CN202976863U - 体积膨胀组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种在核电站中使用的体积膨胀组件，包括：体积膨胀装置，设置在核电站的流体容器内，所述体积膨胀装置适于基于触发信号在所述流体容器内膨胀或收缩，变化量可控，用以改变流体容器内液位高低和流体容器空间的压力大小。利用本实用新型的技术方案，可以缓解核电站安全事故，提高核电站的安全性。

Description

体积膨胀组件

技术领域

本实用新型涉及核电领域，尤其涉及一种在核电站中使用的体积膨胀组件，用于提高核电站的流体容器内的液位或者压力。

背景技术

核电站中使用的安注系统又叫做应急堆芯冷却系统，它的主要功能包括：当一回路系统破裂引起失水事故时，安注系统向堆芯注水，保证淹没和冷却堆芯，防止堆芯融化，以及保持堆芯的完整性。

另外，在三代非能动核电站(例如AP1000)中，可以利用堆芯补水箱(CMT)、安注箱(ACC)、安全壳内置换料水箱(IPWST)等向堆芯注水，这些注水操作均采用非能动方式，而重力安注压头是执行安注操作的重要参数。

实用新型内容

本实用新型主要旨在提高安注压头从而进一步提高安注系统的安全性。

根据本实用新型的一个方面，提出了一种在核电站中使用的体积膨胀组件，包括：体积膨胀装置，设置在核电站的流体容器内，所述体积膨胀装置适于基于触发信号在所述流体容器内膨胀以提高所述流体容器内的液位或提高所述流体容器内的压力。

有利的，以非能动方式使得所述体积膨胀装置膨胀。

进一步的，所述体积膨胀装置包括高压气体存储容器和体积膨胀容器，所述体积膨胀容器通过阀门与所述高压气体存储容器相通；基于所述触发信号，所述阀门被开启而使得所述体积膨胀容器的体积膨胀。有利的，所述体积膨胀的膨胀速度由阀门的开度控制。

可选的，利用化学反应产生的气体使得所述体积膨胀装置发生体积膨胀。进一步的，所述体积膨胀装置包括容纳有第一反应物的第一反应容器和容纳有第二反应物的第二反应容器，所述第一反应容器和所述第二反应容器通过阀门相通，第一反应物适于与所述第二反应物发生反应而产生大量气体，其中，基于所述触发信号，所述阀门被开启而使得第一反应物与所述第二反应物发生反应以产生大量气体，产生的大量气体至少膨胀所述第一反应容器和所述第二反应容器中的至少一个。可选的，所述体积膨胀装置包括容纳有第一反应物的第一反应容器和容纳有第二反应物的第二反应容器，所述第一反应容器和所述第二反应容器通过阀门相通，第一反应物适于与所述第二反应物发生反应而产生大量气体，第一反应容器和第二反应容器中的至少一个设置有排气口，其中，基于所述触发信号，所述阀门被开启而使得第一反应物与所述第二反应物发生反应以产生大量气体，产生的大量气体经所述排气口进入体积膨胀装置的内部空间以膨胀所述体积膨胀装置。有利的，所述体积膨胀的膨胀速度由阀门的开度控制。

可选的，所述体积膨胀组件还包括气泵，气泵的出口与所述体积膨胀装置相通；基于所述触发信号，所述气泵被开启而向所述体积膨胀装置内供给使得所述体积膨胀装置体积膨胀的气体。有利的，由所述气泵的运转控制所述体积膨胀装置的充气速度、充气量、充气压力中的至少一个。

可选的，所述体积膨胀装置包括压缩弹簧和容纳该压缩弹簧的密封容器，在所述压缩弹簧基于所述触发信号被触发而释放时，所述密封容器的内部容积基于该压缩弹簧的释放而相应扩大。

有利的，所述体积膨胀组件还包括限位装置，所述限位装置限制所述体积膨胀装置在体积膨胀之后的位置和/或形状。

有利的，所述体积膨胀组件使用在压水堆安注系统中。

在上述体积膨胀组件中，有利的，所述体积膨胀装置设置在所述流体容器内，且所述流体容器为核电站的以下部件中的至少一种：堆芯补水箱(CMT)、安全壳地坑、安全壳内换料水箱(IRWST)、反应堆压力容器(RPV)、蒸汽发生器(SG)、安注箱(ACC)、安全壳。有利的，所述触发信号包括流体容器内的液位、液体流出所述流体容器的安注流速、所述流体容器内部的压力、堆芯温度、稳压器内的低压力信号以及低液位信号中的至少一种。

利用本实用新型的技术方案，可以提高重力安注的安注压头，而且，因为体积膨胀会占据流体容器内的流体的空间，所以可以提高淹没液位，特别可以在事故后期提高堆芯内的淹没液位。此外，根据本实用新型的技术方案的体积膨胀组件还可以吸收掉堆芯产生的部分余热(例如，在体积膨胀时，根据本实用新型的体积膨胀组件甚至还可以吸收外接热量)，提高所在空间气体的压力(如安注箱(ACC)内部或核电站其他需要加压的地方)等。

附图说明

图1为根据本实用新型的一个实施例的体积膨胀组件的示意图，其中图1a示出了体积膨胀组件未被触发膨胀之前的状态，而图1b则示出了该体积膨胀组件被触发膨胀之后的状态，在图1b中，液体容器内的液位基于该膨胀而升高；

图2为图1中的体积膨胀组件的放大示意图；

图3为根据本实用新型的另一个实施例的体积膨胀组件的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实例性的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

核电站(特别是三代非能动核电站)事故缓解中用到的三个重要影响因素为重力安注压头、淹没液位、热量移除。本实用新型至少能一定程度上优化以上三个因素，使得核电站更加安全。具体说来，利用本实用新型的技术方案可以提高重力安注的安注压头，而且，因为体积膨胀会占据流体容器内的流体的空间，所以可以提高淹没液位，特别可以在事故后期提高堆芯内的淹没液位。此外，根据本实用新型的技术方案的体积膨胀组件还可以吸收掉堆芯产生的部分余热(例如，在体积膨胀时，根据本实用新型的体积膨胀组件甚至还可以吸收外接热量)，提高所在空间气体的压力(如安注箱(ACC)内部或核电站其他需要加压的地方)等。

如图1a、1b中所示，在核电站中使用的体积膨胀组件包括：体积膨胀装置10，设置在流体容器20内，所述体积膨胀装置适于基于触发信号在所述流体容器内膨胀(参见图1b)以提高所述流体容器内的液位或提高所述流体容器内的压力。

可以非能动方式使得所述体积膨胀装置10膨胀。具体描述如下：

如图1a、1b中所示，所述体积膨胀装置10包括高压气体存储容器11和体积膨胀容器12，所述体积膨胀容器通过阀门13与所述高压气体存储容器11相通；基于所述触发信号，所述阀门13被开启而使得所述体积膨胀容器的体积膨胀。有利的，所述体积膨胀的膨胀速度由阀门的开度控制，如图2中所示，该阀门13为电动阀门，可以通过控制电动机来控制阀门13的开度。不过，也可以设置全开/全闭型阀门。如图1b中所示，与图1a中相比，液体容器20内的液面因为该体积膨胀而升高，液面升高对应于提高了安注压头。

还可以利用化学反应产生的气体使得所述体积膨胀装置发生体积膨胀。如图3中所示，所述体积膨胀装置10’包括容纳有第一反应物的第一反应容器11’和容纳有第二反应物的第二反应容器12’，所述第一反应容器11’和所述第二反应容器12’通过阀门13’相通，第一反应物适于与所述第二反应物发生反应而产生大量气体，第一反应容器11’和第二反应容器12’中的至少一个设置有排气口14，其中，基于所述触发信号，所述阀门13’被开启而使得第一反应物与所述第二反应物发生反应以产生大量气体，产生的大量气体经所述排气口14进入体积膨胀装置的内部空间以膨胀所述体积膨胀装置10’。在图3中，第一反应容器和第二反应容器都设置在体积膨胀装置10’内部，不过，第一反应容器和第二反应容器也可以设置在体积膨胀装置10’的外部，而经由该排气口14(以及附加的管道)将产生的气体排入到体积膨胀装置20内部。有利的，所述体积膨胀的膨胀速度由阀门的开度控制，如图3中所示，该阀门13’为电动阀门，可以通过控制电动机来控制阀门13’的开度。不过，也可以设置全开/全闭型阀门。

可选的，第一反应容器和第二反应容器本身一起就可以构成体积膨胀装置。具体的，所述体积膨胀装置包括容纳有第一反应物的第一反应容器和容纳有第二反应物的第二反应容器，所述第一反应容器和所述第二反应容器通过阀门相通，第一反应物适于与所述第二反应物发生反应而产生大量气体，其中，基于所述触发信号，所述阀门被开启而使得第一反应物与所述第二反应物发生反应以产生大量气体，产生的大量气体至少膨胀所述第一反应容器和所述第二反应容器中的至少一个。

可以使用如下方式产生大量气体。第一反应容器中可以放置叠氮酸钠(NaN₃)，而第二反应容器中可以放置硝酸铵(NH₄NO₃)，当这两种物质混合时，会迅速发生分解反应而产生大量气体，其化学方程式如下：

NaN₃+NH₄NO₃-------＞N₂+Na+N₂O+H₂O

还可以能动方式使得所述体积膨胀装置10膨胀。具体的，所述体积膨胀组件还包括气泵(未示出)，气泵的出口与所述体积膨胀装置10相通；基于所述触发信号，所述气泵被开启而向所述体积膨胀装置10内供给使得所述体积膨胀装置体积膨胀的气体。有利的，可以由所述气泵的运转控制所述体积膨胀装置的充气速度、充气量、充气压力中的至少一个。有利的，可以通过该气泵运转而排出气体，以将体积膨胀装置恢复到较小的体积，供再次使用。

所述体积膨胀组件还可包括限位装置(未示出)，所述限位装置限制所述体积膨胀装置在体积膨胀之后的位置和/或形状，例如，如图1b中所示，限位装置可以用于限定体积膨胀容器12的体积扩大的方向，限制体积膨胀容器12的位置和形状。该限位装置可以为可调可伸缩的装置。限位装置还可以起到将体积膨胀组件固定在流体容器内的作用。例如，该限位装置可以为一个刚性框架，体积膨胀组件被限制在该刚性框架内膨胀，相应的，该体积膨胀组件也可以固定在该刚性框架中，而该刚性框架则可以固定在流体容器的容器壁上。

所述体积膨胀装置10可以设置在所述流体容器20的底部，且所述流体容器20为核电站的以下部件中的至少一种：堆芯补水箱(CMT)、安全壳地坑、安全壳内换料水箱(IRWST)、反应堆压力容器(RPV)、蒸汽发生器(SG)、安注箱(ACC)、安全壳。需要专门指出的是，可以设置多个体积膨胀装置10，分别设置在不同的流体容器中，以进行组合调节。

堆芯补水箱可以布置在高于安全壳直接注射(DVI)管的位置，而后者的位置接近热段主管道的底部标高。在正常运行期间，堆芯补水箱内充满含硼水，箱内保持反应堆冷却剂系统(RCS)的运行压力。堆芯补水箱除了在非极限冷却剂丧失事故(LOCA)下完成堆芯应急补水和硼化，还主要执行LOCA事故下非能动高压安注功能。

安注箱进行中压安注，其借助于压缩气体的储能，因此无标高的要求。安注箱的箱体可以布置在堆芯补水箱的下一层面上。安注箱的大部分容器填充含硼水，而箱内气腔由覆盖氮气加压。核电站正常运行时，安注箱由止回阀与反应堆冷却剂系统隔离，安注箱的出口管与安全壳直接注射管相连。只要反应堆冷却剂系统压力降到低于安注箱内的压力，止回阀就自动开启，硼水则靠氮气压力非能动地注入到反应堆冷却剂系统。安注箱的中压注射主要对付大极限冷却剂丧失事故，在反应堆冷却剂系统的水大量丧失之后，安注箱的大流量注水可以迅速建立堆芯冷却。

安全壳内置换料水箱一般布置在安全壳运行平台下的层面，安全壳内置水箱的底部高于反应堆冷却剂系统环路的标高，在反应堆冷却剂系统足够泄压之后，箱内的硼水可以在重力下注入到反应堆冷却剂系统中，安全壳内置换料水箱也通过两条安全壳直接注射管与安全壳相连。一般而言，安全壳内置换料水箱内的水量需要满足如下要求：反应堆正常换料期间将换料水池充水至需要的水位以进行换料操作；极限冷却剂丧失事故之后长期再循环冷却期间淹没安全壳的下部；极限冷却剂丧失事故后提供足够的低压安注流量并保持足够的注射时间。

在上述的安全壳内置换料水箱、安注箱、堆芯补水箱内的安注操作均结束之后，可以执行安全壳地坑再循环来实现长期冷却。

以流体容器为安全壳地坑为例，在体积膨胀组件的体积膨胀装置10膨胀之前，体积膨胀组件的体积并不大，不影响安全壳地坑的运行。当事故发生时，体积膨胀装置10由于触发而被快速膨胀，例如，膨胀到原来体积的数十倍甚至数百倍，从而占据安全壳地坑内的部分水体积，提高堆芯的淹没液位。在通过化学反应产生大量气体的情况下，体积膨胀组件内的化学成分还可能由于泄压膨胀而吸收部分堆芯余热。触发信号可以由传感器获得。触发信号可以为安全壳地坑内的液位，在该液位低于预定液位时，可以使得该体积膨胀装置10膨胀。

以流体容器为安全壳内换料水箱或堆芯补水箱为例，在体积膨胀组件的体积膨胀装置10膨胀之前，体积膨胀组件的体积并不大，不影响安全壳内换料水箱或堆芯补水箱的运行。当事故发生时，体积膨胀装置10由于触发而被快速膨胀，例如，膨胀到原来体积的数十倍甚至数百倍，从而占据安全壳内换料水箱或堆芯补水箱内的部分水体积，提高安全壳内换料水箱或堆芯补水箱的液位，从而提高安注压头，而进一步提高安全壳内换料水箱的安注流速或堆芯补水箱的安注流速。触发信号可以由传感器获得。触发信号也可以为安全壳内换料水箱或堆芯补水箱的液位，或者安全壳内换料水箱或堆芯补水箱的安注流速，在该液位低于预定液位或安注流速低于预定流速时，可以使得该体积膨胀装置10膨胀。

以流体容器为安注箱为例，在体积膨胀组件的体积膨胀装置10膨胀之前，体积膨胀组件的体积并不大，不影响安注箱的运行。当事故发生时，体积膨胀装置10由于触发而被快速膨胀，例如，膨胀到原来体积的数十倍甚至数百倍，从而占据安注箱内的部分水体积，提高安注箱的液位，从而提高安注压头，而进一步提高安注箱的安注流速。尤其是在安注箱内上部的氮气压力不足的情况下，体积膨胀装置10的快速膨胀还有助于提高安注箱内的压力，从而保证安注箱的安注流速。触发信号可以由传感器获得。触发信号也可以为安注箱的安注流速、或者安注箱内的压力，在安注流速低于预定流速或安注箱内的压力低于预定压力时，可以使得该体积膨胀装置10膨胀。

触发信号还可以为堆芯温度、稳压器内的低压力信号以及低液位信号、以及其他需要执行安注操作的事故信号，例如反应堆冷却剂系统的各种尺寸的破口(包括口径最大的主管道双端断裂的极限冷却剂丧失事故)、主蒸汽管道双端断裂事故(在非极限冷却剂丧失事故下，在化学和容积控制系统(CVS)的正常补水不可用或补水不足时，安注系统提供高压应急补水和硼化。对于主蒸汽管道双端断裂事故，事故后主蒸汽大量释放，使得反应堆冷却剂急速降温，导致反应堆冷却剂收缩，反应堆冷却剂系统容积水装量减少和堆芯正反应性快速引入。此时，需要使得堆芯保持淹没状态，并控制堆芯反应性，限制反应堆重返功率的峰值)。

制造体积膨胀组件的材料可以是耐高温橡胶材料。

虽然在以上实施例中，体积膨胀组件的体积膨胀主要借助于气体实现，但是，也可以采用其他的机械方式实现，例如，该体积膨胀组件包括密封容器和容纳在其内的压缩弹簧，该压缩弹簧在体积膨胀组件未被触发时处于压缩状态，从而容纳该压缩弹簧的容器也相应地处于压缩状态或挤压状态，而当体积膨胀组件被触发时，该压缩弹簧被释放，该释放可导致密封容器的内部容积相应扩大。为了便于压缩弹簧在释放方向上移动，该密封容器内可以设置专门的导轨以对该释放进行引导。对压缩弹簧的释放可以利用电磁作用实现。

以上主要说明了体积膨胀组件应用于核电站安注系统中的情形。

安注系统可以是压水堆的安注系统，本实用新型的体积膨胀组件也可以应用于其他堆型，例如，设置在其他堆型的安全壳地坑内，例如，还可以布置于沸水堆的安全壳湿井中，以在需要淹没堆芯时触发该体积膨胀组件以抬升地坑内的液位。

利用本实用新型的技术方案可以实现一种提高核电站安注系统中的重力安注压头的方法，该方法包括以下步骤：在液体容器的底部设置体积膨胀装置；以及基于触发信号使得所述体积膨胀装置在所述液体容器内膨胀以升高所述液体容器内的液位。

利用本实用新型的技术方案可以实现一种提高核电站安注系统中的重力安注压头的方法，包括以下步骤：在核电站的多个液体容器的底部分别设置多个体积膨胀装置；基于触发信号使得至少一个所述体积膨胀装置在相应的液体容器内膨胀以升高相应液体容器内的液位。由此，可以同时组合使用多个体积膨胀装置。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本实用新型的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种在核电站中使用的体积膨胀组件，包括： 

体积膨胀装置，设置在核电站的流体容器内，所述体积膨胀装置适于基于触发信号在所述流体容器内膨胀。 

2.根据权利要求1所述的体积膨胀组件，其特征在于： 

所述体积膨胀装置包括高压气体存储容器和体积膨胀容器，所述体积膨胀容器通过阀门与所述高压气体存储容器相通； 

基于所述触发信号，所述阀门被开启而使得所述体积膨胀容器的体积膨胀。 

3.根据权利要求2所述的体积膨胀组件，其特征在于： 

所述阀门的开度是可调的以控制所述体积膨胀的膨胀速度。 

4.根据权利要求1所述的体积膨胀组件，其特征在于： 

所述体积膨胀装置包括容纳有第一反应物的第一反应容器和容纳有第二反应物的第二反应容器，所述第一反应容器和所述第二反应容器通过阀门相通，第一反应物适于与所述第二反应物发生反应而产生大量气体，其中，基于所述触发信号，所述阀门被开启而使得第一反应物与所述第二反应物发生反应以产生大量气体，产生的大量气体至少膨胀所述第一反应容器和所述第二反应容器中的至少一个；或者 

所述体积膨胀装置包括容纳有第一反应物的第一反应容器和容纳有第二反应物的第二反应容器，所述第一反应容器和所述第二反应容器通过阀门相通，第一反应物适于与所述第二反应物发生反应而产生大量气体，第一反应容器和第二反应容器中的至少一个设置有排气口，其中，基于所述触发信号，所述阀门被开启而使得第一反应物与所述第二反应物发生反应以产生大量气体，产生的大量气体经所述排气口进入体积膨胀装置的内部空间以膨胀所述体积膨胀装置。 

5.根据权利要求4所述的体积膨胀组件，其特征在于： 

所述阀门的开度是可调的以控制所述体积膨胀的膨胀速度。 

6.根据权利要求1所述的体积膨胀组件，其特征在于： 

所述体积膨胀组件还包括气泵，气泵的出口与所述体积膨胀装置相通； 

基于所述触发信号，所述气泵被开启而向所述体积膨胀装置内供给使得所述体积膨胀装置体积膨胀的气体，由所述气泵的运转控制所述体积膨胀装置的充气速度、充气量、充气压力中的至少一个。 

7.根据权利要求1所述的体积膨胀组件，其特征在于： 

所述体积膨胀组件还包括限位装置，所述限位装置限制所述体积膨胀装置在体积膨胀之后的位置和/或形状。 

8.根据权利要求1所述的体积膨胀组件，其中： 

所述体积膨胀装置包括压缩弹簧和容纳该压缩弹簧的密封容器，在所述压缩弹簧基于所述触发信号被触发而释放时，所述密封容器的内部容积基于该压缩弹簧的释放而相应扩大。 

9.根据权利要求1所述的体积膨胀组件，其中： 

所述流体容器为核电站的以下部件中的至少一种：堆芯补水箱（CMT）、安全壳地坑、安全壳内换料水箱（IRWST）、反应堆压力容器（RPV）、蒸汽发生器（SG）、安注箱（ACC）、安全壳。 

10.根据权利要求1-9中任一项所述的体积膨胀组件，其中： 

所述触发信号包括流体容器内的液位、液体流出所述流体容器的安注流速、所述流体容器内部的压力、堆芯温度、稳压器内的低压力信号以及低液位信号中的至少一种。 

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