CN114743697A - 一种基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统 - Google Patents

一种基于通海冷却无时限热管堆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通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，包括反应堆堆芯、热管、主换热器和非能动余热排出换热器，所述热管内置有冷却剂工质，热管的蒸发段伸入反应堆堆芯内，与反应堆堆芯相连；热管的冷凝段穿过非能动余热排出换热器和主换热器，与非能动余热排出换热器和主换热器相连；所述非能动余热排出换热器的冷源入口与进水管路的出口连通；所述非能动余热排出换热器的冷源出口与出水管路的入口连通。本发明的有益效果为：停堆后系统依靠热管蒸发段将热量传递到热管冷凝段，热管冷凝段通过余热排出换热器将热量传递到非能动余热排出系统海水侧，依靠海水入口和海水出口高度差与密度差形成自然循环流动，实现了无时限非能动余热排出。

Description

一种基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统
技术领域
本发明涉及反应堆安全技术领域，具体涉及一种基于通海冷却无时限热管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，可广泛应用在小型装备UUV、小型核电平台等。布置在反应堆内部的热管提供了一种全新的独特方式来冷却堆芯，通过工质内的相变，利用汽化和冷凝的高潜热和毛细抽吸现象，以连续等温蒸汽/液体内部流动的方式，实现了反应堆热量由蒸发段至压力容器外冷凝段的传递。
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，有必要设计一种余热排出系统，在发生全部电源丧失事故后，能够在不依赖外部电源和人员干预的情况下，使堆芯余热的顺利导出。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种安全可靠的基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统。
本发明采用的技术方案为：一种基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，包括反应堆堆芯、热管、主换热器和非能动余热排出换热器，所述热管内置有冷却剂工质，热管的蒸发段伸入反应堆堆芯内，与反应堆堆芯相连；热管的冷凝段穿过非能动余热排出换热器和主换热器，与非能动余热排出换热器和主换热器相连；所述非能动余热排出换热器的冷源入口与进水管路的出口连通，进水管路的入口(也即海水入口)与海水连通；所述非能动余热排出换热器的冷源出口与出水管路的入口连通，出水管路的出口(也即海水出口)与海水连通；各管路上配置有阀门。
按上述方案，所述进水管路上沿流体流动方向依次配置有冷段隔离阀和冷段止回阀。
按上述方案，所述出水管路上沿流体流动方向依次配置有热段止回阀和热段隔离阀。
按上述方案，所述进水管路与出水管路连通。
按上述方案，所述进水管路的入口伸出船舶一侧舱壁，与该舱壁外的海水连通。
按上述方案，所述出水管路的出口伸出船舶另一侧舱壁，与该舱壁外的海水连通。
按上述方案，所述反应堆堆芯设于压力容器内，热管的蒸发段穿过压力容器后，与反应堆的堆芯相连。
按上述方案，所述非能动余热排出换热器内置隔板，形成双流程换热器，冷源在非能动余热排出换热器内双流程流动。
本发明的有益效果为：1、本发明采用基于“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；停堆后，系统依靠热管蒸发段将热量传递到热管冷凝段，热管冷凝段通过余热排出换热器将热量传递到非能动余热排出系统海水侧，依靠海水入口和海水出口高度差与密度差形成自然循环流动，此时自然循环驱动力等于海水在管内流动的阻力，不需依赖外部能量和运行操作人员，实现了无时限非能动余热排出，维持堆芯内的温度和压力在正常范围，有效避免了堆芯融毁事故，提高了海上动力装置的安全性和可靠性。2、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，系统简单、安全、稳定、可靠。3、本发明不需配置余热排出水舱，减少动力装置总体资源占有率，结构紧凑高效，实现无时限、低噪声地非能动余热排出。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为反应堆运行、本实施例不投入运行状态时热管工作原理示意图。
图3为反应堆运行、本实施例投入运行状态时热管工作原理示意图。
其中：1—反应堆堆芯，2—热管，3—主换热器，4—非能动余热排出换热器，5—隔板，6—舱壁，7—海水，8—冷段隔离阀，9—热段隔离阀，10—压力容器，11—冷段止回阀，12—热段止回阀，13—海水入口，14—海水出口。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，包括反应堆堆芯1、热管2、主换热器3和非能动余热排出换热器4，所述热管2内置有冷却剂工质，热管2的蒸发段伸入反应堆堆芯1内，与反应堆堆芯1相连；热管2的冷凝段穿过非能动余热排出换热器4和主换热器3，与非能动余热排出换热器4和主换热器3相连；所述非能动余热排出换热器4的冷源入口与进水管路的出口连通，进水管路的入口(也即海水入口13)与海水7连通；所述非能动余热排出换热器4的冷源出口与出水管路的入口连通，出水管路的出口(也即海水出口14)与海水7连通；各管路上配置有阀门。
优选地，所述进水管路上沿流体流动方向依次配置有冷段隔离阀8和冷段止回阀11。
优选地，所述出水管路上沿流体流动方向依次配置有热段止回阀12和热段隔离阀9。
本发明中，冷段隔离阀8和热段隔离阀9在全部电源丧失事故后自动打开。
优选地，所述进水管路与出水管路连通。
优选地，所述进水管路的入口伸出船舶一侧舱壁6，与该舱壁6外的海水7连通。
优选地，所述出水管路的出口伸出船舶另一侧舱壁6，与该舱壁6外的海水7连通。
优选地，所述反应堆堆芯1设于压力容器10内，热管2的蒸发段穿过压力容器10后，与反应堆的堆芯相连。
优选地，所述非能动余热排出换热器4内置隔板5，形成双流程换热器，冷源在非能动余热排出换热器4内双流程流动，换热更加充分均匀。
本实施例中，热管2有多组，均匀间隔布置；热管2为现有常见结构，包括管壳、吸液芯和端盖。
本实施例中，内置于热管2的冷却剂工质为碱金属工质；非能动余热排出换热器4的冷却工质也即冷源为海水7。
本发明在设计过程中，可根据船舶动力装置的总体布置情况，将非能动余热排出换热器4布置在主换热器3的上部或下部。非能动余热排出换热器4布置在主换热器3的上部时，蒸汽扩散到中心空隙经绝热区流向冷凝段，即蒸汽流经主换热器3处的热管2冷凝段后继续向前扩散到与非能动余热排出换热器4相连的冷凝段，热量传递至非能动余热排出系统。非能动余热排出换热器4布置在主换热器3的下部时，蒸汽直接扩散到冷凝段，即蒸汽首先扩散到与非能动余热排出换热器4相连的热管2冷凝段，热量传递至非能动余热排出系统，蒸汽在此区间全部冷凝。
非能动余热排出换热器4布置在压力容器10外，可有效减少压力容器10的容积；非能动余热排出换热器4的冷源入口和冷源出口数量，可根据实际情况进行配置，保证自然循环流量与系统需带出的余热热量相匹配，实现无时限冷却功能。
本发明中相关参数满足以下公式：
mCΔT＝hAΔt (1)，
p
公式(1)中，m为热管2中工质总质量流量，kg/s；ΔT为热管2的入口端和冷凝端工质的温度差，℃；Cp为热管2的入口端和冷凝端的比热容平均值,J/(kg·℃)；h为对流传热系数J/(m2·s·℃)；A为对流传热面积,m2；Δt为热管2与余热排出换热器4接触部分的壁面平均温度与余热排出换热器4中冷却工质的温度差,℃。
热管2的总换热量Q1等于热管2内冷却剂工质(为碱金属工质)与热管2发生对流传热带走的热量Q2,Q1＝mCpΔT,Q2＝hAΔt。
工程设计中影响h的因素包括热管2尺寸、非能动余热排出换热器4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。
本发明依靠海水入口13和海水出口14的高度差与密度差形成自然循环流动，海水入口13与海水出口14有高度差(海水入口13和海水出口14均位于水面以下，其中海水入口13深度大于海水出口14的深度)，此时自然循环驱动力等于海水在管内流动的阻力，其中自然循环驱动力＝ρ入口至出口平均值gh-ρ海水gh，ρ入口至出口平均值为进水管路的海水入口13至出水管路的海水出口14之间流体的密度平均值(单位为kg/m3)，g为重力加速度(单位为m/s2)，h为海水入口13与海水出口14的高度差(单位为m)，ρ海水为外界海水的密度(单位为kg/m3)；海水在管道内的流动阻力包括局部阻力和沿程阻力。
本发明的工作原理为：
(1)反应堆运行、非能动余热排出系统不投入运行状态。
在船舶动力装置正常运行期间，热管2的蒸发段被反应堆堆芯1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段(与非能动余热排出换热器4接触的热管段)流向冷凝段，热管2内蒸汽在冷凝段凝结，释放出汽化潜热，热量经热管2的管壁传递至主换热器3，如图2所示。
设计过程中保证热管2的冷凝段与主换热器3接触面积足够大、主换热器3的换热能力足够强，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。该状态下不需要启动非能动余热排出系统，系统处于备用状态，冷段隔离阀8、热段隔离阀9处于关闭状态。
(2)反应堆停堆、非能动余热排出系统运行状态。
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的蒸发段被反应堆堆芯1余热释放的热量加热，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与余热排出换热器4相连接的热管2的冷凝段冷凝，热量传递至余热排出换热器4，如图3所示。由于此时主换热器3不工作，蒸汽在与非能动余热排出换热器4相连的热管2冷凝段冷凝，将热量传递至海水7，非能动余热排出换热器4内置的隔板5实现海水在非能动余热排出换热器4的双流程流动，换热更加充分均匀，被加热的海水沿着出水管路流出舱壁6偏上方，低温海水由进水管路持续流入非能动余热排出换热器4，实现无时限长效冷却，循环过程中系统的两隔离阀保持开启。
设计过程中保证热管2冷凝段与余热排出换热器4接触面积足够大、海水侧流量、温度参数能保证带出反应堆堆芯1余热释放的热量，保证热管2内蒸发段产生的全部蒸汽在与余热排出换热器4接触的冷凝段全部冷凝，下游绝热段(与主换热器3接触的热管段)将不会存在蒸汽介质。设计过程中，应确保堆芯衰变热导出需求和非能动余热排出系统冷却能力相匹配，非能动余热排出系统冷却能力与热管的传热效率、自然循环流量、热管换热器和余热排出换热器的换热效率等因素有关。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，其特征在于，包括反应堆堆芯、热管、主换热器和非能动余热排出换热器，所述热管内置有冷却剂工质，热管的蒸发段伸入反应堆堆芯内，与反应堆堆芯相连；热管的冷凝段穿过非能动余热排出换热器和主换热器，与非能动余热排出换热器和主换热器相连；所述非能动余热排出换热器的冷源入口与进水管路的出口连通，进水管路的入口与海水连通；所述非能动余热排出换热器的冷源出口与出水管路的入口连通，出水管路的出口与海水连通；各管路上配置有阀门。
2.如权利要求1所述的基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，其特征在于，所述进水管路上沿流体流动方向依次配置有冷段隔离阀和冷段止回阀。
3.如权利要求1所述的基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，其特征在于，所述出水管路上沿流体流动方向依次配置有热段止回阀和热段隔离阀。
4.如权利要求1所述的基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，其特征在于，所述进水管路与出水管路连通。
5.如权利要求1所述的基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，其特征在于，所述进水管路的入口伸出船舶一侧舱壁，与该舱壁外的海水连通。
6.如权利要求1所述的基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，其特征在于，所述出水管路的出口伸出船舶另一侧舱壁，与该舱壁外的海水连通。
7.如权利要求1所述的基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，其特征在于，所述反应堆堆芯设于压力容器内，热管的蒸发段穿过压力容器后，与反应堆的堆芯相连。
8.如权利要求1所述的基于通海冷却无时限热管堆非能动余热排出系统，其特征在于，所述非能动余热排出换热器内置隔板，形成双流程换热器，冷源在非能动余热排出换热器内双流程流动。
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