CN117409989A - 非能动安全壳冷却装置及非能动安全壳冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非能动安全壳冷却装置及非能动安全壳冷却系统，非能动安全壳冷却装置包括第一围挡结构、第二围挡结构；第一围挡结构在安全壳的外壁面顶部围设出第一储水区域；第二围挡结构位于第一围挡结构下方，并且环绕在安全壳的外壁面上，第二围挡结构围设出第二储水区域；第一围挡结构上设有导流孔。通过在安全壳的顶部设置第一围挡结构储存冷却水，以针对安全壳上温度相对较高的区域‑安全壳的顶部进行长期持续冷却。第一围挡结构上的水量达到储水极限后，其内的冷却水通过导流孔自然流向下方的第二围挡结构继续储存并参与完成与安全壳之间的热量交换，因此，可以采用非能动的形式有效地对安全壳进行降温冷却，避免依赖于能动设备。

Description

非能动安全壳冷却装置及非能动安全壳冷却系统

技术领域

本发明涉及安全壳冷却技术领域，尤其涉及一种非能动安全壳冷却装置及非能动安全壳冷却系统。

背景技术

为了应对反应堆冷却剂系统失水事故或者安全壳内主蒸汽管破裂事故后出现的安全壳超温超压的问题，现有的压水堆普遍设置有安全壳冷却系统。

现有的安全壳冷却系统为提高换热效率，通常倾向于令冷却水在安全壳的整个外表面循环流动，从而通常需要用到泵机等能动设备。若不采用泵机等能动设备，冷却水受重力约束，则难以达到较好的循环流动效果，换热效率不佳。但是，当冷却剂系统失水事故或安全壳内主蒸汽管破裂事故叠加其他失电事故时，所有能动设备全部无法使用，依赖于能动设备的安全壳冷却系统也无法正常使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的非能动安全壳冷却装置及非能动安全壳冷却系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种非能动安全壳冷却装置，其包括第一围挡结构、第二围挡结构；

所述第一围挡结构设置在所述安全壳的外壁面的顶部，并且围设出第一储水区域；

所述第二围挡结构位于所述第一围挡结构的下方，并且环绕在所述安全壳的外壁面上，所述第二围挡结构围设出第二储水区域；

所述第一围挡结构上设有用于将所述第一储水区域内的冷却剂导向所述第二储水区域的导流孔。

优选地，所述第二围挡结构包括多个围挡层；多个所述围挡层沿着所述安全壳的顶部至底部的方向平行间隔布置；

每个所述围挡层包括至少两个围挡件、由每个所述围挡件围设出的储水槽、以及形成在相邻的所述围挡件之间的导流间隔；各个所述储水槽一同形成所述第二储水区域；

相邻的两个所述围挡层中，上层的所述围挡层的所述导流间隔与下层的所述围挡层的所述储水槽相对设置。

优选地，所述多个围挡层包括倾斜围挡层和水平围挡层；所述倾斜围挡层相对所述水平围挡层更靠近所述第一围挡结构；

所述水平围挡层的每个所述围挡件包括L形板和挡水板；所述L形板包括第一部分和第二部分，所述L形板的第一部分连接所述安全壳的外壁面，所述L形板的第二部分与其第一部分远离所述安全壳的外壁面的一端夹角相接；所述挡水板连接在所述L形板长度方向上的两端部，并且所述挡水板的高度小于所述L形板的第二部分的高度；所述挡水板和所述L形板一同界定出所述储水槽。

优选地，所述多个围挡层包括倾斜围挡层和水平围挡层；所述倾斜围挡层相对所述水平围挡层更靠近所述第一围挡结构；

所述倾斜围挡层的每个所述围挡件包括倾斜结合面；所述倾斜围挡层的每个所述围挡件以其倾斜结合面连接所述安全壳的外壁面。

优选地，所述导流孔的数量为两个以上，最靠近所述第一围挡结构的所述围挡层的每个所述储水槽的位置与至少一个所述导流孔的位置相对应。

优选地，各个所述围挡件在所述安全壳的外壁面上对称分布；各个所述导流孔在所述第一围挡结构上也为对称分布。

优选地，所述非能动安全壳冷却装置还包括水箱、导流管道；所述水箱设置在所述安全壳的上方；所述导流管道与所述水箱连通，为所述第一储水区域注入冷却剂。

优选地，所述水箱的数量为两个以上。

本发明还提供一种非能动安全壳冷却系统，其包括以上任一项所述的非能动安全壳冷却装置、以及厂房；

所述第一围挡结构、所述第二围挡结构和所述安全壳设置在所述厂房内；所述厂房与所述第一围挡结构、所述厂房与所述第二围挡结构之间形成有通道；所述厂房上设有进气口和排气口，所述进气口和排气口都与所述通道相连通。

优选地，所述非能动安全壳冷却系统还包括设置在所述第二围挡结构下方的环形水槽。

本发明至少具有以下有益效果：本发明的非能动安全壳冷却装置在安全壳的顶部设置第一围挡结构来储存冷却水，以针对安全壳上温度相对较高的区域-安全壳的顶部进行长期持续冷却。第一围挡结构上的水量达到储水极限后，其内的冷却水通过导流孔自然流向下方的第二围挡结构继续储存并参与完成与安全壳之间的热量交换。在冷却水从第一储水区域流向第二储水区域的过程中，流动的冷却水在安全壳的外壁上形成一层水膜，水膜覆盖在安全壳的外壁面上参与完成与安全壳之间的热量交换。因此，本发明的非能动安全壳冷却装置可以采用非能动的形式有效地对安全壳进行降温冷却，避免依赖于能动设备。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的非能动安全壳冷却系统的整体结构示意图；

图2是图1所示非能动安全壳冷却系统在A方向的结构示意图；

图3是本发明一实施例的非能动安全壳冷却装置的水平围挡层的结构示意图；

图4是本发明一实施例的非能动安全壳冷却装置的倾斜围挡层的结构示意图；

图5是本发明一实施例的非能动安全壳冷却装置的第二围挡结构的局部结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如背景技术所述，现有技术中，为提高换热效率，通常倾向于令冷却水在安全壳7的整个外表面循环流动，以达到较好的换热效果，也就是现有技术中考虑安全壳7表面冷却降温的问题时，通常认为需要将安全壳7的整个外表面均匀地进行冷却降温。但是，发明人发现，反应堆冷却水系统失水事故或者安全壳7内主蒸汽管破裂事故发生时，造成安全壳7表面温度升高的主要原因是堆芯衰变热通过蒸汽排放的形式传递至安全壳7内部，进而造成安全壳7内部升温升压，蒸汽是不断上升的，不断上升的蒸汽积累在安全壳7的顶部，导致安全壳7的顶部温度相对较高，而安全壳7上除了其顶部以外的其他区域温度相对较低。因此，本发明的目的在于，对安全壳7温度最高的区域进行长期持续冷却，使冷却区域更具有针对性，有效提高换热效果。

如图1所示，本发明一实施例的非能动安全壳冷却装置包括第一围挡结构1、第二围挡结构2。第一围挡结构1设置在安全壳7的外壁面的顶部，并且围设出第一储水区域。第一围挡结构1是针对安全壳7的顶部设置的，其用于储存大量的冷却剂，例如水，以针对安全壳7的顶部进行长期持续冷却。下文以冷却水为例进行说明，但冷却剂不局限于为水。

第二围挡结构2位于第一围挡结构1的下方，并且环绕在安全壳7的外壁面上。第二围挡结构2围设出第二储水区域。具体地，第二围挡结构2可以环绕在安全壳7的外壁面上除了其顶部以外的其他全部区域，或者是环绕在安全壳7的外壁面上除了其顶部以外的其他部分区域。第一围挡结构1上设有用于将第一储水区域内的冷却水导向第二储水区域的导流孔(未图示)。具体地，当第一储水区域内流入水时，随着第一储水区域的液位增长，第一储水区域的水通过导流孔沿周向均匀溢出，并向下自然流动至第二储水区域，位于第二储水区域的冷却水也可对安全壳7的外壁面进行换热降温。此外，为了使事故发生后可以在第一储水区域维持较长时间的高液位，可以将导流孔的口径进行调整和合理化设计，从而可以优先对安全壳7的顶部进行降温冷却。

图1中包括三种不同类型的箭头符号，分别为实心箭头、空心箭头和实线箭头，其中实心箭头是用于指示非能动安全壳冷却装置的部件，空心箭头是用于指示空气流向或蒸汽流向，实线箭头是用于示意A方向。

如图1所示，图1中的空心箭头示意出的空气流向或蒸汽流向。本发明一实施例的非能动安全壳冷却系统包括任一实施例的非能动安全壳冷却装置、以及厂房5。第一围挡结构1、第二围挡结构2和安全壳设置在厂房5内。厂房5与第一围挡结构1、厂房5与第二围挡结构2之间均形成有通道81，厂房5上设有进气口80和排气口82，进气口80和排气口82都与通道81相连通。进气口80位于厂房5的底部，排气口82位于厂房5的顶部，进气口80、通道81、排气口82一同形成一个空气上升通道或者是蒸汽通道。

当第一储水区域、第二储水区域无水时，第一围挡结构1、第二围挡结构2本身也可以参与换热，此时主要通过通道81内的空气流动对安全壳进行换热冷却，空气从进气口80进入通道81，受热后的空气不断上升后从排气口82排出，以形成空气对流，持续地带出安全壳的热量。

当安全壳的温度上升到仅依靠空气流动无法实现较好的换热效果时，为第一储水区域注入冷却水，通过第一储水区域针对安全壳的顶部进行持续换热降温。当第一储水区域内的液位达到一定高度时，第一储水区域的水通过导流孔溢出，并向下自然流动至第二储水区域。

在冷却水从第一储水区域流向第二储水区域的过程中，流动的冷却水将覆盖安全壳7的外壁绝大部分区域，在安全壳7的外壁上形成一层水膜，将安全壳7上除了顶部以外的其他区域进行降温冷却。在冷却水流动期间，冷却水与安全壳7完成热量交换并升温产生蒸汽，蒸汽扩散至空气中，并通过厂房5顶部的排气口82排出至大气，达到对安全壳7降温冷却的效果。

综上所述，本发明的非能动安全壳冷却装置在安全壳7的顶部设置第一围挡结构1来储存冷却水，以针对安全壳7上温度相对较高的区域-安全壳7的顶部进行长期持续冷却。当第一储水区域内的液位达到一定高度后，其内的冷却水通过导流孔自然流向下方的第二围挡结构2继续储存，以对安全壳7上除了其顶部以外的其他区域进行换热降温。在冷却水从第一储水区域流向第二储水区域的过程中，流动的冷却水在安全壳7的外壁上形成一层水膜，水膜覆盖在安全壳7的外壁面上参与完成与安全壳7之间的热量交换。因此，本发明的非能动安全壳冷却装置可以采用非能动的形式实现有效地对安全壳7进行降温冷却。

进一步地，如图1所示，本实施例中，非能动安全壳冷却系统还包括设置在第二围挡结构2下方的环形水槽6。环形水槽6环绕在安全壳7的底部。第二储水区域处的冷却水达到最大液位后，也即最远离第一围挡结构1的围挡层的储水槽达到最大液位后，冷却水从此处溢出并向下流动至安全壳7底部的环形水槽6处储存起来。

如图1所示，本实施例中，非能动安全壳冷却装置还包括水箱3、导流管道4。水箱3设置在安全壳7的上方，用于储存冷却剂。导流管道4与水箱3连通，为第一储水区域注入冷却剂。导流管道4一端连通水箱3，另一端与第一储水区域相对设置，为第一储水区域注入冷却水。具体地，导流管道4相对的另一端可以是位于第一储水区域的正上方，也可以是直接与第一围挡结构1连接，并且与第一储水区域相连通，只要能为第一储水区域注入冷却水即可。导流管道4上设有阀门40，以控制导流管道4的启闭。

安全壳7上方的水箱3设有足够的冷却水以满足事故后一定时间的冷却需求，实现长期持续非能动的冷却。为确保有足够的冷却水备用，水箱3的数量可以为两个以上，但不局限于两个，也可以只配置一个水箱3。

如图1所示，本实施例中，第二围挡结构2包括多个围挡层。多个围挡层沿着安全壳7的顶部至底部的方向平行间隔布置。具体地，每个围挡层都平行于安全壳7的径向截面。冷却水与全壳换热蒸发后形成的蒸汽从相邻的围挡层之间形成的间隔流出。当第一储水区域内的液位达到一定高度后，其内的冷却水通过导流孔自然流向下方的多个围挡层继续储存。

如图1和图2所示，每个围挡层包括两个围挡件20、由每个围挡件20围设出的储水槽、以及形成在相邻的围挡件20之间的导流间隔21。各个储水槽一同形成上述第二储水区域，也即，从第一围挡结构1的导流孔处流出的冷却水将进入各个储水槽之中。当然，在其他实施例中，围挡件20的数量也可以是两个以上。图2中的空心箭头示出了冷却水的流向。

为了使各个围挡层的储水槽内的冷却水逐层向下流动，相邻的两个围挡层中，上层围挡层的导流间隔21与下层围挡层的储水槽相对设置，也即，各个围挡层的导流间隔21不在同一条直线上，而是相对错开设置，上一层的围挡层的储水槽内的冷却水从导流间隔21处流出，并且流向下一层的围挡层的储水槽内，依次类推。

冷却水逐层向下流动的过程中，冷却水可以覆盖到安全壳7外壁面的绝大部分区域，在安全壳7的外壁面形成一层水膜，水膜和储水槽内的内一同参与热量交换，产生的蒸汽从相邻的围挡层之间的间隔扩散至空气之中，蒸汽持续向上移动，最终从厂房5顶部的排气口82排出至大气。

并且，多个围挡层沿着安全壳7的顶部至底部的方向平行间隔布置，围挡层的结构更加规则，更加便于现场安装，具有较好的实践意义。

进一步地，本实施例中，多个围挡层包括倾斜围挡层和水平围挡层。倾斜围挡层相对水平围挡层更靠近第一围挡结构1。安全壳7的外壁面包括半球形顶面、与该半球形顶面相接的竖直侧面，第一围挡结构1设置在半球形顶面的最顶端，但并未完全覆盖半球形顶面，半球形顶面上除了被第一围挡结构1围挡起来的区域以外的其他区域为弧面。倾斜围挡层对应该弧面设置，相对更靠近第一围挡结构1。水平围挡层对应安全壳7上的竖直侧面设置，相对更远离第一围挡结构1。因所处位置不同，对应的安装面形状不同，倾斜围挡层与水平围挡层的结构稍有不同：

如图3和图5所示，图3中示出了第二围挡结构2的其中三个水平围挡层，图5中示出了第二围挡结构2的其中两个水平围挡层。水平围挡层的每个围挡件20包括L形板202和挡水板201。图3中的空心箭头是用于示意冷却水蒸发后形成的蒸汽的流向。L形板202包括第一部分和第二部分，L形板202的第一部分连接安全壳7的外壁面，L形板202的第二部分与其第一部分远离安全壳7的外壁面的一端夹角相接。具体地，L形板202的第二部分与其第一部分远离安全壳7的外壁面的一端可以是垂直相接。也即，“L形”是为了方便描述而定义的概念，不能理解为L形板202的第二部分与其第一部分必然是垂直相接，它们还可以是夹角相接并且该夹角小于90°。

挡水板201连接在L形板202长度方向上的两端部，并且挡水板201的高度小于L形板202的第二部分的高度。也即，挡水板201与L形板202之间存在高度差，当储水槽内的水位达到挡水板201的高度时，储水槽内的冷却水从挡水板201的顶面流出，并且经相邻的两个围挡件20之间的导流间隔21流向下一层的围挡件20的储水槽，以此类推。由此，挡水板201和L形板202一同界定出储水槽，储水槽内的液位超过高度相对较低的挡流板的高度时便流入下一层的储水槽，其余的冷却水储存在储水槽中，实现对安全壳7的长期持续冷却。

L形板202和挡水板201可以是一体成型的一体结构，也可以分别是单独的部件，通过焊接等方式拼接在一起。L形板202和挡水板201也可以通过焊接的方式安装至安全壳7的外壁面上，结构较简单且规则，较便于现场安装，具有较好的实践意义。

如图4所示，倾斜围挡层的每个围挡件20包括倾斜结合面203。因倾斜围挡层的安装面是弧面，倾斜围挡层的每个围挡件20以其倾斜结合面203连接至安全壳7的外壁面，以更好地适配安全壳7的外壁形状，便于现场安装，具有较好的实践意义。图4中的空心箭头是用于示意冷却水蒸发后形成的蒸汽的流向。

进一步地，导流孔的数量为两个以上，最靠近第一围挡结构1的围挡层的每个储水槽的位置与至少一个导流孔的位置相对应。例如，如图2所示，本实施例中，最靠近第一围挡结构1的围挡层包括两个围挡件20，相当于包括两个储水槽，每个储水槽的位置与六个导流孔的位置相对应。也即，第一围挡结构1上设有十二个导流孔，其中六个导流孔的位置与下方的其中一个储水槽的位置相对应，另外六个导流孔的位置与下方的另外一个储水槽的位置相对应，以将第一储水区域的冷却水导向下方的储水槽之中。

进一步地，如图2所示，本实施例中，各个围挡件20在安全壳7的外壁上对称分布。各个导流孔在第一围挡结构1上也为对称分布。具体地，该对称分布可以指，各个围挡件20(或导流孔)以安全壳7的纵向中心轴线为轴呈中心对称分布。也即，各个围挡件20的长度相等，并且均匀地环绕在安全壳7的外壁面上。对应地，各个导流孔也均匀地分布在第一围挡结构1上，由此，可以使第一储水区域内的冷却水较平均地分配至各个储水槽之中，有利于在安全壳7的外壁面形成均匀分布的水膜。

进一步地，如图2所示，本实施例中，第一围挡结构1呈环形，具体地，第一围挡结构1呈圆环形。当然，在其他实施例中，第一围挡结构1也不局限为环形，还可以是其他形状。为获得较好的散热效果，第一围挡结构1和/或第二围挡结构2可以为金属。

以下提供本发明一实施例的非能动安全壳冷却装置用于实现安全壳7冷却效果的过程：

当反应堆发生LOCA事故、主蒸汽管破裂等事故后，堆芯衰变热通过蒸汽排放的形式传递至安全壳7内部，进而造成安全壳7内升温升压，蒸汽持续上升，造成安全壳7的顶部区域温度相对较高；

热量由钢制安全壳7内部开始传递至安全壳7的外壁面；

当热量水平较低时，通过设置在厂房5上的空气入口通道81送入空气，空气沿着厂房5与安全壳7之间形成的通道81向上流动。与此同时，安全壳7外表面、第一围挡结构1、以及第二围挡结构2的围挡件20与流动的空气之间发生对流传热，流动的冷空气升温后通过厂房5顶部的排气口82排出至环境大气。

随着热量水平升高到一定水平后，仅依靠空气对流无法将安全壳7的热量全部导出时，安全壳7上方的导流管道4上的阀门40开启，水箱3内的冷却水经导流管道4流入第一围挡结构1内。由于导流孔的口径较小，冷却水流失速率较小，因此冷却水在第一围挡结构1内部迅速建立较高的液位。由于导流孔为对称布置，在相同的液位下，实现流量近似平均分配至第二围挡结构2处。随后，冷却水沿着平行间隔布置的围挡层逐层向下传递，直至所有的储水槽处都达到最大液位，最后一层围挡层的储水槽内多余的冷却水落入安全壳7底部的环形水槽6处。

冷却水沿着平行间隔布置的围挡层逐层向下传递的过程中，就会自然地形成覆盖在安全壳7外壁面的水膜。相邻的围挡层之间留有间隔，用于蒸汽的外流。

随着热量水平升高到一定水平后，在初始阶段，可以先为第一储水区域注入预设量的冷却水(可保证随着冷却水逐层流动，第二围挡结构2的所有储水槽全部注满即可)，后期可根据参数监控情况，打开导流管道4上的阀门40，将更多的冷却水继续注入到第一储水区域，进而针对安全壳7的顶部进行直接、高效的冷却。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种非能动安全壳冷却装置，其特征在于，包括第一围挡结构(1)、第二围挡结构(2)；

所述第一围挡结构(1)设置在安全壳(7)的外壁面的顶部，并且围设出第一储水区域；

所述第二围挡结构(2)位于所述第一围挡结构(1)的下方，并且环绕在所述安全壳(7)的外壁面上，所述第二围挡结构(2)围设出第二储水区域；

所述第一围挡结构(1)上设有用于将所述第一储水区域内的冷却剂导向所述第二储水区域的导流孔。

2.根据权利要求1所述的非能动安全壳冷却装置，其特征在于，所述第二围挡结构(2)包括多个围挡层；多个所述围挡层沿着所述安全壳(7)的顶部至底部的方向平行间隔布置；

每个所述围挡层包括至少两个围挡件(20)、由每个所述围挡件(20)围设出的储水槽、以及形成在相邻的所述围挡件(20)之间的导流间隔(21)；各个所述储水槽一同形成所述第二储水区域；

相邻的两个所述围挡层中，上层的所述围挡层的所述导流间隔(21)与下层的所述围挡层的所述储水槽相对设置。

3.根据权利要求2所述的非能动安全壳冷却装置，其特征在于，所述多个围挡层包括倾斜围挡层和水平围挡层；所述倾斜围挡层相对所述水平围挡层更靠近所述第一围挡结构(1)；

所述水平围挡层的每个所述围挡件(20)包括L形板(202)和挡水板(201)；所述L形板(202)包括第一部分和第二部分，所述L形板(202)的第一部分连接所述安全壳(7)的外壁面，所述L形板(202)的第二部分与其第一部分远离所述安全壳(7)的外壁面的一端夹角相接；所述挡水板(201)连接在所述L形板(202)长度方向上的两端部，并且所述挡水板(201)的高度小于所述L形板(202)的第二部分的高度；所述挡水板(201)和所述L形板(202)一同界定出所述储水槽。

4.根据权利要求2所述的非能动安全壳冷却装置，其特征在于，所述多个围挡层包括倾斜围挡层和水平围挡层；所述倾斜围挡层相对所述水平围挡层更靠近所述第一围挡结构(1)；

所述倾斜围挡层的每个所述围挡件(20)包括倾斜结合面(203)；所述倾斜围挡层的每个所述围挡件(20)以其倾斜结合面(203)连接所述安全壳(7)的外壁面。

5.根据权利要求2所述的非能动安全壳冷却装置，其特征在于，所述导流孔的数量为两个以上，最靠近所述第一围挡结构(1)的所述围挡层的每个所述储水槽的位置与至少一个所述导流孔的位置相对应。

6.根据权利要求5所述的非能动安全壳冷却装置，其特征在于，各个所述围挡件(20)在所述安全壳(7)的外壁面上对称分布；各个所述导流孔在所述第一围挡结构(1)上也为对称分布。

7.根据权利要求1至6任一项所述的非能动安全壳冷却装置，其特征在于，所述非能动安全壳冷却装置还包括水箱(3)、导流管道(4)；所述水箱(3)设置在所述安全壳(7)的上方；所述导流管道(4)与所述水箱(3)连通，为所述第一储水区域注入冷却剂。

8.根据权利要求7所述的非能动安全壳冷却装置，其特征在于，所述水箱(3)的数量为两个以上。

9.一种非能动安全壳冷却系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的非能动安全壳冷却装置、以及厂房(5)；

所述第一围挡结构(1)、所述第二围挡结构(2)和所述安全壳(7)设置在所述厂房(5)内；所述厂房(5)与所述第一围挡结构(1)、所述厂房(5)与所述第二围挡结构(2)之间形成有通道(81)；所述厂房(5)上设有进气口(80)和排气口(82)，所述进气口(80)和排气口(82)都与所述通道(81)相连通。

10.根据权利要求9所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述非能动安全壳冷却系统还包括设置在所述第二围挡结构(2)下方的环形水槽(6)。