CN111063462A - 一种乏燃料水池事故后自发电冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种乏燃料水池事故后自发电冷却系统，用于事故后对乏燃料水池进行补水，包括热量回收装置、转化装置和事故补水装置，热量回收装置用于回收乏燃料水池产生的热水；转化装置用于将热量回收装置回收的热水产生的热能转化为电能；转化装置为事故补水装置供电，使事故补水装置为乏燃料水池进行补水。在设计基准事故，尤其是超设计基准事故发生后，电源被切断或无法供电导致乏燃料水池失去冷却的情况下，该乏燃料水池事故后自发电冷却系统能够保证乏燃料水池在事故后的供水，避免发生乏燃料裸露、熔毁和再临界的严重事故，且其能保证人员的放射性安全，具有可靠性高、布置方便、施工成本低及良好的抗震效果。

Description

一种乏燃料水池事故后自发电冷却系统

技术领域

本发明涉及乏燃料技术领域，尤其涉及一种乏燃料水池事故后自发电冷却系统。

背景技术

核电的使用是人类在能源利用史上的一个重大突破，利用原子核的裂变反应，核燃料能够产生其他所有传统化石能源所无法比拟的高能量输出，且这些高能量输出往往只需要耗费少量的核燃料。这种低投入高产出的特性，使得人类日益重视对核能的利用，并不断加大在核能领域的研究开发，时至今日，核能已经成为世界上许多国家的重要能源组成部分。

然而，核电在具有极高利用价值的同时，其所可能带来的危害也令人们谈核色变。在使用核电的过程中，如果保护不当而致使出现核泄漏等重大事故，将会对核电厂周边的环境乃至全人类带来及其严重的核污染灾害，因此，如何在对核能的开发利用过程中保证其安全性，是一个极其重要的研究课题。

乏燃料是指在反应堆内进行一定时间的裂变反应之后，达到了设计燃耗而被卸载出反应堆的核燃料。乏燃料具有高放射性和高热量，其一般储存在乏燃料水池中进行冷却。由于乏燃料的高热量，其在储存时需确保持续有水进行冷却，一旦失水，乏燃料会因为自身的热量而熔毁甚至发生再临界，造成严重的放射性物质不可控释放。如福岛核事故中，4号反应堆的乏燃料水池在事故后3 天左右烧干失水并发生了氢爆。

在核电站设计中，将可能发生的事故和事件根据发生频率和概率的不同分为2-4级事件或事故，并在设计中考虑针对这些事故进行预防和缓解，这些事故称为设计基准事故。除设计基准事故以外的事故称为设计扩展工况，也称超设计基准事故。如福岛事故中的地震、海啸造成长期全厂失电的情况就是设计扩展工况。

乏燃料水池在设计扩展工况下，核电站乏燃料水池将失去所有电源，当乏燃料水池失去冷却后，水池中的乏燃料将会持续放出衰变热，造成水池的水温升高。水池中的水将在一定时间后沸腾并产生大量蒸汽，造成燃料厂房压力升高，放射性蒸汽将向环境排出。同时，水池中的水量将因池水升温沸腾而逐渐减少，乏燃料将在数天中出现燃料裸露、熔毁甚至再临界事故的缺陷。因此，需在核事故后向乏燃料水池提供足够的水源来保证核燃料能持续浸泡在水中。目前，在某三代核电机组中，采用厂房上部水箱为乏燃料水池进行事故后的补水。事故后如乏燃料水池水位因沸腾降低，可通过重力作用由水箱向乏燃料水池进行补水。但水箱具有多种安全功能，可往乏燃料水池中的补水量受到限制，如长时间无法恢复供电，则乏燃料水池依然有失水风险。且水箱位置安装过高，容量受限且抗震困难。某些二代核电机组中，在乏燃料水池入口的管道上增加了补水的接口，事故后通过消防车靠近乏燃料厂房，然后由工作人员利用软管进行补水。其缺陷是采用消防车进行补水，受现场环境限制，如现场剂量高、道路受损等情况，该方式无法进行。同时，工作人员在核事故现场进行补水，存在对工作人员照射剂量过高的风险。类似措施还有增设事故后的高位水箱，在超设计基准事故后通过重力向乏燃料水池补水，但是由于其设置在电站旁的山体上，需设置很长的连接管线，且所有管线需布置在可抗震的管廊内，施工成本巨大且抗震困难。

对此，有必要开发一种乏燃料水池事故后自发电冷却系统来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种乏燃料水池事故后自发电冷却系统，保证乏燃料水池在事故后的供水，避免发生燃料裸露、熔毁和再临界的严重事故，且其能保证人员的放射性安全，具有可靠性高、布置方便、施工成本低及良好的抗震效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种乏燃料水池事故后自发电冷却系统，用于事故后对乏燃料水池进行补水，包括热量回收装置、转化装置和事故补水装置，其中，热量回收装置用于回收所述乏燃料水池产生的热水；转化装置用于将所述热量回收装置回收的热水产生的热能转化为电能；所述转化装置为所述事故补水装置供电，使得所述事故补水装置为所述乏燃料水池进行补水。

目前，在设计基准事故尤其是超设计基准事故发生后，电源被切断或无法供电的情况下，乏燃料水池会失去冷却，水池中的乏燃料会持续放出衰变热，造成水池的水温升高，而本发明的乏燃料水池事故后自发电冷却系统利用热量回收装置回收乏燃料水池中热水，使其作为驱动热源进入转化装置，转化装置将该热水产生的热能转化为电能，从而为事故补水装置供电，使得事故补水装置中的水可补充至乏燃料水池中，以保证乏燃料水池在事故后的供水，避免发生乏燃料裸露、熔毁和再临界的严重事故。同时，整个核事故处理过程中无需人员干预，保证人员的放射性安全，也无需外部电源，且是通过回收燃料在事故后的余热进行工作，可靠性高。还由于采用电能驱动事故补水装置对乏燃料水池进行补水，无需采用重力补水，因此，事故补水装置无需高位设置，减少了布置难度，且降低了施工成本，并提高其抗震效果。

较佳地，所述热量回收装置设有高温水出口和低温水出口，所述高温水出口连通于所述转化装置，所述低温水出口连通于所述事故补水装置。

较佳地，所述转化装置位于所述乏燃料水池底部的下方。

较佳地，所述热量回收装置包括取水管线和吸收式热泵，所述取水管线的一端用于连通所述乏燃料水池，所述取水管线的另一端连通于所述吸收式热泵。

较佳地，所述吸收式热泵为第二类吸收式热泵。

较佳地，所述第二类吸收式热泵的工作介质为溴化锂或氨水。

较佳地，所述转化装置包括闪蒸箱、与所述闪蒸箱连通的汽轮机和连接于所述汽轮机的发电机，所述热量回收装置处理后的热水，温度较高的热水经所述高温水出口进入所述闪蒸箱，所述闪蒸箱将其转化为蒸汽推动所述汽轮机旋转，以带动所述发电机进行发电，温度较低的热水经所述低温水出口进入所述事故补水装置。

较佳地，所述汽轮机与所述热量回收装置之间设有蒸汽回收管线。

较佳地，所述事故补水装置包括补水管线、补水泵和补水箱，所述补水泵置于所述补水箱中，所述补水管线的一端连通于所述补水泵，所述补水管线的另一端用于连通所述乏燃料水池。

较佳地，所述补水箱设置于地表以下。

较佳地，所述事故补水装置还包括长期补水管线和外部补水点，所述外部补水点的安装位置高于所述补水箱设置，所述长期补水管线的一端连通于所述补水箱，所述长期补水管线的另一端连通于所述外部补水点。

附图说明

图1为本发明乏燃料水池事故后自发电冷却系统的示意图。

图2为本发明乏燃料水池事故后自发电冷却系统的局部示意图。

元件标号说明

100乏燃料水池事故后自发电冷却系统，10热量回收装置，11取水管线， 13吸收式热泵，131高温水出口，132低温水出口，133冷源入口，134冷源出口，30转化装置，31闪蒸箱，33汽轮机，35发电机，37蒸汽回收管线，50事故补水装置，51补水管线，52补水泵，53补水箱，54长期补水管线，55外部补水点，200乏燃料水池，300厂房，400地面。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图1，本申请的乏燃料水池事故后自发电冷却系统100，在核事故后，可将乏燃料水池200中的余热转化为电能，供事故后处理使用，给乏燃料水池 200进行补水。使得乏燃料水池200中的水位不因核燃料热量造成的沸腾蒸发而降低，确保核燃料在事故后能长期浸泡在水中，避免出现燃料裸露、熔毁和再临界的严重事故，且其能保证人员的放射性安全，具有可靠性高、布置方便、施工成本低及良好的抗震效果。

具体地，本发明的乏燃料水池事故后自发电冷却系统100，用于事故后对乏燃料水池200进行补水，事故为设计基准事故和超设计基准事故，尤其在超设计基准事故的情况下更为有用。乏燃料水池事故后自发电冷却系统100包括热量回收装置10、转化装置30和事故补水装置50。其中，热量回收装置10用于回收事故后乏燃料对乏燃料水池200产生的热水；转化装置30用于将热量回收装置10回收的热水产生的热能转化为电能；转化装置30为事故补水装置50供电，使得事故补水装置50为乏燃料水池200进行补水。

继续参考图1，热量回收装置10设有高温水出口131和低温水出口132，高温水出口131连通于转化装置30，低温水出口132连通于事故补水装置50。进一步，热量回收装置10包括取水管线11和吸收式热泵13，取水管线11的一端用于连通乏燃料水池200，取水管线11的另一端连通于吸收式热泵13，吸收式热泵13设有高温水出口131和低温水出口132。乏燃料水池200因事故后，其水温升高，一定水温(80℃左右)的热水经取水管线11流入吸收式热泵13，利用热水作为驱动热源，并通过吸收式热泵13的作用，制取少量的高温水(130℃左右)和大量的低温水(40-50℃左右)。高温水经高温水出口131流入转化装置30，低温水经低温水出口132流入事故补水装置50。其中，吸收式热泵13具有冷源入口133和冷源出口134，冷源可以是海水，也可以采用空气冷却，在此不做限定。进一步，吸收式热泵13为第二类吸收式热泵，能够更好的利用乏燃料水池200中的大量中温热水(80℃左右)产生少量的高温有用热能。也就是利用中低温热能驱动，用大量中温热源和低温热源的热势差，制取热量少于但温度高于中温热源的热量，将部分中低热能转移到更高温位，从而提高了热源的利用品位。其输出的最高温度不超过150℃，升温能力一般为30-50℃。更进一步，第二类吸收式热泵的工作介质为溴化锂或氨水。

继续参考图1，转化装置30包括闪蒸箱31、与闪蒸箱31连通的汽轮机33 和连接于汽轮机33的发电机35，热水经热量回收装置10处理后，得到高温水(130℃左右)和低温水(40-50℃左右)，温度较高的热水(即高温水)经高温水出口131进入闪蒸箱31，闪蒸箱31将热水转化为蒸汽推动汽轮机33旋转，以带动发电机35进行发电，温度较低的热水(即低温水)经低温水出口132进入事故补水装置50。本实施例中，高温水经高温水出口131流入闪蒸箱31，闪蒸箱31将高温水转化为蒸汽以推动汽轮机33旋转，发电机35与汽轮机33连接，故而，汽轮机33带动发电机35进行发电。进一步，汽轮机33与热量回收装置10之间设有蒸汽回收管线37。本实施例中，蒸汽回收管线37设在汽轮机 33和吸收式热泵13之间，汽轮机33中的蒸汽进行做功之后可回到吸收式热泵 13中进行冷却，然后和低温水一起流入事故补水装置50中。

继续参考图1，事故补水装置50包括补水管线51、补水泵52和补水箱53，补水泵52置于补水箱53中，补水管线51的一端连通于补水泵52，补水管线 51的另一端用于连通乏燃料水池200。本实施例中，将核电站的乏燃料水池200 设置在燃料厂房300高位约20m处，当然不以此为限，乏燃料水池200设置的具体高度可根据实际空间布置进行。补水箱53设于地表以下。具体地，补水箱 53布置在厂房300地坪标高0.00m以下，不仅具有抗震效果，还可避免海啸对事故补水装置50的影响。同时补水箱53无需高位设置，能够减少布置难度，且降低施工成本，还具有良好的抗震效果。其中，转化装置30位于乏燃料水池 200底部的下方。本实施例中，将吸收式热泵13的安装位置低于乏燃料水池200 设置，便于乏燃料水池200中池水流入吸收式热泵13，也利于吸收式热泵13冷源的引入。更进一步，请参考图2，事故补水装置50还包括长期补水管线54和外部补水点55，外部补水点55的安装位置高于补水箱53设置，长期补水管线 54的一端连通于补水箱53，长期补水管线54的另一端连通于外部补水点55。由于乏燃料在事故后需要保证很长的冷却周期(5-10年)，如在事故长期处理中，乏燃料水池200水位由于蒸发等因素下降，可通过外部补水点55对补水箱53 进行重力补水而后补水箱5中的低温水进入乏燃料水池200以维持其水位。其中，外部补水点55的水源可以除盐水和消防水不仅可防止对设备的腐蚀损害，且能减少杂质被燃料棒活化造成辐射增大。进一步，外部补水点55的水源还可以是河水和海水。故操作者无需进入厂房300，不会受到事故后放射性的影响。因此，该乏燃料水池事故后自发电冷却系统100能确保乏燃料水池200在事故后长期冷却，并无需人员干预地保证核电站燃料贮存的安全，可应用在二代至四代核反应堆的乏燃料水池200中。

下面结合图1-图2具体阐述本发明的工作原理：

在事故发生后，电源被切断或无法供电的情况下，乏燃料水池200失去冷源，水池中的乏燃料会持续放出衰变热，造成水池的水温升高。通过取水管线 11的作用，使得一定水温(80℃左右)的热水经取水管线11流入吸收式热泵 13，利用热水作为驱动热源，并通过吸收式热泵13的作用，制取少量的高温水 (130℃左右)和大量的低温水(40-50℃左右)。高温水经高温水出口131流入闪蒸箱31，低温水经低温水出口132流入补水箱53。闪蒸箱31将高温水转化为蒸汽以推动汽轮机33旋转，发电机35与汽轮机33连接，故而，汽轮机33 带动发电机35进行发电。发电机35发的电为补水泵52供电，补水泵52将补水箱53的水经补水管线51抽入至乏燃料水池200中。从而能够保证乏燃料水池200在事故后的供水，避免发生乏燃料裸露、熔毁和再临界的严重事故。

与现有技术相比，在设计基准事故尤其是超设计基准事故发生后，电源被切断或无法供电导致乏燃料水池200会失去冷却的情况下，水池中的乏燃料会持续放出衰变热，造成水池的水温升高，而本发明的乏燃料水池事故后自发电冷却系统100利用热量回收装置10回收乏燃料水池200中热水，使其作为驱动热源进入转化装置30，转化装置30将该热水产生的热能转化为电能，从而为事故补水装置50供电，使得事故补水装置50中的水可补充至乏燃料水池200中。其能够保证乏燃料水池200在事故后的供水，避免发生乏燃料裸露、熔毁、再临界的严重事故。同时，整个核事故处理过程中无需人员干预，保证人员的放射性安全，也无需外部电源，且是通过回收燃料在事故后的余热进行工作，可靠性高。还由于采用电能驱动事故补水装置50对乏燃料水池200进行补水，无需采用重力补水，因此，事故补水装置50无需高位设置，减少了布置难度，且降低了施工成本。

最后所应当说明的是，以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (11)

1.一种乏燃料水池事故后自发电冷却系统，用于事故后对乏燃料水池进行补水，其特征在于，包括：

热量回收装置，用于回收所述乏燃料水池产生的热水；

转化装置，用于将所述热量回收装置回收的热水产生的热能转化为电能；

事故补水装置，所述转化装置为所述事故补水装置供电，使得所述事故补水装置为所述乏燃料水池进行补水。

2.如权利要求1所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述热量回收装置设有高温水出口和低温水出口，所述高温水出口连通于所述转化装置，所述低温水出口连通于所述事故补水装置。

3.如权利要求1所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述转化装置位于所述乏燃料水池底部的下方。

4.如权利要求2所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述热量回收装置包括取水管线和吸收式热泵，所述取水管线的一端用于连通所述乏燃料水池，所述取水管线的另一端连通于所述吸收式热泵，所述吸收式热泵设有所述高温水出口和所述低温水出口。

5.如权利要求4所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述吸收式热泵为第二类吸收式热泵。

6.如权利要求5所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述第二类吸收式热泵的工作介质为溴化锂或氨水。

7.如权利要求2所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述转化装置包括闪蒸箱、与所述闪蒸箱连通的汽轮机和连接于所述汽轮机的发电机，所述热量回收装置处理后的热水，温度较高的热水经所述高温水出口进入所述闪蒸箱，所述闪蒸箱将其转化为蒸汽推动所述汽轮机旋转，以带动所述发电机进行发电，温度较低的热水经所述低温水出口进入所述事故补水装置。

8.如权利要求7所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述汽轮机与所述热量回收装置之间设有蒸汽回收管线。

9.如权利要求1所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述事故补水装置包括补水管线、补水泵和补水箱，所述补水泵置于所述补水箱中，所述补水管线的一端连通于所述补水泵，所述补水管线的另一端用于连通所述乏燃料水池。

10.如权利要求9所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述补水箱设置于地表以下。

11.如权利要求10所述的乏燃料水池事故后自发电冷却系统，其特征在于，所述事故补水装置还包括长期补水管线和外部补水点，所述外部补水点的安装位置高于所述补水箱设置，所述长期补水管线的一端连通于所述补水箱，所述长期补水管线的另一端连通于所述外部补水点。

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