CN104867526A - 一种具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，该系统包括：该系统包括内层安全壳、外层安全壳和设置在外层安全壳顶部的冷却装置，在内层安全壳上设置的热管导液装置、和在所述内层安全壳、外层安全壳之间设置的疏导空气流通方向的导流装置，冷却剂从顶部喷洒在内层安全壳上形成液膜，通过热管导液装置一方面可以抑制液膜的断裂，提高液膜与空气进行的热交换效率，从而将安全壳表面的热量排出安全壳内；另一方面，可以将未被液膜覆盖的安全壳表面上的热量导入内层安全壳与外层安全壳的换热空间最终排出安全壳内，从而完成本发明；根据本发明提供的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统具有高效换热、安全可靠和适用范围广等特点。

Description

一种具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统
技术领域
本发明涉及核反应堆安全技术领域，尤其涉及一种具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统。
背景技术
安全壳是核电厂在发生事故时，防止放射性物质外泄的最后一道安全屏障。我国目前正在研发的大型先进压水堆所采用与AP1000类似的技术。AP1000是由美国西屋公司研发的第三代核电系统，采用了非能动安全壳冷却系统，该冷却系统采用了双层安全壳结构，外层为混凝土壳，内层为钢制安全壳，钢制安全壳的内部总容积仅数千立方米。事故情况下，一旦反应堆内释放出高温高压介质时，其升温升压进程较快，短时间内即可能达到该系统设计的承压极限，导致安全壳内放射性物质向环境释放的可能性加大，必须快速消除安全壳内部的高温高压介质，先进压水堆AP1000的设计中初次引入了非能动安全壳冷却系统，即在发生冷却剂丧失事故和主蒸汽管道破裂事故等向安全壳释放大量能量的事故后，安全壳内压力升高，在达到安全壳高压整定值后自动触发非能动安全壳冷却系统投入，冷却水从安全壳顶部的储水箱流出，经过流量分配装置分配后在钢制安全壳外表面形成液膜。沿竖直表面的降液膜流动具有高换热系数、高热流密度、动力消耗小等优点，能将安全壳内的热量通过一系列能量传递最终排向环境，降低了安全壳内部压力，保证了安全壳的完整性，进而增加了核电厂的安全性。
中国专利CN102081976A公开一种大容量完全非能动安全壳冷却系统。该安全壳冷却系统可利用传感器收集安全壳相关的热工参数，跟踪冷却过程，在安全壳上方设置多个用以储存不同冷却剂的储藏箱，通过冷却剂种类的选择及冷却剂流量的调节实现对安全壳冷却功率的动态控制；通过采用广义非能动控制单元，该安全壳冷却系统的启动及整个运行过程可完全不依赖于外部动力供应，因此具有完全的非能动特性。该发明使用了多种低沸点冷却剂，使系统变得复杂，并且增加了建造和维护成本。
由于上述问题的存在，本发明人对现有的非能动安全壳冷却系统设计技术进行研究和改进，以期设计出一种结构简单、能提高安全壳壁面换热能力，增加核安全性的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明人进行了锐意研究，采用如下技术方案：该非能动冷却系统包括内层安全壳、外层安全壳和设置在外层安全壳顶部的冷却装置、在内层安全壳上设置的热管导液装置，和在所述内层安全壳、外层安全壳之间设置的疏导空气流通方向的导流装置，冷却剂从顶部喷洒在内层安全壳上形成液膜，通过热管导液装置一方面可以抑制液膜的断裂，提高液膜与空气进行的热交换效率，从而将安全壳表面的热量排出安全壳内；另一方面，可以将未被液膜覆盖的安全壳表面上的热量导入内层安全壳与外层安全壳的换热空间最终排出安全壳内，从而完成本发明。
本发明目的在于提供以下方面：
(1)一种具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，该系统包括内层安全壳3、外层安全壳5和设置在外层安全壳5顶部的冷却装置，其中，
在所述内层安全壳3外侧壁上设置有热管导液装置4。
(2)根据上述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置4为一个或多个，其形状为肋片状，并沿内层安全壳3外侧壁的周向呈类环形设置。
(3)根据上述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置4沿内层安全壳3外侧壁的预定位置间隔设置。
(4)根据上述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置4的剖面结构为矩形、倒梯形、倒三角形或近似的倒三角形。
(5)根据上述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置4包括外部导热层43和内部吸液回流层44。
(6)根据上述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置4中的传热介质优选为超导介质。
(7)根据上述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述内部吸液回流层44由泡沫金属或纳米级金属制成。
(8)根据上述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述金属为铜。
根据本发明提供的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，具有如下有益效果：
(1)本发明提供的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，是通过热管导液装置的高效导热和及时排液的综合特性来抑制液膜破裂的，具有高效换热和非能动安全的特性；
(2)本发明提供的非能动安全壳冷却系统中的热管导液装置以超导介质作为传热工质，实现了热量的快速传递与导出；并且在热管导液装置发生破裂的情况下，还可以通过该热管导液装置的外部导热层将安全壳壁面的热量导出，使得安全壳运行可靠安全；
(3)本发明中，热管导液装置不受重力、毛细力等影响，设计灵活性好，从而使得该非能动安全壳冷却系统具有结构简单、安装方便等特点；
(4)本发明提供的非能动安全壳冷却系统使用范围广，不仅适用于AP1000，还适用于其他安全壳冷却系统。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统的结构示意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的热管导液装置的结构示意图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的热管导液装置的剖面形状示意图。
附图标号说明：
1-冷却剂存储箱
2-喷淋设备
3-内层安全壳
4-热管导液装置
41-热端
42-冷端
43-外部导热层
44-内部吸液回流层
5-外层安全壳
6-空气入口
71-空气下降通道
72-空气上升通道
8-导流装置
9-空气出口
10-冷凝汇集装置
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明中，所述安全壳是指核反应堆安全壳，是构成压水反应堆最外围的建筑，指包容了核蒸汽供应系统的大部分系统和设备的外壳建筑，用以容纳反应堆压力容器以及部分安全系统(包括一回路主系统、设备和停堆冷却系统)，将其与外部环境完全隔离，期望能实现安全保护屏障的功能，所述安全壳顶部呈半球形，内径为30m～40m，壁厚为0.5m～1m，高约60～70m，其强度是按抗震I类设计；安全壳按结构分为单层和双层壳，双层壳的内层称为主安全壳，主要承受事故压力，外层称为次级安全壳，起生物屏蔽及保护作用；两层之间留有环形空腔，可保持一定的负压，使核电站内部的放射性物质不易向外界泄漏。
所述非能动安全壳冷却系统是指在发生冷却剂丧失和主蒸汽管道破裂等向安全壳释放大量能量的事故后，安全壳内压力升高，在达到安全壳高压整定值后，毋需依赖外部输入而执行其冷却、散热功能的系统，其能将安全壳内的热量通过一系列能量传递最终排向环境，降低了安全壳内部压力，保证了安全壳的完整性。
在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1中所示，该系统包括内层安全壳3、外层安全壳5和设置在外层安全壳5顶部的冷却装置，其中，在所述内层安全壳3外侧壁上设置有热管导液装置4，本发明中所述安全壳优选为具有双层壳的安全壳，由内层安全壳3和外层安全壳5组成，在所述内层安全壳3外侧壁上设置有热管导液装置4，在所述外层安全壳5外侧壁上方和顶部分别设置有空气入口6和空气出口9；本发明中，所述外层安全壳5优选为混凝土安全壳，所述混凝土安全壳的材料优选为预应力混凝土，所述预应力混凝土是为了弥补混凝土过早出现裂缝的现象，在构件使用以前，预先给混凝土一个预压力，即在混凝土的受拉区内，用人工加力的方法，将钢筋进行张拉，利用钢筋的回缩力，使混凝土受拉区预先受压力，当构件承受由外荷载产生拉力时，首先抵消受拉区混凝土中的预压力，然后随荷载增加，才使混凝土受拉，这就限制了混凝土的伸长，延缓或不使裂缝出现，所述预应力混凝土用在本发明的外层安全壳5中，大大增加了该非能动安全冷却系统的安全性。
本发明在描述内层安全壳和外层安全壳的共性时，采用安全壳作为两者的统称。
本发明中，所述热管导液装置4充分利用了热传导原理与传热介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力，是利用传热介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程使热量快速传导，即热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，热管中的传热介质迅速汽化，蒸汽在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，液态的传热介质再沿管壁利用毛细作用流回热端，如此循环不止，直到热管两端温度相等，这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。
在一个优选的实施方式中，所述热管导液装置4为一个或多个，其形状为肋片状，并沿内层安全壳3外侧壁的周向呈类环形设置，本发明中所述的肋片也即翅片，常用于换热设备中，使用肋片可以增大传热面积、降低对流换热的热阻、增强设备传热能力，在本发明中，这样的结构有助于增强相邻热管导液装置4间的空气扰动，强化空气对流传热的效果；采用类环形布置，即在内层安全壳3外侧壁的周向间隔或者连续地设置热管导液装置4，优选地采用沿内层安全壳3外侧壁周向间隔地设置热管导液装置4，可以增大空气的扰动程度，将热量排出安全壳内，在本发明中，所述热管导液装置4的个数优选为多个，在设计该系统时，根据内层安全壳3散热量的大小、内层安全壳3与外层安全壳5之间安装空间的大小，可以选取多个热管导液装置4，按照预定的排列方式组成换热装置。运行时，如果具有热管导液装置4发生破损，内层安全壳3壁面的热量可以通过热管导液装置4的外部导热层43导出，运行可靠性高。
在进一步优选的实施方式中，所述热管导液装置4沿内层安全壳3外侧壁的预定位置间隔设置，所述预定位置是指根据内层安全壳3表面的不同温度区域进行设置所述热管导液装置4的排布位置，由于该非能动安全壳冷却系统主要用于防止破口等事故下，破口处流体喷出而导致安全壳内的超温超压。破口流体喷出后，压力急剧下降，变为高温气体，由下而上流动，绝大部分与内层安全壳3顶部接触。因此，就内层安全壳3表面温度而言，其顶部和外侧壁上部为高温区；外侧壁中上部为中温区；外侧壁下部为低温区。
在内层安全壳3顶部：一方面，由于喷淋设备的多喷淋点设计，可以确保液膜的均匀分配；另一方面，即使冷却剂受到热毛细力作用由高温流向低温，也会由喷淋设备及时补充新的冷却剂流体，若设置热管导液装置4反而阻碍冷却剂的流动，优选地，在内层安全壳3顶部不设置热管导液装置4。
在外侧壁上部，内层安全壳3壁面的竖直温度梯度大，优选地，沿内层安全壳3外侧壁周向等间距布置16个热管导液装置4，所述热管导液装置4整体构成类环形；在外侧壁中部和下部，内层安全壳壁面的竖直温度梯度小，优选地，沿内层安全壳3外侧壁周向等间距布置12个热管导液装置4，所述热管导液装置4整体构成类环形。
本发明中所述的类环形是指热管导液装置4沿内层安全壳外侧壁呈螺旋状排布或呈多个类圆环状排布，并且每相邻两个类圆环在竖直方向上都具有预定间距，优选地，所述热管导液装置4按照每相邻两个类圆环在竖直方向上都具有预定间距的形式排布，可以根据整个外壁的尺寸和散热需要进行具体的设置。
在一个优选的实施方式中，如图3所示，所述热管导液装置4的剖面结构为矩形、倒梯形、倒三角形或近似的倒三角形，近似的倒三角形是指三角形三条边中不一定全部为直线，可以具有带有弧度的边，这样下窄上宽的结构，一方面有利于减小空气上升通道72中的空气流动阻力，并增大其湍动程度，从而使其与从喷淋设备2喷出的冷却剂形成的液膜充分接触，增加了对流换热面积，进行高效的热量交换，最终将液膜蒸发的热量从空气出口排出，另一方面能够及时切断增厚的液膜，减小不同位置处液膜厚度的差异，延长液体因热毛细作用由较薄处向较厚处移动的时间，平衡内层安全壳3壁面的温度不均匀性，抑制热毛细现象的发生，避免液膜的断裂；同时，还能保护内层安全壳3壁面不受液体的长期腐蚀和冲刷，上述特点使得所述热管导液装置4不仅能够用于非均匀壁温工况下内层安全壳3外表面的热量导出，而且能够用于均匀壁温工况下内层安全壳3外表面的热量导出。
在一个优选的实施方式中，如图3、图1所示，所述热管导液装置4包括外部导热层43和内部吸液回流层44，当发生大破口丧失冷却剂等严重事故时，进入内层安全壳3的热量可以通过所述外部导热层43导出，跟随空气上升通道73的气流从空气出口9排出，所述内部吸液回流层44由泡沫金属或纳米级金属制成，所述金属优选为铜，即优选地由纳米铜金属丝网制成。由于纳米铜金属丝网的启动性能和等温性能优于普通金属丝网，总热阻小于普通金属丝网，有利于强化导液装置4的换热性能。
在另一个优选的实施方式中，如图2所示，所述热管导液装置4中的传热介质为超导介质，所述超导介质的材料优选为无机盐超导材料，如Nb3Sn、V3Ga或YBa2Cu3O7等，所述超导介质使得热管导液装置4的导热系数约是一般金属的一万倍，是常规热管的十倍，能够快速传递热量，有效抑制内层安全壳3外表面的温度分布不均匀；其次，所述热管导液装置4利用超导介质的高频振动传热，管壳内不易结垢、冻裂，故障率低；再者，使得所述热管导液装置4具有广泛的温度适应性，在-70℃至1700℃之间的温度下均能正常工作，完全适应非能动安全壳冷却系统的工作范围，另外，具有超导介质的热管导液装置4不受重力、毛细力等影响，设计灵活性好，安装过程中也不会受到安装位置的限制。
本发明中，所述热管导液装置4的工作过程如下：在热端41，超导介质接收内层安全壳3壁面高温一侧热量，依靠分子震荡将热能以近似于声波的速度快速传递到冷端42，输送给内层安全壳3壁面低温一侧，超导介质在热管导液装置4的冷端42处冷凝释放热量后，在毛细力作用下沿着吸液回流层44回流至热端41，如此循环，完成热量的快速传递。
在一个优选的实施方式中，所述冷却装置包括冷却剂存储箱1和位于其下方的喷淋设备2，所述冷却剂存储箱1用于存储并循环补充冷却剂，避免由于冷却剂不足或耗尽而引发事故；所述喷淋设备中配置有流量分配控制装置，该控制装置可以不断地向安全壳表面均匀地喷淋冷却剂，从而促进冷却剂与内层安全壳表面的热量交换。
在一个优选的实施方式中，在所述内层安全壳3和外层安全壳5之间设置有疏导空气流通方向的导流装置8，所述导流装置的形状选自板状、柱状或球状，优选为板状，经过所述导流装置，可以将从空气入口6进入的空气平稳均匀的由空气下降通道71导入空气上升通道72中进行热量交换与传递。
在一个优选的实施方式中，在所述导流装置8的下方还设置有冷凝汇集装置10，所述冷凝汇集装置10与所述导流装置8之间具有预定距离，所述预定距离为3m～5m；在所述冷凝汇集装置10中设置有液位监测控制设备，所述冷却剂存储箱1外部连接有再循环回路，当冷凝汇集装置10中的液位高于设定值时，由液位监测控制设备发出信号，打开再循环阀门，冷凝液经再循环回路由循环泵输送至冷却剂存储箱。
本发明所述具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统的工作过程如下：冷却剂由冷却剂存储箱1提供，经喷淋设备2均匀喷洒在内层安全壳3的外表面上并形成液膜，该液膜被热管导液装置4分割成多个液膜层，抑制了液膜的断裂；空气经空气入口6进入，沿空气下降通道71经导流装置8转入空气上升通道72，进入内层安全壳3和外层安全壳5的换热空间，与内层安全壳3外表面的液膜层和热管导液装置4接触，通过热对流进行热量传递，未被液膜覆盖的内层安全壳3表面的热量由热管导液装置4直接导出到内层安全壳3和外层安全壳5的换热空间中。进入内层安全壳3中的热量依次通过内层安全壳3内壁的蒸汽冷凝、壁面导热和外表面液膜蒸发，传递至内层安全壳3和外层安全壳5的换热空间，经空气出口9排出，少部分未被液膜覆盖的内层安全壳3外表面通过热对流和热辐射将热量传递给经空气入口6进入的空气中，空气受热向上流动，携带热量从空气出口9进入外界环境；当发生大破口丧失冷却剂等严重事故时，进入内层安全壳3的热量还可以通过热管导液装置4的外部导热层43导出，跟随空气上升通道73的气流从空气出口9排出。
所述热对流是指热量通过流动介质，由空间的一处传播到另一处的现象，在本发明中，即内层安全壳3壁面的热量通过经空气入口6进入的空气传递到空气出口9，进入外界环境；所述热辐射是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，是热量传递的三种方式之一，任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射，即内层安全壳3中的热量可以由内壁辐射至内层安全壳3和外层安全壳5的换热空间，进而通过空气流动的方式排出安全壳，进入外界环境。
根据本发明提供的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，具有如下有益效果：
(1)本发明提供的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，是通过热管导液装置的高效导热和及时排液的综合特性来抑制液膜破裂的，具有高效换热和非能动安全的特性；
(2)本发明提供的非能动安全壳冷却系统中的热管导液装置以超导介质作为传热工质，实现了热量的快速传递与导出；并且在热管导液装置发生破裂的情况下，还可以通过该热管导液装置的外部导热层将安全壳壁面的热量导出，使得安全壳运行可靠安全；
(3)本发明中，热管导液装置不受重力、毛细力等影响，设计灵活性好，从而使得该非能动安全壳冷却系统具有结构简单、安装方便等特点；
(4)本发明提供的非能动安全壳冷却系统使用范围广，不仅适用于AP1000，还适用于其他安全壳冷却系统。
本发明图1中，虚线箭头指示空气上升或下降的方向，实线箭头指示冷却剂的喷淋方向，图2中箭头指示传热介质的流动方向，上述箭头不具有其他含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于：该系统包括内层安全壳(3)、外层安全壳(5)和设置在外层安全壳(5)顶部的冷却装置，其中，
在所述内层安全壳(3)外侧壁上设置有热管导液装置(4)。
2.根据权利要求1所述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置(4)为一个或多个，其形状为肋片状，并沿内层安全壳(3)外侧壁的周向呈类环形设置。
3.根据权利要求1或2所述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置(4)沿内层安全壳(3)外侧壁的预定位置间隔设置。
4.根据权利要求1至3之一所述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置(4)的剖面结构为矩形、倒梯形、倒三角形或近似的倒三角形。
5.根据权利要求1至4之一所述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置(4)包括外部导热层(43)和内部吸液回流层(44)。
6.根据权利要求1至5之一所述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述热管导液装置(4)中的传热介质优选为超导介质。
7.根据权利要求1至6之一所述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述内部吸液回流层(44)由泡沫金属或纳米级金属制成。
8.根据权利要求7所述的具有热管导液装置的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述金属为铜。
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