WO2014048290A1 - 一种能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统，该系统的结构包括非能动堆腔注水箱（1）和堆腔注水冷却泵（3），非能动堆腔注水箱（1）通过非能动注入管线与反应堆堆腔（2）连接，堆腔注水冷却泵（3）设置在安全壳（5）外部，堆腔注水冷却泵（3）的入口管连接换料水箱（4），堆腔注水冷却泵（3）的出口管线贯穿安全壳（5）与反应堆堆腔（2）连接。该系统作为严重事故对策，以能动和非能动相结合的多冗余及多样性的方式，在事故发生时实现带走堆芯熔融物，排出堆芯热量，防止熔穿的安全功能。

Description

一种能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统 技术领域
本发明属于反应堆设计技术， 具体涉及一种能动与非能动相结合的堆腔注 水冷却系统。 背景技术
在世界各国核电站中， 应对堆芯熔融物的措施分为两种类型： 一种为堆内 滞留 （In- Vesse l Ret ent ion, IVR ), 例如美国 AP1 000堆型， 在严重事故条件 下， 当堆芯熔化不可避免时， 可以通过淹没反应堆堆腔、 冷却压力容器外壁的 方式， 保持压力容器下封头完整性， 从而将熔融堆芯物质滞留在压力容器内。 通过非能动的方式对堆芯熔融物进行冷却， 优点是结构简单造价低（但是不适 用于高功率的核电站）， 而且可以:†巴熔融物限制在压力容器内， 防止了放射性物 质的泄漏， 也保证了安全壳的完整性。 但是由于目前对熔融物的冷却及层化现 象还未充分理解， 失效裕度难以确定， 因此还存在一定的风险。 而且 AP1000的 非能动系统仅适用于非能动安全系统核电厂， 对于能动型专设安全设施的核电 厂， 上述系统很难满足应对全厂断电事故的要求。
另外一种是堆外滞留 ( Ex-Ves sel Retent ion, EVR ), 例如 VVER-1000、 EPR, 法国的 EPR堆型的设计理念是在堆芯熔融物熔穿压力容器后， 引导至扩展空间， 再通过非能动的方式将冷却水引至扩展空间， 对摊薄的堆芯熔融物进行冷却， 其优点是安全性高， 熔融物固化快， 但是所需空间大 、 固化熔融物面积大、 熔 融物冷却时压力高； 而俄罗斯的 WWER型核电机組， 是通过专门的堆芯捕集器对 堆芯熔融物收集并冷却， 通过非能动的方式进行冷却。 由于其特殊的熔融物捕 集装置和冷却方式， 熔融物固化后结构紧凑， 利于后续的分解处理。 而且由于 熔融物一直被限制于热交换器中且与安全壳大气和冷却水的接触面积较小， 因 此减少了裂变产物的泄漏， 安全壳内压力也较低。 但是因为熔融物冷却速率较 低， 因此熔融物的固化时间也较长， 长达数月。 发明内容
本发明的目的在于针对核电站安全设计的需要， 提供一种能动与非能动 相结合的堆腔注水冷却系统， 在核电站发生严重事故工况时， 堆腔注水冷却系 统使含硼水流过堆腔， 带走堆芯熔融物释放出的热量， 降低反应堆压力容器的 温度， 以维持压力容器的完整性。 本发明的技术方案如下： 一种能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 包括非能动堆腔注水箱和堆腔注水冷却泵， 所述的非能动堆腔注水箱通过非能 动注入管线与反应堆堆腔连接， 所述的堆腔注水冷却泵设置在安全壳外部， 堆 腔注水冷却泵的入口管连接换料水箱， 堆腔注水冷却泵的出口管线贯穿安全壳 与反应堆堆腔连接。 进一步， 如上所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其中， 所 述的非能动堆腔注水箱设置在安全壳内部， 与非能动堆腔注水箱连接的非能动 注入管线包括高、 低两根不同管径的注入管线， 两根注入管线合并为一根母管 贯穿到堆腔内部与压力容器保温层相连接。
再进一步， 所述的高、低两根不同管径的注入管线中， 高位管线采用较大 管径，用于在系统投运初期提供大流量的堆腔淹没，低位管线采用较小管径， 用于维持较长时期的堆腔注入流量；每根注入管线上分別设有由蓄电池供电的 直流电动阀和逆止阀。 另外， 非能动堆腔注水箱亦可设置在安全壳外部， 所述的堆腔注水冷却泵 有两台， 与非能动堆腔注水箱连接的非能动注入管线分别与两台堆腔注水冷却 泵的出口管线连接。 进一步， 如上所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其中， 所 述的堆腔注水冷却泵有两台， 两台堆腔注水冷却泵的出口管线分别经过安全壳 隔离阀后贯穿安全壳， 然后合并为一奈母管与所述的非能动注入管线的母管相 连接。 进一步， 如上所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其中， 所 述的与堆腔注水冷却泵的入口管相连接的换料水箱设置在安全壳内部堆芯下方 地坑位置。 进一步， 如上所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其中， 所 述的堆腔注水冷却泵的入口管还与安全壳外消防水源系统相连接。 进一步， 如上所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其中， 当 换料水箱连接低压安注泵时， 所述的堆腔注水冷却泵的入口管与低压安注泵的 入口管相连接。 进一步， 如上所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其中， 所 述的非能动堆腔注水箱为封闭的钢筋混凝土结构， 并设有不锈钢衬里。 进一步， 如上所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其中， 系 统的管道及管件的材料均为奥氏体不锈钢。 本发明的有益效果如下： 本发明的能动部分主要是在恶劣的条件下， 可以 将冷却水强制注入堆腔， 实现强制堆芯熔融物的快速、 长期循环冷却； 非能动 部分在全厂断电的情况下， 依旧可以将冷却水导入堆腔， 实现长期冷却。 通过 本发明所提供的堆腔注水冷却系统， 可以在核电厂发生严重事故后， 防止堆芯 熔融物熔穿压力容器， 最终防止安全壳失效， 有效地降低 LERF值 。 本发明具 有冗余性、 多样性、 占用空间小、 熔融物固化时间短、 可靠性高等特点。 附图说明
图 1为堆腔注水冷却系统的非能动堆腔注水箱置于安全壳内部的实施例 结构示意图。 具体实施方式
本发明提供了一种能动与非能动相结合的方式将冷却水注入堆腔， 对压力 容器内的堆芯熔融物进行冷却， 既可以通过能动、 长期循环的方式将堆芯熔融 物的热量导出， 又可以在全厂断电的情况下， 以非能动的方式实现堆芯熔融物 的长期冷却。 从而防止堆芯熔融物熔穿安全壳底板， 造成核电站最后一道屏障 的失效
该能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统（ CIS )包含堆腔注水冷却泵、 非能动堆腔注水箱， 以及附属阀门和管道设施。 通常情况下， 堆腔注水冷却 泵设置两台， 但不局限于两台； 非能动堆腔注水箱设置一台， 可以设在安全 壳内或安全壳外。
C I S系统的非能动部分包括设在安全壳内 （或外）的非能动堆腔注水箱。 为满足初始的大流量淹没要求及后期的冷却水注入流量要求， 在非能动堆腔 注水箱内设置高、 低两个不同管径的注入管线， 高位管线采用较大管径， 用 于在系统投运初期提供大流量的堆腔淹没， 低位的较小管径的管线用于维持 较长时期的堆腔注入流量， 具体管径的大小可根据反应堆功率以及工程实际 情况进行设计。 为保证非能动堆腔注水的可靠性， 设置了四台并联的直流电 动阀和两台逆止阀作为隔离部件， 在经过上述阀门后， 两根非能动堆腔注水 管线再次合并为一根母管贯穿到堆腔内部与压力容器保温层相连接。 四台并 联的电动阀为由蓄电池供电的直流电机驱动的阀门。
C I S 系统的能动部分主要设备设置在安全壳外， 两台堆腔注水冷却泵的 入口管连接换料水箱。 当换料水箱连接低压安注泵时， 堆腔注水冷却泵的入口 管分別与两列低压安注泵的入口管相连， 以减少安全壳贯穿件的数量， 均从 内置〔或外置）换料水箱取水， 优选的方案中， 换料水箱设置在安全壳内部堆 芯下方地坑位置。 两台堆腔注水冷却泵出口管线在经过安全壳隔离阀后贯穿 安全壳， 再合并为一条母管与堆腔注水非能动部分母管相连接， 此种设计的 目的是减少堆腔混凝土结构的开洞数量， 以保证堆腔土建结构稳定。 每台堆 腔注水冷却泵的入口管还可以与安全壳外消防水源相连。
CI S系统的正常运行是指在发生核电站堆芯严重损毁事故时， CIS投入运行。 核电站正常运行时， C IS系统处在停运备用状态。 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
实施例 1
如图 1 所示， 能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统（CIS ), 包括一台 非能动堆腔注水箱 1和两台堆腔注水冷却泵 3，所述的非能动堆腔注水箱 1通过 非能动注入管线与反应堆堆腔 2连接，所述的堆腔注水冷却泵 3设置在安全壳 5 外部， 堆腔注水冷却泵 3的入口管连接换料水箱 4 , 堆腔注水冷却泵 3的出口管 线贯穿安全壳 5与反应堆堆腔 2连接。 换料水箱 4可以设置在安全壳外或安全 壳内， 优选的方案是将换料水箱设置在堆芯下方地坑位置， 换料水箱位于最低 处， 方便汇集来自安全壳喷淋、 管道破口所带来的水源。
本实施例中， 所述的非能动堆腔注水箱设置在安全壳内部， 与非能动堆腔 注水箱连接的非能动注入管线包括高、 低两根不同管径的注入管线， 两根注入 管线合并为一根母管贯穿到堆腔内部与压力容器保温层相连接。 所述的高、 低 两根不同管径的注入管线中， 高位管线采用较大管径， 用于在系统投运初期提 供大流量的堆腔淹没， 低位管线采用较小管径， 用于维持较长时期的堆腔注 入流量； 每根注入管线上分别设有由蓄电池供电的直流电动阀和逆止阀。
两台堆腔注水冷却泵 3的出口管线分别经过安全壳隔离阀后贯穿安全壳 5 , 然后合并为一条母管与所述的非能动注入管线的母管相连接。 当换料水箱连接 低压安注泵时， 堆腔注水冷却泵的入口管分别与两列低压安注泵的入口管相 连， 以减少安全壳贯穿件的数量， 均从内置 （或外置）换料水箱取水。 堆腔 注水冷却泵 3的入口管同时与安全壳外消防水源系统 6相连接。
所述的非能动堆腔注水箱为封闭的钢筋混凝土结构， 并设有不锈钢衬里。 系统的管道及管件的材料均为奥氏体不锈钢。
在发生堆芯损毁事故后， 堆芯出口温度达到 65 (TC时接到报警， 需要 CIS系 统投入时， 先启动 CIS 系统能动部分， 启动两台堆腔注水冷却泵中的一台， 从 下部的内置（或外置） 换料水箱取水， 形成持续的堆腔注入冷却。 在内置（或 外置） 换料水箱水位暂时不可用时， 则通过临时接管与安全壳厂房内的消防水 管道相连， 作为 CI S 系统的冷却水源。 当内置换料水箱恢复使用时， 可以将与 消防管道的连接断开， 再恢复使用换料水箱内的水源。
在 CIS 系统能动部分投入后， 注入堆腔内的冷却剂流经压力容器表面， 带 走压力容器内堆芯熔融物产生的热量， 从主管道与堆腔之间缝隙流出， 最终汇 至换料水箱， 由堆腔注水冷却泵重新再将冷却剂注入堆腔， 形成可持续的循环 冷却。
如果 CIS系统能动部分不可用 （例如全厂断电， 应急柴油机也不可用）， 操 纵员可以在主控室或者安全壳外就地手动打开由蓄电池供电的直流电动阀， 非 能动堆腔注水箱将冷却水注入到保温层与压力容器之间， 根据堆芯熔融物释热 的变化， 依靠重力保持非能动的堆腔注入。 首先高位大管径管线和低位小管径 管线同时作用将堆腔淹没， 随后低位小管径管线对堆腔进行持续补水， 使压力 容器外壁始终保持淹没在冷却剂中， 防止堆芯熔融物熔穿压力容器。 随着緩解 事故的时间进展， 熔融物释热逐渐降低， 所需冷却水量也逐渐減小， 非能动水 箱液位不断下降， 能够提供的冷却水流量也在逐渐降低， 为满足冷却水流量和 堆腔内冷却水液位的要求， 可能需要为水箱提供额外补水。 由于发生严重事故 后， 安全壳非能动热量导出系统（PCS )也将启动将热量导出安全壳传到最终热 阱大气， 进行降温降压， PCS系统的结构可参见中国专利申请 201210090809. 9。 与此同时， PCS系统将安全壳大气中的蒸汽冷凝后，通过重力非能动地沿 PCS系 统安全壳内热交换器的壁面向下流动收集至非能动堆腔注水箱， 在全厂断电的 情况下可以为水箱非能动的提供补水。 同时维修人 应恢复 CIS 系统能动部分 和安喷系统， 以便形成堆芯熔融物的长期冷却和安全壳内环境的长期降压和冷 却。 CIS系统的能动部分恢复后， 由堆腔注水冷却泵继续将冷却水注入堆腔， 即 使由蓄电池供电的电动阀无法关闭， 但逆止阀可以保证非能动堆腔注水箱不会 被污染。
当严重事故得到緩解， 运行人 判断不再会发生压力容器下封头失效的危 险时 , 由运行人员将上述设备关闭和停运。 实施例 2
本发明还提供了另一种能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统（CIS )的 结构， 与实施例 1 的主要区别在于， 非能动堆腔注水箱设置在安全壳外部， 与 非能动堆腔注水箱连接的非能动注入管线分别与两台堆腔注水冷却泵的出口管 线连接。 作为冷却水源的换料水箱， 也可以采取外置于安全壳的形式。 实施例 1的 C I S系统的投运方式和工作过程与实施例 1中的 C I S系统类 似。 但是， 由于非能动堆腔注水箱置于安全壳外， 无法再通过 PCS系统的蒸汽 冷凝水对非能动堆腔注水箱进行补水， 因此， 可以考虑增加外部的补水管线。 显然， 本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。 这样， 倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其同等技术的范围之内， 则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

权 利 要 求
1.一种能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特征在于： 包括非能 动堆腔注水箱 （1 )和堆腔注水冷却泵 （3 ), 所述的非能动堆腔注水箱 （1 )通 过非能动注入管线与反应堆堆腔（2 )连接， 所述的堆腔注水冷却泵（3 )设置 在安全壳 （5 )外部， 堆腔注水冷却泵 （ 3 ) 的入口管连接换料水箱 〔4 ), 堆腔 注水冷却泵（ 3 ) 的出口管线贯穿安全壳 （ 5 )与反应堆堆腔（ 2 )连接。
2. 如权利要求 1 所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特 征在于： 所述的非能动堆腔注水箱 （1 )设置在安全壳 （5 ) 内部， 与非能动堆 腔注水箱 （1 )连接的非能动注入管线包括高、 低两根不同管径的注入管线， 两 根注入管线合并为一根母管贯穿到堆腔内部与压力容器保温层相连接。
3. 如权利要求 1 所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特 征在于： 非能动堆腔注水箱设置在安全壳外部， 所述的堆腔注水冷却泵有两台， 与非能动堆腔注水箱连接的非能动注入管线分别与两台堆腔注水冷却泵的出口 管线连接。
4. 如权利要求 2 所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特 征在于： 所述的高、 低两根不同管径的注入管线中， 高位管线采用较大管径， 用于在系统投运初期提供大流量的堆腔淹没， 低位管线采用较小管径， 用于 维持较长时期的堆腔注入流量， 每根注入管线上分别设有由蓄电池供电的直流 电动阀和逆止阀。
5. 如权利要求 2 所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特 征在于： 所述的堆腔注水冷却泵（ 3 )有两台， 两台堆腔注水冷却泵的出口管线 分别经过安全壳隔离阀后贯穿安全壳， 然后合并为一条母管与所述的非能动注 入管线的母管相连接。
6. 如权利要求 1 所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特 征在于： 所述的与堆腔注水冷却泵的入口管相连接的换料水箱设置在安全壳内 部堆芯下方地坑位置。
7. 如权利要求 1或 5所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特征在于： 所述的堆腔注水冷却泵（3 ) 的入口管还与安全壳外消防水源系统
( 6 )相连接。
8. 如权利要求 7 所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特 征在于： 当换料水箱连接低压安注泵时， 所述的堆腔注水冷却泵的入口管与低 压安注泵的入口管相连接。
9. 如权利要求 1 所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其特 征在于： 所述的非能动堆腔注水箱为封闭的钢筋混凝土结构， 并设有不锈钢衬 里。
10. 如权利要求 1所述的能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统， 其 特征在于： 系统的管道及管件的材料均为奥氏体不锈钢。
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