CN114220575A - 一种全范围非能动安注系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全范围非能动安注系统，包括与反应堆一回路连接的堆芯补水箱、安注箱、内置换料水箱，所述堆芯补水箱和内置换料水箱的位置均高于一回路管道标高；在布置主设备的房间设置防水层，事故后形成淹没水池，从一回路破口喷出的反应堆冷却剂和安注水汇集于所述淹没水池，成为提供堆芯长期冷却的再循环水源。本发明针对现有大型压水堆提出了具有普适性的全范围非能动安注系统设计方案，实现事故后的应急堆芯冷却、补水和硼化功能，该系统能够在核电厂发生事故后，提供高、中、低压和长期阶段的非能动安全注入，以实现维持一回路水装量、导出堆芯余热和长期非能动再循环注入。
Description
技术领域
本发明属于核电厂设计技术，具体涉及一种全范围非能动安注系统。
背景技术
传统核电厂通常采用功能更强大、运行更可控的能动设备(例如泵、阀门、风机等)实现所需的流体传输功能。非能动技术在先进核电技术中重新得到重视，一度代表着更先进的技术发展潮流。非能动系统相比能动系统最主要的优点是简化，取消了能动设备，一般不需要复杂(冗余的和多样化的)的控制系统或外部动力源，能够很大程度上简化系统的建造、运行和维护。非能动系统对于安全性也有贡献，例如能够降低对操纵员干预的依赖，提供了更充裕的响应时间，也减少了人因失误对电厂的危害；非能动系统能够消除与能动设备故障、动力源丧失相关的事故场景。因此非能动系统提供了在无需过多增加成本的前提下进一步提高安全性的解决方案。
非能动安全系统中，非能动余热导出系统和非能动安全壳热量导出系统的设计研发较为成熟，而非能动安注系统的实现制约条件较多，一直是研发设计的重点。目前大型商用压水堆中，只有美国西屋的AP1000机组实现了全范围非能动安注。然而，AP1000的非能动安注系统存在应用对象及场景受限、工程可实施性差的缺陷。首先，AP1000的非能动安注只能在一回路采用二环路和屏蔽式主泵的紧凑布置方案下实现，这种布置方式下一回路占地面积小，能够布置容积较大的低压安注水源(内置换料水箱)，同时需要淹没的面积也比较小，能形成较高的淹没水位。同时AP1000的长期非能动再循环的实现，也依赖其采用的钢制安全壳，可以将整个安全壳作为热交换器，蒸汽冷凝回流的效率更高，且AP1000用IVR(熔融物压力容器内滞留)方案冷却堆芯熔融物，无需保持干燥的堆腔。而目前我国的压水堆核电机组，除AP1000的配置方案外，仍有大量堆型采用三环路或者四环路配置、轴封式主泵、混凝土安全壳的设计，堆芯熔融物方案除IVR之外，也有采用EVR(熔融物压力容器外滞留)的方案。这类压水堆的环路数、主泵及安全壳形式更为普遍，然而由于环路数较多，且主泵和蒸汽发生器有各自的支撑，主泵和蒸汽发生器之间有连接管道，因此一回路占地面积大，全范围非能动所需的淹没水量比较大；同时混凝土安全壳的蒸汽冷凝回流速度有限；且采用了堆芯捕集器冷却堆芯熔融物，需要在淹没一回路的同时必须保持堆腔基本干燥。因此AP1000的非能动安注系统设计无法在除AP1000之外的堆型上实现推广应用，应用场景限制条件较多、局限性较大。且AP1000的工程实施过程中，也暴露了其工程可实施性较差的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有普适性的全范围非能动安注系统设计，在核电厂发生事故后，能够提供高、中、低压和长期阶段的非能动安全注入，以实现维持一回路水装量、导出堆芯余热和长期非能动再循环注入。
本发明的技术方案如下：一种全范围非能动安注系统，包括与反应堆一回路连接的堆芯补水箱、安注箱、内置换料水箱，所述堆芯补水箱和内置换料水箱的位置均高于一回路管道标高；在布置主设备的房间设置防水层，事故后形成淹没水池，从一回路破口喷出的反应堆冷却剂和安注水汇集于所述淹没水池，成为提供堆芯长期冷却的再循环水源。
进一步，如上所述的全范围非能动安注系统，其中，所述的淹没水池通过冗余的再循环管线与压力容器直接注入(DVI)管线相连，淹没水池的淹没水位高于压力容器直接注入(DVI)管线。
更进一步，所述再循环管线上设置常开的电动阀及止回阀，并在吸入口设置滤网。
进一步，如上所述的全范围非能动安注系统，其中，在所述淹没水池与反应堆压力容器外壁之间设有防止水向堆腔及更低处泄漏的隔水装置。
进一步，如上所述的全范围非能动安注系统，其中，在高于主设备层的隔间中设置带有倾角的导流沟槽，使非能动安全壳热量导出系统换热器高位冷凝水向下流动的过程中不断向中心汇集。
进一步，如上所述的全范围非能动安注系统，其中，反应堆压力容器及一回路主管道的标高相对于传统压水堆核电机组降低一个楼层，使所述淹没水池处于安全壳大空间内更低的位置。
进一步，如上所述的全范围非能动安注系统，其中，所述堆芯补水箱有两个，每个堆芯补水箱通过入口压力平衡管线和出口注入管线与一回路连接。
更进一步，所述堆芯补水箱的出口注入管线通过两个并联的常闭气动隔离阀和两个串联的止回阀与压力容器直接注入(DVI)管线相连。
进一步，如上所述的全范围非能动安注系统，其中，所述安注箱有两个，每个安注箱的出口管线通过一个常开的电动隔离阀和两个串联的止回阀与压力容器直接注入(DVI)管线相连。
进一步，如上所述的全范围非能动安注系统，其中，所述内置换料水箱的注入管线通过两个并联的隔离阀和两个串联的止回阀与压力容器直接注入(DVI)管线相连。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明针对现有大型压水堆提出了具有普适性的全范围非能动安注系统设计方案，实现事故后的应急堆芯冷却、补水和硼化功能；
(2)本发明通过设置淹没水池、导流沟槽和隔水装置等措施，突破了现有非能动安注系统应用场景和对象的限制，面向各类压水堆设计均可实现在壳内布置足够低压安注水源，实现长期非能动再循环注入；
(3)本发明通过取消能动设备，取消复杂(冗余的和多样化的)的控制系统或外部动力源，实现简化系统的建造、运行和维护来提高机组经济性，同时保证机组的安全性和自动化水平。
附图说明
图1为本发明全范围非能动安注系统的结构示意图；
图2为本发明全范围非能动安注系统的非能动长期再循环注入方案示意图。
图中，1.压力容器2.堆芯3.稳压器4.蒸汽发生器5.冷段6.热段7.内壳8.堆芯补水箱9.安注箱10.高位内置换料水箱11.快速卸压阀12.内置换料水箱滤网13.再循环滤网14.压力容器直接注入(DVI)管线15.淹没水池16.长期淹没水位17.导流沟槽18.隔水装置
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的全范围非能动安注系统与传统安全系统的功能相同，都需要实现LOCA事故下的应急堆芯冷却和非LOCA事故下的应急硼化和补水功能，一般包括若干个子系统实现不同一回路背压下的注入能力，其中长期的低压再循环注入是非能动安注系统实现的难点，也是本发明的创新点。
为了实现上述功能，非能动安注系统包括以下水源，在事故后分阶段自动向反应堆提供应急注水和硼化：
(1)两个堆芯补水箱提供较长时间、较大流量的高压安注流；
(2)两个安注箱在数分钟内提供非常大流量的中压安注流；
(3)一个高位内置换料水箱提供长时间较小的低压安注流；
(4)以上三个水源注射完后，从一回路破口喷出的反应堆冷却剂和安注水汇集于淹没水池，成为提供堆芯长期冷却的再循环水源。
为了配合不同背压下的非能动安注，需要设置分级卸压的自动卸压系统。
从原理上来说，高位内置换料水箱水量注完之后，在安全壳底部收集一回路破口喷出的反应堆冷却剂以及安注水，并通过设计提高淹没水位，依靠淹没水位与堆芯之间的位差和温度差所形成的自然循环流为堆芯提供长期再循环冷却。相比于具有参考的非能动高压安注、本已是成熟设计的非能动中压安注以及相对简单的非能动低压安注，非能动长期再循环注入的具体实现方案是本发明的主要创新点。
本发明面向现有大型压水堆提出具有普适性的设计方案，综合考虑应用对象及应用场景的特性，非能动长期再循环注入阶段统筹考虑淹没水量较大、蒸汽冷凝回流效率较低、在淹没一回路的同时必须保持堆腔基本干燥的技术特征和设计要求。为在上述技术特征和技术要求下实现长期非能动再循环注入，本发明采取以下措施：
将压力容器及主管道标高降低一个楼层，将内置换料水箱提高并增加水箱高度，内置换料水箱作为低压安注水源；
在布置主设备的房间内设计一个防水层，在事故后形成淹没水池；
设置冗余的再循环管线，连接淹没水池与DVI注入管线；
在高于主设备层的隔间中，设置带有倾角的导流沟槽；
淹没水池及压力容器外壁间设有隔水装置。
实施例
如图1所示，两个堆芯补水箱8(图中仅示出一个)布置高于一回路主管道标高。每个堆芯补水箱8内充满含硼水，通过入口压力平衡管线和出口注入管线与一回路连接。出口注入管线通过两个并联的常闭气动隔离阀和两个串联的止回阀与压力容器直接注入(DVI)管线14相连。压力平衡管线与主管道冷段5顶部的管嘴相连，设有一个常开的电动阀，维持堆芯补水箱8的压力与一回路运行压力一致，避免在触发注入时产生水锤。压力平衡管线的保温和走向保证了入口管的正常水温高于出口管，有利于形成附加的驱动压头。
安注箱9内装有含硼水，依靠液面上方的压缩氮气提供快速注入。安注箱9出口管线上设有一个常开的电动隔离阀和两个串联的止回阀。两个安注箱9(图中仅示出一个)的出口管线分别与两个DVI管线14直接相连。
低压安注依靠高位内置换料水箱10与一回路之间位差产生的重力压头实现。高位内置换料水箱10的位置高于一回路标高，储存低温含硼水。高位内置换料水箱10的两条注入管线分别连接两个DVI管线。每条注入管线上设有两个串联的止回阀和两个并联的隔离阀。在高位内置换料水箱10的出口设有滤网12。
为实现长期非能动再循环注入，参见图1、图2，本实施例在安全壳内采取如下设计方案：
将压力容器1及主管道标高降低一个楼层(例如-5.3m)，将内置换料水箱10提高至±0.00m层并增加水箱高度，内置换料水箱作为低压安注水源。收集回流水形成的淹没水池15与内置换料水箱10位于同一标高，提供长期再循环注入。
在±0.00m层布置主设备的房间内设计一个防水层，使其可以容纳上部冷凝水、高位内置换料水箱注入水及一回路破口水，在事故后形成长期淹没水位16高于DVI注入管线的淹没水池15。
设置冗余的再循环管线，连接淹没水池15与DVI注入管线14，管线上设置常开的电动阀及止回阀，吸入口设置滤网13，防止碎片进入反应堆堵塞堆芯冷却流道；
在高于±0.00m层的隔间中，设置带有倾角的导流沟槽17，使非能动安全壳热量导出系统换热器高位冷凝水向下流动的过程中可以不断向中心汇集。
淹没水池15及压力容器1外壁间设有隔水装置18，防止水向堆腔以及更低标高处泄漏。
事故后长期阶段，唯一可以持续利用的非能动能源便是堆芯的衰变余热，通过蒸发使水变成水蒸气，而后水蒸气在高位冷凝，重新获得重力势能实现回流冷却。因此，实现非能动长期再循环功能的关键因素是：低压安注水源要有充足的装量淹没一回路；冷凝水收集回流的效率足够充分形成较长时间内的再循环。下面将对本发明实现非能动长期再循环的可行性进行论证。
LOCA事故后长期再循环阶段所需的总水量包括以下三部分：1)带走堆芯衰变热所需的水量；2)淹没一回路所需的水量；3)泄漏水量。根据计算，为实现依靠非能动进行72h再循环的目标，带走堆芯衰变热所需的水量约为QH＝5600m3，淹没一回路所需的水量QM＝700m3，忽略泄漏水量，那么LOCA事故后72h内所需的总水量QT为：QT＝QH+QM＝5600+700＝6300m3。
根据本发明的非能动安注系统设计，以上所需水量由以下几部分提供：1)高、中、低压安注水；2)从一回路破口泄漏的反应堆冷却剂；3)回收的冷凝水。保守假设高压和中压安注水的总量为100m3，LOCA后通过一回路破口进入安全壳的水量取200m3。剩余的水量则由低压安注水源(高位内置换料水箱)和回收的冷凝水提供，其中冷凝水量又由蒸发水量和回收效率决定。假设冷凝水回收率为P(0＜P＜1)，低压安注水源容量为QL，联立再循环冷却过程开始时的水量平衡关系以及72h内的总水量平衡关系，得到：
QL＝(1－P)QH/(2－P)+QM－300
分别代入QH和QM的数值，得到低压安注水源容量QL与冷凝水回收效率P的关系为：
QL＝(1－P)×5600/(2－P)+400。
由于本发明中设置了防水层、导流沟槽和隔水装置等措施，且降低一回路标高后，淹没水池处于安全壳大空间内的几乎最低位置，因此能有效提高冷凝水的回收效率。参考国内三代压水堆的冷凝水回收效率，保守值约为80％，则本发明所需的低压安注水源水量为1400m3。对于采用二回路、三回路或四回路设计、屏蔽式或轴封式主泵、混凝土或钢制安全壳、IVR或EVR堆芯熔融物冷却方案的大型压水堆，均可以实现在壳内布置足够低压安注水源，具有广泛可应用性和可行性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明的结构不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种全范围非能动安注系统，其特征在于，包括与反应堆一回路连接的堆芯补水箱(8)、安注箱(9)、内置换料水箱(10)，所述堆芯补水箱(8)和内置换料水箱(10)的位置均高于一回路管道标高；在布置主设备的房间设置防水层，事故后形成淹没水池(15)，从一回路破口喷出的反应堆冷却剂和安注水汇集于所述淹没水池(15)，成为提供堆芯长期冷却的再循环水源。
2.如权利要求1所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，所述的淹没水池(15)通过冗余的再循环管线与压力容器直接注入管线(14)相连，淹没水池(15)的淹没水位高于压力容器直接注入管线。
3.如权利要求2所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，所述再循环管线上设置常开的电动阀及止回阀，并在吸入口设置滤网(13)。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，在所述淹没水池(15)与反应堆压力容器外壁之间设有防止水向堆腔及更低处泄漏的隔水装置(18)。
5.如权利要求1所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，在高于主设备层的隔间中设置带有倾角的导流沟槽(17)，使非能动安全壳热量导出系统换热器高位冷凝水向下流动的过程中不断向中心汇集。
6.如权利要求1所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，反应堆压力容器及一回路主管道的标高相对于传统压水堆核电机组降低一个楼层，使所述淹没水池处于安全壳大空间内更低的位置。
7.如权利要求1所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，所述堆芯补水箱(8)有两个，每个堆芯补水箱(8)通过入口压力平衡管线和出口注入管线与一回路连接。
8.如权利要求7所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，所述堆芯补水箱(8)的出口注入管线通过两个并联的常闭气动隔离阀和两个串联的止回阀与压力容器直接注入管线(14)相连。
9.如权利要求1所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，所述安注箱(9)有两个，每个安注箱的出口管线通过一个常开的电动隔离阀和两个串联的止回阀与压力容器直接注入管线(14)相连。
10.如权利要求1所述的全范围非能动安注系统，其特征在于，所述内置换料水箱(10)的注入管线通过两个并联的隔离阀和两个串联的止回阀与压力容器直接注入管线(14)相连。
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