CN109903862A - 一种低压自然循环能力提升方案 - Google Patents

Abstract

本发明属于核技术领域，公开了一种低压自然循环能力提升方案，包括安全壳内换热器、工质上升管道、插入物阵列、安全壳外冷却水箱、工质下降管道和安全壳；安全壳内换热器位于安全壳内，安全壳外冷却水箱位于安全壳外；工质上升管道连接安全壳内换热器和安全壳外冷却水箱，工质下降管道连接安全壳内换热器和安全壳外冷却水箱；插入物阵列插入工质上升管道内。插入物阵列中的插入物在工质上升管道的同一流道截面上。插入物阵列中的插入物与工质上升管道内流体的流动方向垂直；插入物阵列的插入深度与工质上升管道的流道内径相等。本发明可以诱发闪蒸提前发生，增加两相段长度，提高换热效率；本发明延长系统的使用寿命，为核电厂降低维修成本。

Description

一种低压自然循环能力提升方案

技术领域

本发明属于核技术领域，尤其涉及一种低压自然循环能力提升方案。

背景技术

核反应堆，又称为原子能反应堆或反应堆，是能维持可控自持链式核裂变反应，以实现核能利用的装置。核反应堆通过合理布置核燃料，使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程。严格来说，反应堆这一术语应覆盖裂变堆、聚变堆、裂变聚变混合堆，但一般情况下仅指裂变堆。人类第一台核反应堆由美国籍意大利著名物理学家恩利克·费米领导的小组于1942年12月曼哈顿计划期间在世界顶级学府芝加哥大学建成，命名为芝加哥一号堆。该反应堆是采用铀裂变链式反应，开启了人类原子能时代，芝加哥大学也因此成为人类“原子能诞生地”。

安全壳即核反应堆安全壳，或称反应堆安全壳、安全壳建筑或围阻体、安全厂房、安全掩体，是构成压水反应堆最外围的建筑，指包容了核蒸汽供应系统的大部分系统和设备的外壳建筑，用以容纳反应堆压力容器以及部分安全系统，包括一回路主系统和设备、停堆冷却系统，将其与外部环境完全隔离，期望能实现安全保护屏障的功能。

安全壳作为反应堆放射性物质外泄的最后一道屏障。安全壳内一旦发生质能释放事故，如不采取降温降压措施，势必导致安全壳内温度、压力持续上升，最终可能突破安全壳的设计压力，导致安全壳损坏。另外，高温也会导致混凝土软化，最终导致安全壳失效。大量放射性物质释放到环境中，造成恶劣的环境后果。因此，安全壳内发生质能释放事故后，高效可靠的安全壳降温降压手段是保证安全壳完整性的根本措施。

非能动冷却技术由于基本不依赖于电源、电气、仪表和控制系统，仅仅依赖于高度差、温度差、密度差就可以带走反应堆事故后产生的热量。因此，在下一代反应堆安全壳非能动热量导出系统的设计中也采用了非能动冷却技术，其中一种设计方案是采用开式自然循环回路带走严重事故后安全壳内的热量。对于开式低压自然循环系统，在运行过程中，上升段内热流体会由于当地静压力的降低产生过热进而发生闪蒸汽化现象，这种现象的发生会导致系统在低功率运动工况下产生流动不稳定。流动不稳定现象的发生不仅会使系统产生震荡，降低系统的安全等级，而且还会降低系统的排热能力。

吴莘馨，吴少融，闪蒸现象及其对自然循环稳定性的影响，中国核科技报告，1991提到，系统压力愈低,闪蒸现象愈明显,对系统流动稳定性的影响也愈强烈。在低压下,即使加热段出口过冷度相当大,也会因强烈的热力学不平衡过程导致上升段中能量的积累。当系统压力升高达到1.5MPa时,上升段中的闪蒸现象消失。说明提升系统压力可以有效避免流动不稳定现象的产生，但是对于开式自然循环系统而言，并不适用。

文献“Experimental observations on flow characteristics in an opentwo-phase natural circulation loop”中提到增大加热段入口阻力或者减小两相段出口阻力有利于系统的的稳定，但是需要根据实际工况实时调节阀门，并且增大加热段入口阻力还会降低系统的换热效率。

因此在非能动冷却系统中，解决闪蒸现象带来的潜在危险非常重要。

发明内容

本发明的目的在于公开换热效率高、结构简单、可靠性高的一种低压自然循环能力提升方案。

本发明的目的是这样实现的：

一种低压自然循环能力提升方案，包括安全壳内换热器1、工质上升管道2、插入物阵列3、安全壳外冷却水箱4、工质下降管道5和安全壳6；安全壳内换热器1位于安全壳6内，安全壳外冷却水箱4位于安全壳6外；工质上升管道2连接安全壳内换热器1和安全壳外冷却水箱4，工质下降管道5连接安全壳内换热器1和安全壳外冷却水箱4；插入物阵列3插入工质上升管道2内。

进一步地，插入物阵列3中的插入物在工质上升管道2的整个上升段沿着轴向均匀插入或非均匀插入，或在工质上升管道2的两相段沿着轴向均匀插入或非均匀插入，再或者在工质上升管道2的整个上升段和两相段沿着轴向进行组合插入；插入物阵列3中的插入物在工质上升管道2的同一流道截面上。

进一步地，插入物阵列3中的插入物与工质上升管道2内流体的流动方向垂直；插入物阵列3的插入深度与工质上升管道2的流道内径相等。

进一步地，插入物阵列3中插入物的截面积与工质上升管道2的流道的截面积之比在5％至20％之间。

本发明的有益效果为：

本发明可以诱发闪蒸提前发生，增加两相段长度，提高自然循环过程中的循环流量，进而提升系统的换热效率；本发明结构简单，方便拆卸，实施成本低，占用空间小，可以有效提高非能动安全壳冷却系统安全性，延长系统的使用寿命，为核电厂降低维修成本；当核电站发生严重事故时，本发明不仅可以非能动地有效排除安全壳内的热量，降低安全壳内的压力，防止安全壳破裂，放射性物质外泄，还可以消除在系统运行过程中所产生的流动不稳定性，确保非能动安全壳冷却系统正常运行。

附图说明

图1是一种低压自然循环能力提升方案的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

如图1，一种低压自然循环能力提升方案，包括安全壳内换热器1、工质上升管道2、插入物阵列3、安全壳外冷却水箱4、工质下降管道5和安全壳6；安全壳内换热器1位于安全壳6内，安全壳外冷却水箱4位于安全壳6外；工质上升管道2连接安全壳内换热器1和安全壳外冷却水箱4，工质下降管道5连接安全壳内换热器1和安全壳外冷却水箱4；插入物阵列3插入工质上升管道2内。

插入物阵列3中的插入物在工质上升管道2的整个上升段沿着轴向均匀插入或非均匀插入，或在工质上升管道2的两相段沿着轴向均匀插入或非均匀插入，再或者在工质上升管道2的整个上升段和两相段沿着轴向进行组合插入；插入物阵列3中的插入物在工质上升管道2的同一流道截面上。插入物的排布方式既可以是平行排布也可以是交叉排布，还可以制成网状结构，通过法兰与上升管道连接。

插入物阵列3中的插入物与工质上升管道2内流体的流动方向垂直；插入物阵列3的插入深度与工质上升管道2的流道内径相等。插入物的形状既可以是圆柱可以是棱柱或者其他形状。插入物可移动式插入，在需要时插入，不需要时抽出，以便使用和更换。

插入物阵列3中插入物的截面积与工质上升管道2的流道的截面积之比在5％至20％之间，并且在实际运行工况范围内不会产生震动、断裂。

当核电站发生严重事故时，安全壳内的温度和压力迅速升高，此时系统自动投入运行。安全壳内换热器将安全壳内热量传递给工质，工质吸收热量升温，导致上升管道和下降管道内工质存在一定的密度差，实现系统自然循环，带走安全壳内的热量，防止安全壳破裂。但是热工质沿着管道进入上升段，由于静压力较大，此时还处于单相过冷状态。具有一定过冷度的热工质在上升管道内向上流动时，会由于静压力的降低，从过冷变为过热状态发生闪蒸汽化现象。闪蒸现象的发生在很多工况下会导致流动不稳现象，使得系统产生剧烈的震动，不仅会损坏系统，降低非能动安全壳冷却系统的安全系数，而且还会减少系统使用寿命，增加核电厂维修成本。

针对实际运行工况范围内，闪蒸诱发的流动不稳定现象，本发明提出在上升管道内沿轴向设置数根长度和上升管道内径相当的插入物。根据实验研究发现，当发生流动不稳定性时，流体流过插入物会产生一定的扰动作用，插入物提供汽化核心，使得汽泡会持续在插入物上产生，诱发闪蒸的提前发生，增加了两相段长度，并使得流型周期性演变过程变为稳定的演变过程，从而使流动由不稳定状态变为稳定状态，并在一定程度上提高系统的循环流量，提升系统的换热效率。当流动是稳定状态时，也不会因插入物的存在对系统产生有害影响。

与现有技术相比，本发明可以诱发闪蒸提前发生，增加两相段长度，提高自然循环过程中的循环流量，进而提升系统的换热效率；本发明结构简单，方便拆卸，实施成本低，占用空间小，可以有效提高非能动安全壳冷却系统安全性，延长系统的使用寿命，为核电厂降低维修成本；当核电站发生严重事故时，本发明不仅可以非能动地有效排除安全壳内的热量，降低安全壳内的压力，防止安全壳破裂，放射性物质外泄，还可以消除在系统运行过程中所产生的流动不稳定性，确保非能动安全壳冷却系统正常运行。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低压自然循环能力提升方案，其特征在于：包括安全壳内换热器(1)、工质上升管道(2)、插入物阵列(3)、安全壳外冷却水箱(4)、工质下降管道(5)和安全壳(6)；安全壳内换热器(1)位于安全壳(6)内，安全壳外冷却水箱(4)位于安全壳(6)外；工质上升管道(2)连接安全壳内换热器(1)和安全壳外冷却水箱(4)，工质下降管道(5)连接安全壳内换热器(1)和安全壳外冷却水箱(4)；插入物阵列(3)插入工质上升管道(2)内。

2.根据权利要求1所述的一种低压自然循环能力提升方案，其特征在于：所述的插入物阵列(3)中的插入物在工质上升管道(2)的整个上升段沿着轴向均匀插入或非均匀插入，或在工质上升管道(2)的两相段沿着轴向均匀插入或非均匀插入，再或者在工质上升管道(2)的整个上升段和两相段沿着轴向进行组合插入；插入物阵列(3)中的插入物在工质上升管道(2)的同一流道截面上。

3.根据权利要求1所述的一种低压自然循环能力提升方案，其特征在于：所述的插入物阵列(3)中的插入物与工质上升管道(2)内流体的流动方向垂直；插入物阵列(3)的插入深度与工质上升管道(2)的流道内径相等。

4.根据权利要求1所述的一种低压自然循环能力提升方案，其特征在于：所述的插入物阵列(3)中插入物的截面积与工质上升管道(2)的流道的截面积之比在5％至20％之间。