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CN111446013A - 一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统及使用方法 - Google Patents

一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统及使用方法 Download PDF

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CN111446013A
CN111446013A CN202010333247.0A CN202010333247A CN111446013A CN 111446013 A CN111446013 A CN 111446013A CN 202010333247 A CN202010333247 A CN 202010333247A CN 111446013 A CN111446013 A CN 111446013A
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刘展
王海涛
刘镝
杨波
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Abstract

本发明公开了一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统及使用方法，包括安全壳(1)、非能动二次侧余排入口管道(2)、入口隔离阀(3)、密闭水箱(4)、非能动二次侧余排出口管道(5)、出口隔离阀(6)和蒸汽发生器(7)；该系统采用非能动的安全设计理念，利用安全壳壁面高效地利用海水使密闭水箱内蒸汽冷凝，依靠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；使得系统设备得到简化，提高系统的安全性和经济性。

Description

一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统及使用方法
技术领域
本发明属于反应堆安全保护领域，具体涉及一种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。一旦蒸汽发生器不可用，则需要考虑配置堆芯余热排出系统，以导出堆芯衰变热，防止堆芯恶化。如丧失主给水事故后，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。
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)。非能动安全系统的应用，使系统处于失效安全状态，提高了系统的安全性，使堆芯熔化的概率降低1至2个数量级。
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。
本发明充分考虑核蒸汽供应系统空间布置的要求，利用海水作为无时限的最终热阱，采用非能动安全的技术理念，在蒸汽发生器二次侧配置非能动余热排出系统，利用系统内流体直接汽化及冷凝的方式带出堆芯余热，并将反应堆带至安全状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统，包括安全壳(1)、非能动二次侧余排入口管道(2)、入口隔离阀(3)、密闭水箱(4)、非能动二次侧余排出口管道(5)、出口隔离阀(6)和蒸汽发生器(7)；
所述入口隔离阀(3)设置于所述非能动二次侧余排入口管道(2)上，所述出口隔离阀(6)设置于所述非能动二次侧余排出口管道(5)上，所述非能动二次侧余排入口管道(2)的一端与所述蒸汽发生器(7)二次侧出口相连，所述非能动二次侧余排入口管道(2)的另一端与所述密闭水箱(4)相连，所述非能动二次侧余排出口管道(5)的一端与所述密闭水箱(4)相连，所述非能动二次侧余排出口管道(5)的另一端与所述蒸汽发生器(7)二次侧入口相连，所述密闭水箱(4)布置于所述安全壳(1)内壁面，所述安全壳(1)部分或全部浸泡于海水中。
优选的，包括安全阀(8)，所述安全阀(8)的一端与所述密闭水箱(4)的顶部相连，所述安全阀(8)的另一端通向安全壳(1)内大气。
优选的，所述密闭水箱(4)在摇摆状态下的底部标高高于所述蒸汽发生器(7)顶部的标高，所述密闭水箱(4)的安全壳壁面外侧在摇摆状态下始终与海水接触。
优选的，所述密闭水箱(4)在系统运行前为非满水或真空状态。
优选的，所述非能动二次侧余排入口管道(2)与所述密闭水箱(4)的顶部相连，所述非能动二次侧余排出口管道(5)与所述密闭水箱(4)的底部相连。
优选的，所述入口隔离阀(3)和所述出口隔离阀(6)为常闭电动隔离阀。
优选的，所述安全壳(1)为钢制安全壳。
本发明还提供了一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统的使用方法，所述入口隔离阀(3)和出口隔离阀(6)同时缓慢开启，所述密闭水箱(4)中的水通过所述非能动二次侧余热排出管道(5)流入到所述蒸汽发生器(7)二次侧入口，所述密闭水箱(4)顶部接收来自经所述非能动二次侧余排入口管道(2)的所述蒸汽发生器(7)产生的蒸汽，蒸汽在所述密闭水箱(4)内冷凝成为液态水；所述密闭水箱(4)内流体的热量通过所述安全壳(1)壁面传递给海水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、采用非能动的安全设计理念，不依赖外部驱动力(如：电源等)，极大地减低系统失效概率，提升系统的安全性；
2、利用安全壳壁面高效地利用海水使密闭水箱内蒸汽冷凝，依靠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；
3、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
图1为本发明系统示意图。
其中：1—安全壳；2—非能动二次侧余排入口管道；3—入口隔离阀；4—密闭水箱；5—非能动二次侧余排出口管道；6—出口隔离阀；7—蒸汽发生器；8—安全阀。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本系统的一个较佳实施例的示意图，包括安全壳1、非能动二次侧余排入口管道2、入口隔离阀3、密闭水箱4、非能动二次侧余排出口管道5、出口隔离阀6和蒸汽发生器7；入口隔离阀3设置于非能动二次侧余排入口管道2上，出口隔离阀6设置于非能动二次侧余排出口管道5上，非能动二次侧余排入口管道2的一端与蒸汽发生器7的二次侧出口相连，非能动二次侧余排入口管道2的另一端与密闭水箱4相连，非能动二次侧余排出口管道5的一端与密闭水箱4相连，非能动二次侧余排出口管道5的另一端与蒸汽发生器7的二次侧入口相连，密闭水箱4布置于安全壳1的内壁面，安全壳1部分或全部浸泡于海水中。
本发明的一个实施例中，密闭水箱4在摇摆状态下的底部标高高于蒸汽发生器7的顶部标高，密闭水箱4的安全壳壁面外侧在摇摆状态下始终与海水接触。非能动二次侧余排入口管道2与密闭水箱4的顶部相连，非能动二次侧余排出口管道5与密闭水箱4的底部相连，以增大冷热源密度差，增大非能动余热排出系统自然循环能力。密闭水箱4在系统运行前为非满水或真空状态，以设有足够的蒸汽空间容纳膨胀后的液体。入口隔离阀3和出口隔离阀6为常闭电动隔离阀，在系统启动时缓慢打开，以防止水锤发生，有利于系统运行。安全壳1采用钢制安全壳，以提高换热系数，增大密闭水箱4内的水与海水的换热能力。为了充分利用密闭水箱4中的水，本实施例还包括一个安全阀8，一端与密闭水箱4的顶部相连，另一端通向安全壳内大气，实现密闭水箱4的超压保护。
以下对本发明的运行原理进行说明。
当蒸汽发生器不可用时，堆芯热量无法经由蒸汽发生器导出，如无热量导出途径，反应堆一回路将不断升温升压，堆芯将不断恶化。因此，配置堆芯余热排出系统尤为必要，福岛事故的教训更证明了这一点。然而，能动系统严重依赖于外部动力，一旦外部动力丧失，该系统将不能再继续工作，对反应堆将构成一种潜在威胁。出于失效安全的设计考虑，采用非能动的设计理念必然成为弥补这一缺陷的有效途径。本发明采用这一非能动的设计理念，在蒸汽发生器不可用的情况下，持续带出堆芯热量，并将反应堆带至安全状态。
反应堆正常运行时，非能动余热排出系统进出口隔离阀处于关闭状态。事故(如丧失主给水事故)发生后，可由非能力二次侧余排触发信号(如丧失主给水事故会触发蒸汽发生器低液位信号)启动非能动二次侧余热排出系统，入口隔离阀和出口隔离阀同时缓慢开启，系统开始投入运行。由于密度差的原因，密闭水箱的水流入到蒸汽发生器二次侧，同时，来自蒸汽发生器的蒸汽通过安全壳内壁面的冷凝以及与液体的直接接触冷凝成为液态水。安全壳部分或全部置于海水中，密闭水箱内流体的热量最终通过安全壳壁面传递给海水，实现堆芯热量的导出。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，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。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，包括安全壳(1)、非能动二次侧余排入口管道(2)、入口隔离阀(3)、密闭水箱(4)、非能动二次侧余排出口管道(5)、出口隔离阀(6)和蒸汽发生器(7)；
所述入口隔离阀(3)设置于所述非能动二次侧余排入口管道(2)上，所述出口隔离阀(6)设置于所述非能动二次侧余排出口管道(5)上，所述非能动二次侧余排入口管道(2)的一端与所述蒸汽发生器(7)二次侧出口相连，所述非能动二次侧余排入口管道(2)的另一端与所述密闭水箱(4)相连，所述非能动二次侧余排出口管道(5)的一端与所述密闭水箱(4)相连，所述非能动二次侧余排出口管道(5)的另一端与所述蒸汽发生器(7)二次侧入口相连，所述密闭水箱(4)布置于所述安全壳(1)内壁面，所述安全壳(1)部分或全部浸泡于海水中。
2.根据权利要求1所述的一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，包括安全阀(8)，所述安全阀(8)的一端与所述密闭水箱(4)的顶部相连，所述安全阀(8)的另一端通向安全壳(1)内大气。
3.根据权利要求1所述的一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述密闭水箱(4)在摇摆状态下的底部标高高于所述蒸汽发生器(7)顶部的标高，所述密闭水箱(4)的安全壳壁面外侧在摇摆状态下始终与海水接触。
4.根据权利要求1所述的一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述密闭水箱(4)在系统运行前为非满水或真空状态。
5.根据权利要求1所述的一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述非能动二次侧余排入口管道(2)与所述密闭水箱(4)的顶部相连，所述非能动二次侧余排出口管道(5)与所述密闭水箱(4)的底部相连。
6.根据权利要求1所述的一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述入口隔离阀(3)和所述出口隔离阀(6)为常闭电动隔离阀。
7.根据权利要求1所述的一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述安全壳(1)为钢制安全壳。
8.一种海洋环境二次侧非能动余热排出系统的使用方法，其特征在于，所述入口隔离阀(3)和所述出口隔离阀(6)同时缓慢开启，所述密闭水箱(4)中的水通过所述非能动二次侧余热排出管道(5)流入到所述蒸汽发生器(7)二次侧入口，所述密闭水箱(4)接收来自经所述非能动二次侧余排入口管道(2)的所述蒸汽发生器(7)产生的蒸汽，蒸汽在所述密闭水箱(4)内冷凝成为液态水；所述密闭水箱(4)内流体的热量通过所述安全壳(1)壁面传递给海水。
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