在核反应堆中冷凝物的收集和循环

1.一种用于核反应堆的被动冷却装置，基本封闭在安全壳结构 中并具有设置在安全壳结构中的液体储存箱，该储存箱装有暴露于 安全结构内的冷却液，一热交换器设置在冷却液中并用管路连接于 核反应堆的热源，因而在万一热源发生事故时，储存箱内的冷却液 以蒸气形式释放入安全壳结构内，并在安全壳结构内壁上形成冷凝 物，冷凝物由于重力向下流动，其特征在于：
沿所述内壁设置收集装置，用于从所述内壁收集至少部分冷凝 物，该收集装置包括至少一条基本围绕安全壳结构的整个内周延伸 的沟槽；
一个在收集装置和储存箱之间的排泄箱；以及
连接收集装置、排泄箱和储存箱的管路装置，在工作中如发生 事故时使冷凝物从收集装置通过排泄箱流至储存箱，该管路装置包 括在工作中可选择地打开和闭合所述排泄箱和储存箱之间的连接的 阀门装置，其用于将排泄箱排空入储存箱，从而使冷却液被循环并 重复使用。
2.按照权利要求1所述的被动冷却装置，其特征在于：所述收集 装置具有许多在不同高度上绕安全壳内周延伸的沟槽。
3.按照权利要求2所述的被动冷却装置，其特征在于：安全壳结 构的内壁是圆柱形的，至少一条沟槽是周向延内壁延伸的。
4.按照权利要求1所述的被动冷却装置，其特征在于：安全壳结 构包括至少一基本水平的板，所述收集装置包括一个位于所述基本 水平板下面的滴水收集结构。
5.按照权利要求3所述的被动冷却装置，其特征在于：所述管路 装置包括从较高的至少一条沟槽限制冷凝物流量的阀门装置，因而 冷凝物的一部分从沟槽溢流通过安全壳结构落下。
6.按照权利要求1所述的被动冷却装置，其特征在于：一净化箱 连接于所述管路装置和所述储存箱之一，所述净化箱内装化学添加 剂，用于使储存箱中的冷却液起化学变化。

本发明涉及从核反应堆安全壳结构内部收集水或其它冷凝物并 循环冷凝物重复用于紧急热交换过程，从而将过多热量从堆芯除去 并传递至安全壳结构的一种装置。\n现代核反应堆如压水堆具有内装核燃料的反应堆耐压容器，它 连接于一主堆回路，其中主冷却剂在反应堆容器中的燃料上循环并 通过一发电机，发电机吸收燃料赋予主冷却剂的能量。反应堆设置在 一安全壳结构中，其目的是在反应堆灾难中防止放射性大规模泄漏 到周围环境中去。例如，如果用于将热量从堆芯传至发电机的主冷却 系发生故障，如由于泄漏或连接管路断裂主冷却压力损失，反应堆会 快速过热。某些公知反应堆在安全壳结构内设有大型的储水箱，以便 在核事故中用作冷源。位于储水箱中的热交换器将热量从反应堆容 器和燃料传至储存箱中的水，因而提供了从堆芯带走热的冷源和热 传递装置。\n美国专利第34,668,467号中公开了一种核反应堆的安全冷却 装置，其中，在安全壳结构之外设有一大型水箱。万一发生核事故，冷 却从水箱送入安全壳结构，从靠近安全壳结构顶部的喷水歧管喷入。 或者只是泵入安全壳结构内，蓄积在安全壳结构底部的贮箱内，使水 可以注入直至达到一预定的液面高度。如果事故是由于主回路破裂 引起的，冷却水就会与主冷却剂混合。当冷却液达到预定液面高度 时，冷却液就从贮箱泵至外部的空气热交换器，并返回安全壳结构 中，这个热交换循环是为了从堆芯带走热量。如果必要还可以从水箱 喷水。\n冷却喷水的作用是降低核反应堆的温度，因而降低安全壳结构 中的压力。然而上述专利要求安全壳结构之外的水源，以及许多如泵 和热交换器那样的设施，而这些设施需要定期维修。\n美国专利第3,929,567号中公开了一种当发生事故时可在堆芯 产生溢流的安全系统。大量水储存在安全壳结构内的高位水箱中；在 发生事故时放泄出来。储存水的高位产生的压头有助于克服主回路 中的任何压力。一经放泄，包括位于安全壳结构之外的热交换器的 热交换循环即工作以除去过度的热量。象美国专利第4,668,467号 一样，这种设计依赖于使水流过热交换循环的泵和阀，这就需要定期 维修，还需要管路，阀门及泵的费用。\n本发明的目的是提供一种一定量冷却水形式的冷源，冷却水可 在安全壳结构上溢流或通过热交换装置热联结于堆芯，然而，本发明 所提供的冷却系统可以一种被动(无动力源的)操作形式收集和循环 冷却水。\n在核事故中，即使大型水箱中的水可以在几小时内加热至沸腾 状态。水保持在不变的沸点温度上(假定压力不变)，直至热能将全部 水从液态变为气态(水蒸汽)。水箱中的水沸腾所产生的水蒸汽放入 安全壳结构之内。由于安全壳内壁温度低于蒸汽，故水在壁上冷凝并 流到安全壳结构下部并在那里留存。如果没有回收水的装置，水箱里 的水可能在例如几天内完全蒸发入安全壳。如果事前没有安装其它 冷却装置，反应堆的温度就会失控地上升，堆芯就会熔化。\n为了减少对操作人员的依赖性并防止上述熔化现象，需要能使 热交换器基本无限期地工作。这就需要向水箱中不断注水，水从外部 水源注入，但问题是需要在基本无限期的时间内保持向水箱内加水。 另外，出于可靠性的考虑最好是要有一种不依赖于外部水源，也不依 赖于泵，阀，和其它需要维修的设施的被动(无动力源的)水源。\n本发明提供了一种在安全壳内的被动循环冷却液的装置。蒸发 的冷却液在安全壳结构内冷凝，而安全壳结构本身借助于一种利用 空气自然流通和水分蒸发的被动(无源)系统(美国专利第4,753, 771号)来冷却。冷凝物收集在适当的液滴收集沟槽和管道中，并靠 重力返回到冷源水箱。冷却液可以无限循环，虽然也可以通过从外 部来冷却安全壳结构，但却并不要求外部的冷却液源。另外，在安全 壳结构中漏出的放射性仍留在那里，因为并不要求包括外部热交换 器在内的流道。\n本发明的目的在于提供一种核反应堆安全壳结构的被动冷却装 置，其中，在发生需要冷却反应堆容器或堆芯的事故时，冷凝物被循 环至一受热的水箱用于冷却或补充冷却。\n本发明的另一目的是在反应堆安全壳结构的紧急冷却系统中最 大限度地减小对泵、阀等的依赖。\n本发明的另一个目的是通过在放置有紧急冷源水箱的安全壳结 构的内壁上回收并循环冷凝物的方式来延长紧急冷源水箱的使用时 间。\n本发明的另一个目的是用被收集的冷凝物之一部分在安全壳结 构中进行喷洒。\n本发明的上述的和其它的目的是通过下述核反应堆的被动冷却 方法和装置实现的，核反应堆设置在安全壳结构中，其中还设有一冷 却液储存箱，与堆芯热联结以吸取热量，因而冷却液变为蒸气释放在 安全结构中。在安全壳结构内壁上冷凝的蒸气，由于重力向下流动， 通过一条或多条沿内壁设置的液滴导管，沟槽来接受至少一部分来 自内部的冷凝物，使冷凝物从沟槽返回储存箱。可以设置阀门装置将 冷凝物流送至放泄箱或冷却液储存箱。对于典型的圆筒形的，具有穹 顶的安全壳结构来说，冷却液储存箱设置在安全壳结构中低于操作 平台的位置，一条沟槽沿操作平台处的内壁圆周设置，与冷却液储存 箱连通。在穹顶最好设置另一条环形沟槽，用于接受倾向于从穹顶滴 下的冷凝物，在安全壳结构中支承吊车的横梁处可设置另一条沟槽。 管路装置可以包括一阀门，用于限制在连接于安全壳结构中高位上 的一条或多条沟槽的管路装置中的冷凝物流。因而在这些沟槽中收 集的冷凝物可从沟槽溢流形成被动式喷啉，用来除去安全壳结构中 气氛中的放射性。管路装置可有一条具有净化箱的分支，净化箱中装 有化学添加剂如一种碱，用于改善在冷源水箱(储存箱)中对放射性 碘的俘获和留置。阀门装置可用来有选择地使冷凝物流过上述分支， 从而使一些化学添加剂溶解在冷凝物中，并输送至冷却液储存箱以 影响冷却液的状况。\n在下述附图中示出了本发明的推荐实施例，但是，本发明显然并 不局限于附图所示的具体布置和手段。\n图1是按照本发明的核反应堆的被动冷却装置，该装置设置在 核反应堆的安全壳结构中；\n图2是按照本发明的被动冷却装置管路布置的示意图；\n图3按照本发明的被动冷却装置另一实施例的管路和阀门布置 的示意图。\n按照本发明的核反应堆被动冷却装置示于图1。具有堆芯容器 22和蒸汽发生器24的核反应堆包容在安全壳结构26内，安全壳结 构内设有储存箱30。储存箱30装有冷却液如水，冷却液可以沸腾以 吸收过量的热。万一发生事故，冷却液储存箱30热联结于堆芯，并可 以在安全壳26中的环境压力下沸腾。\n例如，冷却水可以从储存处放出，从而与堆芯容器22，与堆芯容 器中的燃料或与主冷却回路的一部分，包括连接堆芯容器22和蒸汽 发生器24的主冷却回路管路32进行热接触。\n万一发生事故或检测到异常工作状态时，通常将减缓反应的控 制棒完全插入堆芯的燃料组件中而迅速停堆。然而，还有残余热 量，可能发生不能完全停堆的情况。堆芯的残余热量是一种必须从堆 芯带走的事故热负载，以避免发生危险或可能的熔化。\n在图1中，在主冷却剂通过堆芯容器22的回路中，冷却箱或称 储存箱30通过一个热交换器34热连接于上述事故热负载。主冷却 剂被堆芯容器22中的堆芯燃料加热，因而由于对流产生一强大的轴 向流。储存箱30中的热交换器34可以经由通向主冷却回路32的进 口和出口侧的管路连接于堆芯容器22，在万一发生事故时阀门36 打通上述连接。当通过遥感器42检测到异常情况时，或者当反应堆 事故停堆或快速停堆时可能产生一种控制信号时，阀门36可以启动 紧急冷却装置。\n储存箱中的冷却液50构成一种冷源，并通过至少一个孔52暴 露于安全壳结构26中的空气，因此储存箱30与安全壳结构26内 保持同一压力。冷却液50(最好是水)被加热最终沸腾，以蒸气(水蒸 汽)形式放入安全壳结构26内部。\n安全壳结构26的内壁54大大冷于储存箱30中排出的水蒸汽， 蒸气在安全壳结构26的内壁54上冷凝，并由于重力沿内壁54的 表面向下流动。这种冷凝物的收集装置60沿内壁54设置，以便从 内壁收集至少一些冷凝物，并经由管道，水管，沟槽和/或相似的导管 62将收集到的冷凝物从收集装置移至储存箱30。冷却液50从液相 变为气相时在储存箱30中吸收热量，而当冷凝为液体时在安全壳结 构26的壁54上释放热量，冷凝液又流回储存箱30，如此反复。\n收集装置60最好绕安全壳结构26的全周设置。对于圆筒安全 壳结构来说，收集装置可以包括一条沿内壁54下部周向设置的沟槽 64。对于包括一操作平台的安全壳结构来说，沟槽64一般设置在操 作平台的高度上，而储存箱30则设置在较低的高度上，因此，收集到 的冷凝物因重力而返回储存箱30。收集效果可通过下述措施而改 善：在安全壳结构26的内壁54的不同高度上设置许多条沟槽，每条 沟槽都与管路装置62相连，以便将收集到的水送回储存箱。也可设 置一条螺旋形沟槽在内壁54的不同高度上收集冷凝物。\n如果安全壳结构的内壁在安全壳结构26的顶部形成一条基本 水平的板如拱顶63，那么对于这种安全壳结构来说，收集装置60 包括一条设置在拱顶68下的沟槽72，其结构适于从拱顶收集冷凝 物。为此目的，沟槽72可以是环形的，可以包括通入沟槽的收集滴水 的延伸部分，具体来说设置在拱顶68的最水平部位之下。\n安全壳结构往往包括一条梁74支承一回转吊车(未画出)，用来 在维修操作中处置反应堆零件。在这种情况下，收集装置可以包括一 条支承在梁74上的沟槽76，用来收集沿内壁54的冷凝物。每条沟 槽64，72，76最好具有一槽形的或其它的敞开的上侧，用来将沿安全 壳结构内壁向下流的冷凝物液滴收集到沟槽中，然后靠重力向下返 回至储存箱30。\n如图2所示，每条沟槽连接于管路装置62的一脚部，管路装置 62使收集到的冷凝物流至储存箱30。管路装置62也可连接到设置 在收集装置60和储存管30之间的一排泄箱78。一个有关的阀门82 可操作以便选择性地控制冷凝物流到排泄箱78或者储存箱30。\n由于安全壳结构26中相对湿度高，而且内壁54的表面温度低， 因而在反应堆正常操作状态下可以收集到少量冷凝物。在这种非紧 急状态下，冷凝物可流向排泄箱78，因此，返回的冷凝物不会影响储 存箱30中冷却液50的化学性质。在事故中，阀门82可以移动使冷 凝物直接流向储存箱30。管路装置62可以具有两条或多边导管从 处于不同位置的沟槽64，72，76通向储存箱30和排泄箱78。\n被动冷却装置可以用来在安全壳结构内进行液体喷洒以便除去 安全壳内气氛中的放射尘等。如图3所示，具有喷洒功能的实施例包 括的管路装置具有阀门86用来限制管路装置62中的冷凝物流，使 用阀门86限制或封闭某些沟槽中冷凝物的流动，这些沟槽中的冷凝 就会聚积并从沟槽中溢流，冷凝物的液滴88下落通过安全壳结构 26中的空气直至操作平台66的高度，这样在下落过程中就除去了 放射尘。上述阀门可以自动控制，例如根据指示安全壳高压或放射性 的遥感器42的信号而打开。上述阀门也可以是象防火喷水系统中所 用的那种自启动式的。这样聚积在操作平台66上的液体可流向平台 沟槽64，以便最终返回到储存箱30。\n按照本发明的另一方面，在收集到的冷凝物的流动通路中可以 增设容纳化学添加剂的净化箱92。净化箱92中装有pH调节剂的氢 氧化钠，以便提高冷却液50的pH值，从而更好地收集和保持可能 释放在安全壳结构26中的放射性离子如碘(I)。在图3所示实施例 中，管路装置62包括具有净化箱92的一条支路94和用来有选择地 使冷凝物流过具有净化箱92的支路的阀门，从而使一部分或全部化 学添加剂溶入冷凝物并输送至储存箱30，以便调节冷却液50的化 学成分。\n本发明的优点在于，在储存箱中沸腾蒸发的紧急冷却水不是使 用而消耗掉，而是可以回收并重复使用，这样就延长了紧急冷却系统 的保持时间，并可以单独地使用，或与用于冷却安全壳结构的外部装 置98(如喷向外表面的水流)一起使用，或者用作其它冷却装置的补 充。