CN111933315A - 一种用于池式铅基反应堆的非能动余热排出系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于池式铅基反应堆的非能动余热排出系统及方法，该系统包括：空气进口汇聚管道和空气出口汇聚管道，沿周向分别设置在反应堆主容器的底部和顶部外壁上；空气冷却管道，设置在位于空气进口和出口汇聚管道之间的反应堆主容器外壁上，且其一端与空气进口汇聚管道连接，另一端与空气出口汇聚管道连接；空气进口管道，其入口通过进口自动风门与大气环境相连通，出口伸入反应堆堆坑内且与空气进口汇聚管道连接；空气出口管道，其入口与空气出口汇聚管道连接，出口通过出口自动风门与拔风烟囱的进口连接，拔风烟囱的出口与大气环境相连通。本发明启动方便，结构简单，排热效果好，能够简化堆芯结构，降低反应堆建造成本，具有非能动安全性。

Description

一种用于池式铅基反应堆的非能动余热排出系统及方法

技术领域

本发明涉及池式铅基反应堆的非能动安全设施，具体是关于一种事故下排出池式铅基反应堆堆芯余热的非能动余热排出系统及方法。

背景技术

池式铅基反应堆选用铅或者铅铋合金作为冷却剂，具有很强的自然循环能力，事故下能够依靠反应堆内冷却剂的自然循环流动排出堆芯余热，从而大大提高反应堆的固有安全性。

非能动余热排出系统作为铅基反应堆的专设安全设施，其设计对于提高反应堆的固有安全性有着非常重要的意义。池式铅基反应堆一般采用独立的非能动余热排出系统，它的优点是事故下能够利用系统介质的自然循环流动自动地排出堆芯余热，无需附加额外动力源，从而大大提高系统的可靠性，减少堆芯熔毁的风险。

对于非能动余热排出系统，国内外已经开展了一系列的设计和研究，以下是几种具有代表性的方案：

(1)先进压水堆AP1000的非能动余热排出系统采用内置于换料水箱中的C型换热管束来排出堆芯余热。事故下，冷却剂通过自然循环流经换料水箱内的C型换热管束，将堆芯余热传递到换料水箱中，换料水箱中的水沸腾产生蒸汽，蒸汽最终会排放到安全壳中，由非能动安全壳冷却系统将热量排放到最终热阱——大气。但是，该系统需要在堆芯上方设置大容积水箱和配套的非能动安全壳冷却系统，系统较为复杂，经济性不高。

(2)高温气冷堆的非能动余热排出系统采用布置在压力容器外的水冷壁来排出堆芯余热。事故下，反应堆余热通过辐射传热和空气自然循环流动从压力容器传递给水冷壁，然后由水冷壁中冷却水的自然循环流动进一步将热量传递给空冷器，最终由空冷塔内环境空气的自然对流将热量排放到最终热阱——大气。但是，该系统需要设置三回路空气自然循环，且需要在反应堆压力容器外侧留有布置水冷壁的空间，结构复杂且成本较高。

(3)岭东核电有限公司公开的一种铅基快堆堆外非能动余热排出系统设计，采用布置在反应堆外的U型水冷传热管来排出堆芯余热。事故下，反应堆余热通过热辐射和空气自然对流从反应堆容器壁面传递给U型水冷管的上升段，然后将U型水冷管中自然循环流动的冷却水加热成蒸汽排入布置在上方的冷却水箱中，最终由冷却水箱中的饱和水产生蒸汽将热量传递给最终热阱——大气。但是，该系统方案设计需要在堆芯上部设置大容积水箱和额外的补水装置，系统设置较为复杂且成本较高。

(4)独立换热器非能动余热排出系统采用布置在主容器内的热交换器来排出堆芯余热。事故下，反应堆余热通过独立热交换器从堆芯导出，然后由其他排热途径导出到大气环境中。在目前大部分快堆中，余热排出系统都采用该方案设计，但是该系统需要在反应堆主容器内设置独立热交换器，增大了反应堆主容器空间，降低了反应堆的经济性。

(5)反应堆容器空气冷却非能动余热排出系统(RVACS)采用布置在反应堆容器外面的空气冷却管道排出堆芯余热。事故下，反应堆余热通过辐射传热和空气自然对流从容器表面传递给空气冷却管道，然后由空气冷却管道中的空气自然循环直接将热量排放到最终热阱——大气。该系统设置简单，可提高反应堆的安全性，但是排热能力相对较差，对余热排出量较大的反应堆，需要额外设置其他冷却系统。

发明内容

针对上述问题，本发明的其中一个目的是提供一种用于池式铅基反应堆的非能动余热排出系统，该系统启动方便，结构简单，排热效果好，能够简化堆芯结构，降低反应堆建造成本，具有非能动安全性；本发明的另一个目的是提供一种基于上述系统实现的非能动余热排出方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于池式铅基反应堆的非能动余热排出系统，包括：空气进口汇聚管道，沿周向设置在反应堆主容器的底部外壁上；空气出口汇聚管道，沿周向设置在所述反应堆主容器的顶部外壁上；空气冷却管道，设置在位于所述空气进口汇聚管道和空气出口汇聚管道之间的所述反应堆主容器外壁上，且所述空气冷却管道的一端与所述空气进口汇聚管道连接，所述空气冷却管道的另一端与所述空气出口汇聚管道连接；空气进口管道，所述空气进口管道的入口通过进口自动风门与大气环境相连通，所述空气进口管道的出口伸入反应堆堆坑内且与所述空气进口汇聚管道连接；空气出口管道，所述空气出口管道的入口与所述空气出口汇聚管道连接，所述空气出口管道的出口通过出口自动风门与拔风烟囱的进口连接，所述拔风烟囱的出口与大气环境相连通。

所述的非能动余热排出系统，优选地，所述空气冷却管道包括沿周向并联覆盖在所述反应堆主容器外壁上的多根空气冷却贴壁半管，每根所述空气冷却贴壁半管沿轴向焊接在所述反应堆主容器的外壁上，且每根所述空气冷却贴壁半管的下端与所述空气进口汇聚管道连接，上端与所述空气出口汇聚管道连接。

所述的非能动余热排出系统，优选地，所述空气冷却管道为相互独立布置的多组。

所述的非能动余热排出系统，优选地，所述空气进口汇聚管道和空气出口汇聚管道均采用贴壁半管形式焊接在所述反应堆主容器的外壁上。

所述的非能动余热排出系统，优选地，还包括保温层，所述保温层采用弧形片状多层金属夹层结构，拼接成圆筒形覆盖在所述空气进口汇聚管道、空气冷却管道(5)、空气出口汇聚管道和反应堆主容器的外表面。

所述的非能动余热排出系统，优选地，所述空气进口管道和空气进口汇聚管道通过进口管道连接法兰相连接，所述空气出口管道和空气出口汇聚管道通过出口管道连接法兰相连接。

所述的非能动余热排出系统，优选地，在所述空气进口管道的入口处设置空气过滤净化装置。

所述的非能动余热排出系统，优选地，在所述反应堆主容器、空气冷却管道的外壁面上设置热电偶以测量壁面的温度；在所述空气进口管道的入口处设置热电偶、压力计和流量计以测量进入系统的冷空气温度、压力和流量；在所述拔风烟囱的出口处设置热电偶和压力计以测量排出系统的热空气温度和压力。

一种基于上述非能动余热排出系统的非能动余热排出方法，其余热排出过程包括两个自然循环回路，分别为反应堆主容器内的液态铅基金属冷却剂自然循环回路和反应堆主容器外的空气自然循环回路。

所述的非能动余热排出方法，优选地，包括如下步骤：

步骤一：在事故工况下，进口自动风门和出口自动风门开启，非能动余热排出系统投入运行；

步骤二：反应堆主容器内部的液态铅基冷却剂温度上升，反应堆主容器的壁面和反应堆堆芯分别构成堆内液态铅基金属冷却剂自然循环流动的冷源和热源，驱动反应堆主容器内冷却剂产生自然循环流动，将反应堆堆芯的余热传递给反应堆主容器的壁面并导致反应堆主容器的壁面温度上升；

步骤三：随后反应堆主容器外壁上的空气冷却管道内部的空气被加热，使得非能动余热排出系统内存在冷热空气密度差，靠着空气本身的密度差驱动空气进行自然循环流动；

步骤四：此时冷空气从空气进口管道进入非能动余热排出系统，并在空气进口汇聚管道中分流进入并联的空气冷却管道，在空气冷却管道中通过壁面空气对流换热和空气冷却管道肋效应的强化换热下吸收反应堆主容器传递出的反应堆余热，加热后的热空气经过空气出口汇聚管道汇聚后由拔风烟囱排到大气环境中，最终实现反应堆事故余热的非能动排出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过将空气冷却半管直接焊接在反应堆容器外壁面，让空气直接通过壁面对流换热带走反应堆容器壁面导出的余热，相比于反应堆容器空气冷却系统(RVACS)的非能动余热排出技术，减少了反应堆容器壁面到空冷管内空气的热辐射、自然对流和管壁导热的热阻环节，同时空气冷却半管的管壁也相当于反应堆主容器壁面增强换热的肋板，弥补了RVACS系统排热能力较差的缺陷，排热能力更强。2、本发明相比放置于反应堆主容器内部的独立热交换器非能动余热排出技术和放置于反应堆主容器外部的水冷管道非能动余热排出技术，具有简化堆芯结构，减少系统回路，减少反应堆容器内空间布置，降低建造成本等方面的优点。3、本发明仅进口自动风门和出口自动风门需要外部电源驱动或者人力开启，除此之外，系统不需要其他任何外部驱动电源，系统空气是通过冷热空气的密度差驱动，无需附加额外动力源，具有非能动特点，能够实现对反应堆堆芯和主容器进行长期冷却。4、本发明的非能动余热排出系统设置在反应堆主容器外部，便于贴壁半管失效后及时发现问题，并单独处理，检查和维修方便。综上所述，本发明启动方便，结构简单，排热效果好，能够简化堆芯结构，降低反应堆建造成本，具有非能动安全性。

附图说明

图1为本发明非能动余热排出系统的结构示意图；

图2为本发明空气出口汇聚管道的剖面示意图；

图3为本发明空气进口汇聚管道的剖面示意图；

图中附图标记如下：

1为进口自动风门；2为空气进口管道；3为进口管道连接法兰；4为空气进口汇聚管道；5为空气冷却管道；6为保温层；7为空气出口汇聚管道；8出口管道连接法兰；9为空气出口管道；10为出口自动风门；11为拔风烟囱；12为反应堆主容器壁；13为反应堆堆芯；4为反应堆堆坑；15为空气进口汇聚管道管壁；16为空气出口汇聚管道管壁。

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，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供的用于池式铅基反应堆的非能动余热排出系统包括：空气进口汇聚管道4，沿周向设置在反应堆主容器12的底部外壁上；空气出口汇聚管道7，沿周向设置在反应堆主容器12的顶部外壁上；空气冷却管道5，设置在位于空气进口汇聚管道4和空气出口汇聚管道7之间的反应堆主容器12外壁上，且空气冷却管道5的一端与空气进口汇聚管道4连接，空气冷却管道5的另一端与空气出口汇聚管道7连接；空气进口管道2，空气进口管道2的入口通过进口自动风门1与大气环境相连通，空气进口管道2的出口伸入反应堆堆坑14内且与空气进口汇聚管道4连接；空气出口管道9，空气出口管道9的入口与空气出口汇聚管道7连接，空气出口管道9的出口通过出口自动风门10与拔风烟囱11的进口连接，拔风烟囱11的出口与大气环境相连通。

在上述实施例中，优选地，如图2、图3所示，空气冷却管道5包括沿周向并联覆盖在反应堆主容器12外壁上的多根空气冷却贴壁半管，每根空气冷却贴壁半管沿轴向焊接在反应堆主容器12的外壁上，且每根空气冷却贴壁半管的下端与空气进口汇聚管道4连接，上端与空气出口汇聚管道7连接。

在上述实施例中，优选地，可以布置多组相互独立的空气冷却管道5，使得池式铅基反应堆在某一组空气冷却管道5失效后仍然具备非能动余热排出能力，从而保证系统的冗余性和可靠性。

在上述实施例中，优选地，空气进口汇聚管道4和空气出口汇聚管道7均采用贴壁半管形式焊接在反应堆主容器12的外壁上。

在上述实施例中，优选地，如图1所示，该非能动余热排出系统还包括保温层6，保温层6采用弧形片状多层金属夹层结构，拼接成圆筒形覆盖在空气进口汇聚管道4、空气冷却管道5、空气出口汇聚管道7和反应堆主容器12的外表面。

在上述实施例中，优选地，空气进口管道2和空气进口汇聚管道4通过进口管道连接法兰3相连接，空气出口管道9和空气出口汇聚管道7通过出口管道连接法兰8相连接。

在上述实施例中，优选地，可以在空气进口管道2的入口处设置空气过滤净化装置(图中未示出)，以保证从大气环境进入系统的空气质量，防止杂物进入系统后堵塞空气冷却管道5，从而保证系统内空气自然循环流量。

在上述实施例中，优选地，可以在反应堆主容器12、空气冷却管道5的外壁面上设置热电偶以测量壁面的温度；在空气进口管道2的入口处设置热电偶、压力计和流量计以测量进入系统的冷空气温度、压力和流量；在拔风烟囱11的出口处设置热电偶和压力计以测量排出系统的热空气温度和压力。

基于上述实施例提供的非能动余热排出系统，本发明还提出了一种用于池式铅基反应堆的非能动余热排出方法，其余热排出过程包括两个自然循环回路，分别为反应堆主容器12内的液态铅基金属冷却剂自然循环回路和反应堆主容器12外的空气自然循环回路。具体地，该非能动余热排出方法包括如下步骤：

步骤一：在事故工况下，进口自动风门1和出口自动风门2开启，非能动余热排出系统投入运行；

步骤二：反应堆主容器12内部的液态铅基冷却剂温度上升，反应堆主容器12的壁面和反应堆堆芯13分别构成堆内液态铅基金属冷却剂自然循环流动的冷源和热源，驱动反应堆主容器12内冷却剂产生自然循环流动，将反应堆堆芯13的余热传递给反应堆主容器12的壁面并导致反应堆主容器12的壁面温度上升；

步骤三：随后反应堆主容器12外壁上的空气冷却管道5内部的空气被加热，使得非能动余热排出系统内存在冷热空气密度差，靠着空气本身的密度差驱动空气进行自然循环流动；

步骤四：此时冷空气从空气进口管道2进入非能动余热排出系统，并在空气进口汇聚管道4中分流进入并联的空气冷却管道5，在空气冷却管道5中通过壁面空气对流换热和空气冷却管道肋效应的强化换热下吸收反应堆主容器12传递出的反应堆余热，加热后的热空气经过空气出口汇聚管道7汇聚后由拔风烟囱11排到大气环境中，最终实现反应堆事故余热的非能动排出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于池式铅基反应堆的非能动余热排出系统，其特征在于，包括：

空气进口汇聚管道(4)，沿周向设置在反应堆主容器(12)的底部外壁上；

空气出口汇聚管道(7)，沿周向设置在所述反应堆主容器(12)的顶部外壁上；

空气冷却管道(5)，设置在位于所述空气进口汇聚管道(4)和空气出口汇聚管道(7)之间的所述反应堆主容器(12)外壁上，且所述空气冷却管道(5)的一端与所述空气进口汇聚管道(4)连接，所述空气冷却管道(5)的另一端与所述空气出口汇聚管道(7)连接；

空气进口管道(2)，所述空气进口管道(2)的入口通过进口自动风门(1)与大气环境相连通，所述空气进口管道(2)的出口伸入反应堆堆坑(14)内且与所述空气进口汇聚管道(4)连接；

空气出口管道(9)，所述空气出口管道(9)的入口与所述空气出口汇聚管道(7)连接，所述空气出口管道(9)的出口通过出口自动风门(10)与拔风烟囱(11)的进口连接，所述拔风烟囱(11)的出口与大气环境相连通。

2.根据权利要求1所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述空气冷却管道(5)包括沿周向并联覆盖在所述反应堆主容器(12)外壁上的多根空气冷却贴壁半管，每根所述空气冷却贴壁半管沿轴向焊接在所述反应堆主容器(12)的外壁上，且每根所述空气冷却贴壁半管的下端与所述空气进口汇聚管道(4)连接，上端与所述空气出口汇聚管道(7)连接。

3.根据权利要求1所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述空气冷却管道(5)为相互独立布置的多组。

4.根据权利要求1所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述空气进口汇聚管道(4)和空气出口汇聚管道(7)均采用贴壁半管形式焊接在所述反应堆主容器(12)的外壁上。

5.根据权利要求1到4任一项所述的非能动余热排出系统，其特征在于，还包括保温层(6)，所述保温层(6)采用弧形片状多层金属夹层结构，拼接成圆筒形覆盖在所述空气进口汇聚管道(4)、空气冷却管道(5)、空气出口汇聚管道(7)和反应堆主容器(12)的外表面。

6.根据权利要求1到4任一项所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述空气进口管道(2)和空气进口汇聚管道(4)通过进口管道连接法兰(3)相连接，所述空气出口管道(9)和空气出口汇聚管道(7)通过出口管道连接法兰(8)相连接。

7.根据权利要求1到4任一项所述的非能动余热排出系统，其特征在于，在所述空气进口管道(2)的入口处设置空气过滤净化装置。

8.根据权利要求1到4任一项所述的非能动余热排出系统，其特征在于，在所述反应堆主容器(12)、空气冷却管道(5)的外壁面上设置热电偶以测量壁面的温度；在所述空气进口管道(2)的入口处设置热电偶、压力计和流量计以测量进入系统的冷空气温度、压力和流量；在所述拔风烟囱(11)的出口处设置热电偶和压力计以测量排出系统的热空气温度和压力。

9.一种基于权利要求1到8任一项所述非能动余热排出系统的非能动余热排出方法，其特征在于，该方法的余热排出过程包括两个自然循环回路，分别为反应堆主容器(12)内的液态铅基金属冷却剂自然循环回路和反应堆主容器(12)外的空气自然循环回路。

10.根据权利要求9所述的非能动余热排出方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在事故工况下，进口自动风门(1)和出口自动风门(2)开启，非能动余热排出系统投入运行；

步骤二：反应堆主容器(12)内部的液态铅基冷却剂温度上升，反应堆主容器(12)的壁面和反应堆堆芯(13)分别构成堆内液态铅基金属冷却剂自然循环流动的冷源和热源，驱动反应堆主容器(12)内冷却剂产生自然循环流动，将反应堆堆芯(13)的余热传递给反应堆主容器(12)的壁面并导致反应堆主容器(12)的壁面温度上升；

步骤三：随后反应堆主容器(12)外壁上的空气冷却管道(5)内部的空气被加热，使得非能动余热排出系统内存在冷热空气密度差，靠着空气本身的密度差驱动空气进行自然循环流动；

步骤四：此时冷空气从空气进口管道(2)进入非能动余热排出系统，并在空气进口汇聚管道(4)中分流进入并联的空气冷却管道(5)，在空气冷却管道(5)中通过壁面空气对流换热和空气冷却管道肋效应的强化换热下吸收反应堆主容器(12)传递出的反应堆余热，加热后的热空气经过空气出口汇聚管道(7)汇聚后由拔风烟囱(11)排到大气环境中，最终实现反应堆事故余热的非能动排出。

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