CN104575633A - 乏燃料水池非能动补水及热量导出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，包括冷却水池、回路热管系统及喷淋系统，冷却水池设置在乏燃料水池的上方，回路热管系统的一端设置在乏燃料水池内，另一端设置在冷却水池内，回路热管系统内具有冷凝介质，喷淋系统设置于乏燃料水池及冷却水池之间并与冷却水池连通，喷淋系统包括喷水口及连通或隔断冷却水池与喷水口的喷淋启动阀门。本系统由于设置了回路热管系统，可以将乏燃料水池内的热量通过冷凝介质传导到冷却水池中，有利于乏燃料的热量散发，同时，通过设置喷淋系统，当乏燃料水池的液位过低导致乏燃料组件裸露时，可以将冷却水池内的冷却剂喷洒到乏燃料水池，进行非能动补水，确保乏燃料组件的安全。

Description

乏燃料水池非能动补水及热量导出系统

技术领域

本发明涉及一种核电厂的安全系统，尤其涉及一种乏燃料水池非能动补水及热量导出系统。

背景技术

核电的使用是人类在能源利用史上的一个重大突破，利用原子核的裂变反应，核燃料能够产生其他所有传统化石能源所无法比拟的高能量输出，并且，这些高能量输出往往只需要耗费少量的核燃料。这种低投入高产出的特性，使得人类日益重视对核能的利用，并不断加大在核能领域的研究开发，时至今日，核能已经成为世界上许多国家的重要能源组成部分。

然而，核电在具有极高利用价值的同时，其所可能带来的危害也令人们谈核色变。在使用核电的过程中，如果保护不当而致使出现核泄漏等重大事故，将会对核电厂周边的环境乃至全人类带来及其严重的核污染灾害，因此，如何在对核能的开发利用过程中保证其安全性，是一个极其重要的研究课题。

乏燃料是指在反应堆内进行一定时间的裂变反应之后，达到了设计燃耗而被卸载出反应堆的核燃料。由于被卸载后的乏燃料仍会在相当长的时间内继续产生衰变热，因此现有的压水堆核电厂通常会将乏燃料组件储存在乏燃料水池内并利用乏燃料水池的冷却系统对乏燃料进行冷却，将其产生的热量排出至最终热阱（大气、江河、大海等），被冷却后的乏燃料可以进行溶解等后处理，以提取尚有利用价值的核素。然而，现有技术中的乏燃料水池冷却系统一般依靠能动设备运转，而能动设备则需要依赖于核电厂的主电源或应急电源启动，当核电厂出现事故而导致全面断电时，能动设备得不到电源供应而无法启动冷却系统，乏燃料产生的热量就会得不到释放，从而导致乏燃料水池内的温度持续升高，冷却剂沸腾并蒸发，在乏燃料厂房内充斥高温气体，对事故处理造成阻碍，同时，冷却剂的蒸发（或其他原因失水）导致液位下降，乏燃料组件因裸露出冷却剂之外而失去冷却，甚至发生破损，增加了放射性物质释放的危险。

因此，急需一种非能动的乏燃料水池补水及热量导出系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非能动的乏燃料水池补水及热量导出系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种乏燃料水池非能动补水及热量导出系统。该系统包括冷却水池、回路热管系统及喷淋系统，所述冷却水池设置在所述乏燃料水池的上方，所述回路热管系统呈封闭的回路结构且一端设置在所述乏燃料水池内，另一端设置在所述冷却水池内，所述回路热管系统内具有冷凝介质，所述喷淋系统设置于所述乏燃料水池及冷却水池之间并与所述冷却水池连通，所述喷淋系统包括向所述乏燃料水池内补充冷却剂的喷水口及连通或隔断所述冷却水池与喷水口的喷淋启动阀门。

与现有技术相比，由于本发明在所述乏燃料水池及冷却水池之间设置了所述回路热管系统，利用所述回路热管系统内冷凝剂的循环往复及形态变化来将所述乏燃料水池内乏燃料产生的热量传导到所述冷却水池内，该过程中冷凝剂的循环藉由其自身形态的改变而实现，无需依赖外界电力，实现了非能动的热量导出；所述回路热管系统的特殊毛细结构则令热传导的效率较高。由于所述回路热管系统是封闭的回路结构，因此在热量传导的过程中不会导致乏燃料厂房与外界连通。同时，通过设置与所述冷却水池连通的所述喷淋系统，可以在所述乏燃料水池内液位较低而乏燃料组件裸露时将所述冷却水池内的冷却剂喷洒到所述乏燃料水池内，对乏燃料组件进行有效冷却，防止乏燃料组件的破损，提高了乏燃料水池的安全性。

较佳地，所述回路热管系统包括蒸发器、冷凝器、上升通道及下降通道，所述蒸发器设置于所述乏燃料水池内，所述冷凝器设置于所述冷却水池内，所述蒸发器的输出端通过所述上升通道与所述冷凝器的输入端连通，所述冷凝器的输出端通过所述下降通道与所述蒸发器的输入端连通。冷凝剂在蒸发器中吸收乏燃料水池内的热量并被汽化，气态冷凝剂沿所述上升通道进入所述冷凝器内并将热量传递给所述冷却水池内的冷却剂，冷凝剂被重新液化后通过所述下降通道再次流入所述蒸发器器内，开始下一循环的热量传导。

具体地，所述回路热管系统还包括连通或隔断所述蒸发器与冷凝器的启动阀门。所述启动阀门的作用是连通或隔断所述回路热管系统的热量传输回路，以启动或停止所述乏燃料水池与冷却水池之间的热量传导。

更具体地，所述启动阀门设置于所述下降通道。将所述启动阀门设置在所述下降通道，可以将液态冷凝剂隔绝在所述蒸发器之外而安全地停止回路热管系统的导热循环，避让将热量传递到乏燃料厂房的内部空间或高温气态冷凝剂堆积造成的安全隐患。

较佳地，所述喷淋系统还包括悬置于所述乏燃料水池上方的喷淋管线，所述喷淋管线与所述冷却水池连通且多个所述喷水口分别开设于所述喷淋管线，所述喷淋启动阀门设置于所述喷淋管线。设置所述喷淋管线并在其上开设多个所述喷水口的目的是为了将所述冷却水池内的冷却剂更均匀地喷洒到所述乏燃料水池，使乏燃料水池内的冷却剂被更快、更均匀地冷却，有效阻止冷却剂蒸发。

具体地，所述喷淋管线上形成有多个喇叭状的喷淋头，所述喷水口开设于所述喷淋头。喷淋头的设计是为了增大喷淋面积。

较佳地，所述喷淋启动阀门为压力控制阀。所述乏燃料水池内温度过高并使冷却剂蒸发，乏燃料厂房内由于高压气体的充斥，压力不断升高，当达到一定值时，压力控制阀被打开，喷淋系统启动；将喷淋启动阀门设置为压力控制阀可以实现阀门的自动开启而无需借助外界电力启动，实现了非能动的补水。

较佳地，所述乏燃料水池设置在乏燃料厂房内，所述冷却水池设置在所述乏燃料厂房外，并位于所述乏燃料厂房的房顶。将所述冷却水池设置在所述乏燃料厂房外可以避免冷却水池内的冷却剂受热蒸发后形成高温蒸汽并充斥在乏燃料厂房内，并且通过与外界环境的直接接触，更容易将冷却剂的热量带走。

具体地，所述冷却水池内设有与大气连通并在冷却水池的冷却剂蒸干后对所述回路热管系统的另一端起到风冷作用的冷却风道。当发生事故时间较长且非能动的乏燃料水池补水及热量导出系统长时间工作后，所述冷却水池内的冷却剂被蒸干，则无法继续通过液体接触来散发回路热管系统中的热量，因此需要设置所述冷却风道，产生冷风对流来对回路热管系统进行冷却。

附图说明

图1是本发明非能动的乏燃料水池补水及热量导出系统的示意图。

具体实施方式

下面结合给出的说明书附图对本发明的较佳实施例作出描述。

如图1所示，本发明乏燃料水池非能动补水及热量导出系统1包括冷却水池10、回路热管系统11及喷淋系统12，所述冷却水池10设置在所述乏燃料水池2的上方，所述回路热管系统11呈封闭的回路结构且一端设置在所述乏燃料水池2内，另一端设置在所述冷却水池10内，所述回路热管系统11内具有冷凝介质，所述喷淋系统12设置于所述乏燃料水池2及冷却水池10之间并与所述冷却水池10连通，所述喷淋系统12包括向所述乏燃料水池2内补充冷却剂的喷水口120及连通或隔断所述冷却水池10与喷水口120的喷淋启动阀门121。

所述乏燃料水池2用于储存并冷却乏燃料组件3，因此所述乏燃料水池2内注满冷却剂（水），冷却剂淹没所述乏燃料组件3以避免乏燃料组件3的裸露并保证充分冷却。所述乏燃料水池2设置在乏燃料厂房4内。为了避免外界因素的干扰并杜绝乏燃料组件3意外破损后对外界产生放射性污染，所述乏燃料厂房4应该与外界环境隔离设置。

具体地，所述回路热管系统11包括蒸发器110、冷凝器111、启动阀门112、上升通道及113下降通道114。所述蒸发器110设置于所述乏燃料水池2内并与所述乏燃料水池2内的冷却剂保持充分接触，所述冷凝器111设置于所述冷却水池10内并与所述冷却水池10内的冷却剂（水）保持充分接触，所述蒸发器110的输出端通过所述上升通道113与所述冷凝器111的输入端连通，所述冷凝器111的输出端通过所述下降通道114与所述蒸发器110的输入端连通。所述上升通道113及下降通道114均为设置在所述蒸发器110与冷凝器111之间的管路。所述启动阀门112设置在所述下降通道114上并位于所述乏燃料厂房4的内部，且所述启动阀门112位于所述乏燃料水池2的上方。所述启动阀门112为常闭状态并依靠系统内置的电源（电池盒等）开启，也可以设置为与核电厂的主电源或应急电源成“非”门逻辑电路，即当主电源或应急电源供电正常时，所述启动阀门112关闭，所述回路热管系统11被隔断而不工作，所述乏燃料水池2依靠常规的冷却系统进行冷却，当核电厂出现事故而导致主电源或应急电源中断时，所述启动阀门112被开启，所述回路热管系统11连通并开始对所述乏燃料水池2进行应急冷却。当然，所述启动阀门112也可以同时具有手动操作的功能，即可以被手动开启。

所述回路热管系统11的工作原理是：冷凝剂在蒸发器110中吸收乏燃料水池2内的热量并被汽化，气态冷凝剂沿所述上升通道113进入所述冷凝器111内并将热量传递给所述冷却水池10内的冷却剂，冷凝剂被重新液化后通过所述下降通道114再次流入所述蒸发器110器内，开始下一循环的热量传导。由于所述回路热管系统11是封闭的回路结构，因此在热量传导的过程中不会导致乏燃料厂房4与外界连通。

所述启动阀门112的作用是连通或隔断所述回路热管系统11的热量传输回路，以启动或停止所述乏燃料水池2与冷却水池10之间的热量传导。但是，如果将所述启动阀门112设置在所述上升通道113，则在所述启动阀门112关闭时，冷凝剂在蒸发器110中被汽化后，高温高压的气态冷凝剂会被所述启动阀门112拦截而堆积在所述上升通道113内，从而造成一定的安全隐患，且长期堆积的气态冷凝剂会由于温度降低而重新液化并落入所述蒸发器110中被重新汽化，如此反复的过程中会将大量热量散发到所述乏燃料厂房4内，造成所述乏燃料厂房4内温度的升高，不利于所述乏燃料水池2的散热。因此，在本实施例中，将所述启动阀门112设置在所述下降通道114，以此将液态冷凝剂隔绝在所述蒸发器110之外而安全地停止回路热管系统11的导热循环，避免了上述问题的出现。

较佳地，为了使冷凝剂在所述回路热管系统11的管路内更顺利地循环往复，在将冷凝剂充入管路后将管路抽为真空状态。另外，本实施例中的冷凝剂实际上是水，当然也可以采用其他容易受热汽化并放热液化且热量传导性能较好的冷凝剂，如空调或冰箱中使用的制冷剂。

所述喷淋系统12还包括悬置于所述乏燃料水池2上方的喷淋管线122，所述喷淋管线122与所述冷却水池10连通且所述喷淋管线122上形成有多个喇叭状的喷淋头123，所述喷水口120开设于所述喷淋头123，所述喷淋启动阀门121设置于所述喷淋管线122。在所述喷淋管线122上设置多个所述喷淋头123，并在所述喷淋头123上开设所述喷水口120，其目的是为了将所述冷却水池10内的冷却剂更均匀地喷洒到所述乏燃料水池2内，同时增大了喷淋面积，使乏燃料水池2内的冷却剂被更快、更均匀地冷却，在防止所述乏燃料组件3露出液面之外的同时也能有效缓解冷却剂的蒸发。

其中，所述喷淋启动阀门121可以设置为压力控制阀。如果所述乏燃料水池2内温度过高而使冷却剂蒸发，所述乏燃料厂房4内的压力会由于高压气体的充斥而不断升高，当达到一定值时，压力控制阀就能够被打开并使喷淋系统12启动，喷淋系统12的启动无需借助外界电力，实现了对所述乏燃料水池2的非能动的补水。

然而，导致所述乏燃料水池2内液位过低的因素可能不止是冷却剂的高温蒸发，还包括供水管路的堵塞或断裂等，在这些情况下，所述乏燃料厂房4内的压力不变，将喷淋启动阀门121设置为压力控制阀也不能使其具有自动开启的功能。因此，还可以通过在所述乏燃料水池2内设置传感器来控制喷淋启动阀门121的开闭。具体地，传感器设置在所述乏燃料水池2内液位的预定报警高度的位置，并与所述喷淋启动阀门121电连接，当液位低于该报警高度时，传感器露出液面之外，并向所述喷淋启动阀门121发出电信号，喷淋启动阀门121打开以启动所述喷淋系统12。所述喷淋启动阀门121的打开可以借助驱动所述回路热管系统11内所述启动阀门112开启的同一内置电源实现，同样不需要外部电源的支持，满足非能动的要求。

当然，所述喷淋启动阀门121同样可以设置为手动开启。

以上已经提及，所述乏燃料厂房4应该保持与外界隔绝的封闭状态，且所述冷却水池10的冷却剂在冷却吸热的过程中会产生大量的蒸汽，因此如若将所述冷却水池10设置于所述乏燃料厂房4内，则需要设置另外的管道将产生的蒸汽排出，这就导致了所述乏燃料厂房4与外界环境的连通，因此，本实施例中所述冷却水池10设置在所述乏燃料厂房4外，并位于所述乏燃料厂房4的房顶，这样不止可以避免所述乏燃料厂房4与外界的连通，还使得所述冷却水池10与外界环境直接接触，散热效果更佳。

当核电厂意外事故持续时间较长，所述回路热管系统11长时间工作后，所述冷却水池10内的冷却剂可能被蒸干而导致所述冷凝器111露出液面，失去冷却剂吸热的散热效果，则所述回路热管系统11内的冷凝剂可能无法放热液化，导热循环被停止。为避免这种情况，当然可以外接供水装置来为所述冷却水池10注水，保持所述冷却水池10内的液面高度，然而，本系统内置电源的动力不足以驱动供水装置，则对所述冷却水池10注水需要依靠外界电源实现，这就违背了本系统“非能动”的设计初衷，因此，在本实施例中，通过在所述冷却水池10内设置冷却风道101来是实现冷却剂蒸干后对冷凝器111的冷却。所述冷却风道101与大气连通，所述冷凝器111设置在所述冷却风道101内，当所述冷却水池10内的冷却剂蒸干后，所述冷却风道101有利于在所述冷凝器111的表面形成空气对流以对所述冷凝器111进行风冷，确保冷凝剂能够放热液化，所述回路热管系统11的导热循环能够持续。

本发明中对乏燃料水池非能动补水及热量导出系统1的实际设置数量不予限制，可以根据乏燃料厂房4内部乏燃料水池2的数量为每一乏燃料水池2分别配置一系统，也可以对同一所述乏燃料水池2配置多个系统。

本发明与现有技术相比，由于本发明在所述乏燃料水池2及冷却水池10之间设置了所述回路热管系统11，利用所述回路热管系统11内冷凝剂的循环往复及形态变化来将所述乏燃料水池2内乏燃料产生的热量传导到所述冷却水池10内，该过程中冷凝剂的循环藉由其自身形态的改变而实现，无需依赖外界电力，实现了非能动的热量导出；所述回路热管系统11的特殊毛细结构则令热传导的效率较高。由于所述回路热管系统11是封闭的回路结构，因此在热量传导的过程中不会导致乏燃料厂房4与外界连通。同时，通过设置与所述冷却水池10连通的所述喷淋系统12，可以在所述乏燃料水池2内液位较低而乏燃料组件3裸露时将所述冷却水池10内的冷却剂喷洒到所述乏燃料水池2内，对乏燃料组件3进行有效冷却，防止乏燃料组件3的破损，提高了乏燃料水池2的安全性。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，其作用是方便本领域的技术人员理解并据以实施，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：包括冷却水池、回路热管系统及喷淋系统，所述冷却水池设置在所述乏燃料水池的上方，所述回路热管系统呈封闭的回路结构且一端设置在所述乏燃料水池内，另一端设置在所述冷却水池内，所述回路热管系统内具有冷凝介质，所述喷淋系统设置于所述乏燃料水池及冷却水池之间并与所述冷却水池连通，所述喷淋系统包括向所述乏燃料水池内补充冷却剂的喷水口及连通或隔断所述冷却水池与喷水口的喷淋启动阀门。

2.如权利要求1所述的乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：所述回路热管系统包括蒸发器、冷凝器、上升通道及下降通道，所述蒸发器设置于所述乏燃料水池内，所述冷凝器设置于所述冷却水池内，所述蒸发器的输出端通过所述上升通道与所述冷凝器的输入端连通，所述冷凝器的输出端通过所述下降通道与所述蒸发器的输入端连通。

3.如权利要求2所述的乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：所述回路热管系统还包括连通或隔断所述蒸发器与冷凝器的启动阀门。

4.如权利要求3所述的乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：所述启动阀门设置于所述下降通道。

5.如权利要求1所述的乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：所述喷淋系统还包括悬置于所述乏燃料水池上方的喷淋管线，所述喷淋管线与所述冷却水池连通且多个所述喷水口分别开设于所述喷淋管线，所述喷淋启动阀门设置于所述喷淋管线。

6.如权利要求5所述的乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：所述喷淋管线上形成有多个喇叭状的喷淋头，所述喷水口开设于所述喷淋头。

7.如权利要求1所述的乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：所述喷淋启动阀门为压力控制阀。

8.如权利要求1所述的乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：所述乏燃料水池设置在乏燃料厂房内，所述冷却水池设置在所述乏燃料厂房外，并位于所述乏燃料厂房的房顶。

9.如权利要求8所述的乏燃料水池非能动补水及热量导出系统，其特征在于：所述冷却水池内设有与大气连通并在冷却水池的冷却剂蒸干后对所述回路热管系统的另一端起到风冷作用的冷却风道。