CN115083632B - 高温气冷堆和余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温气冷堆和余热排出系统，所述高温气冷堆包括压力容器、进气管和排气管，所述压力容器具有堆芯、进料管和卸料管，所述堆芯用于燃耗燃料元件，所述进料管的一端与所述堆芯连通，所述进料管用于向所述堆芯输送燃料元件，所述卸料管的一端与所述堆芯连通，所述卸料管用于将燃耗过的燃料元件排出所述堆芯，所述进气管的第一端与所述卸料管连通，所述进气管用于向堆芯通入载热剂，所述排气管的第一端与所述进料管连通，所述排气管用于将载热剂排出所述堆芯。本发明的高温气冷堆取消了水冷壁的设置，载热剂直接通过堆芯带走堆芯内的热量，提升了热量堆芯内热量散发的速率，有利于提高堆芯设计功率和高温气冷堆的经济性。

Description

高温气冷堆和余热排出系统

技术领域

本发明属于核电技术领域，尤其涉及一种高温气冷堆和余热排出系统。

背景技术

高温气冷堆作为一种先进第四代核电堆型技术，具有安全性好、效率高、经济性好和用途广泛等优势，能够代替传统化石能源，实现经济和生态环境协调发展。

相关技术中，水冷壁作为接收堆芯热量的余热排出系统不与压力容器直接接触，而是离压力容器外壁有一段空间距离，堆芯的余热通过热辐射、对流换热、热传导等方式传递给水冷壁，压力容器与水冷壁的空间距离大大影响了传热效率，余热排出系统排出堆芯余热的能力不大，在燃料温度限值一定的情况下，事故工况下能传出的热量大小限制了堆芯的设计功率，影响了高温气冷堆的经济性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种高温气冷堆，该高温气冷堆取消了水冷壁，载热剂直接通过堆芯带走堆芯内的热量，提升了热量堆芯内热量散发的速率，有利于提高堆芯设计功率和高温气冷堆的经济性。

本发明第二方面实施例还提出了一种余热排出系统。

本发明实施例的高温气冷堆包括压力容器、进气管和排气管，所述压力容器具有堆芯、进料管和卸料管，所述堆芯用于燃耗燃料元件，所述进料管的一端与所述堆芯连通，所述进料管用于向所述堆芯输送燃料元件，所述卸料管的一端与所述堆芯连通，所述卸料管用于将燃耗过的燃料元件排出所述堆芯，所述进气管的第一端与所述卸料管连通，所述进气管用于向堆芯通入载热剂，所述排气管的第一端与所述进料管连通，所述排气管用于将载热剂排出所述堆芯。

本发明实施例的高温气冷堆取消了水冷壁的设置，载热剂直接通过堆芯带走堆芯内的热量，提升了热量堆芯内热量散发的速率，有利于提高堆芯设计功率和高温气冷堆的经济性。

在一些实施例中，所述高温气冷堆还包括保温层，所述保温层包覆在所述压力容器外壁的至少部分上。

在一些实施例中，所述高温气冷堆还包括安全壳，所述压力容器安装于所述安全壳内部。

在一些实施例中，所述进料管位于所述堆芯的上方，所述卸料管位于所述堆芯的下方。

本发明第二方面实施例的余热排出系统包括上述任一项实施例所述的高温气冷堆、热气管路、第一阀、冷气管路、第二阀和冷却塔，所述热气管路的第一端与所述排气管的第二端连通，所述第一阀安装于所述热气管路，所述冷气管路的第一端与所述进气管的第二端连通，所述第二阀安装于所述冷气管路，所述冷却塔分别与所述热气管路的第二端和所述冷气管路的第二端连通，所述热气管路用于将所述堆芯内的载热剂通入所述冷却塔中，所述冷气管路用于将所述冷却塔冷却后的载热剂通入所述堆芯内，所述高温气冷堆、所述热气管路、所述冷却塔和所述冷气管路构成循环回路。

在一些实施例中，所述余热排出系统还包括空气收集装置和第三阀，所述空气收集装置与所述冷气管路连通，所述空气收集装置位于所述冷气管路下方，所述空气收集装置用于收集所述循环回路中的空气，所述第三阀安装于所述空气收集装置，所述第三阀用于控制所述空气收集装置和所述冷气管路之间的通断。

在一些实施例中，所述余热排出系统还包括补气装置和第四阀，所述补气装置与所述冷气管路或所述热气管路连通，所述补气装置用于向所述循环回路内补充载热剂，所述第四阀安装于所述补气装置，所述第四阀用于控制所述补气装置与所述循环回路之间的通断。

在一些实施例中，所述余热排出系统还包括分层管路，所述分层管路的第一端与所述热气管路的第二端连通，所述热气管路的至少部分在其第一端向第二端的方向上向上倾斜，所述热气管路的第二端位于最高点，所述分层管路位于所述热气管路上方。

在一些实施例中，所述冷气管路包括总路、第一支路、第五阀、第二支路和第六阀，所述总路的第一端与所述排气管的第二端连通，所述第二阀安装于所述总路，所述第一支路的第一端与所述冷却塔的第二端连通，所述第一支路的第二端与所述总路的第二端连通，所述第五阀至少有一个，所述第五阀安装于所述第一支路，所述第二支路的第一端与所述冷却塔的第二端连通，所述第二支路的第二端与所述总路的第二端连通，所述第六阀至少有一个，所述第六阀安装于所述第二支路。

在一些实施例中，所述余热排出系统还包括第一阀位探测器和第二阀位探测器，所述第一阀位探测器至少有一个，所述第一阀位探测器安装于所述第五阀，所述第二阀位探测器至少有一个，所述第二阀位探测器安装于所述第六阀。

附图说明

图1是本发明实施例的高温气冷堆的示意图。

图2是本发明实施例的余热排出系统的示意图。

附图标记：

压力容器1；堆芯11；进料管12；卸料管13；燃料元件14；

进气管21；排气管22；

保温层3；

安全壳4；

热气管路51；第一阀52；分层管路53；第一温度测量仪表54；

第二阀61；总路62；第一支路63；第五阀64；第一阀位探测器641；第二支路65；第六阀66；第二阀位探测器661；流量探测仪67；第二温度测量仪表68；

冷却塔7；

空气收集装置8；第三阀81；

补气装置9；第四阀91。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述本发明第一方面实施例的高温气冷堆。

如图1所示，本发明实施例的高温气冷堆包括压力容器1、进气管21和排气管22，压力容器1具有堆芯11、进料管12和卸料管13，堆芯11用于燃耗燃料元件14，进料管12的一端(如图1中所示的下端)与堆芯11连通，进料管12用于向堆芯11输送燃料元件14，卸料管13的一端(如图1中所示的上端)与堆芯11连通，卸料管13用于将燃耗过的燃料元件14排出堆芯11，进气管21的第一端(如图1中所示的左端)与卸料管13连通，进气管21用于向堆芯11通入载热剂，排气管22的第一端(如图1中所示的左端)与进料管12连通，排气管22用于将载热剂排出堆芯11。

需要说明的是，进料管12和卸料管13属于燃料装卸系统的一部分，燃料装卸系统通过进料管12向堆芯11内输送燃料元件14，燃料装卸系统通过卸料管13将堆芯11内燃耗后的燃料元件14排出堆芯11外；正常状态下，进料管12和卸料管13开启，进气管21和排气管22关闭，避免载热剂带走堆芯11内的热量，降低了热损失；停堆工况或事故工况下，进料管12和卸料管13关闭，进气管21和排气管22开启，冷氦气从进气管21进入堆芯11内，吸收热量后从排气管22排出，将堆芯11内热量排出堆芯11外使堆芯11的温度降低。

本发明实施例的高温气冷堆取消了水冷壁的设置，载热剂直接通过堆芯11带走堆芯11内的热量，提升了热量堆芯11内热量散发的速率，有利于提高堆芯11设计功率和高温气冷堆的经济性。

优选地，热载剂为氦气。

如图1所示，在一些实施例中，高温气冷堆还包括保温层3，保温层3包覆在压力容器1外壁的至少部分上。由于不再需要通过压力容器1的外壁进行散热，在压力容器1的外壁上设置保温层3以降低压力容器1外壁散失的热量，从而降低了正常工况下的热损失，而且，由于压力容器1外壁设置了保温层3，限制了压力容器1舱室的温度，可以取消保护混凝土免受高温影响的屏蔽冷却水系统，还可以取消压力容器1支承冷却水系统。

由此，本实施例的高温气冷堆通过保温层3的设置，降低了在正常工况下的热量损失，同时取消了水冷壁及其相关的系统，简化了高温气冷堆的结构，降低了高温气冷堆的成本。

如图1所示，在一些实施例中，高温气冷堆还包括安全壳4，压力容器1安装于安全壳4内部。压力容器1、至少部分进气管21和至少部分排气管22均安装于安全壳4内部，当位于安全壳4内的压力容器1、进气管21或排气管22发生破口事故时，安全壳4将载热剂包容以避免载热剂流失。

由此，本实施例的高温气冷堆通过安全壳4的设置，有效防止了发生破口事故时载热剂大量流失。

如图1所示，在一些实施例中，进料管12和排气管22均位于堆芯11的上方，卸料管13和进气管21均位于堆芯11的下方。载热剂在堆芯11内受热膨胀后密度降低，在密度差的作用下向上流动，并经进料管12和排气管22排出高温气冷堆，冷的载热剂经进气管21和卸料管13进入堆芯11填补堆芯11内流失的载热剂。

由此，本实施例的高温气冷堆通过使热载剂受热膨胀上升并排出堆芯11，使得高温气冷堆可以自行完成进冷的载热剂和排出热的载热剂，完成了自然循环。

以下结合附图描述本发明第二方面实施例的余热排出系统。

如图2所示，本发明第二方面实施例的余热排出系统包括上述任一项实施例的高温气冷堆、热气管路51、第一阀52、冷气管路、第二阀61和冷却塔7。

其中，热气管路51的第一端(如图2中所示的左端)与排气管22的第二端连通，第一阀52安装于热气管路51，第一阀52用于开启和关闭热气管路51。

冷气管路的第一端(如图2中所示的左端)与进气管21的第二端连通，第二阀61安装于冷气管路，第二阀61用于开启和关闭冷气管路。

冷却塔7具有进口(未示出)和出口(未示出)，热气管路51的第二端(如图2中所示的右端)与冷却塔7的进口连通，冷气管路的第二端(如图2中所示的右端)与冷却塔7的出口连通，热气管路51用于将堆芯11内的载热剂通入冷却塔7中，冷却塔7用于将通入冷却塔7中的载热剂冷却降温，冷气管路用于将冷却塔7冷却后的载热剂通入堆芯11内，高温气冷堆、热气管路51、冷却塔7和冷气管路形成循环回路，载热剂在循环回路中循环流动并将堆芯11内的热量带出。

需要说明的是，堆芯11内的载热剂受热后经排气管22进入热气管路51内，热气管路51将受热膨胀后的载热剂引流至冷却塔7中进行冷却，冷却后的热载剂进入冷气管路内，冷气管路和进气管21将冷却后的载热剂通入堆芯11内，完成载热剂的循环并将堆芯11内的热量排出。

本发明实施例的余热排出系统通过热气管路51、冷气管路和冷却塔7的设置，在停堆工况或事故工况下，载热剂与燃料元件14直接接触传热，并在高温气冷堆和冷却塔7之间循环，将堆芯11内的热量排出堆芯11，提高了高温气冷堆的散热速率。

进一步地，冷却塔7的高度高于高温气冷堆的高度，冷却塔7和高温气冷堆之间的高度差根据堆芯11衰变热功率大小确定。

进一步地，保温层3包覆在热气管路51外壁的至少部分，防止正常工况下载热剂从热气管路51的外壁散失热量。

进一步地，第一阀52和第二阀61均为隔离阀，第一阀52靠近于热气管路51的第一端，第二阀61靠近于热气管路51的第一端，当余热排出系统因故障需要检修时，关闭第一阀52和第二阀61。

可选地，冷却塔7为空气冷却塔。热气管路51将载热剂通入空气冷却塔后，载热剂与大气进行热交换，使载热剂的热量传递给大气。

如图2所示，在一些实施例中，余热排出系统还包括空气收集装置8和第三阀81，空气收集装置8与冷气管路连通，空气收集装置8位于冷气管路下方，空气收集装置8用于收集循环回路中的空气，第三阀81安装于空气收集装置8，第三阀81用于控制空气收集装置8和冷气管路之间的通断。

优选地，空气收集装置8位于余热排出系统的最低位置。

可选地，第三阀81为隔离阀。

需要说明的是，在余热排出系统运行过程中，可能会混入空气等杂质气体，由于氦气的分子量较小，杂质气体会在余热排出系统的最低处聚集，空气收集装置8将汇聚的杂质气体收集，防止杂质气体影响自然循环甚至损坏堆芯11。

如图2所示，在一些实施例中，余热排出系统还包括补气装置9和第四阀91，补气装置9用于存放载热剂，补气装置9的压力与正常运行时循环回路的压力相当，补气装置9与冷气管路或热气管路51连通，补气装置9用于向循环回路内补充载热剂，所述第四阀91安装于所述补气装置9，所述第四阀91用于控制所述补气装置9与所述循环回路之间的通断。当循环回路中载热剂泄露导致压力降低时，补气装置9向循环回路内补充载热剂，维持循环回路中载热剂的总量，保证自然循环正常运行。

可选地，补气装置9与冷气管路连通。

可选地，第四阀91为隔离阀。

在一些实施例中，余热排出系统还包括分层管路53，分层管路53呈弯头状并向上拱起，分层管路53的第一端与热气管路51的第二端连通，热气管路51的至少部分在其第一端向第二端的方向上向上倾斜，热气管路51的第二端位于最高点，分层管路53位于热气管路51上方。当循环回路关闭时，热的载热剂膨胀上升，运动至分层管路53处，使热的载热剂位于高处，冷的载热剂位于低处，将热载热剂和冷载热剂自动隔离，避免进行冷、热载热剂进行热交换。

优选地，分层管路53位于余热排出系统的最高处。

如图2所示，在一些实施例中，冷气管路包括总路62、第一支路63、第五阀64、第二支路65和第六阀66，总路62的第一端(如图2所示的左端)与排气管22的第二端连通，第二阀61安装于总路62；第一支路63与第二支路65并联，第一支路63的第一端与冷却塔7的第二端(如图2所示的右端)连通，第一支路63的第二端与总路62的第二端(如图2所示的右端)连通，第五阀64至少有一个，第五阀64安装于第一支路63，第二支路65的第一端与冷却塔7的第二端(如图2所示的右端)连通，第二支路65的第二端与总路62的第二端(如图2所示的右端)连通，第六阀66至少有一个，第六阀66安装于第二支路65。

需要说明的是，在正常功率运行工况下，第五阀64和第六阀66关闭以隔断循环回路，使循环回路内不形成自然循环，从而不排出堆芯11热量；在停堆工况下，手动开启第五阀64和/或第六阀66，导出堆芯11余热，使之顺利停堆；在事故工况下，接到紧急停堆信号以后，第五阀64和/或第六阀66自动开启，余热排出系统形成自然循环，将堆芯11的热量导向大气。

由此，本实施例的余热排出系统通过并联设置的第一支路63和第二支路65，当其中一条支路发生故障时，开启另一条支路以保障载热剂循环。

可选地，第五阀64有两个，其中一个第五阀64为隔离阀，另外一个第五阀64为常开的关断阀，当隔离阀卡开时，关闭关断阀以关断第一支路63。

可选地，第六阀66有两个，其中一个第六阀66为隔离阀，另外一个第六阀66为常开的关断阀，当隔离阀卡开时，关闭关断阀以关断第二支路65。

需要说明的是，在正常和事故情况下，关断阀的阀瓣位置保持在全开位置，当反应堆操纵员判断出隔离阀误开启且无法关闭以后，通过远程手动或就地手动控制，将关断阀关闭，然后进行维修操作，防止了隔离阀意外误开启且卡开造成不必要的影响。

在一些实施例中，余热排出系统还包括第一阀位探测器641和第二阀位探测器661，第一阀位探测器641至少有一个，第一阀位探测器641安装于第五阀64，第一阀位探测器641用于探测第五阀64处于开启位置或关闭位置，第二阀位探测器661至少有一个，第二阀位探测器661安装于第六阀66，第二阀位探测器661用于探测第六阀66处于开启位置或关闭位置。

可选地，第一阀位探测器641有两个，两个第一阀位探测器641均为安全级阀位探测器。两个第一阀位探测器641保证了一个阀位探测器失效时，另一个阀位探测器仍然能够准确探测阀位。

可选地，第一阀位探测器641有两个，其中一个第一阀位探测器641为安全级阀位探测器，另外一个第一阀位探测器641为非安全级阀位探测器。两个第一阀位探测器641保证了一个阀位探测器失效时，另一个阀位探测器仍然能够准确探测阀位，且其中一个为非安全级阀位探测器降低了成本。

可选地，第二阀位探测器661有两个，两个第二阀位探测器661均为安全级阀位探测器。两个第二阀位探测器661保证了一个阀位探测器失效时，另一个阀位探测器仍然能够准确探测阀位。

可选地，第二阀位探测器661有两个，其中一个第二阀位探测器661为安全级阀位探测器，另外一个第二阀位探测器661为非安全级阀位探测器。两个第二阀位探测器661保证了一个阀位探测器失效时，另一个阀位探测器仍然能够准确探测阀位，且其中一个为非安全级阀位探测器降低了成本。

在一些实施例中，余热排出系统还包括流量探测仪67，流量探测仪67安装于冷气管路，流量探测仪67用于探测循环回路中载热剂的流量。

在一些实施例中，余热排出系统还包括第一温度测量仪表54和第二温度测量仪表68，第一温度测量仪表54安装于热气管路51，第一温度测量仪表54用于测量热气管路51内载热剂的温度，第二温度测量仪表68安装于冷气管路，第二温度测量仪表68用于测量冷气管路内载热剂的温度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，而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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种余热排出系统，其特征在于，包括：

高温气冷堆，所述高温气冷堆包括压力容器、进气管和排气管，所述压力容器具有堆芯、进料管和卸料管，所述堆芯用于燃耗燃料元件，所述进料管的一端与所述堆芯连通，所述进料管用于向所述堆芯输送燃料元件，所述卸料管的一端与所述堆芯连通，所述卸料管用于将燃耗过的燃料元件排出所述堆芯；所述进气管的第一端与所述卸料管连通，所述进气管用于向堆芯通入载热剂；所述排气管的第一端与所述进料管连通，所述排气管用于将载热剂排出所述堆芯；

热气管路和第一阀，所述热气管路的第一端与所述排气管的第二端连通，所述第一阀安装于所述热气管路；

冷气管路和第二阀，所述冷气管路的第一端与所述进气管的第二端连通，所述第二阀安装于所述冷气管路；

冷却塔，所述冷却塔分别与所述热气管路的第二端和所述冷气管路的第二端连通，所述热气管路用于将所述堆芯内的载热剂通入所述冷却塔中，所述冷气管路用于将所述冷却塔冷却后的载热剂通入所述堆芯内，所述高温气冷堆、所述热气管路、所述冷却塔和所述冷气管路构成循环回路。

2.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，还包括空气收集装置和第三阀，所述空气收集装置与所述冷气管路连通，所述空气收集装置位于所述冷气管路下方，所述空气收集装置用于收集所述循环回路中的空气，所述第三阀安装于所述空气收集装置，所述第三阀用于控制所述空气收集装置和所述冷气管路之间的通断。

3.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，还包括补气装置和第四阀，所述补气装置与所述冷气管路或所述热气管路连通，所述补气装置用于向所述循环回路内补充载热剂，所述第四阀安装于所述补气装置，所述第四阀用于控制所述补气装置与所述循环回路之间的通断。

4.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，还包括分层管路，所述分层管路的第一端与所述热气管路的第二端连通，所述热气管路的至少部分在其第一端向第二端的方向上向上倾斜，所述热气管路的第二端位于最高点，所述分层管路位于所述热气管路上方。

5.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，所述高温气冷堆还包括保温层，所述保温层包覆在所述压力容器外壁的至少部分上。

6.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，所述高温气冷堆还包括安全壳，所述压力容器安装于所述安全壳内部。

7.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，所述进料管位于所述堆芯的上方，所述卸料管位于所述堆芯的下方。

8.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，所述冷气管路包括：

总路，所述总路的第一端与所述排气管的第二端连通，所述第二阀安装于所述总路；

第一支路和第五阀，所述第一支路的第一端与所述冷却塔的第二端连通，所述第一支路的第二端与所述总路的第二端连通，所述第五阀至少有一个，所述第五阀安装于所述第一支路；

第二支路和第六阀，所述第二支路的第一端与所述冷却塔的第二端连通，所述第二支路的第二端与所述总路的第二端连通，所述第六阀至少有一个，所述第六阀安装于所述第二支路。

9.根据权利要求8所述的余热排出系统，其特征在于，还包括第一阀位探测器和第二阀位探测器，所述第一阀位探测器至少有一个，所述第一阀位探测器安装于所述第五阀，所述第二阀位探测器至少有一个，所述第二阀位探测器安装于所述第六阀。