CN116759118A - 一种非能动堆芯及安全壳综合冷却系统及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非能动堆芯及安全壳综合冷却系统，其包括带隔离阀的安全壳冷却蒸汽进口管道、安全壳冷却蒸汽进口管道的一端伸入安全壳，另一端与蒸汽上升段母管、共形冷却换热器、冷凝下降段母管、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道依次连接，安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道伸入安全壳；堆芯余热排出蒸汽管道的一端与蒸汽发生器的蒸汽母管连通，另一端与蒸汽上升段母管连通；共形冷却换热器置于共形冷却水箱内；堆芯余热排出冷凝管道的一端与冷凝下降段母管连接，另一端汇入蒸汽发生器的给水母管。本发明还提供一种非能动堆芯及安全壳综合冷却方法。本发明采用主要设备共形设计，因此占用资源小，且能实现堆芯余热、安全壳热量顺利导出。

Description

一种非能动堆芯及安全壳综合冷却系统及冷却方法

技术领域

本发明涉及一种冷却系统，具体涉及一种非能动堆芯及安全壳综合冷却系统及冷却方法，属于核动力装置专设安全领域。

背景技术

核动力系统断电、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，导致反应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、放射性物质外泄的风险。

此外，当反应堆系统发生破口事故后，从破口处喷射出的高温、高压及高放射性冷却剂会在安全壳内闪蒸，同时安全壳内的空气由于受热而迅速膨胀，两者的联合作用将导致安全壳压力急剧上升。一旦安全壳内压力超过其设计承压能力，将导致安全壳发生超压破裂事故，引起放射性物质外泄。

目前，核电厂针对反应堆余热冷却和安全壳冷却采取不同安全系统，所需的设备布置空间较大。而小型核反应堆、移动式核动力装置对安全系统的空间、重量要求较高，因此现有的冷却安全系统无法满足小型核反应堆、移动式核动力装置对冷却安全系统的要求，我们有必要设计一种新的反应堆余热冷却和安全壳冷却安全系统。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种非能动堆芯及安全壳综合冷却系统及冷却方法，该系统和方法采用主要设备共形设计，因此占用资源小、具备在核动力系统发生全部电源丧失事故、破口事故后，能实现堆芯余热、安全壳热量顺利导出，维持堆芯和安全壳内的温度和压力在正常范围，确保堆芯和安全壳结构的完整性。

本发明所采用的技术方案是：

一种非能动堆芯及安全壳综合冷却系统，其包括安全壳冷却蒸汽进口管道、堆芯余热排出蒸汽管道、蒸汽上升段母管、共形冷却换热器、共形冷却水箱、冷凝下降段母管、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道、堆芯余热排出冷凝管道；

所述安全壳冷却蒸汽进口管道的一端伸入安全壳上部，另一端与蒸汽上升段母管连通，在安全壳冷却蒸汽进口管道上设有安全壳冷却蒸汽管道隔离阀；

所述堆芯余热排出蒸汽管道的一端与蒸汽发生器的蒸汽母管连通，另一端与蒸汽上升段母管连通，在堆芯余热排出蒸汽管道上设有堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀；

所述蒸汽上升段母管与共形冷却换热器的进口连通，在蒸汽上升段母管上设有第一止回阀；

所述共形冷却换热器的出口与冷凝下降段母管的一端连接；共形冷却换热器置于共形冷却水箱内；

所述冷凝下降段母管的另一端与安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道、堆芯余热排出冷凝管道的一端连通；冷凝下降段母管上设有第二止回阀；

所述安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道的另一端伸入安全壳的下部，在安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道上设有安全壳冷却冷凝管道隔离阀；

所述堆芯余热排出冷凝管道的另一端汇入蒸汽发生器的给水母管，在堆芯余热排出冷凝管道上设有堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀。

按上述方案，所述共形冷却水箱置于非能动堆芯及安全壳综合冷却系统最高处。

按上述方案，所述安全壳冷却蒸汽管道隔离阀、安全壳冷却冷凝管道隔离阀能通电远程自动启闭，以及断电就地手动启闭。

按上述方案，堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀为通电常闭、断电常开阀。

按上述方案，安全壳内所有蒸汽发生器共用一根给水母管、一根蒸汽母管。

本发明还提供一种采用上述非能动堆芯及安全壳综合冷却系统进行冷却的方法，其包括如下步骤：

1)当反应堆正常运行时，安全壳冷却蒸汽管道隔离阀、安全壳冷却冷凝管道隔离阀关闭，对安全壳进行隔离；堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀通电关闭，对蒸汽发生器进行隔离；

2)当发生断电事故和/或反应堆停堆时，堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀断电自动开启，非能动堆芯及安全壳综合冷却系统启动：反应堆一回路冷却剂通过密度差引起的自然循环将反应堆余热传递至蒸汽发生器二次侧；蒸汽发生器二次侧产生的蒸汽依靠密度差引起的自然循环依次流经蒸汽母管、堆芯余热排出蒸汽管道、蒸汽上升段母管，在共形冷却换热器内与共形冷却水箱内的冷却水换热并冷凝；冷凝水依次流经冷凝下降段母管、堆芯余热排出冷凝管道、给水母管回到蒸汽发生器内，并与反应堆一回路冷却剂进行热交换产生新的蒸汽，进入下一轮循环；

3)当发生设计基准事故、反应堆一回路出现破口时，蒸汽从反应堆回路中释放至安全壳内；远程自动或就地手动打开安全壳冷却蒸汽管道隔离阀、安全壳冷却冷凝管道隔离阀，非能动堆芯及安全壳综合冷却系统启动：安全壳内高温高压蒸汽依靠压差驱动进入安全壳冷却蒸汽进口管道，流经蒸汽上升段母管，在共形冷却换热器内与共形冷却水箱内的冷却水换热并冷凝；冷凝水依次流经冷凝下降段母管、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道，回落至安全壳内，从而对安全壳进行降温降压。

本发明的有益效果在于：

反应堆余热冷却和安全壳冷却共用一套冷却系统，减少了冷却系统的体积，占用资源少，能满足小型核反应堆、移动式核动力装置对冷却安全系统的空间、重量要求；

通过采用安全壳冷却蒸汽进口管道、安全壳冷却蒸汽管道隔离阀、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道、安全壳冷却冷凝管道隔离阀、堆芯余热排出蒸汽管道、堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀、堆芯余热排出冷凝管道、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀等，使整个冷却系统具备在核动力系统发生全部电源丧失事故、破口事故后，在不依赖外部电源和少人为干预的情况下，实现堆芯余热、安全壳热量顺利导出，维持堆芯和安全壳内的温度和压力在正常范围，确保堆芯和安全壳结构的完整性；

通过共形冷却换热器、共形冷却水箱采用共形设计(非能动堆舱余热排出系统与非能动安全壳冷却系统的换热器采用共形设计，即共用一套冷却换热器；非能动堆舱余热排出系统与非能动安全壳冷却系统的冷却水箱采用共形设计，即共用一套冷却水箱)，占用资源小；

非能动堆舱余热排出系统与非能动安全壳冷却系统的换热器和冷却水箱采用共形设计，减少了同类型设备数量及管道重量，降低了系统复杂性，满足小型核反应堆、移动式核动力装置对冷却系统所占空间、重量低的要求；

无需外部动力即可实现堆芯及安全壳的少人干预式长期排热；

采用外置式换热器方案，当发生设计基准事故、反应堆一回路出现破口时，安全壳内高温高压蒸汽依靠压差驱动进入安全壳冷却回路，在共形冷却换热器内与共形冷却水箱内的冷却水换热并冷凝回流至安全壳内，实现安全壳的降温降压，安全壳冷却安全、有效；当发生全厂断电事故、反应堆停堆时，反应堆一回路冷却剂通过密度差引起的自然循环将反应堆余热传递至蒸汽发生器二次侧，二次侧产生的蒸汽依靠密度差引起的自然循环进入堆芯余热排出系统回路，在共形冷却换热器内与共形冷却水箱内的冷却水换热并冷凝回流到蒸汽发生器内，实现反应堆一回路及蒸汽发生器的降温降压，反应堆冷却安全、有效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是非能动堆芯及安全壳综合冷却系统的结构示意图；

图中：1-1、安全壳冷却蒸汽进口管道；1-2、安全壳冷却蒸汽管道隔离阀；1-3、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道；1-4、安全壳冷却冷凝管道隔离阀；2-1、堆芯余热排出蒸汽管道；2-2、堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀；2-3、堆芯余热排出冷凝管道；2-4、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀；3、安全壳；4、蒸汽上升段母管；5、第一止回阀；6、共形冷却换热器；7、共形冷却水箱；8、第二止回阀；9、冷凝下降段母管；10、蒸汽发生器，11、蒸汽发生器的蒸汽母管，12、蒸汽发生器的给水母管，13、反应堆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1，一种非能动堆芯及安全壳综合冷却系统，其包括安全壳冷却蒸汽进口管道1-1、堆芯余热排出蒸汽管道2-1、蒸汽上升段母管4、共形冷却换热器6、共形冷却水箱7、冷凝下降段母管9、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道1-3、堆芯余热排出冷凝管道2-3。安全壳冷却蒸汽进口管道1-1的一端伸入安全壳3上部，另一端与蒸汽上升段母管4连通，在安全壳冷却蒸汽进口管道1-1上设有安全壳冷却蒸汽管道隔离阀1-2。堆芯余热排出蒸汽管道2-1的一端与蒸汽发生器的蒸汽母管11连通，另一端与蒸汽上升段母管4连通，在堆芯余热排出蒸汽管道2-3上设有堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀2-4。蒸汽上升段母管4与共形冷却换热器7的进口连通，在蒸汽上升段母管4上设有第一止回阀5。共形冷却换热器6的出口与冷凝下降段母管9的一端连接；共形冷却换热器6置于共形冷却水箱7内；共形冷却水箱7置于非能动堆芯及安全壳综合冷却系统最高处。冷凝下降段母管9的另一端与安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道1-3、堆芯余热排出冷凝管道2-3的一端连通；冷凝下降段母管9上设有第二止回阀8。安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道1-3的另一端伸入安全壳3的下部，在安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道1-3上设有安全壳冷却冷凝管道隔离阀1-4。堆芯余热排出冷凝管道2-3的另一端汇入蒸汽发生器的给水母管12，在堆芯余热排出冷凝管道2-3上设有堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀2-4。

本实施例中，安全壳冷却蒸汽管道隔离阀1-2、安全壳冷却冷凝管道隔离阀1-4、堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀2-2、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀2-4分别对管路进行隔离。第一止回阀5、第二止回阀8使蒸汽上升段母管4和冷凝下降段母管9内介质单向流动。安全壳冷却蒸汽管道隔离阀1-2、安全壳冷却冷凝管道隔离阀1-4能通电远程自动启闭，以及断电就地手动启闭。堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀2-2、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀2-4为通电常闭、断电常开阀。安全壳3内所有蒸汽发生器10共用一根给水母管、一根蒸汽母管。

本实施例中，非能动堆舱余热排出系统与非能动安全壳冷却系统的换热器采用共形设计，即共用一套冷却换热器6；冷却水箱采用共形设计，即共用一套冷却水箱7。

实施例2

采用上述非能动堆芯及安全壳综合冷却系统进行冷却的方法，其包括如下步骤：

1)反应堆13正常运行时，安全壳冷却蒸汽管道隔离阀1-2、安全壳冷却冷凝管道隔离阀1-4关闭，对安全壳3进行隔离。堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀2-2、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀2-4通电关闭，对蒸汽发生器10进行隔离。

2)当发生全厂断电事故、反应堆停堆时，堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀2-2、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀2-4断电自动开启，堆芯冷却系统启动：反应堆一回路冷却剂通过密度差引起的自然循环将反应堆余热传递至蒸汽发生器二次侧；二次侧产生的蒸汽依靠密度差引起的自然循环依次流经蒸汽母管、堆芯余热排出蒸汽管道2-1、蒸汽上升段母管4，在共形冷却换热器6内与共形冷却水箱7内的冷却水换热并冷凝；冷凝水依次流经冷凝下降段母管9、堆芯余热排出冷凝管道2-3、给水母管回到蒸汽发生器内，并与反应堆一回路冷却剂进行热交换产生新的蒸汽，进入下一轮循环。

依靠上述冷却系统，能对反应堆进行冷却，实现全厂断电事故下堆芯余热非能动、无人干预式排出，保障反应堆安全。

3)当发生设计基准事故、反应堆一回路出现破口时，大量蒸汽从反应堆回路中释放至安全壳内。远程自动(或就地手动)打开安全壳冷却蒸汽管道隔离阀1-2、安全壳冷却冷凝管道隔离阀1-4，安全壳冷却系统启动：安全壳内高温高压蒸汽依靠压差驱动进入安全壳冷却蒸汽进口管道1-1，流经蒸汽上升段母管4，在共形冷却换热器6内与共形冷却水箱7内的冷却水换热并冷凝；冷凝水依次流经冷凝下降段母管9、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道1-3，回落至安全壳内，从而对安全壳进行降温降压。

依靠上述冷却系统，能对安全壳进行冷却，实现反应堆破口事故下安全壳内蒸汽非能动、少人干预式排出，保障安全壳完整性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种非能动堆芯及安全壳综合冷却系统，其特征在于：包括安全壳冷却蒸汽进口管道、堆芯余热排出蒸汽管道、蒸汽上升段母管、共形冷却换热器、共形冷却水箱、冷凝下降段母管、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道、堆芯余热排出冷凝管道；

所述安全壳冷却蒸汽进口管道的一端伸入安全壳上部，另一端与蒸汽上升段母管连通，在安全壳冷却蒸汽进口管道上设有安全壳冷却蒸汽管道隔离阀；

所述堆芯余热排出蒸汽管道的一端与蒸汽发生器的蒸汽母管连通，另一端与蒸汽上升段母管连通，在堆芯余热排出蒸汽管道上设有堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀；

所述蒸汽上升段母管与共形冷却换热器的进口连通，在蒸汽上升段母管上设有第一止回阀；

所述共形冷却换热器的出口与冷凝下降段母管的一端连接；共形冷却换热器置于共形冷却水箱内；

所述冷凝下降段母管的另一端与安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道、堆芯余热排出冷凝管道的一端连通；冷凝下降段母管上设有第二止回阀；

所述安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道的另一端伸入安全壳的下部，在安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道上设有安全壳冷却冷凝管道隔离阀；

所述堆芯余热排出冷凝管道的另一端汇入蒸汽发生器的给水母管，在堆芯余热排出冷凝管道上设有堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀。

2.根据权利要求1所述的非能动堆芯及安全壳综合冷却系统，其特征在于：所述共形冷却水箱置于非能动堆芯及安全壳综合冷却系统最高处。

3.根据权利要求1所述的非能动堆芯及安全壳综合冷却系统，其特征在于：所述安全壳冷却蒸汽管道隔离阀、安全壳冷却冷凝管道隔离阀能通电远程自动启闭，以及断电就地手动启闭。

4.根据权利要求1所述的非能动堆芯及安全壳综合冷却系统，其特征在于：堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀为通电常闭、断电常开阀。

5.根据权利要求1所述的非能动堆芯及安全壳综合冷却系统，其特征在于：安全壳内所有蒸汽发生器共用一根给水母管、一根蒸汽母管。

6.一种采用权利要求1-5中任一所述的非能动堆芯及安全壳综合冷却系统进行冷却的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)当反应堆正常运行时，安全壳冷却蒸汽管道隔离阀、安全壳冷却冷凝管道隔离阀关闭，对安全壳进行隔离；堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀通电关闭，对蒸汽发生器进行隔离；

2)当发生断电事故和/或反应堆停堆时，堆芯余热排出蒸汽管道电磁隔离阀、堆芯余热排出冷凝管道电磁隔离阀断电自动开启，非能动堆芯及安全壳综合冷却系统启动：反应堆一回路冷却剂通过密度差引起的自然循环将反应堆余热传递至蒸汽发生器二次侧；蒸汽发生器二次侧产生的蒸汽依靠密度差引起的自然循环依次流经蒸汽母管、堆芯余热排出蒸汽管道、蒸汽上升段母管，在共形冷却换热器内与共形冷却水箱内的冷却水换热并冷凝；冷凝水依次流经冷凝下降段母管、堆芯余热排出冷凝管道、给水母管回到蒸汽发生器内，并与反应堆一回路冷却剂进行热交换产生新的蒸汽，进入下一轮循环；

3)当发生设计基准事故、反应堆一回路出现破口时，蒸汽从反应堆回路中释放至安全壳内；远程自动或就地手动打开安全壳冷却蒸汽管道隔离阀、安全壳冷却冷凝管道隔离阀，非能动堆芯及安全壳综合冷却系统启动：安全壳内高温高压蒸汽依靠压差驱动进入安全壳冷却蒸汽进口管道，流经蒸汽上升段母管，在共形冷却换热器内与共形冷却水箱内的冷却水换热并冷凝；冷凝水依次流经冷凝下降段母管、安全壳冷却蒸汽冷凝出口管道，回落至安全壳内，从而对安全壳进行降温降压。