CN110739090A - 一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，属于核反应堆系统技术领域。包括反应堆保护容器和反应堆压力容器；反应堆保护容器的下部通过海水进口管道与大海环境相连，上部通过海水出口管道与大海环境相连；反应堆压力容器内布置有反应堆堆芯、高温热管和主换热器，反应堆压力容器的内表面与穿过堆芯布置的热管冷凝段相连；反应堆保护容器、海水进口管道、海水出口管道和反应堆压力容器共同构成与大海环境联通的余热排出通道。本发明形成的非能动余热排出循环仅依靠工质的密度差和热管的毛细作用，不需任何的外力作用就能实现堆芯衰变热的持续导出，提高了反应堆的安全性，且有利于实现反应堆结构的紧凑性，应用前景广阔。

Description

一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统
技术领域
本发明涉及一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，属于核反应堆系统技术领域。
背景技术
反应堆停堆后堆芯衰变热的导出是核反应堆设计中需要关注的安全问题之一，特别是在发生反应堆断电事故以后，无法依靠外部动力导出堆内余热，堆内热量积累可能导致燃料元件温度升高而破损甚至融化，从而引起放射性物质的泄露，造成非常严重的核安全事故。
与压水堆不同，高温热管堆是利用高温热管内冷却剂的两相自然循环导出堆芯热量的一种新型反应堆形式。热管冷却反应堆具有很好的可靠性以及最优的热瞬态反馈性能，而且每个热管相互独立，单根热管或数根热管损坏后，热量可以通过临近的热管导出堆外，不会造成反应堆系统的失效，极大的提高了反应堆的固有安全性。热管冷却反应堆是目前小型堆研制的热点，国外已经提出了多种热管堆的设计方案。
然而在反应堆剩余衰变热的导出过程中，国外依然是以能动的循环冷却方式为主，依靠专门设置的循环泵提供冷却工质来冷却反应堆。这种能动的余热导出系统虽然能够提供较大的循环流量，但是能动部件依然有很多的限制因素，如设备可靠性低、依赖外部电源等。即使采用大量的冗余设置，仍然具有很高的失效概率，而且大量能动设备及管道还会增大投资及系统的体积和重量。
当前先进的反应堆设计中大都采用非能动的安全理念以提高反应堆的固有安全性。非能动安全系统不依赖外部的触发和动力源，主要依靠自然对流、重力等自然特性来实现安全系统的功能。高温热管堆的结构形式和运行方式与常规电站存在较大的差别，如何采用非能动的方式实现堆芯衰变热的导出成为亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了最大限度减少放射性物质的释放，保证反应堆的安全而提供一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统。
本发明的目的是这样实现的：包括反应堆保护容器、反应堆压力容器、海水进口管道、海水出口管道和余热排出通道；所述反应堆保护容器的下部通过海水进口管道与大海环境相连，反应堆保护容器的上部通过海水出口管道与相同的大海环境相连；所述反应堆压力容器内布置有反应堆堆芯、高温热管堆和主换热器，反应堆压力容器的内表面与穿过堆芯布置的热管冷凝段相连；反应堆保护容器、海水进口管道、海水出口管道和反应堆压力容器共同构成与大海环境联通的余热排出通道。
本发明还包括这样一些结构特征：
1、所述海水出口管道位于反应堆保护容器的上部，在高度方向上海水出口管道的高度高于海水进口管道的高度；所述海水进口管道上安装有隔离阀；所述海水出口管道上安装有隔离阀；海水进口管道上的隔离阀和海水出口管道上的隔离阀在船用核反应堆出现断电工况下自动开启。
2、所述余热排出通道内充填惰性气体。
3、所述高温热管堆布置在堆芯活性区金属基体中，高温热管堆中的部分高温热管采用双端热管。
4、所述双端热管的两端都为冷凝段，中间部分为蒸发段，其中热管蒸发段位于堆芯活性区内，热管冷凝段的一端插入主换热器，另一端由堆芯活性区底部伸出。
5、所述双端热管的冷凝段根据压力容器下腔室内表面结构进行弯曲，与反应堆压力容器内表面紧密贴合焊接。
6、所述反应堆压力容器的外表面处焊接有翅片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用热管反应堆压力容器和保护容器之间的环形空间，与海水进口管道和海水出口管道一起形成了余热排出通道，反应堆堆芯的衰变热被高温热管传递到反应堆压力容器的壁面处，通过余热排出通道中的海水对压力容器壁面进行冷却，最终将反应堆衰变热导出到大海环境中。对于设计功率比较小的高温热管堆来说，反应堆压力容器具有足够的换热面积，保证堆芯热量的导出。本发明的最终热阱为大海，可以有效实现反应堆余热的长期导出，提高反应堆的固有安全性。本发明中所述的非能动余热排出系统将高温热管和反应堆压力容器壁面相结合，取消了传统非能动余热排出系统中的大尺寸换热器，减少了设备占用的体积，节省了布置空间。
附图说明
图1是本发明一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统的整体结构图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1所示，是本发明一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统的整体结构图；包括反应堆保护容器1，反应堆保护容器1的下部通过海水进口管道2与大海环境相连，反应堆保护容器1的上部通过海水出口管道3与相同的大海环境相连；反应堆压力容器4，反应堆压力容器4内布置有反应堆堆芯5、高温热管6和主换热器7，反应堆压力容器4的内表面与穿过堆芯布置的热管冷凝段相连；海水进口管道2、反应堆保护容器1、反应堆压力容器4、海水出口管道3共同构成与大海环境联通的余热排出通道8。
在深海应用环境下，当发生反应堆断电事故时，布置在主换热器7内的高温热管6失去冷却，反应堆堆芯5中的余热通过高温热管6内碱金属的两相自然循环传递到反应堆压力容器4；余热排出通道8中的冷却介质接收反应堆压力容器4的热量后温度升高，在浮升力的作用下沿余热排出通道8向上流动，形成单相自然循环，热量最终导出至大海环境中。
海水出口管道3位于反应堆保护容器1的上部，其在高度方向上高于海水进口管道2的高度。海水进口管道2和海水出口管道3之间的高度差越大，海水在余热排出通道8中获得的浮升力越大，形成的自然循环流量越大。利用冷热源的高度差来提高自然循环能力的方法为本领域技术人员所公知，不再详述。
海水进口管道2上安装有隔离阀9；海水出口管道上安装有隔离阀10。反应堆正常运行时，隔离阀9和隔离阀10都处于关闭状态。余热排出通道8内充填惰性气体，将反应堆压力容器4与反应堆保护容器1隔离。在船用核反应堆出现断电工况时，隔离阀9和隔离阀10应能够自动开启，海水通过隔离阀9进入余热排出通道8，对反应堆压力容器4外壁面进行冷却，温度升高的海水在自然循环驱动力的作用下由隔离阀10流出。隔离阀的自动打开方式可以采用气动或电动，电动隔离阀必须配备可靠电源，逻辑设置为断电自动打开。
在热管堆设计时，一般采用高温热管6插入堆芯活性区金属基体中，热管的蒸发段位于堆芯活性区内，热管的冷凝段位于主换热器内，利用高温热管内碱金属的两相自然循环实现堆芯热量的导出。
本实施例中，部分高温热管采用双端热管11，比如说是外端部的高温热管采用双端热管。
双端热管11的中间部分为蒸发段，两端都为冷凝段，其中热管蒸发段位于堆芯活性区内，热管冷凝段的一端插入主换热器7，另一端由堆芯活性区底部伸出。因此，双端热管11的两端都可以实现热量的导出。
双端热管11采用竖直布置方式，其中由堆芯底部伸出的冷凝段根据反应堆压力容器4内表面的结构进行弯曲，并且与反应堆压力容器4内表面紧密贴合焊接。热管堆可以在低压下运行，压力容器不需要承受很高的压力，因此反应堆压力容器4的壁厚相对比较薄，与热管冷凝段连接后可以增大换热面积。
其中，反应堆压力容器4的外表面处焊接有翅片12，同样可以起到增加换热面积的作用。
本实施例中，双端热管11的数量可以根据反应堆功率、堆芯布置方式、余热导出需求确定。反应堆停堆后，堆芯衰变热会迅速下降到3％以下，可以根据衰变功率、热管的传热效率、反应堆压力容器的换热面积等条件来确定需要的双端热管11的数量和布置方式，亦为本领域的技术人员所公知，不再详述。
综上，本发明公开了一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，包括：反应堆保护容器1，反应堆保护容器1的底部通过海水进口管道2与大海环境相连，反应堆保护容器的顶部通过海水出口管道3与相同的大海环境相连；反应堆压力容器4，反应堆压力容器4内布置有反应堆堆芯5、高温热管6和主换热器7，反应堆压力容器4的内表面与穿过堆芯布置的热管冷凝段相连；海水进口管道2、反应堆保护容器1、反应堆压力容器4、海水出口管道3构成与大海环境联通的余热排出通道。本技术方案形成的非能动余热排出循环仅仅依靠工质的密度差和热管的毛细作用，不需要任何的外力作用就能实现堆芯衰变热的持续导出，提高了反应堆的安全性，且有利于实现反应堆结构的紧凑性。

Claims (10)

1.一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：包括反应堆保护容器、反应堆压力容器、海水进口管道、海水出口管道和余热排出通道；所述反应堆保护容器的下部通过海水进口管道与大海环境相连，反应堆保护容器的上部通过海水出口管道与相同的大海环境相连；所述反应堆压力容器内布置有反应堆堆芯、高温热管堆和主换热器，反应堆压力容器的内表面与穿过堆芯布置的热管冷凝段相连；反应堆保护容器、海水进口管道、海水出口管道和反应堆压力容器共同构成与大海环境联通的余热排出通道。
2.根据权利要求1所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述海水出口管道位于反应堆保护容器的上部，在高度方向上海水出口管道的高度高于海水进口管道的高度；所述海水进口管道上安装有隔离阀；所述海水出口管道上安装有隔离阀；海水进口管道上的隔离阀和海水出口管道上的隔离阀在船用核反应堆出现断电工况下自动开启。
3.根据权利要求1或2所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述余热排出通道内充填惰性气体。
4.根据权利要求1或2所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述高温热管堆布置在堆芯活性区金属基体中，高温热管堆中的部分高温热管采用双端热管。
5.根据权利要求3所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述高温热管堆布置在堆芯活性区金属基体中，高温热管堆中的部分高温热管采用双端热管。
6.根据权利要求5所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述双端热管的两端都为冷凝段，中间部分为蒸发段，且蒸发段位于堆芯活性区内，冷凝段的一端插入主换热器，另一端由堆芯活性区底部伸出。
7.根据权利要求5所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述双端热管的冷凝段根据压力容器下腔室内表面结构进行弯曲，与反应堆压力容器内表面紧密贴合焊接。
8.根据权利要求3所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述反应堆压力容器的外表面处焊接有翅片。
9.根据权利要求4所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述反应堆压力容器的外表面处焊接有翅片。
10.根据权利要求6或7所述一种利用压力容器壁面冷却的热管堆非能动余热排出系统，其特征在于：所述反应堆压力容器的外表面处焊接有翅片。
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