利用排放系统余热的补充水的核反应堆

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本发明与包括喷入附加冷却剂到反应堆冷却剂管路的装置的核 反应堆系统有关，尤其涉及把冷却剂管路系统与排放余热的热交换 器相互传热的系统，因为排放的余热加到内密闭的充水贮箱与反应 堆冷却剂管路之间相连通的流体中作为喷入附加冷却剂的一种手 段。本发明应用到具有被动安全特点的反应堆系统，并且对反应堆冷 却剂管路进行减压以方便附加冷却水的喷入。\n诸如一压水堆式的核反应堆在高压下通过一包含横穿过用来加 热冷却剂的核燃料反应堆容器的冷却剂管路，一汽轮发电机则从冷 却剂中吸取能量来发电。一余热排放系统在汽轮发电机停机时用来 排放残热，在冷却剂损耗情况下，设有添加附加冷却剂的装置，冷却 剂的损耗只可能牵涉到小量损耗，从而附加冷却剂就从一较小的高 压补充水源引出并喷入到系统中，而不需减压反应堆冷却剂管路。如 果发生较大的冷却剂损耗，就必须从含有大量水的低压水源处添加 冷却水，可是很难用泵来克服反应堆冷却剂管路中的压力(例如 2250磅/英寸2或150巴)，只有反应堆冷却剂管路减压，这样就能 在外界压力下从密闭壳中的内封闭加水贮箱来添加冷却水。\n西屋公司AP600反应堆系统用了一分级减压装置来对冷却剂 管路减压，而本发明只是其中的一部分。一系列的阀把反应堆的出口 (也称为冷却剂管路的“热段”)连到密闭壳内。当起初开始减压时，阀 就连续地在较低压力下工作，冷却剂管路和密闭结构沿着一带有背 压的流通管路，通过一个或几个较小导管，由减压阀相连。在冷却 剂管路中压力下降时，附加导管由减压阀分级打开，分级打开冷却剂 管路和密闭壳之间一较大和/或更直接的流通管路。\n初始阶段把一加压贮箱通过一通向冷却剂管路“热段”的导管连 到一内密闭的加水贮箱中的“起泡装置”，该起泡装置有引到浸在水 贮箱内小喷气孔的导管，从而提供了背压并使由起泡装置喷入水贮 箱中的蒸汽凝结成水。连续的减压级具有逐级较大内径的导管。最 后一级有把“热管路”直接连到密闭壳内的大直径导管，例如在反应 堆管路中热段通过的环路部分，这种布置有效地把冷却剂管路的压 力减小到大气压力而没有对各自的反应堆导管加上突然的液压载 荷。当冷却管路内压力到足够低时，水就靠从内密闭的加水贮箱的自 身重力流动添加到冷却剂管路中。\n在AP600反应堆中的自动减压是保证反应堆芯甚至发生冷却 剂最大损耗的事故诸如在反应堆冷却剂管路上严重违反操作规程情 况时也能进行冷却的一种被动的自我保护。由于内密闭的加水贮箱 通过其重力排出而不需要泵，并把水排入反应堆容器所在的密闭体 底部，在密闭体内产生一流体压头足以把水送入减压的冷却剂管路 而不依赖诸如泵等的转动件。一旦冷却剂管路处在大气压力下且密 闭体充满了水，水就继续压入反应堆容器，在反应堆内通过水的沸腾 来冷却核燃料，从反应堆冷却剂管路逸出的蒸汽在密闭壳体的内壁 上冷凝成水该冷凝水，则再喷入反应堆冷却剂管路而返回。\n在冷却剂严重损耗的事故情况下，上述的布置已表明有效。然而 也有可能如果自动减压系统在并不紧迫的情况下动作，这就不须在 密闭体内灌满水，由于反应堆密闭体充满水而随之的减压就须把反 应堆停止运行并要求对其彻底打扫干净。\n有需要建立对大事故足以恰当地反应且损失和费用减到最小的 系统，如果通过添加高压补充水源的过量冷却剂或者通过有次序的 反应堆关机程序进行有效的修理可对形势加以适当的弥补，上述系 统必须安置成与被动安全系统进行互补而不妨碍或相反地影响到被 动安全系统对真的事故反应的能力。\n本发明的目的是把压水式核反应堆的正常余热排放系统与一在 添加冷却剂时减压反应堆冷却剂管路内的被动安全系统结合起来， 为了排除在当时情况下完全不必要的具有破坏性的最后的减压措 施。\n本发明的另一目的是提供一与余热排放系统相连的非安全级的 冷却剂添加装置，为了在不小心或不必要地致动而使用自动减压的 被动的堆芯冷却系统从而防止反应堆密闭体内充满水。\n本发明还有一目的是利用一个或几个余热排放泵的排水功率的 功能而不是余热排放相伴随的关机，包括对反应堆冷却系统的充水 和冷却内密闭加水贮箱。\n正常情况下，在反应堆不工作时，通过使用用于冷却反应堆的冷 却剂管路的余热排放系统的压水式核反应堆就能达到上述这些目 的。根据本发明，当分级减压时，为了从一内密闭的加水源加水到反 应堆冷却剂管路，用手动连结同一余热排放系统。减压的分级可由冷 却剂液面的下落来触发，在减压的最后级，密闭体内充满由加水贮箱 也就是在大气压力下紧急冷却的水。而当减压是由于疏忽或小的泄 漏时，冷却剂则通过余热排放系统添加入内，在这种动作是不必要和 能做到有序的关机以进行有效的修理时余热排放系统使减压防止继 续进行到最后的密闭充水阶段。不过由于应急情况则要求快速减压 和被动冷却时又不损害被动冷却系统的运行。\n补充水贮箱连接到反应堆冷却剂管路，冷却剂保持着反应堆的 运用压力，由补充水液面下落而触发的减压系统打开了引向加水贮 箱起泡装置的连续管路，这样就减小了压力，最终减到大气压力。该 起泡装置防止蒸汽和辐射，在一开始打开三级减压的第一级时，不排 入到密闭体内。在减压时，冷却剂管路由来自加水贮箱的水中通过重 力输送充入管内。作为一“被动冷却装置”，通过来自加水贮箱的水充 满密闭体而冷却反应堆。当冷却剂管路达到在密闭体充满前的减压 状态时，用手动致动的余热排放系统把来自在外界压力下的加水贮 箱的水用泵压入仍旧加压下的冷却剂管路。此分级减压糸统把冷却 剂管路通向密闭体，以减少冷却剂的供应。但是余热排放系统加入的 冷却剂补充了损失的冷却剂，结果就可防止到达最后级的减压。该余 热排放系统也能与加水贮箱连成一回路用于一辅助的热排放途径。\n附图所示为本发明的最佳实施例，然而应该明白本发明并不局 限于附图所示的精密布置以及其装置，其中：\n图1是说明根据本发明的自动减压时，一带自连结补充水的余 热排放系统的核反应堆的示意图。\n图2是一更详细说明余热排放系统的示意图，尤其是相应部件 之间的阀系布置。\n在图1中，有二个冷却剂源来补充核反应堆22的冷却剂损耗。 一高压补充贮箱33的入口32通过阀门35与反应堆冷却入口或“冷 段”36相连结。高压补充贮箱33还通过电动阀门38和单向阀门42 与一反应堆容器的喷入口44相连结。高压补充贮箱33在操作时在 反应堆的工作压力下供应附加的冷却剂到反应堆的冷却剂管路46 以补充其损耗，然而，高压补充贮箱33只含有一有限的冷却剂供应。\n大量的冷却水是从内密闭的加水贮箱50获得，由于使贮箱50 向着密闭建筑物54打开的通气口52，故贮箱50在大气压力作用 下。当反应堆22在工作时，冷却剂管路的工作压力大约是在2250磅 /英寸2(150巴)。因此为了把冷却剂加入到反应堆容器60和与之相 连的冷却剂管路46内，此系统必须减压，也就是在密闭体内把压力 降到大气压力或接近大气压力，根据本发明，冷却剂管路46分级降 压以限制导管36，56上的热负荷和液压负荷以及反应堆容器60由 于要降压而把其与密闭体54相通。\n在实例中所示的核反应堆22通过把冷却剂管46与密闭体54 相通并分四级减压来达到减压目的，最后阶段减压其特点为通过把 冷却剂管路46直接连到密闭体54的内部。在减压最后阶段，来自加 水贮箱50的冷却剂能由重力作用通过电动阀62和单向阀64输入 到反应堆容器的喷入入口44。此外，在减压最后阶段，密闭体54充 满了来自加水贮箱50的水。这样在密闭体54充满了来自加水贮箱 50的水。这样在密闭体54内的水由重力排入到冷却剂管路46内并 由核燃料加热煮沸。从而把所产生的蒸汽通入密闭体54，在密闭体 54里，水就凝结在比较冷的壁上。冷凝水排回到密闭体54的底部且 进行再循环，此系统提供了一不依靠泵或其它动力的强制循环元件 的被动冷却装置。\n在图1所示的分级减压时，三个初始减压级是通过连续打开初 级减压阀72来达到的，而该初级减压阀72通过起泡装置74连在冷 却剂管路46和密闭体壳54之间。在各减压段76的各自阀门72逐 个地在较低压力下打开并最好以沿着导管76相平行段形式连在冷 却剂系统加压贮箱80和浸在加水供应贮箱50内的起泡装置74之 间。逐级打开的导管76将按其分级逐渐增大这样把冷却剂管路46 愈来愈大地完全与密闭体54相通。由打开阀门装置82所取得的最 后级减压可使用最大的导管84且直接把冷却剂管路46连到密闭体 壳体54(而不是通过浸在加水供应贮箱50内的起泡装置74)，例如 可打开在含有通向汽轮发电机(未示出)的反应堆出口导管56的密 闭体54内的回路部分。\n反应堆的冷却剂回路46具有这种被动的冷却保护，包括分级减 压系统，根据本发明该分级减压系统连到一余热排放系统90，从而 在达到最后阶段的减压之前能把补充水送到冷却剂管路46。在正常 情况下，余热排放系统90只在关机时才工作，用于排放来自反应堆 芯的正常的核衰变热量。故而余热排放系统90是由手动操作的，也 就不想把它作为在发生事故时的一安全级的冷却装置。然而，通过安 置一余热排放系统90和反应堆冷却剂管路46之间的连结，就能用 余热排放泵把来自加水供应贮箱50的冷却剂送到冷却剂管路46或 用于冷却加水供应贮箱50的水。\n参照图1，具有一安置在密闭壳体54内的反应堆容器60的核 反应堆有一包括反应堆容器的正常加压的冷却剂管路46，一在大气 压力下的加水贮箱50连到一冷却剂添加系统92，该系统92在工作 时能使冷却剂管路46减压为了从加水贮箱50添加冷却剂到减小 压力的冷却剂管路。一余热排放回路94有至少一个泵96和至少一 热交换器98，余热排放回路94有一入口102和一出口104，通过手 动阀106，108连到冷却剂管路46。合适的单向阀109串联设置在余 热排放回路94的出口。\n图2所示的最佳系统包括具有各自的泵96和热交换器98的二 个余热排放段94。当余热排放泵96通过加水贮箱50和冷却剂管路 46之间的阀门106，108相连时，也就是在达到最后级减压之前的冷 却剂管路减压时，泵96把来自加水贮箱50的水注入到直接容器注 入管路112(见图1)。当反应堆冷却剂管路压力降到泵96的断路压 头以下时就会发生水的注入。\n入口的隔断阀110和出口的截止单向隔断阀111分开了二个平 行的余热排放段94，泵96通过旁路113保护其不会有过压问题，旁 路113有一限止孔114用于当出口阀108关闭或当泵96的压力不 超过通向反应堆注入入口44管路压头时来泄去泵工作时产生的压 力。\n再参照图1，根据冷却剂补充贮箱33的液面来触发减压级，例 如冷却剂的液面用安置在贮箱不同高度的传感器112来确定，再把 传感器连到反应堆的控制系统(未示出)，在达到一相应的冷却剂液 面后，控制系统就打开分级的减压阀72。\n在冷却剂补充贮箱33下游点处的泵96把冷却剂排入冷却剂管 路46。所以泵96的工作能有效地切断来自冷却剂补充贮箱33的液 流，通过合适调整孔极上孔133的大小来设定在直接容器注入腔 132和余热排放系统排出管路104之联结管134之间的液流的摩擦 压头损失HF使其等于从联结管134到冷却剂补充贮箱33内水位 136之间由高低位置引起的压头差。因此，如果从点132到点134的 压头损失HF相当于冷却剂补充贮箱的标高在最后一级减压阀打开 处冷却剂标高之上而引起的液流压头，那么在由余热排放泵96注入 来自加水供应贮箱的冷却剂时，最后级减压阀82就不会打开。这样 在减压时，余热排放系统90的工作使自动减压系统不进入到使密闭 体充满水的阶段。\n因为在反应堆工作时，冷却剂管路46加压，减压的分级牵涉到 来自冷却剂管路46的冷却剂以不同的速率损耗。蒸汽和水都通大气 使冷却剂从管路46中排走而且通过起泡装置74把冷却剂送入加水 供应贮箱50或者通过最后级导管84直接把冷却剂送入密闭体结构 54。因此在减压系统工作时，在补充贮箱33的冷却剂液面下降，补充 贮箱内的液面下降就触发了下一级的减压，随着自动减压的开始，继 续触发各个级。余热排放系统90消除了密闭体54不必要的充溢，例 如当自动减压系统由于疏忽而动作或当冷却剂的损耗触发初级减压 等情况都不是关键性质的。\n如果发生一危急的冷却剂损耗事故，余热排放系统仍能用手动 使其动作而无不利的影响。如果冷却剂补充贮箱33内液面降到触发 最后级减压的液面(例如在25％冷却剂补充贮箱的容积)不管操作 人员是否开动余热排放泵96，冷却剂管路46就通到密闭体54，依靠 重力，来自加水供应贮箱50的冷却剂流到冷却剂管路46和/或流到 密闭体54的底部而影响被动冷却。所以本发明并不妨碍被动冷却系 统并且事实上在保护密闭54不会发生不必要的充溢同时，提供一附 加的堆芯冷却的余量。\n如图2所示，最佳的阀门布置包括至少一与余热排放糸统90的 入口102相连的入口阀142，有选择地把余热排放系统连到其中一 个冷却剂管路46和加水贮箱50而且至少一出口阀144连到余热排 放系统90的一出口104，有选择地把余热排放系统既连到冷却剂管 路46又连到加水贮箱50。这样就进一步提供了利用余热排放系统 来冷却加水贮箱50的能力。为此目的，余热排放系统90的入口102 和出104都连到除去反应堆冷却剂管路46外的一冷却剂回路中的 加水贮箱50。当安置一补充的热交换器152在加水贮箱50内时，冷 却加水源50是有用的，否则如果加水贮箱50由于减压系统的工作 而把蒸汽和热水通入加水贮箱情况下会变热。\n上述讨论包括仅有一单个堆芯补充水箱和仅有一单个直接反应 堆容器喷入管路。万一被动冷却系统使用超过一个高压补充水箱和 /或使用直接反应堆容器喷入腔时，那么就必须把一段或多段余热排 放系统连到各个高压贮箱和/或直接喷射腔，如图1所示。如图2所 示，例如图上示出二个直接反应堆容器喷射腔都连到余热排放系 统。