CN205920763U - 用于核电站的堆芯补水箱 - Google Patents

Abstract

一种用于核电站的堆芯补水箱，其特征在于，包括：用于容纳第一冷却介质的封闭的主壳体，所述主壳体的顶端设有与堆芯的冷却剂系统的冷管连通的入口，所述主壳体的底端设有与直接堆芯注入管线连通的出口，所述主壳体的内壁面和外壁面中的至少一个上设有多个换热促进结构，以促进所述主壳体内的第一冷却介质与主壳体的外部的换热。由于主壳体的内壁面和外壁面中的至少一个上设有多个换热促进结构，能够促进所述主壳体内的第一冷却介质与主壳体的外部的换热，增强堆芯补水箱的换热能力，进而提高核电站的安全裕度，提高非能动核电站的安全。

Description

用于核电站的堆芯补水箱

技术领域

本实用新型涉及一种补水箱，更具体地说，涉及一种用于核电站反应堆的补水箱。

背景技术

一般地，非能动系统通常依赖重力、自然对流和热传递等自然规律运行，而不需要外界提供动力。特别是在核电站的反应堆中，非能动系统具有结构简单，对外部的动力及人员操作依赖少等优点，大大降低了核电站系统的成本，提高了核电站的安全性。目前，在核电站中，首先采用堆芯补水箱(CMT)的设计，非能动系统中共设计了两个堆芯补水箱，每个容量大约71m³，最初装满低温含硼水。每个补水箱顶端通过压力平衡管线(PBL)连接到冷却剂系统(RCS)的冷段，使补水箱压力保持与冷却剂系统相同。每个补水箱的下部通过下泄管线与直接堆芯注入(DVI)管线相连，为应急冷却系统(ECC)提供致冷流量。在很多瞬态或事故中，堆芯补水箱代替了传统二代核电站的高压安全注水系统，在堆芯补水箱的下泄管线隔离阀打开之后，堆芯补水箱开始循环，应急冷却系统的冷却剂上充至压力平衡管线，以代替含硼冷却水流进冷却剂系统。当冷却剂系统压力或者水量减小到某一点时，蒸汽开始注入压力平衡管线，再循环回路中断，堆芯补水箱开始向应急冷却系统排水。

应急冷却系统的主要作用是向堆芯提供大量的低温含硼水，以降低堆芯的反应性，同时补偿通过破口等流出的冷却剂。然而，在事故过程中，非能动应急冷却系统还应对一回路(主回路)系统进行冷却，以确保系统的降温降压，在这方面堆芯补水箱并没有发挥太大的作用。

在反应堆发生事故的情况下，冷却剂系统的高温流体会通过压力平衡管线进入堆芯补水箱。现有的堆芯补水箱设计成圆柱加上下两个半球型封头，内外壁光滑，外壁为常温且无保温。因此进入堆芯补水箱的高 温流体可以通过堆芯补水箱向外进行传热。进入堆芯补水箱的热流体通过对流换热或导热将热量传递到堆芯补水箱的冷壁面，温度上升的冷壁面又会将热量传递到堆芯补水箱外部(大气、水蒸气)；当堆芯补水箱液位下降之后，液面以下的流体通过对流或导热与堆芯补水箱的壁面进行换热，然后将热量导到外界；进入堆芯补水箱液面以上的空间的蒸汽可在壁面冷凝，冷凝一方面是将系统的热量载到反应堆的一回路之外，同时，若大量的冷凝则会显著减小堆芯补水箱内液位的下降速度，进而延迟自动降压系统的开启。

因此，堆芯补水箱的换热能力实际上对事故进行影响较大，而现有堆芯补水箱设计成了直径较大、内壁面光滑，换热能力较差的结构，导致换热能力相当有限或者发挥不充分。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种用于核电站的堆芯补水箱，能够增强堆芯补水箱换热能力，提高非能动核电站的安全裕度。

根据本实用新型一个方面的实施例，提供一种用于核电站的堆芯补水箱，包括：用于容纳第一冷却介质的封闭的主壳体，所述主壳体的顶端设有与堆芯的冷却剂系统的冷管连通的入口，所述主壳体的底端设有与直接堆芯注入管线连通的出口，所述主壳体的内壁面和外壁面中的至少一个上设有多个换热促进结构，以促进所述主壳体内的第一冷却介质与主壳体的外部的换热。

根据一种实施例的堆芯补水箱，还包括外部壳体，所述主壳体设置在所述外部壳体中，所述外部壳体内容纳有第二冷却介质，以对所述主壳体进行冷却。

根据一种实施例的堆芯补水箱，所述换热促进结构包括一体地形成在所述主壳体的内壁面和外壁面中的至少一个上的多个凸肋。

根据一种实施例的堆芯补水箱，所述凸肋依次连接成螺旋形状。

根据一种实施例的堆芯补水箱，所述凸肋的横截面具有大致的Y形。

根据一种实施例的堆芯补水箱，所述凸肋的横截面具有大致的T形。

根据一种实施例的堆芯补水箱，相邻的两个所述凸肋的横截面相对于所述内壁面和外壁面朝向同一方向弯曲。

根据一种实施例的堆芯补水箱，多个所述凸肋分别在所述主壳体的轴向方向和径向方向延伸。

根据一种实施例的堆芯补水箱，所述换热促进结构包括安装在所述内壁面和外壁面中的至少一个上的多孔管。

根据一种实施例的堆芯补水箱，所述主壳体内设有上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和下支撑板之间设有多个换热管，所述上支撑板和下支撑板上形成多个通孔，以使得第一冷却介质穿过所述上支撑板和下支撑板。

根据一种实施例的堆芯补水箱，所述主壳体包括设有所述入口的上壳体和设有所述出口的下壳体，所述上壳体和下壳体通过多个换热管连通。

根据一种实施例的堆芯补水箱，所述上壳体和下壳体的相对的壁设置成圆形的支撑板，所述支撑板上形成多个通孔，所述通孔与换热管分别连通。

根据本实用新型的用于核电站的堆芯补水箱，由于主壳体的内壁面和外壁面中的至少一个上设有多个换热促进结构，能够促进所述主壳体内的第一冷却介质与主壳体的外部的换热，增强堆芯补水箱的换热能力，进而提高核电站的安全裕度，提高非能动核电站的安全。

附图说明

本实用新型将参照附图来进一步详细说明，其中：

图1是根据本实用新型的示例性实施例的用于核电站的堆芯的冷却系统的原理图；

图2是根据本实用新型的第一种示例性实施例的用于核电站的堆芯补水箱的轴向剖视图；

图3是根据本实用新型的第一种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图；

图4是根据本实用新型的第二种示例性实施例的换热促进结构的局 部剖视图；

图5是根据本实用新型的第三种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图；

图6是根据本实用新型的第四种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图；

图7是根据本实用新型的第五种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图；

图8是根据本实用新型的第六种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图；

图9是根据本实用新型的第七种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图；

图10是根据本实用新型的第八种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图；

图11是根据本实用新型的第九种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图；

图12是根据本实用新型的第二种示例性实施例的用于核电站的堆芯补水箱的轴向剖视图；

图13是根据本实用新型的第三种示例性实施例的用于核电站的堆芯补水箱的主壳体的轴向剖视图；以及

图14是沿图13中A-A线的径向剖视图。

具体实施方式

虽然将参照含有本实用新型的较佳实施例的附图充分描述本实用新型，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的实用新型，同时获得本实用新型的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本实用新型所描述的示例性实施例。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本文披露的实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施 例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

图1是根据本实用新型的示例性实施例的用于核电站的堆芯的冷却系统的原理图。如图1所示，该冷却系统设置成非能动系统，包括堆芯补水箱(CMT)100，用于为压力容器108内的堆芯107进行降温，压力容器108连接热管106和冷管105。每个堆芯补水箱的顶端通过压力平衡管线(PBL)101连接到冷却剂系统(RCS)102的冷管105，使堆芯补水箱100内的压力保持与冷却剂系统102相同。每个堆芯补水箱的下部通过下泄管线与直接堆芯注入(DVI)管线103相连，为应急冷却系统(ECC)104提供冷却流量。在很多瞬态或事故中，在堆芯补水箱100的下泄管线隔离阀106打开之后，堆芯补水箱100开始循环，应急冷却系统102的高温冷却剂在浮升力作用下进入压力平衡管线101并进入堆芯补水箱100。当冷却剂系统102的压力或者水量减小到某一点时，堆芯补水箱100内的蒸汽开始注入压力平衡管线101，再循环回路中断，堆芯补水箱100开始向应急冷却系统104输送低温含硼水。

参见1和2，根据本实用新型的一种示例性实施例，提供一种用于核电站的堆芯补水箱100，包括：用于容纳第一冷却介质10的封闭的主壳体1，所述主壳体1的顶端设有与堆芯的冷却剂系统102的冷管201连通的入口2，所述主壳体1的底端设有与直接堆芯注入管线103连通的出口3，所述主壳体1的内壁面和外壁面4中的至少一个上设有多个换热促进结构6，以促进所述主壳体1内的第一冷却介质10与主壳体1的外部的换热。

非能动应急冷却系统在核电站事故之后的重要作用之一就是将堆芯的衰变热导出到最终热阱中，从而使冷却剂系统降温降压。在反应堆发生事故的情况下，冷却剂系统102的高温流体会通过压力平衡管线101进入堆芯补水箱100。这样，进入堆芯补水箱100的高温流体可以通过堆芯补水箱100向外进行传热。具体而言，进入堆芯补水箱100的热流体通过对流换热或导热过程将热量传递到堆芯补水箱100的冷壁面(即外壁面)，温度上升的冷壁面又会将热量传递到堆芯补水箱100外部。当堆芯补水箱100内的第一冷却介质10的液位下降之后，液面以下的第一 冷却介质10的流体通过对流或导热与冷却剂系统102的内壁面进行换热，然后将热量通过主壳体1的壁传导到外部。进入冷却剂系统102的液面以上的空间的蒸汽可在冷却剂系统102是内壁面冷凝。通过冷凝，一方面是将反应堆系统的热量载到一回路(主回路)之外，同时，若大量的冷凝则会显著减小冷却剂系统102内液位的下降速度，进而延迟自动降压系统的开启。

根据本实用新型实施例的用于核电站的堆芯补水箱100，由于主壳体1的内壁面和外壁面4中的至少一个上设有多个换热促进结构，能够促进所述主壳体1内的第一冷却介质10与主壳体1的外部的换热。本领域的技术人员理解，堆芯最小液位是影响安全裕度的一个重要因素。初步分析表明，增强堆芯补水箱的换热能力有利于堆芯最小液位的升高，进而提高核电站的安全裕度。进一步地，通过增强堆芯补水箱的换热能力，可以提高小破口事故后堆芯内的冷却介质的液位，提高非能动核电站的安全，具有重要的工程实用价值。

如图2所示，根据本实用新型的一种实施例的堆芯补水箱100还包括外部壳体5，所述主壳体1设置在所述外部壳体5中，所述外部壳体5内容纳有第二冷却介质20，以对所述主壳体1进行冷却。例如，第一冷却介质10可以是低温含硼水，而第二冷却介质20可以是一般工业用水或者含蒸汽的湿空气。这样，主壳体1的外壁面与外部壳体5中的第二冷却介质20进行热交换，可以促进对主壳体1内的第一冷却介质10的冷却。

在一种示例性实施例中，所述换热促进结构6包括一体地形成在所述主壳体1的内壁面和外壁面中的至少一个上的多个凸肋。通过设置凸肋可以增加内壁面和外壁面与第一冷却介质10和第二冷却介质的接触面积。

一般地，蒸汽呈膜状凝结时，热阻取决于通过液膜层的导热，因此减薄液膜厚度可以强化膜状凝结。一方面，减薄蒸汽凝结时直接粘滞在固体表面上的液膜，另一方面，及时将传热表面产生的凝结液体排走，不使其积存在传热表面上面，避免液膜加厚。通过在主壳体1的内壁面和/或外壁面设置凸肋结构，可以促进传热过程。

图3是根据本实用新型的第一种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图3所示，多个凸肋61从主壳体1的内壁面(和/或外壁面)4一体地突出形成，相邻的两个凸肋61之间形成大致U形的通道。

图4是根据本实用新型的第二种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图4所述，多个凸肋62从主壳体1的内壁面(和/或外壁面)4一体地突出形成，凸肋62依次连接成螺旋形状。也就是说，整个主壳体形成为内螺纹管和/或外螺纹管。

图5是根据本实用新型的第三种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图5所示，多个凸肋从主壳体1的内壁面(和/或外壁面)4一体地突出形成，在相邻的两个凸肋中，第一凸肋631垂直于内壁面4凸出，第二凸肋632从内壁面4远离第一凸肋632倾斜突出。

图6是根据本实用新型的第四种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图6所示，多个凸肋64从主壳体1的内壁面(和/或外壁面)4一体地突出形成，凸肋64的横截面具有大致的Y形。

图7是根据本实用新型的第五种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图7所示，多个凸肋65从主壳体1的内壁面(和/或外壁面)4一体地突出形成，凸肋65的横截面具有大致的T形。

图8是根据本实用新型的第六种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图8所示，多个凸肋66从主壳体1的内壁面(和/或外壁面)4一体地突出形成，相邻的两个所述凸肋66的横截面相对于所述内壁面和外壁面朝向同一方向弯曲。

图9是根据本实用新型的第七种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图9所示，多个所述凸肋67分别在所述主壳体1的内壁面(和/或外壁面)4的轴向方向和径向方向延伸。

在上述实施例的堆芯补水箱中，通过设置具有凸肋形状的换热促进结构，可以增加流体的扰动(改变流体的流向)，从而增大流体的传热系数，提高换热能力。

进一步地，通过设置具有凸肋形状的换热促进结构，在保持主壳体1的强度的同时，可以减小主壳体的壁的厚度。例如，可以在外壁面4上通过设置肋片、烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理和化学方法 形成一层凹凸结构或者多孔结构，或采用机械加工方法在外壁面4上造成多孔结构凹凸结构或。在发生事故的情况下，主壳体的外壁面直接暴露于用做第二冷却介质的富含蒸汽的湿空气或者冷却水内，堆芯补水箱100外壁面通过蒸发换热或对流换热的方式与第二冷却介质进行热交换。通过减小主壳体的壁厚，在压力容器承压能力不变的条件，采用更高强度的材料或者通过将主壳体设计成分列式，在有效减小设备壁厚的同时，在相同的容积条件下，还可以增加换热面积，从而促进与主壳体外部的换热能力。这样，可以降低外壁面的温度，增大冷凝液膜温差。

图10是根据本实用新型的第八种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图10所示，换热促进结构包括安装在内壁面和外壁面4中的至少一个上的多个多孔管68，每个多孔管68中设有至少一个通孔681。

图11是根据本实用新型的第九种示例性实施例的换热促进结构的局部剖视图。如图11所示，换热促进结构包括安装在内壁面和外壁面4中的至少一个中的形成多个沿通道69，每个通道69中设有至少一个与外部连通的通孔691。这样，也可以减小主壳体1的壁厚，增加换热面积。

图12是根据本实用新型的第二种示例性实施例的用于核电站的堆芯补水箱的轴向剖视图。如图12所示，所述主壳体1内设有上支撑板11和下支撑板12，所述上支撑板11和下支撑板12之间设有多个换热管13，所述上支撑板11和下支撑板12上形成多个通孔(未示出)，以使得第一冷却介质10穿过所述上支撑板11和下支撑板12。

在该实施例中，通过设置多个换热管13，如在相同的容积下，相应地减少了主壳体1内部允许第一冷却介质流动的有效截面积，提高了流体的流速，使第一冷却介质的边界层厚度减薄，从而提高换热系数。

图13是根据本实用新型的第三种示例性实施例的用于核电站的堆芯补水箱的主壳体的轴向剖视图；以及图14是沿图13中A-A线的径向剖视图。如图13和14所示，第三种实施例的主壳体1’包括设有所述入口2’的上壳体15和设有出口3’的下壳体16，所述上壳体15和下壳体16之间通过多个换热管17连通，使得从入口2’进入上壳体16的第一冷却介质10通过换热管17流到下壳体17。进一步地，上壳体15和下壳体16的相对的壁设置成圆形的支撑板18，所述支撑板18上形成多个通孔19，所述通孔19与换热管17分别连通。通过设置多个换热管17，如在相同的容积下，相应地减少了主壳体1’内部允许第一冷却介质流动的有效截面积，提高了流体的流速，使第一冷却介质的边界层厚度减薄，从而提高换热系数。

根据本实用新型上述实施例的堆芯补水箱，通过增强堆芯补水箱的换热能力，使得进入堆芯补水箱的热流体通过对流换热或导热将热量传递到堆芯补水箱的冷壁面(外壁面)，温度上升的冷壁面又会将热量传递到堆芯补水箱外部的大气、水蒸气或者水中，从而将一回路的热量带到最终热阱，同时，还可以降低堆芯补水箱内部液体的温度，提高自然循环的驱动力，提高安全注水流量。

当堆芯补水箱内的液位下降之后，液面以下的流体通过对流或导热与堆芯补水箱内壁面进行换热，然后将热量传导到外界；进入堆芯补水箱液面以上的空间的一回路蒸汽可在壁面冷凝，通过设计内壁面的结构，使冷凝后的热量载到最终热阱，若大量的冷凝则会显著减小堆芯补水箱内液位的下降速度，进而延迟自动降压系统的开启，为事故缓解操作提供更长的时间。

本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合，从而在解决本实用新型的技术问题的基础上，实现更多种高温容器。

在详细说明本实用新型的较佳实施例之后，熟悉本领域的技术人员可清楚的了解，在不脱离随附权利要求的保护范围与精神下可进行各种变化与改变，且本实用新型亦不受限于说明书中所举示例性实施例的实施方式。应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本实用新型的范围。

Claims (12)

1.一种用于核电站的堆芯补水箱，其特征在于，包括：用于容纳第一冷却介质的封闭的主壳体，所述主壳体的顶端设有与堆芯的冷却剂系统的冷管连通的入口，所述主壳体的底端设有与直接堆芯注入管线连通的出口，所述主壳体的内壁面和外壁面中的至少一个上设有多个换热促进结构，以促进所述主壳体内的第一冷却介质与主壳体的外部的换热。

2.如权利要求1所述的堆芯补水箱，其特征在于，还包括外部壳体，所述主壳体设置在所述外部壳体中，所述外部壳体内容纳有第二冷却介质，以对所述主壳体进行冷却。

3.如权利要求1所述的堆芯补水箱，其特征在于，所述换热促进结构包括一体地形成在所述主壳体的内壁面和外壁面中的至少一个上的多个凸肋。

4.如权利要求3所述的堆芯补水箱，其特征在于，所述凸肋依次连接成螺旋形状。

5.如权利要求3所述的堆芯补水箱，其特征在于，所述凸肋的横截面具有Y形。

6.如权利要求3所述的堆芯补水箱，其特征在于，所述凸肋的横截面具有T形。

7.如权利要求3所述的堆芯补水箱，其特征在于，相邻的两个所述凸肋的横截面相对于所述内壁面和外壁面朝向同一方向弯曲。

8.如权利要求3所述的堆芯补水箱，其特征在于，多个所述凸肋分别在所述主壳体的轴向方向和径向方向延伸。

9.如权利要求1所述的堆芯补水箱，其特征在于，所述换热促进结构包括安装在所述内壁面和外壁面中的至少一个上的多孔管。

10.如权利要求1-9中的任一项所述的堆芯补水箱，其特征在于，所述主壳体内设有上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和下支撑板之间设有多个换热管，所述上支撑板和下支撑板上形成多个通孔，以使得第一冷却介质穿过所述上支撑板和下支撑板。

11.如权利要求1-9中的任一项所述的堆芯补水箱，其特征在于，所述主壳体包括设有所述入口的上壳体和设有所述出口的下壳体，所述上壳体和下壳体通过多个换热管连通。

12.如权利要求11所述的堆芯补水箱，其特征在于，所述上壳体和下壳体的相对的壁设置成圆形的支撑板，所述支撑板上形成多个通孔，所述通孔与换热管分别连通。