CN111710446B - 堆芯余热排出的系统和堆芯余热排出的热电换热器 - Google Patents

堆芯余热排出的系统和堆芯余热排出的热电换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了堆芯余热排出的系统和堆芯余热排出的热电换热器，所述系统包括从反应堆堆芯一回路导出的余热排出回路，所述余热排出回路上所设的换热单元为热电换热器(8)，所述热电换热器(8)采用板式换热器为本体结构，所述板式换热器中的板片(81)采用内嵌有热电半导体(811)的板片；热电半导体(811)引出电能导接于反应堆堆芯一回路中的主泵(6)。本发明主要应用在核动力安全关键设备领域，基于一回路、设备冷却水系统回路、海水回路，利用热电转换技术，将全厂断电事故工况下的堆芯余热直接转化成电能，带走一部分堆芯余热的同时，以一定功率继续维持主泵运转继送冷却剂，从而排出堆芯余热，实现堆芯长期冷却。

Description

堆芯余热排出的系统和堆芯余热排出的热电换热器
技术领域
本发明涉及反应堆系统设计领域，具体堆芯余热排出的热电换热器及其构成的堆芯余热排出系统。
背景技术
余热排出系统作为实现反应堆三大安全功能之一堆芯冷却设备中的重要组成部分，一直是反应堆系统研究、设计、和运行过程中关注的重点，特别是在福岛核事故之后，全球范围内形成了以AP1000为代表的“非能动技术”和以EPR为代表的“增加专设安全系统”的堆芯余热排出系统设计思路：前者利用物质的重力、流体的自然对流、扩散、蒸发、冷凝等原理在事故应急时冷却反应堆厂房和带走堆芯余热；后者在二代核电技术的基础上再增加和强化专设安全系统以提升安全性能。如图1所示，现有的非能动余热排出设计思路是采用非能动管式热交换器8-1作为换热单元，其泡设于水池中，待出现安全事故时，余热排出回路启动，一回路的RCS热管段引入到非能动管式热交换器8-1，利用非能动管式热交换器8-1与水池进行热交换，从而达到余热排出。
非能动设计理念虽然具有简化系统设备和长时间内无需人为干预等特点，但多耦合因素的自然循环系统存在易受外界环境影响的特点，一旦存在超设计预想的外部工况，系统存在整体失效的风险。增加专设安全的设计采用增加安全冗余度和多样性的理念，一方面将加大核电站建设成本；另一方面将使核电事故应对策略变得更加复杂，增加了事故处置安全的不确定性。
发明内容
本发明目的提供可适应于堆芯余热排出的热电换热器，并基于热电换热器提出一种余热排出系统。该热电换热器可以利用余热排出回路的热量直接转换为电能，再利用该电能为主泵延长惰转时间，防止在安全事故发生时，主泵断开、处于非能动情况下、一回路处于低速循环状态导致堆芯温度升高；发明采用非能动和能动互相配合的设计构思，从而形成一种非能动余热排出系统产生电能形成能动延长朱鞥惰转时间，维持一回路流量，从而提升系统更高的可靠性。
本发明通过下述技术方案实现：
堆芯余热排出的系统，所述系统包括从反应堆堆芯一回路导出的余热排出回路，其特征在于，所述余热排出回路上所设的换热单元为热电换热器，所述热电换热器采用板式换热器为本体结构，所述板式换热器中的板片采用内嵌有热电半导体的板片；热电半导体引出电能导接于反应堆堆芯一回路中的主泵。
本发明旨在阐述一种结合非能动和增加安全设施的综合设计理念：考虑到反应堆事故停堆后，堆芯剩余功率急剧下降，通过热电转换技术，将事故工况下的堆芯余热直接转化成电能，带走一部分堆芯余热的同时，以一定功率继续维持主泵运转继送冷却剂，从而减缓冷却剂流量的下降，避免冷却剂完全丧失，由此来载走堆芯停堆余热、冷却堆芯，不至使燃料包壳最高温度超过事故限值，从而缓解和避免全厂断电事故引发的严重后果。综合上述，现有的堆芯余热排出系统各具安全优势和不足，采用热电转换技术，结合非能动和增加安全设施的综合设计理念能融合两种设计思路的优势。本发明正是基于这一设计理念，针对反应堆新型堆芯余热排出系统试验研究，在国家安全重大基础研究项目的支持下，通过技术创新和实验验证获得的发明技术。
优选的进一步技术方案为：所述板式换热器中的板片为双层夹板结构，该双层夹板结构包括1层相邻于冷间隔的金属导热板和1层相邻于热间隔的金属导热板，2层金属导热板相对面设置有绝缘镀层，所述热电半导体嵌入于绝缘镀层之间，所述冷间隔为板式换热器内用于流通热流体的流道，所述冷间隔为板式换热器内用于流通冷流体的流道。
优选的进一步技术方案为：反应堆堆芯一回路包括：主泵与堆芯连通的RCS冷管段，主泵与蒸汽发生器连通的过渡管段，堆芯与蒸汽发生器连通的RCS热管段；
所述板式换热器的热接入端通过余热排出回路的热段支路接反应堆堆芯一回路的堆芯至蒸汽发生器的RCS热管段；
所述板式换热器的热回水端通过余热排出回路的冷段支路接蒸汽发生器至反应堆一回路主泵的过渡管段；
热段支路上设置有常闭电磁阀B1，冷段支路上设置有常闭电磁阀B2，
优选的进一步技术方案为：热段支路与RCS热管段的连接点为节点A，节点A至蒸汽发生器的RCS热管段上设置有常开电磁阀A1，冷段支路与回水段的连接点为节点B，节点B至蒸汽发生器的回水段上设置有常开电磁阀A2。
优选的进一步技术方案为：还包括设备冷却水系统，所述设备冷却水系统包括设备冷却水系统管壳换热器，设备冷却水系统管壳换热器所处回路接板式换热器的冷接入端、冷回水端；设备冷却水系统管壳换热器与外部冷源热交换；
优选的进一步技术方案为：所述设备冷却水系统还包括稳压罐，稳压罐联通备冷却水系统管壳换热器所处回路。
为了实现上述系统，本发明需要设计出适合堆芯余热排出的热电换热器，为了获得热电换热器，本发明采用了再现有的板式换热器的设计理念基础上设计构思，热电换热器设计构思是：在以板式换热器为本体的基础上，对板式换热器内的板片进行改进，设计出一种内嵌有热电半导体的板片，该板片由于两侧是冷热不同的两种流体，因此板片两侧实际上是存在温差的，采用了热电半导体嵌入后，虽然改进后的板片的导热效能降低，即两侧流体的热交换效率降低，但热量可部分通过热电半导体产生电能；然后利用电能推动主泵继续运作。
以目前较为成熟的热电半导体5％的热电转换效率为基准，计算结果表明，采用热电转换堆芯余热排出系统应对百万千瓦级核电机组全厂断电事故，堆芯归一化流量长期能保持在堆芯归一化功率水平之上，燃料包壳最高温度长期保持在事故工况1200℃的限值以下。说明在发生全厂断电事故后，本发明所述的堆芯余热排出系统能有效导出堆芯余热，防止包壳破损，堆芯融毁，阻止放射性物质的泄露。
为了实现上述构思，本发明提出的一技术方案为：堆芯余热排出的热电换热器，所述热电换热器采用板式换热器为本体结构，所述板式换热器中的板片采用内嵌有热电半导体的板片。
优选的进一步技术方案为：所述板式换热器中的板片为双层夹板结构，该双层夹板结构包括1层相邻于冷间隔的金属导热板和1层相邻于热间隔的金属导热板，2层金属导热板相对面设置有绝缘镀层，所述热电半导体嵌入于绝缘镀层之间，所述冷间隔为板式换热器内用于流通热流体的流道，所述冷间隔为板式换热器内用于流通冷流体的流道。
优选的进一步技术方案为：所述绝缘镀层之间存在间隙，热电半导体两端分别插入绝缘镀层内或热电半导体两端分别平接于绝缘镀层表面，热电半导体至少存在一段位于间隙内。
优选的进一步技术方案为：所述绝缘镀层之间存在零间隙，热电半导体两端分别插入绝缘镀层内。
优选的进一步技术方案为：所述热电半导体包括P型半导体热电元件和N型半导体热电元件，P型半导体热电元件和N型半导体热电元件整体呈矩形阵列排布，整体呈矩形阵列中的每排均为间隔排列的P型半导体热电元件和N型半导体热电元件，P型半导体热电元件和N型半导体热电元件通过预埋在绝缘镀层中的金属导线串联连接。
优选的进一步技术方案为：所述绝缘镀层之间采用垫片进行支承和密封，垫片设置在板片的边缘位置。
本发明可以达到以下效果：
本发明主要应用在核动力安全关键设备领域，基于一回路、设备冷却水系统回路、海水回路，利用热电转换技术，将全厂断电事故工况下的堆芯余热直接转化成电能，带走一部分堆芯余热的同时，以一定功率继续维持主泵运转继送冷却剂，从而排出堆芯余热，实现堆芯长期冷却。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
附图1为现有技术系统的结构示意图。
附图2为本申请的系统结构示意图。
附图3为热电换热器的结构示意图。
附图4为热电换热器中板片的横剖示意图。
附图5为板片具体示意图。
附图中的附图标记分别表示为：
1、堆芯；2、稳压器；3、常开电磁阀A1；4、蒸汽发生器；5、常开电磁阀A2；6、主泵；7、常闭电磁阀B1；8、热电换热器；9、常闭电磁阀B2；10、稳压罐；11、海水；12、循环泵A；13、循环泵B；14、设备冷却水系统；15、设备冷却水系统管壳换热器；8-1、非能动管式热交换器；16、配电单元；81、板片；811、热电半导体；812、金属导热板；813、绝缘镀层；814、金属导线；815、热间隔；816、冷间隔；817、冷接入端；818、冷回水端；819、热接入端；820、热回水端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图2所示：
堆芯余热排出的系统，所述系统包括从反应堆堆芯一回路导出的余热排出回路，其特征在于，所述余热排出回路上所设的换热单元为热电换热器8，所述热电换热器8采用板式换热器为本体结构，所述板式换热器中的板片81采用内嵌有热电半导体811的板片；热电半导体811引出电能能导接于反应堆堆芯一回路中的主泵6。
本发明旨在阐述一种结合非能动和增加安全设施的综合设计理念：考虑到反应堆事故停堆后，堆芯剩余功率急剧下降，通过热电转换技术，将事故工况下的堆芯余热直接转化成电能，带走一部分堆芯余热的同时，以一定功率继续维持主泵运转继送冷却剂，从而减缓冷却剂流量的下降，避免冷却剂完全丧失，由此来载走堆芯停堆余热、冷却堆芯，不至使燃料包壳最高温度超过事故限值，从而缓解和避免全厂断电事故引发的严重后果。综合上述，现有的堆芯余热排出系统各具安全优势和不足，采用热电转换技术，结合非能动和增加安全设施的综合设计理念能融合两种设计思路的优势。本发明正是基于这一设计理念，针对反应堆新型堆芯余热排出系统试验研究，在国家安全重大基础研究项目的支持下，通过技术创新和实验验证获得的发明技术。
如图1和图2所示，从这2个图的对比来看，本实施例设计的构想是：将传统的余热排出系统中的非能动管式热交换器8-1去掉，然后替换上热电换热器8，同时将热电换热器8外置到海水11外，其中，热电换热器8采用传统的板式换热器进行改进，将板式换热器中的板片改进为具有热电半导体811的板片，利用板片两侧分别引入一回路水和海水进行温差发电，利用该电能对主泵供电，使得主泵在事故时保持转动，以此减缓冷却剂流量的下降，避免冷却剂完全丧失，由此来载走堆芯停堆余热、冷却堆芯，不至使燃料包壳最高温度超过事故限值，其中，产生的电能可以通过配电单元16进行分配。
如图3所示：
所述板式换热器中的板片81为双层夹板结构，该双层夹板结构包括1层相邻于冷间隔816的金属导热板812和1层相邻于热间隔815的金属导热板812，2层金属导热板相对面设置有绝缘镀层813，所述热电半导体嵌入于绝缘镀层之间，所述冷间隔为板式换热器内用于流通热流体的流道，所述冷间隔为板式换热器内用于流通冷流体的流道。
优选的进一步技术方案为：反应堆堆芯一回路包括：主泵6与堆芯连通的RCS冷管段，主泵6与蒸汽发生器4连通的过渡管段，堆芯与蒸汽发生器4连通的RCS热管段；
所述板式换热器的热接入端819通过余热排出回路的热段支路接反应堆堆芯一回路的堆芯至蒸汽发生器4的RCS热管段；
所述板式换热器的热回水端820通过余热排出回路的冷段支路接反应堆堆芯一回路的主泵6至蒸汽发生器4的过渡管段；
热段支路上设置有常闭电磁阀B17，冷段支路上设置有常闭电磁阀B29，
如图2所示，优选的进一步技术方案为：热段支路与RCS热管段的连接点为节点A，节点A至蒸汽发生器4的RCS热管段上设置有常开电磁阀A13，冷段支路与回水段的连接点为节点B，节点B至蒸汽发生器4的回水段上设置有常开电磁阀A25。
正常运行工况下，这4台阀门均处于通电状态，即电动调节阀A13和电动调节阀A25处于全开状态，电动调节阀B17、电动调节阀B29处于闭合状态。发生全厂断电事故时阀门复位，即常开电磁阀A13和常开电磁阀A25迅速闭合，常闭电磁阀B17、常闭电磁阀B29迅速开启。一回路与热电换热器的热侧连通，其冷侧连接电厂设备冷却水系统，设备冷却水系统通过管壳换热器将热量最终导入开式冷源海水。
优选的进一步技术方案为：还包括设备冷却水系统14，所述设备冷却水系统14包括设备冷却水系统管壳换热器15，设备冷却水系统管壳换热器15所处回路接板式换热器的冷接入端817、冷回水端818；设备冷却水系统管壳换热器15与外部冷源热交换；
优选的进一步技术方案为：所述设备冷却水系统14还包括稳压罐10，稳压罐10联通备冷却水系统管壳换热器15所处回路。
其中，为了维持良好的循环，其中热电换热器采用设备冷却水系统管壳换热器15与海水进行热交换，其中设备冷却水系统14形成独立的闭循环回路，并在其闭循环回路上设置有稳压罐10，使其与一回路适配。
实施例2
如图3、图4、图5所示，
为了实现上述系统，本发明需要设计出适合堆芯余热排出的热电换热器，为了获得热电换热器8，本发明采用了再现有的板式换热器的设计理念基础上设计构思，热电换热器8设计构思是：在以板式换热器为本体的基础上，对板式换热器内的板片81进行改进，设计出一种内嵌有热电半导体811的板片，该板片由于两侧是冷热不同的两种流体，因此板片两侧实际上是存在温差的，采用了热电半导体811嵌入后，虽然改进后的板片的导热效能降低，即两侧流体的热交换效率降低，但热量可部分通过热电半导体产生电能；然后利用电能推动主泵继续运作。
如图2所示，热电换热器以板式热交换器为本体，主体部分由若干金属传热板叠加制成，板四角开有角孔，冷热流体分别由一个角孔流入，间隔地在由垫片和板片设定的流道流动，然后在另一对侧角孔流出。其中形成冷间隔和热间隔的技术设计属于现有设计，在此不再赘述，其中冷间隔和热间隔相隔设置，热流体从一角孔流入后进入第一个热间隔，其同时继续分流穿过冷间隔后进入第二个热间隔，以此类推，热流体经过热间隔后再对侧回流到另一角孔，同样的，冷流体从一角孔流入后进入第一个冷间隔，其同时继续分流穿过热间隔后进入第二个冷间隔，以此类推，冷流体经过冷间隔后再对侧回流到另一角孔。
冷间隔与热间隔形成温差作用于板片，而板片内设置产生电能的热电半导体；以此热电半导体汇流电能后供应于主泵。
以目前较为成熟的热电半导体5％的热电转换效率为基准，计算结果表明，采用热电转换堆芯余热排出系统应对百万千瓦级核电机组全厂断电事故，堆芯归一化流量长期能保持在堆芯归一化功率水平之上，燃料包壳最高温度长期保持在事故工况1200℃的限值以下。说明在发生全厂断电事故后，本发明所述的堆芯余热排出系统能有效导出堆芯余热，防止包壳破损，堆芯融毁，阻止放射性物质的泄露。
为了实现上述构思，本发明提出的一技术方案为：堆芯余热排出的热电换热器，所述热电换热器8采用板式换热器为本体结构，所述板式换热器中的板片81采用内嵌有热电半导体811的板片。
本发明有别于传统板片的是：本发明中的板片采用双层夹板结构，如附图4所示，传热板由金属导热板、绝缘镀层、嵌入绝缘镀层的热电半导体材料、绝缘镀层之间在板边缘采用垫片支承和密封。其中，P型和N型热电元件交错排列，整体上呈矩阵分布，由预埋在绝缘镀层中的金属导线串联连接。具体的，如图4、图5所示，优选的进一步技术方案为：所述板式换热器中的板片为双层夹板结构，该双层夹板结构包括1层相邻于冷间隔的金属导热板812和1层相邻于热间隔的金属导热板812，2层金属导热板相对面设置有绝缘镀层813，所述热电半导体嵌入于绝缘镀层之间，所述冷间隔为板式换热器内用于流通热流体的流道，所述冷间隔为板式换热器内用于流通冷流体的流道。
优选的进一步技术方案为：所述绝缘镀层之间存在间隙，热电半导体两端分别插入绝缘镀层内或热电半导体两端分别平接于绝缘镀层表面，热电半导体至少存在一段位于间隙内。
优选的进一步技术方案为：所述绝缘镀层之间存在零间隙，热电半导体两端分别插入绝缘镀层内。
如图5所示，优选的进一步技术方案为：所述热电半导体包括P型半导体热电元件和N型半导体热电元件，P型半导体热电元件和N型半导体热电元件整体呈矩形阵列排布，整体呈矩形阵列中的每排均为间隔排列的P型半导体热电元件和N型半导体热电元件，P型半导体热电元件和N型半导体热电元件通过预埋在绝缘镀层中的金属导线814串联连接。
优选的进一步技术方案为：所述绝缘镀层之间采用垫片图中未示意进行支承和密封，垫片设置在板片的边缘位置。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.堆芯余热排出的系统，所述系统包括从反应堆堆芯一回路导出的余热排出回路，其特征在于，所述余热排出回路上所设的换热单元为热电换热器(8)，所述热电换热器(8)采用板式换热器为本体结构，所述板式换热器中的板片(81)采用内嵌有热电半导体(811)的板片；热电半导体(811)引出电能导接于反应堆堆芯一回路中的主泵(6)；
所述板式换热器中的板片(81)为双层夹板结构，该双层夹板结构包括1层相邻于冷间隔(816)的金属导热板(812)和1层相邻于热间隔(815)的金属导热板(812)，2层金属导热板相对面设置有绝缘镀层(813)，所述热电半导体嵌入于绝缘镀层之间，所述热间隔为板式换热器内用于流通热流体的流道，所述冷间隔为板式换热器内用于流通冷流体的流道。
2.根据权利要求1所述的堆芯余热排出的系统，其特征在于，
反应堆堆芯一回路包括：主泵(6)与堆芯连通的RCS冷管段，主泵(6)与蒸汽发生器(4)连通的回水段，堆芯与蒸汽发生器(4)连通的RCS热管段；
所述板式换热器的热接入端(819)通过余热排出回路的热段支路接反应堆堆芯一回路的堆芯至蒸汽发生器(4)的RCS热管段；
所述板式换热器的热回水端(820)通过余热排出回路的冷段支路接反应堆堆芯一回路的主泵(6)至蒸汽发生器(4)的过渡管段；
热段支路上设置有常闭电磁阀B1(7)，冷段支路上设置有常闭电磁阀B2(9)，
热段支路与RCS热管段的连接点为节点A，节点A至蒸汽发生器(4)的RCS热管段上设置有常开电磁阀A1(3)，冷段支路与过渡管段的连接点为节点B，节点B至蒸汽发生器(4)的回水段上设置有常开电磁阀A2(5)。
3.根据权利要求1所述的堆芯余热排出的系统，其特征在于，
还包括设备冷却水系统(14)，所述设备冷却水系统(14)包括设备冷却水系统管壳换热器(15)，设备冷却水系统管壳换热器(15)所处回路接板式换热器的冷接入端(817)、冷回水端(818)；设备冷却水系统管壳换热器(15)与外部冷源热交换；
所述设备冷却水系统(14)还包括稳压罐(10)，稳压罐(10)联通设 备冷却水系统管壳换热器(15)所处回路。
4.堆芯余热排出的热电换热器，其特征在于，所述热电换热器(8)采用板式换热器为本体结构，所述板式换热器中的板片(81)采用内嵌有热电半导体(811)的板片；
所述板式换热器中的板片为双层夹板结构，该双层夹板结构包括1层相邻于冷间隔的金属导热板(812)和1层相邻于热间隔的金属导热板(812)，2层金属导热板相对面设置有绝缘镀层(813)，所述热电半导体嵌入于绝缘镀层之间，所述冷间隔为板式换热器内用于流通热流体的流道，所述冷间隔为板式换热器内用于流通冷流体的流道。
5.根据权利要求4所述的堆芯余热排出的热电换热器，其特征在于，所述绝缘镀层之间存在间隙，热电半导体两端分别插入绝缘镀层内或热电半导体两端分别平接于绝缘镀层表面，热电半导体至少存在一段位于间隙内。
6.根据权利要求4所述的堆芯余热排出的热电换热器，其特征在于，所述绝缘镀层之间存在零间隙，热电半导体两端分别插入绝缘镀层内。
7.根据权利要求4所述的堆芯余热排出的热电换热器，其特征在于，所述热电半导体包括P型半导体热电元件和N型半导体热电元件，P型半导体热电元件和N型半导体热电元件整体呈矩形阵列排布，整体呈矩形阵列中的每排均为间隔排列的P型半导体热电元件和N型半导体热电元件，P型半导体热电元件和N型半导体热电元件通过预埋在绝缘镀层中的金属导线(814)串联连接。
8.根据权利要求4所述的堆芯余热排出的热电换热器，其特征在于，所述绝缘镀层之间采用垫片进行支承和密封，垫片设置在板片的边缘位置。
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