CN112420226A - 一种基于环形气冷器的非能动余热排出系统 - Google Patents

一种基于环形气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环形气冷器的非能动余热排出系统，包括至少两个独立的余热排出子系统和共用的补水箱，其中，每个余热排出子系统包括：由换热水箱和热交换器组成的换热装置，由下降腔、气冷管、上部环形联箱和下部环形联箱组成的环形气冷器，以及环形气冷器入口电动阀和出口电动阀；将气冷管内的热气体作为上升段，下降腔内的冷气体为下降段，依靠冷热气体的密度差和位差在环形气冷器和换热装置之间形成自然循环流动换热，从而在堆芯正常停堆或事故停堆后，实现安全、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

一种基于环形气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，具体涉及一种基于环形气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气冷却塔，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环形气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：
一种基于环形气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气冷器、换热装置、环形气冷器入口电动阀和出口电动阀；所述环形气冷器位于反应堆腔室内且环绕在反应堆压力容器外；所述换热装置与所述补水箱连接，所述换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，停堆信号触发打开设置在余热排出子系统的环形气冷器出口电动阀和入口电动阀，使得环形气冷器与换热装置连通，形成闭式循环流动回路。
进一步地，所述换热装置包括换热水箱和热交换器；
所述换热水箱中装有过冷水，所述热交换器浸没于所述过冷水中。
进一步地，所述环形气冷器包括下降腔、气冷管、上部环形联箱和下部环形联箱；
所述下降腔的外壁面固定设置在反应堆腔室的内壁面上，所述下降腔的顶部与所述热交换器通过环形气冷器的入口电动阀连通，所述下降腔的底部与所述下部环形联箱连通；
所述气冷管等间隔、垂直排列在所述下降腔的内壁面与压力容器的外壁面之间且周向排列；所述气冷管的底部与所述下部环形联箱连接,所述气冷管的顶部与所述上部环形联箱连接；
所述上部环形联箱与所述热交换器通过环形气冷器的出口电动阀连接；所述热交换器的底部高于所述气冷管的顶部；
当所述压力容器中的堆芯热量通过压力容器的壁面辐射到气冷管时，所述气冷管中的气体向上流动到所述热交换器，然后被所述换热水箱中的过冷水冷却后通过下降腔回流到气冷管，往复循环。
进一步地，所述下降腔的内壁面设置有反射保温层。
进一步地，所述环形气冷器还包括环形支承格架；所述气冷管通过环形支承格架固定在所述下降腔的内壁面上。
进一步地，所述反应堆腔室的上壁内侧和下壁内侧均设置有反射保温层。
进一步地，所述气冷管的截面为圆形、长方形、梯形或内外弧形的梯形。
进一步地，所述余热排出子系统通过补水电动阀与所述补水箱连接；
所述补水箱的水位高于所述换热水箱的预设高水位，当所述换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电动阀开启，向换热水箱注水；当换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电动阀关闭。
进一步地，所述环形气冷器入口电动阀、出口电动阀和所述补水电动阀通过可靠电源供电。
本发明提供的一种基于环形气冷器的非能动余热排出系统，通过采用环绕反应堆的压力容器紧凑布置的环形气冷器，通过压力容器的外壁面与环形气冷器中的气冷管之间的辐射换热带出堆芯余热，带热效果好；通过设计气冷管的形状、尺寸(比如长10cm宽3cm，壁厚0.5cm，气冷管间隙3cm)、根数(几百根)和布置，以及环形气冷器中下降腔的内壁面紧贴反射保温层，增强压力容器的壁面与气冷管的辐射换热能力；环形气冷器和换热装置依靠冷热气体的密度差和位差形成自然循环流动换热，换热水箱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为本发明一种基于环形气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中环形气冷器水平剖面俯视图。
图3为图1中压力容器与环形气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气冷器、第一换热装置以及第一环形气冷器的入口电动阀111、121和出口电动阀112、122。
第二余热排出子系统包括第二环形气冷器、第二换热装置以及第二环形气冷器的入口电动阀211、221和出口电动阀212、222。
具体地，在正常停堆或事故停堆后，停堆信号触发打开设置在第一环形气冷器的出口电动阀112或122和入口电动阀111或121，使得第一环形气冷器与第一换热装置连通，形成闭式循环流动回路；或者停堆信号触发打开设置在第二余热排出子系统的环形气冷器出口电动阀212或222和环形气冷器入口电动阀211或221，使得第二环形气冷器与第二换热装置连通，形成闭式循环流动回路。
其中，第一环形气冷器位于反应堆腔室4内且环绕在压力容器3外。第一环形气冷器包括第一下降腔103、多个第一气冷管105、第一下部环形联箱104和第一上部环形联箱106。
第一换热装置包括第一换热水箱100和第一热交换器101，第一换热水箱100中装有过冷水，第一热交换器101浸没于过冷水中。第一换热水箱100的顶部设置有排气管，当第一换热水箱100中的过冷水被加热到饱和状态，产生水蒸气，则通过排气管排出。
本实施例中的第一热交换器101的底部高于第一气冷管105的顶部，增加第一热交换器101内的冷气体与第一气冷管105内的热气体之间的位差，增强自然循环流动。
第一下降腔103的外壁面固定设置在反应堆腔室4的内壁面上，第一下降腔103的顶部经第一环形气冷器的入口电动阀111、121与第一热交换器101连通，第一下降腔103的底部通过管道与第一下部环形联箱104连通。
进一步地，各第一气冷管105等间隔、垂直排列在第一下降腔103的内壁面与压力容器3的外壁面之间且周向排列。
第一气冷管105可以采用横截面为长方形的管道，也可以采用横截面为梯形的管道，还可以采用横截面为内外弧形的管道，具体尺寸可根据实际情况具体设定。本实施例采用横截面为长方形的管道，尺寸为长10cm、宽3cm、壁厚0.5cm的管道、每相邻两个第一气冷管105的间隙设置为3cm。第一气冷管105的底部直接与第一下部环形联箱104连接，第一气冷管105的顶部直接与第一上部环形联箱106连接，第一上部环形联箱106与第一热交换器101经第一环形气冷器的出口电动阀112、122连接。
当压力容器3中的堆芯热量通过压力容器3的壁面辐射到第一气冷管105时，第一气冷管105中的气体升温、体积变大、密度变低，向上流动到第一热交换器101，然后被第一换热水箱100中的过冷水冷却后通过第一下降腔103回流到各第一气冷管105，往复循环。当第一换热水箱100中的过冷水被加热到饱和状态，产生水蒸气，则通过排气管排出。
本实施例中补水箱300的水位需要设置为高于第一换热水箱100的预设高水位。当第一换热水箱100水位降低到预设低水位时，低水位信号触发补水箱300对应的补水电动阀107开启，通过重力向换热水箱100注水；当换热水箱100水位上升到预设高水位时，高水位信号触发补水箱300对应的补水电动阀107关闭，以实现换热水箱100水位控制在高水位与低水位之间，以保证热交换器101带出事故停堆后72小时的堆芯余热。
第一气冷管105内的热气体作为上升段，第一热交换器101中被冷却的气体进入第一下降腔103做为下降段，依靠冷热气体的密度差和位差形成自然循环流动，第一换热水箱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、反应堆腔室4的壁面超过预设温度。
同理，第二环形气冷器位于反应堆腔室4内且环绕在压力容器3外。第二环形气冷器包括第二下降腔203、多个第二气冷管205、第二下部环形联箱204和第二上部环形联箱206。
第二换热装置包括第二换热水箱200和第二热交换器201，第二换热水箱200中装有过冷水，第二热交换器201浸没于过冷水中。第二换热水箱200的顶部设置有排气管，当第二换热水箱200中的过冷水被加热到饱和状态，产生水蒸气，则通过排气管排出。
本实施例中的第二热交换器201的底部高于第二气冷管205的顶部，增加第二热交换器201内的冷气体与第二气冷管205内的热气体之间的位差，增强自然循环流动。
第二下降腔203的外壁面固定设置在反应堆腔室4的内壁面上，第二下降腔203的顶部经第二环形气冷器的入口电动阀211、221与第二热交换器201连通，第二下降腔203的底部通过管道与第二下部环形联箱204连通。
进二步地，各第二气冷管205等间隔、垂直排列在第二下降腔203的内壁面与压力容器3的外壁面之间且周向排列。
第二气冷管105可以采用横截面为长方形的管道，也可以采用横截面为梯形的管道，还可以采用横截面为内外弧形的管道，具体尺寸可根据实际情况具体设定。本实施例采用横截面为长方形的管道，尺寸为长10cm、宽3cm、壁厚0.5cm的管道、每相邻两个第二气冷管105的间隙设置为3cm。第二气冷管205的底部直接与第二下部环形联箱204连接，第二气冷管205的顶部直接与第二上部环形联箱206连接，第二上部环形联箱206与第二热交换器201经第二环形气冷器的出口电动阀212、222连接。
当压力容器3中的堆芯热量通过压力容器3的壁面辐射到第二气冷管205时，第二气冷管205中的气体升温、体积变大、密度变低，向上流动到第二热交换器201，然后被第二换热水箱200中的过冷水冷却后通过第二下降腔203回流到各第二气冷管205，往复循环。当第二换热水箱200中的过冷水被加热到饱和状态，产生水蒸气，则通过排气管排出。
本实施例中补水箱300的水位需要设置为高于第二换热水箱200的预设高水位。当第二换热水箱200水位降低到预设低水位时，低水位信号触发补水箱300对应的补水电动阀207开启，通过重力向换热水箱200注水；当换热水箱200水位上升到预设高水位时，高水位信号触发补水箱300对应的补水电动阀207关闭，以实现换热水箱200水位控制在高水位与低水位之间，以保证热交换器201的正常带热。
第二气冷管205内的热气体作为上升段，第二热交换器201中被冷却的气体进入第二下降腔203做为下降段，依靠冷热气体的密度差和位差形成自然循环流动，第二换热水箱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、反应堆腔室4的壁面超过预设温度。
进一步地，下降腔的内壁面设置有反射保温层。
进一步地，环形气冷器还包括环形支承格架5；气冷管通过环形支承格架5固定在下降腔的内壁面上，用于放置气冷管。
进一步地，反应堆腔室的上壁内侧和下壁内侧均设置有反射保温层。
进一步地，气冷管的截面为圆形、长方形、梯形或内外弧形的梯形。
进一步地，环形气冷器的入口电动阀、出口电动阀和补水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)

1.一种基于环形气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气冷器、换热装置、环形气冷器的入口电动阀和出口电动阀；所述环形气冷器位于反应堆腔室内且环绕在反应堆压力容器外；所述换热装置与所述补水箱连接，所述换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，停堆信号触发打开设置在余热排出子系统的环形气冷器出口电动阀和入口电动阀，使得环形气冷器与换热装置连通，形成闭式循环流动回路。
2.根据权利要求1所述的基于环形气冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述换热装置包括换热水箱和热交换器；
所述换热水箱中装有过冷水，所述热交换器浸没于所述过冷水中。
3.根据权利要求2所述的基于环形气冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述环形气冷器包括下降腔、气冷管、上部环形联箱和下部环形联箱；
所述下降腔的外壁面固定设置在反应堆腔室的内壁面上，所述下降腔的顶部与所述热交换器经所述环形气冷器的入口电动阀连通，所述下降腔的底部与所述下部环形联箱连通；
所述气冷管等间隔、垂直排列在所述下降腔的内壁面与压力容器的外壁面之间且周向排列；所述气冷管的底部与所述下部环形联箱连接,所述气冷管的顶部与所述上部环形联箱连接；
所述上部环形联箱与所述热交换器经所述环形气冷器的出口电动阀连接；所述热交换器的底部高于所述气冷管的顶部。
当所述压力容器中的堆芯热量通过压力容器的壁面辐射到气冷管时，所述气冷管中的气体向上流动到所述热交换器，然后被所述换热水箱中的过冷水冷却后通过下降腔回流到气冷管，往复循环。
4.根据权利要求3所述的基于环形气冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述下降腔的内壁面设置有反射保温层。
5.根据权利要求3所述的基于环形气冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述环形气冷器还包括环形支承格架；所述气冷管通过环形支承格架固定在所述下降腔的内壁面上。
6.根据权利要求3所述的基于环形气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内侧和下壁内侧均设置有反射保温层。
7.根据权利要求3所述的基于环形气冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述气冷管的截面为圆形、长方形、梯形或内外弧形的梯形。
8.根据权利要求1所述的基于环形气冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述余热排出子系统通过补水电动阀与所述补水箱连接；
所述补水箱的水位高于所述换热水箱的预设高水位，当所述换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电动阀开启，向换热水箱注水；当换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电动阀关闭。
9.根据权利要求1所述的所述一种基于环形气冷器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述环形气冷器入口的电动阀、出口电动阀和所述补水电动阀通过可靠电源供电。
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