CN109273112B - 一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，解决了采用海水管连通大海的余热排出设计时，会导致海水侧的两相流动振荡的问题。本发明包括与反应堆的进出口形成循环的蒸汽发生器，连接在反应堆与蒸汽发生器之间的主泵，与蒸汽发生器并联连接的余热排出冷却器；所述反应堆出口与蒸汽发生器入口之间的管道为热段管道，反应堆入口与蒸汽发生器出口之间的管道为冷段管道；所述余热排出冷却器的底部入口通过入口管线连接到热段管道上，余热排出冷却器的顶端出口通过出口管线连接到冷段管道上；所述入口管线上设置有一次侧入口电动阀，所述出口管线上设置有一次侧出口隔离阀。本发明能够避免两相流动振荡，余热导出的效率高。

Description

一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统

技术领域

本发明涉及换热领域，具体涉及一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统。

背景技术

2011 年3 月11 日，日本福岛发生了严重的核事故，导致核事故的主要原因之一就是在这种地震与海啸的超设计基准事故下，福岛电站的MarkI 机组无法实现有效的堆芯余热排出，最后导致堆芯熔化，产生大量氢气，间接使安全壳超压，同时由于强行贯入海水进行冷却，导致大量放射性物质外泄。福岛事件后，核电安全机构与工业界对核电厂的长期非能动冷却能力有了更强的需求。日本原子能协会从12个方面总结了事故教训，思考了对策并提出了建议。这些教训和建议对提高世界范围内大型压水堆核电站(包括非能动大型压水堆核电站)的安全性都有着非常重要的意义。在其中的第四条丧失全部冷却剂教训中，明确的提出了电厂设计应考虑非能动的自然循环冷却方式，以保证在任何场合下都可排出堆芯余热。根据福岛的教训和建议，先进压水堆核电站应在设计上具有固有安全特性，考虑采取非能动余热排出设计以应对与福岛核事故类似的事故。

我国同样对核电厂的安全非常重视，新设计和正在建造的压水堆核动力装置必须考虑全厂断电情况下，堆芯衰变热的导出。在全厂断电事故工况下，反应堆紧急停堆后，由于丧失电源，正常余热排出方式因失电而无法正常运转，堆芯衰变热无法导出，会造成反应堆超温超压。为此，通过在主回路或蒸汽发生器二次侧设置非能动余热排出系统可有效导出堆芯衰变热，提高反应堆的固有安全性。

相比陆地核电厂，非能动余热排出技术对浮动式核电站固有安全的意义更大。浮动式核电站修建于海上，其设施与设备处于相对孤立状态，外围辅助设施有限，因此需要在设计时保证自身具有足够的固有安全特性，有必要设置非能动余热排出系统。非能动余热排出系统利用非能动余热排出冷却器与热源的冷热芯位差形成的自然循环驱动力带动流体流动，把反应堆余热持续的排向最终热阱，保证反应堆安全。目前已有的俄罗斯的浮动式核电站KLT-40S 设置的非能动余热排出系统采用冷却水池作为最终热阱，存在不能维持持续热阱的问题；而采用海水管连通大海的余热排出设计又存在海水侧的两相流动振荡等问题。

为解决最终热阱的持续导热问题，利用海洋无限热阱的特点，同时避免或缓解海水侧的两相振荡问题，有必要设计符合小型化、集成化特点且可利用海洋无限热阱特性的新型余热排出系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中采用海水管连通大海的余热排出设计时，传统的中间回路式余热排出系统中余热排出冷却器海水侧顶部过冷沸腾，进而导致海水侧的两相流动振荡的问题，目的在于提供一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，其通过合理的结构设计能够充分利用海洋无限热阱的特性，并解决传统的中间回路式余热排出系统中余热排出冷却器海水侧顶部过冷沸腾的问题，避免出现冷却器海水侧的两相流动振荡。

本发明通过下述技术方案实现：

一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，包括与反应堆的进出口形成循环的蒸汽发生器，连接在反应堆与蒸汽发生器之间的主泵，与蒸汽发生器并联连接的余热排出冷却器；

所述反应堆出口与蒸汽发生器入口之间的管道为热段管道，反应堆入口与蒸汽发生器出口之间的管道为冷段管道；

所述余热排出冷却器的底部入口通过入口管线连接到热段管道上，余热排出冷却器的顶端出口通过出口管线连接到冷段管道上；所述入口管线上设置有一次侧入口电动阀，所述出口管线上设置有一次侧出口隔离阀。

本发明是在现有技术上的全新改进与创新，目的是为解决中间环路式余热排出系统二次侧管道内发生的两相流动振荡问题。与已有能动与非能动相结合的余热排出系统相比，本发明采用全新的流程设计，通过管道和系统接入位置的相互匹配实现余热排出冷却器一次侧冷却剂的反重力方向流动，即，本发明中余热排出冷却器一次侧的冷却剂在余热排出冷却器中从下往上流动，热水从下方注入，冷水从上方流出，通过此种设计可将剧烈过冷沸腾区域转移到余热排出冷却器的底部，从而使得余热排出冷却器中产生的蒸汽可以在上升过程中与过冷的主流充分混合，降低了此类采用中间循环的余热排出方式冷却器二次侧发生剧烈过冷沸腾的风险。

进一步，主泵设置在冷段管道上，且位于出口管线与冷段管道的连接处与蒸汽发生器之间。

更进一步，所述余热排出冷却器通过管道连接的最终热阱为海水。

本发明中余热排出冷却器直接与海水相连接，可获得足够的水源支持余热长期的非能动导出，提高了余热导出的效率，彻底实现了余热的长期非能动导出，解决了安全隐患。

进一步，所述余热排出冷却器上连接热阱的管道上均设置有海水侧隔离阀。

更进一步，所述余热排出冷却器上连接热阱的管道包括进水管道和出水管道，该海水侧隔离阀的数量为两个，分别设置在进水管道和出水管道上。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实现全新的冷却剂流向设计，通过合理的管道和系统接入位置的相互匹配实现余热排出冷却器一次侧内冷却剂反重力方向流动（热水从下往上流），改变余热排出冷却器内过冷沸腾特性，增强蒸汽与过冷主流的混合，实现降低余热排出冷却器二次侧两相流动振荡特性的目标，降低了反应堆系统重要设备损坏风险；

2、本发明的冷却器与海水直接相连，可获得足够的水源支持余热长期的非能动导出，提高了余热导出的效率，彻底实现了余热的长期非能动导出，解决了安全隐患。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-反应堆，2-蒸汽发生器，3-主泵，4-余热排出冷却器，5-一次侧入口电动阀，6-一次侧出口隔离阀，7-海水侧隔离阀，8-最终热阱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，如图1所示，包括反应堆1、蒸汽发生器2、主泵3和余热排出冷却器4。

反应堆1的出口通过热段管道与蒸汽发生器2的入口连通，反应堆1的入口通过冷段管道与蒸汽发生器2的出口连通，余热排出冷却器4的底端入口通过入口管线连接到热段管道上，余热排出冷却器4的顶端出口通过出口管线连接到冷段管道上。

入口管线上设置一个一次侧入口电动阀5，出口管线上设置一个一次侧出口隔离阀6。

余热排出冷却器4的二次侧管道与最终热阱8连通，最终热阱8为海水，即余热排出冷却器4的二次侧管道与海水连通，以保证余热排出系统与最终热阱8间持续的质量与能量交换。

在反应堆正常运行工况下，本发明的系统处于备用状态，整个系统的入口管线和出口管线及余热排出冷却器4内充满反应堆冷却剂并处于和反应堆冷却剂系统相同的压力状态。由于一次侧入口电动阀5是电动阀，一直处于开启状态；一次侧出口隔离阀6处于关闭状态，避免反应堆正常运行期间发生余热排出系统误投入。

余热排出冷却器4 是一种立式双联箱冷却器，传热管竖直布置在冷却器中，与海水相连的进口管线和出口管线上的海水侧隔离阀7一直处于开启状态。

本发明是非能动的安全系统，在全厂电源丧失情况下可无需借助外力与泵驱动，仅在密度差驱动下持续运转。在发生全厂断电的事故工况下，电源丧失使得一次侧入口电动阀5失电自动开启，反应堆冷却剂在冷却剂密度差引起的重力积分压降驱动下形成自然循环流动。热段管道中的部分冷却剂进入余热排出冷却器4，在堆芯重力积分压头与余排支路重力积分压头的共同作用下以反重力流动方向，即从下往上的方向通过余热排出冷却器4。

部分热段冷却剂通过蒸汽发生器2后与余热排出冷却器4顶部流出的冷水在冷段管道混合，再进入反应堆1的压力容器中，建立起反应堆冷却剂系统的热交换循环。

余热排出冷却器4的二次侧冷却剂在较冷的水与被加热的冷却器内热水的密度差驱动下形成自然循环流动，建立起冷却器二次侧的热交换循环。在余热排出冷却器4的一次侧与二次侧的热交换循环下，余热排出冷却器4可持续带走堆芯余热。在重力驱动的自然循环作用下，本系统发挥非能动余热排出功能，保护反应堆安全。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，包括与反应堆（1）的进出口形成循环的蒸汽发生器（2），连接在反应堆（1）与蒸汽发生器（2）之间的主泵（3），与蒸汽发生器（2）并联连接的余热排出冷却器（4）；其特征在于，

所述反应堆（1）出口与蒸汽发生器（2）入口之间的管道为热段管道，反应堆（1）入口与蒸汽发生器（2）出口之间的管道为冷段管道；

所述余热排出冷却器（4）的底部入口通过入口管线连接到热段管道上，余热排出冷却器（4）的顶端出口通过出口管线连接到冷段管道上；所述入口管线上设置有一次侧入口电动阀（5），所述出口管线上设置有一次侧出口隔离阀（6）。

2.根据权利要求1所述的一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，其特征在于，所述主泵（3）设置在冷段管道上，且位于出口管线与冷段管道的连接处与蒸汽发生器（2）之间。

3.根据权利要求1所述的一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，其特征在于，所述余热排出冷却器（4）通过管道连接的最终热阱为海水。

4.根据权利要求3所述的一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，其特征在于，所述余热排出冷却器（4）上连接热阱的管道上均设置有海水侧隔离阀（7）。

5.根据权利要求4所述的一种反重力方向流动的直接冷却非能动余热排出系统，其特征在于，所述余热排出冷却器（4）上连接热阱的管道包括进水管道和出水管道，该海水侧隔离阀（7）的数量为两个，分别设置在进水管道和出水管道上。

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