一种反应堆本体所在水池的自驱动式补水系统及补水方法

技术领域

本发明涉及反应堆冷却系统的技术领域，特别涉及一种反应堆本体所在水池的自驱动式补水系统及补水方法。

背景技术

在现有的池式反应堆或池壳式反应堆中，其堆芯及其所容纳容器会浸泡在一个大水池中。正常运行时，反应堆通过输热回路及换热器，将裂变反应热输送至终端热用户。当反应堆正常停堆或因事故停堆后，反应堆所浸没的水池将承担反应堆堆芯余热排出功能，并随着堆芯衰变热不断排放到其中，其水温将不断上升，并最终达到沸腾状态。

在现有的技术方案中，为避免此时的反应堆过热，一般会采取额外的冷却手段，但是这些手段仅仅考虑了利用温差、高度差等因素形成的自然力或电力驱动的循环冷却回路对水池进行冷却，未考虑上述因素失效或外部热阱丧失的情况下水池过热沸腾引起水池水位下降，水池因未及时补水进而导致反应堆衰变热排出失效，造成堆芯熔毁等严重后果。

即现有技术考虑因素并不全面，容易出现失效的现象，为此急需一种能够解决此问题的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应堆本体所在水池的自驱动式补水系统及补水方法，以解决现有技术容易出现失效现象的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种反应堆本体所在水池的自驱动式补水系统，包括反应堆水池、反应堆容器、主动冷却机构、被动冷却机构和监控机构；所述反应堆水池内部围闭成密封空间；所述反应堆容器设于所述反应堆水池内，所述反应堆容器外部换热连接有换热管路；所述主动冷却机构与所述反应堆容器换热连接；所述被动冷却机构包括螺杆膨胀机、循环水泵和冷却水池；所述螺杆膨胀机的动力输入端与所述反应堆水池的内部接通，所述螺杆膨胀机的动力输出端与所述循环水泵的动力输入端连接，且所述螺杆膨胀机的泄气口连接有乏汽下泄管线；所述循环水泵的抽水端与所述冷却水池的内部接通，所述循环水泵的供水端与所述反应堆水池的内部接通；所述监控机构包括压力传感器、水位传感器和主控阀门；所述压力传感器和所述水位传感器均设于所述反应堆水池内部；所述主控阀门与所述螺杆膨胀机动力输入端接通；在测得所述反应堆水池内的压力或水位超出预设值时，所述监控机构用于控制所述主控阀门打开。

在其中一个实施例中，所述自驱动式补水系统还包括备用冷却机构，所述备用冷却机构包括备用螺杆膨胀机和备用循环水泵；所述备用螺杆膨胀机的动力输入端与所述反应堆水池的内部接通，所述备用螺杆膨胀机的动力输出端与所述备用循环水泵的动力输入端连接，且所述备用螺杆膨胀机的泄气口连接有备用乏汽下泄管线；所述备用循环水泵的抽水端与所述冷却水池的内部接通，所述备用循环水泵的供水端与所述反应堆水池的内部接通；所述监控机构还用于控制所述备用螺杆膨胀机与所述反应堆水池的通闭。

在其中一个实施例中，所述监控机构还包括备用通路阀门和水流传感器；所述备用通路阀门与所述备用螺杆膨胀机动力输入端接通；所述水流传感器设于所述循环水泵在所述反应堆水池内的出水处；在测得所述循环水泵供水量低于预设值时，所述监控机构用于控制所述备用通路阀门打开。

在其中一个实施例中，所述备用冷却机构还包括备用水池，所述备用循环水泵的抽水端还与所述备用水池的内部接通。

在其中一个实施例中，在测得所述循环水泵供水量低于预设值时，所述监控机构还用于控制所述主控阀门关闭。

在其中一个实施例中，在测得所述循环水泵供水量正常、且所述反应堆水池内水位低于预设值时，所述监控机构用于控制所述主控阀门和所述备用通路阀门打开。

在其中一个实施例中，所述主动冷却机构与所述反应堆容器换热的管路上接通有应急阀门，所述应急阀门的关闭用于切断所述主动冷却机构与所述反应堆容器的换热；所述换热管路与所述主动冷却机构接通，所述换热管路上接通有换热阀门，所述换热阀门用于控制所述主动冷却机构与所述换热管路之间的通闭。

在其中一个实施例中，所述主动冷却机构包括第一循环换热回路、第二循环换热回路、第三循环换热回路、第一换热器、第二换热器和用热终端；所述第一循环换热回路接通于所述第一换热器与所述反应堆容器之间，所述第一循环换热回路上接通有所述应急阀门，所述第一循环换热回路还与所述换热管路接通；所述第二循环换热回路接通于所述第一换热器与所述第二换热器之间；所述第三循环换热回路接通于所述第二换热器与所述用热终端之间。

在其中一个实施例中，所述乏汽下泄管线设于所述反应堆容器放置的厂房内。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种反应堆本体所在水池的自驱动式补水方法，应用了上述的自驱动式补水系统，所述主动冷却机构对所述反应堆容器进行主动冷却散热；当反应堆停堆或发生事故后，关停所述主动冷却机构，开启所述换热管路与所述反应堆水池内的水进行换热；若测得所述反应堆水池内的压力或水位超出预设值，所述监控机构控制所述主控阀门打开，所述反应堆水池内产生的蒸汽驱动所述螺杆膨胀机运转，所述螺杆膨胀机运转驱动所述循环水泵工作，所述循环水泵从所述冷却水池抽送送至所述反应堆水池内。

本发明的有益效果如下：

由于所述螺杆膨胀机的动力输入端与所述反应堆水池的内部接通，所述螺杆膨胀机的动力输出端与所述循环水泵的动力输入端连接，所述循环水泵的抽水端与所述冷却水池的内部接通，所述循环水泵的供水端与所述反应堆水池的内部接通，且所述主控阀门与所述螺杆膨胀机动力输入端接通，所以在测得所述反应堆水池内的压力或水位超出预设值时，所述监控机构用于控制所述主控阀门打开，将可实现往反应堆水池内的自动补水，从而切实解决了现有技术容易出现失效现象的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一个实施例提供的结构示意图；

图2是本发明第二个实施例提供的结构示意图；

图3是本发明第三个实施例提供的结构示意图。

附图标记如下：

10、反应堆水池；

20、反应堆容器；21、换热管路；22、应急阀门；23、换热阀门；

30、主动冷却机构；31、第一循环换热回路；311、第一输液管段；312、第一回液管段；313、第一循环泵；32、第二循环换热回路；321、第二循环泵；33、第三循环换热回路；331、第三循环泵；34、第一换热器；35、第二换热器；36、用热终端；

40、被动冷却机构；41、螺杆膨胀机；42、循环水泵；43、冷却水池；44、乏汽下泄管线；

51、压力传感器；52、水位传感器；53、主控阀门；54、备用通路阀门；

60、厂房；

70、备用冷却机构；71、备用螺杆膨胀机；72、备用循环水泵；73、备用乏汽下泄管线；74、备用水池。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在现有技术中，为了实现反应堆在特殊状态下的冷却降温，常会采用以下手段。

第一种，设置管路主动输送冷却液进行换热；但这种方式一旦因断电丧失循环冷却能力，则管路中的水温与反应堆所在水池内的水温几乎不变，所以反应堆所在水池将无法得到冷却，最终反应堆所在水池将沸腾，反应堆得不到有效冷却，将因过热而熔毁。

第二种，建立一个通过水池热量向热交换器输热，进而通过回路及自然循环将加热后的水输送到安全壳外的空冷器，依靠外部大气的冷却后再将冷却水输送回水池内的热交换器；但这需要依靠外部大气与安全壳内水池有足够大的温差以及足够小的回路阻力，一旦外部大气温度过高，将无法实现水池的冷却，最终反应堆所在水池将沸腾，反应堆将因得不到有效冷却而过热熔毁。

第三种，选用蒸汽发生器主蒸汽管线和自动卸压系统协同向汽轮机供汽，驱动汽轮机带动给水泵运转，以实现自动水循环冷却；但汽轮机是大型压水堆核电厂中所固有的二回路大型发电设备，即池式反应堆或池壳式反应堆中根本无法实现转用。

即现有技术始终没有适合池式反应堆或池壳式反应堆的冷却手段，所以为解决此问题，本发明提供了一种反应堆本体所在水池的自驱动式补水系统，此自驱动式补水系统的核心在于，利用反应堆水池10内产生的蒸汽驱动螺杆膨胀机41运转，螺杆膨胀机41因此产生驱动力控制循环水泵42持续抽水送至反应堆水池10，以实现全自动的供水冷却操作。

此自驱动式补水系统至少具备以下优点：

第一，自驱动式补水系统的驱动动力来源于反应堆水池10内产生的蒸汽，无需增设任何主动驱动设备，只要反应堆一直处于过热状态，蒸汽便会源源不断的产生，若蒸汽停止产生，则表明反应堆已经降温，也无需降温。

第二，自驱动式补水系统供水冷却的方式实现了水源的持续输入，即保证了反应堆水池10内的水位不会下降至警戒线以下；而且水源的持续输入也确保了蒸汽能够持续产生，从而为自驱动式补水系统的动力来源提供了可靠保障。

第三，螺杆膨胀机41的体积要远小于水轮机，从而使得利用蒸汽驱动进行补水的冷却方式在池式反应堆或池壳式反应堆中得以实现，这是提高池式反应堆或池壳式反应堆安全性极为重要的一步；而且螺杆膨胀机41不但运行稳定性要远高于水轮机，甚至维修难度也远低于水轮机，所以也更为符合安全可靠的自驱动式补水系统设计需求。

为更好的对本发明技术方案进行详细阐述，下文将提供自驱动式补水系统的多个具体实施例进行说明。

实施例一

如图1所示，此实施例为一种反应堆本体所在水池的自驱动式补水系统，包括反应堆水池10、反应堆容器20、主动冷却机构30、被动冷却机构40和监控机构。

有关上述的反应堆水池10，应将反应堆水池10设置于反应堆的厂房60内，并设置反应堆水池10内部围闭成密封空间，以便于在反应堆水池10内进行密封储水；其中，反应堆水池10形成的密封空间是相对密封，而并非绝对密封，因为反应堆水池10内部还需接入其他器件、排出蒸汽、以及进行注水等，所以反应堆水池10所指的密封空间是一种各个连接导通部位均进行密封设置的空间。

有关上述的反应堆容器20，应将反应堆容器20设于反应堆水池10内，并设置反应堆容器20外部换热连接有换热管路21；其中，反应堆容器20内部用于装载反应堆，反应堆进行反应时会产生大量的热，一般情况下，这些热量是由主动冷却机构30吸收带走，而一旦需要停机维护或出现事故，主动冷却机构30将会停止工作，此时则可改为利用换热管路21进行换热。

具体的，为了实现主动冷却机构30和换热管路21之间的应用切换，此实施例设置了主动冷却机构30与反应堆容器20换热的管路上接通有应急阀门22，应急阀门22的关闭用于切断主动冷却机构30与反应堆容器20的换热；换热管路21与主动冷却机构30接通，换热管路21上接通有换热阀门23，换热阀门23用于控制主动冷却机构30与换热管路21之间的通闭。

譬如在反应堆正常工作时，应急阀门22处于打开状态，换热阀门23处于关闭状态，主动冷却机构30会控制冷却剂进行循环流动，由于冷却剂会流经反应堆容器20以吸取热量，所以冷却剂的循环流动将可及时带走反应堆产生的热量。

而需要进行维护或出现事故时，则可打开换热阀门23，以使冷却剂流动填充于换热管路21内，然后停止主动冷却机构30的工作，并将应急阀门22关闭；由于换热管路21是直接外露于反应堆水池10的内部空间中，所以换热管路21将会与反应堆水池10内的水直接接触，甚至是整体浸泡于反应堆水池10内的水中；因为此实施例的换热管路21与反应堆容器20之间为换热连接，所以反应堆内产生的热量将会先传递至换热管路21内的冷却剂，然后再传递至反应堆水池10内的水中，从而在主动冷却机构30停工后依然能够实现对反应堆的及时散热。

需要指出，为实现换热管路21与反应堆容器20之间的换热连接，可设置两者为直接接触传热，也可以设置为利用换热器实现换热连接；但考虑应急状态下的工作可靠性，此实施例优选设置换热管路21与反应堆容器20之间为直接接触进行换热，也并未设置任何驱动冷却剂循环流动的装置，即采取最基本的接触热传递方式确保了应急状态下的长期稳定换热。

有关上述的主动冷却机构30，其主要功能是确保反应堆正常工作时的及时散热，所以此实施例设置主动冷却机构30与反应堆容器20换热连接，具体的，此实施例的主动冷却机构30包括第一循环换热回路31、第二循环换热回路32、第三循环换热回路33、第一换热器34、第二换热器35和用热终端36；第一循环换热回路31接通于第一换热器34与反应堆容器20之间，第一循环换热回路31上接通有应急阀门22，第一循环换热回路31还与换热管路21接通；第二循环换热回路32接通于第一换热器34与第二换热器35之间；第三循环换热回路33接通于第二换热器35与用热终端36之间。

上述的第一循环换热回路31、第二循环换热回路32、第三循环换热回路33均可理解为一种闭环管路，并且管路上设置有相应的循环泵，以用于实现相关流体的主动循环流动。

譬如此实施例的第一循环换热回路31包括第一输液管段311、第一回液管段312和第一循环泵313，第一输液管段311与第一回液管段312连接为闭环环路，第一输液管段311用于输送冷却后的冷却剂至反应堆容器20进行吸热，第一回液管段312则用于输送升温后的冷却剂至第一换热器34进行换热降温，而第一循环泵313则接通于第一循环换热回路31内，以控制冷却剂在第一输液管段311和第一回液管段312中循环流动；类似的，第二循环换热回路32则设置第二循环泵321实现液体循环流动控制，第三循环换热回路33则设置第三循环泵331实现液体循环流动控制。

其中，第一输液管段311和第一回液管段312上均接通有应急阀门22，所以当两个应急阀门22均打开后，冷却剂便可在第一输液管段311和第一回液管段312内循环流动；而当两个应急阀门22均关闭后，则完全切断了主动冷却机构30与反应堆容器20之间的换热，反应堆容器20此时仅与开启后的换热管路21存在换热关系。

而具体至主动冷却机构30的具体工作过程，在主动冷却机构30正常工作时，应急阀门22处于打开状态，换热阀门23处于关闭状态，第一循环换热回路31内填充有冷却剂，第一循环泵313控制冷却剂流动至反应堆容器20吸取热量，然后冷却剂回流至第一换热器34，第一换热器34将吸取回流冷却剂的热量，以使冷却剂降温后再次返回反应堆容器20进行吸热，如此循环，便可实现反应堆的及时降温。

而第一换热器34吸取的热量将会经第二循环换热回路32送至第二换热器35，然后第二换热器35吸取相应的热量，并将吸取的热量经第三循环换热回路33送至用热终端36，以便反应堆产生的热能最终能够获得合理利用。

譬如用热终端36可能是一个市民供暖系统，此时的用热终端36即可利用反应堆产生的热量为居民进行供暖；又或者用热终端36可以是一个温室种植场，此时的用热终端36即利用了反应堆产生的热量创造温室环境。

有关上述的被动冷却机构40，其主要功能是实现反应堆应急状态下的冷却散热，具体的，此实施例设置被动冷却机构40包括螺杆膨胀机41、循环水泵42和冷却水池43；螺杆膨胀机41的动力输入端与反应堆水池10的内部接通，螺杆膨胀机41的动力输出端与循环水泵42的动力输入端连接，且螺杆膨胀机41的泄气口连接有乏汽下泄管线44；循环水泵42的抽水端与冷却水池43的内部接通，循环水泵42的供水端与反应堆水池10的内部接通。

当进入维护或事故状态后，反应堆产生的热量将会导致反应堆水池10内的水温迅速上升，此时大量产生的水蒸气便会经管道输送至螺杆膨胀机41的动力输入端，并以此驱动螺杆膨胀机41运转产生对循环水泵42的驱动力，循环水泵42便可经管道从冷却水池43抽水送至反应堆水池10内，以确保对反应堆进行充分降温，同时也防止出现水位过低的现象。

其中，螺杆膨胀机41是依靠气体体积膨胀，驱动螺杆转子旋转，将热能转换为机械能的一种热机，螺杆膨胀机41与汽轮机、内燃机等热机相比，螺杆膨胀机41的发展历程较短，是21世纪获得长足发展的一种新兴动力机械，可广泛应用于工业余热回收、地热发电、生物质发电等领域，可直接驱动发电机，也可直接拖动泵、风机等机械设备。

螺杆膨胀机41其结构与双螺杆压缩机基本相同，并按气体压缩的逆原理工作。主要由一对互相啮合的螺杆转子和机壳组成，转子与转子、转子与机壳之间以间隙密封，形成容积可连续变化的工作腔，含有热量的气态工质进入工作腔绝热膨胀，驱动转子旋转做功，膨胀做功的同时，工质的压力和温度降低，以此实现热功转换。

螺杆膨胀机41主要优点如下：

优点一，可达较高等熵效率。优秀的螺杆型线设计、微米级的高精度加工制造能力，可获得85％以上等熵效率，相比速度式汽轮机可更高。

优点二，除过热区外，还能可靠适应气液两相区(饱和蒸汽)，高、低品位热源均可使用。

优点三，间隙密封原理，有一定的除垢自洁能力。

优点四，螺杆转子长径比适中、动平衡性好、简单可靠、无易损件，可十年无大修。

优点五，可全自动无人管理。

还需指出，当蒸汽对螺杆膨胀机41做功完毕后，蒸汽会流经乏汽下泄管线44排出，所以为避免对外界造成污染，此实施例将乏汽下泄管线44设于反应堆容器20放置的厂房60内，所以排出的蒸汽始终不会直接排放至外界，从而为提高安全保障提供了重要的作用。

有关上述的监控机构，其主要作用是反应堆水池10内部进行监测，以便及时进行相关调控操作；所以此实施例的监控机构包括压力传感器51、水位传感器52和主控阀门53；压力传感器51和水位传感器52均设于反应堆水池10内部；主控阀门53与螺杆膨胀机41动力输入端接通；在测得反应堆水池10内的压力或水位超出预设值时，监控机构用于控制主控阀门53打开。

譬如在反应堆容器20正常工作时，反应堆水池10内的压力较低，水位也较高，所以监控机构将判断系统处于正常状态，从而保持主控阀门53的关闭，以确保反应堆水池10内部的密封性。

可是一旦反应堆容器20出现异常，反应堆容器20便会通过换热管路21将热量输送至反应堆水池10内，反应堆水池10内将因此升温并产生大量水蒸气，从而导致其内部的压力升高、以及水位下降，所以监控机构此时打开主控阀门53，则可利用蒸汽驱动螺杆膨胀机41工作，并实现后续往反应堆水池10内补水的目的。

实施例二

本发明自驱动式补水系统的第二个实施例如图2所示，其与第一个实施例基本一致，区别在于，自驱动式补水系统还包括备用冷却机构70，备用冷却机构70包括备用螺杆膨胀机71和备用循环水泵72；备用螺杆膨胀机71的动力输入端与反应堆水池10的内部接通，备用螺杆膨胀机71的动力输出端与备用循环水泵72的动力输入端连接，且备用螺杆膨胀机71的泄气口连接有备用乏汽下泄管线73；备用循环水泵72的抽水端与冷却水池43的内部接通，备用循环水泵72的供水端与反应堆水池10的内部接通；监控机构还用于控制备用螺杆膨胀机71与反应堆水池10的通闭。

备用螺杆膨胀机71和备用循环水泵72的工作方式和效果，与上文提及的螺杆膨胀机41和循环水泵42一致，故此不再叙述；而采用此设置方式后，一旦螺杆膨胀机41和循环水泵42出现故障，则可启动备用螺杆膨胀机71和备用循环水泵72进行工作，以确保对反应堆水池10补水的稳定进行；当然，备用螺杆膨胀机71和备用循环水泵72并不仅限于一套，也可根据实际需求设置更多的数量。

另外，此实施例的监控机构还包括备用通路阀门54和水流传感器55；备用通路阀门54与备用螺杆膨胀机71动力输入端接通；水流传感器55设于循环水泵42在反应堆水池10内的出水处；在测得循环水泵42供水量低于预设值时，监控机构用于控制备用通路阀门54打开。

在采用此设置方式后，则可利用水流传感器55判断循环水泵42是否存在供水不足的问题，确保一旦发生此问题后，能够及时打开备用通路阀门54，以利用备用螺杆膨胀机71和备用循环水泵72继续对反应堆水池10进行补水操作，为系统的安全性提供了更好的保障。

实施例三

本发明自驱动式补水系统的第三个实施例如图3所示，其与第二个实施例基本一致，区别在于，备用冷却机构70还包括备用水池74，备用循环水泵72的抽水端还与备用水池74的内部接通。

在采用上述设置方式后，即使冷却水池43因特殊情况出现供水不足，也能利用备用冷却机构70从备用水池74内进行抽水，即为特殊情况的应对进行了更充足的准备，从而进一步提高了系统的安全性。

另外，此实施例还设置在测得循环水泵42供水量低于预设值时，监控机构还用于控制主控阀门53关闭。

在采用此设置方式后，一旦主控阀门53关闭，即反应堆水池10内的水蒸气将全部供给备用冷却机构70使用，从而确保在被动冷却机构40出现故障时，备用冷却机构70能够获取更充足的动力进行工作。

而且此实施例还设置在测得循环水泵42供水量正常、且反应堆水池10内水位低于预设值时，监控机构用于控制主控阀门53和备用通路阀门54打开。

在采用此设置方式后，即使被动冷却机构40的供水速度赶不上反应堆水池10内的蒸汽产生速度，也可以同步启动备用冷却机构70，以此通过两个冷却机构进行同步供水，从而为应对更极端的情况做了充足准备。

还需指出，本发明还提供了一种反应堆本体所在水池的自驱动式补水方法，应用了上述的自驱动式补水系统，主动冷却机构30对反应堆容器20进行主动冷却散热；当反应堆停堆或发生事故后，关停主动冷却机构30，开启换热管路21与反应堆水池10内的水进行换热；若测得反应堆水池10内的压力或水位超出预设值，监控机构控制主控阀门53打开，反应堆水池10内产生的蒸汽驱动螺杆膨胀机41运转，螺杆膨胀机41运转驱动循环水泵42工作，循环水泵42从冷却水池43抽送送至反应堆水池10内。

采用此自驱动式补水方法后，将可获得与上文相一致的有益效果，故此不再叙述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。