CN116130123B - 一种非能动堆腔注水冷却系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非能动堆腔注水冷却系统及方法，涉及核电厂冷却系统领域；针对目前对反应堆熔融物堆内滞留条件下的压力容器冷却效果和效率不佳的问题，配置密封浮球和侧门，事故下通过向堆腔内注入冷却水开启第一开口，同时触发开启第二开口，实现冷却水通过多个位置开口进入压力容器外的冷却流道，达到冷却熔融物要求，提高冷却流道内液位上升速度，使堆腔内液位上升与冷却流道内液位上升趋于一致，满足压力容器快速冷却的需求。
Description
技术领域
本发明涉及核电厂冷却系统领域，具体涉及一种非能动堆腔注水冷却系统及方法。
背景技术
在核电设计中，需要考虑事故后果的预防及缓解。熔融物堆内滞留(IVR)是一种重要的严重事故缓解策略，实施方法主要是在核电厂发生严重事故后通过将水注入反应堆堆腔，将压力容器淹没于水中，依靠水的沸腾带走热量，从而保持压力容器的完整性。IVR措施的成功，需要冷却水尽快淹没堆腔，并使冷却水快速进入I VR冷却流道。IVR流道位于由保温层和压力容器之间，在正常情况下是保持封闭状态，保证核电厂的正常运行。在事故情况下，允许冷却水注入。
目前堆腔注水时分为能动和非能动两种方式，使堆腔内短时间注入大量的冷却水。无论采用何种方式，堆腔内的水体均需要穿过保温层后才能接触压力容器，传统从保温层底部单一位置进水的方式流量较小，导致堆腔内液位上升速度与冷却流道内液位上升速度不一致，IVR冷却流道内液位上升速度慢，接触压力容器并进行冷却的效率较低，难以满足对压力容器快速冷却的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种非能动堆腔注水冷却系统及方法，配置密封浮球和侧门，无需依赖电源驱动及人工操作，事故下通过向堆腔内注入冷却水开启第一开口，同时触发开启第二开口，实现冷却水通过多个位置开口进入压力容器外的冷却流道，达到冷却熔融物要求，提高冷却流道内液位上升速度，使堆腔内液位上升与冷却流道内液位上升趋于一致，满足压力容器快速冷却的需求。
本发明的第一目的是提供一种非能动堆腔注水冷却系统，采用以下方案：
包括堆腔和位于堆腔内的保温层，保温层内侧形成冷却流道，保温层设有第一开口和围绕第一开口分布的第二开口，第一开口位于保温层底端且配合有密封浮球，第二开口配合有侧门，密封浮球通过柔性索连接侧门；密封浮球受堆腔内冷却水作用脱离第一开口时，牵拉柔性索开启侧门。
进一步地，所述保温层朝向堆腔底面的一端为球冠面，第一开口和第二开口均分布于球冠面，第二开口朝向压力容器底端曲面。
进一步地，所述侧门一端铰接于第二开口一侧，另一端通过卡合部对接第二开口另一侧，以封堵第二开口；柔性索牵拉侧门以解除对第二开口的封堵。
进一步地，所述保温层的第一开口上扣罩有约束架，密封浮球位于约束架内，并在冷却水浮力作用下于约束架内活动。
进一步地，所述第一开口上设有密封曲面，密封浮球贴合密封曲面以封堵第一开口。
进一步地，所述保温层底部设有凹槽部，第一开口设置于凹槽部，约束架位于保温层靠近冷却流道的一侧的凹槽部内。
进一步地，所述保温层上设有多个第二开口，每个第二开口均配合有侧门，第二开口绕保温层轴线环向间隔分布。
进一步地，所述柔性索一端连接密封浮球，另一端绕过保温层外侧后连接侧门。
本发明的第二目的是提供一种利非能动堆腔注水冷却系统的冷却方法，包括：
正常运行时，密封浮球封堵第一开口、侧门封堵第二开口；
需求冷却时，堆腔注入冷却水，冷却水带动密封浮球上浮，使第一开口敞开，同时，密封浮球通过柔性索带动侧门开启，使第二开口敞开，堆腔通过第一开口和第二开口连通冷却流道；
堆腔内和冷却流道内水位持续上升，对压力容器进行冷却。
进一步地，冷却过程中，冷却水接触压力容器高温区域产生蒸汽，蒸汽沿冷却流道上升带走热量。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
(1)针对目前对反应堆熔融物堆内滞留条件下的压力容器冷却效果和效率不佳的问题，配置密封浮球和侧门，事故下通过向堆腔内注入冷却水开启第一开口，同时触发开启第二开口，实现冷却水通过多个位置开口进入压力容器外的冷却流道，达到冷却熔融物要求，提高冷却流道内液位上升速度，使堆腔内液位上升与冷却流道内液位上升趋于一致，满足压力容器快速冷却的需求。
(2)在正常运行下，位于保温层底部的密封浮球依靠重力，使IVR冷却流道底部的第一开口处于关闭状态，当堆腔淹没后，依靠水压浮力带动密封浮球动作开启第一开口，无需电源，具有很高的安全级。
(3)除了底部的第一开口供冷却水通过外，还包含侧门配合的第二开口，在侧门联动密封浮球开启时，第一开口和第二开口同时连通冷却流道和堆腔，建立供冷却水通过的大面积通道，可为IVR冷却流道提供充足的冷却水。
(4)第二开口朝向压力容器的底部，在堆腔内液位与冷却流道内液位相差较大时，第二开口位置形成较大的水压，堆腔内的冷却水穿过第二开口后能够以射流的形式快速作用于压力容器积聚熔融物的底部，从而优先对压力容器的高温区域进行冷却，提高冷却效果。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1和2中非能动堆腔注水冷却系统的示意图。
图2为本发明实施例1和2中第一开口和第二开口开启后的示意图。
图3为本发明实施例1和2中密封浮球位于约束架内的示意图。
其中，1—堆腔壁；2—保温层；3—压力容器；4—下封头；5—第一侧门；6—第一柔性索；7—凹槽部；8—密封浮球；9—约束架；10—第二柔性索；11—第二侧门；12—冷却流道；13—熔池；14—第二开口；15—第二开口；16—第一开口；17—约束架侧孔；18—堆腔；19—支架；20-顶架；21-约束架顶孔。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1-图3所示，给出一种非能动堆腔注水冷却系统。
在熔融物堆内滞留时，需要向反应堆堆腔18内注入冷却水以冷却压力容器3，保证压力容器3的完整性。注入堆腔18的冷却水需要穿过反应容器的保温层2后才能进入冷却流道12，以接触压力容器3进行冷却，传统从保温层2底部单一位置进水的方式流量较小，冷却流道12内液位上升速度慢，接触压力容器3并进行冷却的效率较低。
基于此，本实施例中提供一种非能动堆腔注水冷却系统，无需依赖电源驱动及人工操作，事故下注入冷却水后即可触发开启，实现冷却水通过预设在保温层2上的多个开孔进入压力容器3外的IVR冷却流道12，利用多个开孔提高供冷却水穿过保温层2进入冷却流量的开口面积，提高流量，达到冷却熔融物要求；同时，正常运行条件下，密封浮球8和侧门能够对开口进行封堵，维持保温层2的完整性以保证保温效果，密封设计可防止误动作。
下面，结合附图对本实施例中的非能动堆腔注水冷却系统进行详细说明。
参见图1，为实现供冷却水通过的通道能够在需求冷却时自动开启，实现IVR冷却功能，本实施例中的密封浮球8、侧门在动作时不需电源驱动，采用非能动设计。在事故下需要进行冷却时，冷却水淹没堆腔18后，对应的密封浮球8、侧门开启，冷却水通过第一开口16及第二开口14多处位置进入IVR冷却流道12，使压力容器3迅速冷却，该过程不需要依赖各类电控设施。
堆腔18内设置保温层2，压力容器3位于保温层2内，保温层2内侧与压力容器3外壁之间形成冷却流道12，冷却流道12能够容纳冷却水，同时，能够将冷却过程中产生的蒸汽进行引导排出。
保温层2设有第一开口16和围绕第一开口16分布的第二开口14，第一开口16和第二开口14均贯穿保温层2，使得第一开口16和第二开口14均能建立冷却流道12与堆腔18之间的连通关系。第一开口16位于保温层2底端且配合有密封浮球8，第二开口14配合有侧门，密封浮球8通过柔性索连接侧门。
密封浮球8受堆腔18内冷却水作用脱离第一开口16时，牵拉柔性索开启侧门，此时，第一开口16和第二开口14分别敞开，从多个位置使冷却水从堆腔18进入冷却流道12内。
在反应堆正常运行时，密封浮球8整体位于保温层2内部，且依靠重力贴合在底部的第一开口16，侧门也处于关闭位置，从而使得冷却流道12处于封闭状态，当堆腔18被冷却水淹没后，触发密封浮球8并带动侧门开启。
结合图1和图2，堆腔18注入冷却水使液面逐渐上升，密封浮球8受到堆腔18内冷却水浮力作用向上运动，开启下部的第一开口16作为进水口，同时拉动柔性索使侧门打开，敞开第二开口14作为进水口，冷却水能够从第一开口16和第二开口14进入冷却流道12。
堆腔18由堆腔壁1围绕形成，保温层2位于堆腔18内部，保温层2朝向堆腔18底面的一端为球冠面，第一开口16和第二开口14均分布于球冠面，第二开口14朝向压力容器3底端曲面。结合图1，保温层2底面的球冠面对应的压力容器3底端曲面为下封头4，下封头4呈半球面形状。
侧门一端铰接于第二开口14一侧，另一端通过卡合部对接第二开口14另一侧，以封堵第二开口14；柔性索牵拉侧门以解除对第二开口14的封堵。
需要特别指出的是，第二开口14位于球冠面上，使其所配合的侧门在密封状态时呈倾斜状，柔性索作为牵引索牵拉侧门时，能够使卡合部解除对接，侧门一端解除约束，使得倾斜的侧门能够在重力作用下下落，并在铰链一端约束下转动，实现开启侧门、敞开第二开口14的动作。同时，悬吊在第二开口14下的侧门便于后续恢复原位置，重新提供封堵第二开口14并保温的作用。
如图2所示，密封浮球8通过第一柔性索6连接位于左侧第二开口14的第一侧门5，密封浮球8还通过第二柔性索10连接位于右侧第二开口15的第二侧门11。当保温层2上设有多个第二开口14时，每个第二开口14均配合有侧门，第二开口14绕保温层2轴线环向间隔分布，密封浮球8通过对应的柔性索连接侧门，使第一开口16和第二开口14能够联动开启，建立供冷却水通过的通道。
本实施例是以两个第二开口14为例进行介绍，在其它实施方式中，第二开口14可以布置为3个、4个等其他数目。
另外，第二开口14朝向压力容器3的底部，在堆腔18内液位与冷却流道12内液位相差较大时，第二开口14位置形成较大的水压，堆腔18内的冷却水穿过第二开口14后能够以射流的形式快速作用于压力容器3积聚熔融物的底部，从而优先对压力容器3的高温区域进行冷却，提高冷却效果。
柔性索一端连接密封浮球8，另一端绕过保温层2外侧后连接侧门，柔性索整体位于保温层2的外侧，避免其直接接触压力容器3的高温位置。
如图3所示，保温层2的第一开口16上扣罩有约束架9，密封浮球8位于约束架9内，并在冷却水浮力作用下于约束架9内活动。约束架9作为约束密封浮球8活动范围的框架结构，形状呈下宽上窄，使得密封浮球8能够在其中上下移动，正常情况下密封浮球8位于底部，使第一开口16封闭，水淹后密封浮球8在浮力作用下到达支架19顶部，第一开口16开启。
对应的，第一开口16上设有密封曲面，密封浮球8贴合密封曲面以封堵第一开口16。
约束架9包括支架19和顶架20，顶架20通过支架19连接保温层2，支架19和顶架20均可以采用耐高温、耐腐蚀的钢材，以减少高温压力容器3对约束架9结构的影响。支架19上设有约束架侧孔17，顶架20上设有约束架顶孔21，密封浮球8采用耐高温耐腐蚀的密度轻质材料，与水不相溶，使用寿命长。
初始正常运行状态时，约束架9的密封浮球8在底部与保温层2相贴合，依靠重力关闭第一开口16，维持正常封堵状态。
在事故情况下，压力容器3内的熔融物形成熔池13而滞留，当堆腔18注入冷却水后，水位上升到第一开口16处，密封浮球8受到浮力作用上升到约束架9上方，下部的第一开口16作为进水口开启。
如图2所示，保温层2底部设有凹槽部7，第一开口16设置于凹槽部7，约束架9位于保温层2靠近冷却流道12的一侧的凹槽部7内。
实施例2
本发明的另一典型实施方式中，如图1-图3所示，给出一种非能动堆腔注水冷却系统的冷却方法。
结合图1-图3，该冷却方法包括：
正常运行时，密封浮球8封堵第一开口16、侧门封堵第二开口14；
需求冷却时，堆腔18注入冷却水，冷却水带动密封浮球8上浮，使第一开口16敞开，同时，密封浮球8通过柔性索带动侧门开启，使第二开口14敞开，堆腔18通过第一开口16和第二开口14连通冷却流道12；
堆腔18内和冷却流道12内水位持续上升，对压力容器3进行冷却；
冷却过程中，冷却水接触压力容器3高温区域产生蒸汽，蒸汽沿冷却流道12上升带走热量。
第一开口16和第二开口14位于保温层2相对较低位置，能够使冷却水进入位置上方留出对应的蒸汽流动路径，方便冷却水吸收热量而产生的水汽能够顺利排出，提高热量的排出效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，包括堆腔和位于堆腔内的保温层，保温层内侧形成冷却流道，保温层设有第一开口和围绕第一开口分布的第二开口，第一开口位于保温层底端且配合有密封浮球，第二开口配合有侧门，密封浮球通过柔性索连接侧门；密封浮球受堆腔内冷却水作用脱离第一开口时，牵拉柔性索开启侧门。
2.如权利要求1所述的非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述保温层朝向堆腔底面的一端为球冠面，第一开口和第二开口均分布于球冠面，第二开口朝向压力容器底端曲面。
3.如权利要求2所述的非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述侧门一端铰接于第二开口一侧，另一端通过卡合部对接第二开口另一侧，以封堵第二开口；柔性索牵拉侧门以解除对第二开口的封堵。
4.如权利要求1所述的非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述保温层的第一开口上扣罩有约束架，密封浮球位于约束架内，并在冷却水浮力作用下于约束架内活动。
5.如权利要求4所述的非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述第一开口上设有密封曲面，密封浮球贴合密封曲面以封堵第一开口。
6.如权利要求4所述的非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述保温层底部设有凹槽部，第一开口设置于凹槽部，约束架位于保温层靠近冷却流道的一侧的凹槽部内。
7.如权利要求1所述的非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述保温层上设有多个第二开口，每个第二开口均配合有侧门，第二开口绕保温层轴线环向间隔分布。
8.如权利要求1所述的非能动堆腔注水冷却系统，其特征在于，所述柔性索一端连接密封浮球，另一端绕过保温层外侧后连接侧门。
9.一种如权利要求1-8任一项所述非能动堆腔注水冷却系统的冷却方法，其特征在于，包括：
正常运行时，密封浮球封堵第一开口、侧门封堵第二开口；
需求冷却时，堆腔注入冷却水，冷却水带动密封浮球上浮，使第一开口敞开，同时，密封浮球通过柔性索带动侧门开启，使第二开口敞开，堆腔通过第一开口和第二开口连通冷却流道；
堆腔内和冷却流道内水位持续上升，对压力容器进行冷却。
10.如权利要求9所述的冷却方法，其特征在于，冷却过程中，冷却水接触压力容器高温区域产生蒸汽，蒸汽沿冷却流道上升带走热量。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 提高堆腔注水冷却系统性能的优化研究;赵嘉明等;《核动力工程》;第39卷(增刊1);第102-105页 * |
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