本發(fā)明大體上涉及核能領(lǐng)域，更具體地涉及壓水反應(yīng)堆安全殼內(nèi)部的非能動(dòng)除熱系統(tǒng)(cphrs)，并且被設(shè)計(jì)成用于通過冷卻劑(水)在系統(tǒng)回路中的自然循環(huán)進(jìn)行反應(yīng)堆安全殼冷卻。

背景技術(shù)：

根據(jù)本發(fā)明的背景，存在多種基于自然熱循環(huán)的反應(yīng)堆安全殼除熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

日期為1999年1月27日的俄國(guó)專利ru2125744、g21c15/18公開了一種用于從核反應(yīng)堆安全殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部體積中進(jìn)行非能動(dòng)除熱的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括位于安全殼結(jié)構(gòu)外側(cè)的第一熱交換器、位于反應(yīng)堆安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的第二熱交換器。第一熱交換器和第二熱交換器在閉合回路中通過管與冷卻劑液壓連接，所述冷卻劑經(jīng)過安全殼結(jié)構(gòu)和上方與大氣連通的排氣管。該系統(tǒng)還包括水箱，該水箱填充有設(shè)定高度的水，該水箱連接到安全殼結(jié)構(gòu)，并且位于該安全殼結(jié)構(gòu)的頂壁附近。第一熱交換器浸入水箱中的水中，并且從鄰近水箱底部的基板豎直延伸到將水箱分成兩個(gè)液壓連接的體積的上部區(qū)段。水箱裝備有蓋子，該蓋子形成為第一通道和第二通道的形狀，各通道覆蓋其由豎直的熱交換器構(gòu)成的對(duì)應(yīng)區(qū)域，并且僅連接到該對(duì)應(yīng)區(qū)域。一個(gè)通道連接到外部進(jìn)氣口，另一通道連接到排氣管，當(dāng)水箱填充到設(shè)定高度時(shí)，水箱中的水阻止通道之間的連接。

日期為2007年7月10日的俄國(guó)專利ru2302674、g21c9/00公開了一種安全殼除熱系統(tǒng)，包括安裝在安全殼下方的熱交換器，該熱交換器入口和出口穿過安全殼，并且連接到低沸點(diǎn)冷卻劑的閉合循環(huán)回路，所述閉合循環(huán)回路包括具有發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)、具有位于安全殼下方的蒸汽發(fā)生器的動(dòng)力單元和動(dòng)力單元安全系統(tǒng)，所述動(dòng)力單元安全系統(tǒng)中的一個(gè)具有液壓?jiǎn)卧推啓C(jī)(steamwaterturbine)。熱交換器安裝在安全殼圓頂下方，并且被設(shè)計(jì)成兩層的圓形管，所述圓形管通過c形翅片管連接，所述管的端部朝向安全殼壁部，并且封閉液壓?jiǎn)卧?，以保證動(dòng)力單元的安全。

本發(fā)明的最接近的類似系統(tǒng)是日期為2009年7月20日的俄國(guó)實(shí)用新型專利ru85029、g21c15/18所公開的phrs系統(tǒng)，該phrs系統(tǒng)包括冷卻劑循環(huán)回路，所述冷卻劑循環(huán)回路包括至少一個(gè)位于安全殼內(nèi)部的熱交換器和具有冷卻劑供應(yīng)的水箱，該水箱在安全殼外部安裝在熱交換器上方，該熱交換器和水箱通過入口管道和出口管道連通。該系統(tǒng)還裝備有蒸汽容器，該蒸汽容器安裝在冷卻劑供應(yīng)箱中，并且液壓連接到該冷卻劑供應(yīng)箱和連接到出口管道。

所述裝置的缺點(diǎn)是系統(tǒng)中存在潛在的水錘現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于從反應(yīng)堆安全殼中有效除熱的系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)成果是提高除熱效率、回路中的流量穩(wěn)定性(沒有水錘現(xiàn)象)以及由此系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

所述技術(shù)成果的實(shí)現(xiàn)是由于這樣的事實(shí)，即具有至少一個(gè)冷卻水循環(huán)回路的壓水反應(yīng)堆安全殼內(nèi)部的非能動(dòng)除熱系統(tǒng)包括：熱交換器、連接到熱交換器的上升管路和下降管路、冷卻水供應(yīng)箱、蒸汽釋放閥，該熱交換器位于安全殼內(nèi)部并且包括通過熱交換管連通的上集管和下集管，該冷卻水供應(yīng)箱在安全殼外部位于熱交換器上方并且連接到下降管路，該蒸汽釋放閥連接到上升管路并且位于水供應(yīng)箱中并且液壓連接到該水供應(yīng)箱。熱交換器的上集管和下集管基于如下條件被分成各熱交換管區(qū)段：

l/d≤20，

其中，l是集管區(qū)段長(zhǎng)度，

d是集管孔徑，

上升管路設(shè)計(jì)提供了最小的上升區(qū)段高度hrs，以滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：

δp^cres＝δρrsghrs+δρheghhe，

hrs＝(δp^cres-δρheghhe)/δρrsg，

其中，δp^cres是回路總液壓阻力，

hhe是熱交換器高度，

g是重力因子，

δρrs＝ρcw-(ρ′(1-x)+ρ”x)，

δρhe＝ρcw-ρhw，

其中，ρcw是下降管路水密度，

ρhw是在熱交換器高度范圍內(nèi)的上升管路水密度，

ρ′、ρ”是水飽和密度和蒸汽飽和密度，

х是上升區(qū)段中的兩相混合物的平均質(zhì)量蒸汽干度。

由于下列事實(shí)，在本發(fā)明的特定選項(xiàng)中實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)成果：

-該系統(tǒng)包括四個(gè)通道，每個(gè)通道包括四個(gè)冷卻水循環(huán)回路，

-從熱交換器區(qū)段的上集管到蒸汽釋放閥的上升管路的至少一部分關(guān)于水平線具有為至少10°的角度的向上傾斜，

-上升管路包括關(guān)于水平線具有小于10°的傾斜角的區(qū)段，所述區(qū)段的長(zhǎng)度是lsec1，孔徑是dsec1，滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：lsec1/dsec1≤10，

-下降管路的至少一部分關(guān)于水平線具有為至少10°的角度的向下傾斜，

-下降管路包括關(guān)于水平線具有小于10°的傾斜角的區(qū)段，所述區(qū)段的長(zhǎng)度是lsec2，孔徑是dsec2，滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：lsec2/dsec2≤10，

-熱交換管高度確保滿足熱交換器外表面上的紊流對(duì)流的標(biāo)準(zhǔn)，即：

ra>4·10¹²，

其中，

ra是瑞利數(shù)，

g是重力因子，

l是典型結(jié)構(gòu)尺寸——熱交換器管高度，

ν是蒸汽-空氣動(dòng)態(tài)粘度系數(shù)，

ρw是熱交換器管的外壁上的蒸汽-空氣介質(zhì)密度，

ρc是安全殼中的蒸汽-水介質(zhì)密度，

是施密特?cái)?shù)，

ddif是蒸汽擴(kuò)散因子。

-熱交換器位于安全殼圓頂下方，

-熱交換器區(qū)段具有單列豎直管束，

-各熱交換器區(qū)段中任何相鄰的管之間的間距滿足等效平直壁標(biāo)準(zhǔn)。

出于本申請(qǐng)的目的，上升區(qū)段指的是上升管路中冷卻劑為具有平均質(zhì)量蒸汽干度x的蒸汽-水(兩相)混合物的部分。該區(qū)段被稱作“上升部”，因?yàn)樗鼘?duì)于回路中的自然循環(huán)的進(jìn)行起到了主要作用，并且確定了其強(qiáng)度。

所執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)表明，由于選擇了最好的系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)，上述系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)性提供了最有效的除熱，而沒有水錘現(xiàn)象或冷卻劑質(zhì)量-流量率的擾動(dòng)，所述最好的系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)包括：熱交換器集管區(qū)段的長(zhǎng)度和孔徑之間的相關(guān)性、循環(huán)回路上升區(qū)段的長(zhǎng)度、熱交換管的高度和該系統(tǒng)的熱交換器在安全殼中的最優(yōu)布置。

熱交換器集管的區(qū)段長(zhǎng)度和孔徑的相關(guān)性被選擇成使熱交換器管之間的冷卻劑流量分布的非均勻性最小，即，減少所謂的“集管效應(yīng)”。管中流量的均勻分布是提高熱交換器的能量效率和性能的主要條件之一。用于改善集管熱交換器通道之間的冷卻劑分布的一種方法是減少集管中介質(zhì)流量的壓力損失。這通過在裝置制造加工能力和其它設(shè)計(jì)特征中減小集管長(zhǎng)度和增大其孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于滿足l/d≤20標(biāo)準(zhǔn)的集管，沿著集管長(zhǎng)度的壓力損失最小，熱交換器管之間的冷卻劑流量分布最均勻。當(dāng)超出所述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，熱交換器通道之間的介質(zhì)分布的均勻性降低，這導(dǎo)致冷卻劑質(zhì)量流的不穩(wěn)定和擾動(dòng)，以及由此減少熱交換器的熱輸出。

附圖說明

附圖示出本發(fā)明的設(shè)計(jì)，其中：

圖1示出冷卻水循環(huán)回路設(shè)計(jì)，

圖2示出基于實(shí)驗(yàn)的cphrs冷卻回路輸出與水箱中的蒸汽-氣體流體壓力的依賴關(guān)系。

圖3示出基于計(jì)算的在事故期間，壓力和溫度與時(shí)間的依賴關(guān)系。

具體實(shí)施方式

所要求的系統(tǒng)是冷卻水循環(huán)回路的組合。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所要求的系統(tǒng)包括四個(gè)完全獨(dú)立的通道，每個(gè)通道包括四個(gè)這種循環(huán)回路。

循環(huán)回路(圖1)包括熱交換器(1)，熱交換器(1)位于安全殼內(nèi)部(圓頂下方)并且包括上集管(2)和下集管(3)，該上集管(2)和下集管(3)通過熱交換管(4)連通，該熱交換管(4)構(gòu)成單列豎直熱交換管束。上升管路(5)和下降管路(6)連接到熱交換器(1)。連接到下降管路(6)的冷卻水供應(yīng)箱(應(yīng)急除熱箱(ehrt))(7)在安全殼外部位于熱交換器上方。連接到上升管路(5)的蒸汽釋放閥(8)位于冷卻水供應(yīng)箱(7)中，并且液壓連接到該冷卻水供應(yīng)箱(7)。蒸汽釋放閥(8)設(shè)計(jì)成用于消除冷凝導(dǎo)致的水錘現(xiàn)象和在系統(tǒng)上升管路(5)中增強(qiáng)的振動(dòng)等級(jí)。蒸汽釋放閥(8)的上升管路具有連接孔，該連接孔使其能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能。

熱交換器的上集管(2)和下集管(3)基于如下條件被分成各熱交換管區(qū)段：

l/d≤20，

其中，l是集管區(qū)段長(zhǎng)度，

d是集管孔徑，

上升管路設(shè)計(jì)提供了最小的上升區(qū)段高度hrs，以滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：

δp^cres＝δρrsghrs+δρheghhe，

hrs＝(δp^cres-δρheghhe)/δρrsg，

其中，δp^cres是回路總液壓阻力，

hhe是熱交換器高度，

g是重力因子，

δρrs＝ρcw-(ρ′(1-x)+ρ”x)，

δρhe＝ρcw-ρhw，

ρcw是下降管路水密度，

ρhw是在熱交換器高度范圍內(nèi)的上升管路水密度，

ρ′、ρ”是水飽和密度和蒸汽飽和密度，

х是上升區(qū)段中的兩相混合物的平均質(zhì)量蒸汽干度。

熱交換器區(qū)段具有單列豎直管束。優(yōu)選地，任何相鄰的區(qū)段管之間的間距滿足等效平直壁標(biāo)準(zhǔn)(equivalentplanewallcriterion)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，熱交換管高度保證滿足熱交換器外表面上的紊流對(duì)流的標(biāo)準(zhǔn)，即：

ra>4·10¹²，

其中，

ra是瑞利數(shù)，

g是重力因子，

l是典型的結(jié)構(gòu)尺寸——熱交換器管高度，

ν是蒸汽-空氣動(dòng)態(tài)粘度系數(shù)，

ρw是熱交換器管的外壁上的蒸汽-空氣介質(zhì)密度，

ρc是安全殼中的蒸汽-水介質(zhì)密度，

是施密特?cái)?shù)，

ddif是蒸汽擴(kuò)散因子。

從熱交換器區(qū)段的上集管到蒸汽釋放閥的上升管路關(guān)于水平線具有為至少10°的角度的向上傾斜，除了特定區(qū)段的傾斜角小于10°之外，所述特定區(qū)段具有滿足下列標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度lsec1和孔徑dsec1：lsec1/dsec1≤10。

下降管路關(guān)于水平線具有為至少10°的角度的向下傾斜，除了特定區(qū)段的傾斜角小于10°之外，所述特定區(qū)段具有滿足下列標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度lsec2和孔徑dsec2：lsec2/dsec2≤10。

在本發(fā)明的用于leningrad-2npp反應(yīng)堆設(shè)備的特別實(shí)施例中，回路的熱交換器(1)沿著周長(zhǎng)位于安全殼內(nèi)壁上，在海拔49.3m之上。各熱交換器具有75m²的熱交換面積。熱交換管束高度是5m，并且由38×3mm的豎直管構(gòu)成。各通道的總熱交換面積總計(jì)為300m²。熱交換器集管的上部和下部區(qū)段的長(zhǎng)度(l)等于2,755mm。上集管的外/內(nèi)徑(d)是219/195mm，下集管的外/內(nèi)徑是194/174mm。

系統(tǒng)熱輸出被選擇成在超過反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(包括嚴(yán)重的堆芯損壞)期間，將安全殼內(nèi)部壓力中的壓力降低和維持在設(shè)計(jì)限制以內(nèi)。

被設(shè)計(jì)成用于在熱交換器(1)泄漏的情況下隔離熱交換器(1)的隔離閥(9)和(10)安裝在上升管路(5)和下降管路(6)中。為了在隔離閥關(guān)閉的緊急情況下防止cphrs回路超壓，在水箱(7)位置下方安裝有安全閥(未示出)以排放流體。

隔離閥和安全閥在海拔+54.45m處位于反應(yīng)堆建筑外殼環(huán)形隔間中。

所要求的系統(tǒng)運(yùn)行是基于冷卻劑自然循環(huán)，不需要啟動(dòng)動(dòng)作。通過由蒸汽-空氣混合物在熱交換器(1)的外表面上形成蒸汽冷凝物，來(lái)從安全殼移除熱能，蒸汽冷凝物從所述熱交換器(1)的外表面通過自然循環(huán)轉(zhuǎn)移到水供應(yīng)箱(7)。熱量最終通過水箱中的水的蒸發(fā)從水供應(yīng)箱移除至最終的熱沉。將冷卻劑從蒸汽釋放閥(8)供應(yīng)到冷卻水供應(yīng)箱(7)，然后，經(jīng)冷卻的冷卻劑(水)通過下降管路(6)返回?zé)峤粨Q器(1)。因此，借助利用循環(huán)回路使水箱(7)中的水蒸發(fā)，將熱能從安全殼內(nèi)部體積傳遞到最終的熱沉、環(huán)境。

為了實(shí)驗(yàn)論證所提出的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，已經(jīng)在多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作。

已經(jīng)在安裝于jsc“afrikantovokbm”試驗(yàn)臺(tái)上的cphrs冷卻回路的全尺寸模型上進(jìn)行了研究。cphrs回路模型包括熱交換器-冷凝器模型、位于安全殼模型水箱中的作業(yè)管和位于水供應(yīng)箱中的作業(yè)蒸汽釋放閥。

被測(cè)試的冷卻回路的除熱能力和水箱中的蒸汽-氣體介質(zhì)的參數(shù)在最大程度上接近于作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)際的反應(yīng)堆事故條件。因此，在cphrs冷卻回路的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)與全尺寸冷卻回路設(shè)計(jì)幾乎相當(dāng)?shù)那闆r下，針對(duì)cphrs冷卻回路模型得到的研究結(jié)果是有代表性的，并且可以應(yīng)用于作業(yè)中的cphrs冷卻回路。

在全尺寸cphrs冷卻回路上進(jìn)行的測(cè)試表明，在冷卻水箱中的100℃的最大冷卻水溫度和每個(gè)冷卻回路具有規(guī)定的設(shè)計(jì)容量的情況下，水箱中的壓力將不超過500kpa的設(shè)計(jì)限制壓力。

圖2示出基于實(shí)驗(yàn)的cphrs冷卻回路輸出與水箱中的蒸汽-氣體流體壓力的依賴關(guān)系。

圖3示出在超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的情況下，cphrs的工作如何影響安全殼內(nèi)部的參數(shù)，該情況包括反應(yīng)堆設(shè)備初級(jí)回路的減壓(嚴(yán)重泄漏)和安全系統(tǒng)故障(曲線i示出phrs不工作時(shí)的參數(shù)，曲線ii示出phrs工作時(shí)的參數(shù))。

所進(jìn)行的全尺寸cphrs冷卻回路模型測(cè)試表明，在除熱效率和回路流量穩(wěn)定性方面都滿足回路設(shè)計(jì)參數(shù)。在冷卻回路工作(從最初狀態(tài)到水沸騰的動(dòng)力操作)全程中，沒有觀察到可能影響其可運(yùn)行性的水箱中的水錘現(xiàn)象或測(cè)試回路的元件和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

因此，在長(zhǎng)達(dá)很長(zhǎng)一段時(shí)間并且在超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(包括安全殼下面/內(nèi)的質(zhì)量和能量的釋放)的全程中，所要求的系統(tǒng)允許將安全殼下面的壓力維持在設(shè)計(jì)水平以下，而不需要操作員介入。