專利名稱:高溫氣冷堆非能動余熱排出系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反應(yīng)堆的安全設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種高溫氣冷堆非能動余熱排出系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
核反應(yīng)堆停堆后，由于堆芯內(nèi)的剩余裂變和裂變產(chǎn)物的衰變，產(chǎn)生的剩余發(fā)熱在相當長的一段時間里還十分可觀，需要通過專門設(shè)置的安全級余熱排出系統(tǒng)將其載出至最終熱阱。否則，堆內(nèi)熱量積累和溫度升高可能導(dǎo)致燃料元件破損甚至熔化，從而引起嚴重的放射性外釋的核安全事故。這是核反應(yīng)堆設(shè)計中需要關(guān)注的最重要的安全問題之一。
與輕水反應(yīng)堆不同，高溫氣冷堆采用耐高溫的陶瓷包覆顆粒燃料元件，熱容大、導(dǎo)熱好的石墨為慢化劑，惰性氣體氦氣為冷卻劑，具有良好的固有安全性和廣泛的高溫工藝熱應(yīng)用前景，倍受世界核能界關(guān)注，被視為第四代先進核能系統(tǒng)的優(yōu)選堆型之一。
早期的商用高溫氣冷堆示范電站(如德國的THTR-300等)，由于堆芯功率密度大， 不能只依靠輻射、導(dǎo)熱和自然對流等非能動機制將余熱導(dǎo)出，需要設(shè)計停堆后應(yīng)急冷卻風(fēng)機提供強迫循環(huán)來冷卻堆芯。后來提出的模塊式高溫氣冷堆概念，降低堆芯功率密度，堆內(nèi)采用大量的高熱容石墨結(jié)構(gòu)材料以及瘦長的堆型布置，使得余熱載出不再需要應(yīng)急風(fēng)機， 僅靠熱傳導(dǎo)、輻射和自然對流就可將余熱從堆芯傳至堆外壓力容器和堆艙內(nèi)的水冷壁。
然而，在反應(yīng)堆剩余發(fā)熱被水冷壁載出至最終熱阱(如大氣)的過程中，國外現(xiàn)有的設(shè)計仍然以能動的循環(huán)冷卻方式為主，依靠安全級的泵驅(qū)動系統(tǒng)回路中的水在水冷壁管路和空冷器中與外界進行換熱，例如德國的HTR-Modul等。這種設(shè)計雖然能夠提供較大的循環(huán)流量，降低水冷壁出口水溫，但由于采用了泵等需要外動力源持續(xù)驅(qū)動的能動部件，即使采用冗余設(shè)計，仍然具有較高的失效概率。
采用非能動的安全理念是當今先進核反應(yīng)堆的發(fā)展趨勢。例如美國設(shè)計的AP1000 先進壓水堆設(shè)計為被動余熱載出系統(tǒng)，僅依靠重力啟動，不需要水泵等主動部件的作用，但還需要一系列閥門的動作，依靠外界信號的啟動，因此依舊存在失效的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何設(shè)計一種完全非能動式的高溫氣冷堆余熱排出系統(tǒng)。
( 二 )技術(shù)方案
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種高溫氣冷堆非能動余熱排出系統(tǒng)，包括多套獨立的余熱排出序列，每套余熱排出序列包括
冷卻壁、空冷器、空氣冷卻塔、反應(yīng)堆壓力容器及反應(yīng)堆艙室；
所述水冷壁位于反應(yīng)堆艙室內(nèi)，環(huán)繞所述反應(yīng)堆壓力容器設(shè)置，所述空氣冷卻塔的安裝位置高于所述冷卻壁的安裝位置，所述空冷器布置在空氣冷卻塔內(nèi)。[0013]優(yōu)選地，所述水冷壁是環(huán)繞所述反應(yīng)堆壓力容器的圓筒壁。
優(yōu)選地，每套余熱排出序列還包括位于冷卻壁上、下兩端的聯(lián)箱，所述冷卻壁由鋼板和水冷管焊制而成，每套余熱排出序列的冷卻壁的水冷管的上、下兩端均與各自的聯(lián)箱連接。
優(yōu)選地，每套余熱排出序列還包括管路和膨脹水箱，所述管路將空冷器、膨脹水箱以及位于冷卻壁上下兩端的聯(lián)箱連接為封閉的循環(huán)回路，且所述膨脹水箱的安裝位置高于所述空冷器的安裝位置。
優(yōu)選地，每套余熱排出序列的冷卻壁的水冷管等間隔設(shè)置，且豎向排列。
優(yōu)選地，所述水冷壁具有環(huán)形底座，所述環(huán)形底座與反應(yīng)堆艙室的混凝土內(nèi)的預(yù)埋件焊接固定。
優(yōu)選地，所述空氣冷卻塔的上設(shè)有出風(fēng)口，所述出風(fēng)口的安裝位置高于所述空冷器的安裝位置。
優(yōu)選地，所述管路上還設(shè)有閥門。
優(yōu)選地，所述膨脹水箱上設(shè)有排氣閥和補水閥。
優(yōu)選地，所述空氣冷卻塔上還設(shè)有防火檢修門。
(三)有益效果
本發(fā)明能產(chǎn)生以下有益效果①系統(tǒng)工作時冷卻回路(包括水回路和空氣回路) 中沒有一臺諸如泵、風(fēng)機、電動閥門等任何能動部件，完全采用水和空氣的自然循環(huán)方式進行換熱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，失效概率極低；②不需要外部電源供電，水回路自然循環(huán)的驅(qū)動力只依靠空氣冷卻塔和水冷壁之間存在的高度差，以及循環(huán)水受熱后溫差產(chǎn)生的提升壓頭； 空氣回路的自然循環(huán)驅(qū)動力則由空氣受熱后從空冷器至空氣冷卻塔上端的出風(fēng)口的提升段高度來形成；③系統(tǒng)在反應(yīng)堆正常運行時執(zhí)行艙室冷卻功能，停堆后不需要采取任何啟動或切換操作即可執(zhí)行余熱排出功能，具有良好的可靠性和安全性；④系統(tǒng)設(shè)有膨脹水箱， 可補償運行過程中溫度變化造成的水體積變化，并保持較為平穩(wěn)的運行壓力；⑤可根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)計情況，采用常壓或加壓的運行方式，以保證事故條件下水冷壁出口水溫仍然低于工作壓力下水的沸點，使系統(tǒng)以單相水的方式運行，確保自然循環(huán)的有效建立；⑥每套余熱排出序列(完成一個冷卻回路的功能)均可設(shè)置獨立的水冷壁進、出口溫度，空氣進、出口溫度，水冷壁出口流量，膨脹水箱液位，膨脹水箱壓力等測點，以確保對系統(tǒng)運行工況和失效情況的及時準確監(jiān)測；⑦維護方便，加上高溫氣冷堆的事故過程緩慢，即使發(fā)生水冷管破斷、泄漏等故障，也有足夠的時間進行維修或采取相應(yīng)的補救措施，也可利用其它水源 (如消防水等)對其進行補水。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理示意圖；
圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)軸測圖。
其中，1、水冷壁；2、聯(lián)箱；3、管路；4、膨脹水箱；5、空冷器；6、空氣冷卻塔；7、反應(yīng)堆壓力容器；8、反應(yīng)堆艙室；9、閥門；10、進風(fēng)口 ；11、出風(fēng)口 ；12、擋風(fēng)板。
具體實施方式
[0027]下面對于本發(fā)明所提出的一種高溫氣冷堆非能動余熱排出系統(tǒng)，結(jié)合附圖和實施例詳細說明。
本發(fā)明提供了一種基于非能動安全設(shè)計理念的高溫氣冷堆余熱排出系統(tǒng)。該系統(tǒng)的運行不需要借助任何能動部件和電動閥門的動作，也無需在停堆后進行啟動或切換， 始終在自動運行，只依靠自然循環(huán)方式即可將反應(yīng)堆余熱從水冷壁帶出到最終熱講——大氣，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，故障率低等特點，可同時滿足高溫氣冷堆在正常運行時的艙室冷卻功能以及停堆后余熱排出功能的安全要求。
本發(fā)明可設(shè)計為多套序列冗余以提高安全性。每套序列的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由水冷壁1、空冷器5、空氣冷卻塔6、膨脹水箱4、聯(lián)箱2及管路3等部件組成。其中，空冷器5由帶翅片的冷卻管與支撐框架組成，水冷壁1是布置在反應(yīng)堆艙室8內(nèi)、環(huán)繞反應(yīng)堆壓力容器 7的圓筒壁，由鋼板及水冷管焊制而成。各套余熱排出列的水冷管豎向均勻排列，依次相間分布。每套序列的水冷管上下端均聯(lián)接到各自的環(huán)形聯(lián)箱2內(nèi)，下聯(lián)箱將冷卻水分流至各水冷管支路，上聯(lián)箱將各水冷管中的冷卻水匯集至出口主管。管路3將上下聯(lián)箱2、空冷器 5與膨脹水箱4連接為封閉的循環(huán)回路。水冷壁1的環(huán)形底座與反應(yīng)堆艙室8的混凝土內(nèi)的預(yù)埋件焊接固定。空氣冷卻器6的安裝位置比水冷壁1的安裝位置要高，且空冷器5距空氣冷卻塔6上端的出風(fēng)口 11有一定高的距離，以形成水和空氣的自然循環(huán)驅(qū)動力。水回路中設(shè)有膨脹水箱4，其安裝位置比空冷器5的安裝位置要高，可補償運行過程中溫度變化造成的水體積變化，并保持較為平穩(wěn)的運行壓力，系統(tǒng)可采用常壓或加壓運行方式。
空冷器5布置在空氣冷卻塔6內(nèi)，空氣冷卻塔6位于反應(yīng)堆的核島輔助廠房上方。 空氣冷卻塔6的上、下方分別為出風(fēng)口 11和進風(fēng)口 10。為防止異物進入，可在進、出風(fēng)口處設(shè)置百葉窗，其中進風(fēng)口 10應(yīng)設(shè)置可密封的風(fēng)門，出風(fēng)口 11外還應(yīng)設(shè)置擋風(fēng)板12，防止空氣倒灌使空氣冷卻塔6內(nèi)的自然循環(huán)被迫中止。同時，空氣冷卻塔6上還設(shè)有防火檢修門與反應(yīng)堆艙室頂部的檢修大廳內(nèi)相通。
此外，為了正常運行維護和故障檢修，系統(tǒng)在管路3上還設(shè)有閥門9 (為手動閥門) 用于補水、排水。對于膨脹水箱4，為補償系統(tǒng)運行過程中溫度變化造成的水體積變化，保持系統(tǒng)有較為平穩(wěn)的運行壓力，也應(yīng)在膨脹水箱4的箱體上設(shè)置排氣閥和補水閥等裝置，系統(tǒng)可以設(shè)計成常壓或加壓運行方式。
為保證系統(tǒng)有良好的運行可靠性，可依據(jù)反應(yīng)堆安全相關(guān)系統(tǒng)的單一故障準則， 對每個反應(yīng)堆設(shè)置多套O套或3套等)獨立的冷卻回路，任何一套失效均不影響所要求的余熱排出功能，如圖2所示，設(shè)置了三套獨立的余熱排出序列，共形成三個獨立的冷卻回路。
本發(fā)明的工作原理如下由于反應(yīng)堆壓力容器7壁面和水冷壁1壁面之間存在較大的溫差，反應(yīng)堆余熱主要通過二者之間的輻射換熱傳至水冷壁1，同時反應(yīng)堆艙室8內(nèi)空氣的自然對流也會增強反應(yīng)堆壓力容器7和水冷壁1之間的傳熱。熱量傳至水冷壁1后加熱水冷管中的冷卻水。由于空氣冷卻塔6和水冷壁1之間存在一定的高度差，循環(huán)水受熱后產(chǎn)生提升壓頭，成為自然循環(huán)的驅(qū)動力并使其向上流至空氣冷卻塔6中的空冷器5，在流經(jīng)空氣冷卻塔6時與帶翅片的冷卻管外的空氣進行熱交換，被冷卻后再由反應(yīng)堆艙室8底部重新進入水冷管。而冷空氣從空氣冷卻塔6底部進入，在空冷器5外側(cè)被加熱。由于冷、熱空氣的密度差，以及空氣受熱后從空冷器5至空氣冷卻塔6上端出風(fēng)口 11的提升段高度，因此形成一定的自然循環(huán)驅(qū)動力，使得熱空氣向上流出空氣冷卻塔6，將熱量傳至最終的熱阱——大氣。
由于本發(fā)明是非能動系統(tǒng)，在首次啟動時只需空氣冷卻塔的進風(fēng)口和出風(fēng)口均處于打開狀態(tài)，系統(tǒng)即自動投入運行。影響運行的關(guān)鍵問題是初次運行時的排氣工作，應(yīng)將管路中的空氣完全排空，否則不能形成充分的自然循環(huán)。自然循環(huán)穩(wěn)定后，在反應(yīng)堆正常運行時余熱排出系統(tǒng)就可執(zhí)行冷卻艙室的功能；在反應(yīng)堆停堆或者事故工況下，堆芯溫度升高發(fā)熱功率增大，余熱排出系統(tǒng)的自然循環(huán)也會隨之加強帶出更多的熱量，執(zhí)行排出余熱的功能。
系統(tǒng)工作狀態(tài)可以從空氣及水溫變化確定。膨脹水箱水位低于正常運行液位下限時應(yīng)及時通過其箱體上設(shè)置的補水閥進行補水。反應(yīng)堆停堆期間應(yīng)注意空冷器管側(cè)冷卻水的防凍問題。在冬季停堆檢修或長期停堆時，應(yīng)關(guān)閉進風(fēng)口的密封風(fēng)門，同時打開空氣冷卻塔通往反應(yīng)堆大廳的檢修門，以提高塔內(nèi)溫度，防止空冷器內(nèi)的冷卻水冷凍結(jié)冰，或者通過手動閥門將系統(tǒng)的冷卻水全部排空。
由以上實施例可以看出，本發(fā)明運用非能動安全設(shè)計理念，采用更少的設(shè)備設(shè)計了簡單的非能動余熱排出系統(tǒng)，系統(tǒng)在運行時僅依靠自然循環(huán)，不需要任何外力驅(qū)動，并設(shè)置各自獨立的冗余循環(huán)回路，有效減少了因能動部件故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)失效，提高了反應(yīng)堆運行的安全性。
以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求
限定。
權(quán)利要求
1.一種高溫氣冷堆非能動余熱排出系統(tǒng)，其特征在于，包括多套獨立的余熱排出序列， 每套余熱排出序列包括冷卻壁(1)、空冷器(5)、空氣冷卻塔(6)、反應(yīng)堆壓力容器(7)及反應(yīng)堆艙室(8)；所述水冷壁(1)位于反應(yīng)堆艙室(8)內(nèi)，環(huán)繞所述反應(yīng)堆壓力容器(7)設(shè)置，所述空氣冷卻塔(6)的安裝位置高于所述冷卻壁(1)的安裝位置，所述空冷器(5)布置在空氣冷卻塔(6)內(nèi)。
2.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水冷壁(1)是環(huán)繞所述反應(yīng)堆壓力容器 (7)的圓筒壁。
3.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，每套余熱排出序列還包括位于冷卻壁(1) 上、下兩端的聯(lián)箱0)，所述冷卻壁(1)由鋼板和水冷管焊制而成，每套余熱排出序列的冷卻壁⑴的水冷管的上、下兩端均與各自的聯(lián)箱⑵連接。
4.如權(quán)利要求
3所述的系統(tǒng)，其特征在于，每套余熱排出序列還包括管路(3)和膨脹水箱，所述管路( 將空冷器( 、膨脹水箱(4)以及位于冷卻壁(1)上下兩端的聯(lián)箱(2) 連接為封閉的循環(huán)回路，且所述膨脹水箱(4)的安裝位置高于所述空冷器(5)的安裝位置。
5.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，每套余熱排出序列的冷卻壁(1)的水冷管等間隔設(shè)置，且豎向排列。
6.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水冷壁(1)具有環(huán)形底座，所述環(huán)形底座與反應(yīng)堆艙室(8)的混凝土內(nèi)的預(yù)埋件焊接固定。
7.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣冷卻塔(6)的上端設(shè)有出風(fēng)口 (11)，所述出風(fēng)口(11)的安裝位置高于所述空冷器(5)的安裝位置。
8.如權(quán)利要求
4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管路(3)上還設(shè)有閥門(9)。
9.如權(quán)利要求
4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹水箱(4)上設(shè)有排氣閥和補水閥。
10.如權(quán)利要求
1 9中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣冷卻塔(6)上還設(shè)有防火檢修門。
專利摘要
本發(fā)明涉及反應(yīng)堆的安全設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域：
。公開了一種高溫氣冷堆非能動余熱排出系統(tǒng)，包括多套獨立的余熱排出序列，每套余熱排出序列包括冷卻壁(1)、空冷器(5)、空氣冷卻塔(6)、反應(yīng)堆壓力容器(7)及反應(yīng)堆艙室(8)；所述水冷壁(1)位于反應(yīng)堆艙室(8)內(nèi)，環(huán)繞所述反應(yīng)堆壓力容器(7)設(shè)置，空氣冷卻塔(6)的安裝位置高于所述冷卻壁(1)的安裝位置，空冷器(5)布置在空氣冷卻塔(6)內(nèi)。本發(fā)明運用非能動安全設(shè)計理念，采用較少的設(shè)備設(shè)計了簡單的非能動余熱排出系統(tǒng)，系統(tǒng)在運行時僅依靠自然循環(huán)，不需要任何外力驅(qū)動，并設(shè)置各自獨立的冗余循環(huán)回路，有效減少了因能動部件故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)失效，提高了反應(yīng)堆運行的安全性。
文檔編號G21C15/18GKCN102332313SQ201110304718
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月10日
發(fā)明者何樹延, 吳宗鑫, 吳莘馨, 張麗, 張作義, 李曉偉, 鄭艷華 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan