CN105280248B - 非能动蓄压安注系统和非能动蓄压安注方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非能动蓄压安注系统和非能动蓄压安注方法。所述非能动蓄压安注系统包括：蓄压安注容器，以及分别与堆芯和所述蓄压安注容器相连通的蓄压安注管线。在所述蓄压安注管线上面设有响应于所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时而触发的感应信号切断所述蓄压安注管线并隔离所述蓄压安注容器中所充注的蓄压气体的隔离装置。采用本发明的设计，可在不影响原有蓄压安注设计功能的前提下解决或减轻在非能动安注过程中不凝结蓄压气体注入主回路对冷却系统性能带来的负面影响。本发明结构简单，经济成本低，可靠性高，适用于多种堆型的核电站及采用蓄压安注设备的系统。

Description

非能动蓄压安注系统和非能动蓄压安注方法

技术领域

本发明涉及对核反应堆非能动蓄压安注技术的改进。具体而言，本发明涉及一种新型的能够在非能动安注过程中有效防止或减少蓄压气体进入主回路系统从而对堆芯应急冷却性能带来负面影响的用于核电站的非能动蓄压安注系统和非能动蓄压安注方法。

背景技术

1979年美国三哩岛、1986年前苏联切尔诺贝利以及2011年日本福岛核电厂事故发生后，全球范围更加关注超设计基准事故和严重事故，严重事故的预防和缓解成为核电站设计必须考虑的因素。美国西屋公司开发的AP600和AP1000,以及我国自主研发的CAP1400均采用了非能动安全技术用于预防和缓解核电站事故，保证反应堆安全。

非能动安全技术指在事故条件下完全利用自然力完成各种冷却功能,其中自然力可由重力、蓄压气体压力、自然循环产生的驱动力等来产生，无需使用泵及外部交流电源。因此，在提高了安全可靠性的同时大大简化了安全系统。

图1为一种现有技术的非能动堆芯冷却系统的流程图（参见《非能动安全先进压水堆核电技术》，欧阳予，林诚格等，原子能出版社，2010）。美国西屋公司开发的AP600是全世界范围内最早取得设计许可的非能动核电站，在AP600的基础上，美国西屋公司又进一步开发出了更高功率的AP1000。在引进AP1000技术的基础上，我国自主开发了CAP1400非能动核电站。非能动核电站的核心安全系统——非能动堆芯冷却系统（Passive Core-coolingsystem，简写PXS）的流程图如图1（来自AP1000 design and control document (Rev.17)）所示，当核电站出现事故——如破口失水事故时，非能动堆芯冷却系统将提供堆芯的应急冷却，防止堆芯超温融化而发展为严重事故。

上面提到的这三种堆型所配备的PXS总体结构及运行原理相同，这套系统包括有：1）非能动余热排出系统（PRHR），用于事故初期堆芯余热的应急排出，依靠于自然循环驱动；2）非能动安注系统，该系统由堆芯补水箱5(CMT)，蓄压安注箱6(ACC)，安全壳内换料水箱3(IRWST)以及相应的安注管线组成，在失水事故下向堆芯提供应急冷却水，实现高压、中压、低压安注。堆芯补水箱5(CMT)，蓄压安注箱6(ACC)和安全壳内换料水箱3(IRWST)分别依靠自然循环、压缩气体及重力实现注入；3）自动降压系统（ADS），该系统由4级ADS组成，其中1-3级位于稳压器（PZR）顶部，第4级位于热管段顶部，例如在典型的小破口事故（SBLOCA）中，由CMT水位信号触发，依次打开，实现一个系统可控的降压过程，从而使得依靠自然力驱动的注入及循环冷却过程得以实现。

现有技术的非能动堆芯冷却系统一般设有两只球形蓄压安注箱6(Accumulator,ACC)。由蓄压安注箱6顶部蓄有一定压力（例如5MPa）的氮气作为驱动力,在发生事故的情况下将蓄压安注箱内的冷却水通过蓄压安注管线和DVI管线压入堆芯2，完成非能动安注功能。

目前ACC中蓄压的氮气是与水箱中的冷却水直接接触，在实际运行中可能带来的问题包括：1、当ACC水箱冷却水排空时，ACC内原有氮气膨胀后的压力仍然高于主回路的压力，未经隔离的蓄压氮气通过自由膨胀而注入主回路（DVI管线），一方面将导致主回路内被充入具有一定压力的不凝结气体，影响系统降压进程，延缓后续依靠重力注入启动时间；另一方面氮气的注入将阻碍CMT内的冷却水注入堆芯，增加堆芯裸露风险；2、氮气能够直接溶于冷却水，在充入氮气时，随着压力的升高，冷却水中会逐渐增大氮气的溶解量，因此，为保证一定稳定的氮气蓄压压力，补偿溶于冷却水的氮气量，视情况可能需要进行补氮充气操作；3、事故工况下，应急堆芯冷却系统投入运行，当ACC中的冷却水注入主系统以后，溶解于冷却水中的氮气随着系统压力的降低将逐渐析出，从而增加了主系统中不凝结气体的含量，由此也可能会对堆芯冷却带来负面的影响。总体上可以看出，ACC内不凝结气体氮气的注入对于堆芯冷却性能会造成一定的负面影响。

因此，所属领域的技术人员需要一种能够克服以上现有技术中所存在的缺点的新型非能动堆芯冷却系统和非能动蓄压安注方法。考虑在已有的非能动蓄压安注设计基础上作出改进，以在非能动安注过程中用于解决或减轻不凝结蓄压气体注入主回路对冷却系统性能带来的负面影响。

发明内容

本发明的主要目的是基于反应堆安全设计需要，在已有的非能动蓄压安注设计基础上作出改进，以期在发生事故时进行的非能动安注过程中用于解决或减轻不凝结蓄压气体注入主回路对冷却系统性能带来的负面影响。

由此可见，本发明可用于多种堆型的核电站（例如可直接用于AP600、AP1000、CAP1400型核电站）及多种相关设置有蓄压安注设备的系统。

除非特殊情况有其他限制，否则下列定义适用于本说明书中使用的术语。

此外，除非另行定义，否则本文所用的所有科技术语的含义与本发明所属领域的技术人员通常理解是一样的。如发生矛盾，以本说明书及其包括的定义为准。

对于本发明而言，本申请中所使用的一些术语的定义如下：

如本文中所用，方向性术语“上”、“下”与说明书附图纸面上的具体方向是相一致的。术语“垂直”、“纵向”是指在说明书附图纸面上大体上竖直的方向；而“横向”、“水平”是指在说明书附图纸面上大体上水平的方向。

如本文所用，术语“约”是指数量、尺寸、配方、参数以及其他数量和特性是不精确的并且不需要是精确的值，但是可以与精确值近似和/或大于或小于精确值，以便反映容许偏差、测量误差等，以及所属领域的技术人员已公知的其他因素。

当本文在描述材料、方法或机械设备时带有“所属领域的技术人员已公知的”短语、或同义的词或短语时，该术语表示所述材料、方法和机械设备在提交本专利申请时是常规的，并且包括在本说明书内。同样涵盖于该描述中的是，目前非常规的但是当适用于相似目的时将成为所属领域公认的材料、方法、和机械。

如本文所用，术语“包含”、“含有”、“包括”、“涵盖”、“具有”或任何其他同义词或它们的任何其他变型均指非排他性的包括。例如，包括特定要素列表的工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些具体列出的要素，而是可以包括其他未明确列出的要素，或此类工艺、方法、制品或设备固有的要素。

术语“由…组成”、“由…构成”或任何其他同义词或它们的任何其他变型均指排他性的包括。例如，由特定要素构成的工艺、方法、制品或设备仅限于那些具体列出的要素。

具体而言，为实现本发明的上述目的而采用的技术方案如下所述：

1. 一种非能动蓄压安注系统，所述非能动蓄压安注系统包括：蓄压安注容器，以及分别与堆芯和所述蓄压安注容器相连通的蓄压安注管线，

其特征在于，

在所述蓄压安注管线上面设有响应于所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时而触发的感应信号切断所述蓄压安注管线并隔离所述蓄压安注容器中所充注的蓄压气体的隔离装置。

2. 根据技术方案1所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述感应信号为当所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时由设置在所述蓄压安注容器上的压力传感器所感测到的所述蓄压安注容器内的排空压力信号。

3. 根据技术方案2所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，当所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时，所述蓄压安注容器内的排空压力为所述蓄压安注容器内的初始压力的5%-40%。

4. 根据技术方案1所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述隔离装置是隔离阀。

5. 根据技术方案1所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述蓄压气体是氮气。

6. 根据技术方案1-5中任一项所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述蓄压气体被充注在设置在所述蓄压安注容器内的气囊中，并且所述蓄压气体借助于所述气囊与所述蓄压安注容器中的冷却液体隔离开。

7. 根据技术方案6所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述气囊的容积大于所述蓄压安注容器的容积的80%。

8. 根据技术方案7所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述气囊的容积大于或等于所述蓄压安注容器的容积。

9. 一种非能动蓄压安注方法，所述非能动蓄压安注方法包括以下步骤：

在反应堆中设置根据技术方案1-5中任一项所述的非能动蓄压安注系统，

在发生破口失水事故进行蓄压安注的过程中，通过设置在所述蓄压安注管线上面的所述隔离装置响应于所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时而触发的感应信号切断所述蓄压安注管线并隔离所述蓄压安注容器中所充注的蓄压气体。

10. 一种非能动蓄压安注方法，所述非能动蓄压安注方法包括以下步骤：

在反应堆中设置根据技术方案6-8中任一项所述的非能动蓄压安注系统，

在发生破口失水事故进行蓄压安注的过程中，冷却液体从所述蓄压安注容器中排出直至被排空。

采用本发明的技术方案可以获得以下有益技术效果：

采用本发明的设计（即在现有蓄压安注设计基础上进行改造），可在不影响原有蓄压安注设计功能的前提下解决或减轻在非能动安注过程中不凝结蓄压气体注入主回路对冷却系统性能带来的负面影响。本发明结构简单，经济成本低，可靠性高，适用于多种堆型的核电站（例如可直接用于AP600、AP1000、CAP1400型核电站）及采用蓄压安注设备的系统。

附图说明

下面结合说明书附图对本发明进行详细描述。说明书附图并不一定是严格按照比例进行绘制的，且说明书附图仅仅是示意性的图示。在本申请的说明书附图中，使用相同或相似的附图标号表示相同或相似的元件。

图1为一种现有技术的非能动蓄压安注堆芯冷却系统的流程图。

图2为在隔离氮气条件下及在不隔离氮气条件下在ACME试验台架上进行的对比试验的非能动蓄压安注过程中的系统压力变化曲线的对比图。

图3－图5为根据本发明的一个实施例的非能动蓄压安注堆芯冷却系统中的氮气隔离气囊（蓄压安注容器）的工作原理示意图，该图中使用虚线示意性地表示气囊的几何边界，其中图3示出了处于初始状态的氮气隔离气囊，图4示出了处于蓄压安注工作状态的氮气隔离气囊，图5示出了处于冷却水排空状态的氮气隔离气囊。

部件及附图标记列表

1	反应堆压力容器
		2	堆芯
3	安全壳内换料水箱(IRWST)
		4	密封容器
5	堆芯补水箱(CMT)
		6	蓄压安注箱(ACC)
7	蓄压安注管线
		8	直接压力容器注射(DVI)管线
9	蓄压安注箱外壳
		10	气囊壁
A	蓄压安注容器中的冷却液体被排空的时点

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由权利要求书来确定。

本发明提供一种非能动蓄压安注系统，所述非能动蓄压安注系统包括：蓄压安注容器，以及分别与堆芯和所述蓄压安注容器相连通的蓄压安注管线。在所述蓄压安注管线上面设有响应于所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时而触发的感应信号切断所述蓄压安注管线并隔离所述蓄压安注容器中所充注的蓄压气体的隔离装置。当然，所属领域的技术人员也可以想到：所述蓄压安注管线7可经由DVI管线8与反应堆压力容器1内的堆芯2相连通；所述蓄压安注管线7也可直接与反应堆压力容器1内的堆芯2相连通。优选地，所述冷却液体是具有一定硼浓度的冷却水。

优选地，所述感应信号为当所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时由设置在所述蓄压安注容器上的压力传感器所感测到的所述蓄压安注容器内的排空压力信号。当然，所属领域的技术人员也可以想到：所述感应信号为为当所述蓄压安注容器中的冷却液体快被排空（例如冷却液体已被排出预储存量的90％或其它预设量值百分比）时由设置在所述蓄压安注容器上的压力传感器所感测到的所述蓄压安注容器内的排空压力信号。

优选地，当所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时，所述蓄压安注容器内的排空压力为所述蓄压安注容器内的初始压力的5%-40%。

优选地，所述隔离装置是隔离阀。

优选地，所述蓄压气体是氮气。当然，所属领域的技术人员也可以想到：所述蓄压气体也可以是其它以下在水中溶解度较低且不凝结的气体，例如氩气等。

更加优选地，所述蓄压气体被充注在设置在所述蓄压安注容器6内的气囊10中，并且所述蓄压气体借助于所述气囊与所述蓄压安注容器中的冷却液体隔离开。当然，所属领域的技术人员也可以想到：所述气囊优选设置在所述蓄压安注容器内的顶部位置。

更加优选地，所述气囊的容积大于所述蓄压安注容器的容积的80%。

进一步优选地，所述气囊的容积大于或等于所述蓄压安注容器的容积。

根据本发明的一个方面，本发明还提供了一种非能动蓄压安注方法，所述非能动蓄压安注方法包括以下步骤：在反应堆中设置根据前文中所述的本发明的非能动蓄压安注系统，在发生破口失水事故进行蓄压安注的过程中，通过设置在所述蓄压安注管线上面的所述隔离装置响应于所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时而触发的感应信号切断所述蓄压安注管线并隔离所述蓄压安注容器中所充注的蓄压气体。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种非能动蓄压安注方法，所述非能动蓄压安注方法包括以下步骤：在反应堆中设置根据前文中所述的本发明的非能动蓄压安注系统，在发生破口失水事故进行蓄压安注的过程中，冷却液体从所述蓄压安注容器中排出直至被排空。

申请人在ACME试验台架上进行了专门的对比试验研究，分别为2-英寸小破口事故工况下的隔离氮气试验和非隔离氮气试验。图2为在隔离氮气条件下及在不隔离氮气条件下在ACME试验台架上进行的对比试验的非能动蓄压安注过程中的系统压力变化曲线的对比图。蓄压安注排空后系统降压曲线的试验结果对比可见图2。其中，9TH试验为氮气隔离试验，即在ACC排空后由液位信号触发隔离阀动作隔离ACC，阻止其内的氮气注入主回路；而10TH试验未隔离氮气。两次试验中ACC于700S左右开始安注，于1100S左右排空。由图2可见，在ACC排空后（参见蓄压安注容器中的冷却液体被排空的时点A），隔离氮气的9TH试验系统压力下降速率明显高于未隔离氮气的10TH试验，特别的，对于未隔离氮气的10TH试验，压力在ACC排空后由于氮气的注入，系统的压力还有小幅的上升。因此根据2-英寸小破口失水事故试验的对于对比研究，氮气隔离后的系统降压速率更快，这样可以另依靠重力启动的IRWST安注投入更早，缩短了ACC及CMT排空后，IRWST重力安注能够投入前的系统无冷却剂注入的空窗期时间，这样更有利于堆芯冷却的进行，降低堆芯裸露的风险。

实施例1

在本发明的第一实施例中通过采用可行的氮气隔离措施，使得氮气与冷却水隔离开并防止在所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空之后氮气仍继续注入主系统，从而可以有效解决氮气不凝结气体对非能动堆芯冷却系统运行来带的不利影响，且不影响所述蓄压安注容器原有的安注性能。

较为简单直接的实现氮气隔离的方法是在ACC罐体内设置氮气气囊，其气囊容积和ACC罐体相等，在气囊内充入额定压力的氮气。当非能动堆芯冷却系统投入运行，ACC参与工作时，其依靠氮气气囊的膨胀，将ACC中的冷却水通过安注管线压入堆芯，完成原有设计中的ACC安注功能，并能在ACC排空后，氮气被气囊阻止注入堆芯。

图3－图5为根据本发明的一个实施例的非能动蓄压安注堆芯冷却系统中的氮气隔离气囊（蓄压安注容器）的工作原理示意图，该图中使用虚线示意性地表示气囊的几何边界10，其中图3示出了处于初始状态的氮气隔离气囊，图4示出了处于蓄压安注工作状态的氮气隔离气囊，图5示出了处于冷却水排空状态的氮气隔离气囊。

采用增设气囊方式，其过程原理可见图3，其中虚线示意为气囊几何边界。在ACC罐体（蓄压安注箱外壳9）内设置氮气气囊，其气囊容积和ACC罐体相等，在气囊内充入额定压力的氮气。运行中，依靠氮气气囊的膨胀，将ACC中的冷却水通过安注管线压入堆芯，完成原有设计中的ACC安注功能，并能在ACC排空后，氮气被气囊阻止注入堆芯。

该技术的特点是在不影响原有ACC安注设计功能的前提下，将氮气同冷却水彻底隔离，解决或减轻氮气溶解析出及氮气注入主回路对堆芯冷却性能带来的负面影响。另外，在现有技术基础上进行增设氮气气囊的设备优化改造，仅对ACC罐体设计做简单的改变即可，方案较为简单直接，经济成本低。

实施例2

在本发明的第二实施例中，直接在ACC安注管路上增设隔离阀，当ACC内液位指示ACC排空时，将隔离阀关闭，阻止氮气注入系统。

该方式能够在ACC中的冷却液体被排空后及时阻止ACC内的剩余氮气继续膨胀注入主回路中，但是不能够解决或减轻初始状态下溶解于ACC内冷却水中氮气的析出问题。相对于现有技术设计而言，由于仅增加了常开隔离阀，并不需要对现有ACC罐体进行改造。

采用本发明的技术方案可以获得以下技术效果：

采用本发明的设计（即在现有蓄压安注设计基础上进行改造），可在不影响原有蓄压安注设计功能的前提下解决或减轻在非能动安注过程中不凝结蓄压气体注入主回路对冷却系统性能带来的负面影响。本发明结构简单，经济成本低，可靠性高，适用于多种堆型的核电站（例如可直接用于AP600、AP1000、CAP1400型核电站）及采用蓄压安注设备的系统。

以上虽然已结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的说明，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由所附的权利要求书来确定。所属领域的技术人员可在不脱离本发明的技术思想和主旨的范围内对这些实施方式进行适当的变更，而这些变更后的实施方式显然也包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非能动蓄压安注系统，所述非能动蓄压安注系统包括：蓄压安注容器，以及分别与堆芯和所述蓄压安注容器相连通的蓄压安注管线，在所述蓄压安注管线上面设有响应于所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时而触发的感应信号切断所述蓄压安注管线并隔离所述蓄压安注容器中所充注的蓄压气体的隔离装置;

其特征在于，

在初始状态时所述蓄压气体被充注在设置在所述蓄压安注容器内的气囊中，并且所述蓄压气体借助于所述气囊与所述蓄压安注容器中的冷却液体隔离开，所述气囊设置在蓄压安注容器内的顶部位置。

2.根据权利要求1所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述感应信号为当所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时由设置在所述蓄压安注容器上的压力传感器所感测到的所述蓄压安注容器内的排空压力信号。

3.根据权利要求2所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，当所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时，所述蓄压安注容器内的排空压力为所述蓄压安注容器内的初始压力的5%-40%。

4.根据权利要求1所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述隔离装置是隔离阀。

5.根据权利要求1所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述蓄压气体是氮气。

6.根据权利要求1所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述气囊的容积大于所述蓄压安注容器的容积的80%。

7.根据权利要求6所述的非能动蓄压安注系统，其特征在于，所述气囊的容积大于或等于所述蓄压安注容器的容积。

8.一种非能动蓄压安注方法，所述非能动蓄压安注方法包括以下步骤：

在反应堆中设置根据权利要求1-5中任一项所述的非能动蓄压安注系统，

在发生破口失水事故进行蓄压安注的过程中，通过设置在所述蓄压安注管线上面的所述隔离装置响应于所述蓄压安注容器中的冷却液体被排空时而触发的感应信号切断所述蓄压安注管线并隔离所述蓄压安注容器中所充注的蓄压气体。

9.一种非能动蓄压安注方法，所述非能动蓄压安注方法包括以下步骤：

在反应堆中设置根据权利要求1-7中任一项所述的非能动蓄压安注系统，

在发生破口失水事故进行蓄压安注的过程中，冷却液体从所述蓄压安注容器中排出直至被排空。