專利名稱:基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核電站設(shè)備安全技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)。具體說，是在沸水堆失去廠外電源堆芯無法得到及時冷卻的情況下，利用具有強化換熱特性的納米流體作為冷卻劑，通過自然循環(huán)回路系統(tǒng)，以實現(xiàn)對沸水堆堆芯的非能動自然排熱功能。在發(fā)生失去廠外電源時，系統(tǒng)的運行執(zhí)行冷卻堆芯的功能，且采用納米流體可有效增強冷卻效果，防止放射性物質(zhì)排放，推遲堆芯熔化時機，以達(dá)到保護(hù)公眾和環(huán)境的目的。
背景技術(shù)：
日本福島核電站反應(yīng)堆在地震、海嘯發(fā)生后自動停轉(zhuǎn)，但是地震導(dǎo)致反應(yīng)堆機組的主泵無法工作，未能為反應(yīng)堆提供冷卻水循環(huán)，致使多個反應(yīng)堆容器內(nèi)的冷卻水溫、壓力上升，反應(yīng)堆容器內(nèi)的水位下降導(dǎo)致堆芯裸露出現(xiàn)核泄漏危險。因而，在沸水堆失去廠外電源堆芯無法得到及時冷卻的情況下，尋求一種能夠快速直接換熱手段實現(xiàn)對堆芯余熱的傳遞，對于防止嚴(yán)重事故的發(fā)展及放射性釋放等關(guān)鍵要素的控制具有至關(guān)重要的意義。
通過擴(kuò)展表面如微通道及肋片等的傳統(tǒng)強化換熱設(shè)計方式受傳熱工質(zhì)傳熱能力及系統(tǒng)功率的限制。1995年，美國Argorme國家實驗室Choi等人提出添加納米顆粒到換熱工質(zhì)中制備出新型換熱工質(zhì)“納米流體”。由于固體顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于液體，導(dǎo)致納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)和對流換熱性能大大提高，且已有研究表明納米流體能夠顯著增強沸騰換熱。加入非常少量的納米顆粒的流體，其臨界熱流密度有明顯提高，突破了傳統(tǒng)強化換熱方式傳熱能力受限所帶來的技術(shù)瓶頸。另外，納米粒子的加入不會引起附加的阻力損失，且納米流體具有減小泵功率，大幅度降低流體輸送功耗的優(yōu)點。因此，基于納米流體特性設(shè)計出沸水堆非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)建立有效快速排除堆芯熱量的系統(tǒng)，是緩解嚴(yán)重事故發(fā)展和保護(hù)環(huán)境免遭污染的新型有效手段。在安全方面，這種新技術(shù)的應(yīng)用將提高反應(yīng)堆的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出一種基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)，其特征在于，所述的基于納米流體特性的非能動堆芯冷卻系統(tǒng)是在反應(yīng)堆安全殼15頂部安裝水箱5，水箱5通過第二三通閥門4、第一三通閥門3分別與反應(yīng)堆堆芯6壓力容器的進(jìn)管7及出管8相接，第二三通閥門4、第一三通閥門3通過閥門控制器2連接廠用電源1 ；其中進(jìn)管7及出管8還分別通過第二二通閥門13、第一二通閥門 12與汽輪發(fā)電機14連接；在水箱5頂部設(shè)置安全閥10，水箱5的側(cè)面配置散熱肋片11和第三二通閥門9。在水箱5中納米流體將熱量釋放給溫度較低的納米流體及環(huán)境，使得密度減小，降溫后的納米流體沿著進(jìn)管7通過第二三通閥門4下降，兩個管道間納米流體由于存在密度差，使得形成自然循環(huán)回路，帶出反應(yīng)堆堆芯的熱量；當(dāng)回路中的壓力超過SMI^a時， 安全閥10打開，以防止水箱5超壓。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沸水堆在失去廠外電源情況下堆芯的及時冷卻，保證反應(yīng)堆安全運行。[0005]所述閥門控制器2是一種智能開關(guān)，當(dāng)廠電源1斷電時，閥門控制器2動作，自動
開啟第一三通閥門3和第二三通閥門4。
所述水箱5中的納米流體是一種具有導(dǎo)熱系數(shù)高、換熱性好的新型傳熱工質(zhì)，其粘性系數(shù)小，流體輸送功耗小的流體，使自然循環(huán)回路具有很好的啟動特性，最大程度的帶走堆芯內(nèi)的熱量，且沸騰換熱中納米流體的臨界熱流密度大幅提高。
所述納米流體由傳熱基液-水和強化相納米顆粒-Cu組成，采用在水介質(zhì)中添加 2. 0%體積比的Cu納米顆粒制備的Cu-水納米流體，其對流換熱系數(shù)比水增大39%。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出優(yōu)點及效果本發(fā)明提出的基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)，是一種利用閥門控制器，水箱，循環(huán)管道及閥門等組成的系統(tǒng)，實現(xiàn)在發(fā)生廠用電源不可用的情況下，利用納米流體較強的換熱特性以及較小的粘性系數(shù)，以較強的自然循環(huán)能力實現(xiàn)沸水堆內(nèi)熱量的導(dǎo)出。該系統(tǒng)流程簡單、安裝便捷、具有非能動性、高效傳熱、性能可靠的特點。在核電站嚴(yán)重事故下，具有高效排熱，保證堆芯有效冷卻。


圖1為基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作過程作進(jìn)一步說明。圖1中，冷卻系統(tǒng)是在反應(yīng)堆安全殼15 頂部安裝水箱5，水箱5通過第二三通閥門4、第一三通閥門3分別與反應(yīng)堆堆芯6壓力容器的進(jìn)管7及出管8相接，第二三通閥門4、第一三通閥門3通過閥門控制器2連接廠用電源1 ；其中進(jìn)管7及出管8還分別通過第二二通閥門13、第一二通閥門12與汽輪發(fā)電機14 連接；在水箱5頂部設(shè)置安全閥10，水箱5的側(cè)面配置散熱肋片11和第三二通閥門9。
在廠用電源1失效的情況下，具有智能開關(guān)特性的閥門控制器2動作，自動開啟第一三通閥門3和第二三通閥門4，水箱5內(nèi)裝有納米流體，其上部充有壓力為7. OMPa的惰性氣體，形成閉合回路。由于水箱5內(nèi)裝有與壓力容器6內(nèi)相同壓力的惰性氣體，回路中壓力平衡。在建立起的回路中，納米流體吸收堆芯內(nèi)的熱量后通過出管8進(jìn)入水箱5，并在水箱 5內(nèi)通過其外部的肋片11與外界環(huán)境進(jìn)行換熱；然后低溫的納米流體依次由進(jìn)管7進(jìn)入壓力容器6。進(jìn)管7與出管8內(nèi)的納米流體溫度不同，存在密度差，由此形成自然循環(huán)回路。 在發(fā)生事故后，納米流體吸收反應(yīng)堆堆芯6釋放的大量熱量，并受熱蒸發(fā)、膨脹，密度減小， 產(chǎn)生的蒸汽通過出管8，經(jīng)過第一三通閥門3向上進(jìn)入水箱5，在水箱5中納米流體將熱量釋放給溫度較低的納米流體及環(huán)境，使得密度減小，降溫后的納米流體沿著進(jìn)管7通過第二三通閥門4下降，兩個管道間納米流體由于存在密度差，使得形成自然循環(huán)回路，帶出反應(yīng)堆堆芯的熱量。水箱5外側(cè)帶有肋片11與空氣進(jìn)行自然對流換熱，將熱量傳遞到大氣中。 第三二通閥門9給水箱5進(jìn)行充、放水。當(dāng)回路中的壓力超過SMPa時，安全閥10打開，以防止水箱5超壓。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沸水堆在失去廠外電源情況下堆芯的及時冷卻，保證反應(yīng)堆安全運行。該系統(tǒng)采用納米流體可有效增強冷卻效果及增強自然循環(huán)能力，實現(xiàn)防止放射性物質(zhì)排放，以達(dá)到保護(hù)公眾和環(huán)境的目的。[0012]所述水箱5中的納米流體是一種具有導(dǎo)熱系數(shù)高、換熱性好的新型傳熱工質(zhì)，其粘性系數(shù)小，流體輸送功耗小的流體，納米流體在增強換熱方面與傳統(tǒng)換熱介質(zhì)相比具有優(yōu)良的特性，且能夠顯著的增強沸騰換熱，用于非能動自然循環(huán)技術(shù)中能夠提高非能動自然循環(huán)能力且對熱源溫度響應(yīng)快，使非能動自然循環(huán)排熱系統(tǒng)啟動性能好；另一方面，納米流體具有減小泵功率，大幅度降低流體輸送功耗的優(yōu)點，同樣能夠提高回路的自然循環(huán)能力。因此自然循環(huán)回路中納米流體的采用可以較大程度的導(dǎo)出堆芯內(nèi)的熱量。
所述基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)的核心是納米流體，納米流體由傳熱基液-水和強化相納米顆粒-Cu組成，采用在水介質(zhì)中添加2. 0%體積比的Cu納米顆粒制備的Cu-水納米流體，其對流換熱系數(shù)比水增大39%。納米流體的均勻穩(wěn)定性能對于其強化換熱作用的發(fā)揮至關(guān)重要，因此采用加入PH調(diào)節(jié)劑和分散劑的方法來提高 Cu-水納米流體的分散性及穩(wěn)定性。對于Cu-水納米流體，在保證換熱性能的基礎(chǔ)上，采用分析純鹽酸做PH調(diào)節(jié)劑使Cu-水納米流體pH = 9. 5 ；十二烷基苯磺酸鈉做分散劑，且在 Cu-水納米流體中十二烷基苯磺酸鈉濃度為0. 07%，由此保證Cu-水納米流體的分散性及穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)，其特征在于，所述的基于納米流體特性的非能動堆芯冷卻系統(tǒng)是在反應(yīng)堆安全殼(15頂部安裝水箱(5)，水箱 (5)通過第二三通閥門G)、第一三通閥門(3)分)別與反應(yīng)堆堆芯(6)壓力容器的進(jìn)管 (7)及出管(8)相接，第二三通閥門(4、第一三通閥門( 通過閥門控制器( 連接廠用電源⑴；其中進(jìn)管⑵及出管⑶還分別通過第二二通閥門(13)、第一二通閥門(12)與汽輪發(fā)電機(14)連接；在水箱( 頂部設(shè)置安全閥(10)，水箱( 的側(cè)面配置散熱肋片(11) 和第三二通閥門(9)；在水箱( 中納米流體將熱量釋放給溫度較低的納米流體及環(huán)境，使得密度減小，降溫后的納米流體沿著進(jìn)管(7)通過第二三通閥門(4)下降，兩個管道間納米流體由于存在密度差，使得形成自然循環(huán)回路，帶出反應(yīng)堆堆芯的熱量；當(dāng)回路中的壓力超過SMI^a時，安全閥(10)打開，以防止水箱(5)超壓。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沸水堆在失去廠外電源情況下堆芯的及時冷卻，保證反應(yīng)堆安全運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)，其特征在于，所述閥門控制器⑵是一種智能開關(guān)，當(dāng)廠電源⑴斷電時，閥門控制器⑵動作，自動開啟第一三通閥門(3)和第二三通閥門0)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)，其特征在于，所述水箱(5)中的納米流體是一種具有導(dǎo)熱系數(shù)高、換熱性好的新型傳熱工質(zhì)，其粘性系數(shù)小，流體輸送功耗小的流體，使自然循環(huán)回路具有很好的啟動特性，最大程度的帶走堆芯內(nèi)的熱量，且沸騰換熱中納米流體的臨界熱流密度大幅提高。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或3所述基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導(dǎo)出系統(tǒng)，其特征在于，所述納米流體由傳熱基液-水和強化相納米顆粒-Cu組成，采用在水介質(zhì)中添加 2. 0%體積比的Cu納米顆粒制備的Cu-水納米流體，其對流換熱系數(shù)比水增大39%。采用分析純鹽酸做PH調(diào)節(jié)劑使Cu-水納米流體pH = 9. 5，十二烷基苯磺酸鈉做分散劑，且在 Cu-水納米流體中十二烷基苯磺酸鈉濃度為0. 07%，由此保證Cu-水納米流體的分散性及穩(wěn)定性。
專利摘要
本發(fā)明公開了屬于核電站設(shè)備與安全技術(shù)領(lǐng)域：
的一種基于納米流體特性的沸水堆非能動排熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)由閥門控制器，水箱，循環(huán)管道及閥門等組成。系統(tǒng)對廠用電源不可用的情況下，利用納米流體較強的換熱特性以及較小的粘性系數(shù)，以較強的自然循環(huán)能力實現(xiàn)沸水堆內(nèi)熱量的快速導(dǎo)出。達(dá)到防止放射性物質(zhì)排放和保護(hù)公眾、環(huán)境的目的。在發(fā)生嚴(yán)重事故時，執(zhí)行和完成安全保障功能。該系統(tǒng)的后備安全性好，流程簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、實施方便，控制簡單。
文檔編號G21C15/18GKCN102243897SQ201110175073
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月27日
發(fā)明者劉平, 周濤, 洪德訓(xùn) 申請人:華北電力大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan