安全壳冷却系统的制作方法

本发明涉及核反应堆安全技术领域，更具体地，涉及一种安全壳冷却系统。

背景技术：

核能反应堆与常规能源存在很大差别之一在于，即使在核能反应堆完全停止运行后，在较长的一段时间内仍然产生数量不容忽视的热量，一旦热量不能及时导出，严重时将会导致核燃料融化，从而引发大量放射性物质的释放。目前已投入运行的商用大型先进核反应堆单堆功率较大，其安全壳内部热量能否及时导出直接关系核安全，已成为关注度极高的安全问题。为了实现反应堆余热的安全导出，新一代核电技术ap/cap系列核电站采用了先进的非能动安全系统，其衰变热排放至钢制安全壳内，72小时内由非能动pcs系统导出。

在现有核电站成熟设计基础上，不大幅改变设备结构等固化技术，如何延长72小时不干预时间，增加pcs系统换热能力，对进一步提升核电安全性是一个重大技术突破点。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明提出一种安全壳冷却系统，该安全壳冷却系统对现有设备改动少，换热效果好。

根据本发明实施例的安全壳冷却系统，包括：混凝土安全壳，所述混凝土安全壳内限定有腔室，所述混凝土安全壳具有与所述腔室导通的进风口和出风口；钢制安全壳，所述钢制安全壳设在所述腔室内，所述钢制安全壳的外壁面与所述混凝土安全壳的内壁面之间形成导通所述进风口和所述出风口的冷却风道；冷却液分配装置，所述冷却液分配装置邻近所述钢制安全壳设置以向所述钢制安全壳的外壁面喷洒冷却液；截流件，所述截流件设在所述钢制安全壳的至少一部分外壁面上以延长所述冷却液与所述钢制安全壳的外壁面的接触时间。

根据本发明实施例的安全壳冷却系统，通过在混凝土安全壳上设置进风口和出风口，可以在钢制安全壳的外壁面与混凝土安全壳的内壁面之间限定出冷却风道，在钢制安全壳的外壁面的至少一部分上设置截流件，截流件可以在一定程度上减缓冷却液流动的速度，从而延长冷却液与钢制安全壳的外壁面接触的时间，有利于冷却液气化，在对现有设备改动较小的情况下，可以有效增强换热效果。

另外，根据本发明实施例的安全壳冷却系统，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述钢制安全壳包括：下部安全壳，所述下部安全壳大致形成为柱状，所述下部安全壳的上端敞开；上部安全壳，所述上部安全壳大致形成为弧形，所述上部安全壳设在所述下部安全壳上方并封闭所述下部安全壳的上端，所述冷却液分配装置位于所述上部安全壳上方。

根据本发明的一个实施例，所述上部安全壳和所述下部安全壳的外壁面上分别设有所述截流件。

根据本发明的一个实施例，所述截流件完全覆盖所述上部安全壳和所述下部安全壳的外壁面。

根据本发明的一个实施例，所述截流件形成为金属筛网。

根据本发明的一个实施例，所述金属筛网具有多个沿纵向和横向依次排列的筛孔，所述筛孔的孔径为1-4mm。

根据本发明的一个实施例，所述金属筛网的目数为4-20目。

根据本发明的一个实施例，每个所述筛孔分别形成为四边形。

根据本发明的一个实施例，每个所述筛孔分别形成为矩形。

根据本发明的一个实施例，所述金属筛网的制备材料为选自铜、镍、钛、不锈钢及其合金中的任意一种。

根据本发明的一个实施例，所述冷却液分配装置的出液口位于所述上部安全壳中部，所述出液口形成为开口向下的喇叭形。

根据本发明的一个实施例，所述出液口的下端与所述上部安全壳的外壁面之间间隔开10-20mm。

根据本发明的一个实施例，所述下部安全壳的外壁面上设有沿其周向延伸的挡水板，所述挡水板的下端与所述下部安全壳的外壁面相连限定出开口向上的集水槽，所述挡水板的下端设有邻近所述下部安全壳的外壁面的多个出水孔。

根据本发明的一个实施例，所述挡水板设在所述下部安全壳的上部。

根据本发明的一个实施例，所述挡水板的上端向上延伸超出所述下部安全壳的上端。

根据本发明的一个实施例，多个所述出水孔沿所述下部安全壳的周向间隔开均匀分部。

根据本发明的一个实施例，所述进风口设在所述混凝土安全壳的下部，所述进风口设在所述混凝土安全壳的顶部。

根据本发明的一个实施例，所述进风口内设有低阻过滤器。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的安全壳冷却系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的安全壳冷却系统的钢制安全壳的俯视图；

图3是根据本发明实施例的安全壳冷却系统的截流件的结构示意图。

附图标记：

安全壳冷却系统100；

混凝土安全壳10；腔室11；进风口12；出风口13；冷却风道14；

钢制安全壳20；上部安全壳21；下部安全壳22；挡水板23；出水孔231；集水槽24；

冷却液分配装置30；出液口31；

截流件40；筛孔41；

低阻过滤器50。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的安全壳冷却系统100。

如图1至图3所示，根据本发明实施例的安全壳冷却系统100包括混凝土安全壳10、钢制安全壳20、冷却液分配装置30和截流件40。

具体而言，混凝土安全壳10内限定有腔室11，混凝土安全壳10具有与腔室11导通的进风口12和出风口13。钢制安全壳20设在腔室11内，钢制安全壳20的外壁面与混凝土安全壳10的内壁面之间形成导通进风口12和出风口13的冷却风道14。冷却液分配装置30邻近钢制安全壳20设置以向钢制安全壳20的外壁面喷洒冷却液，截流件40设在钢制安全壳20的至少一部分外壁面上以延长冷却液与钢制安全壳20的外壁面的接触时间。

换言之，根据本发明实施例的安全壳冷却系统100主要由混凝土安全壳10、钢制安全壳20、冷却液分配装置30和截流件40等部分构成，其中，混凝土安全壳10上设有进风口12和出风口13，钢制安全壳20设在混凝土安全壳10内，并且与混凝土安全壳10之间限定出冷却风道14，进风口12和出风口13分别与冷却风道14导通，从进风口12进入腔室11的冷空气与钢制安全壳20的外壁面进行换热之后，从出风口13排出，带走一部分钢制安全壳20的热量。

钢制安全壳20内则设有反应堆堆芯等其他结构，这些结构对于本领域技术人员来说都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

冷却液分配装置30邻近钢制安全壳20布置，并且可以向钢制安全壳20喷洒冷却液，冷却液可以为本领域常用的水或其他液体，当冷却液为水时，安全壳冷却系统还可以包括冷却水箱(未示出)，冷却液分配装置30设置在冷却水箱和钢制安全壳20之间，冷却液分配装置30上部连接冷却水箱出水口，下部形成为向钢制安全壳20喷液的出液口31。

喷洒在钢制安全壳20上的冷却液由于重力作用沿着钢制安全壳20的外壁面向下流动，冷却液在流动过程中吸收钢制安全壳20的热量，逐渐气化，然后在冷却风道14内流动空气的带动下从出风口13排出，带走钢制安全壳20的热量，实现钢制安全壳20的热量的排出。

目前钢制安全壳的外壁面通常为光滑面或平整的表面，当冷却液喷洒在钢制安全壳的外壁面上时，冷却液顺着钢制安全壳的外壁面快速流下，为了达到更好的换热效果，通常都需要设置更大的储液箱，或者在钢制安全壳的外壁面上设置换热风扇等结构增强换热效果。

本申请的发明人在现有技术的基础上，经过长期研究，在钢制安全壳20的外壁面的至少一部分上设置截流件40，截流件40可以在一定程度上减缓冷却液在钢制安全壳20外壁面上的流动速度，从而可以延长冷却液与钢制安全壳20的外壁面接触换热的时间，该结构不仅对现有设备改进小，只需要在钢制安全壳20的外壁面上设置可以延缓冷却液流动的截流件40即可，并且在提高换热效果的同时，还可以减少冷却液的用量，不需要增加储液箱的容积，在一定程度上还可以减小安全壳冷却系统100的占用空间。

由此，根据本发明实施例的安全壳冷却系统100，通过在混凝土安全壳10上设置进风口12和出风口13，可以在钢制安全壳20的外壁面与混凝土安全壳10的内壁面之间限定出冷却风道14，在钢制安全壳20的外壁面的至少一部分上设置截流件40，截流件40可以在一定程度上减缓冷却液流动的速度，从而延长冷却液与钢制安全壳20的外壁面接触的时间，有利于冷却液气化，进而在对现有设备改动较小的情况下，可以有效增强换热效果。

另外，该安全壳冷却系统100还可以有效增加pcs系统换热能力，延长72小时人工不干预时间，在相同换热量情况下可减少钢制安全壳20顶部重力排水箱容积，同时缩减安全壳相关构建筑物投资，合理控制成本，并且该安全壳冷却系统100不改变现有设备建筑结构，制作工艺简单，极小投资取得换热效率明显，有利于增大核电安全裕度。

根据本发明的一个实施例，钢制安全壳20包括下部安全壳22和上部安全壳21。

具体地，如图1所示，下部安全壳22大致形成为柱状，下部安全壳22的上端敞开，上部安全壳21大致形成为弧形，上部安全壳21设在下部安全壳22上方并封闭下部安全壳22的上端，冷却液分配装置30位于上部安全壳21上方。

也就是说，根据本发明实施例的钢制安全壳20主要由两部分构成，即上部安全壳21和下部安全壳22，也可称为钢制安全壳20的竖直段和半圆形穹顶部分，冷却液分配装置30设在上部安全壳21的上方，即位于钢制安全壳20的穹顶部分，该结构的冷却液分配装置30在喷洒冷却液时，可以保证冷却液喷洒均匀。

优选地，在本发明的一些具体实施方式中，上部安全壳21和下部安全壳22的外壁面上分别设有截流件40。进一步地，截流件40完全覆盖上部安全壳21和下部安全壳22的外壁面。

也就是说，在本申请的优选方案中，可以在上部安全壳21和下部安全壳22的外壁面上完全铺设截流件40，由此可以最大程度的提高对冷却液的截流效果，延长冷却液与钢制安全壳20的换热时间，从而尽可能地提高钢制安全壳20的冷却效果。

根据本发明的一个优选实施例，截流件40形成为金属筛网。换句话说，在本申请中，截流件40优选采用金属筛网结构，当然，截流件40也可以为其他能够延缓冷却液流动速度的结构，在此不再详细描述。

由此，将截流件40设置成金属筛网结构，在不改变钢制安全壳20自身结构的前提下，钢制安全壳20表面的冷却液能沿金属筛网良好扩散，扩大冷却液膜覆盖在钢制安全壳20表面的换热面积，同时能降低钢制安全壳20表面的冷却液膜厚度，增大冷却液体在钢制安全壳20表面的持续接触时间，有利于气化的产生，增强换热效果。

在本发明的一些具体实施方式中，金属筛网具有多个沿纵向和横向依次排列的筛孔41，筛孔41的孔径为1-4mm。优选地，金属筛网的目数为4-20目。进一步地，每个筛孔41分别形成为四边形。更优选地，每个筛孔41分别形成为矩形。

具体如图3所示，在本申请中，截流件40优选采用金属筛网，并且金属筛网的筛孔41的孔径在1-4mm之间，金属筛网的目数优选在4-20目之间，每个筛孔41优选为四边形，更优选为矩形。

由此，该结构的金属筛网使得钢制安全壳20表面的冷却液能沿纵向和横向更好地扩散，扩大冷却液膜覆盖在钢制安全壳20表面的换热面积，并且金属筛网的四边形网格形成微孔面积，冷却液在表面张力作用下不断进入筛孔41中补充气化的冷却液，促使冷却液与钢制安全壳20紧密接触，有效避免干壁现象，提高钢制安全壳20的临界热负荷，从而提升整个钢制安全壳20的传热传质效率。

另外，金属筛网的四边形网络结构，形成高度均匀且相互连通的毛细管特征，使液体均匀且极薄分布在钢制安全壳20的表面，达到充分润湿的效果，同时四边形结构尖角增强了冷却液体的扰动，有利于冷却水的气化，并且避免钢制安全壳20表面的结垢，降低后续除垢成本。

可选地，根据本发明的一个实施例，金属筛网的制备材料为选自铜、镍、钛、不锈钢及其合金中的任意一种。即金属筛网可以为铜制筛网、镍制筛网、钛制筛网、不锈钢筛网或者这些合金制成的筛网，该材质的金属筛网对冷却液的截流效果更好，并且材料来源广泛，制备方便，成本低廉。

根据本发明的一个实施例，冷却液分配装置30的出液口31位于上部安全壳21中部，出液口31形成为开口向下的喇叭形。优选地，出液口31的下端与上部安全壳21的外壁面之间间隔开10-20mm。

具体地，如图1所示，冷却液分配装置30的出液口31位于上部安全壳21上方的中部位置，出液口31可以形成为喷淋口，将出液口31设置成喇叭形开口，并且与上部安全壳21的顶部间隔开一定的距离，优选10-20mm，可以有效防止冷却液的回溅，出液口31以喇叭扩散状排放在钢制安全壳20的圆弧形表面，还可以使冷却液与钢制安全壳20的圆弧形表面形成良好接触，使冷却液分配更均匀。

在本发明的一些具体实施方式中，下部安全壳22的外壁面上设有沿其周向延伸的挡水板23，挡水板23的下端与下部安全壳22的外壁面相连限定出开口向上的集水槽24，挡水板23的下端设有邻近下部安全壳22的外壁面的多个出水孔231。

具体地，如图1和图2所示，在本申请中，下部安全壳22的外壁面上设有一圈环形的集水槽24，集水槽24由沿下部安全壳22的周向延伸的挡水板23与下部安全壳22的外壁面共同限定而成，挡水板23的下部与下部安全壳22的外壁面紧密相连，集水槽24的底部设有与集水槽24导通的出水孔231，出水孔231靠近下部安全壳22的外壁面设置，从出水孔231流出的冷却液可以沿着下部安全壳22的外壁面向下流动。

换言之，集水槽24为设在下部安全壳22的外壁面上且具有一定深度的圆环槽，从出液口31喷出的冷却液流经上部安全壳21的外壁面之后，在下部安全壳22的外壁面上流动过程中，会集中在挡水板23与下部安全壳22限定出的集水槽24内，然后再从集水槽24内经过出水孔231继续向下沿着下部安全壳22的外壁面流动。

由此，通过设置挡水板23，与下部安全壳22之间限定出集水槽24，并且在挡水板23上设置出水孔231，冷却液在流动过程中可以收集在集水槽23内，再由集水槽23分配后沿着下部安全壳22的外壁面流动，一方面增加了钢制安全壳20表面的持液时间，另一方面可以保障冷却液在钢制安全壳20下部的覆盖效果，从而进一步提高钢制安全壳20的换热效果。

在本发明的一些具体实施方式中，挡水板23设在下部安全壳22的上部。优选地，挡水板23的上端向上延伸超出下部安全壳22的上端。进一步地，多个出水孔231沿下部安全壳22的周向间隔开均匀分部。

也就是说，挡水板23设在邻近下部安全壳22与上部安全壳21的连接处，挡水板23的上端的水平高度超出下部安全壳22的上端的水平高度，多个出水孔231之间是间隔开平均分布的。由此可以保证从上部安全壳21流下的冷却液能够及时进行收集并平均分配，提高换热效果，并且可以避免由于冷却液流速过快而沿着上部安全壳21的斜面向下流动时脱离钢制安全壳20的外壁面，减少冷却液流失。

根据本发明的一个实施例，进风口12设在混凝土安全壳10的下部，进风口12设在混凝土安全壳10的顶部。优选地，进风口12内设有低阻过滤器50。

具体地，如图1所示，进风口12为冷却空气进风口12，进风口12设置在混凝土安全壳10下端，为了防止粉尘在进风口12处堵塞，在进风口12设有一个低阻的过滤器，出风口13则可以设在混凝土安全壳10上端。冷却风道14由混凝土安全壳10、敷设金属筛网的钢制安全壳20、进风口12和出风口13组成。

外部冷却空气经过低阻过滤器50后进入设置在混凝土安全壳10下端的冷却空气进风口12，在冷却风道14内从下至上流动，冲刷从上而下流经敷设金属筛网的钢制安全壳20下部的冷却液。冷却液在钢制安全壳20表面热量的作用下不断变为蒸汽，与冷端流体产生密度差，形成自然驱动力，加速了外部冷却空气的进入，两者不断循环进一步加强了冷却钢制安全壳20表面的冷却效果。冷却液加热后变成的蒸汽以及加热后的空气通过混凝土安全壳10上部出风口13进入大气环境。

由此，该结构的混凝土安全壳10相比传统的双层安全壳系统，取消混凝土安全壳10内部导流板，对外部冷却空气孔道做了适当改进，以便冷却空气进入，有利于降低建造和维护成本，工程实施难度也相应减小。

下面结合图1至图3具体描述根据本发明实施例的安全壳冷却系统100的工作过程，其中需要理解的是，下述描述只是示例性说明，而不能理解为对本发明实施例的限制。

根据本发明实施例的安全壳冷却系统100主要包括混凝土安全壳10、钢制安全壳20、冷却液分配装置30和截流件40。混凝土安全壳10上设有进风口12和出风口13，钢制安全壳20设在混凝土安全壳10内，并且与混凝土安全壳10之间限定出冷却风道14，进风口12和出风口13分别与冷却风道14导通。其中，进风口12设在混凝土安全壳10的下部，进风口12设在混凝土安全壳10的顶部，进风口12内设有低阻过滤器。

冷却液分配装置30邻近钢制安全壳20布置，并且可以向钢制安全壳20喷洒冷却水，安全壳冷却系统100还包括冷却水箱，冷却液分配装置30设置在冷却水箱和钢制安全壳20之间，冷却液分配装置30上部连接冷却水箱出水口，下部形成为向钢制安全壳20喷液的出液口31。出液口31位于上部安全壳21中部，出液口31形成为开口向下的喇叭形，并且出液口31的下端与上部安全壳21的外壁面之间间隔开。

钢制安全壳20主要由两部分构成，即上部安全壳21和下部安全壳22，冷却液分配装置30设在上部安全壳21的上方，截流件40形成为金属筛网，并且完全覆盖在上部安全壳21和下部安全壳22的外壁面上，金属筛网的筛孔41的孔径在1-4mm之间，金属筛网的目数优选在4-20目之间，每个筛孔41分别为矩形。

下部安全壳22的外壁面上设有沿其周向延伸的挡水板23，挡水板23的下端与下部安全壳22的外壁面相连限定出开口向上的集水槽24，挡水板23的下端设有邻近下部安全壳22的外壁面的多个出水孔231，挡水板23设在邻近下部安全壳22与上部安全壳21的连接处，挡水板23的上端的水平高度超出下部安全壳22的上端的水平高度，多个出水孔231之间是间隔开平均分布的。

该结构的安全壳冷却系统100在工作时，钢制安全壳20顶部的水箱排放阀接收到开启信号后，其内部的冷却水沿排放管道经冷却水分配装置喷淋。冷却水分配装置的倒喇叭出口有效防止冷却水的回溅，以喇叭扩散状排放在钢制安全壳20的圆弧形表面，与其表面形成良好接触。

钢制安全壳20表面敷设筛孔41为四边形的金属筛网，金属筛网的网格结构可以改变冷却水的流向，促使冷却流体沿钢制安全壳20的横向和纵向扩散，同时大幅减小水流的厚度，提高钢制安全壳20的表面持液率和持液时间。金属筛网的四边形网络结构，形成高度均匀且相互连通的毛细管特征，使液体均匀且极薄分布在钢制安全壳20的表面，达到充分润湿的效果，同时四边形结构尖角增强了冷却液体的扰动，有利于冷却水的气化，并且避免钢制安全壳20表面的结垢，降低后续除垢成本。

流经钢制安全壳20上部，即半圆形上部安全壳21的冷却液体被安置在集水槽24内收集，集水槽24为具有一定深度的圆环槽，底部均匀开设有与钢制安全壳20下部，即下部安全壳21紧密连接的出水孔231。冷却水在此过程中先收集后再在钢制安全壳20圆周方向均匀分配，一方面增加了钢制安全壳20表面的持液时间，另一方面保障冷却水在钢制安全壳20下部的覆盖效果。

外部冷却空气经过低阻过滤器50后进入设置在混凝土安全壳10下端的冷却空气进风口12，在由混凝土安全壳10、敷设金属筛网的钢制安全壳20、外部冷却空气进风口12和出风口13组成的冷却风道14内从下至上流动，冲刷从上而下流经敷设金属筛网的钢制安全壳20下部的冷却水。冷却水在钢制安全壳20表面热量的作用下不断变为蒸汽，与冷端流体产生密度差，形成自然驱动力，加速了外部冷却空气的进入，两者不断循环进一步加强了冷却钢制安全壳20表面的冷却效果。冷却水加热后变成的蒸汽以及加热后的空气通过混凝土安全壳10上部出风口13进入大气环境。

根据本发明实施例的安全壳冷却系统100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。