CN109887624A - 模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，包括一级冷却回路、二级冷却回路和三级冷却回路，一级冷却回路为堆芯补水箱与压力容器之间形成的回路，堆芯补水箱内的含硼水通过压力容器直接注入管线进入压力容器内向堆芯补充含硼水，压力容器内的含硼水通过管道回到堆芯补水箱内，二级冷却回路为内置换料水箱与压力容器之间形成的回路，内置换料水箱内的含硼水通过压力容器直接注入管线进入压力容器内向堆芯补充含硼水，堆芯产生的蒸汽通过自动卸压系统回流至内置换料水箱，三级冷却回路为地坑与堆芯之间形成的自然循环回路。本发明解决了现有冷却系统无法实现安全壳隔离失效时失水事故后堆芯长期冷却的问题。

Description

模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统

技术领域

本发明涉及压水堆核电厂事故应对技术领域，具体涉及模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统。

背景技术

对于采用非能动安全注射系统的压水堆核电厂(如AP1000)，其失水事故后的长期冷却是以安全壳非能动冷却系统作为最终热阱，通过建立安全壳地坑-堆芯之间的自然循环过程来实现的。地坑收集的冷凝水通过冷水注入管线(地坑再循环管线-压力容器直接注入管线)注入堆芯，堆芯产生的蒸汽通过排放管线(自动卸压系统管线和破口)排放到安全壳内，并被冷凝回收到地坑，重新注入堆芯以重复利用。地坑-堆芯之间自然循环能力(流量大小)取决于驱动压头(地坑水位)和沿程阻力之间的关系。根据阻力计算公式,在质量流量给定的情况下,阻力与流通面积的平方成反比,与流体密度成反比。由于堆芯流通面积远大于冷水注入管线和蒸汽排放管线的流通面积，而蒸汽密度远低于液体密度，因此整个自然循环的沿程阻力主要为蒸汽管线排放阻力。

模块式小堆ACP100采用一体化布置和非能动安全系统相结合的理念,其破口面积和自动卸压系统管线内径小，导致其失水事故长期冷却阶段的蒸汽排放阻力较大。特别是在安全壳隔离失效时，安全壳压力会很快降低到1个大气压。此时的低安全壳压力将会导致低蒸汽密度，蒸汽密度的降低将会引起蒸汽排放管线的阻力进一步增大，可能会出现地坑-堆芯自然循环中断，堆芯无法长期有效冷却。

发明内容

本发明的目的在于提供模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，解决现有冷却系统无法实现隔离失效时的失水事故后堆芯长期冷却问题。

本发明通过下述技术方案实现：

模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，包括一级冷却回路、二级冷却回路和三级冷却回路，所述一级冷却回路为堆芯补水箱与压力容器之间形成的回路，堆芯补水箱内的含硼水通过压力容器直接注入管线进入压力容器内向堆芯补充含硼水，压力容器内的含硼水通过管道回到堆芯补水箱内，所述一级冷却回路还包括安注箱，所述二级冷却回路为内置换料水箱与压力容器之间形成的回路，所述内置换料水箱内的含硼水通过压力容器直接注入管线进入压力容器内向堆芯补充含硼水，堆芯产生的蒸汽通过自动卸压系统第一级管线和自动卸压系统第二级管线回流至内置换料水箱，所述三级冷却回路为地坑与堆芯之间形成的自然循环回路，所述地坑中的水通过地坑再循环隔离阀经压力容器直接注入管线注入堆芯，堆芯产生的蒸汽通过自动卸压系统第三级管线向安全壳内排放，被冷凝后回流到地坑。

在现有技术中，通过地坑与堆芯之间形成的自然循环回路实现失水事故后的长期冷却冷却，由于自动卸压系统管线内径小，导致蒸汽排放管线的阻力大，特别是在安全壳隔离失效时，蒸汽排放管线阻力会进一步增大，可能会出现地坑-堆芯自然循环中断，堆芯无法长期有效冷却的情况。

本发明通过将冷却系统设置为一级冷却回路、二级冷却回路和三级冷却回路，采用不同的水源分阶段实现有效的堆芯冷却。具体过程是，当模块式小堆ACP100发生失水事故后，随着冷却剂的喷放、系统压力下降，触发反应堆停堆信号和安注信号，安注信号触发堆芯补水箱投入运行，向堆芯补充含硼水。堆芯补水箱初期以水循环模式运行，当压力容器下降段排空时，转入蒸汽替代循环模式，在此模式下堆芯补水箱水位不断下降，触发自动卸压系统各级阀门依次开启，对系统进行有序卸压。当系统压力降至安注箱初始压力时，安注箱内的含硼水注入堆芯，防止堆芯裸露。在第三级自动卸压系统(自动卸压系统第三级管线)阀门开启信号驱动下内置换料水箱出口隔离阀开启，当系统压力降至接近安全壳压力时，内置换料水箱中的含硼水通过重力注入堆芯，进入失水事故长期阶段。

失水事故长期阶段又可分为两个阶段：

(1)内置换料水箱注入阶段：内置换料水箱经压力容器直接注入管线注水实现对堆芯的冷却，堆芯产生的蒸汽通过第三级自动卸压系统管线排放，在安全壳内被冷凝后回收至安全壳底部的地坑内。

(2)安全壳地坑再循环阶段：当内置换料水箱水位下降至“低水位”整定值后，同时触发“地坑再循环隔离阀开启”进入地坑再循环阶段，地坑水通过地坑再循环管线、压力容器直接注入管线注入堆芯，通过自动卸压系统管线、破口向安全壳内排放，形成地坑-堆芯之间的自然循环过程，长时间冷却堆芯。

本发明通过将冷却系统设置为一级冷却回路、二级冷却回路和三级冷却回路，在地坑-堆芯之间的自然循环冷却之前先依次通过一级冷却回路、二级冷却回路对堆芯进行冷却，能够有效缓解地坑-堆芯自然循环的压力，降低蒸汽阻力，避免地坑-堆芯自然循环中断，确保堆芯实现长期有效冷却。

进一步地，三级冷却回路还包括设置在压力容器顶部的堆顶排气管线，堆芯产生的蒸汽通过卸压系统第三级管线和堆顶排气管线同时向安全壳内排放。

为了保证安全壳隔离失效情况下，进一步确保失水事故后堆芯的长期有效冷却，需要采取措施减小蒸汽排放阻力，增强地坑-堆芯之间的自然循环能力，确保反应堆安全。

本发明在在自动卸压系统第三级管线和破口排放蒸汽的基础上，增加了一个新的蒸汽排放途径，即在压力容器顶部的堆顶排气管线，所述堆顶排气管线的设置不仅增加了蒸汽的排放途径，缓解自动卸压系统第三级管线和破口压力，同时，堆芯产生的蒸汽可从压力容器直接通过对外排放堆顶排气管线，具有排放路径短的优势，可显著降低蒸汽排放阻力，增强地坑-堆芯之间的自然循环能力，确保安全壳隔离失效时的堆芯长期有效冷却。

本发明针对安全壳隔离失效引起的失水事故长期冷却阶段地坑-堆芯自然循环能力不足的问题，提出一种利用堆顶排气阀，增加蒸汽排放通道，减小蒸汽排放阻力的方案，通过该方案增强地坑-堆芯之间的自然循环能力，进一步确保失水事故后的堆芯长期有效冷却。

进一步地，堆顶排气管线直接与压力容器顶部的堆顶排气阀连接，所述内置换料水箱内设置有液位传感器，所述液位传感器、堆顶排气阀均与控制器通信连接，所述控制器还与地坑再循环隔离阀通信连接。

堆顶排气阀安装在压力容器上封头上，堆芯产生的蒸汽可从压力容器直接对外排放，具有排放路径短的优势，可显著降低蒸汽排放阻力。

当液位传感器感应到内置换料水箱的水位下降至“低水位”整定值后，将信号传递个控制器，由控制器发出指令开同时触发“地坑再循环隔离阀开启”和“堆顶排气阀开启”。

进一步地，堆顶排气管线和卸压系统第三级管线的出口端均并联设置有2个排气管道。

上述设置能够提高堆顶排气管线和卸压系统第三级管线排放蒸汽的效率。

进一步地，地坑再循环隔离阀所在的管线进水口设置有滤网。

优选地，所述内置换料水箱的出水端也设置有过滤网，避免杂质进入压力容器内，提高堆芯运行的安全性。

地坑水经过滤后进入管道，然后汇入压力容器直接注入管线，通过压力容器直接注入管线进入压力容器内。

进一步地，所述安注箱通过压力容器直接注入管线与压力容器相连，当系统压力低于安注箱初始压力时，安注箱内的含硼水在氮气压力作用下注入堆芯。

上述设置能够提高蒸汽排放的效率。

进一步地，所述自动卸压系统第一级管线和自动卸压系统第二级管线由于稳压器顶部引出，连接至内置换料水箱。

进一步地，内置换料水箱设置在压力容器的上方。

上述设置使得内置换料水箱的含硼水能够在通过重力注入堆芯，减小功率损失。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过将冷却系统设置为一级冷却回路、二级冷却回路和三级冷却回路，在地坑-堆芯之间的自然循环冷却之前先依次通过一级冷却回路、二级冷却回路对堆芯进行冷却，能够有效缓解地坑-堆芯自然循环的压力，降低蒸汽阻力，避免地坑-堆芯自然循环中断，确保堆芯实现长期有效冷却。

2、本发明针对安全壳隔离失效引起的失水事故长期冷却阶段地坑-堆芯自然循环能力不足的问题，提出一种利用堆顶排气阀，增加蒸汽排放通道，减小蒸汽排放阻力的方案，通过该方案增强地坑-堆芯之间的自然循环能力，进一步确保失水事故后的堆芯长期有效冷却。

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是冷却系统的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-自动卸压系统第一级管线，2-自动卸压系统第二级管线，3-内置换料水箱，4-堆芯补水箱，5-安注箱，6-滤网，7-堆芯，8-压力容器直接注入管线，9-自动卸压系统第三级管线，10-稳压器，11-堆顶排气管线，12-压力容器，13-地坑再循环隔离阀。

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1：

如图1所示，模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，包括一级冷却回路、二级冷却回路和三级冷却回路，所述一级冷却回路为堆芯补水箱4与压力容器12之间形成的回路，堆芯补水箱4内的含硼水通过压力容器直接注入管线8进入压力容器12内向堆芯7补充含硼水，压力容器12内的含硼水通过管道回到堆芯补水箱4内，所述一级冷却回路还包括安注箱5，所述二级冷却回路为内置换料水箱3与压力容器12之间形成的回路，所述内置换料水箱3内的含硼水通过压力容器直接注入管线8进入压力容器12内向堆芯7补充含硼水，堆芯7产生的蒸汽通过自动卸压系统第一级管线1和自动卸压系统第二级管线2回流至内置换料水箱3，所述三级冷却回路为地坑与堆芯7之间形成的自然循环回路，所述地坑中的水通过地坑再循环隔离阀13经压力容器直接注入管线8注入堆芯7，堆芯7产生的蒸汽通过自动卸压系统第三级管线9向安全壳内排放，被冷凝后回流到地坑。

在本实施例中：当模块式小堆ACP100发生失水事故后，随着冷却剂的喷放、系统压力下降，触发反应堆停堆信号和安注信号，安注信号触发堆芯补水箱4投入运行，向堆芯7补充含硼水。堆芯补水箱4初期以水循环模式运行，当压力容器12下降段排空时，转入蒸汽替代循环模式，在此模式下堆芯补水箱4水位不断下降，触发自动卸压系统各级阀门依次开启，对系统进行有序卸压。当系统压力降至安注箱初始压力时，安注箱5内的含硼水注入堆芯，防止堆芯7裸露。在自动卸压系统第三级管线9的阀门开启信号驱动下内置换料水箱3出口隔离阀开启，当系统压力降至接近安全壳压力时，内置换料水箱3中的含硼水注入堆芯7，进入失水事故长期阶段。

失水事故长期阶段又可分为两个阶段：

(1)内置换料水箱3注入阶段：内置换料水箱3经压力容器直接注入管线8注水实现对堆芯7的冷却，堆芯7产生的蒸汽通过自动卸压系统第三级管线9排放，在安全壳内被冷凝后回收至安全壳底部的地坑内。

(2)安全壳地坑再循环阶段：当内置换料水箱3水位下降至“低水位”整定值后，同时触发“地坑再循环隔离阀开启”，进入地坑再循环阶段，地坑水通过地坑再循环管线、压力容器直接注入管线8注入堆芯7，通过自动卸压系统管线、破口和向安全壳内排放，形成地坑-堆芯之间的自然循环过程，长时间冷却堆芯7。

实施例2：

如图1所示，本实施例基于实施例1，所述三级冷却回路还包括设置在压力容器12顶部的堆顶排气管线11，堆芯7产生的蒸汽通过卸压系统第三级管线9和堆顶排气管线11同时向安全壳内排放；所述堆顶排气管线11直接与压力容器12顶部的堆顶排气阀连接所述内置换料水箱3内设置有液位传感器，所述液位传感器、堆顶排气阀均与控制器通信连接，所述控制器还与地坑再循环隔离阀13通信连接，当内置换料水箱3的水位下降至“低水位”整定值后，同时触发“地坑再循环隔离阀13开启”和“堆顶排气阀开启”；所述堆顶排气管线11和卸压系统第三级管线9的出口端均并联设置有2个排气管道。

在本实施例中，安全壳地坑再循环阶段：当内置换料水箱3水位下降至“低水位”整定值后，同时触发“地坑再循环隔离阀开启”和“堆顶排气阀开启”，进入地坑再循环阶段，地坑水通过地坑再循环管线、压力容器直接注入管线8注入堆芯7，通过自动卸压系统管线、破口和堆顶排气阀向安全壳内排放，形成地坑-堆芯之间的自然循环过程，长时间冷却堆芯7。

实施例3：

如图1所示，本实施例基于实施例1或实施例2，所述地坑再循环隔离阀所在的管线进水口设置有滤网6；所述安注箱5通过压力容器直接注入管线8与压力容器12相连，当系统压力低于安注箱初始压力时，安注箱内的含硼水在氮气压力作用下注入堆芯；所述自动卸压系统第一级管1和第自动卸压系统第二级管线2由于稳压器10顶部引出，连接至内置换料水箱3；所述内置换料水箱3设置在压力容器12的上方。

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 (8)

1.模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，其特征在于，包括一级冷却回路、二级冷却回路和三级冷却回路，所述一级冷却回路为堆芯补水箱(4)与压力容器(12)之间形成的回路，堆芯补水箱(4)内的含硼水通过压力容器直接注入管线(8)进入压力容器(12)内向堆芯(7)补充含硼水，压力容器(12)内的含硼水通过管道回到堆芯补水箱(4)内，所述一级冷却回路还包括安注箱(5)，所述二级冷却回路为内置换料水箱(3)与压力容器(12)之间形成的回路，所述内置换料水箱(3)内的含硼水通过压力容器直接注入管线(8)进入压力容器(12)内向堆芯(7)补充含硼水，堆芯(7)产生的蒸汽通过自动卸压系统第一级管线(1)和自动卸压系统第二级管线(2)回流至内置换料水箱(3)，所述三级冷却回路为地坑与堆芯(7)之间形成的自然循环回路，所述地坑中的水通过地坑再循环隔离阀(13)经压力容器直接注入管线(8)注入堆芯(7)，堆芯(7)产生的蒸汽通过自动卸压系统第三级管线(9)向安全壳内排放，被冷凝后回流到地坑。

2.根据权利要求1所述的模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，其特征在于，所述三级冷却回路还包括设置在压力容器(12)顶部的堆顶排气管线(11)，堆芯(7)产生的蒸汽通过卸压系统第三级管线(9)和堆顶排气管线(11)同时向安全壳内排放。

3.根据权利要求2所述的模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，其特征在于，所述堆顶排气管线(11)直接与压力容器(12)顶部的堆顶排气阀连接，所述内置换料水箱(3)内设置有液位传感器，所述液位传感器、堆顶排气阀均与控制器通信连接，所述控制器还与地坑再循环隔离阀(13)通信连接。

4.根据权利要求2所述的模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，其特征在于，所述堆顶排气管线(11)和卸压系统第三级管线(9)的出口端均并联设置有2个排气管道。

5.根据权利要求1所述的模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，其特征在于，所述地坑再循环隔离阀(13)所在的管线进水口设置有滤网(6)。

6.根据权利要求1所述的模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，其特征在于，所述安注箱(5)通过压力容器直接注入管线(8)与压力容器(12)相连，当系统压力低于安注箱(5)初始压力时，安注箱(5)内的含硼水在氮气压力作用下注入堆芯(7)。

7.根据权利要求1所述的模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，其特征在于，所述自动卸压系统第一级管线(1)和自动卸压系统第二级管线(2)由于稳压器(10)顶部引出，连接至内置换料水箱(3)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的模块式小堆安全壳隔离失效时的失水事故长期冷却系统，其特征在于，所述内置换料水箱(3)设置在压力容器(12)的上方。