本發(fā)明涉及一種冷卻系統(tǒng)，具體涉及一種應(yīng)用于核電站事故情況下，進(jìn)行事故應(yīng)對及緩解的堆腔注水冷卻系統(tǒng)及其操作方法。
背景技術(shù)：
福島核事故之后，國際社會對核電廠嚴(yán)重事故的關(guān)注顯著增強(qiáng)。該事故后，堆芯由于等不到充分冷卻而發(fā)生裸露和熔化，形成的堆芯熔融物可能熔穿壓力容器下封頭從而進(jìn)入安全殼內(nèi)。熔融物進(jìn)入安全殼后導(dǎo)致安全殼升溫升壓，并與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終可能導(dǎo)致安全殼失效，從而發(fā)生放射性物質(zhì)大量釋放。
因此，在第三代核電技術(shù)中，熔融物的冷卻與收集措施成為國際消除大量放射性釋放的關(guān)鍵策略。雖然目前都采用熔融物壓力容器內(nèi)滯留策略，單外部冷卻的具體實施方案卻各有差異。目前國際上大多采用了基于自然循環(huán)的堆腔注水冷卻系統(tǒng)設(shè)計。嚴(yán)重事故后通過向安全殼注水淹沒堆腔，進(jìn)入堆腔后的水推開壓力容器外保溫層流道的入口浮塞，經(jīng)保溫層內(nèi)流道冷卻壓力容器外壁。保溫層流道內(nèi)的水作為上升段與外部回水流道中的下降段形成自然循環(huán)的流動。
然而，對于自然循環(huán)的外部冷卻方式，由于冷卻水是循環(huán)使用，進(jìn)入保溫層入口的水已接近飽和。目前的壓力容器外部傳熱臨界熱流密度(chf)試驗已表明，冷卻水的過冷度對壓力容器外表面chf影響非常顯著，冷卻水的過冷度越大，其極限帶熱能力越強(qiáng)。因此飽和水的最大帶熱能力即臨界熱流密度明顯受到限制，尤其是當(dāng)反應(yīng)堆功率達(dá)到1000mwe以上時，采用飽和水實施外部冷卻的安全裕量可能有限。
基于此研究并開發(fā)設(shè)計一種反應(yīng)堆堆腔注水冷卻系統(tǒng)及其采用過冷水能動注入反應(yīng)堆堆腔的操作方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：對壓力容器外部冷卻采用自然循環(huán)的冷卻方式，進(jìn)入保溫層入口的水已接近飽和，則其外部冷卻的安全裕量有限，本發(fā)明目的在于提供一種反應(yīng)堆堆腔注水冷卻系統(tǒng)及其采用過冷水能動注入反應(yīng)堆堆腔的操作方法，首先采用能動水源能動注入、后期采用低位注水箱的水循環(huán)注入堆腔的注水系統(tǒng)，為壓力容器外壁提供過冷水注入和冷卻，從而較大程度上提高了外部帶熱能力，保證了熔融物壓力容器內(nèi)滯留成功的可能性，解決了現(xiàn)有采用自然循環(huán)的冷卻水外部冷卻方式，其外部冷卻的安全裕量有限等技術(shù)問題。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
一種反應(yīng)堆堆腔注水冷卻系統(tǒng)，包括設(shè)置在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)的反應(yīng)堆堆腔，設(shè)置在反應(yīng)堆堆腔內(nèi)的壓力容器，設(shè)置在反應(yīng)堆堆腔與壓力容器之間并包圍壓力容器的保溫層，其特征在于，還包括外部注水系統(tǒng)和低位注水系統(tǒng)；
外部注水系統(tǒng)包括外部水源、與所述外部水源連接的外部注水管、在所述外部注水管上設(shè)置注水泵，注水泵的出口與保溫層的底部入口連接；
低位注水系統(tǒng)包括設(shè)置在安全殼底部的低位注水箱，與所述低位注水箱的底部連接的低位注水管，低位注水管與注水泵的入口連接。
本技術(shù)方案區(qū)別于現(xiàn)有其它堆型的堆腔注水系統(tǒng)?，F(xiàn)有其它堆型的主流設(shè)計方案為自然循環(huán)方式，其工作方式為通過自然循環(huán)方式向安全殼內(nèi)注水淹沒堆腔，進(jìn)入堆腔后的水推開壓力容器外保溫層流道的入口浮塞，經(jīng)保溫層內(nèi)流道冷卻壓力容器外壁。保溫層流道內(nèi)的水在上升段與外部回水流道中的下降段形成自然循環(huán)的流動。該方式通過維持安全殼內(nèi)的水位來保持持久的自然循環(huán)流量，但是冷卻水的循環(huán)使用，進(jìn)入保溫層入口的水接近飽和，則飽和水對外部冷卻的安全裕量有限。
本技術(shù)方案可應(yīng)用于核事故嚴(yán)重事故發(fā)生早期階段，從外水注水系統(tǒng)中的外部水源取水，通過外部注水管，在注水泵的動力作用下將外部水源的冷卻水輸送至保溫層的底部入口，冷卻壓力容器外壁，冷卻后的汽水混合物通過保溫層上部的汽水出口流出堆腔，并通過土建中的流道返回至安全殼內(nèi)的低位注水箱。
從外部水源取水循環(huán)冷卻壓力容器外壁4—6小時后，注水泵可從安全殼內(nèi)的低位注水箱取水直接注入保溫層流道，冷卻后的水通過土建中的流道返回至低位水箱中，可見在事故發(fā)生的前期階段可采用這種從外部水源取水循環(huán)冷卻壓力容器外壁的方式，解決安全裕量問題；且該系統(tǒng)實現(xiàn)過冷水在前期的持續(xù)注入，在核事故發(fā)生的早期階段，為壓力容器外壁提供過冷水注入和冷卻，較大程度上提高了外部帶熱能力，進(jìn)而解決了現(xiàn)有采用自然循環(huán)的冷卻水外部冷卻方式，其外部冷卻的安全裕量有限的問題。另外通過從低位水箱中取水的再循環(huán)冷卻方式解決了長期冷卻問題。
進(jìn)一步地，所述保溫層與壓力容器的外壁之間形成外部冷卻流道，保溫層包括保溫主體，保溫主體的底部設(shè)有底部入口，保溫主體的上部設(shè)有汽水出口。
進(jìn)一步地，反應(yīng)堆堆腔注水系統(tǒng)還包括高位注水系統(tǒng)，高位注水系統(tǒng)包括位于安全殼內(nèi)的高位水箱，高位水箱的出口通過管道與保溫層的底部入口連接，高位水箱的最低點高于保溫層的上部汽水出口。
進(jìn)一步地，所述外部水源為消防水源或過冷水源。本技術(shù)方案所述的外部水源主要是指從安全殼外部引入的過冷水。目前設(shè)計水源主要來自消防水源即消防水。在消防水不可用的情況下，還可采用電廠的臨時補(bǔ)水，臨時補(bǔ)水也是過冷水，均具有較大的熱臨界熱流密度chf。
進(jìn)一步地，所述高位水箱與保溫層連接的管道上設(shè)有開關(guān)閥。
本發(fā)明的另一目的還在于提供一種采用過冷水能動注入堆腔注水冷卻系統(tǒng)的操作方法，包括以下操作步驟：1)在堆腔注水系統(tǒng)達(dá)到注水條件后，注水初級階段采用注水泵從外部水源中取水，注入到反應(yīng)堆堆腔內(nèi)壓力容器與保溫層的冷卻流道內(nèi)，冷卻壓力容器外壁，冷卻后的汽水混合物通過保溫層上部的汽水出口流出堆腔，通過土建中的流道返回至安全殼內(nèi)的低位注水箱；
2)在注水初級階段結(jié)束后，注水泵從低位注水箱中取水至保溫層的冷卻流道內(nèi)，冷卻后的水通過土建中流道返回至低位注水箱，重復(fù)循環(huán)冷卻。
在核事故中，堆芯由于得不到充分冷卻而裸露和熔化，形成的堆芯熔融物熔穿壓力容器下封頭進(jìn)入安全殼內(nèi)。熔融物進(jìn)入安全殼內(nèi)會導(dǎo)致安全殼升溫升壓，并與混凝土發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致安全殼失效，發(fā)生放射性物質(zhì)釋放。
為了消除大量放射性物質(zhì)釋放，一般采取向堆腔內(nèi)注水冷卻壓力容器外壁，通過外部冷卻將熔融物冷卻和收集在壓力容器內(nèi)。而實現(xiàn)該目的的主要方法是采用冷卻水，對壓力容器外壁進(jìn)行循環(huán)冷卻，而采用的冷卻水在進(jìn)入保溫層入口時則已接近飽和，其冷卻度對于對壓力容器外表面影響較大，冷卻水的過冷度越大則對壓力容器外表面影響越顯著，其極限帶熱能力越強(qiáng)，故采用飽和水實施外部冷卻的安全裕量有限。
故發(fā)明人針對核電廠嚴(yán)重事故下壓力容器外部冷卻方法提出一種采用過冷水能動注入反應(yīng)堆堆腔注水冷卻系統(tǒng)的操作方法，在前期采用外部水源，具體可為外部消防水源，能動注入一段時間后，采用從低位水箱中取水循環(huán)注入堆腔注水系統(tǒng)，該方法可在事故緩解的關(guān)鍵早期階段為壓力容器外壁提供一段時間的過冷水注入和冷卻，從而較大程度的提高了外部帶熱能力，更大程度的保證了熔融物在壓力容器內(nèi)滯留成功的可能性。
而決定熔融物能否滯留在壓力容器的關(guān)鍵限制因素為壓力容器外表面的臨界熱流密度又成chf，該指標(biāo)為壓力容器外表面沸騰傳熱的極限帶熱能力通過試驗量化而成。目前壓力容器下封頭外部chf試驗表明，在一定流量和壓力下，當(dāng)保溫層入口冷卻水的過冷度增大10℃，chf可相應(yīng)增大約0.1mw/m2，則可見，如果冷卻水的入口溫度由安全殼壓力對應(yīng)的飽和溫度，約100℃—120℃降低至50℃左右，則可將chf明顯提高，從而顯著提升外部冷卻的安全裕量。
熔池產(chǎn)生的熱負(fù)荷隨著事故后時間的發(fā)展而逐漸衰減，因此，在熔池完全形成后的初的始幾個小時內(nèi)是對壓力容器完整性威脅最大的階段，也是事故緩解的關(guān)鍵階段，該階段安全裕量較小，而之后由于衰變熱明顯下降，安全裕量則變得越來越大。
故發(fā)明人采取在事故初期階段用過冷水進(jìn)行注入，之后長階段可采用低位注水箱進(jìn)行循環(huán)注入的方式從而實現(xiàn)長期循環(huán)冷卻。
進(jìn)一步地，所述低位注水箱為內(nèi)置換料水箱。本技術(shù)方案中所述的低位注水箱具體可為內(nèi)置換料水箱，位于安全殼的最低位置，可提供大于2000m3的水源。堆腔注水系統(tǒng)運(yùn)行的后期階段可從該水箱中取水，流過保溫層冷卻流道，從保溫層的汽水出口流出，流出的水可通過土建中的流道返回到低位注水箱中，從而實現(xiàn)循環(huán)注入。
進(jìn)一步地，所述外部水源為消防水箱。消防水箱位于安全殼外的輔助廠房，本技術(shù)方案中通過增設(shè)相關(guān)管道和閥門將其與堆腔冷卻注水系統(tǒng)相連，從而為堆腔注水系統(tǒng)的早期能動注入提供過冷水源。
進(jìn)一步地，在堆腔注水系統(tǒng)達(dá)到注水條件后，在無電源的情況下，采用從高位注水水箱中取水非能動注入至保溫層的冷卻流道內(nèi)冷卻。
該措施主要針對能動注入措施全部失效后，可通過高位注水水箱取水將冷卻水注入保溫層中，該措施可提高反應(yīng)堆堆腔注水系統(tǒng)整體的可靠性。
進(jìn)一步地，從高位水箱取水具體操作方式為打開高位水箱與保溫層底的連接管道上的開關(guān)閥。開關(guān)閥的主要作用是對高溫水箱與保溫層連接的流道進(jìn)行控制，利于操作。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：
1、本技術(shù)方案一種反應(yīng)堆堆腔注水冷卻系統(tǒng)，采用外部注水系統(tǒng)和低位注水系統(tǒng)的結(jié)合，可在事故緩解的關(guān)鍵早期極端為壓力容器外壁提供一段時間的過冷水注入和冷卻，從而在較大程度上提高了外部帶熱能力，保證了熔融物在壓力容器滯留成功的可能性。
2、本發(fā)明技術(shù)方案在所有能動措施不可用的情況下，利用非能動水箱實施重力注入，從而提高了系統(tǒng)的整體可靠性。
3、本發(fā)明所述的采用過冷水能動注入反應(yīng)堆堆腔注水系統(tǒng)的操作方法，采用過冷水源提升壓力容器外部沸騰傳熱的極限帶熱能力，從而在事故緩解的關(guān)鍵階段提供成功緩解的可能性。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
1—保溫層，2—注水泵，3—低位注水箱，4—高位水箱，5—外部水源，6—安全殼，7—壓力容器。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。
實施例1：
如圖1所示，一種反應(yīng)堆堆腔注水冷卻系統(tǒng)，包括設(shè)置在反應(yīng)堆安全殼6內(nèi)的反應(yīng)堆(7)，設(shè)置在反應(yīng)堆堆腔內(nèi)的壓力容器，設(shè)置在反應(yīng)堆堆腔與壓力容器之間并包圍壓力容器的保溫層1，還包括外部注水系統(tǒng)和低位注水系統(tǒng)；
外部注水系統(tǒng)包括外部水源5、與所述外部水源5連接的外部注水管、在所述外部注水管上設(shè)置注水泵2，注水泵2的出口與保溫層1的底部入口連接；
低位注水系統(tǒng)包括設(shè)置在安全殼底部的低位注水箱3，與所述低位注水箱3的底部連接的低位注水管，低位注水管與注水泵2的入口連接。
本實施例中所述的反應(yīng)堆堆腔注水系統(tǒng)，可應(yīng)用于在核事故發(fā)生的早期階段，從外水注水系統(tǒng)中的外部水源取水，通過外部注水管，在注水泵的動力作用下將外部水源的冷卻水輸送至保溫層的底部入口，冷卻壓力容器外壁，冷卻后的汽水混合物通過保溫層上部的汽水出口流出堆腔，并通過土建中的流道返回至安全殼內(nèi)的低位注水箱。
從外部水源取水循環(huán)冷卻壓力容器外壁4—6小時后，注水泵可從安全殼內(nèi)的低位注水箱取水直接注入保溫層流道，冷卻后的水通過土建中的流道返回至低位水箱中，可見在事故發(fā)生的前期階段可采用這種從外部水源取水循環(huán)冷卻壓力容器外壁的方式，解決安全裕量問題；另外通過從低位水箱中取水的再循環(huán)冷卻解決了長期冷卻問題。
本實施例中，所述外部水源5為消防水源或過冷水源，低位注水箱可為內(nèi)置換料水箱。
本實施例中所述的內(nèi)置換料水箱為與安全殼的最低位置，可提供大于3000m3的水源。堆腔注水系統(tǒng)運(yùn)行的后期階段從該水箱取水，流過保溫層流道，從汽水出口流出的水可通過土建中的流道返回至低位水箱中，實現(xiàn)循環(huán)注入。
本實施例中所述的注水泵，可選取流量為500t/h的注水泵，其吸入口管道分別與內(nèi)置換料水箱和安全殼外部的外部注水系統(tǒng)連接。當(dāng)堆腔注水冷卻系統(tǒng)投入時，先打開與外部注水系統(tǒng)相連的管道閥門，將消防水注入壓力容器外保溫層內(nèi)；之后關(guān)閉與消防水相連管道，打開與內(nèi)置換料水箱相連管道閥門，從內(nèi)置換料水箱取水實施長期注水。
實施例2：
本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步限定，所述保溫層1與壓力容器的外壁之間形成外部冷卻流道，保溫層1包括保溫主體，保溫主體的底部設(shè)有底部入口，保溫主體的上部設(shè)有汽水出口。本實施例中對保溫層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行限定，保溫層1的底部入口可直接與注水泵出口的管道和非能動高位水箱連接，在事故后可保證冷卻水快速注入保溫層內(nèi)。
實施例3：
本實施例與上述實施例的不同之處在于：還包括高位注水系統(tǒng)，高位注水系統(tǒng)包括位于安全殼內(nèi)的高位水箱4，高位水箱4的出口通過管道與保溫層1的底部入口連接，高位水箱4的最低點高于保溫層1的上部汽水出口。
本實施例中所述的高位注水系統(tǒng)，主要針對在堆腔注水能動注入方式完全失效后，可通過高位注水系統(tǒng)為壓力容器提供循環(huán)冷卻水源，具體操作方法為：高位水箱的水在重力作用下注入壓力容器的保溫層流道中。該非能動注入方式可作為能動注入方式的補(bǔ)充方法，可進(jìn)一步提高堆腔注水系統(tǒng)的可靠性。
實施例4：
本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上進(jìn)一步限定，所述外部水源5為消防水箱。且所述高位水箱4與保溫層1連接的管道上設(shè)有開關(guān)閥。開關(guān)閥的主要作用是控制高位水箱與保溫層連接管道的連通與關(guān)閉。
實施例5：
本實施例還提供一種采用過冷水能動注入堆腔注水冷卻系統(tǒng)的操作方法，包括以下操作步驟：
1)在堆腔注水系統(tǒng)達(dá)到注水條件后，注水初級階段采用注水泵2從外部水源中取水，注入到反應(yīng)堆堆腔內(nèi)壓力容器與保溫層1的冷卻流道內(nèi)，冷卻壓力容器外壁，冷卻后的汽水混合物通過保溫層上部的汽水出口流出堆腔，通過土建中的流道返回至安全殼內(nèi)的低位注水箱；
2)在注水初級階段結(jié)束后，注水泵2從低位注水箱3中取水至保溫層1的冷卻流道內(nèi)，冷卻后的水通過土建中流道返回至低位注水箱3，重復(fù)循環(huán)冷卻。
本實施例所述操作方法，在針對堆芯熔化的嚴(yán)重事故時，通過前期外部水源過冷水的能動注入，和后期低位注水系統(tǒng)中水源的循環(huán)注入，可保證持續(xù)帶走壓力容器內(nèi)熔融池的熱量，保持壓力容器的完整性。
實施例6：
本實施例在實施例6的基礎(chǔ)上進(jìn)一步限定，所述低位注水箱3為內(nèi)置換料水箱，所述外部水源5為消防水箱。
實施例7：
本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上進(jìn)一步限定，在堆腔注水系統(tǒng)達(dá)到注水條件后，在無電源的情況下，采用從高位水箱4中取水非能動注入至保溫層1的冷卻流道內(nèi)冷卻。本實施例所述操作方法主要針對在喪失所有電源的斷電事故的情況下，堆腔注水系統(tǒng)的注水條件達(dá)到后，可打開連接高位水箱與保溫層的閥門實施非能動注入。
該堆腔注水冷卻方法，一方面利用了現(xiàn)存于外部水源的過冷消防水提升chf，解決前期的安全裕量問題，另一方面通過低位水箱的水再循環(huán)解決了長期冷卻的問題。
實施例8：
本實施例在實施例7的基礎(chǔ)上進(jìn)一步限定，從高位水箱4取水具體操作方式為打開高位水箱與保溫層底的連接管道上的開關(guān)閥。
以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。