CN202939986U - 基于温差传感的核电站安全注射信号装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了属于核电安全和热能利用装置领域的一种基于温差传感的核电站安全注射信号装置。反应堆压力容器、半导体温差发电模块、热传导器件固定在一起构成半导体温差电池；半导体温差电池的输出与稳压器、信号处理系统和专设安全设施连接。本实用新型利用反应堆压力容器壁与安全壳内部环境所产生的温差，驱动半导体温差电池发电，并作为电压信号应用于核电站安全注射装置。该装置具有非能动方式运转、实施方便、控制简单、可靠性高、无噪音、无污染、使用寿命长等优点；更有效地保障了核电安全，并促进了低品位能源利用。
Description
技术领域
本实用新型属于核电安全和热能利用装置领域，特别涉及一种基于温差传感的核电站安全注射信号装置。
背景技术
21世纪，能源紧缺、环境污染已经成为全世界面临的重大问题。随着人类社会的发展，工业需求能源的数量越来越巨大，进而常规能源的消耗也越来越迅猛，导致今天能源紧缺的局面，而在众多的替代能源中，核能无疑是最有潜力可以大规模使用的工业能源。从 20 世纪50 年代以来，核电站发出的电量已占世界总发电量的16%。国际经验证明，核电是一种经济、安全、可靠、清洁的新能源。但随着核电的发展，人类对于核电的安全问题也越来越关注，尤其是在日本福岛核电站严重事故发生后，世界对待核电的恐惧进一步加深。核电站严重事故的发生的频率极低，约为10-5/堆年，三代堆达到了10-7/堆年。但一旦发生核电站严重事故，很可能会破坏核电站所有的安全屏障，向环境大规模释放放射性物质，产生严重放射性后果，对核电站和社会安全构成极大的威胁。从后果上说，严重事故是核电站可能导致对公众和环境最严重危害的隐患，所以对核电站严重事故事故措施的研究是十分必要和重要的。
因此，为确保严重事故前反应堆紧急停闭、堆芯余热的排出和安全壳的完整性，从而限制事故的发展和减轻事故的后果，除正常的控制保护系统外，核电站内增设了很多专用安全设施，包括：安全注入系统、安全壳喷淋系统、辅助给水系统、安全壳隔离系统等。其中安全注入系统、安全壳喷淋系统、安全壳隔离系统都由RPR系统（反应堆保护系统）发出的压力信号触发启动，辅助给水系统由RRA系统传递的信号（余热排除系统）触发启动。
为了提高触发信号的准确性、保障反应堆的安全性，本发明通过对低品位热源的合理利用，根据温差发电原理，将温差产生的电压信号连接到信号处理模块，然后再由信号处理模块进行处理分析，做出动作，预防严重事故的发生。
温差发电技术的研究最早开始于20世纪40年代。借于其显著的优点，温差发电在航空、军事等领域得到广泛的应用，美国、前苏联先后研发了数千个放射性同位素或核反应堆温差发电器用作空间、海洋装置的电源。随着化石能源的日趋枯竭，美国、日本、欧盟等发达国家更加重视温差发电技术在民用领域的研究，并取得了一定的进展。但直接利用温差发电传感的核电站注射信号系统却并未涉及。
我国在半导体温差发电的研究方面具有一定的实力，许多研究人员都致力于如何利用低品位热源的研究，各自都取得了一些成果，如利用汽车尾气的固体吸附式空调器，又如利用太阳能的热水器-制冷空调复合机，但是利用热电效应直接把低品位的热能转换为核电安全信号的研究在国内却很少提及。国内在温差电的应用方面仍处于起步阶段，因此本实用新型利用温差发电作为核电站保护信号有着非常现实的意义。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术中一旦发生核电站严重事故，很可能会破坏核电站所有的安全屏障，向环境大规模释放放射性物质，产生严重放射性后果的不足，提供了一种基于温差传感的核电站安全注射信号装置，其特征在于，半导体发电模块2的热端铝板7.1与反应堆压力容器壁1焊接在一起，半导体发电模块2的冷端铝板7.2与热传导器件3连接，稳压器4的输入端与半导体发电模块2的输出端连接，信号处理模块5分别与专设安全设施6和稳压器4连接，从而构成核电站安全注射信号装置。
所述的这种半导体发电模块2由冷端铝板7.2和热端铝板7.1将绝缘导热层硅脂8、导电体铜9、N-P半导体10通过紧固螺栓11构成为一个整体，所述绝缘导热层硅脂8设置于冷端铝板7.2和热端铝板7.1和导电体铜9之间，除绝缘导热外，还可缓解机械应力；所述导电体铜9介于绝缘导热层硅脂8和N-P半导体10之间，把M个P型半导体和M个N型半导体以P型半导体、N型半导体的顺序串联起来，两端的P型半导体和N型半导体并由导线连接至稳压器4的输入端。
所述反应堆压力容器壁1和热传导器件3承担着热源与冷源的吸放热任务，从而将热量迅速传导至半导体发电模块2的热端铝板7.1上；热传导器件3在安全壳内通过安全壳内部通风系统的自然对流冷却，将半导体发电模块2冷端铝板7.2温度降低在安全壳内部温度以下或保持在安全壳内部温度，保证半导体发电模块2的温差发电正常运行。
所述热传导器件3由热管或超导材料制造。
所述半导体发电模块中的M为50-1000的正整数。
本实用新型的有益效果是利用塞贝克效应原理，优化设计了半导体温差电池；利用压力容器与安全壳内环境温差发电，产生直流电；并将直流电直接作为电压信号，接入信号处理模块进行分析处理，并最终作为安全信号保障核电站安全增添了一道有力屏障。本实用新型充分利用低品位热能，可节约常规燃料，保护环境。该装置简单易行，无需化学反应和无机械移动部分，具有非能动方式运转、实施方便、控制简单、可靠性高、无噪音、无污染、使用寿命长等优点。与目前常用方法相比，实现低成本，可靠性强的优点；易于推广，市场前景美好 。
附图说明
图1为利用温差传感的核电站注射信号系统示意图。
图2为一种半导体温差电池优化结构图。
具体实施方式
本实用新型提供一种基于温差传感的核电站安全注射信号装置。下面结合附图予以说明。
图1是利用温差传感的核电站安全注射信号装置结构示意图。由图可知，半导体发电模块2的热端铝板7.1与反应堆压力容器壁1焊接在一起，半导体发电模块2的冷端铝板7.2与热传导器件3连接，稳压器4的输入端与半导体发电模块2的输出端连接，信号处理模块5分别与专设安全设施6和稳压器4连接，从而构成核电站安全注射信号装置。
在图2中，所述的这种半导体发电模块2由冷端铝板7.2和热端铝板7.1将绝缘导热层硅脂8、导电体铜9、N-P半导体10通过紧固螺栓11构成为一个整体，所述绝缘导热层硅脂8设置于冷端铝板7.2和热端铝板7.1和导电体铜9之间，除绝缘导热外，还可缓解机械应力；所述导电体铜9介于绝缘导热层硅脂8和N-P半导体10之间，把M个P型半导体和M个N型半导体以P型半导体、N型半导体的顺序串联起来，两端的P型半导体和N型半导体并由导线连接至稳压器4的输入端。其具体工作流程如下：反应堆压力容器壁1与半导体发电模块2热端铝板紧密连接，可保证反应堆发生事故早期，反应堆压力容器壁温度迅速升高时，将热量迅速高效地传导至半导体发电模块2热端铝板7.1上；热传导器件3在安全壳内通过安全壳内部通风系统的自然对流冷却，将半导体发电模块2冷端的铝板7.2温度降低在安全壳内部温度以下或保持在安全壳内部温度；通过温差半导体发电模块2生成直流电；为提高直流电品质，被导入稳压器4，从而输出稳定电压信号；若输出信号大于48V，则电压信号再由信号处理模块5处理分析；并最终传送到专设安全设施6，控制专设安全设施6中安全注射信号系统、喷淋系统和辅助给水系统做出动作。
所涉及的半导体温差电池中半导体材料选为Bi2Te3，其塞贝克系数α=530μv/k，取500μv/k。安全壳内部环境温度应限制在70℃以内，而反应堆压力容器壁应保障低于900℃。通过高效传热，可使冷端铝板和热端铝板7温差达830℃。信号处理系统额定输入信号为48V。经计算，温差电池中共需要116对N-P半导体构成的电池。考虑补偿，在实际中应用120对。
所涉及的半导体温差电池，是由120对半导体热电偶形成的热电堆。其制造方案如下：a. 反应堆压力容器壁1与半导体发电模块2的热端铝板应焊接或绑定在一起，使两者紧密连接，从而将热量迅速高效地传导至半导体发电模块的热端铝板上；b.温差电材料Bi2Te3及其合金材料的切割方向，应使温差电偶的长度方向沿材料的生长方向，从而保证温差电偶处于优值最大的方向。
所涉及的半导体发电模块2需要安全、可靠、稳定运行，本发明在制造温差电池时采用以下方案：a.从电偶结构的改善上考虑，以尽量消除热胀冷缩产生的机械应力，本发明的改善方法有：①在导电体片9的中间部分开一缺口或弯曲成弧形，从而使连接片具有一定的收缩性，从而减小作用在P-N电臂上的机械应力；②金属化陶瓷片硬度大，极易造成P-N电臂折断。所以设计采用有一定柔性而又能起支撑作用的绝缘导热硅脂8。b.为了在一定程度上提高热电堆的接头导电和导热特性，在冷端铝板和热端铝板、绝缘导热层硅脂8、导电体铜9、N-P半导体10各接触面间应选择接触性能较好的过渡焊料。c.除了过渡焊料外，还需要适当的工艺—焊接前，最好对各焊接表面进行化学清洗(腐蚀法)，焊接时则需要选择适当的焊接温度和时间。
Claims (4)
1.一种基于温差传感的核电站安全注射信号装置，其特征在于，半导体发电模块（2）的热端铝板（7.1）与反应堆压力容器壁（1）焊接在一起，半导体发电模块（2）的冷端铝板（7.2）与热传导器件（3）连接，稳压器（4）的输入端与半导体发电模块（2）的输出端连接，信号处理模块（5）分别与专设安全设施（6）和稳压器（4）连接，从而构成核电站安全注射信号装置。
2.根据权利要求1所述基于温差传感的核电站安全注射信号装置，其特征在于，所述的这种半导体发电模块（2）由冷端铝板（7.2）和热端铝板（7.1）将绝缘导热层硅脂（8）、导电体铜（9）、N-P半导体（10）通过紧固螺栓（11）构成为一个整体，所述绝缘导热层硅脂（8）设置于冷端铝板（7.2）和热端铝板（7.1）和导电体铜（9）之间，除绝缘导热外，还可缓解机械应力；所述导电体铜（9）介于绝缘导热层硅脂（8）和N-P半导体（10）之间，把M个P型半导体和M个N型半导体以P型半导体、N型半导体的顺序串联起来，两端的P型半导体和N型半导体并由导线连接至稳压器（4）的输入端。
3.根据权利要求1所述基于温差传感的核电站安全注射信号装置，其特征在于，所述热传导器件由热管或超导材料制造。
4.根据权利要求2所述基于温差传感的核电站安全注射信号装置，其特征在于，所述半导体发电模块中的M为50-1000的正整数。
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