CN105006258A - 一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，至少包括：换热管组件，换热管组件包括：多根内部填装有一定量冷却工质的换热管，换热管的内部保持一定的负压；格架，多根换热管在格架上等距均匀布置，格架可在乏燃料水池的液体中产生一定的浮力以使换热管组件能够浮动在乏燃料水池的液面上，换热管置放在乏燃料水池液面以下的部分为吸热端，换热管置放在乏燃料水池液面以上的部分为放热端；冷却工质为低沸点工质。本发明还公开了一种核电厂乏燃料水池浮动式非能动冷却系统。实施本发明的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置及系统，实现完全非能动的方式进行运转，提高安全性；进一步增大散热面积，大幅提高热移除能力；可重复利用传热工质，环保稳定。

Description

一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置及系统

技术领域

本发明涉及核电领域，尤其涉及一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置及系统。

背景技术

核电厂堆芯中的燃料达到燃耗深度之后，自反应堆中卸出移到乏燃料水池（SFP）储存。现有的乏燃料水池储存分为两种，一种是干式储存，另一种是湿式储存，目前广泛采用的是后者。SFP的抗震结构设计可以确保水池完整性和燃料安全；覆盖乏燃料的池水深度为工作人员提供足够的辐射防护；燃料格架的设计和可溶毒物（硼）可以保证乏燃料的次临界安全；乏燃料水池冷却和净化系统（SFS）为乏燃料水池水提供足够的冷却，带走衰变热。

当前二代核电厂对于乏燃料水池的冷却，采用了依靠泵及电力提供动力的冷却回路，当发生全厂断电或更严重的地震事故，该冷却回路不可用，从而导致乏燃料水池冷却丧失、甚至导致乏燃料组件裸露。

进一步地，现有的核电厂的乏燃料水池能动冷却系统和非能动冷却系统存在如下技术缺陷：

1、乏燃料水池的冷却有效性依赖于交流电源有效性，发生事故后如果电源不能及时恢复，将导致乏燃料裸露。在类似福岛核事故的情况下，无法保障乏燃料安全；

2、现有核电厂的乏燃料水池非能动冷却设计中（如AP1000），乏燃料水池的衰变热的移除依赖非能动安全补水，而非能动安全补水水源是有限的，因此其执行非能动冷却的有效时间最多只达72小时；

3、现有核电厂的乏燃料水池非能动冷却设计中（如AP1000），安全注入系统的启动和调节依赖1E级直流电和操纵员动作，1E级直流电的失效将为其带来困难，而操纵员的现场操作将造成个体剂量的增加；

4现有湿式乏燃料贮存系统（如中国发明专利公布号CN103377737）设计，其换热管在垂直方向的位置是固定的，而事故后乏燃料水池水由于蒸发导致液位下降，进而导致浸入液位以下的吸热段长度减小，吸热面积减小，从而不能有效吸收乏燃料水池的热量；

5、现有一种压水堆核电站乏燃料水池的热管冷却装置（如中国发明专利公布号CN202855320）设计中，热管散热组件为水平放置，不利于热管内工质的自然循环流动。

因此，自福岛核事故之后，乏燃料水池冷却和长期补水问题受到广泛关注，对非能动乏燃料水池冷却和补水的非能动性能和有效时间提出了更高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置及系统，实现完全非能动的方式进行运转，提高安全性；进一步增大散热面积，大幅提高热移除能力；可重复利用传热工质，环保稳定。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，至少包括换热管组件，换热管组件包括：多根内部填装有一定量冷却工质的换热管，换热管设为密封，换热管的内部保持一定的负压，换热管具有吸热端和放热端；用以对多根换热管进行固定的格架，多根换热管在格架上等距均匀布置，其中：格架可在乏燃料水池的液体中产生一定的浮力以使换热管组件能够浮动在乏燃料水池的液面上，换热管置放在乏燃料水池液面以下的部分为吸热端，换热管置放在乏燃料水池液面以上的部分为放热端；冷却工质为低沸点工质以使吸热端被乏燃料水池的池水加热后可致冷却工质蒸发，放热端被空气冷却可致冷却工质冷凝。

其中，格架为中空的圆柱状密封桶，用以在多组换热管组件进行拼装时减小与相邻换热管组件之间的切线或切点。

其中，多组换热管组件进行拼装后的长度尺寸和宽度尺寸分别大于换热管的轴向高度尺寸。

其中，换热管为中空且两端密封的圆柱管，其重心位于其中下部。

其中，换热管的外壁上装设有翘片。

其中，冷却工质的沸点在25°C-100°C之间。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统，包括：乏燃料水池和多组上述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，其中，多组换热管组件拼装为一体，多组换热管组件浮动设置在乏燃料水池的液面上或多组换热管组件悬挂在乏燃料水池液面的上方且与乏燃料水池的液面保持一定的距离。

其中，多组换热管组件垂直漂浮在乏燃料水池的液面上。

其中，还包括吊装装置，吊装装置包括：装设在乏燃料水池液面上方的支撑滚轮；吊缆，吊缆穿过支撑滚轮，其一端连接在多组换热管组件上，相对的另一端固定在乏燃料水池中；以及用以在事故工况下切断位于乏燃料水池中吊缆的温控开关，温控开关的内部填装有一定量的可随温度变化产生体积变化的工质。

其中，还包括用以保持乏燃料水池的液面在预设深度的重力补水装置，重力补水装置包括：水箱、连接在水箱上的出水管、设置在出管端部的喷淋端、设置在出管上的阀门以及用以调节阀门开度的连杆，连杆的一端连接阀门、相对的另一端连接浮球，其中：浮球通过连杆与阀门相连。

其中，乏燃料水池的壁面上设有固定装置，固定装置通过一套管轴承与连杆相连接。

本发明所提供的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置及系统，具有如下有益效果：

第一、由于换热管组件中的冷却工质为低沸点工质，其吸热端被乏燃料水池的池水加热后可致冷却工质蒸发，放热端被空气冷却可致冷却工质冷凝。无需安全级交流电，无需1E级直流电，无需操纵员的任何操作，可大大减少操纵员的辐照剂量，实现了乏燃料水池的非能动冷却过程，更加安全可靠；

第二，基于低沸点工质相变换热的蒸发和冷凝过程及多根换热管的使用，使得换热系数高，大幅提高热移除能力；此外，由于换热管组件浮动在水面上，换热管始终插入在水位下一定的深度，保证了始终具有足够的换热面积；

第三、传热管内冷却工质可重复利用，其执行换热功能的时间无限长，稳定性高；

第四、由于包括吊装装置，其包括用以在事故工况下切断位于乏燃料水池中吊缆的温控开关，温控开关的内部填装有一定量的可随温度变化产生体积变化的工质，无需任何仪控信号进行触发，乏燃料水池非能动冷却系统在事故后自动开始工作；

第五、不以其它冷却水作为主要的排热手段，无需设置较大的水箱；相对于安全级交流电驱动的乏燃料水池冷却系统和重力驱动注水的非能动乏燃料水池冷却系统，具有极高的可靠性和经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统的结构示意图。

图2是本发明实施例核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合参见图1-图2所示，为本发明核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统的实施例一。

本实施例中的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统包括乏燃料水池1和多组能够浮动在乏燃料水池1的液面11上的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置用以对池水进行散热。

具体实施时，乏燃料贮存水池1为乏燃料提供了一个贮存空间。通常，燃料组件（图未示）置放在池底。本实施例中，乏燃料贮存水池1设计深度为13米，其为钢筋混凝土结构，水池的内壁上设有不锈钢覆面，以防止渗透辐射。正常工况下，池中有含硼水。

进一步地，核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置至少包括换热管组件2，本实施例中，换热管组件2包括：

多根内部填装有一定量冷却工质T的换热管21，换热管21的内部保持一定的负压，换热管21具有吸热端211和放热端212。其中，换热管21的数量可根据实际需要进行调整，例如数百根或数千根。换热管21中的负压可以通过抽真空的方式实现，其内部负压的状态也有利于在其与格架22装配后保持一定的浮力，能够浮动在乏燃料贮存水池1的液面上。

用以对多根换热管进行固定的格架22，多根换热管21在格架22上等距均匀布置，其有利于形成均匀的散热空间，增强散热效果。

格架22可在乏燃料水池的液体1中产生一定的浮力以使换热管组件2能够浮动在乏燃料水池1的液面11上。具体实施时，可以通过将格架22设为中空的结构加以实现。例如，本实施例中，格架22为圆柱状的中空密封桶，格架22的上下底面之间开设有与多根换热管21数量相对应的固定结构，例如卡持槽等，以对换热管21进行轴向固定。可以理解的是，格架22的密封结构可以形成一定的浮力，使整个组件浮动在水面上。

进一步的，换热管21为中空且两端密封的圆柱管，由于其内部填装有一定量的冷却工质并保持有一定的负压，使得其在工作时维持下部多为液体，上部多为汽体的状态，也进而使得换热管21的重心位于中下部，其作用是减小换热管组件倾覆的可能性，也有利于当多个换热管21被同时固定在格架22中，换热管组件2可在水中垂直站立，不会倾覆。

换热管21置放在乏燃料水池液面11以下的部分为吸热端211，换热管21置放在乏燃料水池液面11以上的部分为放热端212；冷却工质T为低沸点工质以使吸热端211被乏燃料水池1的池水加热后可致冷却工质蒸发，放热端212被空气冷却可致冷却工质冷凝。具体实施时，冷却工质包括：异丁烷、正丁烷、氟里昂11以及氟里昂114中的任意一种或其多种的组合。此外，冷却工质的沸点在25°C-100°C之间，也就是大气环境温度和乏燃料贮存水池中水的沸腾温度之间。这样，换热管21在液面以下的部分（吸热端211）被池水加热导致工质蒸发、液面以上的部分（放热端212）被空气冷却导致工质冷凝。

优选的，换热管21的外壁上装设有翘片213，用以加强换热，提升散热效率。

其它实施方式中，换热管组件2可以进行叠加组装，也就是多组拼装的结构方式形成一个大构件。例如，可以拼装四组，八组等换热管组件2，并将其固定在一起。如此设置可以进一步增强核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置在水面垂直站立的稳定性，也可以增强其散热性能。

优选的，多组换热管组件2能够垂直站立在乏燃料水池1的液面11上。

需要说明的是，格架22设为中空的圆柱状密封桶还可以起到如下功用，当多组换热管组件进行拼装时，设为圆柱状的格架22可以减小与相邻换热管组件之间的切线或切点，从而减少与相邻换热管组件发生碰撞的可能。

优选的，多组换热管组件2进行拼装后的长度尺寸和宽度尺寸分别大于换热管21的轴向高度尺寸，如此设置的作用是：保证浮动在液面上的换热管组件21不容易被倾覆。

进一步的，多组换热管组件21浮动设置在乏燃料水池1的液面11上或多组换热管组件21悬挂在乏燃料水池液面11的上方且与乏燃料水池1的液面11保持一定的距离。

具体实施时，也就是正常运行工况下，换热管组件2有以上的两种可选的放置方式。其一是将换热管组件直接放置在乏燃料池1的液面11上，每次换料之前，利用燃料吊装设备将其从液面吊起、移开，然后进行燃料组件抓取和运输的操作，换热管组件在非换料时段始终浮动在液面上。另一种是将换热管组件2悬挂在乏燃料水池11的上方且与乏燃料水池1的液面11保持一定的距离，发生事故时被触发掉落乏燃料水池内，这样的放置不会影响换料时段的燃料组件抓取和运输。

上述多组换热管组件21悬挂在乏燃料水池液面11的上方且与乏燃料水池1的液面11保持一定距离的实施方式中，核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统还包括吊装装置3，吊装装置3包括：装设在乏燃料水池液面11上方的支撑滚轮31；吊缆32，吊缆32穿过支撑滚轮31，其一端连接在多组换热管组件2上，相对的另一端固定在乏燃料水池1中；以及用以在事故工况下切断位于乏燃料水池中吊缆32的温控开关，温控开关33的内部填装有一定量的可随温度变化产生体积变化的工质。本实施例中，吊缆32可以设为多根。

温控开关33用于在事故工况下切断吊缆，使换热管组件2可以掉落在乏燃料水池1中。当温控开关33周围的环境温度发生变化时，温控开关33内的工质产生相应的热胀冷缩，也就是工质体积的变化。然后，通过杠杆原理，带动开关通断动作，达到切断吊缆32的目的，该温控开关33无需任何其他外部动力。

进一步地，核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统还包括用以保持乏燃料水池的液面在预设深度的重力补水装置（图未示），重力补水装置包括：水箱、连接在水箱上的出水管、设置在出管端部的喷淋端、设置在出管上的阀门以及用以调节阀门开度的连杆，连杆的一端连接阀门、相对的另一端连接浮球，其中：浮球通过连杆与阀门相连。

优选的，乏燃料水池的壁面上设有固定装置，固定装置通过一套管轴承与连杆相连接。

具体实施时，重力补水系统可以补充由于池水蒸发造成的乏燃料水池液位下降，并保证换热管组件2不至于下沉与燃料组件相触碰。

本发明所提供的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置及系统在具体实施时，核电厂正常运行工况下采用能动乏燃料正常池冷却系统进行冷却，不需要本发明实施例子的上述换热管组件2投入乏燃料水池1。此时，换热管组件2有上述的两种可选的放置方式。

一旦发生事故（如全厂断电或地震等事故工况），乏燃料水池1正常能动冷却将长期失效，池水会升温。如果采用多组换热管组件2浮动设置在乏燃料水池1的液面11上的放置方式，换热管组件2的换热管吸热端自动吸收池水热量，管内工质达到沸点之后会蒸发，气体向上流动进入放热端212，在这里被换热管外壁面空气冷却，工质被冷凝成液相，液相工质沿着内壁面向下流动，回到吸热段。即形成池水→吸热端钢壁面→工质→放热端钢壁面→空气的冷却链，通过工质反复的蒸发、冷凝、回流，将池水的热量最终传递到空气。如果采用多组换热管组件2悬挂在乏燃料水池1液面11的上方且与乏燃料水池1的液面11保持一定的距离的放置方式，乏燃料水池1的池水升温，会自动触发吊缆上的温控开关33，待全部温控开关22被触发、即四根吊缆32全部断开后，换热管组件2自动掉落至乏燃料水池，换热管21开始执行排热功能。

事故后，乏燃料池水不可以避免地会有一部分蒸发，从而造成乏燃料水池液位下降，池水液位下降，造成换热管组件也随之下降，如果下降得太低，可能会接触燃料组件格架或燃料组件，因此，重力补水系统启动，用以恒定液位。当乏燃料水池液位下降时，浮球随之下降，浮球的下降导致连杆下降，连杆的位置移动可造成出管上自力式阀门开度的增大，从而打开阀门和控制阀门开度；当出管阀门打开以后，安全注入水箱中的水通过出水管、喷淋装置进入到乏燃料水池，造成乏燃料水池液面的逐渐上升，水位的上升导致浮球上升，浮球的上升导致连杆上升，连杆的位置移动可造成出管上自力式阀门开度的减小，从而控制阀门开度和关闭阀门。

本发明所提供的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置及系统，具有如下有益效果：

第一、由于换热管组件中的冷却工质为低沸点工质，其吸热端被乏燃料水池的池水加热后可致冷却工质蒸发，放热端被空气冷却可致冷却工质冷凝。无需安全级交流电，无需1E级直流电，实现了乏燃料水池的非能动冷却过程。无需操纵员的任何操作，实现了乏燃料水池的非能动冷却过程，更加安全可靠；

第二，基于低沸点工质相变换热的蒸发和冷凝过程及多根换热管的使用，使得换热系数高，大幅提高热移除能力；此外，由于换热管组件浮动在水面上，换热管始终插入在水位下一定的深度，保证了始终具有足够的换热面积；

第三、传热管内冷却工质可重复利用，其执行换热功能的时间无限长，稳定性高；

第四、由于包括吊装装置，其包括用以在事故工况下切断位于乏燃料水池中吊缆的温控开关，温控开关的内部填装有一定量的可随温度变化产生体积变化的工质，无需任何仪控信号进行触发，乏燃料水池非能动冷却系统在事故后自动开始工作；

第五、不以其它冷却水作为主要的排热手段，无需设置较大的水箱；相对于安全级交流电驱动的乏燃料水池冷却系统和重力驱动注水的非能动乏燃料水池冷却系统，具有极高的可靠性和经济性。

Claims (11)

1.一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，其特征在于，至少包括换热管组件，所述换热管组件包括：

多根内部填装有一定量冷却工质的换热管，所述换热管设为密封，所述换热管的内部保持一定的负压，所述换热管具有吸热端和放热端；

用以对所述多根换热管进行固定的格架，所述多根换热管在所述格架上等距均匀布置，其中：

所述格架可在乏燃料水池的液体中产生一定的浮力以使所述换热管组件能够浮动在乏燃料水池的液面上，所述换热管置放在乏燃料水池液面以下的部分为吸热端，所述换热管置放在乏燃料水池液面以上的部分为放热端；所述冷却工质为低沸点工质以使所述吸热端被乏燃料水池的池水加热后可致所述冷却工质蒸发，所述放热端被空气冷却可致所述冷却工质冷凝。

2.如权利要求1所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，其特征在于，所述格架为中空的圆柱状密封桶，用以在多组换热管组件进行拼装时减小与相邻换热管组件之间的切线或切点。

3.如权利要求2所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，其特征在于，多组换热管组件进行拼装后的长度尺寸和宽度尺寸分别大于所述换热管的轴向高度尺寸。

4.如权利要求1所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，其特征在于，所述换热管为中空且两端密封的圆柱管，其重心位于其中下部。

5.如权利要求4所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，其特征在于，所述换热管的外壁上装设有翘片。

6.如权利要求1所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，其特征在于，所述冷却工质的沸点在25°C-100°C之间。

7.一种核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统，其特征在于，包括：乏燃料水池和多组如权利要求1-6任一项所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却装置，其中：

多组换热管组件拼装为一体，所述多组换热管组件浮动设置在所述乏燃料水池的液面上或所述多组换热管组件悬挂在所述乏燃料水池液面的上方且与所述乏燃料水池的液面保持一定的距离。

8.如权利要求7所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统，其特征在于，所述的多组换热管组件垂直漂浮在所述乏燃料水池的液面上。

9.如权利要求7所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统，其特征在于，还包括吊装装置，所述吊装装置包括：

装设在所述乏燃料水池液面上方的支撑滚轮；

吊缆，所述吊缆穿过所述支撑滚轮，其一端连接在所述多组换热管组件上，相对的另一端固定在所述乏燃料水池中；

以及用以在事故工况下切断位于所述乏燃料水池中所述吊缆的温控开关，所述温控开关的内部填装有一定量的可随温度变化产生体积变化的工质。

10.如权利要求7所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统，其特征在于，还包括用以保持乏燃料水池的液面在预设深度的重力补水装置，所述重力补水装置包括：水箱、连接在所述水箱上的出水管、设置在所述出管端部的喷淋端、设置在所述出管上的阀门以及用以调节所述阀门开度的连杆，所述连杆的一端连接阀门、相对的另一端连接浮球，其中：

所述浮球通过所述连杆与所述阀门相连。

11.如权利要求10所述的核电厂浮动式乏燃料水池非能动冷却系统，其特征在于，所述乏燃料水池的壁面上设有固定装置，所述固定装置通过一套管轴承与所述连杆相连接。