CN104575634B - 闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统，包括冷却水池及闪蒸系统，冷却水池位于乏燃料水池的上方，闪蒸系统包括上升通道、下降通道、第一启动阀门及位于冷却水池内的冷凝器，上升通道的入口设置于乏燃料水池内且位于冷却剂的液面之下，上升通道的出口与冷凝器的入口连通，冷凝器的出口与下降通道的入口连通，下降通道的出口与乏燃料水池连通，第一启动阀门设置于下降通道，下降通道内容置有冷却剂。本系统的循环过程藉由上升通道及下降通道内气体及液体存在密度差而引起的压力差而驱动，完全不依赖外接电力，即使在事故后完全断电时，依旧能保持乏燃料水池内良好的冷却，达到了非能动热量导出的目的。

Description

闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统

技术领域

本发明涉及一种核电厂的安全系统，尤其涉及一种闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统。

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热量导出系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统，包括冷却水池及闪蒸系统，所述冷却水池位于所述乏燃料水池的上方，所述闪蒸系统包括上升通道、下降通道、第一启动阀门及位于所述冷却水池内的冷凝器，所述上升通道的入口设置于所述乏燃料水池内且位于冷却剂的液面之下，所述上升通道的出口与所述冷凝器的入口连通，所述冷凝器的出口与所述下降通道的入口连通，所述下降通道的出口与所述乏燃料水池连通，所述第一启动阀门设置于所述下降通道，所述第一启动阀门与所述冷凝器之间的所述下降通道内注有冷却剂。

与现有技术相比，由于本发明在所述乏燃料水池上方设置了所述冷却水池，并且在所述乏燃料水池及冷却水池之间设置了所述闪蒸系统，依靠闪蒸系统的下降通道内的冷却剂向下流入所述乏燃料水池后产生的真空吸力，使所述乏燃料水池内被乏燃料组件加热后的冷却剂上升至所述上升通道中，冷却剂在所述上升通道中逐渐上升且压力不断下降至冷却剂在该温度下的饱和压力，以至冷却剂发生闪蒸，闪蒸后的蒸汽经由冷凝器与所述冷却水池内的冷却剂发生热交换，重新液化成为水，再由所述下降通道流入所述乏燃料水池中以循环持续上述过程。整个循环的过程由重力、闪蒸及冷凝等自然现象组成，藉由所述上升通道及下降通道内气体及液体存在密度差而引起的压力差而驱动，完全不依赖外接电力，即使在事故后完全断电时，依旧能保持所述乏燃料水池内良好的冷却，达到了非能动热量导出的目的。

较佳地，所述下降通道的出口位于所述上升通道的入口的下方。将所述下降通道的出口设置在所述上升通道的入口的下方，是为了让所述下降通道的出口尽量远离所述上升通道的入口，防止从所述下降通道中流出的低温冷却剂对所述上升通道入口处的高温冷却剂产生干扰，降低进入所述上升通道内的冷却剂的温度，影响其正常闪蒸现象的发生。

较佳地，所述下降通道位于所述乏燃料水池的一侧，所述下降通道的出口设置在所述下降通道的下端，且所述下降通道的下端弯折并由外至内地贯穿所述乏燃料水池的侧壁。将所述下降通道穿过所述乏燃料水池的侧壁而与所述乏燃料水池连通，与将所述下降通道由上至下直接侵入所述乏燃料水池相比，可以避免事故后、系统回路启动前，因所述下降通道内的冷却剂被所述乏燃料水池产生的热量加热而削弱了系统启动时的驱动力。

具体地，所述闪蒸系统还包括设置于所述下降通道的第二启动阀门，所述第一启动阀门及第二启动阀门分别设置在所述乏燃料水池内外。由于所述下降通道贯穿了所述乏燃料水池的侧壁，因此，为了防止造成所述乏燃料水池的泄露，将所述第一启动阀门及第二驱动阀门分别设置在所述乏燃料水池的侧壁的两侧，符合安全要求，确保了管路破口后的隔离。

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。

附图说明

图1是本发明闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统的系统示意图。

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，本发明闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统1包括冷却水池10及闪蒸系统11，所述冷却水池10位于所述乏燃料水池2的上方，所述闪蒸系统11包括上升通道110、下降通道111、第一启动阀门112及位于所述冷却水池内的冷凝器113，所述上升通道110的入口设置于所述乏燃料水池2内且位于冷却剂的液面之下，所述上升通道110的出口与所述冷凝器113的入口连通，所述冷凝器113的出口与所述下降通道111的入口连通，所述下降通道111的出口与所述乏燃料水池2连通，所述第一启动阀门112设置于所述下降通道111，所述第一启动阀门112与所述冷凝器113之间的所述下降通道111内注有冷却剂。

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，在本实施例中，所述闪蒸系统11还包括设置于所述下降通道111的第二启动阀门114。所述上升通道110及下降通道111均为设置在所述乏燃料水池2及冷却水池10之间的管路。所述冷凝器113设置在所述冷却水池10内并与所述冷却水池10内的冷却剂（水）保持充分接触以保证良好的热交换。所述上升通道110的入口设置在其下端，出口设置在其上端，所述上升通道110的下端（入口）没入所述乏燃料水池2内的所述冷却剂的液面之下，伸入冷却剂下的深度可以不做限制，当然，为了保证更佳的循环效果，伸入的深度不宜过深，使冷却剂液面刚刚淹没所述上升通道110的入口即可。所述下降通道111位于所述乏燃料水池2外的一侧，所述下降通道111的入口开设在其上端，出口开设在其下端，且所述下降通道111的下端弯折并由外至内地贯穿所述乏燃料水池2的侧壁，伸入所述乏燃料水池2内的所述下降通道111的出口位于所述上升通道110的入口的下方并尽量远离所述上升通道110的入口地设置。将所述下降通道111穿过所述乏燃料水池2的侧壁而与所述乏燃料水池2连通，与将所述下降通道111由上至下直接侵入所述乏燃料水池2相比，可以避免事故后、系统回路启动前，因所述下降通道111内的冷却剂被所述乏燃料水池2产生的热量加热而削弱了系统启动时的驱动力。将所述下降通道111的出口设置在所述上升通道110的入口的下方并远离所述上升通道110的入口，是为了避免从所述下降通道111中流出的低温冷却剂对所述上升通道110入口处的高温冷却剂产生干扰，防止进入所述上升通道110内的冷却剂的温度降低，影响其正常闪蒸现象的发生。

所述第一启动阀门112及第二启动阀门114分别设置在所述乏燃料水池2内外，具体地，所述第一启动阀门112及第二启动阀门114可以采用完全相同的结构且同步开启或关闭，因此无论将哪个阀门设置在所述乏燃料水池2内，哪个设置在外，都可以达到相同的效果，即防止所述乏燃料水池2的泄露。由于所述下降通道111贯穿了所述乏燃料水池2的侧壁，根据相关安全法则规定，需要在贯穿处的两侧都安装起到安全作用的阀门，即本实施例中的第一启动阀门112及第二启动阀，以确保管路破口后的隔离。所述第一启动阀门112及第二启动阀门114依靠系统内置的电源（电池盒等）驱动，并不需要外接电力的支持。同时，可以将两个启动阀门与设置在所述乏燃料水池2内的温度传感器电连接，当所述乏燃料水池2内的温度达到某预定警戒值时，温度传感器向所述第一启动阀门112及第二启动阀门114发出信号，所述第一启动阀门112及第二启动阀门114由内置电源驱动开启。也可以不设置温度传感器，而是将所述第一启动阀门112及第二启动阀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，所述第一启动阀门112及第二启动阀门114关闭，所述闪蒸系统11的回路被隔断而不工作，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，所述第一启动阀门112及第二启动阀门114被开启，所述闪蒸系统11连通并开始对所述乏燃料水池2进行有效冷却。当然，所述第一启动阀门112及第二启动阀门114还可以同时具有手动操作的功能，即可以被手动开启。

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。

本发明闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统1的工作原理及过程如下：在备用状态下，所述下降通道111内注有冷却剂，而所述闪蒸系统11内除容纳冷却剂之外的其他管路空间则为与乏燃料厂房4相同的压力环境，所述第一启动阀门112及第二启动阀门114处于常闭状态。当核电厂出现意外事故导致主电源及应急电源中断时，所述第一启动阀门112及第二启动阀门114通过以上所公开的几种方式自动开启或手动开启，所述下降通道111与所述乏燃料水池2连通，容置在所述下降通道111内的液体冷却剂在重力的作用下流入所述乏燃料水池2内，使所述下降通道111内形成一定的真空区，导致所述下降通道111内的压力小于所述上升通道110内的压力，而上升通道110的入口又伸入了所述乏燃料水池2内的冷却剂的液面之下，因此在压力差的驱动下，被加热的冷却剂会“被吸入”并上升到所述上升通道110内。所述冷却剂在上升过程中压力不断减小直至冷却剂在该温度下的饱和压力，则冷却剂会发生闪蒸现象而由液态变为气态。气态的冷却剂由于比重较轻从而能够顺利上升到所述冷却水池10中的所述冷凝器113内，与冷却水池10内的冷却剂进行热量交换并重新液化。液态的冷却剂再次经由所述下降通道111流入所述乏燃料水池2内，使上述热交换过程得以循环并持续。

本发明中对闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统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。

与现有技术相比，由于本发明在所述乏燃料水池2上方设置了所述冷却水池10，并且在所述乏燃料水池2及冷却水池10之间设置了所述包括上升通道110、下降通道111及冷凝器113的闪蒸系统11，依靠冷却剂在所述上升通道110中的闪蒸、在所述冷凝器113中的冷凝及在下降通道111内的受重下落这三个自然过程，形成了循环地将所述乏燃料水池2内的热量传递给所述冷却水池10的热交换过程，过程的循环及持续藉由所述上升通道110及下降通道111内气体及液体存在密度差而引起的压力差而驱动，完全不依赖外接电力，即使在事故后完全断电时，依旧能保持所述乏燃料水池2内良好的冷却，达到了非能动热量导出的目的。

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 (5)

1.一种闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统，其特征在于：包括冷却水池及闪蒸系统，所述冷却水池位于所述乏燃料水池的上方，所述闪蒸系统包括上升通道、下降通道、第一启动阀门及位于所述冷却水池内的冷凝器，所述上升通道的入口设置于所述乏燃料水池内且位于冷却剂的液面之下，所述上升通道的出口与所述冷凝器的入口连通，所述冷凝器的出口与所述下降通道的入口连通，所述下降通道的出口与所述乏燃料水池连通，所述第一启动阀门设置于所述下降通道，所述第一启动阀门与所述冷凝器之间的所述下降通道内注有冷却剂。

2.如权利要求1所述的闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统，其特征在于：所述下降通道的出口位于所述上升通道的入口的下方。

3.如权利要求1所述的闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统，其特征在于：所述下降通道位于所述乏燃料水池的一侧，所述下降通道的出口设置在所述下降通道的下端，且所述下降通道的下端弯折并由外至内地贯穿所述乏燃料水池的侧壁。

4.如权利要求3所述的闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统，其特征在于：所述闪蒸系统还包括设置于所述下降通道的第二启动阀门，所述第一启动阀门及第二启动阀门分别设置在所述乏燃料水池内、外。

5.如权利要求1所述的闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出系统，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。