带有能动与非能动水冷热阱的潜式安全壳

技术领域

本发明涉及核反应堆的安全系统领域，尤其涉及一种带有能动与非能动水冷热阱的潜式安全壳。

背景技术

安全壳是核电站发生事故时避免放射性物质外泄的最后一道物理屏障，在发生事故时，反应堆衰变热以及大量高温蒸汽在安全壳内逐渐累积，可能发生安全壳超温超压失效风险。

安全壳本身只是有一定承压性的安全屏障，不具备最终热阱功能，现有技术中，通常采用能动喷淋、钢制壳体液膜冷却、热管式冷却三种方式，将热量最终排出到大气环境中。

其中，能动喷淋的方式，要求克服壳内背压和高位水头，用电需求大；钢制壳体液膜冷却的方式，需要高位水箱且热阱能力不足；热管式冷却的方式，也需要高位水箱，安全壳结构载荷大以及抗震要求高，另外热阱能力有限，热管换热面积要求大，换热效果差，整体上经济性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种带有能动与非能动水冷热阱的潜式安全壳。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种带有能动与非能动水冷热阱的潜式安全壳，包括壳本体以及水冷热阱；所述壳本体的底部基准面低于地面，所述壳本体内部包括连通的腔体及堆坑，且所述堆坑相较于所述腔体更靠近所述壳本体底部；水冷热阱包括输入通道、输出通道、循环泵、模式切换阀、设置于所述壳本体外部的水池以及设置于所述水池内的换热器，所述换热器相对的两端分别和所述输入通道与所述输出通道相连；所述输入通道与所述输出通道分别连接于所述壳本体，所述输入通道与所述腔体相连通，所述输出通道与所述堆坑相连通，所述壳本体与所述水冷热阱形成有封闭回路；所述循环泵与所述模式切换阀并联设置于所述输入通道和/或所述输出通道内，所述水冷热阱具有能动模式与非能动模式，所述水冷热阱处于能动模式时，所述模式切换阀处于关闭状态，所述循环泵处于开启状态，所述封闭回路中进行能动的水汽循环；所述水冷热阱处于非能动模式时，所述循环泵处于关闭状态，所述模式切换阀处于开启状态，所述封闭回路中进行非能动的水汽循环。

在一些实施例中，所述换热器包括相对设置的入口端以及出口端，所述入口端高于所述出口端；所述入口端与所述输入通道相连，所述出口端与所述输出通道相连。

在一些实施例中，所述换热器的底标高高于所述堆坑的墙体顶部。

在一些实施例中，所述输出通道的入口端的高度高于或等于所述输出通道的出口端的高度。

在一些实施例中，所述水池设置于所述壳本体的周边，所述换热器设置于所述水池内且浸没于所述水池的水体中。

在一些实施例中，所述水池处于地面以上或地面以下。

在一些实施例中，所述输出通道的出口端到所述堆坑底部的距离大于或等于所述堆坑的深度。

在一些实施例中，压力容器设置在所述堆坑内，且所述压力容器内设置有堆芯燃料区，且所述堆坑的墙体顶部高于所述堆芯燃料区的顶标高。

在一些实施例中，所述换热器的底标高高于所述堆芯燃料区的顶标高。

在一些实施例中，所述压力容器与所述堆坑的壁面形成有间隙，所述输出通道与所述间隙相连通，且所述堆坑与所述压力容器之间形成有堆内熔融物滞留系统。

实施本发明具有以下有益效果：本发明采用能动与非能动相结合的方式，适用于分阶段缓解事故，满足长时效的排热需求，显著提升缓解措施的经济性；此外，水冷热阱与壳本体形成有封闭循环回路，在能动模式时，通过低功耗循环泵的驱动，在该回路完成水汽循环，具有用电需求小、热阱能力强以及换热效果好的优点；再者，采用潜式壳体与外置水池的设计，解决了高位水箱对安全壳结构载荷大与抗震要求高的问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例的核岛布置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的核岛布置的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”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、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，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”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

图1示出了本发明一些实施例中的核岛布置以及主要设备，包括安全壳1、压力容器2以及堆芯燃料区3。安全壳1用于事故发生后防止放射性物质外泄。压力容器2设置于安全壳1的底部，作为反应堆一回路的重要压力边界。堆芯燃料区3设置于压力容器2的内部，用于容置核反应堆的堆芯燃料。进一步地，压力容器2与安全壳1的内部结构形成有IVR系统(In-Vessel Retention,堆内熔融物滞留系统)，可将压力容器2内的热量导出至安全壳1中，安全壳1再将热量导出至外部环境，以实现排热功能。

安全壳1在一些实施例中可包括壳本体11、堆坑12以及水冷热阱13。壳本体11呈中空且封闭的壳体，用于为核反应堆提供保护结构。壳本体11内部包括连通的腔体及堆坑12，且堆坑12相较于腔体更靠近壳本体11底部。具体地，腔体处于壳本体11的中上部，堆坑12处于壳本体11的底部。

压力容器2设置于堆坑12内，并与堆坑12的壁面之间形成有间隙，该间隙用于容置水体。水冷热阱13与壳本体11相连并形成有封闭回路，用于冷却壳本体11内的高温气体。进一步地，水冷热阱13的入口端与腔体相连通，出口端与堆坑12相连通。

堆坑12、压力容器2以及两者之间的间隙形成有IVR系统，用于在发生事故后向堆坑12中注水，并通过自然对流将压力容器2内部的热量移出。可以理解地，堆坑12的墙体顶部121高于堆芯燃料区3的顶标高，以使堆坑12中的水能完全浸没堆芯燃料区3。其中，标高表示一个物体各部分的高度，底标高表示该物体底面的标高值，顶标高表示该物体顶面的标高值。

再如图1所示，壳本体11在一些实施例中可由预应力混凝土或钢制成；壳本体11的底部基准线低于地面，呈潜式，即壳本体11其中一部分位于地面以下，也可全部位于地面以下，其分布位置并不局限于图示的布局，只要壳本体11的底部基准面与地面形成有足够高度差，以满足壳本体11与水冷热阱13的位置配合关系即可。

水冷热阱13在一些实施例中可包括输入通道131、输出通道132、换热器133、水池134、隔离阀135、循环泵136以及模式切换阀137。输入通道131与输出通道132分别连接于壳本体11，且输入通道131与壳本体11相连的一端的高度高于输出通道132与壳本体11相连的一端，具体地，输入通道131与壳本体11的中上部空间相连通，输出通道132与壳本体11的底部空间相连通，即输入通道131与腔体相连通，输出通道132与堆坑12相连通，用于为封闭回路中的水汽循环提供结构支持。

换热器133在一些实施例中可为热管式换热器，呈管束排列，通过上下集箱连通，并设置于水池134内且浸没于水池134的水体中，用于将壳本体11内的热量传递至水池134；其可包括上下相对设置的入口端以及出口端，入口端与输入通道131相连，出口端与输出通道132相连，可以理解地，换热器133通过输入通道131与输出通道132分别连通壳本体11的内部空间；其中管束朝向为竖直或者倾斜放置于水池134内，入口端高于出口端，可以理解地，高温气体从输入通道131进入换热器133，经冷却后，管束内的冷凝水可自流进入输出通道132。

在一些实施例中，换热器133的底标高高于堆坑12的墙体顶部121，如此利于使管束内的冷凝水利用高度差自流进入堆坑12，能够进一步降低功耗。可以理解地，在一些实施例中，堆坑12内的水体不会浸满堆坑12的全部空间，只需要水体浸没堆芯燃料区3，因此，在一些实施例中，换热器133的底标高只需保证高于堆芯燃料区3的顶标高即可。

如图1与图2所示，水池134在一些实施例中呈敞口状态，用于与换热器133进行热量传递；另外，壳本体11的底部基准面与地面留有足够高度差，可灵活布置水池134的高度，水池134可为负挖水池，也可为地面以上的水池，也可部分在地面以下，部分在地面以上；且水池134可设置于壳本体11的周边，可为专用水池，也可为与其他系统共用的水池，而无需将水池134置于壳本体11的顶部或附着于壳本体11的上部，以降低壳本体11的载荷和抗震要求；可以理解地，水池134的分布位置并不局限于图示的布局，只要能够实现相同或相似的功能即可。

隔离阀135在一些实施例中可分别设置于输入通道131与输出通道132上，且分别接近输入通道131与输出通道132和壳本体11的贯穿处，用于控制封闭回路的导通。可以理解地，隔离阀135的分布位置并不局限于图示的布局，其也可设置于壳本体11的内部或外部，只要能够实现相同或类似的功能即可。

再如图1与图2所示，循环泵136设置于输入通道131或输出通道132上，用于为封闭回路中的水汽循环提供动力，同时循环泵136减少不凝气体(例如，空气以及氢气)在换热器133内的滞留，强化冷凝效果，有利于热量排出。具体地，壳本体11的内部空间与水冷热阱13之间形成有至少一列封闭的循环回路系统，而每列循环回路中设有至少一台循环泵136以驱动回路中的水汽循环。可以理解地，循环泵136可为空气压缩泵、风机或其他可选泵，且分布位置也不局限于图示的布局，数量也不局限于图示的数量，只要能够实现相同或类似的功能即可。

模式切换阀137与循环泵136相并联，用于切换水冷热阱13的工作模式，在一些实施例中，水冷热阱13具有能动模式与非能动模式，模式切换阀137可以是手动驱动，也可以是能源驱动，阀门类型并不受局限，且结构设计也不局限于图示的方式，只要能够实现模式切换的功能即可。

具体地，压力容器2处于正常运行状态时，隔离阀135、循环泵136以及模式切换阀137处于关闭状态；发生事故时，在事故早期阶段，一回路质能释放和衰变热功率大，壳本体11升温升压快，带热需求大，此时隔离阀135与循环泵136处于开启状态，模式切换阀137处于关闭状态，水冷热阱13处于能动模式，通过循环泵136快速驱动水汽循环，以满足事故早期阶段对高排热性能的需求；在事故长期阶段，衰变热降低，壳本体11内余热排出需求减小，隔离阀135与模式切换阀137处于开启状态，循环泵136处于关闭状态，水冷热阱13处于非能动模式，通过封闭回路中的非能动自然对流进行水汽循环，免除了长期阶段对应急电源的依赖，实现长时效的排热效果，以满足事故长期阶段对低排热性能的需求。可以理解地，两种模式结合，通过设计合理的换热器面积和备用电源容量，同时又不显著增加设备，能够极大地提升事故缓解措施的经济性。

可以理解地，能动模式与非能动模式的切换，可以根据事故缓解措施的需求，设置不同的开启和切换逻辑，保护方式并不局限于图示的方式。

在一些实施例中，输入通道131和输出通道132分别与壳本体11内部相连通的一端，压差接近于零，且通过冷凝水的高度差自流，在能动模式中，仅需要循环泵136提供很小的动力即可驱动水汽在封闭回路内循环；此外，在非能动模式中，冷凝水也能利用高度差进行自流。可以理解地，输入通道131与输出通道132的分布位置并不局限于图示的布局，该两个通道可与壳本体11的内壁相连或进入壳本体11内部，两个通道贯穿壳本体11的位置也不局限于图示的位置；另外，两个通道可有弯管、三通连接部分或导流槽，其结构不局限于图示的结构，只要能够实现相同或类似的功能即可。

优选地，输入通道131的入口端可置于壳本体11内的上部空间，以便在非能动模式时高温气体进入输入通道131。输出通道132的出口端到堆坑12底部的距离大于或等于堆坑的深度，其中堆坑12的深度可以为堆坑12的墙体顶部121到堆坑12底部之间的距离。如此，有利于在非能动模式时冷凝水自流进入堆坑12的水体中，避免输出通道132与壳本体11相连的一端浸没于堆坑12的水体中。

需要说明的是，如前所述堆坑12内的水体可以无需浸满堆坑12的全部空间，因此，在一些实施例中，输出通道132的出口端也可以略低于堆坑墙体顶部121，只需要保证输出通道132的出口端不被堆坑12内的水体浸没即可。

进一步地，在一些实施例中，输出通道132包括相对设置的两端，与换热器133相连的一端的高度高于或等于与壳本体11相连的一端的高度，也即，输出通道132的入口端的高度高于或等于输出通道132的出口端的高度，输出通道132为从换热器133到堆坑12方向呈下降状态或水平状态，如此有利于使冷凝水自流进入堆坑12，从而能够降低功耗。

在一些实施例中，水冷热阱13与壳本体11之间形成有循环回路系统，具体地，在事故早期阶段，开启隔离阀135与循环泵136，模式切换阀137处于关闭状态，水冷热阱13处于能动模式，IVR系统的换料水箱(未图示)在堆坑12内注水并浸没堆芯燃料区3，且将热量从压力容器2内导出，水受热蒸发为水蒸气并扩散至壳本体11内部的中上部空间，即水受热蒸发为水蒸气并扩散至腔体，另外，一回路破口也可能会持续释放大量高温水和水蒸气；在循环泵136的驱动下，水蒸气通过输入通道131进入换热器133，换热器133将水蒸气的热量传递给水池134以及大气环境，水蒸气冷却为冷凝水，并自流进入输出通道132与堆坑12；冷凝水受热蒸发为水蒸气，并再次参与循环；在事故长期阶段，关闭循环泵136，开启模式切换阀137，水冷热阱13处于非能动模式，除了热换器133内因冷凝而引发流动的压差驱动之外，壳本体11内为热端高温气体，换热器133内为冷端低温气体，冷热两种气体存在密度差，在重力驱动下，低温气体向输出通道132自发流动，高温气体进入输入通道131以进行补充，从而形成一个非能动的自然循环回路，以实现无电源供给下长时效的排热。

可以理解地，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。