CN114038589B - 一种全非能动堆腔注水冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全非能动堆腔注水冷却系统及方法，包括从内向外依次设置于压力容器下封头外侧的保温层、第一混凝土墙、第二混凝土墙和安全壳混凝土墙；压力容器下封头与保温层之间形成保温层流道；第一混凝土墙和第二混凝土墙之间形成自然循环流道；保温层外侧、第一混凝土墙与安全壳混凝土墙底面之间形成堆腔隔间；堆腔隔间、保温层流道和自然循环流道连通；第二混凝土墙与安全壳混凝土墙侧面形成外侧隔间，第二混凝土墙上部与安全壳混凝土墙顶面之前形成安全壳隔间；保温层流道的出口标高高于第一混凝土墙的标高，第二混凝土墙的标高高于保温层流道的出口标高。本发明提升了核反应堆的安全性。

Description

一种全非能动堆腔注水冷却系统及方法

技术领域

本发明属于核反应堆安全设计技术领域，具体涉及一种全非能动堆腔注水冷却系统及方法。

背景技术

随着国际社会对核电安全要求的不断提高，堆芯熔融物冷却和包容策略对严重事故缓解起着越来越重要的作用。严重事故下由于堆芯得不到足够冷却，燃料在高温下熔化，熔融物产生大量的机械热负荷，当熔融物跌落到压力容器下封头形成熔融池后，下封头可能会在堆芯熔融物的热载荷作用下失效。第三代核电站从安全目标出发，在熔融物的冷却和控制策略上出现了通过堆腔注水冷却压力容器下封头实现堆内熔融物冷却和滞留(ERVC-IVR)策略，是专门针对下封头在堆芯熔融物热载荷作用下失效的缓解措施。

堆腔注水措施在上世纪80年代就在国际上受到关注。芬兰Loviisa核电站、西屋公司的AP600和AP1000、韩国的APR1400以及中国的“华龙一号”等都采用了堆腔注水措施。对于非能动电厂，如AP600和AP1000的堆腔注水措施是利用内置换料水箱(IRWST)的水淹没反应堆堆腔，并使反应堆压力容器浸于水中，通过堆腔内的自然循环流动带走压力容器下封头的热量，实现熔融物堆内滞留的目的。

对于具有大空间安全壳隔间的电厂，如果在短时间内完全淹没安全壳隔间所需注水流量巨大，同时，为降低经济成本以及对能动电源的依赖性，有必要设计一种针对大空间安全壳隔间设计特点的全非能动的反应堆堆腔注水措施，以缓解严重事故后果，实现ERVC-IVR的目的，从而进一步提高核反应堆的安全性。

发明内容

针对大空间安全壳隔间的反应堆电厂同时进一步降低堆腔注水冷却措施对能动电源的依赖性，本发明提供了一种全非能动堆腔注水冷却系统。本发明在核反应堆发生严重事故工况下实施全非能堆腔注水冷却，快速淹没压力容器下封头，带走下封头热量，保证压力容器的完整性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种全非能动堆腔注水冷却系统，包括从内向外依次设置于压力容器下封头外侧的保温层、第一混凝土墙、第二混凝土墙和安全壳混凝土墙；

所述压力容器下封头与所述保温层之间形成保温层流道；

所述第一混凝土墙和第二混凝土墙之间形成自然循环流道；

所述保温层外侧、所述第一混凝土墙与所述安全壳混凝土墙底面之间形成堆腔隔间；且所述堆腔隔间、保温层流道和自然循环流道连通；

所述第二混凝土墙与所述安全壳混凝土墙侧面形成外侧隔间，所述第二混凝土墙上部与所述安全壳混凝土墙顶面之前形成安全壳隔间；

所述保温层流道的出口标高高于所述第一混凝土墙的标高，所述第二混凝土墙的标高高于所述保温层流道的出口标高。

优选的，本发明的系统还包括设置于所述安全壳混凝土墙外侧的高位水箱；

所述高位水箱为所述堆腔隔间注入冷却水。

优选的，本发明的高位水箱底部标高高于所述保温层流道的出口的标高。

优选的，本发明的高位水箱通过注水管与所述堆腔隔间连通；

所述注水管上设置有隔离阀。

优选的，本发明的高温水箱与所述安全壳隔间通过连通管连接。

第二方面，本发明提出了基于上述的一种全非能动堆腔注水冷却系统的方法，包括：

当监测到需要实施堆腔注水措施时，打开控制阀实施堆腔注水冷却。

优选的，本发明的实施堆腔注水冷却过程具体包括：堆腔注水阶段和自然循环冷却阶段。

优选的，本发明的堆腔注水阶段具体为：

外部冷却水注入所述堆腔隔间后，进入所述保温层流道内，冷却水在流经所述保温层流道时，一部分被所述压力容器下封头热量加热成水蒸气经所述保温层流道的出口进入所述安全壳隔间，一部分经所述保温层流道的出口流入所述自然循环流道；

当所述堆腔隔间和自然循环流道充满冷却水后，再注入的冷却水漫过所述第二混凝土墙进入所述外侧隔间，同时，所述安全壳隔间内的冷凝水汇集到所述外侧隔间内。

优选的，本发明的自然循环冷却阶段具体为：

当外部冷却水注入完毕后，所述外侧隔间内的水位超过所述第二混凝土墙，所述外侧隔间内的水漫过所述第二混凝土墙进入所述自然循环流道内，实现所述压力容器下封头的长期非能动自然循环冷却。

优选的，本发明可手动打开控制阀进行外部注水。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明采用分阶段冷却技术，前期采用全非能动注水方式，后期通过自然循环长期带热，且所提供的全非能动自然循环堆腔注水冷却措施可在核反应堆发生严重事故工况下带走下封头热量，保证压力容器下封头的完整性，相较于现有技术完全消除了对能动电源的依赖，实现了大空间安全壳短时间淹没下封头的目标，大大提升了核反应堆的安全性。

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为本发明的注水冷却系统结构示意图。

图2为本发明的注水阶段冷却水循环流道示意图。

图3为本发明的自然循环阶段冷却水循环流道示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1：压力容器下封头；2：压力容器下封头外保温层；3：第一混凝土墙；4：安全壳混凝土墙；5：堆腔隔间；6：压力容器下封头与保温层之间的流道；7：第二混凝土墙；8：自然循环流道；9：保温层流道出口；10：安全壳隔间；11：高位水箱；12：注水管；13：堆腔隔间外侧隔间；14：隔离阀；15：水箱与安全壳连通管。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

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1

本实施例提供了一种全非能动堆腔注水冷却系统，如图1所示，包括从内向外依次设置于压力容器下封头1外侧的保温层2、第一混凝土墙3、第二混凝土墙7和安全壳混凝土墙4；且安全壳混凝土墙4完全容纳该压力容器下封头1、保温层2、第一混凝土墙3和第二混凝土墙7。

其中，压力容器下封头1与保温层2之间形成保温层流道6，第一混凝土墙3和第二混凝土墙7之间形成自然循环流道8，保温层流道6位于压力容器下封头1底部位置开设有入口，保温层流道6高于第一混凝土墙3顶部位置设置出口9，保温层2的外侧、第一混凝土墙3与安全壳混凝土墙4底面之间形成堆腔隔间5，第二混凝土墙7与安全壳混凝土墙4侧面形成堆腔隔间外侧隔间13，第二混凝土墙7上部空间与安全壳混凝土墙4顶面形成安全壳隔间10；且保温层流道6的出口9的标高高于第一混凝土墙3的标高，第二混凝土墙7的标高高于保温层流道6的出口9的标高。

本实施例的系统还包括设置在安全壳混凝土墙4外侧的高位水箱11和注水管12；高位水箱11底部标高应高于保温层流道的出口9的标高，注水管12的输入端与高位水箱11连通，注水管12的输出端与堆腔隔间5连通。

注水管12上设置隔离阀14，正常运行工况下，隔离阀14处于关闭状态，高位水箱11与安全壳隔间10之间用连通管15连接。

本实施例的系统工作原理为：

在核反应堆发生严重事故后，当达到堆腔注水实施条件时，打开注水管12上的隔离阀14实施堆腔注水。高位水箱11内的冷却水通过注水管12注入堆腔隔间5。冷却水通过保温层流道6后从保温层流道出口9流出。出口冷却水的一部分被压力容器下封头1的热量加热成水蒸气，一部分通过保温层出口9以及第一混凝土墙3和第二混凝土墙7之间的自然循环流道8内。堆腔隔间5和自然循环流道8充满后，再注入的冷却水漫过第二混凝土墙7进入堆腔隔间外侧隔间13。同时，安全壳隔间10内的冷凝水不断汇集到堆腔隔间外侧隔间13内。当高位水箱11内的冷却水排空后，堆腔隔间外侧隔间13内的水位超过第二混凝土墙7，堆腔隔间外侧隔间13内的水漫过混凝土墙7进入自然循环流道8内，实现压力容器下封头1的长期非能动自然循环冷却。

实施例2

本实施例采用上述实施例1提出的全非能动堆腔注水冷却系统实现注水冷却，其过程具体为：

当监测到达到堆腔注水实施条件时，控制打开注水管12上的隔离阀14实施堆腔注水。

高位水箱11内的冷却水通过注水管注入堆腔隔间5，冷却水通过保温层流道6后从保温层流道6的出口9流出；冷却水在流经保温层流道6时，一部分被压力容器下封头1热量加热成水蒸气经出口9进入上部安全壳隔间10，一部分通过出口9以及自然循环流道8，回到堆腔隔间5。进入上部安全壳隔间10内的水蒸气冷凝后的冷凝水汇集到堆腔隔间外侧隔间13内。

堆腔隔间5和自然循环流道8充满后，再注入的冷却水漫过第二混凝土墙7进入堆腔隔间外侧隔间13，同时，安全壳隔间10内的冷凝水不断汇集到堆腔隔间外侧隔间13内。本实施例的注水阶段的冷却水循环路径具体如图2所示。

当高位水箱11内的水排空后，堆腔隔间外侧隔间13内的水位超过第二混凝土墙7，堆腔隔间外侧隔间13内的水漫过第二混凝土墙7进入自然循环流道8内，实现下封头的长期非能动自然循环冷却。

本实施例的自然循环冷却阶段的冷却水循环路径具体如图3所示：

堆腔隔间外侧隔间13内的水流经自然循环流道8，进入堆腔隔间5，经保温层流道6的入口进入保温层流道6，冷却水在流经保温层流道时，一部分被压力容器下封头1热量加热成水蒸气，经保温层流道6的出口9进入上部安全壳隔间10内，一部分冷却水经保温层流道6的出口9流回自然循环流道8；而安全壳隔间10内的冷凝水不断汇集到堆腔隔间外侧隔间13内。

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)

1.一种全非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，包括从内向外依次设置于压力容器下封头（1）外侧的保温层（2）、第一混凝土墙（3）、第二混凝土墙（7）和安全壳混凝土墙（4）；

所述压力容器下封头（1）与所述保温层（2）之间形成保温层流道（6）；

所述第一混凝土墙（3）和第二混凝土墙（7）之间形成自然循环流道（8）；

所述保温层（2）外侧、所述第一混凝土墙（3）与所述安全壳混凝土墙（4）底面之间形成堆腔隔间（5）；且所述堆腔隔间（5）、保温层流道（6）和自然循环流道（8）连通；

所述第二混凝土墙（7）与所述安全壳混凝土墙（4）侧面形成外侧隔间（13），所述第二混凝土墙（7）上部与所述安全壳混凝土墙（4）顶面之前形成安全壳隔间（10）；

所述保温层流道（6）的出口（9）标高高于所述第一混凝土墙（3）的标高，所述第二混凝土墙（7）的标高高于所述保温层流道（6）的出口（9）标高。

2.根据权利要求1所述的一种全非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，还包括设置于所述安全壳混凝土墙（4）外侧的高位水箱（11）；

所述高位水箱（11）为所述堆腔隔间（5）注入冷却水。

3.根据权利要求2所述的一种全非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述高位水箱（11）底部标高高于所述保温层流道（6）的出口（9）的标高。

4.根据权利要求2所述的一种全非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述高位水箱（11）通过注水管（12）与所述堆腔隔间（5）连通；

所述注水管（12）上设置有隔离阀（14）。

5.根据权利要求2所述的一种全非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述高位水箱（11）与所述安全壳隔间（10）通过连通管（15）连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种全非能动堆腔注水冷却系统的使用方法，其特征在于，包括：

当监测到需要实施堆腔注水措施时，打开控制阀实施堆腔注水冷却。

7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，实施堆腔注水冷却过程具体包括：堆腔注水阶段和自然循环冷却阶段。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，所述堆腔注水阶段具体为：

外部冷却水注入所述堆腔隔间（5）后，进入所述保温层流道（6）内，冷却水在流经所述保温层流道（6）时，一部分被所述压力容器下封头（1）热量加热成水蒸气经所述保温层流道（6）的出口（9）进入所述安全壳隔间（10），一部分经所述保温层流道（6）的出口（9）流入所述自然循环流道（8）；

当所述堆腔隔间（5）和自然循环流道（8）充满冷却水后，再注入的冷却水漫过所述第二混凝土墙（7）进入所述外侧隔间（13），同时，所述安全壳隔间（10）内的冷凝水汇集到所述外侧隔间（13）内。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述自然循环冷却阶段具体为：

当外部冷却水注入完毕后，所述外侧隔间（13）内的水位超过所述第二混凝土墙（7），所述外侧隔间（13）内的水漫过所述第二混凝土墙（7）进入所述自然循环流道（8）内，实现所述压力容器下封头（1）的长期非能动自然循环冷却。

10.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，可手动打开控制阀进行外部注水。