CN110459334A - 一种压水堆安全壳冷却系统多功能实验装置及其实验方法 - Google Patents

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王升飞
陆道纲
王誉鑫
王孝天
李向宾
于新国
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

本发明属于安全壳冷却系统实验技术领域,尤其涉及一种基于压水堆安全壳冷却系统实验装置及其实验方法,包括:双层的安全壳;内层安全壳顶部设有壳外喷淋头、安全泄压阀,壳内顶部设有2圈壳内喷淋头,壳内上部贴壁处设有2组水冷换热器,壳外喷淋头、壳内喷淋头、换热器分别与外部水箱连接;内层安全壳内还设有蒸汽管道、多个测温探头、摄像头、压力探头;安全壳底部设有人孔。安全壳内通入低温低压蒸汽来模拟反应堆破口事故;内外喷淋头开启对安全壳进行冷却降温降压;换热器对壳内蒸汽进行冷凝;安全壳顶部风机及通风管道通过对安全壳外壁进行冷却;通过摄像头观察安全壳内事故发生时的情况;通过多个测温探头测量并计算获得安全壳内温度云图。

Description

一种压水堆安全壳冷却系统多功能实验装置及其实验方法
技术领域
本发明属于安全壳冷却系统实验技术领域,尤其涉及一种基于压水堆的安 全壳冷却系统多功能实验装置及其实验方法。
背景技术
在核电技术的不断发展下,非能动安全系统也逐步应用于新型核电站的建 设。为了提高核电站安全性,三代核电引入了多种非能动技术,非能动安全壳 冷却系统就是该技术应用的成果之一。我国目前主要的三代堆有AP1000,华龙 一号、EPR,也都采用了非能动或能动+非能动安全壳冷却系统。
而对于该技术领域的教师和学生而言,实际的核电站由于安全等原因不允 许进入参观,尤其是核岛,更不可能让学生动手去设计不同的事故工况进行实 验。如何提供一种可视化、可设计、可操作的兼具教学、科研功能于一体的实 验平台来满足本科教学和科学研究的需求是目前需要解决的难题。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提出了一种基于压水堆的安全壳冷却系统多功 能实验装置及其实验方法。
实验装置,包括:双层安全壳,外层安全壳为透明PC板材质,其顶部设有 抽风机及通风管道;内层安全壳为不锈钢材质,其顶部设有壳外喷淋头、安全 泄压阀;内层安全壳内顶部设有2圈壳内喷淋头,壳内上部贴壁处设有2组水 冷换热器;内层安全壳外喷淋头、壳内喷淋头与外部重力水箱连接,2组水冷换 热器分别与外部2个换热器水箱相连;内层安全壳内还设有蒸汽管道、多个测 温探头、摄像头、压力探头;安全壳底部设有人孔。
所述蒸汽管道在安全壳中的位置、高度、角度、喷头形状根据具体的实验 工况进行设计、布置,来模拟反应堆LOCA事故的不同破口工况。
所述实验装置的安全保护系统设有非实验范围内触发上限,防止在实验过 程中超过装置的设计参数;在超过安全壳预设上限压力或温度时,自动报警并 切断蒸汽热源,泄压阀自动泄压、壳内外喷淋头自动开启,确保实验装置安全。
所述蒸汽管道内加装耐高温荧光粉。
所述外层安全壳底部开有多个直槽口,距离安全壳底部一定距离,直槽口 用于通风,预留高度用于储存一定量的冷却水;双层安全壳夹层底部设有排水 出口,用于排放和计量排放的冷却水量。
所述蒸汽管道内加装氦气。
实验方法包括:
安全壳内通入蒸汽来模拟反应堆的破口事故;
壳外喷淋头开启对内层安全壳外壁进行冷却;壳内喷淋头开启对安全壳内 进行降温降压;壳内换热器对安全壳内蒸汽进行冷凝;安全壳顶部风机及通风 管道通过对流换热对内层安全壳外壁进行冷却;
通过摄像头观察安全壳内事故发生时的情况;
通过多个测温探头测量并经计算分析获得安全壳内温度云图。
所述摄像头通过拍摄蒸汽管道内加装的荧光粉来记录蒸汽喷射情况及放射 性气体的扩散过程。
在蒸汽管道内加装氦气用来模拟氢气,将有氦气的温度场与没有氦气的温 度场进行对比计算,研究其传热差异。
所述实验结束后,实验人员穿上模拟版防辐射服,打开并进入安全壳,观 看壳壁上沾染的荧光粉并拍照记录;然后对荧光粉进行清理来模拟放射性物质 清理操作。
本发明的有益效果:
1、为老师讲解压水堆的安全壳冷却系统提供了便利,让学生能更加清晰、 直观的观察到各种安全设施的结构和特点。
2、将压水堆LOCA/MSLB等事故过程更直观地展示给学生,从而使学生更 好的理解书上的知识点。
3、该台架可以实施与教科书知识点相匹配的一系列基准实验,并有完善的 流程和安全措施。
4、该台架还可以让师生根据所学知识进行自主设计,研究相应的科学问题。
5、台架以荧光粉作为模拟放射性物质扩散的指示剂,向学生展示了事故后 安全壳内的放射性物质扩散过程。并且,允许学生穿上模拟防护服,进入安全 壳内进行清理。
附图说明
图1为本发明的基于压水堆的安全壳冷却系统实验装置立体图。
图2为本发明的基于压水堆的安全壳冷却系统实验装置正视图。
1-重力水箱 2-换热器水箱 3-双层安全壳 4-壳外喷淋头 5-泄压阀 6-通风 管道 7-底部支架 8-抽风机 9-壳内喷淋头 10-换热器 11-蒸汽出口 12-测压探 头 13-探照灯 14-监控器 15-测温探头
具体实施方式
下面结合附图,对实施例作详细说明。
如图1~2所示,本发明提出了一种基于压水堆的安全壳冷却系统多功能实 验装置及其实验方法。
实验装置,包括:双层安全壳,外层安全壳为透明PC板材质,其顶部设有 抽风机及通风管道;内层安全壳为不锈钢材质,其顶部设有壳外喷淋头、安全 泄压阀;内层安全壳内顶部设有2圈壳内喷淋头,壳内上部贴壁处设有2组水 冷换热器;内层安全壳外喷淋头、壳内喷淋头与外部重力水箱连接,2组水冷换 热器分别与外部2个换热器水箱相连;内层安全壳内还设有蒸汽管道、多个测 温探头、摄像头、压力探头;安全壳底部设有人孔。
所述蒸汽管道在安全壳中的位置、高度、角度、喷头形状根据具体的实验 工况进行设计、布置,来模拟反应堆LOCA事故的不同破口工况。
所述实验装置的安全保护系统设有非实验范围内触发上限,防止在实验过 程中超过装置的设计参数;在超过安全壳预设上限压力或温度时,自动报警并 切断蒸汽热源,泄压阀自动泄压、壳内外喷淋头自动开启,确保实验装置安全。
所述蒸汽管道内加装耐高温荧光粉。
所述外层安全壳底部开有多个直槽口,距离安全壳底部一定距离,直槽口 用于通风,预留高度用于储存一定量的冷却水;双层安全壳夹层底部设有排水 出口,用于排放和计量排放冷却水量。
所述蒸汽管道内加装氦气。
实验方法包括:
安全壳内通入蒸汽来模拟反应堆的破口事故;
壳外喷淋头开启对内层安全壳外壁进行冷却;壳内喷淋头开启对安全壳内 进行降温降压;壳内换热器对安全壳内蒸汽进行冷凝;安全壳顶部风机及通风 管道通过对流换热对内层安全壳外壁进行冷却;
通过摄像头观察安全壳内事故发生时的情况;
通过多个测温探头测量并经计算分析获得安全壳内温度云图。
所述摄像头通过拍摄蒸汽管道内加装的荧光粉来记录蒸汽喷射情况及放射 性气体的扩散过程。
在蒸汽管道内加装氦气用来模拟氢气,将有氦气的温度场与没有氦气的温 度场进行对比计算,研究其传热差异。
所述实验结束后,实验人员穿上模拟版防辐射服,打开并进入安全壳,观 看壳壁上沾染的荧光粉并拍照记录;然后对荧光粉进行清理来模拟放射性物质 清理操作。
本发明依据实验前期设计方案来设置实验装置,包括设计不同的事故工况 进行演示。实验装置允许学生动手进行拆装;实验台架安全,通入的蒸汽为低 压、最高温度150度。核事故的设计,比如LOCA事故,是哪个位置、高度、 角度等发生,实验设计方案确定后安装管路。另外根据确定好的实验装置来对 安全系统进行设计,实验人员根据自己的想法自由发挥设计不同的安全系统设 计方案,增加详细的步骤以及计算公式;对不同的设计方案得到的实验结果进 行对比。
实验人员可以自己设计事故工况和解决方案进行试验和研究:
提出问题与解决方案:
①提出问题:设计事故工况。例如假设核电站发生破口事故(LOCA)。 根据不同的事故,破口的位置、大小、方向、温度等因素各不相同。教学:学 生可以根据书本上的工况进行设计,其合理性作为后期评分标准之一。科研: 学生可以根据所学知识进行设计,包括多种因素同时影的事故工况,进而研究 该工况下的传热与安全。
②解决问题:设计事故后的冷却方案。例如以壳内喷淋+水冷壁换热+二 次侧余热排出的组合或壳外喷淋+壳外风冷+安全壳内自然循环等多种组合。教 学上学生们也可以按照教科书或实验指导书,利用现有设备完成冷却系统的设 计。科研上,老师和学生可以自己需求进行设计,包括设置各系统启动或触发 的时间等。
操作步骤:
③确定实验设备各个处于正常工作状态,检查各安全系统的正常运行。 泄压阀正常开启,超温报警系统以及后续冷却系统正常工作。
④手动拼装快速接口,完成预期事故工况设计(如破口设计)。在实验 平台未工作情况下进入内部安装喷口。
⑤按照前期设计的解决方案,安装并设置好喷淋等安全系统;
⑥检查实验平台密封性,按照事故序列逐个启动各设备,如开启锅炉, 待达到设定温度后,打开阀门来模拟事故工况。
⑦通过壳内的摄像头及荧光粉观察前期蒸汽喷射情况及放射性气体扩 散过程。
⑧通过温度云图持续观察安全壳内部温度变化;并记录数据以便后期进 行分析计算。
⑨对于教学:按照实验指导书的解决方案,逐步启用各安全系统。
对于科研:按照研究课题需求设计不同的方案。
此过程中,学生通过温度云图观察温度变化。注意:若在此过程中,壳内 温度或压力达到安全壳预设上限,则报警系统启用,强制终止学生的方案,切 换至设定的安全方案,关闭热源,通过冷却系统使安全壳温度降低。
⑩待温度冷却下来后,学生穿上模拟版防护服
进入安全壳内部观察荧光粉的分布,拍照记录位置,然后清理壁面上的荧 光粉模拟真正事故下放射性物质的清理。
学生清理完壁面后,卸下设计的喷口、离开安全壳、脱下防护服,清 理实验台其它部分,检查并收好各种仪表。
关闭电源、水源。锁好门窗。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限 于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想 到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范 围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于压水堆安全壳冷却系统实验装置,其特征在于,包括:双层安全壳,外层安全壳为透明PC板材质,其顶部设有抽风机及通风管道;内层安全壳为不锈钢材质,其顶部设有壳外喷淋头、安全泄压阀;内层安全壳内顶部设有2圈壳内喷淋头,壳内上部贴壁处设有2组水冷换热器;内层安全壳外喷淋头、壳内喷淋头与外部重力水箱连接,2组水冷换热器分别与外部2个换热器水箱相连;内层安全壳内还设有蒸汽管道、多个测温探头、摄像头、压力探头;安全壳底部设有人孔。
2.根据权利要求1所述实验装置,其特征在于,所述蒸汽管道在安全壳中的位置、高度、角度、喷头形状根据具体的实验工况进行设计、布置,来模拟反应堆LOCA事故的不同破口工况。
3.根据权利要求1所述实验装置,其特征在于,所述实验装置的安全保护系统设有非实验范围内触发上限,防止在实验过程中超过装置的设计参数;在超过安全壳预设上限压力或温度时,自动报警并切断蒸汽热源,泄压阀自动泄压、壳内外喷淋头自动开启,确保实验装置安全。
4.根据权利要求1所述实验装置,其特征在于,所述蒸汽管道的上游设有加装荧光粉接口,用来模拟气体带有的放射性,根据不同的实验工况确定添加计量。
5.根据权利要求1所述实验装置,其特征在于,所述外层安全壳底部开有多个直槽口,距离安全壳底部一定距离,直槽口用于通风,预留高度用于收集冷却水,双层安全壳夹层底部设有排水出口,用于排放和计量排放冷却水量。
6.根据权利要求1所述实验装置,其特征在于,所述蒸汽管道的支管设有氦气添加系统。
7.一种基于权利要求1所述实验装置的实验方法,其特征在于,包括:
安全壳内通入蒸汽来模拟反应堆的破口事故;
壳外喷淋头开启对内层安全壳外壁进行冷却;壳内喷淋头开启对安全壳内进行降温降压;壳内换热器对安全壳内蒸汽进行冷凝;安全壳顶部风机及通风管道通过对流换热对内层安全壳外壁进行冷却;
通过摄像头观察安全壳内事故发生时的情况;
通过多个测温探头测量并经计算分析获得安全壳内温度云图。
8.根据权利要求7所述实验方法,其特征在于,所述摄像头通过拍摄蒸汽管道内加装的荧光粉来记录蒸汽喷射情况及放射性气体的扩散过程。
9.根据权利要求7所述实验方法,其特征在于,在蒸汽管道内加装氦气用来模拟氢气,将有氦气的温度场与没有氦气的温度场进行对比计算,研究其传热差异。
10.根据权利要求7所述实验方法,其特征在于,所述实验结束后,实验人员穿上模拟版防辐射服,打开并进入安全壳,观看壳壁上沾染的荧光粉并拍照记录;然后对荧光粉进行清理来模拟放射性物质清理操作。
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