CN109273113A - 一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，包括反应堆压力容器，反应堆压力容器的一次侧管路通过热管段与热源热管式换热器的一端连接，热源热管式换热器的另一端通过冷管段与反应堆压力容器的一端连接，反应堆压力容器、热管段、热源热管式换热器、冷管段之间形成反应堆压力容器中冷却剂的循环回路；热源热管式换热器的两侧均通过连接管路与冷源热管式换热器连接，热源热管式换热器、冷源热管式换热器、连接管路之间构成封闭环路。本技术方案形成的两道换热循环仅仅依靠两相工质的密度差压头和毛细压头，对设备中冷热阱的位差要求较小，为系统中有效的空间布置提供便利，且提高了换热效率。

Description

一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统

技术领域

本发明涉及核反应堆系统技术领域，具体涉及一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统。

背景技术

当核反应堆发生全船断电事故时，反应堆丧失了所有能动的余热排出系统，堆芯余热无法实现长期有效导出。常规的非能动余热排出系统换热效率相对较低，对冷热阱的位差以及换热面积都有较高要求。

基于此，研究并开发设计一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统及其控制方法。

发明内容

本发明针对上述问题之一，提供一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，本技术方案利用船用反反应堆的船体浸泡在海水中的便利条件，并结合对冷源热管式换热器、热源热管式换热器、船体的设计，充分利用海水作为最终热阱，在断电工况下，反应堆压力容器中的余热传递给热源式热管换热器、并在封闭环路中冷凝回流，并最终将热量传递给海水，整个过程换热效率提高，且对该系统中的冷热阱位差、换热面积要求较低，易实现工程应用，可以提高反应堆的安全性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，包括反应堆压力容器，反应堆压力容器的一次侧管路通过热管段与热源热管式换热器的一端连接，热源热管式换热器的另一端通过冷管段与反应堆压力容器的一端连接，反应堆压力容器、热管段、热源热管式换热器、冷管段之间形成反应堆压力容器中冷却剂的循环回路；热源热管式换热器的两侧均通过连接管路与冷源热管式换热器连接，热源热管式换热器、冷源热管式换热器、连接管路之间构成封闭环路；

在船用核反应堆断电工况下，反应堆压力容器中冷却剂余热传递给热源热管式换热器，交换热量后的冷却剂返回至反应堆压力容器；封闭环路中的冷却介质接收反应堆压力容器中冷却剂的余热后汽化，蒸汽在冷源热管式换热器中冷凝回流，从而在封闭环路中形成自然循环，热量最终导出至海水。

本技术方案主要针对的对象是船用压水堆，如海上航行的船舶会搭载小型的压水堆，该种船舶作为海洋上的新兴能源载体，能够为海上石油的开采和岛屿开展能够能源供给。由于船舶工作的海洋环境相对复杂，海上的余热排出系统能够使用的备用能源限制较多，一旦出现全船失电事故后，主泵停运，反应堆压力容器冷却剂流速下降，堆芯产生的热量在反应堆压力容器冷却系统内大量堆积，导致压水堆冷却剂温度和压力升高，当温度和压力超过压水堆所能承受的限值时，可能会影响压水堆系统安全，造成放射性释放。

针对该情况现有技术采用非能动余热排出系统，如要求换热部分位于反应堆压力容器的上方，冷凝器位于蒸汽发生部分的上方，冷凝器位于船舶空载吃水线的下方等等，对系统中冷热阱的位差、换热面积具有较高要求，结果能达到的换热效率较低。

而本申请技术方案建立的热管式非能动余热排出系统，工作原理：在发生全船断电事故后，反应堆失去正常的热量排出手段，冷却剂压力和温度持续升高，高温冷却剂在电磁阀开启的情况下通过热管段进入热源热管式换热器，在热源热管式换热器中进行换热，换热后通过冷管段返回到反应堆压力容器，形成第一道换热循环；在热源热管式换热器中交换后的热量迅速将封闭环路中的冷却介质汽化，并通过自然循环将热量传递至冷源热管式换热器，由于冷源热管式换热器安装在船体的表面，且与海水直接接触，故冷源热管式换热器接收的热量最终传递给海水，形成第二道换热循环，经过上述两道换热循环最终将反应堆压力容器堆芯的中热量快速排出，有效实现在发生全船断电事故时，堆芯的长期冷却。

进一步地，为了更好的实现本发明，在反应堆压力容器与热源热管式换热器的热管段上安装电磁阀，电磁阀在船用核反应堆出现断电工况下开启。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述电磁阀为电磁隔离阀。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述电磁阀与可靠电连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述反应堆压力容器与热源热管式换热器的管侧连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述热管段和冷管段为相同结构的管道。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述冷源热管式换热器安装在浸入海水中的船体外表面，封闭环路中的热量通过自然循环传递给冷源热管式换热器，最终导出至大海。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述热源热管式换热器的壳侧通过连接管路与冷源热管式换热器的管侧连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述冷源热管式换热器的壳侧浸入海水中。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述热源热管式换热器与冷源热管式换热器为相同结构。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本技术方案通过设置反应堆压力容器与热源热管式换热器形成第一道换热循环，反应堆堆芯的冷却剂与热源热管式换热器中的冷却介质换热后，重新返回到反应堆堆芯中，依靠冷却剂密度差形成的自然循环，将反应堆堆芯中的热量传递给热源热管式换热器中的冷却介质，完成第一道循环；封闭环路中的冷却介质将接收到热量传递给冷源热管式换热器再回到热源热管式换热器，完成从液相—气相-液相转换，并将热量最终传递给海水，形成第二道换热循环；整个过程依靠单相和两相工质的密度差压头和毛细压头，对设备中冷热阱的位差要求较小，为系统中有效的空间布置提供了便利，且提高换热效率。

(2)本技术方案中冷源热管式换热器的高换热性能提高了事故堆芯余热导出的能力，且最终热阱为大海，可以有效实现余热长期导出，提高反应堆运行的安全性能。

(3)本技术方案中所述的非能动余热排出系统相对于传统的系统，本系统中冷热热管式换热器在安装时与船体外表面相结合，减小设备占用的体积，节省布置空间。

附图说明

图1为本发明的结构示意框图；

其中：1—电磁阀，2—热源热管式换热器，3—冷源热管式换热器，4—封闭环路，5—船体外表面，6—反应堆压力容器。

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，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1：

如图1所示，一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，包括反应堆压力容器6，反应堆压力容器6的一次侧管路通过热管段与热源热管式换热器2的一端连接，热源热管式换热器2的另一端通过冷管段与反应堆压力容器6的一端连接，反应堆压力容器6、热管段、热源热管式换热器2、冷管段之间形成反应堆压力容器6中冷却剂的循环回路；热源热管式换热器2的两侧均通过连接管路与冷源热管式换热器3连接，热源热管式换热器2、冷源热管式换热器3、连接管路之间构成封闭环路4；

在船用核反应堆断电工况下，反应堆压力容器6中冷却剂余热传递给热源热管式换热器2，交换热量后的冷却剂返回至反应堆压力容器6；封闭环路4中的冷却介质接收反应堆压力容器6中冷却剂的余热后汽化，蒸汽在冷源热管式换热器3中冷凝回流，从而在封闭环路4中形成自然循环，热量最终导出至海水。

其中，在反应堆压力容器6与热源热管式换热器2的热管段上安装电磁阀1，电磁阀1在船用核反应堆出现断电工况下开启。

其中，所述电磁阀1为电磁隔离阀。

其中，所述电磁阀1与可靠电连接。

反应堆压力容器6通过热管段、冷管段与热源热管式换热器2之间连接形成换热循环，反应端压力容器6的冷却剂出口端通过热管段与热源热管式换热器2的一端连接，热源热管式换热器2的另一端通过冷管段与反应堆压力容器6的冷却剂进口端连接，如此形成冷却剂的换热循环管路。且在热管段上安装电磁阀1，用以控制反应堆压力容器6与热源热管式换热器2之间管路的连通。

在断电事故发生后，电磁阀1自动打开，热源热管式换热器2和压力容器6之间具有高度差，高温的冷却剂进入热源热管式换热器2，与热源热管式换热器2内部的冷却介质进行交换热量，换热后的冷却剂温度降低密度下降，通过冷管段回流到反应堆压力容器中，继续吸收堆芯的余热，形成自然循环，达到排出反应堆堆芯余热的目的。

在上述第一道循环中，所述热管段和冷管段可为相同结构的管道。且上述涉及到的位于反应堆压力容器6中的冷却剂为水，为本领域技术人员所公知，不再详述。本热源热管式换热器2中接收热量的冷却介质具体可为水或其他物质，亦为本领域技术人员所公知，不再详述。

在热源热管式换热器2中，冷却介质接收来自反应堆压力容器6的热量后，冷却介质为吸收热量由液相转化为气相，并运行到冷源热管式换热器3中，气相冷却介质接收的热量传递给冷源热管式换热器3，由于冷源热管式换热器3安装在浸入海水中的船体外表面5，此时冷却介质温度降低，由气相转入液相，然后冷凝回路到热源热管式换热器2中，继续与来自与反应堆压力容器6中的冷却剂进行交换热量。

热源热管式换热器2与冷源热管式换热器3之间形成封闭环路4，形成第二道换热循环；封闭环路4中填充满冷却介质，该冷却介质为低沸点冷却介质，第二道换热循环为自然循环，该自然循环的建立依靠冷却介质两相工质的密度差压头和毛细压头，对设备的位差、换热面积要求较低，为整个系统在有限的空间中布置提供了极大的便利。

上述实施例中所述的两道循环，为建立在反应堆压力容器堆芯冷却剂与海水之间的两道屏障，该屏障的建立，可有效降低反应堆压力容器中冷却剂泄露的风险。

本技术方案中所述的冷源热管式换热器3和热源热管式换热器2为相同结构，具体结构为本领域技术人员所公知，不再详述。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上进一步限定，所述反应堆压力容器6与热源热管式换热器2的管侧连接。热源热管式换热器2为充当热源的热管式换热器，由于热源热管式换热器2的管侧具有良好的承压性、耐腐蚀、耐放射性和封闭性，并且有较高的换热效率，与反应堆压力容器6的主管道相连，即分别通过热管段、冷管段与反应堆压力容器6连接。

上述对反应堆压力容器6与热源热管式换热器2连接方式的优选，利于提高反应堆压力容器6与热源热管式换热器2之间形成第一道循环的换热效率。

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上进一步限定，所述冷源热管式换热器3安装在浸入海水中的船体外表面，封闭环路4中的热量通过自然循环传递给冷源热管式换热器3，最终导出至大海。

本实施例中要实现堆芯的长期冷却，则需确保反应堆压力容器6中堆芯的余热能够不断的导出去，故采用海水最为最终的热阱，故将第二道自然循环中的冷源热管式换热器3安装在船体的外表面，且与海水直接接触，完成将接收热量的传递。

冷源热管式换热器具体安装方式为覆盖在船体外表面，结合船体外表面加工而成。所述冷源热管式换热器3的壳侧浸入海水中，冷源热管式换热器3不需承受高压，具有抗腐蚀的特性。

其中，所述热源热管式换热器2的壳侧通过连接管路与冷源热管式换热器3的管侧连接。封闭环路4中的冷却介质具有较低沸点，且在工作时，为汽液两相，具有较高的自然循环能力。

上述实施例所述的基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，设备配置简单，为国内首次在反应堆安全系统中应用。该系统的使用，对于我国反应堆安全系统的开发具有重要意义，填补了非能动热管式余热排出系统领域的空白，同时具有进军国际市场的潜力。

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 (10)

1.一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：包括反应堆压力容器(6)，反应堆压力容器(6)的一次侧管路通过热管段与热源热管式换热器(2)的一端连接，热源热管式换热器(2)的另一端通过冷管段与反应堆压力容器(6)的一端连接，反应堆压力容器(6)、热管段、热源热管式换热器(2)、冷管段之间形成反应堆压力容器(6)中冷却剂的循环回路；热源热管式换热器(2)的两侧均通过连接管路与冷源热管式换热器(3)连接，热源热管式换热器(2)、冷源热管式换热器(3)、连接管路之间构成封闭环路(4)；

在船用核反应堆断电工况下，反应堆压力容器(6)中冷却剂余热传递给热源热管式换热器(2)，交换热量后的冷却剂返回至反应堆压力容器(6)；封闭环路(4)中的冷却介质接收反应堆压力容器(6)中冷却剂的余热后汽化，蒸汽在冷源热管式换热器(3)中冷凝回流，从而在封闭环路(4)中形成自然循环，热量最终导出至海水。

2.根据权利要求1所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：在反应堆压力容器(6)与热源热管式换热器(2)的热管段上安装电磁阀(1)，电磁阀(1)在船用核反应堆出现断电工况下开启。

3.根据权利要求2所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：所述电磁阀(1)为电磁隔离阀。

4.根据权利要求2所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：所述电磁阀(1)与可靠电连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：所述反应堆压力容器(6)与热源热管式换热器(2)的管侧连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：所述热管段和冷管段为相同结构的管道。

7.根据权利要求1所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：所述冷源热管式换热器(3)安装在浸入海水中的船体外表面，封闭环路(4)中的热量通过自然循环传递给冷源热管式换热器(3)，最终导出至大海。

8.根据权利要求1所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：所述热源热管式换热器(2)的壳侧通过连接管路与冷源热管式换热器(3)的管侧连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：所述冷源热管式换热器(3)的壳侧浸入海水中。

10.根据权利要求1所述的一种基于海水冷却的热管式非能动余热排出系统，其特征在于：所述热源热管式换热器(2)与冷源热管式换热器(3)为相同结构。