构成。也应该理解的是，在非能动安全壳冷却储水槽26的排放期间的水膜将跟随在钢圆顶安全壳容器上的与空气路径的流动方向相反的流动路径。

AP1000核电厂非能动安全壳冷却系统的设计利用钢安全壳容器22、屏蔽建筑物24以及空气挡板28以形成由自然循环驱动的空气流动路径。较冷的外侧空气通过进入风口30被抽吸到屏蔽建筑物24的侧部，并且被围绕挡板28向下指引。冷空气然后回转向上并且与沿安全壳容器壳22向下流动的水逆流地行进。热量从容器钢传递到水，并且最终传递到向上流动且流出烟囱32的空气。离开烟囱的热空气的浮力有助于驱动空气流过环路34。

AP1000非能动安全壳冷却系统在最初72小时利用来自在屏蔽建筑物24的顶部上的非能动安全壳冷却系统存储槽26(与安全性相关的源头)的水。传统上，从第72小时到第七天，水由在工厂地点上的辅助槽供应，但是这种动作要求操作员干预以及AC电源。这种实施方式的目的在于增强通过环路34的空气流动，以使得在72小时之后持续的水冷却可以由非能动的仅空气冷却代替，所述非能动的仅空气冷却将安全壳内的压力维持在设计限值内。为了实现前述目的，优选实施方式采用旋涡发生器(诸如图2中示出的旋涡叶片组件36)按以下方式提高从安全壳容器22移除的衰变热量：非能动地旋转在环路中的空气，以使得相邻于挡板28的较冷的空气在所述空气沿着环路向上移动时朝向钢圆顶包封体22旋转，以破坏热边界层并增强穿过钢圆顶包封体的热量传递。术语"非能动"用于指示没有移动的部件，并且动作在无需任何外部能源的情况下完成。在图2中示出的旋涡发生器是旋涡叶片组件36，其具有支撑多个弯曲叶片的管状外壳，所述弯曲叶片的弧将轴向吸入的空气转化为旋涡形式。

在此采用的实施方式也可以采用诸如图3和4中示出的涡流发动机，以与在屏蔽建筑物24的顶部上的空气出口32相结合产生虚拟烟囱，并且使用这种虚拟烟囱提高衰变热量的移除。旋涡发生器36与涡流发动机42的结合可以被导向叶片44的使用进一步增强，所述导向叶片位于屏蔽建筑物24的顶部的下侧和钢圆顶包封体22的盖之间的空间中。旋涡发生器、涡流发动机或导向叶片都不需要移动的部件或密集维护。然而，这种元件的结合增强了通过屏蔽建筑物的环路的自然通风而无需使用风扇或AC电源，或物理地增加屏蔽建筑物烟囱的高度。优选地，旋涡发生器36被设置成环路34中的反向旋转对。

因此，依据这种实施方式，旋涡发生器36在环形通道34的较低部分中相邻于钢圆顶包封体22被附接到挡板28的内侧表面。旋涡发生器36的目的在于使得空气流动沿环路区域34上升，所述空气流动与沿钢圆顶包封体22的表面向下的水流动逆流，借助于旋转空气形成湍流。这种利用旋涡运动将靠近容器22的较热的空气与相邻于挡板28的较冷的空气混合将使热边界层变薄，由此减小对于热量传递的阻力。初步测试表明由旋涡发生器36产生的涡流在消散之前将进行一段很长的距离。如图6所示地，在环路34中的向上更高处附加一组旋涡发生器36可以用于在需要的情况下再产生旋涡。每个旋涡叶片组件36包括两个旋涡叶片，所述两个旋涡叶片被定向成建立反向旋转的空气路径，即，沿相反方向旋转的空气路径。在旋涡叶片组件被支撑的每个高度处，组件周向围绕钢圆顶包封体容器22的外表面等距隔开。

通过使用旋涡发生器36，从安全壳钢包封体22传递到水而后传递到空气的热量被提高。然而，将任何装置添加到通过环路34的空气流动路径中将倾向于对压降和空气速率施加不利的影响。这种实施方式进一步构思出可以通过增加系统的热浮力补偿这些损失。这可以通过由图6中的附图标记46图示的改进虚拟烟囱实现。虚拟烟囱46从屏蔽建筑物烟囱48的顶部延伸。虚拟烟囱46是以类似龙卷风的形式旋转的高速空气柱，所述高速空气柱将有助于拉动通过环路区域34的空气并且增加空气速率，以使得由旋涡发生器36引起的损失被补偿并且热传递被进一步增加。

涡流发生器是由形成涡流的小叶片构成的空气动力学表面。涡流发动机基于当水下降或当热空气上升时产生机械能的原理工作。大气涡流发动机通过利用用作竖直管道的空气涡流形成一股上升空气而捕获在热空气上升时产生的能量。涡流通过将热或潮湿的空气切向地带入圆形场地而产生。切向进入引起热湿空气随着其上升而旋转，从而形成"锚定涡流"。在涡流中的离心力防止上升空气被较冷的周围空气稀释并且由此丧失其浮力。一旦由在环路34中的旋涡发生器36产生的湍流空气流动已经前进到在钢安全壳容器22和屏蔽建筑物24之间的圆顶区，导向叶片44就将协助以期望的旋涡运动朝向屏蔽建筑物烟囱48"预旋"空气流。导向叶片44协助发展需要涡流发动机42产生的更大的涡流。涡流发动机42定位在屏蔽建筑物24的烟囱48内、烟囱上或烟囱附近，并且在原理上可以是更大规模的旋涡发生器。进入涡流发动机42的入口50的空气将以切向方式进入并且将产生高速空气柱，所述高速空气柱将在屏蔽建筑物烟囱48的顶部上方延伸一段距离进入外部空气，其中在屏蔽建筑物烟囱上方的延伸部分形成虚拟烟囱46。这种虚拟烟囱将延长屏蔽建筑物烟囱48的有效高度，由此增加浮力和增加用于空气流动的驱动力。

在图3中示出可以被用于这种目的的涡流发动机的平面图，图4示出露出叶片52的入口的侧视图，所述叶片被具有中央开口56的基板54和盖58覆盖。空气进入叶片52并且在其围绕场地移动并且沿烟囱向上移动时加速，从而在空气向上延伸并且伸出烟囱的虚拟延伸部分时抽吸更多空气进入吸入口50。因此，更多空气通过系统被抽吸，以克服由旋涡叶片组36施加的压降。

虽然已经详细描述本发明的特定实施方式，但本领域技术人员理解的是，对这些细节的各种修改和替换可以依据公开内容的全部教导形成。因此，所公开的具体实施方式仅意味着示意性而非限制由所附权利要求的全部宽度及其任何所有等同方案给出的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种核反应堆安全壳(10)，包括：

具有侧部和盖的固体金属壳(22)，其尺寸定为围绕核反应堆系统(12，14，16，18，20)的一次冷却剂环路的至少一部分，所述固体金属壳具有外表面；

具有侧部和顶部的外壳(24)，其基本围绕固体金属壳并且与固体金属壳隔开，从而形成围绕固体金属壳的侧部的外表面的环形通道(34)，所述环形通道与盖和顶部之间的通道连通；

使外壳(24)外侧和环形通道的较低部分之间连通的流体吸入口(30)；

延伸穿过所述顶部的一部分的流体排出口(32)；以及

被支撑在环形通道(34)中的旋涡叶片组件(36)，其位于外壳(24)的侧部的内侧和固体金属壳(22)的侧部的外表面之间。

2.如权利要求1所述的核反应堆安全壳(10)，其中，旋涡叶片组件(36)包括定位在大约相同的高度处并且相互接近的至少两个旋涡叶片(38)，其中所述至少两个旋涡叶片被设置成反向旋转对。

3.如权利要求2所述的核反应堆安全壳(10)，其中，旋涡叶片组件(36)包括旋涡叶片(38)的多个反向旋转对，所述旋涡叶片的多个反向旋转对在大约相同高度处围绕固体金属壳(22)的侧部的外表面周向隔开。

4.如权利要求2所述的核反应堆安全壳(10)，其中，所述相同高度位于环形通道(34)的较低部分中。

5.如权利要求1所述的核反应堆安全壳(10)，其中，旋涡叶片组件(36)由与固体金属壳(22)的外表面相对的壁(28)支撑。

6.如权利要求5所述的核反应堆安全壳(10)，包括介于外壳(24)的侧部和固体金属壳(22)的外表面之间的挡板(28)，挡板大约从外壳的顶部的较低表面延伸到与固体金属壳的在旋涡叶片组件(36)下方的侧部的较低部分并列的高度，其中，流体吸入口(30)延伸穿过外壳的壁，并且在挡板下方延伸或延伸穿过挡板以进入在旋涡叶片组件下方的环形通道(34)。

7.如权利要求6所述的核反应堆安全壳(10)，其中，旋涡叶片组件(36)被支撑在挡板(28)的内壁上。

8.如权利要求1所述的核反应堆安全壳(10)，其中，旋涡叶片组件(36)包括在两个隔开高度处被支撑的至少两个旋涡叶片子组件，一个旋涡叶片子组件在另一个旋涡叶片子组件之上。

9.如权利要求1所述的核反应堆安全壳(10)，包括接近流体排出口(32)或在流体排出口内被支撑的涡流发动机(42)。

10.如权利要求9所述的核反应堆安全壳(10)，包括在盖和顶部之间的通道中支撑的方向性叶片(44)，所述方向性叶片定向为将流体从环形通道(34)指引到在涡流发动机(42)上的吸入口(50)。

11.如权利要求1所述的核反应堆安全壳(10)，包括在固体金属壳(22)的盖的上方被支撑的非能动安全壳冷却流体存储槽(26)，冷却流体存储槽能够操作为在核反应堆系统(12，14，16，18，20)的预定操作条件下将冷却流体释放到盖上。