CN218568437U - 一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，包括：冷却池，所述冷却池具有容纳冷却液的容纳腔室，所述容纳腔室内安装有配置为浸没在冷却液中的冷却装置，所述冷却装置的一端与地下核反应堆的余热排出端连接；换热装置，所述换热装置的放热端配置为埋于地下岩石中，所述换热装置与所述冷却装置的另一端连接；其中，地下核反应堆的余热排出端、所述冷却池以及所述换热装置三者的安装位置关系为依次增高。通过将地下核反应堆的余热排出端、所述冷却池以及所述换热装置三者的安装位置关系限定为依次增高，可实现自然循环温差驱动条件下的非能动余热排出，无需外界能量提供即可导出地下核反应堆的余热，增加了安全性。

Description

一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统

技术领域

本实用新型属于小型地下核反应堆余热排出领域，特别的是涉及一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统。

背景技术

地下核工程在国防事业中具有重要战略地位，地下核反应堆工程不仅要确保安全性，而且要保证其隐蔽性。

目前三代压水堆ACP1000非能动余热排出系统，工作原理为核反应堆停堆时，二次侧蒸汽发生器产生的饱和蒸汽通过内置于换热水箱中的换热器冷凝后返回至二次侧，并将余热热量传递给换热水箱。改进型压水堆AC600非能动余热排出系统采用空冷方式，空气冷却器将蒸汽发生器传送的热量最终排放至大气中。目前反应堆非能动余热排出系统的最终热阱一般都是冷却水箱或空气冷却塔，而这两种方法都存在弊端。冷却水箱会随着水池水温升高而导致换热功率的降低，且水池热容量有限，容易发生沸腾导致水池水量减少，液位降低，造成换热管道的裸漏，使传热恶化。空气冷却塔占地面积较大，将热量直接排放到大气中容易被红外设备探测到，此方法不能满足隐蔽性要求。

因此，如何设计出一种安全稳定的地下核反应堆非能动余热排出系统，满足隐蔽性要求，成为亟待解决的问题。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，通过将地下核反应堆的余热排出端、所述冷却池以及所述换热装置三者的安装位置关系限定为依次增高，可实现自然循环温差驱动条件下的非能动余热排出，无需外界能量提供即可导出地下核反应堆的余热，增加了安全性。

本实用新型系统是通过下述技术方案实现的：

一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，包括：

冷却池，所述冷却池具有容纳冷却液的容纳腔室，所述容纳腔室内安装有配置为浸没在冷却液中的冷却装置，所述冷却装置的一端与地下核反应堆的余热排出端连接；

换热装置，所述换热装置的放热端配置为埋于地下岩石中，所述换热装置与所述冷却装置的另一端连接；

其中，地下核反应堆的余热排出端、所述冷却池以及所述换热装置三者的安装位置关系为依次增高。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述冷却装置包括配置为浸没在冷却液中沿竖直方向延伸的第一冷却器和第二冷却器。所述第一冷却器的第一入口和第一出口与地下核反应堆的余热排出端连接，其中，所述第一入口的安装位置高于余热排出端的出口的安装位置，所述第一出口的安装位置高于余热排出端的回流口的安装位置。所述第二冷却器的第二入口和第二出口与所述换热装置连接，其中，所述第二入口的安装位置低于所述换热装置的出口的安装位置，所述第二出口的安装位置低于所述换热装置的入口的安装位置。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述第一入口与余热排出端的出口之间的连接管路上设置有用于控制流体通断的第一阀门；所述第二入口与所述换热装置的出口之间的连接管路上设置有用于控制流体通断的第二阀门。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述第一冷却器和/或所述第二冷却器为C型换热管。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述第一冷却器的安装位置低于所述第二冷却器的安装位置。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述换热装置的入口的安装位置高于所述换热装置的出口的安装位置。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述换热装置竖直地埋于地下岩石中。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述冷却池中还设置多个有浸没在冷却液中的相变单元，所述相变单元配置为通过相变材料相变时潜热的吸收过程实现热能的存储以延缓所述冷却池中冷却液温度的升高速率。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述相变单元包括：相变部，设置有相变材料；和封堵部，设置有封堵材料，用于封堵所述相变部的相变材料。

根据本实用新型所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，优选地，所述余热排出端位于安全壳中，所述冷却装置通过穿透所述安全壳的管道与地下核反应堆的余热排出端连接。

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本实用新型将换热装置的放热端配置为埋于地下岩石中，以地下岩石为最终热阱，将地下核反应堆余热排出至岩体中，而深层岩体的温度变化对地表温度的影响不足以被红外设备探测出来，从而满足了地下核工程红外隐蔽要求。

2、本实用新型通过将地下核反应堆的余热排出端、所述冷却池以及所述换热装置三者的安装位置关系限定为依次增高，可实现自然循环温差驱动条件下的非能动余热排出，无需外界能量提供即可导出地下核反应堆的余热，增加了安全性。

3、本实用新型在冷却池中增加相变单元，利用相变材料相变时潜热的吸收过程实现热能的存储，以延缓冷却池中冷却液温度的升高速率，在不增加冷却池容积的基础上，增加了冷却池的热容量。

4、本实用新型利用冷却池将冷却液与岩体隔离开来，降低了冷却液可能存在放射性物质扩散至岩体中的风险。

5、本实用新型的换热装置竖直地埋于地下岩石中，占地面积小，流动阻力小、换热效率高。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本实用新型一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统的示意图；

图中：1、蒸汽发生器；2、蒸发管；3、第一冷却器；4、冷凝管；5、相变单元；6、第二冷却器；7、冷却池；8、上升管；9、换热装置；10、下降管；11、安全壳；12、第一阀门；13、第二阀门。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1是本实用新型示例性实施方式提供的一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统的示意图。图1中箭头表示系统中流体的流动方向。本实用新型以小型地下核反应堆工程为背景，利用冷却池耦合埋地排热系统，将小型地下核反应堆停堆产生的余热转移至远端岩体和土壤中，以避免红外仪器的探测，提升小型地下核反应堆的安全性和隐蔽性。

如图1所示，地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统用于将地下核反应堆的余热排出端的余热排出，在本实用新型的示例中，地下核反应堆的余热排出端可以为一蒸汽发生器1，蒸汽发生器1具有将蒸汽排出的出口和接收回流液的回流口。余热排出系统包括冷却池7和换热装置9。

所述冷却池7具有容纳冷却液的容纳腔室，所述容纳腔室内安装有配置为浸没在冷却液中的冷却装置，所述冷却装置的一端与地下核反应堆的余热排出端连接。作为示例，冷却池7中的冷却液为水。冷却装置用于吸收蒸汽发生器1所排出的蒸汽的热量使蒸汽冷凝为液体再回流至蒸汽发生器1中。可以理解的是，冷却装置吸收的热量转移至容纳在冷却池7的冷却液中，上述过程构成一个循环回路，将地下核反应堆的余热转移至冷却池7的冷却液中，参照图1左侧的箭头回路。

所述换热装置9的放热端配置为埋于地下岩石中，所述换热装置9与所述冷却装置的另一端连接。换热装置9用于吸收冷却装置中的热量将其传输至地下岩石中以使冷却装置能够重新吸收蒸汽发生器1所排出的蒸汽的热量。这样即实现了将蒸汽发生器1所排出的蒸汽的热量转移至地下岩石中的目的。上述的过程构成另一个循环回路，将余热进一步转移至换热装置9中，并由换热装置9排出至岩体中，参照图1右侧的箭头回路。这样以地下岩石为最终热阱，将地下核反应堆余热排出至岩体中，而深层岩体的温度变化对地表温度的影响不足以被红外设备探测出来，从而满足了地下核工程红外隐蔽要求。

本实用新型将地下核反应堆的余热排出端(蒸汽发生器1)、所述冷却池7以及所述换热装置9三者的安装位置关系为依次增高。这样可实现自然循环温差驱动条件下的非能动余热排出，无需外界能量提供即可导出地下核反应堆的余热，增加了安全性。

在一些实施方式中，冷却装置包括配置为浸没在冷却液中沿竖直方向延伸的第一冷却器3和第二冷却器6。

所述第一冷却器3的第一入口和第一出口与地下核反应堆的余热排出端连接，其中，所述第一入口的安装位置高于余热排出端的出口的安装位置，所述第一出口的安装位置高于余热排出端的回流口的安装位置。

具体而言，第一冷却器3的第一入口与蒸汽发生器1的出口通过蒸发管2连接，第一冷却器3的第一出口与蒸汽发生器1的回流口通过冷凝管4连接。可选地，蒸发管2上还设置有用于控制流体通断的第一阀门12。第一入口的安装位置高于蒸汽发生器1的出口的安装位置，以使温度较高的蒸汽能够在无动力的情况下向上浮动进入第一冷却器3，所述第一出口的安装位置高于蒸汽发生器1的回流口的安装位置，以使第一冷凝器中的冷凝液能够在无动力的情况下向下流动回流至蒸汽发生器1中。

此外，蒸汽发生器1位于安全壳11中，蒸发管2和冷凝管4均穿透所述安全壳11连接蒸汽发生器1和第一冷却器3。

所述第二冷却器6的第二入口和第二出口与所述换热装置9连接，其中，所述第二入口的安装位置低于所述换热装置9的出口的安装位置，所述第二出口的安装位置低于所述换热装置9的入口的安装位置。

具体而言，第二冷却器6的第二入口与换热装置9的出口之间通过下降管10连接，第二冷却器6的第二出口与换热装置9的入口之间通过上升管8连接。可选地，下降管10上还设置有用于控制流体通断的第二阀门13。

所述第二出口的安装位置低于所述换热装置9的入口的安装位置，以使第二冷却器6中的温度较高的液体能够在无动力的情况下通过上升管8流动到掩埋于岩体中的换热装置9中，所述第二入口的安装位置低于所述换热装置9的出口的安装位置，以使换热装置9中的温度较低的液体能够在无动力的情况下通过下降管10向下流动回流至第二冷却器6中。

作为示例，所述第一冷却器3和/或所述第二冷却器6为C型换热管。通过在C形换热管内蒸汽介质冷凝过程来完成非能动余热的排出,可以确保地下核反应堆设备安全可靠的完成指定功能。

在一些实施方式中，所述第一冷却器3的安装位置低于所述第二冷却器6的安装位置。这样可以保证热流体在密度差的作用下向上运动，使得第二冷却器6能够将位于较高位置且具有较高温度的冷却液的热量及时地转移并排出至岩体中。可选地，第一冷却器3和第二冷却器6为沿竖直方向延伸设置的。第一冷却器3可以安装在靠近冷却池7的底部位置，第二冷却器6安装在靠近冷却池7的顶部位置。

在一些实施方式中，所述换热装置9竖直地埋于地下岩石中。岩体是极好的环境热阱，换热装置9竖直地深埋于地下，对环境的影响很小。可选地，换热装置9为竖直埋地管换热器，其将余热转移至深层岩体中，不会导致浅表地层的温度升高，可以避免红外设备的探测，保证地下核工程的隐蔽性。

在一些实施方式中，所述冷却池7中还设置多个有浸没在冷却液中的相变单元5，所述相变单元5配置为通过相变材料相变时潜热的吸收过程实现热能的存储以延缓所述冷却池7中冷却液温度的升高速率。作为示例，相变单元5包括相变部和封堵部。相变部设置有相变材料；封堵部设置有封堵材料，用于封堵所述相变部的相变材料。

上述方案中，通过设置相变单元5，可以在不增加冷却池7容积的基础上，增加了冷却池7的热容量，并通过相变材料融化吸热延缓了冷却池7冷却液温度上升的速率。

此外，通过设置冷却池7将地下核反应堆的余热排出端于远端排热端隔开，也可以避免可能存在的放射性物质扩散的风险。

冷却池7中容纳的冷却液可以为水，也可以为本领域所熟知的其他材料，对此本实用新型不做限制。

下面参照图1以冷却池7中的冷却液为水详细描述地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统的工作过程。

当地下核反应堆停止工作时，第一阀门12和第二阀门13打开，此地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统启动工作。由于蒸汽发生器1位置低于冷却池7，蒸汽发生器1中产生的蒸汽温度高于冷却池7中水的温度。在重力与浮升力作用下，蒸汽通过蒸汽管2流动至冷却池7中的第一冷却器3中，并通过第一冷却器3与冷却池7中的水进行换热后，冷凝变成液体再通过冷凝管4流回蒸汽发生器1中，如此完成一个非能动自然循环，把地下核反应堆的余热从蒸汽发生器1转移至冷却池7的水中。

与此同时，所述的冷却池7包含相变单元5，相变单元5潜热储存热能，延缓了水池温度上升的速率。所述的相变单元5为相变材料与封装材料的组合。冷却池7的位置低于换热装置9的位置。冷却池7中水的度温高于换热装置9中水的温度，第二冷却器6中的水通过上升管8流动到掩埋于岩体中的换热装置9中，水与岩体通过此换热装置9进行换热，从而把余热转移排出至岩体中。此过程也为温差驱动的自然循环，最终完成余热的排出。岩体是很好的环境热阱，排出的余热不会导致浅表地层温度升高，从而避免了红外设备的探测。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。

Claims (10)

1.一种地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，包括：

冷却池，所述冷却池具有容纳冷却液的容纳腔室，所述容纳腔室内安装有配置为浸没在冷却液中的冷却装置，所述冷却装置的一端与地下核反应堆的余热排出端连接；和

换热装置，所述换热装置的放热端配置为埋于地下岩石中，所述换热装置与所述冷却装置的另一端连接；

其中，地下核反应堆的余热排出端、所述冷却池以及所述换热装置三者的安装位置关系为依次增高。

2.根据权利要求1所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述冷却装置包括配置为浸没在冷却液中沿竖直方向延伸的第一冷却器和第二冷却器；

所述第一冷却器的第一入口和第一出口与地下核反应堆的余热排出端连接，其中，所述第一入口的安装位置高于余热排出端的出口的安装位置，所述第一出口的安装位置高于余热排出端的回流口的安装位置；以及

所述第二冷却器的第二入口和第二出口与所述换热装置连接，其中，所述第二入口的安装位置低于所述换热装置的出口的安装位置，所述第二出口的安装位置低于所述换热装置的入口的安装位置。

3.根据权利要求2所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述第一入口与余热排出端的出口之间的连接管路上设置有用于控制流体通断的第一阀门；以及

所述第二入口与所述换热装置的出口之间的连接管路上设置有用于控制流体通断的第二阀门。

4.根据权利要求2所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述第一冷却器和/或所述第二冷却器为C型换热管。

5.根据权利要求2所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述第一冷却器的安装位置低于所述第二冷却器的安装位置。

6.根据权利要求2所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述换热装置的入口的安装位置高于所述换热装置的出口的安装位置。

7.根据权利要求5所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述换热装置竖直地埋于地下岩石中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述冷却池中还设置多个有浸没在冷却液中的相变单元，所述相变单元配置为通过相变材料相变时潜热的吸收过程实现热能的存储以延缓所述冷却池中冷却液温度的升高速率。

9.根据权利要求8所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述相变单元包括：

相变部，设置有相变材料；和

封堵部，设置有封堵材料，用于封堵所述相变部的相变材料。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的地下核反应堆非能动埋地管余热排出系统，其特征在于，

所述余热排出端位于安全壳中，所述冷却装置通过穿透所述安全壳的管道与地下核反应堆的余热排出端连接。

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