CN113345610A - 热管反应堆非能动余热排出系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热管反应堆非能动余热排出系统及其控制方法,本热管反应堆非能动余热排出系统包括热管、主换热器、热管换热器、余热排出换热器和储水箱,热管的一端位于反应堆堆芯内,热管的另一端位于热管换热器,热管的中部与主换热器连接,热管换热器内冷却水通道通过管道与余热排出换热器连接,余热排出换热器放置于储水箱的水中,储水箱的箱体可向外散热,当主换热器工作时,热管的冷凝段位于主换热器内;当主换热器不工作时,热管的冷凝段位于热管换热器内。本发明公开的热管反应堆非能动余热排出系统,即使发生全部电源丧失事故后,不依赖外部电源和人员干预,可实现堆芯余热的顺利导出,从而维持堆芯内的温度和压力在正常范围。
Description
技术领域
本发明涉及余热排出设备技术领域,尤其涉及一种热管反应堆非能动余热排出系统。
背景技术
热管反应堆是利用热管内碱金属的两相自然循环特性,将热量从堆芯传递到能量转换系统的新型反应堆装置。热管反应堆与传统压水堆一样,均是利用核裂变产生的热能提供能量来源。热管反应堆停堆后,虽然堆芯功率降低为零,但裂变碎片及其他衰变产物仍然会产生大量的剩余热量,若不采取有效措施,热量会逐步积累,导致堆内温度和压力持续升高,存在破坏反应堆内压力边界的完整性、堆芯裸露熔化、造成放射性物质外泄的风险。
因此,有必要设计一种热管反应堆非能动余热排出系统,在发生全部电源丧失事故后,在不依赖外部电源和人员干预的情况下,实现堆芯余热的顺利导出,维持堆芯内的温度和压力在正常范围,确保堆芯结构的完整性,使海上动力装置具有更高的安全性和性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种热管反应堆非能动余热排出系统,旨在即使发生全部电源丧失事故后,不依赖外部电源和人员干预,可实现堆芯余热的顺利导出,维持堆芯内的温度和压力在正常范围,确保堆芯结构的完整性。
为实现上述目的,本发明提供一种热管反应堆非能动余热排出系统,包括热管、主换热器、热管换热器、余热排出换热器以及储水箱,其中,
所述热管的一端位于反应堆堆芯内,热管的另一端位于热管换热器,热管的中部与主换热器连接,热管换热器内冷却水通道通过管道与余热排出换热器连接,余热排出换热器放置于储水箱的水中,当主换热器工作时,热管的冷凝段位于主换热器内;当主换热器不工作时,热管的冷凝段位于热管换热器内。
优选地,所述热管换热器与余热排出换热器入口之间管道上安装有热段隔离阀。
优选地,所述热管换热器与余热排出换热器出口之间管道上安装有冷段隔离阀。
优选地,所述热段隔离阀和冷段隔离阀均在断电时自动打开。
优选地,所述储水箱内部还安装有龙骨。
优选地,所述储水箱的箱体还与船舱舱壁相连接以散热。
优选地,所述余热排出换热器的安装高度大于热管换热器的安装高度。
本发明进一步提出一种基于上述热管反应堆非能动余热排出系统的控制方法,包括以下步骤:
当反应堆堆芯正常运行时,控制热段隔离阀和冷段隔离阀均处于关闭状态,通过控制热管与主换热器的接触面积以及主换热器的换热能力,使热管内蒸发段产生的全部蒸汽在与主换热器接触的冷凝段全部冷凝,而不继续流向热管换热器;
当反应堆停堆时,控制主换热器不工作,热段隔离阀和冷段隔离阀自动开启,热管的蒸发段被反应堆堆芯余热释放的热量加热,热管内工质开始沸腾并蒸发,蒸汽扩散到与热管换热器相连的热管冷凝段,热量传递至非能动余热排出系统,热管换热器内水被加热后经管道进入余热排出换热器中被冷却后,返回热管换热器继续吸热,完成闭式自然循环。
优选地,根据以下公式设计余热排出系统及设备参数:
mCpΔT=hAΔt,
其中m为热管中工质总质量,△T为热管的入口端和冷凝端工质的温度差,Cp为热管的入口端和冷凝端的比热容平均值,h为对流传热系数,A为对流传热面积,△t为热管与余热排出换热器接触部分的壁面平均温度与余热排出换热器中冷却剂工质的温度差,影响h的因素包括热管尺寸、余热排出换热器冷却剂流速。
本发明提出的热管反应堆非能动余热排出系统,具有以下有益效果:
1、非能动余热排出系统所采用的隔离阀均为基于“失效-安全”的隔离阀,在全部电源丧失事故后,隔离阀将自动打开;
2、停堆后,系统依靠热管蒸发段将热量传递到热管冷凝段,热管冷凝段通过热管换热器将热量传递到非能动余热排出系统,系统依靠热管换热器与余热排出换热器之间的高度差与密度差形成自然循环流动,最终热量经由储水箱传递到舱外海水,消除了对外部能量供给和运行人员操作的依赖,大幅提升海上动力装置的安全性和可靠性;
3、依靠热管在反应堆功率运行和余热排出不同工况下内部循环特征实现热量传递和余热导出,实现热管共用,减少系统管路结构,热管反应堆非能动余热排出系统简单、安全、稳定且可靠;
4、储水箱可与舱壁共形设计,储水箱内水的热量通过龙骨和舱壁传递至舱外海水,结构紧凑高效,实现无时限、安全可靠地非能动余热排出。
附图说明
图1为本发明热管反应堆非能动余热排出系统的结构示意图;
图2为本发明热管反应堆非能动余热排出系统在非能动余热排出系统不投入运行时热管的工作示意图;
图3为本发明热管反应堆非能动余热排出系统在非能动余热排出系统投入运行时热管的工作示意图。
图中,1—反应堆堆芯,2—热管,3—主换热器,4—热管换热器,5—非能动余热排出系统热段管路,6—非能动余热排出系统冷段管路,7—热段隔离阀,8—冷段隔离阀,9—余热排出换热器,10—储水箱,11—舱壁,12—龙骨,13—海水。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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,并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的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提出一种热管反应堆非能动余热排出系统。
参照图1,本优选实施例中,一种热管反应堆非能动余热排出系统,包括热管2、主换热器3、热管换热器4、余热排出换热器9以及储水箱10,其中,
热管2的一端位于反应堆堆芯1内,热管2的另一端位于热管换热器4,热管2的中部与主换热器3连接,热管换热器4内冷却水通道通过管道与余热排出换热器9连接,余热排出换热器9放置于储水箱10的水中,储水箱10的箱体可向外散热,当主换热器3工作时,热管2的冷凝段位于主换热器3内;当主换热器3不工作时,热管2的冷凝段位于热管换热器4内。
进一步地,热管换热器4与余热排出换热器9入口之间管道上安装有热段隔离阀7。热管换热器4与余热排出换热器9出口之间管道上安装有冷段隔离阀8。
进一步地,热段隔离阀7和冷段隔离阀8均为基于“失效-安全”的隔离阀。即当热段隔离阀7和冷段隔离阀8断电时,热段隔离阀7和冷段隔离阀8将自动打开。
具体地,余热排出换热器9的安装高度大于热管换热器4的安装高度,通过设计保证最佳高度差引起的自然循环流量,通过热管换热器4、余热排出换热器9带到水箱内的热量,等于堆芯停堆后需要导出的堆芯余热。
进一步地,储水箱10内部还安装有龙骨12。储水箱10的箱体还与船舱舱壁11相连接以散热。储水箱10内水的热量通过龙骨12和舱壁11传递至舱外海水。
储水箱10与船体共形设计,实际应用过程中,可与前舱壁、后舱壁、左舱壁或右舱壁等共形,余热排出换热器9热量传递到储水箱10中的储存水,储水箱10内水的热量通过龙骨12和舱壁11传递至舱外海水,基于可靠水源实现长效冷却。
本热管反应堆非能动余热排出系统的工作原理如下。
参照图2,反应堆正常运行情况下,热管2的蒸发段被堆芯释放的热量加热,热管2内碱金属工质开始沸腾并蒸发,蒸汽扩散到中心空隙经绝热区流向冷凝区,热管2内蒸汽在冷凝区凝结,释放出汽化潜热,热量经热管2管壁传递至主换热器3。设计过程中保证热管2冷凝段与主换热器3接触面积足够大、主换热器3换热能力足够强,保证热管2内蒸发段产生的全部蒸汽在与主换热器3接触的冷凝段全部冷凝,而不继续流向热管换热器4。
参照图3,非能动余热排出系统中,在发生能动安全系统无法有效投入使用、全部电源丧失事故时,热管2的蒸发段被堆芯余热释放的热量加热,热管2内工质开始沸腾并蒸发,蒸汽扩散到中心空隙经绝热区流向冷凝区,由于此时主换热器3不工作,蒸汽继续向前扩散到与热管换热器4相连的热管2冷凝段,热量传递至非能动余热排出系统。热管换热器4内水被加热后经非能动余热排出系统热段管路5、热段隔离阀7后在余热排出换热器9中被冷却,经非能动余热排出系统冷段管路6、冷段隔离阀8返回热管换热器4继续吸热,完成闭式自然循环。余热排出换热器9的热量传递到储水箱10内储存水,储水箱10内水的热量通过龙骨12和舱壁11传递至舱外海水13,基于可靠水源实现长效冷却。
设计过程中,可兼顾主换热器3和热管换热器4同时工作的工况,此时,主换热器3处于低工况运行状态。被堆芯加热的热管2内碱金属工质至蒸汽状态,蒸汽扩散到中心空隙经绝热区流向冷凝区,蒸汽绝大部分在主换热器3冷凝区凝结,释放出汽化潜热,少量剩余蒸汽继续向前扩散到与热管换热器4相连的热管2冷凝段,热量传递至非能动余热排出系统。
本发明提出的热管反应堆非能动余热排出系统,具有以下有益效果:
1、非能动余热排出系统所采用的隔离阀均为基于“失效-安全”的隔离阀,在全部电源丧失事故后,隔离阀将自动打开;
2、停堆后,系统依靠热管2蒸发段将热量传递到热管2冷凝段,热管2冷凝段通过热管换热器4将热量传递到非能动余热排出系统,系统依靠热管换热器4与余热排出换热器9之间的高度差与密度差形成自然循环流动,最终热量经由储水箱传递到舱外海水,消除了对外部能量供给和运行人员操作的依赖,大幅提升海上动力装置的安全性和可靠性;
3、依靠热管2在反应堆功率运行和余热排出不同工况下内部循环特征实现热量传递和余热导出,实现热管2共用,减少系统管路结构,本热管反应堆非能动余热排出系统简单、安全、稳定且可靠;
4、储水箱10可与舱壁11共形设计,储水箱10内水的热量通过龙骨12和舱壁11传递至舱外海水,结构紧凑高效,实现无时限、安全可靠地非能动余热排出。
本发明进一步提出一种热管反应堆非能动余热排出系统的控制方法。
本优选实施例中,一种基于上述热管反应堆非能动余热排出系统的控制方法,包括以下步骤:
当反应堆堆芯1正常运行时,控制热段隔离阀7和冷段隔离阀8均处于关闭状态,通过控制热管与主换热器3的接触面积以及主换热器3的换热能力,使热管内蒸发段产生的全部蒸汽在与主换热器3接触的冷凝段全部冷凝,而不继续流向热管换热器4;
当反应堆停堆时,控制主换热器3不工作,热段隔离阀7和冷段隔离阀8自动开启,热管的蒸发段被反应堆堆芯1余热释放的热量加热,热管内工质开始沸腾并蒸发,蒸汽扩散到与热管换热器4相连的热管冷凝段,热量传递至非能动余热排出系统,热管换热器4内水被加热后经管道进入余热排出换热器9中被冷却后,返回热管换热器4继续吸热,完成闭式自然循环。
热管反应堆非能动余热排出系统具体设计如下:
根据以下公式设计余热排出系统及设备参数:
mCpΔT=hAΔt,
其中m为热管中工质总质量,△T为热管的入口端和冷凝端工质的温度差,Cp为热管的入口端和冷凝端的比热容平均值,h为对流传热系数,A为对流传热面积,△t为热管与余热排出换热器接触部分的壁面平均温度与余热排出换热器中冷却剂工质的温度差,影响h的因素包括热管尺寸、余热排出换热器冷却剂流速。
热管的总换热量:Q1=mCpΔT,热管的总换热量等于热管换热器内冷却剂工质与热管发生对流传热带走的热量:Q2=hAΔt。
工程设计中影响h的因素包括热管尺寸、余热排出换热器冷却剂流速等,需要根据热平衡计算Q1=Q2设计余热排出系统及设备参数。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种热管反应堆非能动余热排出系统,其特征在于,包括热管、主换热器、热管换热器、余热排出换热器以及储水箱,其中,
所述热管的一端位于反应堆堆芯内,热管的另一端位于热管换热器,热管的中部与主换热器连接,热管换热器内冷却水通道通过管道与余热排出换热器连接,余热排出换热器放置于储水箱的水中,当主换热器工作时,热管的冷凝段位于主换热器内;当主换热器不工作时,热管的冷凝段位于热管换热器内。
2.如权利要求1所述的热管反应堆非能动余热排出系统,其特征在于,所述热管换热器与余热排出换热器入口之间管道上安装有热段隔离阀。
3.如权利要求2所述的热管反应堆非能动余热排出系统,其特征在于,所述热管换热器与余热排出换热器出口之间管道上安装有冷段隔离阀。
4.如权利要求3所述的热管反应堆非能动余热排出系统,其特征在于,所述热段隔离阀和冷段隔离阀均在断电时自动打开。
5.如权利要求3所述的热管反应堆非能动余热排出系统,其特征在于,所述储水箱内部还安装有龙骨。
6.如权利要求3所述的热管反应堆非能动余热排出系统,其特征在于,所述储水箱的箱体还与船舱舱壁相连接以散热。
7.如权利要求3所述的热管反应堆非能动余热排出系统,其特征在于,所述余热排出换热器的安装高度大于热管换热器的安装高度。
8.一种基于权利要求3至7中任意一项所述的热管反应堆非能动余热排出系统的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
当反应堆堆芯正常运行时,控制热段隔离阀和冷段隔离阀均处于关闭状态,通过控制热管与主换热器的接触面积以及主换热器的换热能力,使热管内蒸发段产生的全部蒸汽在与主换热器接触的冷凝段全部冷凝,而不继续流向热管换热器;
当反应堆停堆时,控制主换热器不工作,热段隔离阀和冷段隔离阀自动开启,热管的蒸发段被反应堆堆芯余热释放的热量加热,热管内工质开始沸腾并蒸发,蒸汽扩散到与热管换热器相连的热管冷凝段,热量传递至非能动余热排出系统,热管换热器内水被加热后经管道进入余热排出换热器中被冷却后,返回热管换热器继续吸热,完成闭式自然循环。
9.如权利要求8所述的热管反应堆非能动余热排出系统的控制方法,其特征在于,
根据以下公式设计余热排出系统及设备参数:
mCpΔT=hAΔt,
其中m为热管中工质总质量,△T为热管的入口端和冷凝端工质的温度差,Cp为热管的入口端和冷凝端的比热容平均值,h为对流传热系数,A为对流传热面积,△t为热管与余热排出换热器接触部分的壁面平均温度与余热排出换热器中冷却剂工质的温度差,影响h的因素包括热管尺寸、余热排出换热器冷却剂流速。
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