CN113299413A - 一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，包括非能动堆腔注水系统、纳米流体非能动注入系统以及反应堆压力容器系统；反应堆压力容器系统设置有保护循环流道；保护循环流道包括堆腔壁、压力容器和压力容器保温层，压力容器保温层的内壁与压力容器的外壁形成保温层流道，压力容器保温层的外壁与堆腔壁形成混合流道，压力容器保温层的底部设置有入口，顶部设置有出口，混合流道与保温层流道通过入口和出口连通；冷却水或/和纳米流体从入口进入保温层流道，并从出口回流至混合流道。本发明的目的在于提供一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，纳米流体仅存在于保温层流道和混合流道内，避免对其他水源带来影响。

Description

一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统

技术领域

本发明涉及核电厂堆芯熔融物堆内冷却与滞留措施技术领域，尤其涉及一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统。

背景技术

核电厂发生堆芯熔化的严重事故后，反应堆堆芯熔融物迁移到压力容器下封头内形成熔融池。高温熔融物使下封头壁面产生大量热负荷，当局部壁面热流密度超过该处的临界热流密度时，则压力容器外表面传热急剧恶化，温度显著上升，存在被熔穿失效的风险。熔融物堆内冷却和滞留措施(In-Vessel Retention，IVR)是第三代压水堆应对严重事故的重要缓解措施之一，该措施通过堆腔注水冷却系统淹没堆腔、冷却反应堆压力容器外壁面(External Reactor Vessel Cooling，ERVC)，导出下封头内熔融池的热量，避免压力容器失效。

为了提高核电厂的经济性，主要采用提高反应堆的运行功率，但是相应增加了熔融池的衰变热，导致熔融池到压力容器下封头的热流密度增加；目前IVR有效性评价基本采用三层熔融池结构(上层金属层，下层氧化池)，而熔融池结构分层相关试验表明，可能形成底部重金属层，但是底部重金属层的形成促使顶部轻金属层中金属质量减小、厚度变薄，导致轻金属层到压力容器的热流密度显著增加。因此，为了保证IVR有效性，需要提高压力容器外壁面的临界热流密度。

影响压力容器外壁面的临界热流密度的因素主要包括：冷却介质、流量、压力、温度、间隙等。流量、压力、温度、间隙等因素受边界条件的限制制约了临界热流密度的进一步提高。相比纯水，纳米流体具有更好的换热性能，可以提高压力容器外壁面的临界热流密度。Seong Dae Park 2013进行了石墨烯氧化物纳米流体应用于APR1400压力容器外部冷却的流动沸腾CHF试验，结果表明石墨烯氧化物纳米流体与纯水相比，其CHF提高20％。Q.T.Pham 2012开展了下封头表面0度、30度、45度、60度、90度的纳米流体CHF实验，结果表明3种纳米流体较纯水均具有显著的CHF强化效果(20％到50％)。因此，在压水堆严重事故的IVR策略中，应用纳米流体可以显著提高IVR有效性。

在申请号为：201410394752.0的发明专利中公布了一种反应堆压力容器外部冷却系统，包括能动冷却单元、非能动冷却单元和纳米流体单元，纳米流体单元并联在能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上以及非能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上；所述能动冷却单元包括能动注入水源和能动注入泵，能动注入水源通过能动注入泵与压力容器保温层连通；所述非能动冷却单元包括非能动注入水源，非能动注入水源与压力容器保温层连通；所述纳米流体单元包括纳米流体贮存罐。该系统通过纳米流体注入，使严重工况下压力容器获得更为可靠和强力的持续冷却，从而使IVR过程更为可靠；但是由于该方案纳米流体单元与能动注水单元、非能动注水单元之间管道相互连接，不能独立运行，会互相影响、干扰，非能动流量控制复杂、难度大，而且纳米流体会流到安全壳其他区域，比如地坑，从而扩大流动范围，导致污染其他水源，带来不良影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，纳米流体注入单元与非能动注水单元物理上完全分离，不会互相影响和干扰，纳米流体活动范围受到控制，仅存在于保温层流道和混合流道内，可避免对其他水源带来的影响。

本发明通过下述技术方案实现：

一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，包括非能动堆腔注水系统、纳米流体非能动注入系统以及反应堆压力容器系统；

其中，所述反应堆压力容器系统设置有保护循环流道；

所述保护循环流道包括堆腔壁、压力容器和压力容器保温层，所述压力容器保温层的内壁与所述压力容器的外壁形成保温层流道，所述压力容器保温层的外壁与所述堆腔壁形成混合流道，且所述压力容器保温层的底部设置有入口，所述混合流道与所述保温层流道通过入口连通；所述压力容器保温层的顶部设置有出口，所述混合流道与所述保温层流道通过出口连通；

所述非能动堆腔注水系统中的冷却水或/和所述纳米流体非能动注入系统中的纳米流体从所述入口进入所述保温层流道，并从所述出口回流至所述混合流道。

优选地，所述非能动堆腔注水系统和所述纳米流体非能动注入系统的排出口均位于所述混合流道内。

优选地，所述非能动堆腔注水系统包括水箱和堆腔注水管道，所述堆腔注水管道上设置有注水阀门；当所述注水阀门打开时，所述水箱内的冷却水通过所述堆腔注水管道注入所述混合流道。

优选地，所述纳米流体非能动注入系统包括纳米流体存储罐和纳米流体注入管道，所述纳米流体注入管道上设置有阀门；当所述阀门打开时，所述纳米流体存储罐内的纳米流体通过所述纳米流体注入管道注入所述混合流道。

优选地，所述纳米流体非能动注入系统还包括气体压力罐，所述气体压力罐与所述纳米流体存储罐连通设置。

优选地，所述纳米流体注入管道靠近所述堆腔侧还设置有扩散喷头，当所述阀门打开时，所述扩散喷头将所述纳米流体扩散至所述混合流道。

优选地，所述纳米流体非能动注入系统设置为至少两套。

优选地，还包括用于将多套所述纳米流体非能动注入系统中的所述纳米流体注入管道连通的连通管道，所述连通管道的多个端面同时设置于靠近所述纳米流体存储罐的阀门侧或靠近所述混合流道的阀门侧。

优选地，所述纳米流体存储罐内存储的纳米流体的PH值为4。

优选地，所述纳米流体存储罐内存储的纳米流体的体积由下式获取：

V＝(1+k)*Vs*S2/(S1-S2+S1*S2)；

其中，V表示纳米流体存储罐内存储的纳米流体的体积，k表示裕量，Vs表示水源体积，S2表示纳米流体混合后的纳米流体体积浓度，S1表示纳米流体存储罐内存储的纳米流体的体积浓度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、通过对反应堆压力容器系统的改进，使得保温层流道与混合流道连通设置，当冷却液或纳米流体从混合流道进入到保温层流道后，冷却液或纳米流体又能从保温层流道顶部的出口回流至混合流道进行冷却，以形成大流量的自然循环流动，不仅可以避免冷却液或纳米流体流入其他区域，造成水源污染；同时由于冷却液或纳米流体的循环流动，促使形成分散性好、稳定性好、持久防止团聚的纳米流体并保持稳定性，稳定性好的纳米流体提供所需的压力容器外壁面CHF增强能力，从而提高IVR有效性的裕量；

2、纳米流体非能动注入系统与非能动堆腔注水系统在物理上完全分离，不会互相影响和干扰，当纳米流体非能动注入系统失效，不会影响非能动堆腔注水系统的注水；

3、设置有气体压力罐和扩散喷头，压力气体驱动和扩散喷头共同作用增强纳米粒子在堆腔中与水混合，从而提供所需的压力容器外壁面CHF增强能力。

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为本发明的结构示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1、压力容器保温层；2、保温层流道；3、压力容器；4、堆腔壁；5、混合流道；10、水箱；11、注水阀门；21、气体压力罐；22、纳米流体存储罐；23、阀门；24、扩散喷头；40、连通管道。

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

一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，如图1所示，包括非能动堆腔注水系统、纳米流体非能动注入系统以及反应堆压力容器系统；

其中，反应堆压力容器系统设置有保护循环流道；本实施例中的保护循环流道包括堆腔壁4、压力容器3和压力容器保温层1，压力容器保温层1的内壁与压力容器3的外壁形成保温层流道2，压力容器保温层1的外壁与堆腔壁4形成混合流道5，且压力容器保温层1的底部设置有入口，混合流道5与保温层流道2通过入口连通；压力容器保温层1的顶部设置有出口，混合流道5与保温层流道2通过出口连通；

非能动堆腔注水系统中的冷却水或/和纳米流体非能动注入系统中的纳米流体从入口进入保温层流道2，并从出口回流至混合流道5。

在本实施例中，通过对反应堆压力容器系统的改进，使得堆腔壁4、压力容器3和压力容器保温层1形成连通的保温层流道2与混合流道5，即：当冷却水和纳米流体进入混合流道5混合后能够通过保温层底部的入口进入到保温层流道2内对反应堆容器进行降温，同时又能从出口回流至混合流道5内进行冷却，通过出口和入口形成自然的循环流动，不仅可以避免冷却液或纳米流体流入其他区域，造成水源污染；同时由于冷却液和纳米流体的循环流动，促使形成分散性好、稳定性好、持久防止团聚的纳米流体并保持稳定性，稳定性好的纳米流体提供所需的压力容器3外壁面CHF增强能力，从而提高IVR有效性的裕量。

进一步地，非能动堆腔注水系统和纳米流体非能动注入系统的排出口均位于混合流道5内。在本实施例中，非能动堆腔注水系统和纳米流体非能动注入系统的排出口均位于混合流道5内，二者在混合流道5混合均匀后再进入到保温层流道2内。相比于现有技术中，通过非能动注入单元或能动注入单元的冷却水流入纳米流体贮存罐，以驱动纳米流体流入压力容器保温层1，本实施例中的混合方式可以保证纳米流体的浓度较为均匀，减少纳米流体浪费的同时提高所需的压力容器3外壁面CHF增强能力。

进一步地，本实施例中的非能动堆腔注水系统包括水箱10和堆腔注水管道，堆腔注水管道上设置有注水阀门11；当注水阀门11打开时，水箱10内的冷却水通过堆腔注水管道注入混合流道5；纳米流体非能动注入系统包括纳米流体存储罐22和纳米流体注入管道，纳米流体注入管道上设置有阀门23；当阀门23打开时，纳米流体存储罐22内的纳米流体通过纳米流体注入管道注入混合流道5。

具体实施时，水箱10和纳米流体存储罐22的设置位置均高于压力容器3的位置，以确保在打开注水阀门11或阀门23时，水箱10内的冷却液或纳米流体存储罐22内的纳米流体均能够依靠自重注入混合流道5内。

其中，本实施例中的注水阀门11和阀门23均设置为电动阀。

相对于现有技术中，纳米流体单元的运行依赖于能动注水单元或非能动注水单元提供的驱动力，当纳米流体单元的管道破损、公共管道破损或者流量控制单元故障卡关均会导致注水单元的冷却水和纳米流体单元的纳米流体都无法进入压力容器保温层1，从而导致整个冷却系统失效。在本实施例中，纳米流体非能动注入系统与非能动堆腔注水系统完全独立运行，当打开注水阀门11时，非能动堆腔注水系统向混合流道5非能动注入冷却水；打开阀门23时，纳米流体非能动注入系统将纳米流体注入混合流道5，因此纳米流体非能动注入系统与非能动堆腔注水系统在物理上完全分离，不会互相影响和干扰，当纳米流体非能动注入系统失效，不会影响非能动堆腔注水系统的注水。此外，由于纳米流体非能动注入系统与非能动堆腔注水系统完全独立运行，因此可以直接在核电厂现有的堆腔注水冷却系统的基础上直接增设纳米流体注入系统，而不会对现有堆腔注水冷却系统造成影响。

另外，本实施例中的纳米流体存储罐22设置为圆柱形结构，为了避免纳米流体存储罐22被纳米流体腐蚀，采用二级钛(TA2)或其他耐腐蚀性好的材料制成。本实施例中，纳米流体存储罐22存储浓缩纳米流体，纳米流体为氧化铝或其他纳米颗粒，并通过少量添加硝酸控制其pH值在4左右，以防止纳米颗粒由于其高表面活性而团聚并沉淀，维持纳米流体的稳定性。

在本实施例中，为了保证单次冷却系统开启不造成纳米流体的浪费以及冷却效果最佳，纳米流体存储罐22内存储的纳米流体的体积根据水箱10的水装量、以及冷却水和纳米流体混合后的纳米流体体积浓度确定，即，由下式获取：

V＝(1+k)*Vs*S2/(S1-S2+S1*S2)；

其中，V表示纳米流体存储罐22内存储的纳米流体的体积，k表示裕量，Vs表示水源体积，S2表示纳米流体混合后的纳米流体体积浓度，S1表示纳米流体存储罐22内存储的纳米流体的体积浓度。例如，纳米流体存储罐22内存储的纳米流体的体积浓度为6％，混合后纳米流体的体积浓度为0.001％，水源体积为2500m³，则所需纳米流体约0.42m³，考虑20％的裕量，则所需纳米流体约0.50m³。通过上述设置，可以使得纳米流体存储罐22小，纳米流体及纳米流体存储罐22的造价低；并且根据上述设置，在冷却系统使用前，将冷却水装满水箱10以及将纳米流体装满纳米流体存储罐22，在进行降温时，由于冷却水与纳米流体的注入比例以事先设计完成，因此无需再通过人工计算或控制各自的使用量，提升降温效率的同时，有效降低工作人员的劳动强度。

作为优选地，在水箱10上可设置多个堆腔注水管道，避免因堆腔注水管道上的注水阀门11故障而无法及时向混合流道5中注入冷却液。

进一步地，为了使得纳米流体能更加顺畅的流入混合流道5，在本实施例中还设置有气体压力罐21，气体压力罐21与纳米流体存储罐22连通设置。从而使得当阀门23打开时，纳米流体能够依靠纳米流体自身重力和气体压力罐21提供的动力注入混合流道5。

本实施例在具体实施时，气体压力罐21的内部充满惰性气体或氮气，压力为2MPa到4MPa之间，当纳米流体存储罐22的纳米流体排空后其压力维持在1MPa到0.5MPa之间，该压力值与安全壳的背压对应。

进一步地，纳米流体注入管道靠近混合流道5侧还设置有扩散喷头24，当阀门23打开时，扩散喷头24将纳米流体扩散至混合流道5。

相比于现有技术中，通过非能动注入单元或能动注入单元的冷却水流入纳米流体贮存罐，以驱动纳米流体先流入压力容器保温层1。在这个过程中，浓缩纳米流体与水混合作用效果不好，还会导致纳米流体流失，难以控制保温层流道2的纳米流体浓度，稳定性不好的纳米流体不能提供所需的压力容器3外壁面CHF增强能力。本实施例中通过气体压力罐21提供压力驱动纳米流体直接快速注入混合流道5，压力气体驱动和扩散喷头24共同作用增强纳米粒子在混合流道5中与水混合，从而提供所需的压力容器3外壁面CHF增强能力。

进一步地，本实施例中的纳米流体非能动注入系统设置为多套，避免因纳米流体注入管道上的阀门23故障而无法及时向混合流道5中注入纳米流体的情况。作为优选地，为了使得纳米流体与冷却水混合均匀，多套纳米流体非能动注入系统等间隔设置。

进一步地，本实施例中还设置有连通管道40，用于将多套纳米流体非能动注入系统中的纳米流体注入管道连通，且连通管道40的多个端面同时设置于靠近纳米流体存储罐22的阀门23侧或靠近混合流道5的阀门23侧。确保在任何一条纳米流体注入管道的阀门23失效时，纳米流体仍将通过多条管道注入混合流道5，确保纳米流体与冷却水的均匀混合。

以下对本方案的工作原理进行说明：

严重事故时，堆芯裸露、温度上升，当堆芯出口温度达到650℃时，操纵员开启堆腔注水管道上的注水阀门11，水箱10内的冷却水依靠重力注入混合流道5内，冷却水进入保温层流道2部分淹没压力容器3；一定延迟后，操纵员开启纳米流体注入管道上的阀门23，纳米流体依靠重力向混合流道5注入，并在气体压力罐21和扩散喷头24的共同作用下，与混合流道5中的冷却水充分混合，混合后的纳米流体和冷却水通过保温层流道2结构底部的入口从混合流道5进入保温层流道2，然后被压力容器3的外壁面加热，通过保温层流道2结构顶部的出口回到混合流道5，形成大流量的自然循环流动，从而促使形成分散性好、稳定性好、持久防止团聚的纳米流体并保持稳定性，稳定性好的低浓度纳米流体提供所需的压力容器3外壁面CHF增强能力，进而提高IVR有效性的裕量。

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 (10)

1.一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，包括非能动堆腔注水系统、纳米流体非能动注入系统以及反应堆压力容器系统；

其中，所述反应堆压力容器系统设置有保护循环流道；

所述保护循环流道包括堆腔壁(4)、压力容器(3)和压力容器保温层(1)，所述压力容器保温层(1)的内壁与所述压力容器(3)的外壁形成保温层流道(2)，所述压力容器保温层(1)的外壁与所述堆腔壁(4)形成混合流道(5)，且所述压力容器保温层(1)的底部设置有入口，所述混合流道(5)与所述保温层流道(2)通过所述入口连通；所述压力容器保温层(1)的顶部设置有出口，所述混合流道(5)与所述保温层流道(2)通过所述出口连通；

所述非能动堆腔注水系统中的冷却水或/和所述纳米流体非能动注入系统中的纳米流体从所述入口进入所述保温层流道(2)，并从所述出口回流至所述混合流道(5)。

2.根据权利要求1所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，所述非能动堆腔注水系统和所述纳米流体非能动注入系统的排出口均位于所述混合流道(5)内。

3.根据权利要求2所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，所述非能动堆腔注水系统包括水箱(10)和堆腔注水管道，所述堆腔注水管道上设置有注水阀门(11)；当所述注水阀门(11)打开时，所述水箱(10)内的冷却水通过所述堆腔注水管道注入所述混合流道(5)。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，所述纳米流体非能动注入系统包括纳米流体存储罐(22)和纳米流体注入管道，所述纳米流体注入管道上设置有阀门(23)；当所述阀门(23)打开时，所述纳米流体存储罐(22)内的纳米流体通过所述纳米流体注入管道注入所述混合流道(5)。

5.根据权利要求4所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，所述纳米流体非能动注入系统还包括气体压力罐(21)，所述气体压力罐(21)与所述纳米流体存储罐(22)连通设置。

6.根据权利要求5所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，所述纳米流体注入管道靠近所述混合流道(5)侧还设置有扩散喷头(24)，当所述阀门(23)打开时，所述扩散喷头(24)将所述纳米流体扩散至所述混合流道(5)。

7.根据权利要求6所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，所述纳米流体非能动注入系统设置为至少两套。

8.根据权利要求7所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，还包括用于将多套所述纳米流体非能动注入系统中的所述纳米流体注入管道连通的连通管道(40)，所述连通管道(40)的多个端面同时设置于靠近所述纳米流体存储罐(22)的阀门(23)侧或靠近所述混合流道(5)的阀门(23)侧。

9.根据权利要求4所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，所述纳米流体存储罐(22)内存储的纳米流体的PH值为4。

10.根据权利要求4所述的一种堆腔纳米流体非能动注入冷却系统，其特征在于，所述纳米流体存储罐(22)内存储的纳米流体的体积由下式获取：

V＝(1+k)*Vs*S2/(S1-S2+S1*S2)；

其中，V表示纳米流体存储罐(22)内存储的纳米流体的体积，k表示裕量，Vs表示水源体积，S2表示纳米流体混合后的纳米流体体积浓度，S1表示纳米流体存储罐(22)内存储的纳米流体的体积浓度。

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