CN117253634A - 一种一体化反应堆安全系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体化反应堆安全系统及方法，属于核反应堆安全系统技术领域，包括一体化反应堆压力容器和安全壳，所述一体化反应堆压力容器设置在安全壳内，所述一体化反应堆压力容器内部设置有一二次侧换热器，所述一二次侧换热器的二次侧入口与二次侧给水管线相连，一二次侧换热器的二次侧出口与二次侧出口管线相连；所述安全壳外侧设置有非能动余热排出热交换器，所述非能动余热排出热交换器出口通过余排出口管线与二次侧给水管线相连，所述非能动余热排出热交换器入口通过余排入口管线与二次侧出口管线相连。本发明满足反应堆设计基准事故缓解需求，保证反应堆安全性，最大限度简化设备、提高布置空间利用率，提升经济性。

Description

一种一体化反应堆安全系统及方法

技术领域

本发明属于核反应堆安全系统技术领域，尤其涉及一种一体化反应堆安全系统及方法。

背景技术

一体化压水反应堆具有体积小、结构紧凑、系统集成度高等特点。其可面向海洋开发、工业生产等不同特殊用途，满足供电、供暖、供汽等不同需求。一体化压水反应堆对于系统简化、布置空间利用率、以及安全性和经济性有较高要求。

在正常运行条件下，反应堆堆芯热量通过蒸汽发生器等主换热器导出至汽轮机，进而产生电力，或导出至供热/供汽系统产生热能或蒸汽。而在反应堆非LOCA事故(反应堆压力容器压力边界不出现破损，例如丧失正常给水事故等)发生后，蒸汽发生器等主换热器不可用，堆芯余热无法通过正常手段导出；若发生LOCA事故(反应堆压力容器力边界出现破损)，反应堆的水装量大量丧失，可能造成堆芯裸露传热恶化；此外，事故后安全壳可能持续升压，导致安全壳超压失效，造成放射性屏障的损坏。因此，必须配置专设安全系统，及时带出堆芯的余热，为堆芯补充丧失的水装量，以防事故进一步恶化为堆芯损坏的严重事故，并防止安全壳超压失效，造成大量放射性释放的危害。

压水反应堆传统的专设安全系统一般包括能动的余热排出系统、能动的高压、中压和低压安全注射系统、能动的安全壳喷淋系统等。然而，现有技术的专设安全系统设计配置方案，1)需要较多系统和设备共同作用，系统配置复杂，事故缓解路径较长，一旦某系统或设备失效，则可能影响整个事故缓解过程，为此需要配置大量冗余设备；2)大部分采用能动系统，依赖于外部动力，并需要配置设备冷却水等支持系统，一旦外部动力或支持系统丧失，能动的专设安全系统将无法执行其功能；3)系统和设备以及相关支持系统繁杂，布置需要大量空间，占据大量安全壳内自由空间，运维便利性较低；4)事故后期，冷却水源一旦耗尽，需要额外配置再循环泵(或借用低压安注泵)抽取安全壳地坑内的水向反应堆压力容器内注水，事故后期的冷却需要额外设备维持，可靠性较差，事故后恢复也需要消除地坑的放射性。因此，现有技术的专设安全系统设计配置方案无法适用于一体化反应堆专设安全系统简化、布置空间小、安全性和经济性要求高等特殊要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷或不足，本发明提供了一种一体化反应堆安全系统及方法，满足反应堆设计基准事故(LOCA与非LOCA事故)缓解需求，保证反应堆安全性，最大限度简化设备、提高布置空间利用率，提升经济性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种一体化反应堆安全系统，包括一体化反应堆压力容器和安全壳，所述一体化反应堆压力容器设置在安全壳内，所述一体化反应堆压力容器内部设置有一二次侧换热器，所述一二次侧换热器的二次侧入口与二次侧给水管线相连，一二次侧换热器的二次侧出口与二次侧出口管线相连；

所述安全壳外部设置有非能动余热排出热交换器，所述非能动余热排出热交换器出口通过余排出口管线与二次侧给水管线相连，所述非能动余热排出热交换器入口通过余排入口管线与二次侧出口管线相连。

进一步地，所述一体化反应堆压力容器内设置有反应堆堆芯和内置稳压器，所述反应堆堆芯设置在一体化反应堆压力容器下部，所述内置稳压器设置在一体化反应堆压力容器顶部，内置稳压器与反应堆堆芯之间设置有上腔室，所述上腔室内设置有堆内构件和控制棒驱动机构。

进一步地，所述上腔室两侧内壁上开设有上腔室流水孔，所述一二次换热器位于上腔室外侧，且所述上腔室流水孔位于一二次侧换热器上方，上腔室的一次侧冷却剂穿过上腔室流水孔到达一二次侧换热器。

进一步地，内置稳压器顶部与反应堆压力容器顶部卸压阀相连。

进一步地，二次侧给水管线上设置有二次侧给水管线隔离阀，二次侧出口管线上设置有二次侧出口管线隔离阀。

进一步地，余排出口管线一端连接在二次侧给水管线隔离阀与一二次侧换热器的二次侧入口之间，余排入口管线一端连接在二次侧出口管线隔离阀与一二次侧换热器的二次侧出口之间。

进一步地，所述安全壳内还设置有蓄压安注箱，蓄压安注箱通过安注管线与一体化反应堆压力容器相连，所述蓄压安注箱内部装有冷却剂，安注管线上设置有安注管线止回阀和安注管线隔离阀，安注管线隔离阀与旁通管线相并联。

进一步地，所述安全壳内部还设置有安全壳抑压池，所述安全壳抑压池为密闭的罐体，其内装有冷却剂，安全壳压抑池顶部通过抑压池入口管线与安全壳空间相通。

进一步地，安全壳压抑池内部设置有抑压池鼓泡器，所述抑压池鼓泡器位于安全壳抑压池内冷却剂液面以下，并与抑压池入口管线末端相连。

第二方面，本发明的实施例提供了一种一体化反应堆安全方法，利用如上所述的一种一体化反应堆安全系统，包括以下步骤：

当发生非LOCA事故时，关闭二次侧给水管线隔离阀与二次侧出口管线隔离阀，打开余排入口管线隔离阀，并确认余排出口管线隔离阀常开，此时一二次侧换热器与非能动余热排出热交换器之间依靠自然循环，形成闭合的循环回路，带出反应堆堆芯热量到外部热阱，并且可以长期稳定进行，持续时间仅受限于外部热阱的热阱容量；

当发生LOCA事故时，关闭二次侧给水管线隔离阀与二次侧出口管线隔离阀，打开余排入口管线隔离阀，并确认余排出口管线隔离阀常开，持续带出反应堆堆芯热量到外部热阱，待一体化反应堆压力容器压力降至反应堆压力容器顶部卸压阀开启压力时，触发该卸压阀开启，使得一体化反应堆压力容器压力降至蓄压安注箱初始蓄压压力，蓄压安注箱内蓄压的氮气推动内部的冷却剂，经过安注管线进入一体化反应堆压力容器补充丧失的水装量，并且通过安注管线上的阀门及旁通管线的配置，实现注射前后期不同的注射流量，确保在整个事故过程中一体化反应堆压力容器内的水位始终高于上腔室流水孔，确保始终可以建立从反应堆堆芯与一二次侧换热器之间的自然循环，从而利用一二次侧换热器长期地带出反应堆堆芯热量；

当安全壳压力高时，高温高压的蒸汽从抑压池入口管线非能动地被吸入到安全壳抑压池内部被冷凝，从而确保安全壳内压力不超过限值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过设置蓄压安注箱、卸压阀以及非能动余热排出热交换器，就可以应对各种设计基准事故(LOCA与非LOCA事故)，持续带出反应堆热量，维持反应堆冷却，取消了传统反应堆安全系统中的高压和低压安注、以及能动的专设安全系统和设备，最大限度简化设备，布置灵活且空间需求小。

2、本发明通过设置安全壳抑压池，可以非能动地降低或维持安全壳压力在较低水平，无需复杂的能动喷淋设备及支持系统，也不需要安全壳壁面有较好的导热或冷却能力，且安全壳抑压池布置简单，布置空间利用率高。

3、本发明通过蓄压安注以及非能动余热排出热交换器，维持反应堆堆芯与一二次侧换热器之间的自然循环，不需要安全壳地坑再循环，极大简化事故后缓解路径，且有利于事故后恢复。

4、本发明通过设置安全壳外的外部热阱，可满足事故后至少7天的堆芯冷却需求，实现反应堆热量的长期移出。

附图说明

图1为本发明实施例一中一体化反应堆安全系统结构图；

其中，10、一体化反应堆压力容器；11、反应堆堆芯；12、内置稳压器；13、堆内构件和控制棒驱动机构；14、上腔室流水孔；15、反应堆压力容器顶部卸压阀；20、一二次侧换热器；21、二次侧给水管线；22、二次侧出口管线；23、二次侧给水管线隔离阀；24、二次侧出口管线隔离阀；30、蓄压安注箱；31、安注管线止回阀；32、安注管线；33、安注管线隔离阀；34、旁通管线；40、非能动余热排出热交换器；41、余排出口管线；42、余排入口管线；43、余排出口管线隔离阀；44、余排入口管线隔离阀；50、安全壳抑压池；51、抑压池入口管线；52、抑压池鼓泡器；53、抑压池壳体；60、安全壳；70、外部热阱；71、外部热阱冷却装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

术语解释部分：本发明中的术语“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，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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的具体含义。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式，如图1所示，一种一体化反应堆安全系统，包括一体化反应堆压力容器10和安全壳60，所述一体化反应堆压力容器10设置在安全壳60内，所述一体化反应堆压力容器10内设置有反应堆堆芯11和内置稳压器12，所述反应堆堆芯11设置在一体化反应堆压力容器10下部，所述内置稳压器12设置在一体化反应堆压力容器10顶部，内置稳压器12与反应堆堆芯11之间设置有上腔室，所述上腔室内设置有堆内构件和控制棒驱动机构13，所述上腔室两侧内壁上开设有上腔室流水孔14，所述一体化反应堆压力容器10内部两侧分别设置有一二次侧换热器20，所述一二次换热器20位于上腔室外侧，且所述上腔室流水孔14位于一二次侧换热器20上方。

反应堆正常运行时，一次侧冷却剂经过反应堆堆芯11加热，经过上腔室的堆内构件和控制棒驱动机构13，穿过上腔室流水孔14，经过一二次侧换热器20换热后，返回反应堆堆芯11形成循环。一体化反应堆压力容器10可以设置一次侧冷却剂泵，对一次侧进行强迫循环；也可以不设置一次侧冷却剂泵，采用自然循环方式循环一次侧冷却剂，不影响本发明的实现

内置稳压器12顶部与反应堆压力容器顶部卸压阀15相连，在需要降低一体化反应堆压力容器10压力时，通过反应堆压力容器顶部卸压阀15可释放压力到安全壳60内。反应堆压力容器顶部卸压阀15可以采用多台并联、多级分别开启的配置方式，有两个或两个以上的独立的系列。

所述一二次侧换热器20的二次侧入口与二次侧给水管线21相连，一二次侧换热器20的二次侧出口与二次侧出口管线22相连。二次侧给水管线21上设置有二次侧给水管线隔离阀23，二次侧出口管线22上设置有二次侧出口管线隔离阀24。反应堆正常运行时，二次侧流体从二次侧给水管线21进入一二次侧换热器20，带出一次侧热量后，从二次侧出口管线22流出一二次侧换热器20。一二次侧换热器20二次侧出口的流体形态为蒸汽或是液态水，不影响本发明的实现。

所述安全壳60内还设置有蓄压安注箱30，配置有两个或两个以上的独立的蓄压安注系列。蓄压安注箱30通过安注管线32与一体化反应堆压力容器10相连，所述蓄压安注箱30内部装有冷却剂，并充入一定比例的氮气进行蓄压，安注管线32上设置有安注管线止回阀31和安注管线隔离阀33，安注管线隔离阀33与旁通管线34相并联。所述安注管线止回阀31为旋启式止回阀，当安注管线止回阀31两端压差较小时，该阀门开度较小，阻力较大，安注流量较小。当发生事故后，可以由蓄压的氮气推动蓄压安注箱30内的冷却剂，经过安注管线32进入一体化反应堆压力容器10补充水装量，使得一体化反应堆压力容器10内的水位始终高于上腔室流水孔14。

所述安全壳60外侧设置有非能动余热排出热交换器40，配置有两个或两个以上的独立的非能动余热排出系列，每个该系列对应与一台或一组一二次侧换热器20相连。所述非能动余热排出热交换器40出口与余排出口管线41相连，其入口与余排入口管线42相连。余排出口管线41上设置有余排出口管线隔离阀43，余排入口管线42上设置后余排入口管线隔离阀44。余排出口管线41与二次侧给水管线21相连，且连接点位于二次侧给水管线隔离阀23与一二次侧换热器20的二次侧入口之间；余排入口管线42与二次侧出口管线22相连，且连接点位于二次侧出口管线隔离阀24与一二次侧换热器20的二次侧出口之间。非能动余热排出热交换器40置于安全壳60外的外部热阱70中，所述外部热阱70为水池式结构，其具有至少满足7天堆芯余热排出需求的较大装量，所述外部热阱70上设置有外部热阱冷却装置71，外部热阱70可以被外部热阱冷却装置71冷却。

所述安全壳60内部还设置有安全壳抑压池50，所述安全壳抑压池50位于安全壳60底部，所述安全壳抑压池50为密闭的罐体，包括抑压池入口管线51、抑压池鼓泡器52、抑压池壳体53，所述安全壳抑压池50内部装有冷却剂，并留有一定比例的气空间，安全壳抑压池50仅通过抑压池入口管线51与安全壳60空间相通，所述抑压池鼓泡器52位于安全壳抑压池50内冷却剂液面以下，并与抑压池入口管线51末端相连。

实施例二

本实施例公开了一种一体化反应堆安全方法，利用如实施例一所述的一种一体化反应堆安全系统，包括以下步骤：

当发生非LOCA事故时，关闭二次侧给水管线隔离阀与二次侧出口管线隔离阀，打开余排入口管线隔离阀，并确认余排出口管线隔离阀常开，此时一二次侧换热器与非能动余热排出热交换器之间依靠自然循环，形成闭合的循环回路，带出反应堆堆芯热量到外部热阱，该过程可以长期稳定进行，持续时间仅受限于外部热阱的热阱容量。

当发生LOCA事故时，关闭二次侧给水管线隔离阀与二次侧出口管线隔离阀，打开余排入口管线隔离阀，并确认余排出口管线隔离阀常开，持续带出反应堆堆芯热量到外部热阱，且由于该循环回路较强的带热能力，可避免一体化反应堆压力容器内水的持续沸腾导致的水装量的大量丧失；待一体化反应堆压力容器压力降至反应堆压力容器顶部卸压阀开启压力时，触发该卸压阀开启，使得一体化反应堆压力容器压力降至蓄压安注箱初始蓄压压力，蓄压安注箱内蓄压的氮气推动内部的冷却剂，经过安注管线进入一体化反应堆压力容器补充丧失的水装量，并且通过安注管线上的阀门及旁通管线的配置，实现注射前后期不同的注射流量，确保在整个事故过程中一体化反应堆压力容器内的水位始终高于上腔室流水孔，这使得一体化反应堆压力容器内部可以建立从反应堆堆芯与一二次侧换热器之间的自然循环，长期地带出反应堆堆芯热量。

在LOCA事故后的长期阶段，由于非能动余热排出热交换器的带热以及反应堆压力容器顶部卸压阀的卸压和反应堆堆芯衰变热的减小，当一体化反应堆压力容器压力进一步降低至一定值以下，蓄压安注箱内部仍然留有一定量的冷却剂，触发关闭安注管线隔离阀，蓄压安注箱内剩余的冷却剂可以通过旁通管线继续注入一体化反应堆压力容器，但是流量将大幅减小，可以防止蓄压安注箱安注水过多地注入导致一体化反应堆压力容器内的水从破口溢流，也可以补充长期蒸发丧失的水装量，以及由于过度冷却引起的水体收缩，进而维持一体化反应堆压力容器内的水位始终高于上腔室流水孔，确保始终维持从反应堆堆芯与一二次侧换热器之间的自然循环带出反应堆堆芯热量，因而无需采用地坑再循环维持LOCA事故后的长期冷却，极大简化事故后缓解路径，且有利于事故后恢复。

当安全壳压力高(一次侧或二次侧破口质能释放)时，高温高压的蒸汽可以从抑压池入口管线非能动地被吸入到安全壳抑压池内部被冷凝，从而确保安全壳内压力不超过限值。抑压池鼓泡器可减少汽锤的发生。此过程不需要安全壳壁面有较好的导热或冷却能力。抑压池壳体与安全壳壁面的一部分共用，可以灵活的利用安全壳内部各处空间，减少了对安全壳抑压池整体布置的需求。

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)

1.一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，包括一体化反应堆压力容器和安全壳，所述一体化反应堆压力容器设置在安全壳内，所述一体化反应堆压力容器内部设置有一二次侧换热器，所述一二次侧换热器的二次侧入口与二次侧给水管线相连，一二次侧换热器的二次侧出口与二次侧出口管线相连；

所述安全壳外侧设置有非能动余热排出热交换器，所述非能动余热排出热交换器出口通过余排出口管线与二次侧给水管线相连，所述非能动余热排出热交换器入口通过余排入口管线与二次侧出口管线相连。

2.如权利要求1所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，所述一体化反应堆压力容器内设置有反应堆堆芯和内置稳压器，所述反应堆堆芯设置在一体化反应堆压力容器下部，所述内置稳压器设置在一体化反应堆压力容器顶部，内置稳压器与反应堆堆芯之间设置有上腔室，所述上腔室内设置有堆内构件和控制棒驱动机构。

3.如权利要求2所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，所述上腔室两侧内壁上开设有上腔室流水孔，所述一二次换热器位于上腔室外侧，且所述上腔室流水孔位于一二次侧换热器上方。

4.如权利要求2所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，内置稳压器顶部与反应堆压力容器顶部卸压阀相连。

5.如权利要求1所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，二次侧给水管线上设置有二次侧给水管线隔离阀，二次侧出口管线上设置有二次侧出口管线隔离阀。

6.如权利要求5所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，余排出口管线一端连接在二次侧给水管线隔离阀与一二次侧换热器的二次侧入口之间，余排入口管线一端连接在二次侧出口管线隔离阀与一二次侧换热器的二次侧出口之间。

7.如权利要求1所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，所述安全壳内还设置有蓄压安注箱，蓄压安注箱通过安注管线与一体化反应堆压力容器相连，所述蓄压安注箱内部装有冷却剂，安注管线上设置有安注管线止回阀和安注管线隔离阀，安注管线隔离阀与旁通管线相并联。

8.如权利要求1所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，所述安全壳内部还设置有安全壳抑压池，所述安全壳抑压池为密闭的罐体，其内装有冷却剂，安全壳压抑池顶部通过抑压池入口管线与安全壳空间相通。

9.如权利要求8所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，安全壳压抑池内部设置有抑压池鼓泡器，所述抑压池鼓泡器位于安全壳抑压池内冷却剂液面以下，并与抑压池入口管线末端相连。

10.一种一体化反应堆安全方法，利用如权利要求1-9任一项所述的一种一体化反应堆安全系统，其特征在于，包括以下步骤：

当发生非LOCA事故时，关闭二次侧给水管线隔离阀与二次侧出口管线隔离阀，打开余排入口管线隔离阀，并确认余排出口管线隔离阀常开，此时一二次侧换热器与非能动余热排出热交换器之间依靠自然循环，形成闭合的循环回路，带出反应堆堆芯热量到外部热阱，并且长期稳定进行，持续时间仅受限于外部热阱的热阱容量；

当发生LOCA事故时，关闭二次侧给水管线隔离阀与二次侧出口管线隔离阀，打开余排入口管线隔离阀，并确认余排出口管线隔离阀常开，持续带出反应堆堆芯热量到外部热阱，待一体化反应堆压力容器压力降至反应堆压力容器顶部卸压阀开启压力时，触发该卸压阀开启，使得一体化反应堆压力容器压力降至蓄压安注箱初始蓄压压力，蓄压安注箱内蓄压的氮气推动内部的冷却剂，经过安注管线进入一体化反应堆压力容器补充丧失的水装量，并且通过安注管线上的阀门及旁通管线的配置，实现注射前后期不同的注射流量，确保在整个事故过程中一体化反应堆压力容器内的水位始终高于上腔室流水孔，确保始终建立从反应堆堆芯与一二次侧换热器之间的自然循环，从而利用一二次侧换热器长期地带出反应堆堆芯热量；

当安全壳压力高时，蒸汽从抑压池入口管线非能动地被吸入到安全壳抑压池内部被冷凝，从而确保安全壳内压力不超过限值。