WO2021213416A1 - 海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统 - Google Patents

海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统 Download PDF

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  • a safety valve is provided on the closed water tank.
  • the elevation of the lowest point at the bottom of the closed water tank is higher than the elevation of the highest point at the top of the steam generator.

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Abstract

一种海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，包括：安全壳(1)，其部分或全部浸泡于海水中；密闭水箱(4)，其设置于安全壳(1)的内壁面，密闭水箱(4)具有水箱入口(41)和水箱出口(42)；以及蒸汽发生器(7)，其置于安全壳(1)内，蒸汽发生器(7)具有蒸汽出口(71)和给水入口(72)；其中，密闭水箱(4)的水箱入口(41)通过第一管道(2)与蒸汽发生器(7)的蒸汽出口(71)连通，密闭水箱(4)的水箱出口(42)通过第二管道(5)与蒸汽发生器(7)的给水入口(72)连通。

Description

海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统 技术领域
本发明涉及反应堆安全保护技术领域，特别是涉及一种海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统。
背景技术
随着我国工业化进程的发展，对海洋资源的开发愈加显得迫切。而海洋开发，尤其是深海资源开发，需要稳定、大容量的电能与热能，由于环境和用途的特殊性，小型堆(电功率小于300MW)核能系统成为海洋开发最具有优势的热、电能源系统。因为小型堆换料周期为2年或更长，可长时间提供充足可靠的电和热，将小型核电、热供应站装载于输送船或移动平台上为不同海域上资源的开发提供电力和海水淡化的热能，具有非常良好的市场前景。此外，小型堆核能系统还可以为海上破冰船和其他船舶提供动力。
同大型核蒸汽供应系统一样，小型堆正常运行时，同样需要通过蒸汽发生器带出堆芯裂变释热，从而保证反应堆正常运行。蒸汽发生器的蒸汽通过顶部蒸汽出口流向汽轮机做功，蒸汽发生器的给水入口通过主给水管道给水。一旦蒸汽发生器丧失主给水事故发生，蒸汽发生器带热能力有限，堆芯释热与蒸汽发生器带热失配，此时如无有效的排热系统，堆芯热量将无法导出，引起堆芯升温恶化甚至发生堆芯熔化。
传统核电厂中采用能动的二次侧余热排出系统带出堆芯衰变热，这一类能动系统严重依赖于外部动力，而一旦外部动力不可用，堆芯余热将无 法持续被带出，如无安全缓解措施，电厂最终将发展为严重事故，甚至造成大量放射性释放危害。通常，余热排出系统配置有管壳式换热器，通过将其内置于大水箱中实现堆芯热量的导出，这在一定程序上增加了系统设备的复杂性；另外过多的设备也占据了一定的空间。当核蒸汽供应系统对空间布置有严格要求的情况下，这种系统配置将很可能无法实现。
福岛事故发生后，非能动技术以其安全性、可靠性、经济性受到越来越多的关注，该技术不依靠外部输入(力、功率或者信号、人工操作)，它们的效果取决于自然物理规律(例如重力、自然对流、热传导等)、固有特性(如材料属性等)，或者系统内的能量(如化学反应、衰变热等)。因此，反应堆配置非能动余热排出系统具有重大的意义和价值。
发明内容
本发明提供一种海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，持续带出反应堆堆芯热量，提高系统的安全性。
本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，包括：安全壳，其部分或全部浸泡于海水中；密闭水箱，其设置于所述安全壳的内壁面，所述密闭水箱具有水箱入口和水箱出口；以及蒸汽发生器，其置于所述安全壳内，所述蒸汽发生器具有蒸汽出口和给水入口；其中，所述密闭水箱的水箱入口通过第一管道与所述蒸汽发生器的蒸汽出口连通，所述密闭水箱的水箱出口通过第二管道与所述蒸汽发生器的给水入口连通。
优选地，所述第一管道上设置有第一隔离阀，所述第二管道上设置有第二隔离阀。
优选地，所述第一隔离阀和第二隔离阀为常闭电动隔离阀。
优选地，所述第一隔离阀和第二隔离阀在接收到开启信号后同时开启。
优选地，所述第一隔离阀开启前，所述密闭水箱为非满水状态。
优选地，所述密闭水箱上设置有安全阀。
优选地，所述水箱入口设置于所述密闭水箱的顶部，所述水箱出口设置于所述密闭水箱的底部。
优选地，所述密闭水箱的底部标高高于所述蒸汽发生器的顶部标高。
优选地，当所述安全壳处于摇摆状态时，所述密闭水箱的底部最低点的标高高于所述蒸汽发生器的顶部最高点的标高。
优选地，所述密闭水箱的顶部的标高低于海水的水面标高。
优选地，所述安全壳为钢制安全壳。
本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，配置在蒸汽发生器二次侧，利用海水使密闭水箱内蒸汽冷凝，依靠流体密度差驱动流体在系统内形成自然循环，带出堆芯余热，将海水作为最终热阱，可提供无时限的堆芯冷却能力。本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，采用非能动的安全设计理念，不依赖外部驱动力，极大地减低系统失效概率，提升系统的安全性；取消了现有技术广泛使用的管壳式换热器，使得系统设备得到简化，有利于海洋环境反应堆的紧凑布置要求，提高系统的安全性和经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅 是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例公开的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统的示意图；
在附图中，附图并未按照实际的比例绘制。
标记说明：
1-安全壳；
2-第一管道；
3-第一隔离阀；
4-密闭水箱；
41-水箱入口；
42-水箱出口；
5-第二管道；
6-第二隔离阀；
7-蒸汽发生器；
71-蒸汽出口；
72-给水入口；
8-安全阀；
100-海水。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本申请的具体结构进行限定。在本申请的描述中，还需要说明的是，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，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
图1为本发明一实施例公开的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统的示意图。
如图1所示，本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统包括安全壳1、密闭水箱4以及蒸汽发生器7，密闭水箱4和蒸汽发生器7都置于安全壳1内，安全壳1用于保护密闭水箱4和蒸汽发生器7等设备不受环境影响而损坏，同时限制事故后安全壳内潜在的放射性气体向外界释放。
密闭水箱4设置于所述安全壳1的内壁面，密闭水箱4具有水箱入口41和水箱出口42。密闭水箱4设置于安全壳1的内壁面，是指密闭水箱4的一侧侧板与安全壳1的内壁面紧贴固定，或者是密闭水箱4的一侧以安全壳1的内壁面为侧板。安全壳1部分或全部浸泡于海水100中，使密闭水箱4内的流体能够与海水100进行热交换。
反应堆(图中未示出)运行时，需要通过蒸汽发生器7带出反应堆堆芯裂变产生的热量从而对反应堆进行释热。蒸汽发生器7具有蒸汽出口71和给水入口72，蒸汽发生器7吸热产生的蒸汽从蒸汽出口71排出，给水入口72用于给蒸汽发生器7提供热量交换需要的冷却水。
密闭水箱4的水箱入口41通过第一管道2与蒸汽发生器7的蒸汽出口71连通，密闭水箱4的水箱出口42通过第二管道5与蒸汽发生器7的给水入口72连通。蒸汽发生器7产生的蒸汽通过第一管道2进入到密闭水箱4，蒸汽与密闭水箱4内壁以及密闭水箱4内的液态水直接接触冷凝成为液态水，密闭水箱4内的流体(包括液态水和蒸汽)的热量通过安全壳1的内壁面向其外壁面传导，并与海水100进行换热，实现反应堆堆芯热量的导出。密闭水箱4内的液态水通过第二管道5流回到蒸汽发生器7内，避免蒸汽发生器7内给水不足。
本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，利用安全壳1壁面高效地与海水100换热，使密闭水箱4内蒸汽冷凝，依靠流体密度差驱动流体在系统内形成自然循环，带出堆芯余热，将海水作为最终热阱，可提供无时限的堆芯冷却能力。
在本发明的一个实施例中，第一管道2上设置有第一隔离阀3，用于控制蒸汽发生器7向密闭水箱4输送蒸汽的开启和关闭，第二管道5上设置有第二隔离阀6，用于控制密闭水箱4向蒸汽发生器7输送液态水。
在本发明的一个实施例中，第一隔离阀3和第二隔离阀6为常闭电动隔离阀。本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，配置在蒸汽发生器7二次侧，在反应堆正常运行时，第一隔离阀3和第二隔离阀6处于关闭状态，本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统处于备用状态。此时，蒸汽发生器7的蒸汽通过顶部蒸汽出口71流向汽轮机 (图中未示出)做功，蒸汽发生器7的给水入口72通过主给水管道(图中未示出)给水，形成主排出系统。当发生事故时，一旦主排出系统不可用，例如丧失主给水事故发生后，第一隔离阀3和第二隔离阀6会接收到开启信号，第一隔离阀3和第二隔离阀6同时开启，本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统开始运行。第一隔离阀3和第二隔离阀6同时开启，能够保证系统正常运行。第一隔离阀3和第二隔离阀6会接收的开启信号，可以是蒸汽发生器7内液位检测机构检测到的液位低于设定值后发出的触发信号，也可以是反应堆(图中未示出)一回路系统温度高于设定值发出的触发信号。
第一隔离阀3和第二隔离阀6为常闭电动隔离阀，一方面能够保证在反应堆正常运行时，第一隔离阀3和第二隔离阀6处于常闭状态，另一方面，采用电动隔离阀，可以设置隔离阀的打开快慢，方便实现第一隔离阀3和第二隔离阀6的缓慢打开，以防止水锤发生，有利于系统稳定运行。
在本发明的一个实施例中，在第一隔离阀3开启前，密闭水箱4为非满水状态。当第一隔离阀3开启后，蒸汽发生器7过来的蒸汽会使密闭水箱4中的水遇热后蒸发膨胀，此时密闭水箱4为非满水状态可以在密闭水箱4中有空间容纳膨胀后的流体。
在本发明的一个实施例中，密闭水箱4上设置有安全阀8，用于密闭水箱4的超压保护，当密闭水箱4内的压力超过设定压力时，安全阀8打开泄压。安全阀8可以设置在密闭水箱4的顶部。
在本发明的一个实施例中，水箱入口41设置于密闭水箱4的顶部，水箱出口42设置于密闭水箱4的底部。这样可以增大冷热源密度差，增大系统自然循环能力。
在本发明的一个实施例中，密闭水箱4的底部标高高于蒸汽发生器7的顶部标高，使密闭水箱4内的液态水能够在重力作用下流到蒸汽发生器7内。
进一步地，当安全壳1处于摇摆状态时，密闭水箱4的底部最低点的标高高于蒸汽发生器7的顶部最高点的标高。当安全壳1位于海水100中摇摆时，确保密闭水箱4内的液态水都能够在重力作用下流到蒸汽发生器7内。
在本发明的一个实施例中，密闭水箱4的顶部的标高低于海水100的水面标高，使密闭水箱4内的流体始终能够与海水100进行热交换。
在本发明的一个实施例中，安全壳1为钢制安全壳，采用钢制安全壳能够提高安全壳1的换热系数，增大密闭水箱4内的流体与海水100的换热能力。
本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，在反应堆正常运行时，第一隔离阀3和第二隔离阀6处于关闭状态，本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统处于备用状态。当发生事故时，例如丧失主给水事故发生后，第一隔离阀3和第二隔离阀6会接收到开启信号后同时开启，本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统开始运行。蒸汽发生器7产生的蒸汽通过第一管道2进入到密闭水箱4，蒸汽与密闭水箱4内壁以及密闭水箱4内的液态水直接接触冷凝成为液态水，密闭水箱4内的流体的热量通过安全壳1的内壁面向其外壁面传导，并与海水100进行换热，实现堆芯热量的导出。由于流体密度差的原因，密闭水箱4内的液态水通过第二管道5流回到蒸汽发生器7内。事故过程中，随着系统持续带热以及堆芯衰变热的降低，系统带热能力最终与堆芯衰变热 匹配，反应堆堆芯不再可能发生更严重的事故。由于海水的容量极大，利用海水作为最终热阱可为反应堆堆芯提供无时限的冷源。
本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，配置在蒸汽发生器7二次侧，利用海水100使密闭水箱4内蒸汽冷凝，依靠流体密度差驱动流体在系统内形成自然循环，带出反应堆堆芯余热，将海水作为最终热阱，可提供无时限的堆芯冷却能力。本发明的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，采用非能动的安全设计理念，不依赖外部驱动力，极大地减低系统失效概率，提升系统的安全性；取消了现有技术广泛使用的管壳式换热器，使得系统设备得到简化，有利于海洋环境反应堆的紧凑布置要求，提高系统的安全性和经济性。
虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

  1. 一种海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，包括：
    安全壳，其部分或全部浸泡于海水中；
    密闭水箱，其设置于所述安全壳的内壁面，所述密闭水箱具有水箱入口和水箱出口；以及
    蒸汽发生器，其置于所述安全壳内，所述蒸汽发生器具有蒸汽出口和给水入口；
    其中，所述密闭水箱的水箱入口通过第一管道与所述蒸汽发生器的蒸汽出口连通，所述密闭水箱的水箱出口通过第二管道与所述蒸汽发生器的给水入口连通。
  2. 根据权利要求1所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述第一管道上设置有第一隔离阀，所述第二管道上设置有第二隔离阀。
  3. 根据权利要求2所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述第一隔离阀和第二隔离阀为常闭电动隔离阀。
  4. 根据权利要求2所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述第一隔离阀和第二隔离阀在接收到开启信号后同时开启。
  5. 根据权利要求2所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述第一隔离阀开启前，所述密闭水箱为非满水状态。
  6. 根据权利要求1所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述密闭水箱上设置有安全阀。
  7. 根据权利要求1所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述水箱入口设置于所述密闭水箱的顶部，所述水箱出口设置于所述密闭水箱的底部。
  8. 根据权利要求1所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述密闭水箱的底部标高高于所述蒸汽发生器的顶部标高。
  9. 根据权利要求8所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，当所述安全壳处于摇摆状态时，所述密闭水箱的底部最低点的标高高于所述蒸汽发生器的顶部最高点的标高。
  10. 根据权利要求1所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述密闭水箱的顶部的标高低于海水的水面标高。
  11. 根据权利要求1所述的海洋环境反应堆二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述安全壳为钢制安全壳。
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