CN115171919A - 一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，属于核工程厂房布局技术领域，按功能划分所述氚工厂包括机械贯穿区、内燃料循环系统设备区、外燃料循环系统设备区、水去氚化系统设备区、通风除氚系统设备区、综合布置区、楼梯电梯区、设备吊装区和通行区，将氚浓度高的功能区布置在氚工厂内侧，将氚浓度低的功能区布置在外侧。本发明提供氚工厂布置结构简单，布局合理，不仅提高辐射防护效果，满足商用核电站的需求，还可提高核电站的空间利用率。

Description

一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构
技术领域
本发明属于核工程技术领域，具体为一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构。
背景技术
核能应用主要是从可控的链式反应中长期持续地获得能量，核反应堆就是持续进行这种链式核反应的装置。核反应堆按反应原理，可分为核裂变反应堆和核聚变反应堆。可裂变燃料资源是有限的，而海水里的氘却有可能成为取之不尽的核聚变电站能源。因此，核聚变是更理想的能源，受到了全世界科学家的关注和研究。
经过世界范围的聚变研究专家50多年的共同努力，核聚变能源研究已经进入实验演示长脉冲和/或稳态氘-氚燃烧科学可行性、氚增殖和回收、屏蔽包层等工程技术的可行性阶段。
现阶段对磁约束核聚变的研究多为实验堆或实验装置，主要包括国际ITER热核聚变实验堆、美国TFTR装置，日本JT-60装置、欧洲JET装置以及中国的EAST先进实验堆。
托卡马克(Tokamak)是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。目前，国内外尚未提出用于商用的托卡马克磁约束聚变电站的核岛厂房设计。以上实验堆或实验装置均存在安全性不足、空间利用率低、规划不合理等缺点，无法满足商用磁约束聚变电站的建设需求。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，该厂房布置结构能够满足商用需求，且具有极强的工程可实施性。
为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：
一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述氚工厂的上方紧邻托卡马克主机厂房，右侧紧邻热室；按功能划分，所述氚工厂包括机械贯穿区、内燃料循环系统设备区、外燃料循环系统设备区、水去氚化系统设备区、通风除氚系统设备区、综合布置区、楼梯电梯区、设备吊装区和通行区；
基于辐射防护需求，氚浓度高的功能区布置在所述氚工厂内侧，氚浓度低的功能区布置在所述氚工厂外侧。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述机械贯穿区是所述氚工厂与主机厂房的接口区域，位于靠近主机厂房的一侧，其内布置有内燃料循环系统、外燃料循环系统和装卸料系统的放射性机械贯穿件。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述内燃料循环系统设备区位于靠近主机厂房一侧，并与所述机械贯穿区1的左侧和下侧相邻，主要用于布置内燃料循环系统相关物项。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述内燃料循环系统设备区内布置有托卡马克等离子体排灰气处理系统、内循环氢同位素分离系统、燃料储存与供给系统及分析系统相关物项。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述外燃料循环系统设备区位于所述氚工厂的中心，并与所述内燃料循环系统设备区、所述水去氚化设备区和所述通风除氚设备区相邻，主要用于布置外燃料循环系统相关物项，所述外燃料循环系统的主要任务是提取和回收包层中增殖的氚，用于弥补氚的燃耗、衰变和非放射性损失，从而实现氚燃料自持。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述外燃料循环系统设备区内布置有包层氚提取系统、氦冷却剂净化系统、水冷却剂净化系统及外循环氢同位素分离系统相关物项。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述水去氚化系统设备区位于所述氚工厂靠近热室一侧，与所述外燃料循环设备区、所述通风除氚系统设备区和所述综合布置区相邻。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述水去氚化系统设备区内布置有水去氚化系统，用于氚工厂、主机厂房及热室正常运行和事故过程中产生含氚废液的处理处置。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述通风除氚系统设备区与所述外燃料循环系统设备区、所述水去氚化系统设备区和所述综合布置区相邻，主要用于布置各种通风除氚系统物项。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述通风除氚系统设备区内布置有空气气氛除氚系统、通排风除氚系统及手套箱气氛除氚系统，主要用于主机厂房、氚工厂以及热室的除氚。
进一步，如上所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，所述综合布置区位于所述氚工厂的最外侧，主要用于布置电缆、蓄电池及其他本身剂量率水平较低的系统物项。
采用本发明所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，具有以下显著的技术效果：
本发明结构简单，布局合理，功能齐全，不仅可满足商用核电站的需求，还可提高核电站的空间利用率；将氚浓度较高的功能区布置在氚工厂内侧，将氚浓度低的功能区布置在外侧，可提高辐射防护效果；在氚工厂内设置了三部电梯和楼梯，满足消防疏散要求，并综合考虑了设备的运输。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂的平面布置结构示意图；
图2是图1所述氚工厂的辐射防护分区示意图；
图3是氚工厂地下三层的平面布局示意图；
图4是氚工厂地下二层的平面布局示意图；
图5是氚工厂地下一层的平面布局示意图；
图6是氚工厂地上一层的平面布局示意图；
图7是氚工厂地上二层的平面布局示意图；
图8是氚工厂地上三层的平面布局示意图；
图9是氚工厂地上四层的平面布局示意图；
附图标记：1-机械贯穿区、2-内燃料循环系统设备区、3-外燃料循环系统设备区、4-水去氚化系统设备区、5-通风除氚系统设备区、6-综合布置区、7-楼梯电梯区、8-设备吊装区、9-通行区。
具体实施方式
下面结合具体的实施例与说明书附图对本发明进行进一步的描述。
图1示出了本发明实施例提供的一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂的平面布置结构示意图，该氚工厂总占地面积约为5902m2，建筑总长约69m，总宽约40m，距反应堆中心的距离为81.00m，该氚工厂上方紧邻托卡马克主机厂房，右侧紧邻热室，以便合理布置进出上述两个厂房的氚工艺管道及通风除氚管道等。
按功能划分，如图1所示，该氚工厂内部划分为机械贯穿区1、内燃料循环系统设备区2、外燃料循环系统设备区3、水去氚化系统设备区4、通风除氚系统设备区5、综合布置区6、楼梯电梯区7、设备吊装区8和通行区9。
机械贯穿区1是氚工厂与主机厂房的接口区域，布置在靠近托卡马克主机厂房的一侧，主要布置有内燃料循环系统、外燃料循环系统和装卸料系统(即加料系统、抽真空系统)的放射性机械贯穿件，另外装卸料系统的泵、储罐及相应管道阀门也布置在该区域。
内燃料循环系统设备区2紧邻机械贯穿区1的左侧和下侧，其内主要布置有托卡马克等离子体排灰气处理系统(TEP)、内循环氢同位素分离系统(ISS-I)、燃料储存与供给系统(SDS)及分析系统(ANS)等系统物项。TEP在每次点火燃烧过后回收燃烧环中未燃烧的氘-氚燃料，并将其送至ISS-I经同位素分离后送至SDS，或经浓度检测后直接送至SDS。对经TEP处理后的等离子体排灰气进行部分同位素分离；对源于中性束注入器的富氘氢同位素气源进行氢同位素分离。SDS接收并贮存来自TEP、ISS-I、外循环氢同位素分离系统(ISS-O)、水去氚化系统(WDS)等系统送入的不同组分和浓度的氘氚燃料，并为进料系统提供所需配比的燃料气体。因此，将内燃料循环系统设备区2布置在靠近主机厂房一侧，并与机械贯穿区1、外燃料循环设备区3毗连。
外燃料循环系统设备区3内主要布置有包层氚提取系统(TES)、氦冷却剂净化系统(HCPS)、水冷却剂净化系统(WCPS)及外循环氢同位素分离系统ISS-O等系统物项。氚工厂外燃料循环系统的主要任务是提取和回收包层中增殖的氚，用于弥补氚的燃耗、衰变和非放射性损失，从而实现氚燃料自持。TES、HCPS和WCPS回收的含氚氢同位素气体经过净化处理后，全部送入ISS-O中进行氚浓缩和分离，获得燃料级氚产品，并输送至SDS。因此，TES、HCPS和WCPS分别需靠近ISS-O布置，ISS-O系统需要与SDS布置在一起，TES需要靠近包层布置。将外燃料循环系统设备区3布置在氚工厂中心位置，并与内燃料循环系统设备区2、水去氚化设备区4和通风除氚设备区5毗连。
水去氚化系统设备区4主要用于布置水去氚化系统(WDS)，WDS用于正常运行和事故过程中产生含氚水的处理，需要完成氚工厂、主机厂房及热室三大厂房的含氚废液的处理处置。因此，将其布置在氚工厂右侧位置，与外燃料循环设备区3和通风除氚系统设备区5相邻，并靠近热室一侧。
通风除氚系统设备区5主要用以布置各种通风除氚系统物项，将其布置在氚工厂中间位置。其中，空气气氛除氚系统(ADS)包括用于氚工厂氚操作间、托克马克装置以及大厅除氚的S-ADS，以及热室除氚的HC-ADS。通排风除氚系统(VDS)包括托卡马克主机厂房和氚工厂的VDS(记作N-VDS)，以及热室VDS(记作HC-VDS)。因此，S-ADS和N-VDS需靠近托卡马克主机厂房布置，HC-ADS和HC-VDS需靠近热室布置。手套箱气氛除氚系统(GDS)需兼顾所有含手套箱的系统，因此靠近手套箱系统布置较为合理。
综合布置区6主要用以布置电缆、蓄电池及其他可能布置在氚工厂但本身剂量率水平较低的系统物项。综合布置区6布置在氚工厂最外侧。
楼梯电梯区7包括三部楼梯和三部电梯，可用于工作人员的正常通行和紧急疏散。在±0.00m层有直接通往厂房外的人员应急逃生门。氚工厂的通行区9利用三条纵向通道和一条横向的通道来满足人员通行和设备运输。
氚工厂内主要设备除部分液体储罐和大尺寸设备需预先引入，其他设备的引入主要通过设备运输通道、大门进入厂房，再通过厂房内主要通道、门洞、吊装孔洞进入相应工艺间。
设备吊装区8位于氚工厂左下角区域，是一个从负三层一直贯穿到正四层的吊装洞，在最高层设置一台10t电动单轨吊车，可用于氚工厂内所有设备的运输及吊装。
本发明实施例提供的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂辐射防护的分区根据我国相关法律法规具体确定，辐射防护分区与氚分区具有一致性。基于辐射分区布置理念，氚浓度高的地方，则剂量率水平较高，布置在内侧较为合理；氚浓度低的地方，则剂量率水平较低，可布置在厂房外侧。参考图2所示，该氚工厂辐射防护的分区总体上分为A、B、C、D一共4个区，其中：
A区主要布置内循环系统，氚操作量大，氚浓度高，处理规模相对较小。
B区主要布置外循环循环系统，氚操作量相对小，氚浓度相对低，但是处理规模大。
C区主要布置水去氚化系统，用于水去氚化，剂量率水平较低，处理大量氚水。
D区主要布置氚安全相关系统，例如手套箱气氛除氚系统(GDS)、通排风除氚系统(VDS)、空气气氛除氚系统(ADS)、暖通空调系统(HVAC)。
下面说明本发明提供的氚工厂各层的具体布局。
该氚工厂具有地下三层和地上四层，图3-图9分别示例了氚工厂各层的平面布局，其中：
参考图3所示，地下三层主要布置WCPS水冷却剂净化系统、WDS水去氚化系统和综合管廊。WCPS位于外燃料循环系统设备区3内靠近内燃料循环系统设备区2的下侧，WDS位于水去氚化系统设备区4内。
参考图4所示，地下二层主要布置HCPS氦冷却剂净化系统、WDS水去氚化系统、WCPS水冷却剂净化系统、TEP等离子体排灰气处理系统、ANS分析系统。HCPS位于外燃料循环系统设备区3紧邻内燃料循环系统设备区2的下侧，TEP位于外燃料循环系统设备区3紧邻热室的一侧，ANS位于内燃料循环系统设备区2靠近TEP的一侧，WDS位于水去氚化系统设备区4内，WCPS位于通风除氚系统设备区5内。
参考图5所示，地下一层主要布置HCPS氦冷却剂净化系统、WCPS水冷却剂净化系统、TEP等离子体排灰气处理系统、ANS分析系统、GDS手套箱气氛除氚系统和ACS中央控制系统。HCPS、WCPS、TEP、ANS的位置和负二层保持一直，GDS布置在综合布置区6内靠近手套箱系统；ACS布置在水去氚化系统设备区4内。
参考图6所示，地上一层主要布置了WDS水去氚化系统、WCPS水冷却剂净化系统、ISS-I氢同位素分离系统、ISS-O外循环氢同位素分离系统、SDS燃料贮存与供给系统和GDS手套箱气氛除氚系统。WDS位于水去氚化系统设备区4内，WCPS、GDS的位置和负一层保持一直；SDS位于内燃料循环系统设备区2紧邻机械贯穿区1的下侧，ISS-I位于外燃料循环系统设备区3紧邻热室的一侧，ISS-O位于外燃料循环系统设备区3紧邻SDS的下侧。
参考图7所示，地上二层主要布置了ISS-I氢同位素分离系统、ISS-O外循环氢同位素分离系统、WDS水去氚化系统、WCPS水冷却剂净化系统和LTS氚长期贮存系统。ISS-I、ISS-O、WDS的位置和地上一层保持一直，LTS位于内燃料循环系统设备区2靠近ISS-I、ISS-O的位置，WCPS位于通风除氚系统设备区5内靠近WDS的一侧。
参考图8所示，地上三层主要布置了TES包层氚提取系统、ISS-I氢同位素分离系统、ISS-O外循环氢同位素分离系统、WDS水去氚化系统、WCPS水冷却剂净化系统、VDS排放气体除氚系统和ADS空气气氛除氚系统。TES布置在机械贯穿区1和内燃料循环系统设备区2，ISS-I、ISS-O、WCPS的位置和地上二层保持一直，WDS位于水去氚化系统设备区4内靠近ISS-I的一端，ADS位于水去氚化系统设备区4内的另一端，VDS位于通风除氚系统设备区5内靠近设备吊装区8的一侧。
参考图9所示，地上四层主要布置了ISS-I氢同位素分离系统、ISS-O外循环氢同位素分离系统、WCPS水冷却剂净化系统和VDS排放气体除氚系统。ISS-I、ISS-O、WCPS、VDS的位置和地上三层保持一直。
本发明提供的一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂的平面布置结构，结构简单，布局合理，功能齐全，不仅可满足商用核电站的需求，还可提高核电站的空间利用率；将氚浓度较高的功能区布置在氚工厂内侧，将氚浓度低的功能区布置在外侧，可提高辐射防护效果；在氚工厂内设置了三部电梯和楼梯，满足消防疏散要求，并综合考虑了设备的运输，具有极强的工程可实施性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述氚工厂的上方紧邻托卡马克主机厂房，右侧紧邻热室；按功能划分，所述氚工厂包括机械贯穿区(1)、内燃料循环系统设备区(2)、外燃料循环系统设备区(3)、水去氚化系统设备区(4)、通风除氚系统设备区(5)、综合布置区(6)、楼梯电梯区(7)、设备吊装区(8)和通行区(9)；
基于辐射防护需求，氚浓度高的功能区布置在所述氚工厂内侧，氚浓度低的功能区布置在所述氚工厂外侧。
2.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述机械贯穿区(1)是所述氚工厂与主机厂房的接口区域，位于靠近主机厂房的一侧，其内布置有内燃料循环系统、外燃料循环系统和装卸料系统的放射性机械贯穿件。
3.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述内燃料循环系统设备区(2)位于靠近主机厂房一侧，并与所述机械贯穿区(1)的左侧和下侧相邻，主要用于布置内燃料循环系统相关物项。
4.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述内燃料循环系统设备区(2)内布置有托卡马克等离子体排灰气处理系统、内循环氢同位素分离系统、燃料储存与供给系统及分析系统相关物项。
5.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述外燃料循环系统设备区(3)位于所述氚工厂的中心，并与所述内燃料循环系统设备区(2)、所述水去氚化设备区(4)和所述通风除氚设备区(5)相邻，主要用于布置外燃料循环系统相关物项，所述外燃料循环系统的主要任务是提取和回收包层中增殖的氚，用于弥补氚的燃耗、衰变和非放射性损失，从而实现氚燃料自持。
6.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述外燃料循环系统设备区(3)内布置有包层氚提取系统、氦冷却剂净化系统、水冷却剂净化系统及外循环氢同位素分离系统相关物项。
7.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述水去氚化系统设备区(4)位于所述氚工厂靠近热室一侧，与所述外燃料循环设备区(3)、所述通风除氚系统设备区(5)和所述综合布置区(6)相邻。
8.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述水去氚化系统设备区(4)内布置有水去氚化系统，用于氚工厂、主机厂房及热室正常运行和事故过程中产生含氚废液的处理处置。
9.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述通风除氚系统设备区(5)与所述外燃料循环系统设备区(3)、所述水去氚化系统设备区(4)和所述综合布置区(6)相邻，主要用于布置各种通风除氚系统物项。
10.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述通风除氚系统设备区(5)内布置有空气气氛除氚系统、通排风除氚系统及手套箱气氛除氚系统，主要用于主机厂房、氚工厂以及热室的除氚。
11.根据权利要求1所述的托卡马克磁约束聚变电站的氚工厂布置结构，其特征在于，所述综合布置区(6)位于所述氚工厂的最外侧，主要用于布置电缆、蓄电池及其他本身剂量率水平较低的系统物项。
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