CN109461506B - 一种泳池式区域低温供热堆 - Google Patents

Abstract

本发明属于反应堆技术领域，具体涉及一种泳池式区域低温供热堆，包括设置在堆水池底部的堆芯，堆水池中池水深度为20‑30米；在堆水池内由上至下依次设置的上吊篮、中吊篮、下吊篮和堆芯底座；上吊篮中设有控制棒驱动机构的驱动线，中吊篮中设有控制棒导向筒，堆芯设置在下吊篮内，下吊篮设置在固定于堆水池底面的堆芯底座的上方，反应堆采用控制棒束控制反应性；还包括与下吊篮连通的一回路，在堆芯内加热后的池水经一回路传送至堆水池之外进行换热并回流至堆水池中。本发明具有固有安全性级别高、可靠性高、经济实用的优点。

Description

一种泳池式区域低温供热堆

技术领域

本发明属于反应堆技术领域，具体涉及一种泳池式区域低温供热堆。

背景技术

核能供热是一种以核裂变产生的能量为热源向周边城市集中供热的方式，与传统热源相比可以显著减少污染排放，且供热安全可靠，将有效改善我国能源结构，缓解日趋严重的能源供应紧张局面，对于保护环境、保护人民身体健康以及缓解燃煤压力等具有积极意义。

目前，核能供热主要应用方式为两种，一种是压力壳式，结构与高温高压的压水堆相似，另外一种是泳池式，两种类型分别在苏联/俄罗斯、德国、阿国、瑞士和加拿大等国都有过研究和开发。泳池式相对压力壳式而言，省去压力容器、安全壳等大型复杂设备，具有固有安全性好、可靠性高、系统简单和运行稳定等优点，也更适于城市居民区建设。不过，除了苏联/俄罗斯外，世界上还没有特别成功的核能供热反应堆商业化运营的先例。在我国，清华大学曾经使用现有的泳池式屏蔽试验堆进行核供热试验，中国原子能科学研究院利用其49-2泳池式堆连续供热168小时，证明了泳池式堆供热的技术可行性。

但是，现有泳池式供热堆技术中，一是池水深度不够，出水温度较低，并未匹配目前国内城市热网供热需求，不适于城市区域热网的需求，难以用于商业推广和应用；二是现有泳池式堆支路单一(支路是指一回路上用于连通反应堆的管路)，任何设计基准事故工况下都不能保证持续供热；三是缺少缓解堆熔事故发生的非能动冷却循环系统，四是对放射性气体处理措施不合理；五是反应堆固有安全性级别不够高等等，因此，当前的泳池式供热堆的实用性、经济性、安全性和可靠性仍有很大的提升空间。

发明内容

针对目前泳池式供热堆存在的不足，本名发明的目的是提供一种实用经济、安全可靠、适于城市区域热网的需求的新型泳池式供热堆。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种泳池式区域低温供热堆，包括设置在堆水池底部的堆芯，其中，所述堆水池中的池水的深度为20-30米；还包括在所述堆水池内由上至下依次设置的上吊篮、中吊篮、下吊篮和堆芯底座；所述上吊篮中设有控制棒驱动机构的驱动线，所述中吊篮中设有控制棒导向筒，所述堆芯设置在所述下吊篮内，所述下吊篮设置在固定于所述堆水池底面的所述堆芯底座的上方，反应堆采用控制棒束控制反应性；还包括与所述下吊篮连通的一回路，在所述堆芯内加热后的池水经所述一回路传送至所述堆水池之外进行换热并回流至所述堆水池中。

进一步，所述一回路上设有一回路主泵和一回路换热器，还包括与所述一回路换热器相连的隔离回路，所述隔离回路设有隔离回路泵和隔离回路换热器，所述隔离回路换热器与城市供热管网相连，向所述城市供热管网供热，所述隔离回路的压力大于所述一回路的压力。

进一步，所述一回路还包括位于所述堆水池内，连通所述下吊篮的延迟罐以及与所述延迟罐相连的出水管；在所述一回路的作用下由所述堆芯加热后的池水通过所述延迟罐后依次进入所述一回路主泵和所述一回路换热器；所述延迟罐用于延迟由所述堆芯加热后的池水中的放射性气体的衰变，降低所述一回路主泵和所述一回路换热器的所受剂量水平。

更进一步，所述延迟罐为多个，各自独立运行，互不干涉，所述延迟罐能够通过盲板实现阻断或连通，通过调整连通的所述延迟罐的数量，来实现调整所述一回路中的加热后的池水的进入量。

进一步，所述一回路还包括位于所述堆水池顶部开口处的进水管，用于所述一回路向所述堆水池的回水；在所述下吊篮外围设有自然循环瓣阀；还包括顶端连接所述进水管的射流管，所述射流管的尾端开口设置在所述自然循环瓣阀附近，依靠所述进水管的水流在所述射流管的尾端开口形成水平冲击力，所述水平冲击力能够使得所述自然循环瓣阀保持关闭状态，此时池水在所述一回路的作用下由所述堆芯底座进入所述堆芯中，经过所述延迟罐和所述出水管进入所述一回路进行热量的交换和传递；停堆后，靠所述一回路中的一回路主泵保持惯量，实现堆芯冷却剂循环，待所述一回路主泵停止运行后，所述射流管的所述水平冲击力为零，此时所述下吊篮内外压差降至设计值，所述自然循环瓣阀会自动打开，池水由所述堆芯底座进入所述堆芯中，从所述自然循环瓣阀的瓣阀口流出，实现所述堆芯和池水的长期循环，导出所述堆芯的剩余发热。

进一步，还包括设置在所述堆水池顶部开口上的水池盖板，作为安全防护屏障，用于防止异物进入所述堆水池内。

进一步，还包括覆盖在所述堆水池的池水上方的、设有气孔的泄压冷凝装置，所述泄压冷凝装置的上表面设有温度为40℃的冷水层，在所述水池盖板与所述冷水层之间为气空间，所述气空间为负压层；当所述堆水池内的池水的蒸发量达到设计标准时，所述泄压冷凝装置能够起到冷凝蒸汽作用，降低池水的蒸发；当反应堆因意外事故产生气泡时，所述泄压冷凝装置能够通过所述气孔起到排气泄压作用。

进一步，所述堆芯底座与所述堆水池底部之间设置有满足屏蔽计算要求的铅板，所述堆芯底座的所述流道设有滤网，能够防止运行期间固态杂质进入所述堆芯。

进一步，所述上吊篮为分段式多层结构，能够分层吊装，在每层连接配合面装有抗震支撑用的抗震支架，满足抗震要求，所述上吊篮和所述抗震支架均采用可在水下便捷安装和拆卸的结构。

本发明的有益效果在于：

1.池水深度为20-30m，依靠深池的水静压来提高堆芯出口水温且不会沸腾，保证出口水温可达到90℃以上，满足城市供热热网匹配要求；同时大量的池水保证反应堆堆芯在任何事故情况下，在无人干预，无任何冷却手段的条件下，池水也可自由蒸发15至30天，堆芯都不会裸露；

2.该型供热堆包含若干个独立运行、互不干涉的延迟罐(连通下吊篮的延迟罐和延迟罐上的出水管相当于背景技术中的“支路”)，可保证在任意一个延迟罐发生故障时、反应堆无需停堆，仍可持续供热，只需对单一的延迟罐进行相应的检修等，原则上延迟罐的数量并无限制，根据反应堆热功率大小决定延迟罐的数量；也可根据城市区域的热网需求选择实际使用的延迟罐的数量，其余延迟罐可利用盲板封堵；

3.堆芯2设置有非能动的自然循环瓣阀16，正常运行时，靠射流管17从进水管13引流产生的射流冲击作用下，保证自然循环瓣阀16的瓣阀闭合，停堆后，射流管17中的射流的冲击力为零，自然循环瓣阀16的瓣阀依靠内外压差，瓣阀自动打开，可实现其池水自然循环功能，导出堆芯2剩余发热；

4.该反应堆在堆水池15内设置有延迟放射性气体衰变的延迟罐5，使其冷却剂(即通过堆芯2加热后的池水)在进入一回路后，降低对一回路换热器21的要求，也降低了主工艺间、一回路主泵20、一回路换热器21所受到的辐射剂量水平；同时在含放射性的一回路和城市热网供热管网24之间设置中间隔离回路，隔离回路的压力大于一回路的压力，可避免一回路放射性介质进入城市供热管网24，提高其放射性的屏蔽和保护功能；

5.堆水池15上方设置具有安全泄压功能的浮动式的泄压冷凝装置8，在堆水池15的池内气压正常时，该装置通过冷水层9的冷凝作用，防止池内热水的长时间蒸发，待压力超过一定值时，该装置可依靠气孔实现排气泄压，提高反应堆的安全性；

6.堆水池15底部增设有屏蔽γ辐照释热的铅板19，用于防止底部混凝土的承重失效；

7.堆芯底座1的流道设有滤网，防止固态杂质进入堆芯，滤网网眼满足过滤要求的同时，需满足堆芯热工水力的设计要求；

8.反应堆采用吊篮式组合结构，为燃料组件、控制棒组件及控制棒驱动线提供约束、支撑和导向作用，同时满足换料时的水下可便捷安装和拆卸要求；

9.反应堆采用控制棒控制反应性，避免由硼水浓度调节控制反应堆而需要的复杂工作。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中泳池式区域低温供热堆的结构总体布置图；

图2是本发明具体实施方式中泳池式区域低温供热堆的系统流程简图；

图中：1-堆芯底座，2-堆芯，3-下吊篮，4-中吊篮，5-延迟罐，6-上吊篮，7-出水管，8-泄压冷凝装置，9-冷水层，10-气空间，11-控制棒驱动机构，12-水池盖板，13-进水管，14-抗震支架，15-堆水池，16-自然循环瓣阀，17-射流管，18-滤网，19-铅板，20-一回路主泵，21-一回路换热器，22-隔离回路泵，23-隔离回路换热器，24-城市供热管网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1和图2分别为泳池式区域低温供热堆结构总体布置图和系统流程简图，上述图为包含一个延迟罐5剖面的示意和流程图。整个反应堆构件置于一个大的堆水池15内部，堆芯底座1固定在堆水池15的底部，堆芯2置于下吊篮3内部，下吊篮3用来固定约束和支承构成堆芯2的燃料组件及相关组件，并与堆芯底座1相连，中吊篮4安装有控制棒导向筒，并用于压紧构成堆芯2的燃料组件，上吊篮6设有控制棒驱动线的导向机构，控制棒驱动机构11采用钢丝绳提棒原理，其驱动组件置于堆顶，位于上吊篮6上方，控制棒在上吊篮6中的控制棒驱动机构11的作用下，通过中吊篮4中的控制棒导向筒，降落进入下吊篮3中或从下吊篮3中提升，实现对堆芯2的反应性控制。正常运行时，池水由堆芯底座1的流道进入堆芯2内，将堆芯2产生的热量带出后，靠一回路主泵20抽至延迟罐5内，经过一段时间的放射性衰变后(衰变时间根据所采用的延迟罐的规格而有变化)，通过出水管7进入一回路内，通过一回路换热器21和隔离回路换热器23将热量输送到城市供热管网24中，实现热量的传递后，一回路冷却剂(即进入一回路中的池水)通过进水管13再返回到堆水池15中。停堆后短时间内，靠一回路主泵20的惰转飞轮保持适当惯量，实现堆芯冷却剂循环，待一回路主泵20停止运行，压差降至一定程度时，射流管17出口的射流的冲击力为0，此时依靠下吊篮3内外压差，自然循环瓣阀16会自动打开，池水由堆芯底座1进入堆芯2中，从自然循环瓣阀16的瓣阀口流出，实现堆芯2和池水的长期循环，导出堆芯2剩余发热。为了避免寿期内堆水池15底部混凝土长期承受γ辐照释热引起其性能的下降，在堆芯底座1下方设置有满足屏蔽计算要求的铅板19。堆芯底座1的流道设有滤网18，可防止运行期间固态杂质进入堆芯2，滤网18的网眼满足过滤要求的同时，也满足堆芯热工水力的设计要求，不能增加一回路的阻力。反应堆运行期间，气空间10为负压层，泄压冷凝装置8上方为约40°的冷水层9，堆水池15内水温长期保持在60℃以上，不可避免会有蒸发，池内气体压力也会逐渐增大，正常情况下，靠冷水层9的冷凝作用减少池水蒸发，保证池水量始终满足设计要求；在水池气压过大时，可通过泄压冷凝装置8的气孔进行排气泄压，保证反应堆安全。水池盖板12置于反应堆正上方，即作为堆水池15内构件的可视窗口，也作为大厅异物进入堆水池15的安全防护屏障。同时，考虑深水池的换料工艺，上吊篮6为分段式多层结构，可分层吊装，在每层连接配合面装有抗震支撑用的抗震支架14，满足抗震要求，上吊篮6和抗震支架14均为水下可便捷安装和拆卸结构。隔离回路工作压力大于一回路的压力，可避免一回路放射性介质进入城市供热管网，实现放射性屏蔽，提高用户供热安全性。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (4)

1.一种泳池式区域低温供热堆，包括设置在堆水池(15)底部的堆芯(2)，其特征是：所述堆水池(15)中的池水的深度为20-30米；还包括在所述堆水池(15)内由上至下依次设置的上吊篮(6)、中吊篮(4)、下吊篮(3)和堆芯底座(1)；所述上吊篮(6)中设有控制棒驱动机构(11)的驱动线，所述中吊篮(4)中设有控制棒导向筒，所述堆芯(2)设置在所述下吊篮(3)内，所述下吊篮(3)设置在固定于所述堆水池(15)底面的所述堆芯底座(1)的上方，反应堆采用控制棒束控制反应性；还包括与所述下吊篮(3)连通的一回路，在所述堆芯(2)内加热后的池水经所述一回路传送至所述堆水池(15)之外进行换热并回流至所述堆水池(15)中；

所述一回路上设有一回路主泵(20)和一回路换热器(21)，还包括与所述一回路换热器(21)相连的隔离回路，所述隔离回路设有隔离回路泵(22)和隔离回路换热器(23)，所述隔离回路换热器(23)与城市供热管网(24)相连，向所述城市供热管网(24)供热，所述隔离回路的压力大于所述一回路的压力；

所述一回路还包括位于所述堆水池(15)内，连通所述下吊篮(3)的延迟罐(5)以及与所述延迟罐(5)相连的出水管(7)；在所述一回路的作用下由所述堆芯(2)加热后的池水通过所述延迟罐(5)后依次进入所述一回路主泵(20)和所述一回路换热器(21)；所述延迟罐(5)用于延迟由所述堆芯(2)加热后的池水中的放射性气体的衰变，降低所述一回路主泵(20)和所述一回路换热器(21)的所受剂量水平；

所述延迟罐(5)为多个，各自独立运行，互不干涉，所述延迟罐(5)能够通过盲板实现阻断或连通，通过调整连通的所述延迟罐(5)的数量，来实现调整所述一回路中的加热后的池水的进入量；

所述一回路还包括位于所述堆水池(15)顶部开口处的进水管(13)，用于所述一回路向所述堆水池(15)的回水；在所述下吊篮(3)外围设有自然循环瓣阀(16)；还包括顶端连接所述进水管(13)的射流管(17)，所述射流管(17)的尾端开口设置在所述自然循环瓣阀(16)附近，依靠所述进水管(13)的水流在所述射流管(17)的尾端开口形成水平冲击力，所述水平冲击力能够使得所述自然循环瓣阀(16)保持关闭状态，此时池水在所述一回路的作用下由所述堆芯底座(1)进入所述堆芯(2)中，经过所述延迟罐(5)和所述出水管(7)进入所述一回路进行热量的交换和传递；停堆后，靠所述一回路中的一回路主泵(20)保持惯量，实现堆芯冷却剂循环，待所述一回路主泵(20)停止运行后，所述射流管(17)的所述水平冲击力为零，此时所述下吊篮(3)内外压差降至设计值，所述自然循环瓣阀(16)会自动打开，池水由所述堆芯底座(1)进入所述堆芯(2)中，从所述自然循环瓣阀(16)的瓣阀口流出，实现所述堆芯(2)和池水的长期循环，导出所述堆芯(2)的剩余发热；

所述上吊篮(6)为分段式多层结构，能够分层吊装，在每层连接配合面装有抗震支撑用的抗震支架(14)，满足抗震要求，所述上吊篮(6)和所述抗震支架(14)均采用可在水下便捷安装和拆卸的结构。

2.如权利要求1所述的泳池式区域低温供热堆，其特征是：还包括设置在所述堆水池(15)顶部开口上的水池盖板(12)，作为安全防护屏障，用于防止异物进入所述堆水池(15)内。

3.如权利要求2所述的泳池式区域低温供热堆，其特征是：还包括覆盖在所述堆水池(15)的池水上方的、设有气孔的泄压冷凝装置(8)，所述泄压冷凝装置(8)的上表面设有温度为40℃的冷水层(9)，在所述水池盖板(12)与所述冷水层(9)之间为气空间(10)，所述气空间(10)为负压层；当所述堆水池(15)内的池水的蒸发量达到设计标准时，所述泄压冷凝装置(8)能够起到冷凝蒸汽作用，降低池水的蒸发；当反应堆因意外事故产生气泡时，所述泄压冷凝装置(8)能够通过所述气孔起到排气泄压作用。

4.如权利要求1所述的泳池式区域低温供热堆，其特征是：所述堆芯底座(1)与所述堆水池(15)底部之间设置有满足屏蔽计算要求的铅板(19)，所述堆芯底座(1)的所述流道设有滤网(18)，能够防止运行期间固态杂质进入所述堆芯(2)。