反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统及方法，其中，该系统包括：水箱、单相流循环管道、弧形管道和筛管；其中，水箱与单相流循环管道连接，用于为单相流循环管道提供液态水；弧形管道与单相流循环管道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为单相流循环管道提供热量以使液态水转化为气液混合体；筛管位于单相流循环管道中分别与弧形管道和水箱连接，用于将气液混合体分离后分别释放到空气和流入水箱。该系统能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。
【专利说明】
反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及核反应堆安全技术领域，尤其涉及一种反应堆压力容器外部冷却的自 然循环系统及方法。
【背景技术】
[0002] 作为反应堆严重事故下的一项缓解措施，反应堆压力容器外部冷却已经应用到 AP1000、APR1400等第三代压水堆的安全系统中。压力容器外部冷却（External Reactor Vessel Coo ling，ERVC)在发生堆芯恪化严重事故时，通过压力容器下封头外部的冷却通 道，利用自然循环带走熔融物热量，保证压力容器下封头的完整性，实现熔融物的堆内滞 留，从而有效控制核事故。
[0003] Theofanous和Syri在文章 The Coolability Limits of a Reactor Pressure Vessel Lower Head中针对AP堆型(AP600、AP1000)进行了ULPU系列实验，研究了外部冷却 能力影响因素，并在实验基础上进行了流道的结构优化。中国改进型三环路压水堆 (CPR1000)作为自主设计的反应堆型，安全设计中考虑采用ERVC策略来提高事故工况下IVR 的成功概率，李永春等人在《压力容器外部冷却非加热实验研究》中对压力容器外部冷却装 置管道进出口面积、保温层结构等进行了研究。
[0004] 在ERVC弧形管道处，液态水吸收热量后产生气体，形成气液两相流。王跃社等人在 《圆管内油气水三相弹状流的生成和发展》中，对泡状流和弹状流流型的形成进行了研究。 少量气体引入液体中时流型为泡状流;随着气体流量增加，气泡开始聚集合并，当圆顶状气 泡形成时，气泡形状和轨迹变得杂乱无章，这时流动由泡状流向弹状流过渡转化，直至弹状 流形成，而弹状流具有极不稳定性和间歇性，导致流动阻力增大。
[0005] Mishima等人在Flowregimetransition criteriaforupward tw〇-Phase flow in vertical tubes中认为在接近弹状流-搅混流转换时，液弹变得很短，Taylor气泡之间间隔 很近，强烈的Taylor尾流效应引起液弹失稳而破碎，导致弹状流到搅混流转换。
[0006] 因此，相关技术的研究不能解决液态水吸收热量后产生气体，形成气液两相流导 致流动阻力增大导致循环速率慢从而产生反应堆安全性问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0008] 为此，本发明的第一个目的在于提出一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环系 统。该系统能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容 器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。
[0009] 本发明的第二个目的在于提出了一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法。
[0010] 为达上述目的，本发明第一方面实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系 统，包括:水箱、单相流循环管道、弧形管道和筛管;其中，所述水箱与所述单相流循环管道 连接，用于为所述单相流循环管道提供液态水;所述弧形管道与所述单相流循环管道连接 并与反应堆压力容器外部接触，用于为所述单相流循环管道提供热量以使所述液态水转化 为气液混合体;所述筛管位于所述单相流循环管道中分别与所述弧形管道和所述水箱连 接，用于将所述气液混合体分离后分别释放到空气和流入所述水箱。
[0011] 本发明实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统，通过水箱为单相流循 环管道提供液态水，接着弧形管道与反应堆压力容器外部接触为单相流循环管道提供热量 以使液态水转化为气液混合体，最后筛管将气液混合体分离后分别释放到空气和流入水 箱，该系统能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容 器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。
[0012] 为达上述目的，本发明第二方面实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方 法，包括:水箱、单相流循环管道、弧形管道和筛管;其中，所述水箱提供液态水给所述单相 流循环管道;所述弧形管道将反应堆压力容器的热量提供给所述单相流循环管道以使所述 液态水转化为气液混合体;所述筛管将所述气液混合体分离后分别释放到空气和流入所述 水箱。
[0013] 本发明实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法，通过水箱为单相流循 环管道提供液态水，接着弧形管道与反应堆压力容器外部接触为单相流循环管道提供热量 以使液态水转化为气液混合体，最后筛管将气液混合体分离后分别释放到空气和流入水 箱，该方法能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容 器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。
[0014] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0015] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0016] 图1是根据本发明一个实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统的示意 图；
[0017] 图2是根据本发明一个实施例的单相流循环管道左右两侧液压差的示意图；；
[0018] 图3是根据本发明一个实施例的弧形管道流型的示意图；
[0019] 图4是根据本发明一个实施例的弧形管道正视图；
[0020] 图5是根据本发明一个实施例的筛管的示意图；
[0021] 图6是根据本发明一个具体实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统的 示意图；
[0022] 图7是根据本发明一个实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法的流程 图。
【具体实施方式】
[0023] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0024] 图1是根据本发明一个实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统的示意 图。
[0025] 如图1所示，该反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统可以包括:水箱10、单相 流循环管道20、弧形管道30和筛管40。
[0026]其中，水箱10与单相流循环管道20连接，用于为单相流循环管道20提供液态水。 [0027]需要说明的是，单相流循环管道20不包含弧形管道30和筛管40。
[0028]弧形管道30与单相流循环管道20连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为单相 流循环管道20提供热量以使液态水转化为气液混合体。
[0029] 需要说明的是，在一些示例中，弧形管道30吸收反应堆压力容器外部的热量，并将 热量提供给单相流循环管道20。单相流循环管道20中的液态水中的单相液态水转化为泡状 流，随着热量的吸收，进而转化为弹状流。
[0030] 可以理解的是，单相流循环管道20前半段为单相液态水，后半段在弧形管道处为 气液两相混合体，知道0液>>9^1，由公式▽/?= (/VA?)糾可知，在压差的驱动下，管道 内流体会产生流动，因此本装置不需要外界供能，利用自然循环即可完成。单相流循环管道 20左右两侧液压差如图2所示。
[0031] 更具体地，在单相流理论中，摩擦系数f可以通过表达式求得：
，f = 0.316Re425，Re>2000,从而对于单相段，可以通过单相流的方法计 算得到压降：
式中，f为摩擦系数，L为单相竖直高度，D为管道内径，P1为液 体密度，v为流体速度，y为粘度。对于两相流的摩擦压降计算，目前一般采用两相摩擦乘子
的方式来对单相摩擦系数进行修正： &。式中，是对于全液相的两相 摩擦乘子。在不同的模型下，两相摩擦乘子有不同的计算方法。弹状流中，目前采用的是丘 吉尔Churchill给出的关系式;环状流中，目前采用的是奇斯霍姆关系式。
[0032]其中，还需要考虑局部阻力包括流体入口阻力，流体出口阻力和流体转弯阻力三 种。局部阻力压降公式为：
：，上式中，Lb为局部阻力系数，P为流体密度，v为 流体比容，常见局部阻力系数，（a)管内进口阻力系数0.1<Lb<0.8，（b)管内出口阻力系数 0.8彡Lb彡1.3,（c)转弯阻力系数0.1彡Lb彡0.3。还有重力压降的计算，对于单相下降段， 重力压降可以表达为：A Pzwl = -plgh，而对于两相上升段，重力压降可以表示为： 簡wi = ，其中P = Pg0 -句+讲，式中，h为管道的竖直高度，Pg为气体密度，Pi为液体密 度，￡为含气率。综合，在液体流动过程中，由流体压降计算公式△ P= △ Pld+ △ Pzw与△ Pld = A pmc+ A Pjb，整理得 A Pi = A pmcl+ A Pjbi+ A pzwl，A P2 = A pmc2+ A Pjb2+ A pzw2，其中，A p为总 压差，A pld为流动阻力压差，A pzw为重力压差，A pm。为摩擦压差，A pjb为局部压差，最后浮 升力的计算，设管道竖直方向上高度为H，空泡份额为a，经过推导可知此段竖直管道因空泡 份额带来的浮升压差为：A pBim = agH(Pit-p^)，由于Pit> >_，则可写为：A pBim = agHPit。
[0033] 需要说明的是，在一些示例中，液态水中的两相液态水进入筛管40外侧，单相液态 水和弹状流在筛管40内侧流动，以使两相液态水的空泡份额提高，进而弹状流转化为环状 流。
[0034] 为了使得本领域人员更加了解弧形管道30加热阶段状态变化，下面结合图3详细 说明，如图3所示，单相流首先转化为泡状流1，随着热量的继续吸收，两相流内小气泡聚合 产生Taylor气泡，此时流型由泡状流转为弹状流2，弹状流具有间歇性和极不稳定性，并且 流动阻力较大。经筛管40将部分水分离到筛网外侧后，提高了筛网内两相流的空泡份额a， 其中，a为空泡份额，液弹变短，Taylor气泡之间间隔很近，强烈的Taylor尾流效应引起液弹 失稳而破碎，此时流型由弹状流2转变为环状流4或者类环状流，环状流4相沿着管壁周围连 续流动，薄液膜很均匀，连续的气流在中心流动，这种流型不仅降低了流动阻力，减弱不稳 定性，并能有效提高气泡排除速度从而提高在事故情况下压力容器的散热效率。
[0035] 可以理解的是，在一些示例中，单相液态水的压降为
，其中，f为摩 擦系数，L为单相竖直高度，D为管道内径，pi为液体密度，v为流体速度，y为粘度。
[0036]还可以理解的是，在一些示例中，通过两相液态水摩擦乘子来对单相液态水的摩 擦系数进行计算得到两相液态水的压降为为两相液态水摩擦乘 子。
[0037]需要说明的是，其中，弧形管道30与反应堆压力容器外部接触，这里的接触是充分 接触，能够很好的吸收热量，因此弧形管道30由良好热导材料制成。弧形管道30的正视图如 图4所示，弧形管道前部分在加热条件下逐渐产生气泡，形成泡状流，随着热量的继续吸收， 产生Taylor气泡，流型转变为弹状流。
[0038]筛管40位于单相流循环管道20中分别与弧形管道30和水箱10连接，用于将气液混 合体分离后分别释放到空气和流入水箱10。
[0039] 其中，筛管40示意图如图5所示，筛网内部流动的是两相流，筛网内侧附着一层很 薄的液膜，筛网与管道间隔处流动的液相水。筛网具有液体水可自由出入，而气体被隔离的 特性。
[0040] 可以理解的是，筛管40内置在单相流循环管道20中，将液态水中的两相液态水由 弹状流转化为环状流。
[0041 ]还可以理解的是，，筛管40位于单相流循环管道20中弧形管道30之后的部分，可将 部分水从两相流中分离，气体不能通过筛网，剩余两相流在筛网内流动，分离出的液态水在 筛网外侧流动。
[0042]需要说明的是，筛管40可以选择合适尺寸，提高两相液态水的空泡份额，使流型由 弹状流转化为环状流，从而可以有效提高液体循环速度，降低流动不稳定性。
[0043] 图6是根据本发明一个具体实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统的 示意图。如图6所示，包括:水箱;单相流循环管道(不包含弧形管道与筛管部分），所述循环 管道与水箱相连接;弧形管道，所述弧形管道与反应堆压力容器外壁充分接触，能够较好的 吸收热量;筛管，所述筛管位于循环管道中弧形管道之后的部分。
[0044] 本发明实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统，通过水箱为单相流循 环管道提供液态水，接着弧形管道与反应堆压力容器外部接触为单相流循环管道提供热量 以使液态水转化为气液混合体，最后筛管将气液混合体分离后分别释放到空气和流入水 箱，该系统能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容 器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。
[0045] 与上述实施例提供的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统相对应，本发明的 一种实施例还提供一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法，由于本发明实施例提供 的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法与上述实施例提供的反应堆压力容器外部冷 却的自然循环系统具有相同或相似的技术特征，因此在前述反应堆压力容器外部冷却的自 然循环系统的实施方式也适用于本实施例提供的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方 法，在本实施例中不再详细描述。如图7所示，该反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统 可包括以下步骤：
[0046] S101，水箱与单相流循环管道连接，用于为单相流循环管道提供液态水。
[0047] S102,弧形管道与单相流循环管道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为单 相流循环管道提供热量以使液态水转化为气液混合体。
[0048] S103,筛管位于单相流循环管道中分别与弧形管道和水箱连接，用于将气液混合 体分离后分别释放到空气和流入水箱。
[0049] 在一些示例中，弧形管道吸收反应堆压力容器外部的热量，并将热量提供给单相 流循环管道。单相流循环管道中的液态水中的单相液态水转化为泡状流，随着热量的吸收， 进而转化为弹状流。
[0050] 在一些示例中，液态水中的两相液态水进入筛管40外侧，单相液态水和弹状流在 筛管40内侧流动，以使两相液态水的空泡份额提高，进而弹状流转化为环状流。
[0051] 在一些示例中，单相液态水的压降为
，其中，f为摩擦系数，L为单 相竖直高度，D为管道内径，pi为液体密度，v为流体速度，y为粘度。
[0052]在一些示例中，通过两相液态水摩擦乘子来对单相液态水的摩擦系数进行计算得 到两相液态水的压降为
为两相液态水摩擦乘子。
[0053] 本发明实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法，通过水箱为单相流循 环管道提供液态水，接着弧形管道与反应堆压力容器外部接触为单相流循环管道提供热量 以使液态水转化为气液混合体，最后筛管将气液混合体分离后分别释放到空气和流入水 箱，该方法能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容 器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。
[0054] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能 理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第 一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，"多个" 的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0055] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。
[0056]流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括 一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部 分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺 序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明 的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0057]此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以 是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模 块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如 果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机 可读取存储介质中。
[0058] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1. 一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统，其特征在于，包括:水箱、单相流循 环管道、弧形管道和筛管;其中， 所述水箱与所述单相流循环管道连接，用于为所述单相流循环管道提供液态水； 所述弧形管道与所述单相流循环管道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为所述 单相流循环管道提供热量以使所述液态水转化为气液混合体； 所述筛管位于所述单相流循环管道中分别与所述弧形管道和所述水箱连接，用于将所 述气液混合体分离后分别释放到空气和流入所述水箱。2. 如权利要求1所述的自然循环系统，其特征在于，所述弧形管道与所述单相流循环管 道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为所述单相流循环管道提供热量以使所述液态 水转化为气液混合体具体包括： 所述弧形管道吸收所述反应堆压力容器外部的热量，并将所述热量提供给所述单相流 循环管道； 所述单相流循环管道中的所述液态水中的单相液态水转化为泡状流，随着所述热量的 吸收，进而转化为弹状流。3. 如权利要求1或2所述的自然循环系统，其特征在于，所述液态水中的两相液态水进 入所述筛管外侧，所述单相液态水和所述弹状流在所述筛管内侧流动，以使所述两相液态 水的空泡份额提高，进而所述弹状流转化为环状流。4. 如权利要求2所述的自然循环系统，其特征在于，所述单相液态水的压降为，其中，f为摩擦系数，L为单相竖直高度，D为管道内径，Pi为液体密度，V为 流体速度，μ为粘度。5. 如权利要求3所述的自然循环系统，其特征在于，通过所述两相液态水摩擦乘子来对 单相液态水的摩擦系数进行计算得到所述两相液态水的压降为为所述两相液态水摩擦乘子。6. -种反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法，其特征在于，包括:水箱、单相流循 环管道、弧形管道和筛管;其中， 所述水箱提供液态水给所述单相流循环管道； 所述弧形管道将反应堆压力容器的热量提供给所述单相流循环管道以使所述液态水 转化为气液混合体； 所述筛管将所述气液混合体分离后分别释放到空气和流入所述水箱。7. 如权利要求6所述的自然循环方法，其特征在于，所述弧形管道与所述单相流循环管 道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为所述单相流循环管道提供热量以使所述液态 水转化为气液混合体具体包括： 所述弧形管道吸收所述反应堆压力容器外部的热量，并将所述热量提供给所述单相流 循环管道； 所述单相流循环管道中的所述液态水中的单相液态水转化为泡状流，随着所述热量的 吸收，进而转化为弹状流。8. 如权利要求6或7所述的自然循环方法，其特征在于，所述液态水中的两相液态水进 入所述筛管外侧，所述单相液态水和所述弹状流在所述筛管内侧流动，以使所述两相液态 水的空泡份额提高，进而所述弹状流转化为环状流。9. 如权利要求7所述的自然循环系统，其特征在于，所述单相液态水的压降为，其中，f为摩擦系数，L为单相竖直高度，D为管道内径，Pi为液体密度，V为 流体速度，μ为粘度。10. 如权利要求8所述的自然循环系统，其特征在于，通过所述两相液态水摩擦乘子来 对单相液态水的摩擦系数进行计算得到所述两相液态水的压降为为所述两相液态水摩擦乘子。
【文档编号】G21C15/12GK105931683SQ201610284387
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】黄善仿, 孙红才, 郭啸宇
【申请人】清华大学