CN112382420A - 一种基于水冷器的非能动余热排出系统 - Google Patents

一种基于水冷器的非能动余热排出系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于水冷器的非能动余热排出系统，通过采用环绕反应堆压力容器紧凑布置的环形水冷器，带出堆芯余热，并将循环排热水箱分割为热区和冷区，热区和冷区的顶部双向连通，底部设置单向流向装置，以限制冷流体只能从热区流向冷区，有利于水蒸气通过其顶部的排气管排出，并增强循环排热水箱与环形水冷器之间的自然循环能力；将水冷管内的热流体作为上升段，圆环形下降腔内的冷流体为下降段，依靠冷热流体的位差和密度差形成自然循环流动，循环排热水箱热区内形成的水蒸气通过其顶部的排气管排出，实现堆芯正常停堆或事故停堆后，更安全、更可靠地排出堆芯内的剩余热量，并保证燃料包壳、压力容器、反应堆腔室壁面的温度不超过允许温度。

Description

一种基于水冷器的非能动余热排出系统
技术领域
本发明涉及核工业冷却系统技术领域，具体涉及一种基于水冷器的非能动余热排出系统。
背景技术
核反应堆停堆后，由于堆芯内的剩余裂变和裂变产物的衰变，堆芯内会有剩余发热并且持续相当长的时间。堆芯的热量会导致堆芯燃料和堆芯冷却剂温度升高，导致燃料元件破损甚至熔化，从而造成放射性物质大量向外释放，发生核安全事故。因此，需要设置安全级的余热排出系统将堆芯内剩余的热量带到最终热阱。与压水堆不同，液体金属冷却反应堆采用低熔点的金属作为冷却剂，比如钠钾合金、铅铋合金等，这些液体金属冷却剂具有比热容和热导率大、熔点低沸点高的特点，因此，液体金属冷却反应堆具有导热性能好、热效率高、功率大，同时，金属冷却反应堆设计紧凑且体积小、自然循环能力大且噪音小，被视为第四代先进核能系统的优选堆型之一。
在堆芯剩余热量被水冷壁带出至最终热阱(如大气)的过程中，现有的液体金属冷却反应堆的余热排出系统采用基于水冷器的能动循环冷却方式，需要动力电源驱动泵，即使采用冗余设计，一旦丧失能力电源，能动系统将失效；采用基于水冷器的非能动余热排出系统，其所采用空冷器与空水冷却塔，系统复杂且建造成本高，不适应反应堆小型化、紧密布置等要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的液体金属冷却反应堆系统复杂且建造成本高，不适应反应堆小型化、紧密布置等要求。本发明提供了一种基于水冷器的非能动余热排出系统，以适应反应堆小型化、紧密布置等要求，从而实现堆芯正常停堆或事故停堆后，更安全、更可靠地排出堆芯内的剩余热量，并保证燃料包壳、压力容器、反应堆腔室壁面的温度不超过允许温度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于水冷器的非能动余热排出系统，包括至少两个余热排出子系统和一个补水箱，所有所述余热排出子系统均连接至补水箱；
其中，每一所述余热排出子系统包括环形水冷器、上部环形联箱、下部环形联箱和循环排热装置；所述环形水冷器位于反应堆腔室内且环绕在反应堆压力容器的周围；所述环形水冷器的顶部与所述上部环形联箱连通，所述环形水冷器的底部与所述下部环形联箱连通；所述循环排热装置连通于所述环形水冷器、所述上部环形联箱和所述补水箱，所述循环排热装置的顶部设置有排气管，用于排出水蒸气；
在正常停堆或事故停堆后，停堆信号触发打开所述余热排出子系统中循环排热装置与冷却器连接的电动阀，所述循环排热装置通过重力向环形水冷器注水，所述环形水冷器中的空气被驱动到循环排热装置中，并通过循环排热装置顶部的排气管排出，形成循环流动回路。
进一步地，所述循环排热装置包括循环排热水箱和隔板；
所述隔板用于将所述循环排热水箱分隔成热区和冷区；所述冷区和所述热区的顶部双向连通；所述冷区和所述热区的底部设置有单向流向装置，用于将热区的冷流体流向冷区；
所述循环排热水箱的冷区通过出水管道的电动阀与环形水冷器的顶部连接，所述循环排热水箱的热区通过上升热管道的电动阀与上部环形联箱连接；
所述循环排热水箱的底部高于所述环形水冷器的顶部。
进一步地，所述环形水冷器气包括圆环形下降腔和水冷管；
所述水冷管等间隔、垂直排列在所述圆环形下降腔的内壁面与压力容器的外壁面之间且周向排列；所述水冷管的底部与下部环形联箱连通，所述水冷管的顶部与上部环形联箱连通；
所述圆环形下降腔的顶部与所述循环排热水箱的冷区连通，所述圆环形下降腔的底部与所述下部环形联箱连通。
进一步地，所述圆环形下降腔的内壁设置有反射保温层。
进一步地，所述水冷管的截面为圆形，所述圆形的直径为3cm-5cm，所述水冷管的壁厚为0.4cm-0.5cm；相邻所述水冷管的圆心之间的距离为0.8cm-1cm。
进一步地，所述环形水冷器的外壁面固定设置在所述反应堆腔室的内壁面。
进一步地，所述反应堆腔室的上壁面内侧和下壁面内侧均设置有反射保温层。
进一步地，所述循环排热水箱通过电动阀与所述补水箱连接；
所述补水箱的水位高于所述循环排热水箱的预设高水位，当所述循环排热水箱中的水位降低到预设低水位时，低水位信号触发补水箱对应的补水管道上的电动阀开启，向循环排热水箱注水；当循环排热水箱中的水位上升到预设高水位时，高水位信号触发补水箱对应的补水管道上的电动阀关闭。
进一步地，所述与排热水箱连接的电动阀由可靠电源供电。
本发明提供的一种基于环形水冷器的非能动余热排出系统，通过采用环绕反应堆压力容器紧凑布置的环形水冷器，通过压力容器外壁面与环形水冷器中的水冷管之间的辐射换热带出堆芯余热，带热效果好；循环排热水箱被隔板分成热区和冷区，热区和冷区的顶部双向连通，热区和冷区的底部设置单向流向装置，限制冷流体只能从热区流向冷区，有利于水蒸气通过其顶部的排气管排出，并增强循环排热水箱与环形水冷器之间的自然循环能力；将水冷管内的热流体作为上升段，圆环形下降腔内的冷流体为下降段，依靠冷热流体的位差和密度差形成自然循环流动，循环排热水箱热区内形成的水蒸气通过其顶部的排气管排出，从而实现堆芯正常停堆或事故停堆后，更安全、更可靠地排出堆芯内的剩余热量，并保证燃料包壳、压力容器、反应堆腔室壁面的温度不超过允许温度。
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：
图1为本发明一种基于水冷器的非能动余热排出系统中一具体实施例示意图。
图2为图1中环形水冷器水平剖面俯视图。
图3为图1中压力容器与环形水冷器之间的辐射换热示意图。
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
为便于理解，以两个余热排出子系统为例进行说明。如图1-图3所示，包括第一余热排出子系统和第二余热排出子系统，第一余热排出子系统和第二余热排出子系统共用一个补水箱300。
其中，第一余热排出子系统包括第一环形水冷器、第一上部环形联箱106、第一下部环形联箱104和第一循环排热装置。
本实施例的第一环形水冷器位于反应堆腔室4内且环绕压力容器3的周围。第一环形水冷器包括第一圆环形下降腔103和多个第一水冷管105。第一循环排热装置包括第一循环排热水箱100和第一隔板101。其中，第一隔板101用于将第一循环排热水箱100分隔成热区和冷区；热区和冷区的顶部双向连通，以使第一循环排热水箱100的热区内形成的水蒸气通过其顶部的排气管排出；冷区和热区的底部设置有单向流向装置，用于将热区的冷流体流向冷区冷却，而冷区的冷流体不会流向热区。
具体地，第一环形水冷器的第一水冷管105的顶部与第一上部环形联箱106连通，第一环形水冷器的第一水冷管105底部与第一下部环形联箱104连通；第一循环排热装置的冷区通过第一出水管道的电动阀102与第一圆环形下降腔103的顶部连接,第一循环排热装置的热区通过第一上升热管道的电动阀111与第一上部环形联箱106连接。第一循环排热装置通过第一补水管道上的电动阀107与补水箱300的一端连接，第一循环排热装置的顶部设置有排气管，用于排出水蒸气。
进一步地，各第一水冷管105等间隔、垂直排列在第一圆环形下降腔103的内壁面与压力容器3的外壁面之间且周向排列；第一水冷管105的底部与第一下部环形联箱104连通；第一水冷管105的顶部与第一上部环形联箱106连通。
第一圆环形下降腔103的顶部与第一循环排热水箱100的冷区连通，第一圆环形下降腔103的底部与第一下部环形联箱104连通。
具体地，在正常停堆或事故停堆后，停堆信号触发打开第一余热排出子系统中第一循环排热装置的第一出水管道的电动阀102及第一上升热管道的电动阀111，第一循环排热水箱100通过重力向第一圆环形下降腔103和第一水冷管105注水，第一圆环形下降腔103和第一水冷管105中的空气被驱动到第一循环排热水箱100的热区中，并通过第一循环排热水箱100顶部的排气管排出。
本实施例中的第一循环排热水箱100的底部高于第一环形水冷器的顶部，以方便第一循环排热水箱100的水顺利流入第二环形水冷器。
系统运行初期，由于压力容器3外壁面温度较低，辐射到第一水冷管105的热量较小，第一水冷管105内的水还处于单相状态。当堆芯热量不断加热压力容器3的壁面，升温的压力容器3壁面把大量热量辐射到第一水冷管105。随着时间增加，第一循环排热水箱100内的水加热变成饱和状态、两相状态。当到达两相状态时，堆芯、压力容器3的壁面、第一水冷管105的换热过程达到平衡状态。
系统运行期间，冷流体从第一循环排热水箱100的冷区经多个第一环形水冷器105流到第一循环排热水箱100的热区，再通过单向流向装置回流到冷区，第一循环排热水箱100内的水蒸气通过其顶部的排气管排出。
第一循环排热水箱100冷区内的水位降低到预设低水位时，低水位信号触发补水箱300对应的第一补水管道上的电动阀107开启，实现通过重力向第一循环排热水箱100的冷区注水。当第一循环排热水箱100的冷区水位上升到预设高水位时，高水位信号触发补水箱300对应的第一补水管道上的电动阀107关闭。将第一循环排热水箱100的冷区水位控制在高水位与低水位之间，维持第一环形水冷器与第一循环排热水箱100之间的自然循环流动。
需要说明的是，第一环形水冷器的第一水冷管105内的热流体作为上升段，第一循环排热水箱100与第一圆环形下降腔103内的冷流体为下降段，依靠冷热流体的密度差和位差形成自然循环流动，第一循环排热水箱100内形成的水蒸气通过其顶部的排气管排出，因此，堆芯中的剩余热量被系统长期带出，并避免压力容器3的壁面和反应堆腔室4的壁面超过预设温度。
同理，第二余热排出子系统包括第二环形水冷器、第二上部环形联箱206、第二下部环形联箱204和第二循环排热装置。
本实施例的第二环形水冷器位于反应堆腔室4内且环绕压力容器3的周围。第二环形水冷器气包括第二圆环形下降腔203和多个第二水冷管205。第二循环排热装置包括第二循环排热水箱200和第二隔板201。其中，第二隔板201用于将第二循环排热水箱200分隔成热区和冷区；冷区和热区的顶部双向连通，以使第二循环排热水箱200的热区内形成的水蒸气通过其顶部的排气管排出；冷区和热区的底部设置有单向流向装置，用于将热区的冷流体流向冷区冷却，而冷区的冷流体不会流向热区。
具体地，第二环形水冷器的第二水冷管205的顶部与第二上部环形联箱206连通，第二环形水冷器的第二水冷管205的底部与第二下部环形联箱204连通；第二循环排热装置的冷区通过第二出水管道的电动阀202与第二圆环形下降腔203的顶部连接,第二循环排热装置的热区通过第二上升热管道的电动阀211与第二上部环形联箱206连接。第二循环排热装置通过第一补水管道上的电动阀207与补水箱300的另一端连接，第二循环排热装置的顶部设置有排气管，用于排出水蒸气。
进一步地，各第二水冷管205等间隔、垂直排列在第二圆环形下降腔203的内壁面与压力容器3的外壁面之间且周向排列；第二水冷管205的底部与第二下部环形联箱204连通；第二水冷管205的顶部与第二上部环形联箱206连通.
第二圆环形下降腔203的顶部与第二循环排热水箱200的冷区连通，第二圆环形下降腔203的底部与第二下部环形联箱204连通。
具体地，在正常停堆或事故停堆后，停堆信号触发打开第二余热排出子系统中第二循环排热装置的出水管道的第二出水管道的电动阀202及上升热管道的第二上升热管道的电动阀211，第二循环排热水箱200通过重力向第二圆环形下降腔203和第二水冷管205注水，第二圆环形下降腔203和第二水冷管205中的空气被驱动到第二循环排热水箱200的热区中，并通过第二循环排热水箱200顶部的排气管排出，形成循环流动回路。
本实施例中的第二循环排热水箱200的底部高于第二环形水冷器的顶部，以方便第二循环排热水箱200的水顺利流入第二环形水冷器。
系统运行初期，由于压力容器3外壁面温度较低，辐射到第二水冷管205的热量较小，第二水冷管205内的水还处于单相状态。当堆芯热量不断加热压力容器3的壁面，升温的压力容器3壁面把大量热量辐射到第二水冷管205。随着时间增加，第二循环排热水箱200内的水加热变成饱和状态、两相状态。当到达两相状态时，堆芯、压力容器3的壁面、第二水冷管205的换热过程达到平衡状态。
系统运行期间，冷流体从第二循环排热水箱200的冷区经多个第二环形水冷器205流到第二循环排热水箱200的热区，再通过单向流向装置回流到冷区，第二循环排热水箱200内的水蒸气通过其顶部的排气管排出。
第二循环排热水箱200冷区内的水位降低到预设低水位时，低水位信号触发补水箱300对应的第二补水管道上的电动阀207开启，实现通过重力向第二循环排热水箱200的冷区注水。当第二循环排热水箱200的冷区水位上升到预设高水位时，高水位信号触发补水箱300对应的第二补水管道上的电动阀207关闭。将第二循环排热水箱200的冷区水位控制在高水位与低水位之间，维持第二环形水冷器与第二循环排热水箱200之间的自然循环流动。
需要说明的是，第二环形水冷器的第二水冷管205内的热流体作为上升段，第二循环排热水箱200与第二圆环形下降腔203内的冷流体为下降段，依靠冷热流体的密度差和位差形成自然循环流动，第二循环排热水箱200内形成的水蒸气通过其顶部的排气管排出，因此，堆芯中的剩余热量被系统长期带出，并避免压力容器3的壁面和反应堆腔室4的壁面超过预设温度。
进一步地，下降腔内壁面内侧设置有反射保温层。
进一步地，水冷管的截面为圆形，圆形的直径为3cm-5cm，水冷管的壁厚为0.4cm-0.5cm；相邻水冷管的圆心之间的距离为0.8cm-1cm。
进一步地，环形水冷器的外壁面固定设置在反应堆腔室4的内壁面。
进一步地，反应堆腔室4的上壁面内侧和下壁面内侧均设置有反射保温层。
进一步地，与循环排热水箱连接的电动阀通过可靠电源供电，可以保证事故停堆后72小时内系统的启闭。
本实施例中的可靠电源指蓄电池等可靠电源措施，通过蓄电池给阀门供电，保证阀门在丧失外部电源后也可以正常开启。
具体地，以上所述具体实施方式，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 (9)

1.一种基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，包括至少两个余热排出子系统和一个补水箱，所有所述余热排出子系统均连接至补水箱；
其中，每一所述余热排出子系统包括环形水冷器、上部环形联箱、下部环形联箱和循环排热装置；所述环形水冷器位于反应堆腔室内且环绕在反应堆压力容器的周围；所述环形水冷器的顶部与所述上部环形联箱连通，所述环形水冷器的底部与所述下部环形联箱连通；所述循环排热装置连通于所述环形水冷器、所述上部环形联箱和所述补水箱，所述循环排热装置的顶部设置有排气管，用于排出水蒸气；
在正常停堆或事故停堆后，停堆信号触发打开所述余热排出子系统中循环排热装置与环形水冷器连接的电动阀，所述循环排热装置通过重力向环形水冷器注水，所述环形水冷器中的空气被驱动到循环排热装置中，并通过循环排热装置顶部的排气管排出。
2.根据权利要求1所述的基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述循环排热装置包括循环排热水箱和隔板；
所述隔板用于将所述循环排热水箱分隔成热区和冷区；所述冷区和所述热区的顶部双向连通；所述冷区和所述热区的底部设置有单向流向装置，用于将热区的冷流体流向冷区；
所述循环排热水箱的冷区通过出水管道的电动阀与环形水冷器的顶部连接，所述循环排热水箱的热区通过上升热管道的电动阀与上部环形联箱连接；
所述循环排热水箱的底部高于所述环形水冷器的顶部。
3.根据权利要求2所述的基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述环形水冷器包括圆环形下降腔和水冷管；
所述水冷管等间隔、垂直排列在所述圆环形下降腔的内壁面与压力容器的外壁面之间且周向排列；所述水冷管的底部与下部环形联箱连通，所述水冷管的顶部与上部环形联箱连通；
所述圆环形下降腔的顶部与所述循环排热水箱的冷区连通，所述圆环形下降腔的底部与所述下部环形联箱连通。
4.根据权利要求3所述的所述一种基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述圆环形下降腔的内壁设置有反射保温层。
5.根据权利要求3所述的基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述水冷管的截面为圆形，所述圆形的直径为3cm-5cm，所述水冷管的壁厚为0.4cm-0.5cm；相邻所述水冷管的圆心之间的距离为0.8cm-1cm。
6.根据权利要求1所述的基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述环形水冷器的外壁面固定设置在所述反应堆腔室的内壁面。
7.根据权利要求1所述的基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述反应堆腔室的上壁面内侧和下壁面内侧均设置有反射保温层。
8.根据权利要求2所述的基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述循环排热水箱通过电动阀与所述补水箱连接；
所述补水箱的水位高于所述循环排热水箱的预设高水位，当所述循环排热水箱中的水位降低到预设低水位时，低水位信号触发补水箱对应的补水管道上的电动阀开启，向循环排热水箱注水；当循环排热水箱中的水位上升到预设高水位时，高水位信号触发补水箱对应的补水管道上的电动阀关闭。
9.根据权利要求1所述的所述一种基于水冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述与循环排热水箱连接的电动阀通过可靠电源供电。
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