一种强化安全壳排热的事故缓解装置

1.一种强化安全壳排热的事故缓解装置，所述事故缓解装置设置在安全壳的内壁面上，其特征在于，所述事故缓解装置包括：
导热基板，导热基板结合到安全壳的内壁面上，以及
疏水性微观结构层，所述疏水性微观结构层设置在导热基板的表面上，其用于使事故缓解装置的表面具有疏水特性，从而在发生严重事故的情况下，当由冷却剂形成的蒸汽接触到具有疏水特性的事故缓解装置的表面时，形成珠状凝结。
2.根据权利要求1所述的事故缓解装置，其特征在于，所述疏水性微观结构层由突起微纳米结构、凹槽微纳米结构、孔洞微纳米结构中的至少一种微纳米结构组成。
3.根据权利要求2所述的事故缓解装置，其特征在于，所述突起微纳米结构为球型、椭球型、球冠型、柱型、管型、棱锥型、棱台型、片层型、针形中的至少一种结构或多种复合结构。
4.根据权利要求2所述的事故缓解装置，其特征在于，所述微纳米结构的高度或深度在
500纳米至1000微米之间，半高宽度在20纳米至200微米之间，相邻微纳米结构间距在100纳米至500微米之间。
5.根据权利要求1所述的事故缓解装置，其特征在于，所述的疏水性微观结构层为C、C化合物、Si、Si化合物、Zn、Zn化合物、Zn合金、Ga、Ga化合物、B、B化合物、Cu、Cu化合物、Cu合金、Al、Al化合物、Al合金、Mg、Mg化合物、Mg合金、Ag、Ag合金、Fe、Fe合金、Pb、Pb合金、Ni、Ni合金、Sn、Sn合金中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的事故缓解装置，其特征在于，所述事故缓解装置还包括设置在疏水性微观结构层表面的低表面能化学修饰层。
7.一种强化排热的安全壳，其特征在于，其包括：
安全壳，以及
事故缓解装置，所述事故缓解装置设置在安全壳的内壁面上，所述事故缓解装置包括：
导热基板，导热基板结合到安全壳的内壁面上，以及
疏水性微观结构层，所述疏水性微观结构层设置在导热基板的表面上，其用于使事故缓解装置的表面具有疏水特性，从而在发生严重事故的情况下，当由冷却剂形成的蒸汽接触到具有疏水特性的事故缓解装置的表面时，形成珠状凝结。
8.根据权利要求7所述的安全壳，其特征在于，所述疏水性微观结构层由突起微纳米结构、凹槽微纳米结构、孔洞微纳米结构中的至少一种微纳米结构组成。
9.根据权利要求7所述的安全壳，其特征在于，所述的疏水性微观结构层为C、C化合物、Si、Si化合物、Zn、Zn化合物、Zn合金、Ga、Ga化合物、B、B化合物、Cu、Cu化合物、Cu合金、Al、Al化合物、Al合金、Mg、Mg化合物、Mg合金、Ag、Ag合金、Fe、Fe合金、Pb、Pb合金、Ni、Ni合金、Sn、Sn合金中的至少一种。
10.一种强化排热的核电站安全设备，其特征在于，其包括：
安全壳；
混凝土屏蔽厂房，其具有空气入口、空气导流板、空气出口，从空气入口进入的空气经过空气导流板，进行自然对流冷却，自然对流的空气最后经空气出口排入大气；以及事故缓解装置，所述事故缓解装置设置在安全壳的内壁面上，所述事故缓解装置包括：
导热基板，导热基板结合到安全壳的内壁面上，以及
疏水性微观结构层，所述疏水性微观结构层设置在导热基板的表面上，其用于使事故缓解装置的表面具有疏水特性，从而在发生严重事故的情况下，当由冷却剂形成的蒸汽接触到具有疏水特性的事故缓解装置的表面时，形成珠状凝结。

一种强化安全壳排热的事故缓解装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于核电站安全设备与技术领域，特别涉及一种核电站严重事故非能动排热装置。具体地说，是在核电站出现超设计基准的严重事故时，利用具有较强传热功能的装置，及时排出热量，确保安全壳的完整性。\n背景技术\n[0002] 安全壳是核电站发生事故时，防止放射性物质泄漏的最后一道屏障，对核电站安全具有极为重要的意义。所以，针对未来反应堆核电站，其堆芯增大、功率增加必然导致事故后安全壳内质能释放增大，及时迅速地排出壳内热量，是核电站设计中需要考虑的重要问题。要解决大破口、主蒸汽管道破裂等严重事故工况下的事故缓解问题，必须有一种能够在发生严重事故的工况下，快速直接排出安全壳内热量，保证安全壳内温度、压力不超过设计许用范围的方法，从而保持安全壳的完整性，最终保证核电站乃至周围环境的安全。\n[0003] 根据安全壳冷却系统的运行特点，壳内热量主要通过壳内水蒸汽凝结、钢壳壁导热和壳外液膜蒸发等物理现象的耦合作用向外部输运，从而降低安全壳的内部压力。其中，安全壳壁面及其附近的流体是热量载出的主要载体，壳壁内的高效传热对实现安全壳冷却系统功能极其重要。蒸汽的凝结方式可分为膜状凝结和珠状凝结。现有技术的钢制安全壳以及常用涂层表面均表现为亲水性质，凝结方式为膜状凝结，蒸汽凝结只能在液膜上进行。\n这种凝结方式换热效率低，存在安全隐患。\n发明内容\n[0004] 相对于膜状凝结，珠状凝结是一种高效换热方式，换热直接在液珠表面和裸露壁面上进行，其换热系数比膜状凝结要高1-2个数量级，能够有效强化安全壳的排热能力。因此，一种能够实现高效珠状凝结换热的疏水或超疏水安全壳壁面具有重要的意义。\n[0005] 因此，本发明的目的在于提出一种核电站严重事故时增强安全壳排热性能的事故缓解装置，在核电站发生超设计基准事故的严重事故工况时，将安全壳内压力和温度降低至可接受的水平，以保持安全壳的完整性。\n[0006] 本发明的技术方案如下：一种强化安全壳排热的事故缓解装置，包括导热基板，其特征在于：还包括疏水性微观结构层，该疏水性微观结构层设置在导热基板的表面上，上述事故缓解装置设置在钢制安全壳的内壁面上；在发生严重事故时，执行安全保障功能。\n[0007] 所述的疏水性微观结构层为C、C化合物、Si、Si化合物、Zn、Zn化合物、Zn合金、Ga、Ga化合物、B、B化合物、Cu、Cu化合物、Cu合金、Al、Al化合物、Al合金、Mg、Mg化合物、Mg合金、Ag、Ag合金、Fe、Fe合金、Pb、Pb合金、Ni、Ni合金、Sn、Sn合金中的至少一种材料。\n[0008] 所述的疏水性微观结构层由突起、凹槽、孔洞微纳米结构中的至少一种结构组成。\n[0009] 所述的微纳米结构具有球型、椭球型、球冠型、柱型、管型、棱锥型、棱台型、片层型、针形中的至少一种结构。\n[0010] 所述的微纳米结构的高度或深度在500纳米至1000微米之间，半高宽度在20纳米至200微米之间，相邻微纳米结构间距在100纳米至500微米之间。\n[0011] 可选的，所述的事故缓解装置还包括设置在疏水性微观结构层表面的低表面能化学修饰层。所述的低表面能化学修饰层的材料表面能在5至100 mJ/m2。有利的，所述的低表面能化学修饰层的材料为硅氧烷或含氟化合物。\n[0012] 本发明的优点在于：\n[0013] 1）利用粗糙度放大疏水效果的原理形成疏水甚至超疏水的表面，从而在事故情况下减小或避免液膜的形成，通过高效的珠状凝结换热过程，将安全壳压力和温度降低至可接受的水平，有效保持安全壳的完整性。\n[0014] 2）本发明采用的装置结构简单、成本低、实施方便，且性能稳定、可靠。\n[0015] 3）本发明采用的装置具有疏水性表面，通过疏水性表面具有的自清洁效应，有利于保持安全壳壁面清洁及防止壁面腐蚀。\n[0016] 4）本发明采用非能动的装置增强安全壳内热量排出，完全不依赖于外部动力供应，提高了核电站的固有安全性。\n[0017] 本发明还提供了以下技术方案：\n[0018] 1. 一种强化安全壳排热的事故缓解装置，所述事故缓解装置设置在安全壳的内壁面上，其特征在于，所述事故缓解装置包括：\n[0019] 导热基板，导热基板结合到安全壳的内壁面上，以及\n[0020] 疏水性微观结构层，所述疏水性微观结构层设置在导热基板的表面上，其用于使事故缓解装置的表面具有疏水特性，从而在发生严重事故的情况下，当由冷却剂形成的蒸汽接触到具有疏水特性的事故缓解装置的表面时，形成珠状凝结。\n[0021] 2. 根据方案1所述的事故缓解装置，其特征在于，所述疏水性微观结构层由突起微纳米结构、凹槽微纳米结构、孔洞微纳米结构中的至少一种微纳米结构组成。\n[0022] 3. 根据方案2所述的事故缓解装置，其特征在于，所述疏水性微观结构为球型、椭球型、球冠型、柱型、管型、棱锥型、棱台型、片层型、针形中的至少一种结构或多种复合结构。\n[0023] 4. 根据方案2所述的事故缓解装置，其特征在于，所述微纳米结构的高度或深度在500纳米至1000微米之间，半高宽度在20纳米至200微米之间，相邻微纳米结构间距在100纳米至500微米之间。\n[0024] 5. 根据方案1所述的事故缓解装置，其特征在于，所述的疏水性微观结构层为C、C化合物、Si、Si化合物、Zn、Zn化合物、Zn合金、Ga、Ga化合物、B、B化合物、Cu、Cu化合物、Cu合金、Al、Al化合物、Al合金、Mg、Mg化合物、Mg合金、Ag、Ag合金、Fe、Fe合金、Pb、Pb合金、Ni、Ni合金、Sn、Sn合金中的至少一种。\n[0025] 6. 根据方案1所述的事故缓解装置，其特征在于，所述事故缓解装置还包括设置在疏水性微观结构层表面的低表面能 化学修饰层。\n[0026] 7. 一种强化排热的安全壳，其特征在于，其包括：\n[0027] 安全壳，以及\n[0028] 事故缓解装置，所述事故缓解装置设置在安全壳的内壁面上，所述事故缓解装置包括：\n[0029] 导热基板，导热基板结合到安全壳的内壁面上，以及\n[0030] 疏水性微观结构层，所述疏水性微观结构层设置在导热基板的表面上，其用于使事故缓解装置的表面具有疏水特性，从而在发生严重事故的情况下，当由冷却剂形成的蒸汽接触到具有疏水特性的事故缓解装置的表面时，形成珠状凝结。\n[0031] 8. 根据方案7所述的安全壳，其特征在于，所述疏水性微观结构层由突起微纳米结构、凹槽微纳米结构、孔洞微纳米结构中的至少一种微纳米结构组成。\n[0032] 9. 根据方案7所述的安全壳，其特征在于，所述的疏水性微观结构层为C、C化合物、Si、Si化合物、Zn、Zn化合物、Zn合金、Ga、Ga化合物、B、B化合物、Cu、Cu化合物、Cu合金、Al、Al化合物、Al合金、Mg、Mg化合物、Mg合金、Ag、Ag合金、Fe、Fe合金、Pb、Pb合金、Ni、Ni合金、Sn、Sn合金中的至少一种。\n[0033] 10. 一种强化排热的核电站安全设备，其特征在于，其包括：\n[0034] 安全壳；\n[0035] 混凝土屏蔽厂房，其具有空气入口、空气导流板、空气出口，从空气入口进入的空气经过空气导流板，进行自然对流冷却，自然对流的空气最后经空气出口排入大气；以及[0036] 事故缓解装置，所述事故缓解装置设置在安全壳的内壁面上，所述事故缓解装置包括：\n[0037] 导热基板，导热基板结合到安全壳的内壁面上，以及\n[0038] 疏水性微观结构层，所述疏水性微观结构层设置在导热基板的表面上，其用于使事故缓解装置的表面具有疏水特性，从而在发生严重事故的情况下，当由冷却剂形成的蒸汽接触到具有疏水特性的事故缓解装置的表面时，形成珠状凝结。\n[0039] 从下文提供的详细说明，本发明的其它示例性实施例将变得清楚。应该理解的是，详细说明和具体示例尽管公开了本发明的示例性实施例，但其仅为描述性目的，且并不意图限制本发明的范围。\n[0040] 术语定义：\n[0041] 在本申请中使用的术语“浸润特性”指的是亲水性和疏水性，例如，本文中使用的“增强浸润特性”指的是使亲水材料更亲水，疏水材料更疏水。具体而言，“增强浸润特性”在本申请中指的是增强疏水特性。\n[0042] 在本申请中使用的术语“半高宽度”指的是高度（或深度）一半处所具有的宽度。例如，在本申请的一个实施方式中，半高宽度指的是棱台型突起在一半高度处所具有的宽度。\n例如，在本申请的另一个实施方式中，半高宽度指的是棱台型凹槽在一半深度处所具有的宽度。\n[0043] 此外，除非另行定义，否则本文所用的所有科技术语的含义与本发明所属领域的技术人员通常理解是一样的。如发生矛盾，以本说明书及其包括的定义为准。\n附图说明\n[0044] 下面结合说明书附图对本发明进行详细描述。说明书附图并不一定是严格按照比例进行绘制的并且说明书附图仅仅是示意性的图示。在本申请的说明书附图中，使用相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。\n[0045] 图1为根据本发明的强化安全壳排热的事故缓解装置示意图，其中事故缓解装置布置在安全壳的内壁面上；以及\n[0046] 图2为图1中A部分的局部放大示意图。\n[0047] 附图标记列表\n[0048] 1. 安全壳\n[0049] 2. 导热基板\n[0050] 3. 疏水性微观结构层\n[0051] 4. 混凝土屏蔽厂房\n[0052] 5. 空气导流板\n[0053] 6. 空气入口\n[0054] 7. 空气出口\n[0055] 8. 事故缓解装置。\n具体实施方式\n[0056] 下面结合附图对本发明的具体结构、工作过程和最佳实施方式作进一步说明。以下实施例旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。\n[0057] 本发明提供了一种强化传热的核电站事故缓解装置。参照图1，其示出了本发明的一个实施例。如图1所示，在混凝土屏蔽厂房4内放置安全壳1，其例如为钢制的。图1还示出了非能动安全壳的冷却系统，混凝土屏蔽厂房4具有空气入口6，并且混凝土屏蔽厂房4设有空气导流板5，从空气入口6进入的空气经过空气导流板5进入，从而接触安全壳1的外壳。由空气入口6进入的空气进行自然对流冷却，自然对流的空气最后经混凝土屏蔽厂房4的空气出口7排入大气。\n[0058] 继续参照图1并参照图2，如图1所示，根据本发明的一个实施例的事故缓解装置8设置在安全壳1的内壁面上。图2为图1的A部分的局部放大示意图。该强化安全壳排热的事故缓解装置8主要包括导热基板2和疏水性微观结构层3。导热基板2通过焊接等方式结合到安全壳1的内壁面上，例如导热基板2优选地采用SA738碳钢板，其与安全壳1有良好的焊接性能，在本发明的其他实施例中，导热基板2也可以采用其它合适的材料，另外在本发明的其他实施例中，也可以使用其他合适的结合方式。\n[0059] 具体如图2所示，疏水性微观结构层3设置在导热基板2的表面上。根据本发明的一个实施例，疏水性微观结构层3由多个突起组成，所述多个突起可以根据具体应用情况而以一定的顺序或以一定的图案排列。在本发明的其他实施例中，多个突起可以随机排列。表面材料的微纳米结构能够增强浸润特性。为了提高表面疏水性，优选地，所述疏水性微观结构层3由突起的微纳米结构组成，但也可以由凹槽和孔洞微纳米结构构成。所述的突起的微纳米结构具有球型、椭球型、球冠型、柱型、管型、棱锥型、棱台型、片层型、针形中的至少一种结构或多种复合结构。更优选地，突起的微纳米结构为棱台型，从而使结构稳定且易于加工。\n[0060] 为了进一步优化表面疏水特性，微纳米结构的高度或深度，在500纳米至1000微米之间，半高宽度在20纳米至200微米之间，相邻微纳米结构间距在100纳米至500微米之间。\n优选地，微纳米结构高度为5至50微米，半高宽度为3至30微米，相邻微观结构间距为5至50微米。\n[0061] 低表面能的材料具有超疏水的表面浸润特性。因此，为了获得超疏水表面，在疏水性微观结构层3表面上设置表面能为5至100 mJ/m2的低表面能化学修饰层。优选地，低表面能化学修饰层的材料为硅氧烷。在本发明的其他实施例中，化学修饰层也可以为含氟化合物。\n[0062] 发生严重事故时，由于冷却剂喷射到安全壳1内部空间，形成大量蒸汽，造成安全壳1内部的温度和压力升高。当蒸汽接触到具有疏水特性的事故缓解装置8表面时，形成珠状凝结。与通常的膜状凝结相比，珠状凝结换热直接在液珠表面和裸露壁面上进行，其换热系数比膜状凝结要高1-2个数量级，强化了安全壳1的排热能力。冷凝后的液体流回安全壳底部，而其热量传递给钢制安全壳1外表面，安全壳1的外表面由冷却水在安全壳外壁面上形成的水膜冷却，热量最终经由空气入口6、空气导流板5及钢制安全壳1之间的空气自然对流冷却，自然对流的空气最后经混凝土屏蔽厂房4的空气出口7排入大气。\n[0063] 表面材料的化学组分影响液滴的浸润性。因此，为了获得本征的疏水表面，该疏水性微观结构层3可以为C、C化合物、Si、Si化合物、Zn、Zn化合物、Zn合金、Ga、Ga化合物、B、B化合物、Cu、Cu化合物、Cu合金、Al、Al化合物、Al合金、Mg、Mg化合物、Mg合金、Ag、Ag合金、Fe、Fe合金、Pb、Pb合金、Ni、Ni合金、Sn、Sn合金中的至少一种材料。优选地，疏水性微观结构层3为Cu化合物。更优选地，Cu化合物为CuO，从而使疏水性微观结构层3制备工艺简单、成本低廉。\n[0064] 前文中所描述的实施例仅为示例性的而非限制性的。因此，在不脱离本文所公开的发明构思的情况下，所属领域的技术人员可对上述实施例进行修改或改变。因此，本发明的保护范围仅由所附权利要求书的范围来限定。