CN110517796A - 一种改进的非能动余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于池式快堆热工安全技术领域的一种改进的非能动余热排出系统，该余热排出系统是一种贯穿堆芯上下腔的池式快堆燃料组件盒内自然循环系统；本余热排出系统由四套独立的冷却环路构成，每套冷却环路均含有位于冷钠池、热钠池之间的贯穿热交换器、止回阀等关键装置与部件。充分考虑运行成本、换热效率、安全性等综合因素，通过设计采用密度差、自身重力等固有特性工作，提高系统运行的可靠性，减少因电源故障而引起的系统失效，较大程度地降低堆芯熔化概率；更有效地提高余热排出的效率，对提高核电站的固有安全性具有重要意义。

Description

一种改进的非能动余热排出系统

技术领域

本发明属于池式快堆热工安全技术领域，特别涉及一种改进的非能动余热排出系统，具体说，该余热排出系统是一种贯穿堆芯上下腔的池式快堆燃料组件盒内自然循环系统。

背景技术

快堆是第四代核能系统中的典型堆型，多采用池式结构，池式快堆内含大量的钠、铅或铅铋等冷却剂，具有非常大的热容量。在正常工况下，快堆通过中间式热交换器将堆芯热量传递至二、三回路，进而冷却堆芯。在全厂断电、主蒸汽管道破裂、主给水丧失等事故工况下，快堆系统热阱丧失，无法通过中间热交换器、蒸汽发生器等主要传热设备排出堆芯热量。事故工况能动安全系统失效的情况下，如何将堆内余热合理高效导出堆外、保证反应堆安全是设计反应堆的关键所在。根据固有安全性的设计原则，池式快堆采用余热排出系统等专设安全设施，以限制或减少事故后果，防止放射性物质外泄。

目前国际上余热排出系统的设计类型较多，主要包括中间回路余热排出系统、主回路余热排出系统、独立余热排出系统和堆坑余热排出系统等多种形式。下面展示部分代表性的设计方案：

APl000先进压水堆非能动余热排出系统，该系统由一台非能动余热排出热交换器和相关的阀门、管道和仪表组成，内置换料水箱提供热阱，热交换器位于内置换料水箱中，其位置高于反应堆冷却剂系统；当反应堆冷却剂泵不可用时，冷却剂依靠自然循环流经C型热交换器，通过换热器的换热以及换料水箱内过冷水的对流换热和沸腾换热排出堆芯热量。在该方式中，非能动余热排出系统中的水直接注入堆芯，影响一回路的冷却剂。同时需要在堆芯上方配置大容量的换料水箱和安全壳冷却系统，结构较为复杂，经济性不高。

高温气冷堆非能动余热排出系统，该系统由水冷壁、空冷器、热水联箱、冷水联箱、膨胀水箱、空冷塔等组成。水冷壁吸收压力壳及舱室通过辐射和空气自然对流传递的热量，然后传给冷却水，由冷却水通过密度差引起的自然对流形式带到空冷器。空冷器放置在空冷塔内，由环境空气的自然对流进行冷却。该种方式排热能力较为有限，仅当冷却水与堆芯的距离较近时才能获得良好的效果，并且需要设置三回路空气自然循环，成本较高。水冷壁与堆芯和压力容器需构成封闭区间，结构较为复杂。

反应堆容器空气冷却系统，该系统利用反应堆容器外的空气自然循环，把事故工况下的堆芯余热排出到最终热阱。处于反应堆容器外，简化堆内结构，避免对其余系统造成影响，系统可靠性高。但排热能力相对较差，对于大型反应堆，需要增设其他冷却系统，同时缺乏实际参考经验。

采用独立热交换器的非能动余热排出系统，是在主容器内增加一个独立的余热排出热交换器，设计原理是依靠自然对流和自然循环导出反应堆事故停堆后堆芯的余热。由安装在热池内的独立热交换器、安全壳外的空气热交换器、连接管道以及相应的辅助系统组成，可以高效带走堆芯余热。

在大部分池式快堆的余热排出设计中，通常采用独立热交换器的余热排出系统。余热排出的形式、路径、分布有较多选择，如能动、非能动的启动形式、一回路、二回路的布置形式等。发展快堆的国家对快堆余热排出系统进行设计研究，提出相关方案。

韩国的KALIMA600余热排出系统由2-3条独立的环路组成，每条环路包括独立热交换器、空气热交换器以及中间钠回路，独立热交换器布置在冷热钠池的缓冲区，中间钠回路上并没有布置能动部件-机械泵或者电磁泵。正常工况下，余热排出系统不启动，保证了运行的经济性。事故工况下，热池内高温钠会流过钠隔板，冷热钠池中的钠贯通，独立热交换器发挥作用。但该方案从未在反应堆上运行过，还存在很多的不确定性。而在俄罗斯的BN-800快堆余热排出系统中，通过中间热交换器代替独立热交换器实现其功能。设置三条冷却环路，每条环路包括一个余热排出回路与一台蒸汽发生器。但该系统并非是完全非能动，部分回路上配置电磁泵以加强排热能力，这是该方案的主要缺点。

印度的原型快堆PFBR有四个完全独立的余热排出系统，直接从热池排出热量。包括独立热交换器、一个钠-空气热交换器以及相应的管道等设备。独立式热交换器布置在热池，系统依靠自然循环将热量从堆芯中带出传到大气。该装置的设计同CEFR现有的余热排出系统的布置类似，在正常运行工况下，该装置的运行会带走部分热量，对反应堆的经济性有一定的影响。同时未能将冷却剂直接送入堆芯，沿程阻力较大，冷却不够直接。

法国研发的ASTRID反应堆中，采用多样组合的方式来设计余热排出系统。共设置四个环路，每个环路包括一个独立式热交换器、电磁泵和一个钠-空气热交换器等设备。二回路旁路管道上的四台钠-空气热交换器、蒸发器的表面、堆容器冷却系统、一回路池内的独立热交换多重不同的方式共同保证堆芯余热排出的安全，体现了系统设计的多样性。然而采用多样的设计也会相应增加反应堆的建造和运行成本。

余热排出系统的投入情况对堆芯温度发展具有重要影响，关联事故走向。本专利致力于池式钠冷快堆非能动余热排出系统研究，提出一种改进的非能动余热排出系统方案。该方案具有四个环路，包含位于冷钠池、热钠池之间的四台贯穿热交换器、止回阀等关键装置与部件。更有效地提高余热排出的效率，对提高核电站的固有安全性具有重要意义。充分考虑运行成本、换热效率、安全性等综合因素，通过设计采用密度差、自身重力等固有特性工作，提高系统运行的可靠性，减少因电源故障而引起的系统失效，较大程度地降低堆芯熔化概率。

发明内容

本发明的目的是提出一种改进的非能动余热排出系统，其特征在于，该余热排出系统是一种贯穿堆芯上下腔的池式快堆燃料组件盒内自然循环系统；该池式快堆燃料组件盒内自然循环系统由四套独立的冷却环路构成，每套冷却环路均含有三个回路，三个回路均含有贯穿冷钠池3、热钠池2之间的贯穿热交换器1。其中一回路由贯穿热交换器1、止回阀4、大栅板联箱5、小栅板联箱6与堆芯7构成冷却剂循环回路；二回路由贯穿热交换器1、钠-空气热交换器10和缓冲罐11通过回路管道串联连成一条封闭回路；三回路是开式回路，空气由钠-空气热交换器10的进口风门进入，经过传热管间隙、出口风门，最后排到大气。

所述贯穿热交换器的位置处于冷钠池3和热钠池2之间。

所述改进的非能动余热排出系统的工作过程：将一回路分为四个并联环路，在正常运行情况下，热钠池中的钠经由四台贯穿热交换器的入口，由上至下流入贯穿热交换器，充斥于贯穿式热交换器的外通道；泵9正常运转，贯穿热交换器出口管道压力小于大栅板联箱5、小栅板联箱6内的压力，止回阀关闭，贯穿热交换器外通道的冷却剂不能通过大栅板联箱5、小栅板联箱6流入燃料组件盒内，此时，非能动余热排出系统一回路的钠未形成完整环路，但由于非能动余热排出系统存在一定的备用功率、各回路也存在温差，对一回路的钠仍存在一定的冷却作用；在事故工况下，失去电源，泵停止运转，此时大栅板联箱5、小栅板联箱6内的压力要大于独立式热交换器1的出口管道内的压力，阀门在两侧压力差的作用下打开，热钠流经贯穿热交换器，与二回路的钠进行热量交换，经由贯穿热交换器的出口管道继续下沉，通过止回阀后，通过管道，进入大栅板联箱5、小栅板联箱6内，在燃料组件盒内进行流动，冷却剂贯穿堆芯上下腔体，带出堆芯热量，进入热钠池2，重复上述过程便形成通路。

所述余热排出系统中设置有四台贯穿热交换器，

所述止回阀分别连接贯穿热交换器出口管道与栅板联箱。

所述贯穿热交换器的出口不与冷钠池3直接接触，而是通过管道连接到止回阀4。

所述在余热排出系统中设置钠-空气热交换器，进行空气冷却自然循环。

本发明的有益效果是可实现非能动的功能，提高换热能力，增加换热效率，兼顾运行成本，为快堆余热排出系统的设计提供支持和依据；提高池式快堆在事故工况下的非能动安全性，本发明作为池式快堆的余热排出系统，通过设置止回阀等实现余热排出系统的自动开闭，利用连通式独立热交换器实现堆芯非能动余热排出，改善换热效果，缓解事故进程，实现反应堆安全停堆。

与现有技术相比，本发明的特点是：

1.贯穿堆芯上下腔体，利用盒间流贯穿堆芯上下腔，实现冷却堆芯目标，带走堆芯热量，换热效率高；

2.自然循环距离较短，沿程流阻较小，流动性更强；

3.一回路高度差较大，通过重力产生的自然循环动力较大；

4.进一步提高余热排出效率，冷却效果好；

5.在正常工况下，该系统相对独立，不会影响其他系统的运行，可靠性高；

6.合理设置阀门开合，不需要提供手动触发设备有效提高池式快堆的安全性；

7.降低系统损坏的概率，防止放射性外泄。

8.正常工况下系统处于关闭状态，提高反应堆的热效率，经济性高。

附图说明

图1为系统平面示意图。

图2为止回阀关闭状态示意图。

图3为止回阀开启状态示意图。

具体实施方式

本发明提出一种改进的非能动余热排出系统，该余热排出系统是一种贯穿堆芯上下腔的池式快堆燃料组件盒内自然循环系统；该池式快堆燃料组件盒内自然循环系统，该余热排出系统由四套独立的冷却环路构成。下面结合附图对本发明予以进一步说明。

图1为系统平面示意图。所提供的贯穿堆芯上下腔的池式快堆燃料组件盒内自然循环系统由该池式快堆燃料组件盒内自然循环系统由四套独立的冷却环路构成，每套冷却环路均含有三个回路，均含有贯穿冷钠池3、热钠池2之间的贯穿热交换器1。其中一回路由贯穿热交换器1、止回阀4、大栅板联箱5、小栅板联箱6与堆芯7构成冷却剂循环回路；二回路由贯穿热交换器1、钠-空气热交换器10和缓冲罐11通过回路管道串联连成一条封闭回路；三回路是开式回路，空气由钠-空气热交换器10的进口风门进入，经过传热管间隙、出口风门，最后排到大气。

上述回路依靠自然循环流动，把堆芯余热排到大气环境中。如图1所示，贯穿式独立热交换器1分别通过管道连接设置在反应堆外的钠-空气热交换器10，钠-空气热交换器10的外部设有烟囱。

在正常运行工况下，热钠池2内的贯穿热交换器1的入口设计为常开式的，热钠池有部分的钠进入贯穿热交换器1，由于堆芯压力大于贯穿式热交换器1的压力，止回阀4关闭(如图2所示)。由于备用功率及堆内外的温差作用，中间回路内仍有一些流量，保证了钠池内的主要热量用于反应堆的电力生产，体现了正常运行的经济性。

在事故工况下，由于压力差变化，止回阀4自动开启，该装置要实现堆芯7热量向热钠池2的传递，热钠池2通过贯穿热交换器1向反应堆堆外的空气热交换器8进行热传递，最终将热量散发到大气中。贯穿热交换器1内分别进行钠-钠换热，换热管内被加热的钠经过管道进入钠-空气热交换器10，在钠-空气热交换器10内进行钠-空气换热。本余热排出系统装置的设置，将在事故工况下自动切换进行，通过堆芯燃料组件的盒内流动排出堆芯余热，有效缓解事故进程，保证反应堆的安全。

本余热排出系统的一回路钠的流动路径为：进入贯穿热交换器1的钠，经冷却后到达冷钠池3，并通过止回阀4、大栅板联箱5、小栅板联箱6进入堆芯7的燃料组件盒内。经盒内冷却后，最终经燃料组件头部出口进入到热钠池2；这样事故余热排出系统的一次钠构成了开式的、具有四个并联支路的循环路线。

本余热排出系统二回路是一条封闭回路，它由贯穿热交换器1、钠-空气热交换器10、缓冲罐11和连接它们的回路管道组成。从贯穿热交换器1出口的二次钠(热钠)经热管段到钠-空气热交换器10进行热量交换，进入冷管段回到贯穿热交换器1构成一个封闭式回路。

本余热排出系统三回路是开式回路，空气由钠-空气热交换器10的进口风门进入，经过传热管间隙、出口风门，最后排到大气。

该系统的核心为安装在堆本体内的贯穿式热交换器、止回阀等设计要点。在发生事故时，冷却剂温度随着流量的急剧下降而升高，强迫循环向自然循环转换，止回阀打开(如图3所示)，热钠在非能动热交换器进行热量交换。流经冷热钠池间的贯穿热交换器内钠直接被送到堆芯处，在燃料组件的盒内形成通路，形成盒内流动。有效地排出堆芯余热，保护反应堆安全。相对独立的四个环路，具有较好的工作性能，当其中一个环路失效时，非能动余热排出系统也可以继续排出堆芯余热。

Claims (6)

1.一种改进的非能动余热排出系统，其特征在于，该余热排出系统是一种贯穿堆芯上下腔的池式快堆燃料组件盒内自然循环系统；该池式快堆燃料组件盒内自然循环系统由四套独立的冷却环路构成，每套冷却环路均含有三个回路，三个回路均含有贯穿冷钠池(3)、热钠池(2)之间的贯穿热交换器(1)；其中一回路由贯穿热交换器(1)、止回阀(4)、大栅板联箱(5)、小栅板联箱(6)与堆芯(7)构成冷却剂循环回路；二回路由贯穿热交换器(1)、钠-空气热交换器(10)和缓冲罐(11)通过回路管道串联连成一条封闭回路；三回路是开式回路，空气由钠-空气热交换器(10)的进口风门进入，经过传热管间隙、出口风门，最后排到大气。

2.根据权利要求1所述一种改进的非能动余热排出系统，其特征在于，所述余热排出系统中每套回路均含有位于冷钠池(3)、热钠池(2)之间的贯穿热交换器(1)。

3.根据权利要求1所述一种改进的非能动余热排出系统，其特征在于，所述止回阀分别连接贯穿热交换器出口管道与栅板联箱。

4.根据权利要求1所述一种改进的非能动余热排出系统，其特征在于，所述贯穿热交换器的出口不与冷钠池直接接触，而是通过管道连接到止回阀。

5.根据权利要求1所述一种改进的非能动余热排出系统的余热排出方法，其特征在于，所述改进的非能动余热排出系统的工作过程：将一回路分为四个并联环路，在正常运行情况下，热钠池(2)中的钠经由四台贯穿式独立热交换器(1)的入口，由上至下流入独立式热交换器，充斥于独立式热交换器的外通道；泵(9正常运转，独立式热交换器出口管道压力小于大栅板联箱(5)、小栅板联箱(6)内的压力，止回阀关闭，独立式热交换器外通道的冷却剂不能通过大栅板联箱(5)、小栅板联箱(6)流入燃料组件盒内，此时，非能动余热排出系统一回路的钠未形成完整环路，但由于非能动余热排出系统存在一定的备用功率、各回路也存在温差，对一回路的钠仍存在一定的冷却作用；在事故工况下，失去电源，泵停止运转，此时大栅板联箱(5)、小栅板联箱(6)内的压力要大于独立式热交换器的出口管道内的压力，阀门在两侧压力差的作用下打开，热钠流经贯穿热交换器，与二回路的钠进行热量交换，经由贯穿式热交换器的出口管道继续下沉，通过止回阀后，通过管道，进入大栅板联箱(5)、小栅板联箱(6)内，在燃料组件盒内进行流动，冷却剂贯穿堆芯上下腔体，带出堆芯热量，进入热钠池(2)，重复上述过程便形成通路。

6.根据权利要求5所述的改进的非能动余热排出系统的余热排出方法，其特征在于，所述余热排出系统中设置钠-空气热交换器，进行空气自然循环。