一种采用喷射技术的长期高效非能动安全壳冷却系统的制作方法

本发明涉及的是一种核安全装置，具体地说是安全壳冷却系统。

背景技术：

随着核能技术的不断发展与成熟，核能应用在人类生存和发展中发挥着越来越重要的作用。为了充分利用这一清洁高效能源以缓解环境压力，我国目前正在积极发展陆地核电站，浮动核电站，核动力破冰船等技术。

在核能技术更新过程中，核安全始终位于首要地位。通常，核能系统具有三道安全屏障：核燃料芯块与包壳、一回路承压边界以及核电厂安全壳。安全壳作为与外界隔绝的最后一道安全屏障，其在福岛核事故后越来越受到研究人员的关注。在传统核电站设计中，事故条件下需要能动系统来导出安全壳内余热，这增加了事故缓解过程对电力、柴油等能源的依赖性。

为了解决上述问题，人们在第三代核电技术中大力发展了非能动安全壳冷却系统。其中一种典型结构由安全壳内置换热器，安全壳外置换热水箱以及连接换热器与水箱的冷热管线组成。系统发生破口事故时，大量高温蒸汽喷放进入安全壳气空间并在安全壳内置换热器外表面凝结放热。非能动热量导出系统的热管段被加热后，在冷热管段的重位差驱动下系统形成自然循环以持续导出安全壳内热量，确保温度压力处于安全限值以内。

但是，上述系统在运行过程中水箱水会被持续加热蒸发，水箱存水只能维持系统运行72小时，并且相关研究表明非能动安全壳换热器的管外换热系数远远低于管内换热系数，蒸汽凝结效率低阻碍了安全壳内热量的导出(Jeon,B.G.,NO,H.C.,2014.Thermal-hydraulic evaluation of passive containment cooling system of improved APR+ during LOCAs.Nuclear Engineering and Design 278,190-198)。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供使非能动安全壳热量导出系统能够长期高效的运行，进而确保核电站最后一道屏障长期完整性的一种采用喷射技术的长期高效非能动安全壳冷却系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种采用喷射技术的长期高效非能动安全壳冷却系统，其特征是：包括安全壳、设置于安全壳内部的安全壳内之换热器、设置于安全壳外部的安全壳外置换热水箱、上管段、下管段，下管段一端连通安全壳外置换热水箱底部的第一排热系统入口，另一端伸入安全壳里并连通安全壳内置换热器入口，上管段一端连通安全壳外置换热水箱底部的第一排热系统出口，另一端伸入安全壳里并连通安全壳内置换热器出口；

安全壳外置换热水箱的气空间里设置气空间空冷器，所述气空间空冷器包括设置于安全壳外置换热水箱的气空间里的管束换热器，安全壳外置换热水箱的侧壁分别设置隔水室、蒸汽-空气喷射装置，隔水室里安装入口管线，入口管线连接下降段，下降段连接位于安全壳外置换热水箱的水空间里的上升段，入口管线与蒸汽-空气喷射装置分别连通外界空气，管束换热器的入口连通上升段，管束换热器的出口连通蒸汽-空气喷射装置。

本发明还可以包括：

1、安全壳外置换热水箱的水空间里设置水空间空冷器，水空间空冷器包括折流板、水空间换热器，单个折流板为开口的环形结构，折流板与折流板之间采用嵌套的方式设置，相邻两个折流板的开口位置相反，形成环形流动通道，水空间换热器设置在相邻的两个折流板之间，第一排热系统入口位于水空间空冷器的中心位置，第一排热系统出口位于水空间空冷器外侧。

2、所述蒸汽-空气喷射装置包括依次相连的渐扩管、喷射装置入口封头、渐缩段、喉部、渐扩段，渐扩管连通管束换热器，喷射装置入口封头里设置渐缩管，渐缩管一端伸入至渐缩段，另一端伸出至喷射装置入口封头外部的安全壳外置换热水箱的气空间里。

3、所述蒸汽-空气喷射装置包括依次相连的渐缩段、喉部、渐扩段，管束换热器的出口伸入至渐缩段里，渐缩段与安全壳外置换热水箱的气空间相通。

4、所述安全壳内之换热器包括入口联箱、小盘管光管、出口联箱，小盘管光管分别连通入口联箱和出口联箱，入口联箱上设置安全壳内置换热器入口，出口联箱上设置安全壳内置换热器出口。

5、安全壳内置换热器侧面设置引流板，引流板与安全壳内壁形成上宽下窄的漏斗形气体流动通道；折流板开口的截面从底部至顶部依次增大。

本发明的优势在于：

1)非能动安全壳冷却系统分为两级排热系统，第一级排热系统利用自然循环将安全壳内的热量排入安全壳外置换热水箱，第二级排热系统利用蒸汽-空气喷射装置将换热水箱中的热量排入外界环境。

2)在安全壳外置水箱中引入蒸汽-空气喷射装置和空冷器，通过蒸汽在喷管内加速流动产生的引射作用为空气冷却器内气体循环提供附加驱动力，这样可以增强空冷器冷却效率，减少水箱水蒸发。

3)在水箱水空间空冷器周围设置有环形折流板，通过水箱水的多次折流以增强空冷器换热效果，降低第一级排热系统入口水温进而增强第一级排热系统换热能力。

4)在非能动安全壳换热器中引入小盘管光管，通过二次流提高管内对流换热，通过减少不凝性气体在管外壁面聚集增强管外冷凝换热。

5)在换热器侧面设置引流板，这样可以促进大空间气体循环，通过增加换热器附近气体流速来强化冷凝换热。

6)冷却剂回路或主蒸汽管线发生破口事故时，系统可以长期高效的带走安全壳内的热量，保证安全壳内温度、压力处于安全限值以内。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是引流板示意图；

图3a是小盘管光管换热器正视图，图3b是小盘管光管换热器侧视图；

图4是气空间盘管空冷器示意图(侧视图)；

图5是气空间盘管空冷器示意图(俯视图)；

图6是气空间倾斜光管管束空冷器示意图(侧视图)；

图7是气空间倾斜光管管束空冷器示意图(俯视图)；

图8是水空间盘管空冷器示意图(侧视图)；

图9是水空间盘管空冷器示意图(俯视图)；

图10是水空间环形管束空冷器示意图(侧视图)；

图11是水空间环形管束空冷器示意图(俯视图)；

图12是折流板开口形式示意图；

图13是第一种蒸汽-空气喷射装置的示意图；

图14是第二种蒸汽-空气喷射装置的示意图；

图15是第二级排热系统进出口结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-15，本发明提供一种长期高效的非能动安全壳热量导出系统。该系统包括安全壳内置换热器1、引流板2、上管段3、下管段4、安全壳外置换热水箱5、空气冷却器6、水箱折流板7、蒸汽-空气喷射装置8以及相关的管道阀门。其中，安全壳内置换热器1与上下管段3、4构成第一级排热系统，它利用自然循环将安全壳内的热量排入安全壳外置水箱中；外置水箱5中的空冷器6、蒸汽-空气喷射装置8及其相应的管、阀门组成冷却系统的第二级排热系统，将外置换热水箱中的热量排入环境(最终热阱)。

本发明的工作原理如下：当反应堆一回路或主蒸汽管线发生破口事故时，大量高温高压蒸汽喷放进入安全壳气空间9，导致安全壳内部温度压力不断升高。在喷放的初始阶段，安全壳内的温度和压力主要通过堆坑10和安全壳壁面11混凝土结构的蓄热来缓解；在喷放后期，安全壳内余热主要通过安全壳内置换热器1导出。

事故发展过程中，从破口喷放的高温气体密度较低，其在初始动能和浮力作用下沿安全壳气空间主流向上流动。在换热器附近冷凝后的气体因密度增大，沿安全壳壁面向下流动，这样气体在安全壳大空间形成循环。为稳定上述循环，并加速气体在换热区附近的流速，在换热器侧壁面附近安装引流板2(如图2)。气体通过加速冲刷换热器外壁面来增强管外冷凝换热。换热器1及上升管段3被加热后，其内部水密度减小，在换热器冷热管段3、4密度差形成的驱动压力下，第一级排热系统形成自然循环，持续带走安全壳内部热量。

针对第一级排热系统，水箱水12通过第一排热系统入口13及下降管段4进入安全壳内置换热器1导出安全壳内余热，被加热后的冷却剂沿上升管段3及第一级排热系统出口14进入安全壳外置换热水箱5。为增加第一级排热系统换热能力，安全壳内置换热器1采用强化传热结构。其具体包括：水平布置的入口联箱15、竖直/倾斜布置的小盘管光管16(如图3)及水平布置的出口联箱17。小盘管既可以通过在管内形成二次流增加管内传热能力又可以缓解管外不凝性气体沿竖直管壁的聚集以增强管外冷凝换热。在第一级排热系统长期运行过程中，水箱水12逐渐被加热至饱和并产生大量蒸汽。此阶段，第二级排热系统逐渐发挥作用。

针对第二级排热系统，其空气冷却器分别布置于水箱气空间18和水空间19。

气空间空冷器20采用多组盘管/倾斜光管管束换热器21、22分散布置于水箱气空间以冷凝气空间蒸汽(如图4-7)。其在工作过程中，外界空气23通过倾斜布置的入口管线24及下降段25、上升段26进入气空间空冷器20带走水箱蒸汽冷凝释热，空冷器出口接蒸汽-空气喷射装置8。

水空间空冷器27采用若干组(如三组)不等直径盘管28/环形光管管束29换热器。这些水空间换热器嵌套在一起形成多个环形换热面对第一级排热系统入口水进行冷却(如图8-11)，其工作过程与气空间空冷器20相同。为最大化利用空冷器换热能力，在水空间安装有折流板30。这些折流板采用环形结构并位于水空间空冷器环形传热管两侧。它们单侧开口且相邻两个折流板开口位置相反，将第一级排热系统入口区分隔为多个环形流动通道31。水箱水在进入第一级排热系统入口前经过多次折返实现了对空冷器换热管的充分横向冲刷。环形通道开口截面32从底部至顶部依次增大(如图12)以实现上方有较多的水进入环形通道，流道中水在向下流动过程中可以实现对换热管的纵向冲刷，折流板高度略低于水箱水位且最外侧折流板开口位置远离第一级排热系统的出口。

为保证低功率时空冷器具有一定的非能动自然循环能力，在空冷器入口管线下降段25周围设置有隔水室33对其进行保温以保证冷热管段具有足够温差。此外，在下降段末端设置有疏水管线34及隔离阀35，必要时可以进行疏水。

当第一级排热系统产生大量蒸汽时，蒸汽-空气喷射装置的作用逐渐增强。本发明所用蒸汽-空气喷射装置为渐缩渐扩结构，它具体包括渐缩段36、喉部37和渐扩段38。根据结构分布的不同，它可分为两类。一种结构为第一级排热系统产生的蒸汽39通过渐缩管40沿轴线方向通入喷射装置渐缩段36引射第二级排热系统中的空气，空气冷却器出口41通过渐扩管42与喷射装置入口封头43相连，封头内汇集的空气从周向被引射进入喷射装置混合室(如图13)；另一种结构为第一级排热系统产生的蒸汽39从周向进入喷射器喉部37引射第二级排热系统中的空气，空冷器出口管41位于渐缩段36末端的轴线上(如图14)。通过蒸汽-空气喷射装置的引射可以提高空冷器内空气流速增强换热能力进而减少蒸汽的蒸发量保证系统长期运行。

为防止系统停用时外界雨水/生物等进入安全壳外置换热水箱，第二级排热系统入口管线23及出口管线44与水平方向按一定夹角倾斜布置且进出口端位于较低位置。此外，在进出口处安装外密内疏的两层生物屏蔽网45、46(如图15)。

空气冷却器在空间布置形式上分为两类，其中一类布置在换热水箱上部气空间以冷却水蒸气，另一类布置于第一级排热系统入口上方水空间以降低进入第一级排热系统的冷却剂水温，这两类空气冷却器的进出口位于换热水箱四周侧壁面。

空气冷却器包括多组盘管/倾斜光管管束换热器，分散布置于整个水箱气空间，水空间空冷器采用多组不同直径的盘管/环形光管管束换热器，这些水空间换热器相互嵌套形成多个环形换热面，上述水空间和气空间的空冷器可单独使用也可串联使用。

安全壳外置换热水箱采用混凝土基体表面衬钢板，不锈钢表面涂覆耐水与水蒸汽腐蚀材料，其最高工作压力在0.1～0.3MPa(绝压)。

换热器侧面引流板由9块不同面积的不锈钢板焊接组成，其所用的不锈钢板根据不同的强度要求可采用平板/褶板，引流板位于换热器靠近主流气空间一侧并与安全壳壁面一起形成上宽下窄的漏斗形气体流动通道。

第二级排热系统的空气进气口，采用大管径低阻力结构并通过渐缩管与空冷器入口管线相连，空气进气口采用下部渐缩结构并水平面按一定夹角倾斜布置(入口端位于较低位置)。

第二级排热系统的空气排气口，其始端连接喷射器出口，末端穿透外置换热水箱侧壁面与大气相连，其与进气口均位于水箱水位以上且倾斜布置(进/出口位于较低位置)并在进/排气口处布置外密内疏的两层生物隔离网。