CN115547529A - 一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，属于核电站乏燃料水池设计技术领域，该系统包括热端换热器和冷端冷凝器，所述热端换热器按照设定形式布置于乏燃料厂房内的乏燃料水池两侧壁面区域，所述冷端冷凝器布置于乏燃料厂房外的空冷塔内，所述热端换热器和所述冷端冷凝器分别通过上升管道和下降管道对应连通，以外界环境作为最终热阱，实现对乏燃料水池区域的非能动冷却。使用本发明提供的系统采用低压热管能够增强两相换热，提高乏池冷却系统的安全性能和经济性。

Description

一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统

技术领域

本发明属于核电站乏燃料水池设计技术领域，具体为一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统。

背景技术

热管原理是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler于1944年提出，至今已有近80年的发展历程。热管的换热性能极好，相同截面积的热管的换热能力是铜管的3000倍以上。日常生活中，热管技术常用于电脑CPU冷却、新型节能空调、太阳能热水器等诸多方面；工业应用上，热管技术常用于锅炉余热回收系统、航天领域、内燃机冷却系统等方面。1974年，美国阿拉斯加输油管道采用了112000根热管，用以解决冻土问题；2006年，青藏铁路通车，铁轨两侧亦采用了多根单体式热管，这些热管的长度在几米至几十米之间，总数目可达18200根，实际使用寿命在17年以上。

在核能领域，专利ZL201210491112.2提出一种乏燃料水池冷却及净化系统，为悬挂于乏燃料水池壁面的冷却系统；AREVA公司曾为Goesgen-Daeniken核电厂提出一种将分离式热管悬挂在乏燃料水池壁面的乏池冷却系统设计，并为此展开了初步的试验验证；专利CN204029398U提出一种非能动乏燃料水池冷却系统，基于分离式热管原理实现乏燃料衰变热的非能动导出。

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非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，利用该系统能增强两相换热，提高乏池冷却系统的安全性能和经济性。

为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：

一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，包括热端换热器和冷端冷凝器，所述热端换热器按照设定形式布置于乏燃料厂房内的乏燃料水池两侧壁面区域，所述冷端冷凝器布置于乏燃料厂房外的空冷塔内，所述热端换热器和所述冷端冷凝器分别通过上升管道和下降管道对应连通，以外界环境作为最终热阱，实现对乏燃料水池区域的非能动冷却。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，所述热端换热器包括多个单体式热管换热器，每个所述单体式热管换热器包括竖直管束及顶部集气腔和底部水分配室，所述顶部集气腔具有出汽口，所述底部水分配室具有进水口。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，所述冷端冷凝器包括多个单体式冷凝器，其数量与所述单体式热管换热器的数量一致；每个所述单体式冷凝器具有进汽口和出水口，其进汽口通过所述上升管道与一个单体式热管换热器的出汽口连通，其出水口通过下升管道与所述单体式热管换热器的进水口连通。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，所述冷却系统的管道内装有冷却工质纯水且处于近真空状态，绝对压力小于300Pa。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，所述单体式冷凝器为管翅式换热器，所述单体式冷凝器可在0-30°的范围内调节角度，以增加换热。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，所述空冷塔的高度确保其能形成烟囱效应，通过自然进风带走所述冷端冷凝器释放的热量。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，所述空冷塔的底部设置有能动的风机，用于有电工况下强迫循环增强换热。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，在位于乏厂房边界外的所述上升管道上设置有真空维持系统，所述真空维持系统包括串联设置的真空维持隔离阀和真空泵，用于当所述冷却系统真空度降低到设定阈值后，通过启动所述真空维持系统恢复所述冷却系统的真空度。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，在位于乏厂房边界外的所述下降管道上设置有补水系统，所述补水系统包括补水隔离阀和补水水箱，通过所述补水系统补充所述冷却系统长期运行中损失的冷却工质。

进一步，如上所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，在位于乏厂房边界外的所述上升管道和所述下降管道上还分别设置有上升段隔离阀和下降段隔离阀。

采用本发明所述的用于事故后非能动安全壳热量排出系统，具有以下显著的技术效果：

1、热端采用多个单体式热管换热器，各自相互独立，互不影响，单个破损不影响整体运行，冷却系统寿命长，安全系数高；

2、冷端除了自然通风冷却，还额外增加风机，遵循非能动的原则并增加了冷却能力；

3、冷却系统的管道内近真空状态，绝对压力小于300Pa，低压热管能增强两相换热，提高乏池冷却系统的安全性能和经济性。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统的结构示意图；

图2为图1所述系统的结构俯视示意图；

图3a-3c分别为热端换热器的结构正视图、俯视图和侧视图；

图中：1-热端换热器；2-乏燃料水池；3-燃料元件安置区；4-乏厂房边界；5-真空维持隔离阀；6-真空泵；7-补水隔离阀；8-补水水箱；9-冷却塔支架；10-风机；11-空冷塔；12-冷端冷凝器；13-上升段隔离阀；14-下降段隔离阀；15-上升管道；16-下降管道；17-下降段测温点；18-上升段测温点；19-水池测温点；20-压差测量点。

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。

本发明提供了一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，该系统采用低压热管以增强两相换热，提高乏池冷却系统的安全性能和经济性。

图1示出了本发明实施例提供的一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统的结构示意图，图2为所述冷却系统的结构俯视图，该系统主要由热端换热器1、冷端冷凝器12、上升管道15、下降管道16、空冷塔11以及配套设施组成，其中，热端换热器1按照设定形式布置于乏燃料厂房内的乏燃料水池2两侧壁面区域，用以高效冷却乏燃料水池2区域；冷端冷凝器12布置于乏燃料厂房外的空冷塔11内，以外界环境作为最终热阱，实现非能动冷却；热端换热器1和冷端冷凝器12分别通过上升管道15和下降管道16对应连通。

图3示出了热端换热器的结构示意图，热端换热器1布置在乏燃料水池2内侧壁面区域，燃料元件安置区3之上。热端换热器1包括多个单体式热管换热器，每个单体式热管换热器主要由竖直管束及顶部集气腔和底部水分配室组成，顶部集气腔具有出汽口，底部水分配室具有进水口。竖直管束由光直管或者异型管组成，长度范围为4000-7000mm，热端换热器1的整体尺寸小于350mm×1500mm×7000mm。多个单体式热管换热器各自相互独立，互不影响，单个破损不影响整体运行，冷却系统寿命长，安全系数高。

冷端冷凝器12布置于乏燃料厂房外的空冷塔11内，为管翅式换热器，具有足够大的散热表面积以对应乏燃料水池2的散热需求。冷端冷凝器12包括多个单体式冷凝器，其数量与单体式热管换热器的数量一致，每个单体式热管换热器与每个单体式冷凝器一一对应连通。具体为，每个单体式冷凝器具有进汽口和出水口，其进汽口通过上升管道15与单体式热管换热器的出汽口连通，其出水口通过下升管道16与该单体式热管换热器的进水口连通。单体式冷凝器可在0-30°的范围内调节角度，以增加换热。

该冷却系统的管道内装有冷却工质纯水且处于近真空状态(绝对压力小于300Pa)，管道外设有隔热措施。低压热管能增强两相换热，提高乏池冷却系统的安全性能和经济性。

空冷塔11位于乏燃料厂房外，其内部空间能容纳冷端冷凝器12。空冷塔11的高度确保其能形成一定烟囱效应。空冷塔11的底部设置有能动的风机10，在有电的工况下，可以靠强迫循环增强换热；在不使用风机10的情况下，自然进风同样能带走热量。

在位于乏厂房边界4外的上升管道15和下降管道16上分别设置有真空维持系统和补水系统，真空维持系统主要包括串联设置的真空维持隔离阀5和真空泵6，真空维持隔离阀5和上升管道15连通；补水系统主要包括补水隔离阀7和补水水箱8，补水隔离阀7和下降管道16连通。在长期运行中，当该冷却系统真空度降低后，可启动真空维持系统，恢复冷却系统的真空度。在此过程中，可通过补水系统补充损失的冷却工质。

本实施例中，上升管道15管径不低与100mm；下降管道16需要不形成实心水柱，直径不低于60mm。

在上升管道15和下降管道16上分别设置有上升段隔离阀13和下降段隔离阀14，上升段隔离阀13和下降段隔离阀14位于乏厂房边界4外。

在上升管道15上设置有上升段测温点18，在下降管道16上设置有下降段测温点17，在乏燃料水池2池面设置有水池测温点19，分别用于实时监测上升管道15、下降管道16和乏燃料水池2的温度。

在热端换热器1上设置有压差测量点，用于测量热端换热器1两端的压差。

该系统投运过程：系统是常联通系统，一旦乏燃料水池温度高于系统启动温度，热端换热器1内沸腾相变，产生蒸汽，蒸汽向上沿着上升管道15到达冷端冷凝器12后被凝结为水，冷凝水沿着下降管道16回到热端换热器1底部，如此完成一个循环，完成热量导出。

本发明提供的一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，主要由含冷、热端的分离式低压热管组成，充分利用乏燃料水池的壁面间隙进行合理规划，布置多个单体分离式热管换热器进行高效冷却，可在事故后对乏燃料水池进行长期的非能动冷却，保证池水温度不超过80℃；系统具有非能动的特性，无需能动设备和动力源。本发明降低了乏燃料水池事故后干烧的可能性，提高了乏燃料水池的安全性和可靠性。

上述实施例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 (10)

1.一种非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，所述系统包括热端换热器(1)和冷端冷凝器(12)，所述热端换热器(1)按照设定形式布置于乏燃料厂房内的乏燃料水池(2)两侧壁面区域，所述冷端冷凝器(12)布置于乏燃料厂房外的空冷塔(11)内，所述热端换热器(1)和所述冷端冷凝器(12)分别通过上升管道(15)和下降管道(16)对应连通，以外界环境作为最终热阱，实现对乏燃料水池(2)区域的非能动冷却。

2.根据权利要求1所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，所述热端换热器(1)包括多个单体式热管换热器，每个所述单体式热管换热器包括竖直管束及顶部集气腔和底部水分配室，所述顶部集气腔具有出汽口，所述底部水分配室具有进水口。

3.根据权利要求2所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，所述冷端冷凝器(12)包括多个单体式冷凝器，其数量与所述单体式热管换热器的数量一致；每个所述单体式冷凝器具有进汽口和出水口，其进汽口通过所述上升管道(15)与一个单体式热管换热器的出汽口连通，其出水口通过下升管道(16)与所述单体式热管换热器的进水口连通。

4.根据权利要求1所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，所述冷却系统的管道内装有冷却工质纯水且处于近真空状态，绝对压力小于300Pa。

5.根据权利要求3所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，所述单体式冷凝器为管翅式换热器，所述单体式冷凝器可在0-30°的范围内调节角度，以增加换热。

6.根据权利要求1-5任一项所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，所述空冷塔(11)的高度确保其能形成烟囱效应，通过自然进风带走所述冷端冷凝器(12)释放的热量。

7.根据权利要求1所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，所述空冷塔(11)的底部设置有能动的风机(10)，用于有电工况下强迫循环增强换热。

8.根据权利要求1所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，在位于乏厂房边界(4)外的所述上升管道(15)上设置有真空维持系统，所述真空维持系统包括串联设置的真空维持隔离阀(5)和真空泵(6)，用于当所述冷却系统真空度降低到设定阈值后，通过启动所述真空维持系统恢复所述冷却系统的真空度。

9.根据权利要求8所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，在位于乏厂房边界(4)外的所述下降管道(16)上设置有补水系统，所述补水系统包括补水隔离阀(7)和补水水箱(8)，通过所述补水系统补充所述冷却系统长期运行中损失的冷却工质。

10.根据权利要求8或9所述的非能动分离式热管的乏燃料水池冷却系统，其特征在于，在位于乏厂房边界(4)外的所述上升管道(15)和所述下降管道(16)上还分别设置有上升段隔离阀(13)和下降段隔离阀(14)。

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