CN1080773A - 分段减压系统 - Google Patents

Abstract

具有一个反应堆压力壳置于安全壳中的核反应 堆，被分阶段使用在流体交换过程中与冷却剂回路相 联的一些减压阀门而减压。在安全壳内其水能被排 入安全壳贮液池里的换料贮水箱中，至少浸着一只喷 雾器，在一个或几个阀门与安全壳内部之间连通。减 压阀门分阶段被打开，最好是在冷却剂水平逐渐降低 的状态下，以及为了逐渐扩大流程以便通过一批平行 的阀门而施行减压的情况下才打开。各个阀门能与 安全壳内的一个加压箱联在一起，与反应堆的冷却剂 出口相联。

Description

本发明涉及一个能减小压水核反应堆中的压力从而在低压状态下添加补充冷却剂的系统。更详细地说，本发明为那些打开主堆冷却剂回路的热管段与安全壳内更换燃料用水储存箱之间流程的喷雾器提供一套阀门连接装置。该阀门系统可分阶段地快速减压，而不会使反应堆各管道的液压负荷突然加大。

包括喷雾器的排汽道的减压系统用于沸水反应堆中，使其受到超压保护，从而用一个低压泵而不是高压泵就能添加冷却剂。开始减压时，联接着冷却剂回路与喷雾器的一个或多个阀门就打开了。喷雾器带有一些例如在大气压状态下浸在一箱水当中的小喷嘴，一起构成一些管道，阀门打开时，蒸汽就从喷雾器喷嘴里喷入该水箱中，冷却剂在水中冷凝，最终就减轻了冷却剂回路中的压力。

在常规的沸水反应堆减压过程中，目的不在于使冷却剂的压力减低的大气压，而仅仅是将该压力减低到各个水泵足以把水注入冷却剂回路的程度。喷嘴要把压力减到100至200磅/英寸²左右，使水从压力相对较低的水泵中注入。

压水反应堆基本上在冷却剂压力下运行。就是功率水平不高的压水反应堆中的冷却剂，温度也可能在华氏600度（摄氏330度）左右。反应堆压力壳中的工作冷却压，可能是2，250磅/英寸²（150巴）。

在各种情况下把水加入反应堆的冷却剂回路，才可能符合需要。当反应堆运行时，由于以压力释放这样故意的方式产生的泄漏，或通过冷却剂回路中的小口子所产生并非严重缺陷的泄漏，冷却剂的水平可能会略微降低，最终就要求添加冷却剂。当冷却剂发生事故严重流失时，冷却剂回路严重的断裂，就能使大量冷却剂流入安全壳中。减压系统应该恰当地对付任何突发事变，使充足的冷却剂得以添加进去，以符合冷却核燃料的基本要求。

在高压状态下的冷却剂回路或水箱与喷雾器这样的低压出口之间突然被连接时，就会在各个管道上和整个冷却剂回路上产生严重的热力负荷和液压负荷。而且，由于回路中的冷却剂与各个出口（即喷雾器喷嘴）之间很高的压差，会使起初联结着冷却剂回路与压力释放喷雾器的装置，产生巨大的冷却剂流失。由于这两个原因，在减压时，反应堆可能受损害。除了由于热应力和液压应力可能在各个管道中产生故障之外，冷却剂流失也会使得残留的冷却剂可能不足以持续冷却核燃料，从而加大危险。因此需要有一促减压系统，以比较平缓地逐步释放压力，最大限度地减轻应力并保存冷却剂。

在核反应堆安全系统中也要最大限度地减轻对水泵这样的活性元件的依赖性，才会人称心。在美国专利第4，753，771号中，康韦（Conway）等展示了一套安全系统，就是用高压和低压来补充水，以辅佐冷却剂。低压补水有一个处于大气压（即安全壳内的压力）状态的水箱，该水置于安全壳内，高于冷却剂回路，并通过一个止回阀与冷却剂回路相联接。在发生泄漏时高压补水箱短时供水，不需减压。有时高压供水耗尽，就必需减小反应堆冷却系统的压力，使低压补水装置中更大量的水补加进去。在相对低的正压力（由于贮水箱的液压落差引起）状态下，甚至在大气压状态下，会发生这种补加。

根据本发明归为其中一部分的西屋（Westinghorse）电气公司的AP600型反应堆的设计，高压补水箱装有的水可供水20分钟。在紧急情况下冷却剂回路减压之后，在安全壳内处于大气压状态下的一个自动排水箱供水约10个小时。当该箱中的水完全排入安全壳内，安全壳内充水的程度，便冷凝在安全壳内壁上的水可以重新循环流动。自动排水箱的装有充足的水，当箱中的水完全排入安全壳，安全壳中充水的高度产生充足的液压落差，把水挤入反应堆（它的位置低于安全壳）中。水在反应堆中沸腾，从而使堆芯冷却。减压系统把沸水中的蒸汽排入安全壳中。蒸汽冷凝在安全壳内壁上，又变为水冷却反应堆。

减压分阶段发生。首先，通向浸在水中那些喷雾器的相对较小的管道由阀门打开。然后，相对较大的管道由另一些阀门打开，这些大管道也通向喷雾器。最后一个阶段，冷却系统最终直接与安全壳联通。

本发明的一个目的是为核反应堆提供一个减压系统，使压力能够迅速减轻，但不产生严重的热力负荷和液压负荷。

本发明还有一个目的，就是在反应堆冷却剂回路中保存有效的冷却剂。

本发明的第三个目的，是为减轻核反应堆的压力提供一系列分阶段运行的阀门，特别是提供沿着一排逐渐增大和/或者更直接的流程而设的分段阀门，尤其是当压力降低时就有一系列管道直径和/或者喷嘴尺寸，用于逐渐扩大冷却剂回路与各个喷雾器之间的联接。

本发明的第四个目的，是提供分段阀门使其在最后阶段运行中，为了有效地把冷却剂中的蒸汽排到被核燃料加热了的冷却剂近旁，把冷却剂热管段与安全壳联接起来。

这些目的和其它目的，在带有置于安全壳中的反应堆压力壳、并使用一些在液体交换过程中联结冷却剂回路的减压阀门来分阶段减轻压力的核反应堆中，得以实现。至少有一个浸于安全壳内那个能把水排进安全壳贮液池的换料贮水箱中的喷雾器，使一个或多个阀门与安全壳的内部连通。减压阀门分阶段打开，最好在压力逐渐降低的状态下，逐渐扩大流程而通过若干平行的阀门以便实现减压。降压的程序，可通过监测高压补水槽中冷却剂的水平来了解，并可用于操作分阶段阀门。各个阀门可安全壳中的一个加压箱连接，并与反应堆的一个冷却剂出口联结起来。至少有一个在最低压力状态下能开启的减压阀，直接把冷却剂回路与安全壳连接起来。反应堆压力壳置于安全壳中敞开的贮液池中，另一个阀门，把敞开的贮液池与一条为了给冷却剂回路加水而把换料贮水箱和冷却剂回路连接着的管道连接起来，从而，安全壳中的水就能从敞开的贮液池中得到补充。

下面结合附图来说明本发明的具体内容。不过，应当明白，本发明不限于图中所示的各项精确的装置和手段，其中：

图1是一张表示依据本发明的一个带有分阶段减压系统的核反应堆略图。

图2是更详细表示该减压系统的略图。

图3是一个核反应堆装置的纵剖视图，表示反应堆压力壳和几个水箱的情况。

图4是依据图3那个反应堆装置而作的横剖视图。

在图1中，核反应堆22中有两个补充流失的冷却剂的来源。一个高压补水箱32通过阀门组34连接着冷却剂进口即冷管段38与反应堆压力壳的注入进口42。但是，高压补水箱32的容积有限。更大量的冷却用水，在排汽道52产生的大气压状态下，可从换料贮水箱（IRWST）50得到，排汽道52开口于水箱50，通向安全壳55的内部。阀门56和止回阀门组58用于把换料贮水箱50当中的水排入冷却剂回路62。另一些止回阀门和/或者电动机操作的阀门组64用于从安全壳内部的贮液池68中回收水。但是，这些阀门58和阀门64要求反应堆充分减压，以便使冷却剂注入。

根据图1和图2所示的本发明具体内容，核反应堆22由于在若干阶段的减压过程中使冷却剂回路通入安全壳55而被减压。例如，由于通过喷雾器84而联结在冷却剂回路62与安全壳55内部之间的阀门组82打开，由于在每条支线上的阀门组82的各个阀门在高压补水箱122相继较低的水平状态下被打开并且最好被联结在沿着管道86的各条平行支线上，开头的三个阶段就得以实现，阀门打开的程度随着各阶段连续进展而逐渐增大。减压的最后一个阶段由于直接把冷却剂回路62联结进安全壳55的一个阀门92打开而实现。其目的是尽快可行地把压力减小为大气压，从而在安全壳55中周围压力下靠重力就能把冷却剂加进冷却剂回路中，同时防止严重的热力负荷和液压负荷，防止冷却剂过度流失以及其它危险的效应。在每种情况下，出于安全起见最好沿着每条管道的支线为每个阀门装置设置两个串联的阀门。这两个阀门通常是同时被操作，因此就简单地把这种阀门组说成阀门。

分段减压有助于减轻热力负荷和液压负荷，无意中也减轻了减压系统96的危险。最初，相对小的减压流程开通，继而该流程逐步增大。这一过程当减压达到设定值随之较大的流程并通时就实现，也可在每个流程的阀门组82和92定时打开时而实现。

图1和图2是减压系统96和反应堆22的简图，图3和图4是具体结构。在各张图中使用了同样的参考数码来标记相同的元件。

减压系统96，在有一个置于安全壳55中的反应堆压力壳46，一个联接着反应堆压力壳46的进口管道102和一个出口管道104的核反应堆22当中减轻压力。至少有一个蒸汽发生器110联结在出口104和进口102之间提取有用的动力，典型的情况是驱动一台发电机。反应堆压力壳46、进口管道102、出口管道104和蒸汽发生器联结在一起，限定一条冷却剂重复循环的通道或管道，其中被核燃料加热了的水在压力作用下循环。

多个减压阀门82和92在液体交换过程中与冷却剂回路62联结，至少有一个喷雾器84在液体交换过程中与安全壳55一个内部联结。阀门组82和92配备有调控装置和/或者几个操作器，用于连续打开减压器阀门82和92以实现减压。当其它一些阀门或阀门组分阶段打开时，冷却剂回路62与安全壳55内部之间的联结就扩大了。同时，冷却剂回路62当中的压力减小。减压阀门82和92接到压力感应阀调控器发出的驱动信号就能连续打开，或者最好，在包括与高压补水箱相连的传感器122在内的各个水平感应调控器操作下打并，以及当逐渐达到较低水平的设定值时每个或每组减压阀门82和92连续打开。

最好把一个加压箱130装于安全壳55之内，加压箱130有一个被管道134联结着反应堆冷却剂出口104的底封头132，在此也称其为冷却剂回路62的热管段。压水箱130的顶盖142与至少一个减压阀82相联。如图1所示，用于较高水平开启阶段的减压阀82，通过一个喷雾器84，即在水箱中浸没点打开的一个液体出口与安全壳55的内部联接。该喷雾器有一些孔114浸没于一只水箱50即安全壳内换料贮水箱之中。水箱50通向安全壳55的内部，即水箱50可以处于大气压状态下。最好使水箱50配备有合适的阀门152，使之通过重力，往反应堆压力壳46和冷却剂回路62和/或者安全壳底部的贮液池68当中之一处或几处排水，从而在发生冷却剂流失这类事故时，冷却堆芯。由于用于较高水平阶段的减压阀82通入换料贮水箱50以及该水箱50通入安全壳55，这样的配置就使反应堆冷却剂回路62的压力进入了安全壳55。

由于阀门82和92在压力逐渐减轻的状态下打开，减压阀82和92就通过逐渐扩大的管道162和164与安全壳相连。因此，由于冷却剂回路62的压力减小时其它管道162和164打开，不仅使冷却剂回路62与安全壳55之间的联接加大。另外，设定打开阶段的流程大小也大于前一个打开阶段的流程开通程序。结果，冷却剂压力逐渐而又迅速地减小。为了使变化更加平缓，可用电机操作减压阀82和92，或换用其它方式使其在一段时间从完全打开变为接近完全打开，从而使通过减压阀82和92的峰值流量受限制。

至少有一个减压阀92或一组减压阀92构成减压的最后阶段，即该阀门或该阀门组在高压补水箱处于最低水平时打开。阀门（组）92由管道164直接联接在冷却剂回路62与安全壳55之间。这个最后阶段最好在反应堆的冷却剂出口104（冷却剂回路的热管段）与安全壳55之间打开一条流路。

减压阀82和92最好包括一些平行的阀门支线162，把冷却剂回路62与浸在水箱50中的喷雾器84，或通过管道164与安全壳55联接起来，这样就与逐渐扩大的管道162和164相联以便排泄压力，而且这些阀门在高压补水箱32显示出逐渐降低的压力状态下就能打开。

用于沸水反应堆中的喷雾器，是为了减轻冷却剂回路中的压力但又不使压力变成安全壳中的大气压，这种喷雾器一般置于水下17英尺处，形成大的反压。此外，流动阻力形成另一股反压。根据本发明，喷雾器84也浸在水中。但是，本发明的减压系统96除了经过喷雾器84而通入安全壳55之外，还在减压的最后阶段直接通入安全壳55。

第一个阶段，使联接着反应堆22的冷却剂出口104的加压箱130与喷雾器84之间连通，此阶段有一个较小的管道尺寸，这样，减压开始时就减轻冷却剂回路62最初的震动。接着几个阶段用较大的管道尺寸。另外，可以用一种缓慢打开阀82和92的方式缓冲减压的影响。第一个阶段最好使阀门82把管道162的内径开启到4英寸（10厘米），完全打开约20秒;第二和第三阶段，阀门82把各条管道打开8英寸（20厘米），完全打开约90秒。阀门缓慢打开的方式，在阀门打开时减少峰值流量，从而保存冷却剂。随着各个阀门打开以及逐渐扩大管道尺寸的其它阶段的阀门连续打开，处于被减压的冷却系统62与安全壳55之间的联接，就逐渐缓慢增大了。

上述管道尺寸是作示范，最适用于容量为600兆瓦的反应堆。要适应其它容量的反应堆，可把尺寸比例增大或缩小。同样，阶段划分的数目也可与本文推荐内容所示者有所不同。

最后一个阶段，即详细内容所示的第四个阶段，冷却剂回路62直接通入安全壳55。在第四个阶段，阀门92最好使管道164打开为12英寸（30厘米）。因此，此最后阶段的阀门或阀门组92及管道配置164，在多方面不同于前三个阶段。第四个阶段的冷却剂回路62的热管段104（即反应堆输出端）直接联入安全壳55，而不经过加压箱130和/或者水下的喷雾器84。虽然在液体交换过程中，反应堆的安全壳55与热管段104在所有阶段都联接着，但是在管道较小和/或者经过加压箱130和喷雾器84而联接的各个阶段，由于其中内在的流量限制而有一股特有的反压。第四个即最后一个阶段，基本上有效地把冷却剂回路62降低到存在于安全壳55中那种大气压状态。

冷却剂回路62的热管段104（即反应堆出口）是冷却水在该回路中最热的地方。在运行的情况下该热管段中的水温约华氏600度（摄氏330度）。从蒸汽发生器110沿着冷管段38返回的水温约华氏550度（摄氏290度）。尽管水在其最高温时被减压系统排出，但是反应堆冷却剂在制冷时更有效地被用上了。水和蒸汽都可以排放。第一阶段刚开始，该系统就把水从热管段104中抽出来排进加压箱130中，接着又从该系统中抽出来排进安全壳55中。虽然加压箱130是个相当大的水箱，经过加压箱130的液流即使还通过喷雾器84，也不足以把加压器130的全部内容物带到换料贮水箱50中。这样，加压箱130中的就产生了一股在减压的前三个阶段限制着液流的反压。这样，前三个阶段就具有第四个阶段没有的各种反压特性。这些特性包括换料贮箱50当中高于喷雾器84那些水的液压落差、加压箱130中水的高度，以及比起最后阶段的管道164管道162较小的尺寸所引起的线性流动阻力。

施行各个阶段减压的减压阀门，以及/或者配备来打开这些阀门的操作器，都能针对减压时所期望这些阀门打开所用的差压而加以选择。特别是在减压的最后阶段，这些阀门和/或者操作器，最好只在低于预定的差压时才能开启，从而最大限度地减少最后阶段过早开始的可能性。

反应堆22的热管段104当中的蒸汽和水在第四个阶段被直接排放时，通过一个充分大的口子进行，该口子限定的热管段104在反应堆压力壳46与通过第四阶段的管道164和阀门92而排放的地方之间只存在很小的流动阻力。这样，第四阶段热管段104与安全壳55的直接联系，以及热管段104和第四阶段管道164的较大直接就使反应堆压力壳46和冷却剂回路62两者的压力充分降至安全壳55中周围大气压的状态。当然，反应堆压力壳46中的压力最重要，因为减压的目的是靠低压手段，尤其是靠安全壳内换料贮水箱50的重力，使水能够排进反应堆当中。

在各个阶段的每个阶段，最好都有些阀门82和92串联着。这两种串联的阀门一般都关闭着。有了两个串联的阀门就最大限度地减少泄漏，并且使任何哪个阶段都不可能在无意中开启或一直开启，每个阶段中，通过调控器172发出的驱动信号，就能把这两种阀门打开。前三个阶段可以用电机调控的阀门82，用电机或齿轮传动达到上文讨论的定时开启。这些阀门82最好以电池为动力。第四个阶段可用另一类阀门，以防止共态故障，从而增加可靠性。例如，第四阶段的阀门92可由一个专用气缸的气压开动。另一种方式是，第四阶段的阀门92被极迅速地开启。说到其它多余的东西，在具有不止一个蒸汽发生器回路的反应堆中，可把一只阀门和不同类型的操作器，与从反应堆压力壳46中伸出来的多条热管段104的每一条连接，从而避免共态故障的发生。

在反应堆的蒸汽发生器中有两条环路的情况下，可把加压器130及其第一阶段的一些阀门82与一条热管段联接，最后（即第四）阶段的阀门92可与另一条热管段联接。通过该加压器把开头几个阶段与最后阶段直接相联，在开头几个阶段流量就受到限制，该加压器的管线波动会比较小。

参看图3和图4，每条冷却剂环路都被部分地封闭于一个有混凝土壁177的冷却剂环路室175中。第四阶段能通入各个冷却剂环路室175。混凝土壁177为工作人员提供屏蔽，在设备运行时工作人员不能留在冷却剂环路室175的范围内，因为那里的辐射水平高。但是，这也有个缺点，因为在冷却环路室中装置着一些设备，例如联接着环路以监测温度和流量的仪器，以及用于反应堆冷却泵的电气连接装置。由于减压阀92放水可能沾湿这些设备，因此在设备随着减压而重新开动之前需作一些清洗。

另一个办法是使第四阶段能与换料腔181（见图3和图4）的一个出口联接。换料腔181是一个内衬不锈钢的槽子，用于换料运行时盛装液体，它是引导第四阶段输出的便利场所。

经过前三个阶段的减压，就能在第四阶段开始之前，把冷却剂回路62中的压力减到约50磅/英寸²。在第四阶段，一条相对较大的管道164开通至安全壳，就把冷却剂回路62降为低压，而不产生大的排放力和流速。根据反应堆压力壳46中的沸腾程度，最小的压力可能还是高于大气压，不过，分段减压有效地把压力减低到可以在大气压状态下从换料箱中提取冷却剂来添加的程度。充足的水保存在换料贮水箱中，仅其重力压头就能克服这种剩余的压力。

图中所示实施例的另一个特征是，在常规的设备运行条件下，在每个阶段，各个阀门82和92都能被一一打开然后又关上，这证明了阀门82和92是合理运行的。如图2所示，多个小电磁阀192可装置在几条通向喷雾器84的测试支线194当中，在压力已减小的条件下进行三个阶段的测试时，这些电磁阀可用于把每个成串联接的阀门隔离开。压力条件已降低，因为测试管道196由一些内径小（0.75英寸，即2厘米）的管道组成。在低差压状态下所做的测试减小了使阀门泄漏成为测试结果的可能性。

在前三个阶段，两个测试阀门192可以隔离并测试前三个阶段中6个阀门当中任何一个。用于第四阶段测试相似的处理如图3所示。与第四阶段的测试相关的是，做测试就要配备一个这种测试阀，因为第四阶段的阀门都是用来在较低压力状态下而不是在装备运行的一般压力状态下运行的。

测试阀可在要换料停机而冷却下来时使用，以便对自动减压系统及其各个阀门进行比较严格的测试。例如，可在400至600磅/英寸²（表压）的中等压力状态下进行测试。要做这种测试，可这样来处理测试阀门192;即操作选中的测试阀门192，使沿着减压路线的每只测试过的阀门82或92在差压大的状态下打开。例如，可把每对阀门中在下流的那只测试阀打开因而通向喷雾器，来测试上流那只减压阀。还可把这对阀门中上游那只测试阀打开使下游那只减压阀升高压力，来测试下游那只减压阀。在这两种情况下，进行测试时测试系统的管道尺寸小就会限制流量，还会减轻对于下游换料贮水箱的冲击，减轻安全壳内的大气压，尤其是会使辐射维持在可以接受的水平。另一种可能，是为液流确定除了排往换料贮水箱50之外又一种适宜的排放方式。

Claims (10)

1、一个用于有一个置于安全壳(55)中的反应堆压力壳(46)和由进口与出口(104)管道相联着该反应堆压力壳(46)而限定一条冷却剂回路(62)的核反应堆(22)的减压系统(96)，该减压系统(96)的特征是：

许多减压阀门(82，92)在液体交换过程中与该冷却剂回路(62)相联；

至少一个喷雾器(84)在液体交换过程中与安全壳(55)的内部连接，该喷雾器(84)在液体交换过程中与至少一个上述减压阀门(82)相联；

连续打开减压阀门以施行减压的装置，使得冷却剂回路(62)中的压力减小时，该冷却剂回路(62)与安全壳(55)之间的联接增大。

2、依据权利要求1的减压系统（96），其特征为：连续打开减压阀门（82，92）的装置包括感应冷却剂水平（L）的几个阀门调控器，可用于在逐渐降低的水平设定值状态下连续打开减压阀门（82，92）。

3、依据权利要求1的减压系统（96），其特征为：上述喷雾器（84）浸没于一箱（50）水中，该箱（50）的水通入安全壳（55）内部。

4、依据权利要求3的减压系统（96），其中的水箱（50）是一只安全壳内的换料贮水箱，其特征是还包括把该箱（50）水排空，使之进入内装反应堆（22）的安全壳（55）中的贮液池（68）里的装置。

5、依据权利要求4的减压系统（96），其特征为：上述多个减压阀门（82，92）通过一些管道（86，162，164）与安全壳（55）相连，这些管道为了使减压阀门（82）在逐渐降低水平的状态下打开，为了冷却剂回路（62）与安全壳（55）之间的联接在冷却剂回路的水平降低时增大，就逐渐扩大。

6、依据权利要求1的减压系统（96），其特征为：至少有一个上述减压阀门（92）在压力最低的状态下打开，并直接联接在冷却剂回路（62）与安全壳（55）之间。

7、依据权利要求3的减压系统（96），其特征为：多个减压阀门（82，92）包括许多联接在冷却剂回路（62）与至少一个上述浸于水箱（50）中的喷雾器之间的平行的减压阀门（82），这些平行减压阀门（82）中的每一个阀门，都联接着一条逐渐扩大的管道（86，162）并且能在逐渐降低水平的状态下打开，其中的水箱（50）是一只安全壳内的换料贮水箱，还包括，把水箱（50）中的水排空，使之进入内装反应堆（22）的安全壳（55）中的贮液池（68）里的装置（56，58）。

8、依据权利要求2的减压系统（96），其特征为反应堆（22）包括一个联接着冷却剂回路（62）的高压补水箱（32）;以及与用于连续打开减压阀门（82，92）的水平感应阀门调控器（172）结合，感应高压补水箱（32）中冷却剂的水平（L）的装置（122）。

9、依据权利要求1的减压系统（96），其特征为：减压阀门（82，92）为了至少在两个分别的阶段能够打开而使用不同形式的操作器，从而当一种形式的操作器失灵的共态故障发生时，减压能够进行。

10、依据权利要求1的减压系统（96），其特征是包括多个能与至少一些减压阀门（82，92）串联的测试阀门（192），这些测试阀门（912）沿着管道（194，196）联结起来确定各条受限制的流程，从而在反应堆运行和停堆的状态下，减压阀门（82，92）能够在压力受限和流量受限其中之一为特征的条件下，得到测试。

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