CN110462749B - 具有燃料池和相应冷却模块的核设施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有包含液体(4)的燃料池(2)并且具有用于循环冷却剂的相关冷却回路(32)的核设施(12)，所述冷却回路(32)包括：*冷却模块(14)，其具有浸入液体(4)中的第一热交换器(18)；*第二热交换器(34)，其位于燃料池(2)的外部；*连接管线(36)，其在第一交换器(18)与第二热交换器(34)之间。为了即使在填充液位(6)下降的情况下也提供可靠的冷却，冷却模块(14)包括提升体(16)并且漂浮在液体(4)中，以使得冷却模块(14)的高度随着燃料池(2)中的液体(4)的填充液位(6)而变化。

Description

具有燃料池和相应冷却模块的核设施

技术领域

本发明涉及具有核燃料池和相应冷却模块的核设施。

背景技术

乏燃料池冷却和湿储存池冷却对核安全至关重要。对这些方面的额外关注起因于在福岛事故之后进行的分析。需要这些冷却系统在正常操作期间以及在各种设计基础或甚至超设计事件的期间和之后可靠地运行。在整个说明书中，应该从广义上理解术语“燃料池”，其覆盖乏燃料池、中间储存池以及被设计成通常包含核燃料元件或核燃料棒的其他种类的池。甚至可以在不被设计为容纳核燃料元件但是无论如何必须被冷却的其他核池或蓄水池中采用本发明。

就这些池来说，必须特别关注大的地震荷载，因为这些池通常位于建筑物中相对较高的位置。还必须注意在事故条件下由于衬里(liner)、管道或溃坝的泄漏和/或蒸发而导致的水位降低。传统的池冷却系统通常具有大的支撑构造，以便承受大的地震荷载。尤其对于现有工厂中的安装，所需的空间不可用。此外，由于冷却元件上方的水柱对于传热量是必不可少的，因此固定的冷却元件(诸如从DE 10 2010 035 955 A1中已知的冷却元件)将以降低的传热能力对降低的水位作出反应。因此，较高的水温导致蒸发增强，并且从而使水位更快的下沉。在极端情况下，燃料棒可以(部分地)与空气接触，必须通过一切措施来避免这种情况，以便防止池中的核熔化。

发明内容

本发明的目的是为燃料池冷却的问题提供解决方案，该解决方案易于构建、安装和维护且即使在填充液位下降到设计规格以下也能可靠工作。

根据本发明，该目的通过根据本申请如下的核设施来实现。具有包含液体的燃料池并且具有用于循环冷却剂的相关冷却回路的核设施，冷却回路包括：冷却模块，其具有浸入液体中的第一热交换器，第二热交换器，其位于燃料池的外部，在第一热交换器与第二热交换器之间的连接管线，其中：冷却模块包括提升体并且漂浮在液体中，使得其高度随着燃料池中的液体的填充液位而被动地变化，核设施具有至少一个引导元件，引导元件防止冷却模块的横向移位。

因此，一个关键方面是冷却模块包括提升体并且漂浮在液体中，使得冷却模块的高度随着燃料池中的液体的填充液位而被动地变化。

当池中的液位下降时，漂浮式(floating)热交换器模块自动适应其高度，以使热交换器的传热表面保持被液体覆盖。优选地，即使池中的液位降低，热交换器上方的水柱高度也保持不变。这确保良好定义的传热率的移除也适用于事故条件。

不需要像针对现有解决方案的复杂、庞大且昂贵的支撑构造，这种支撑构造在地震荷载方面难以合格。然而，具有防止冷却模块的横向移位的轻质支撑构造是有利的。这可以防止热交换器在液位升高到高于池边缘时离开该池，并且还防止热交换器在液位下降时与池内的燃料元件碰撞。这还防止热交换器在正常操作下与燃料加载机器碰撞。对于相同地震荷载的非漂浮式热交换器，所提出的支撑构造比其传统对应物更小且更简单。该解决方案可以被容易地改装适用于现有设施，但当然也可以用于新的构造。对燃料池及其衬里的影响不大，或者甚至可以完全避免该影响。在一个特别优选的实施例中，如果例如支撑构造从池的边缘或从上方铰接安装，则可以保持不触及池的衬里。

附图说明

随后参考附图描述本发明的示例性实施例。

图1从池内的横向位置以平面图来提供用于核燃料池的冷却系统的示意性总览，该冷却系统包括漂浮式热交换器。

图2示出了在根据图1或图5的冷却系统中使用的连接管线的柔性管线部分。

图3以俯视图示出了用于图1或图5的漂浮式交换器的引导装置。

图4以俯视图示出了另一个引导装置。

图5以侧视图示出了用于核燃料池的冷却系统的另一个引导装置，该冷却系统包括漂浮式热交换器和对应的引导元件。

图6示出了在根据图1或图5的冷却系统中使用的连接管线的另一个柔性管线部分。

图7示出了图1中所示的实施例的变体。

在整个附图中，相同的技术元件被指定相同的附图标记。

具体实施方式

图1以简化且纯粹示意的方式示出了本发明的第一实施例。

核燃料池2被填充有液体4(优选地基本上是水)，一直至填充液位6。液体4充当针对通常借助于燃料架10而放置在核燃料池2内的多个核燃料元件8的主要冷却流体。核燃料池2可以是乏燃料池或湿储存池或在核反应堆或者中间储存设施或者任何其他核设施中的任何其他种类的核燃料池。在操作期间，填充液位6可能会在一定程度上发生改变。然而，为了保持燃料元件8完全浸没在液体4中，填充液位6一定不能下降到给定的最小值以下。为此，可以将多个冷却模块14布置在燃料池2内，以移除热量并且保持液体4的温度远低于沸腾温度，从而避免大量蒸发。当然，还可以存在针对燃料池2中的液体4的再充满装置。

根据本发明，存在至少一个漂浮式冷却模块14或漂浮式冷却元件，其示例性实施例在图1中示出。冷却模块14包括至少一个提升体16，例如其被设计为包围一定体积的空气或氮气的中空体。可选地，密度低于燃料池2中的液体4的密度的其他材料可以至少部分地提供必要的浮力。合适的材料例如是泡沫，特别是金属泡沫。此外，冷却模块14包括热交换器18，优选地具有冷却流体或冷却剂要流过的多个热交换管20或热交换管道。为了更好地区别于燃料池中的主冷却流体，流过热交换管20的冷却流体被称为次冷却流体。热交换器18直接或经由连接元件固定在提升体16。提升体16与热交换器18之间的连接优选是刚性的，但可选地可以是柔性的，并且在后一种情况下，可以包括链或绳索等。

提升体16被设计为产生足够的浮力来将冷却模块14朝向液体4的表面22提升，以使得提升体16在表面22处漂浮或游动。通常，提升体16在某种程度上从液体4突出到上面的空气24中，如图1所示。然而，热交换器18被布置在提升体16下方，以使得在漂浮状态下，热交换器18完全浸没在液体4中。更具体地，热交换器18被布置成使得在漂浮状态下其上端与液体4上面的表面22之间存在距离d。由于冷却模块14在垂直方向上可自由移动(至少在燃料池2的底面26以上的某个给定高度范围内)，因此冷却模块14跟随在燃料池2内的液体4的填充液位6的任何变化。这意味着提升体16随着变化的填充液位6而上下漂浮，以使得当填充液位6改变时，热交换器18的传热区域的上端与液体4的表面22之间的距离d随时间的变化保持恒定。由于合适的几何形状和浮力，该距离优选地设定为几毫米一直到几米的范围内。

然而，传热区域的一部分也可能突出在液体4的表面22上方。换言之，在这种配置中，热交换器18的传热区域仅部分地浸入液体4中。在表面22上方的所述部分的垂直高度优选地小于在表面22下方的部分的高度。

热交换器18与燃料池2中的液体4的表面22之间的恒定距离确保了能够以非常有效的方式来采用燃料池2中的占优势的热液压(thermo-hydraulics)，以便达到在不同的填充液位下进行热量移除的目的。该概念也可以被视为相对于热交换器18的被动高度控制。

在流过热交换管20的次冷却液体具有与燃料池2内的主冷却流体大致相同的密度(例如，这两者基本上都是水)，并且冷却模块14的重量例如为500kg的假设下，提升体16必须包围大致0.5m³的空气或氮气，以便提供必要的浮力。因此，空间要求相对较低。

如前所述，热交换器18可以是具有多个热交换管20的管式热交换器，所述多个热交换管20优选地在分液管28与集液管30之间(沿流动方向)平行配置。如图1中所指示的，热交换管20可以在垂直分液管28与垂直集液管30之间水平对齐。然而，其他配置和几何形状也是可能的。特别地，如果热交换管20基本上垂直对齐，则可能是有利的。例如，相应的热交换管20可以具有U形形状。通常，热交换管20可以对齐，以使得其中的循环冷却剂的流动方向相对于燃料池2内的液体4的对流流动是平行的、反平行的或垂直的或倾斜的(共流、逆流或交叉流配置)。各个热交换管20之间可能存在间隙，以使得燃料池2中的液体可以以最大接触表面围绕它们流动。为了实现高传热率，热交换管20可以包括多个肋状散热片(finsof ribs)。

热交换管20的管束可以部分地被保护壳体(例如具有敞开端面的圆柱体或立方体套管/管道)包围，其中在壳体与热交换管20之间优选地存在间隙，从而便于液体4从燃料池2流入和流出到燃料池2。间隙产生抽吸效应(suction effect)，从而支持燃料池2内的液体4的自然对流。因此，壳体不仅提供保护，而且还由于浮力和通道效应(反向烟囱效应)而提供冷却系统中的驱动力。在上面提到的交叉流配置或其他配置中，保护壳体可以具有合适的开口，以促进液体4沿横向方向的流入/流出。

热交换器18的典型尺寸如下：在垂直方向上例如>4m的长度，例如大致0.5m或更小的横向宽度。出于热液压原因，冷却模块14优选地不直接放置在燃料元件8上方，而是放置在旁边。因此，扁平设计有助于刚好放入燃料架10与燃料池2的侧壁之间的相应间隙中。

为了支持具有最小倾斜风险的稳定漂浮状态，冷却模块14优选地具有沿垂直方向对齐的伸长形状，并且提升体16可以具有环形或似环的形状，如图1所示。

热交换器18优选地形成次冷却流体或冷却剂在其中循环的冷却回路32的一部分。热交换器18热耦合到燃料池2，该燃料池2充当次冷却流体的热源。位于燃料池2外部的第二热交换器34热耦合到散热器，例如周围的空气或水。因此，热量经由循环的次冷却流体从热源传递到散热器。通过切换到冷却回路32中的泵可以主动地强制循环。然而，优选地，冷却回路32是被动的自然对流冷却回路，仅由热源与散热器之间的占优势的温差驱动。在这种情况下，冷却回路32可以是单相回路或两相回路。在单相回路(也称为热虹吸回路)中，次冷却流体在循环期间不经历相变。在两相回路中，耦合到热源的热交换器18充当用于次冷却流体的蒸发器，并且耦合到散热器的热交换器34充当冷凝器。可选地，冷却回路32可以是超临界回路，在其中次冷却流体以超临界状态循环。

尽管事实上可实现的传热率通常低于两相冷却回路的传热率，但在本文中单相冷却回路是有利的。这是因为在大气压下或在更高气压下水特别适合作为单相回路的循环冷却液，这使得整体设计非常简单。

热交换器18经由连接管线36切换到冷却回路32中。例如，用于图1中的次冷却流体的馈送管线38连接到热交换器18的分液管28，且排出管线40连接到热交换器18的集液管30。为了适应或适配燃料池2内的变化的填充液位6以及因此冷却模块14在燃料池2的底面26上方的变化的高度，连接管线36各自包括柔性管线部分42。

虽然在许多情况下具有循环冷却剂的冷却回路32是有利的，但是可能存在这样的情况：没有闭合回路是有利的，确切地说经由馈送管线38将来自内部源或外部源(比如消防栓)或来自大环境蓄水池(比如河流、湖泊或海洋)的合适低温冷却剂(比如冷水)引导至热交换器18中，并且经由排出管线40引导离开热交换器18的被加热的冷却剂进入合适的蓄水池或排放系统或返回到河流、湖泊或海洋中(优选地以一定距离引导至取样区域)是有利的。在这种情况下，不需要图1所示的第二热交换器34。在图7中示出这种替代实施例，在其中以纯粹示意性的方式描绘了用于冷却剂(＝次冷却流体)的进入口(source)90和排放口(drain)92。在某些情况下，甚至可以将离开热交换器18的冷却剂喷射进燃料池2中。在这种情况下，仅需要馈送管线38，但不一定需要排出管线40。作为代替，在热交换器18处的简单排出口可能就足够了。

在一个简单的实施例中，可以使用从上方的支撑件或从池的边缘下垂到燃料池2中的柔性软管44。当燃料池2内的填充液位6相应地下降时，软管44应该足够长以允许热交换器18沉没在其最低位置中。

当燃料池2内的填充液位6相当高时，为了防止软管44的过多长度或松弛部分的(不受控制的)悬空，软管44的一部分可以包括多个盘旋式缠绕或螺旋式缠绕46，例如如图2所示围绕圆柱形支撑体48(比如鼓状物(drum)49)。就像机械拉簧一样，缠绕46借助于拉力而在纵向方向或轴向方向上展开，并且当拉力减小时，它们弹性收缩。因此，提供了所需的连接管线36的长度调节。除此之外，旋转式管接头50可以被用于将柔性软管部分连接到刚性管部分。

在根据图6的替代实施例中，柔性软管44由剪刀臂(scissors arm)52支撑，该软管44借助于连接件54附接到剪刀臂52。因此，软管44包括在相应支撑件上的正弦型缠绕46或曲折的缠绕46，该支撑件可以沿纵向方向80被压缩或拉伸。作为剪刀臂52的代替，在至少一个方向上提供长度调节的类似伸缩装置可以被用作软管44的支撑件。在一个替代实施例中，软管44可以包括在预定的断裂点通过多个连接件或夹具保持在一起的多个缠绕46，以使得当热交换器18由于燃料池2中的填充液位降低而下降时，连接件打开(break)并且缠绕46展开。

防止冷却模块14的横向(水平)移位是有利的，以使得如果填充液位6下降，则冷却模块14不会与燃料池2内的燃料元件8碰撞，并且使得在高填充液位6的情况(例如归因于地震引起的波浪)，冷却模块14不会浮出燃料池2。除此之外，燃料池2的某些区域必须保持可接近，以便提供操作和应急程序。

在根据图4的一个实施例中，从燃料池2上方以俯视图示出，存在固定到冷却模块14并从其侧向突出的至少一个凸耳56或孔眼。凸耳56包围垂直对齐的绳索(特别是钢丝绳)、或具有间隙的杆或棒或类似的细长引导元件58，以使得滑动轴承60被建立，从而允许沿垂直方向移动但基本上防止横向移位(即，沿任何水平方向)。

在图5中以侧视图示出了类似的解决方案，图5也示出了引导元件58的安装。用于引导元件58的顶部支撑件62压在燃料池壁68的边缘上并且在燃料池中的液体4的表面22上方横向突出。用于引导元件58的底部支撑件64压在燃料池2的底面26上。在(柔性)绳索的情况下，这种绳索稳固地夹在两个支撑件之间。在刚性杆或棒的情况下，单个支撑件可能就足够了。通常，作为固定到底面26的底部支撑件64的代替，可以存在通过重力简单地搁置在燃料池2的底面26上的底部重物。当然，这些仅仅是示例，并且关于支撑件存在许多可能的变化。

在根据图5的实施例中，冷却模块14的提升体16与热交换器18一体化或围绕热交换器18布置。例如，可能存在分布在热交换器18的主体上的几个提升腔，它们一起形成提升体16。例如，提升体16的至少一些部分可以被布置在围绕热交换管20的管束的保护壳体内。因此，与图1的实施例不同，在漂浮在燃料池2中的液体4的表面22上的热交换器18上方不存在提升体16。相反，整个冷却模块14漂浮在液体4内。然而，优选浮力与重力平衡，以使得在热交换器18的上端(更确切地说：其传热区域的上端)与液体4的表面22之间存在距离d，正如图1的实施例中那样。当填充液位6下降时，该距离d是恒定的。由垂直引导元件58引导的一个滑动轴承60在其上侧固定到冷却模块14；另一个滑动轴承60在其下侧固定到冷却模块14。这不仅防止横向移位，而且防止冷却模块14从直立位置倾斜。此外，用于引导元件58的顶部支撑件62充当针对冷却模块14的上端止动件。

图3示出了引导系统的另一个实施例，该引导系统允许冷却模块14的垂直活动，但是防止横向移位并且优选地也防止倾斜。该引导系统包括垂直对齐的导轨66，该导轨66例如固定在燃料池2的壁68处。设立提供上述功能的与固定到冷却模块14并具有滑动元件或者滑轨(skids)或滚轮(rolls)72的对应支座70有关的滑动轴承或滚轮轴承。导轨66可以被视为特殊类型的引导元件58。

所有描述的引导系统的共同之处在于它们仅需要占用(相对小的)横向力。没有垂直负载转移到任何支撑件。因此，与非漂浮式冷却模块相比，它们更容易设计、构建和安装。

在紧急情况下，冷却模块14甚至可以被手动下降或降低到燃料池2中或者从起重机或从直升机下降或降低到燃料池2中，以使得其在没有任何横向支撑件的情况下自由地漂浮。

虽然前面的描述集中在用于核燃料池的冷却系统，但是根据本发明的冷却模块也可以用在其他技术领域中，以便为其中具有不同液位的池或蓄水池提供冷却。它可以被用于提供临时或永久冷却。

附图标记列表

2燃料池 66导轨

4液体 68壁

6填充液位 70支座

8燃料元件 72滚轮

10燃料架 80纵向方向

12核设施 90进入口

16提升体 92排放口

18热交换器 d距离

20 热交换管

22 表面

Claims (14)

1.具有包含液体(4)的燃料池(2)并且具有用于循环冷却剂的相关冷却回路(32)的核设施(12)，所述冷却回路(32)包括：

冷却模块(14)，其具有浸入所述液体(4)中的第一热交换器(18)，

第二热交换器(34)，其位于所述燃料池(2)的外部，

在所述第一热交换器(18)与所述第二热交换器(34)之间的连接管线(36)，

其特征在于：

所述冷却模块(14)包括提升体(16)并且漂浮在所述液体(4)中，使得其高度随着所述燃料池(2)中的所述液体(4)的填充液位(6)而被动地变化，

所述核设施(12)具有至少一个引导元件(58、66)，所述引导元件(58、66)防止所述冷却模块(14)的横向移位。

2.根据权利要求1所述的核设施(12)，其中，所述冷却模块(14)被设计为使得在漂浮状态下，所述第一热交换器(18)的最上部分位于所述液体(4)的表面(22)下方。

3.根据权利要求2所述的核设施(12)，其中，所述第一热交换器(18)的传热区域的最上部分与所述液体(4)的表面(22)之间的距离(d)处于几毫米一直到5米的范围内。

4.根据权利要求1所述的核设施(12)，其中，所述引导元件(58、66)防止所述冷却模块(14)倾斜。

5.根据权利要求1或4所述的核设施(12)，其中，所述引导元件(58、66)包括导轨、绳索、杆或棒。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的核设施(12)，其中，所述提升体(16)被布置在所述第一热交换器(18)上方。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的核设施(12)，其中，所述提升体(16)与所述第一热交换器(18)成一体。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的核设施(12)，其中，所述冷却回路(32)是基于自然对流原理的被动冷却回路。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的核设施(12)，其中，所述循环冷却剂是水。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的核设施(12)，其中，相应的连接管线(36)包括柔性管线部分(42)，所述柔性管线部分(42)用于适应所述冷却模块(14)的变化的高度。

11.根据权利要求10所述的核设施(12)，其中，所述柔性管线部分(42)包括软管(44)，所述软管(44)在支撑体(48)上具有多个缠绕(46)。

12.根据权利要求11所述的核设施(12)，其中，所述支撑体(48)是鼓状物(49)或剪刀臂(52)。

13.根据权利要求1至4中任一项所述的核设施(12)，其中，所述第一热交换器(18)包括多个热交换管道(20)，所述多个热交换管道(20)一起被保护壳体包围，并且其中，在所述保护壳体与所述液体(4)能够流入的所述热交换管道(20)之间存在间隙。

14.具有包含液体(4)的燃料池(2)并且具有相关冷却系统的核设施(12)，所述冷却系统包括：

冷却模块(14)，其具有浸入所述液体(4)中的热交换器(18)，

在所述冷却系统的操作期间流过所述热交换器(18)的冷却剂的进入口(90)和排放口(92)，

连接管线(36)，其将所述热交换器(18)连接到所述进入口(90)和所述排放口(92)，

其特征在于：

所述冷却模块(14)包括提升体(16)并且漂浮在所述液体(4)中，使得其高度随着所述燃料池(2)中的所述液体(4)的填充液位(6)而被动地变化，

所述核设施(12)具有至少一个引导元件(58、66)，所述引导元件(58、66)防止所述冷却模块(14)的横向移位。