反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统及运行方法
【专利摘要】本发明公开了反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于：包括贴附在压力容器下封头上的压力容器下封头余热换热器、设置在冷却环境中的辐射换热器，压力容器下封头余热换热器通过工质回流管道与辐射换热器内部连通，压力容器下封头余热换热器还通过工质蒸汽上升管道与辐射换热器内部连通，压力容器下封头余热换热器还连通有高位工质贮存箱。
【专利说明】
反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统及运行方法
技术领域
[0001]本发明涉及非能动堆芯技术，具体涉及反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统。
【背景技术】
[0002]核反应堆由于其燃料的特殊性，即使在停堆工况下仍然会持续释放余热，如果堆芯余热无法及时导出，将导致堆芯熔化的严重事故工况。而熔化后的堆芯在压力容器下封头内仍然需要导出其释放的热量，否则将导致压力容器下封头失效，大量强放射性物质进入安全壳，进而可能导致安全壳失效，放射性物质进入环境，严重威胁到生命安全。因此，反应堆发展到严重事故堆芯熔化流入压力容器下封头工况时，由于此时环境的极端恶劣，无法期望能动的缓解措施执行其功能，特别需要采用非能系统长期带走堆芯熔融物余热，确保压力容器下封头及安全壳完整性，防止事故继续恶化，包容放射性物质。
[0003]严重事故工况熔融的堆芯进入压力容器下封头后，将导致压力容器下封头温度急剧升高，较高的温差将导致较强的热传导能力，同时，高温物体的辐射换热能力非常强。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于提供反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，通过在压力容器下封头外设置核反应堆严重事故下非能动堆芯熔融物余热排出系统，在熔融的堆芯进入压力容器下封头后加热传热工质(如汞)，工质蒸发或沸腾变成蒸汽，将堆芯熔融物余热带出安全壳，在安全壳外利用辐射换热将热量传递给环境，工质冷凝为液态依靠重力流回压力容器下封头，最终将堆芯熔融物余热长期稳定导出。
[0005]本发明的实现方案如下:反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，包括贴附在压力容器下封头上的压力容器下封头余热换热器、设置在冷却环境中的辐射换热器，辐射换热器通过工质回流管道与压力容器下封头余热换热器连通，压力容器下封头余热换热器还通过工质蒸汽上升管道与辐射换热器内部连通，压力容器下封头余热换热器通过工质注入阀连通高位工质贮存箱。
[0006]本发明的设计原理为:压力容器下封头余热换热器的作用是吸收压力容器下封头的热量，使得压力容器下封头余热换热器内的工质由液相转为气相，工质蒸汽上升管道的作用于是引导气相的工质上升，并导流到达辐射换热器，辐射换热器的作用是与外部环境进行热交换处理，使得辐射换热器内的气相工质转变为液相工质，而工质回流管道的作用是再将液相工质导流回压力容器下封头余热换热器内，再次吸收热量，使得工质再次由液相转变为气相，该过程可以长期工作，无需借助外部能源，只会依靠压力容器下封头的热量进行工作，只有压力容器下封头的热量不足以驱动时，则压力容器达到安全状态。
[0007]举例说明:
反应堆发展到堆芯熔化的严重事故工况，堆芯出口流体温度达到设计定值(如650°C)时，操纵员将高位工质贮存箱内的工质(如汞)注入到压力容器下封头余热换热器内(可通过开启高位工质贮存箱的工质注入阀从而注入工质)，依靠高位工质贮存箱与压力容器下封头余热换热器间的位差，向非能动堆芯熔融物余热排出系统注入循环工质。一旦堆芯熔融物进入压力容器下封头，将导致下封头外表面温度急剧升高，下封头依靠热传导将熔融物余热传递给压力容器下封头余热换热器内的工质，工质吸热蒸发为蒸汽，通过工质蒸汽上升管道上升流出安全壳，采用辐射换热器依靠辐射换热的方式将热量传递给环境，同时工质由蒸汽冷凝为液体并通过流入工质回流管道，依靠重力流入到压力容器下封头余热换热器(压力容器下封头底部外侧)继续冷却压力容器下封头，以此循环长期带走堆芯熔融物余热。
[0008]优选的，为了防止液相工质从工质蒸汽上升管道回流，所述工质蒸汽上升管道进入到辐射换热器内部的一端高于工质回流管道进入到辐射换热器内部的一端。
[0009]优选的，压力容器下封头余热换热器与高位工质贮存箱之间的连接管上设置有工质注入阀。
[0010]所述辐射换热器为上表面呈弧形的散热空腔结构，辐射换热器下底面方向上，工质蒸汽上升管道延伸到散热空腔结构的内部，且工质蒸汽上升管道进入到散热空腔结构的端面高于散热空腔结构的下底面的最低点，工质回流管道进入到散热空腔结构的端面应低于或等于散热空腔结构的下底面的最低点。
[0011]所述散热空腔结构包括上下设置的弧形的上底板和下底板，工质蒸汽上升管道穿过下底板进入散热空腔结构的内部。
[0012]所述压力容器下封头余热换热器内部工质直接接触压力容器外表面，换热面为压力容器外表面。
[0013]所述工质回流管道进入到压力容器下封头余热换热器内部的一端低于工质蒸汽上升管道进入到压力容器下封头余热换热器的一端。
[0014]高位工质贮存箱所在高度大于压力容器下封头余热换热器的所在高度。
[0015]反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统的运行方法，包括所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，当堆芯的出口流体温度达到设计定值时，打开工质注入阀，工质流入压力容器下封头余热换热器，压力容器下封头余热换热器与辐射换热器内的工质构成非能动带热循环，将堆芯余热导出到环境。
[0016]所述散热空腔结构包括上下设置的弧形的上底板和下底板，还包括设置在上底板和下底板之间的围合板，工质蒸汽上升管道穿过下底板进入散热空腔结构的内部。同时，射换热器设置成上述结构，由利用液相工质回流到工质回流管道内，从而使得辐射换热器的辐射面积更大，使得辐射换热器内温差变化大，可以加速气相工质转变为液相工质，从而有利于气相工质的快速上升，液相工质的快速下降，达到快速降温的目的。
[0017]所述辐射换热器为下底面水平放置的散热空腔结构，工质蒸汽上升管道延伸到散热空腔结构的内部，且工质蒸汽上升管道进入到散热空腔结构的端面高于散热空腔结构的下底面，工质回流管道进入到散热空腔结构的端面与散热空腔结构的下底面平行。同时，射换热器设置成上述结构，由利用液相工质回流到工质回流管道内，从而使得辐射换热器的辐射面积更大，使得辐射换热器内温差变化大，可以加速气相工质转变为液相工质，从而有利于气相工质的快速上升，液相工质的快速下降，达到快速降温的目的。
[0018]优选的，高位工质贮存箱所在高度大于压力容器下封头余热换热器的所在高度。按照该结构设置，可以使得高位工质贮存箱的工质依靠重力自动下沉到压力容器下封头余热换热器内。
[0019]本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果:通过在反应堆压力容器下封头设置非能动堆芯熔融物余热排出系统，操纵员可根据反应堆发展到严重事故工况的堆芯出口流体温度等信息，对压力容器下封头外部的压力容器下封头余热换热器注入循环工质，依靠非能动的方式将下封头内的堆芯熔融物余热导出到安全壳外，再由辐射换热器导出到环境。本发明利用工质汽化和冷凝产生的自然驱动力获得循环动力长期导出堆芯熔融物余热，利用辐射换热将热量最终导出到环境，实现核反应堆严重事故工况长期带走堆芯熔融物余热，确保压力容器下封头及安全壳完整性，防止事故继续恶化，具有国际领先的技术水平。
【附图说明】
[0020]附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
[0021]图1为本发明结构示意图。
[0022]图中的附图标记分别表示为:1、工质注入阀，2、压力容器下封头余热换热器，3、工质蒸汽上升管道，4、辐射换热器，5、工质回流管道，6、高位工质贮存箱。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0024]实施例1:
如图1所示，反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:包括贴附在压力容器下封头上的压力容器下封头余热换热器2、设置在冷却环境中的辐射换热器4，压力容器下封头余热换热器2通过工质回流管道5与辐射换热器4内部连通，压力容器下封头余热换热器2还通过工质蒸汽上升管道3与辐射换热器4内部连通，压力容器下封头余热换热器2还连通有高位工质贮存箱6。
[0025]本发明的设计原理为:压力容器下封头余热换热器2的作用是吸收压力容器下封头的热量，使得压力容器下封头余热换热器2内的工质由液相转为气相，工质蒸汽上升管道3的作用于是引导气相的工质上升，并导流到达辐射换热器4，辐射换热器4的作用是与外部环境进行热交换处理，使得辐射换热器4内的气相工质转变为液相工质，而工质回流管道5的作用是再将液相工质导流回压力容器下封头余热换热器2内，再次吸收热量，使得工质再次由液相转变为气相，该过程可以长期工作，无需借助外部能源，只会依靠压力容器下封头的热量进行工作，只要压力容器下封头的热量不足以驱动时，则可以证民压力容器达到安全状态，因此该系统内的工质不需要继续循环交热处理。
[0026]举例说明:
反应堆发展到堆芯熔化的严重事故工况，堆芯出口流体温度达到设计定值(如650°C)时，操纵员将高位工质贮存箱内的工质注入到压力容器下封头余热换热器内(可通过开启高位工质贮存箱的工质注入阀从而注入工质)，依靠高位工质贮存箱与压力容器下封头余热换热器间的位差，向非能动堆芯熔融物余热排出系统注入循环工质(如汞)。一旦堆芯熔融物进入压力容器下封头，将导致下封头外表面温度急剧升高，下封头依靠热传导将熔融物余热传递给压力容器下封头余热换热器内的工质，工质吸热蒸发为蒸汽，通过工质蒸汽上升管道上升流出安全壳，在安全壳外的辐射冷却区内，采用辐射换热器依靠辐射换热的方式将热量传递给环境，同时工质由蒸汽冷凝为液体并通过流入工质回流管道，依靠重力流入到压力容器下封头余热换热器(压力容器下封头底部外侧)继续冷却压力容器下封头，以此循环长期带走堆芯熔融物余热。
[0027]优选的，为了防止液相工质从工质蒸汽上升管道3回流，所述工质蒸汽上升管道3进入到辐射换热器4内部的一端高于工质回流管道5进入到辐射换热器4内部的一端。
[0028]优选的，压力容器下封头余热换热器2与高位工质贮存箱6之间的连接管上设置有工质注入阀I。
[0029]优选的，为了防止液相工质从工质蒸汽上升管道3回流，工质蒸汽上升管道进入到散热空腔结构的端面高于散热空腔结构的下底面的最高点，工质回流管道5进入到散热空腔结构的端面与散热空腔结构的下底面的最低点平行。同时，射换热器4设置成上述结构，有利于液相工质回流到工质回流管道5内，从而使得辐射换热器4的辐射面积更大，使得辐射换热器4内温差变化大，可以加速气相工质转变为液相工质，从而有利于气相工质的快速上升，液相工质的快速下降，达到快速降温的目的。
[0030]所述散热空腔结构包括上下设置的弧形的上底板和弧形的下底板，还包括设置在上底板和下底板之间的围合板，工质蒸汽上升管道穿过下底板进入散热空腔结构的内部。同时，射换热器4设置成上述结构，由利用液相工质回流到工质回流管道5内，从而使得辐射换热器4的辐射面积更大，使得辐射换热器4内温差变化大，可以加速气相工质转变为液相工质，从而有利于气相工质的快速上升，液相工质的快速下降，达到快速降温的目的。
[0031]所述辐射换热器4为下底面水平放置的散热空腔结构，工质蒸汽上升管道延伸到散热空腔结构的内部，且工质蒸汽上升管道进入到散热空腔结构的端面高于散热空腔结构的下底面，工质回流管道5进入到散热空腔结构的端面与散热空腔结构的下底面平行。同时，辐射换热器4设置成上述结构，有利于液相工质回流到工质回流管道5内，从而使得辐射换热器4的辐射面积更大，使得辐射换热器4内温差变化大，可以加速气相工质转变为液相工质，从而有利于气相工质的快速上升，液相工质的快速下降，达到快速降温的目的。
[0032]优选的，高位工质贮存箱所在高度大于压力容器下封头余热换热器的所在高度。按照该结构设置，可以使得高位工质贮存箱的工质依靠重力自动下沉到压力容器下封头余热换热器2内。
[0033]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:包括贴附在压力容器下封头上的压力容器下封头余热换热器(2)、设置在冷却环境中的辐射换热器(4)，辐射换热器(4)通过工质回流管道(5)与压力容器下封头余热换热器(2)连通，压力容器下封头余热换热器(2)还通过工质蒸汽上升管道(3)与辐射换热器(4)内部连通，压力容器下封头余热换热器(2)通过工质注入阀(I)连通高位工质贮存箱(6)。2.根据权利要求1所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:所述工质蒸汽上升管道(3)进入到辐射换热器(4)内部的一端高于工质回流管道(5)进入到辐射换热器(4)内部的一端。3.根据权利要求1所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:压力容器下封头余热换热器(2)与高位工质贮存箱(6)之间的连接管上设置有工质注入阀(I)。4.根据权利要求1所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:所述辐射换热器(4)为上表面呈弧形的散热空腔结构，辐射换热器(4)下底面方向上，工质蒸汽上升管道延伸到散热空腔结构的内部，且工质蒸汽上升管道进入到散热空腔结构的端面高于散热空腔结构的下底面的最低点，工质回流管道(5)进入到散热空腔结构的端面应低于或等于散热空腔结构的下底面的最低点。5.根据权利要求4所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:所述散热空腔结构包括上下设置的弧形的上底板和下底板，工质蒸汽上升管道穿过下底板进入散热空腔结构的内部。6.根据权利要求1所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:所述压力容器下封头余热换热器(2)内部工质直接接触压力容器外表面，换热面为压力容器外表面。7.根据权利要求1所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:所述工质回流管道(5)进入到压力容器下封头余热换热器(2)内部的一端低于工质蒸汽上升管道(3)进入到压力容器下封头余热换热器(2)的一端。8.根据权利要求1至7中任意一项所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，其特征在于:高位工质贮存箱所在高度大于压力容器下封头余热换热器的所在高度。9.反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统的运行方法，包括权利要求1所述的反应堆非能动堆芯熔融物余热排出系统，当堆芯的出口流体温度达到设计定值时，打开工质注入阀(1)，工质流入压力容器下封头余热换热器(2)，压力容器下封头余热换热器(2)与辐射换热器(4)内的工质构成非能动带热循环，将堆芯余热导出到环境。
【文档编号】G21C15/18GK105913883SQ201610521035
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】丁书华, 邓坚, 何晓强, 张渝, 余红星, 钱立波
【申请人】中国核动力研究设计院