用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910281358.9 (22)申请日 2019.04.09 (71)申请人 中国核动力研究设计院 地址 610000 四川省成都市一环路南三段 28号 (72)发明人 张丹刘定明杨洪卢川冉旭 杨帆李峰鲜麟张卓华周科 吴广皓张航王玮邹志强 毕树茂 (74)专利代理机构 成都行之专利代理事务所 (普通合伙) 51220 代理人 熊曦 (51)Int.Cl. G21C 15/18(2006.01) (54)发明名称 一种用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系 统 (57)摘要 本发明。

2、公开了一种用于二氧化碳冷却反应 堆余热排出系统， 所述余热排出系统包括： 能动 余排子系统和非能动余排子系统； 能动余排子系 统和非能动余排子系统共用余排换热器； 在正常 停堆或事故停堆且电源可用时， 余热排出系统自 动投入能动余排子系统， CO2冷却剂被驱动进入 余热排出系统， 将热量传递给分离式热管换热器 进行散热； 当断电事故发生后， 能动余排子系统 停运， 自动投入非能动余排子系统， CO2冷却剂自 动进入余热排出系统， 将热量传递给分离式热管 换热器进行散热； 通过设置能动与非能动结合的 余热排出系统， 满足了专设安全系统的纵深防御 要求， 提高了装置的安全性。 权利要求书1页 说明。

3、书4页 附图1页 CN 109841288 A 2019.06.04 CN 109841288 A 1.一种用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 其特征在于， 所述余热排出系统包括： 能动余排子系统和非能动余排子系统； 能动余排子系统和非能动余排子系统共用余排 换热器； 在正常停堆或事故停堆且电源可用时， 余热排出系统自动投入能动余排子系统， CO2冷却剂被驱动进入余热排出系统， 将热量传递给分离式热管换热器进行散热； 当断电事 故发生后， 能动余排子系统停运， 自动投入非能动余排子系统， CO2冷却剂自动进入余热排 出系统， 将热量传递给分离式热管换热器进行散热。 2.根据权利要求1所述的用。

4、于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 其特征在于， 所述余 热排出系统与反应堆冷却剂系统主冷却器并联。 3.根据权利要求1所述的用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 其特征在于， 非能动 余排子系统工作时， 当冷却剂温度降至分离式热管换热器运行温度以下后， 余热通过气体 导热、 热辐射导出堆芯， 分离式热管换热器转间断运行模式。 4.根据权利要求1所述的用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 其特征在于， 所述余 热排出系统包括3个系列的余排子系统组， 每个余排子系统组均包括所述能动余排子系统 和所述非能动余排子系统， 每个系列均满足低功率停堆后余热导出的要求， 其中两个系列 满足满功率停堆后余热。

5、导出的要求， 另一个系列作为备用系列。 5.根据权利要求1所述的用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 其特征在于， 能动余 排子系统通过风机驱动CO2冷却剂进入余热排出系统， 将热量传递给分离式热管换热器， 分 离式热管换热器冷凝段浸入水池， 通过池水的蒸发将热量导入大气。 6.根据权利要求1所述的用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 其特征在于， 所述余 热排出系统具体包括： 分离式热管换热器、 水池、 风机、 止回阀、 余排出口电磁阀、 余排入口电磁阀、 相应传输 管； 分离式热管换热器蒸发段为管壳式设计， 壳侧通过余热排出系统回路管进入段与反应 堆连通， 余排入口电磁阀设置在CO2冷却剂。

6、回路管进入段上， 分离式热管换热器的蒸发段与 分离式热管换热器的冷凝段连通， 分离式热管换热器的冷凝段设置在水池内， 分离式热管 换热器的蒸发段壳侧通过余热排出系统回路管排出段与反应堆连通， 余排出口电磁阀和设 置风机均在CO2冷却剂回路管排出段上， 风机用于为CO2冷却剂回路提供动力， CO2冷却剂回 路管排出段上设有支路， 所述支路上设有止回阀。 7.根据权利要求6所述的用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 其特征在于， 支路一 端连通分离式热管换热器的蒸发段与风机之间的CO2冷却剂回路管， 支路另一端连通风机 与余排出口电磁阀之间的CO2冷却剂回路管。 8.根据权利要求6所述的用于二氧化。

7、碳冷却反应堆余热排出系统， 其特征在于， 所述余 热排出系统的工作流程为： 反应堆正常运行过程中， 余热排出系统的余排入口电磁阀开启， 余排出口电磁阀关闭； 当能动余排子系统投入工况下， 余排出口电磁阀根据信号自动开启， 余热排出系统投 入运行， CO2冷却剂回路基于风机动力将反应堆热量通过分离式热管换热器导入冷凝段， 冷 凝段二次侧池水通过蒸发将热量导入大气； 非能动余排子系统投入工况下， 余排出口电磁阀根据信号自动开启， 风机停运， CO2冷 却剂回路依赖自然循环， 将热量持续导入分离式热管换热器。 权利要求书 1/1 页 2 CN 109841288 A 2 一种用于二氧化碳冷却反应堆余。

8、热排出系统 技术领域 0001 本发明涉及核安全设备领域， 具体地， 涉及一种用于二氧化碳冷却反应堆余热排 出系统。 背景技术 0002 对于二氧化碳冷却反应堆， 正常停堆及事故停堆后均需要顺利导出堆芯余热。 不 同于压水堆， 二氧化碳冷却反应堆在破口事故后， 堆芯冷却剂压力降低， 但不会发生裸露， 不需要采取类似压水堆的安注系统， 主要依赖余热排出系统导出余热。 考虑余热排出系统 须涵盖正常停堆、 破口事故后停堆、 断电事故后停堆等多种工况， 同时依据纵深防御原则， 须设置多样化的余热排出系统。 对于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 国内尚未开展研 究， 国外针对亚临界二氧化碳冷却反应堆(英。

9、国AGR)， 一般采用能动余热排出系统， MIT最新 针对超临界冷却二氧化碳反应堆中， 采用了非能动余排方案； 对于氦气冷却堆(清华高温气 冷堆)， 一般采用辐射换热将热量导入反应堆外的水冷壁， 再设置专门的系统导出水冷壁的 热量。 0003 综上所述， 本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中， 发现上述技术至 少存在如下技术问题： 0004 仅采用能动余排系统时， 需要依赖外界的动力源， 对于失电等情况难以应对， 例如 日本福岛事故； 仅采用非能动系统时， 由于非能动系统驱动力有限， 余排流量小， 需要设计 大容量的余排换热器， 配置大容量的水池， 不利于经济性， 也不利于系统布置； 。

10、对于气冷堆 常用的辐射换热方式， 需要反应堆流体及材料处于高温条件， 对于运行温度远低于氦气冷 却堆的二氧化碳冷却堆， 辐射换热量小， 难以带出堆芯余热。 综上， 对于二氧化碳冷却反应 堆， 现有的相关设计存在余排可靠性、 经济性或带热能力的问题。 发明内容 0005 本发明提供了一种用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统， 解决了现有余排对电 力系统依赖性高或经济性低、 带热能力弱等技术问题， 通过设置能动与非能动结合的余热 排出系统， 满足了专设安全系统的纵深防御要求， 提高了装置的安全性。 0006 为实现上述发明目的， 本申请提供了一种用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系 统， 所述余热排出系。

11、统包括： 0007 能动余排子系统和非能动余排子系统； 能动余排子系统和非能动余排子系统共用 余排换热器； 在正常停堆或事故停堆且电源可用时， 余热排出系统自动投入能动余排子系 统， CO2冷却剂被驱动进入余热排出系统， 将热量传递给分离式热管换热器进行散热； 当断 电事故发生后， 能动余排子系统停运， 自动投入非能动余排子系统， CO2冷却剂自动进入余 热排出系统， 将热量传递给分离式热管换热器进行散热。 0008 进一步的， 所述余热排出系统与反应堆冷却剂系统主冷却器并联。 0009 进一步的， 非能动余排子系统工作时， 当冷却剂温度降至分离式热管换热器运行 说明书 1/4 页 3 CN 。

12、109841288 A 3 温度以下后， 余热通过气体导热、 热辐射导出堆芯， 分离式热管换热器转间断运行模式。 0010 进一步的， 所述余热排出系统包括3个系列的余排子系统组， 每个余排子系统组均 包括所述能动余排子系统和所述非能动余排子系统， 每个系列均满足低功率停堆后余热导 出的要求， 其中两个系列满足满功率停堆后余热导出的要求， 另一个系列作为备用系列。 0011 进一步的， 能动余排子系统通过风机驱动CO2冷却剂进入余热排出系统， 将热量传 递给分离式热管换热器， 分离式热管换热器冷凝段浸入水池， 通过池水的蒸发将热量导入 大气。 0012 进一步的， 所述余热排出系统具体包括： 。

13、0013 分离式热管换热器、 水池、 风机、 止回阀、 余排出口电磁阀、 余排入口电磁阀、 相应 传输管； 0014 分离式热管换热器蒸发段为管壳式设计(蒸发段管壳式设计， 管内走热管工质， 壳 侧为CO2； 冷凝段没有壳， 热管直接泡在水池中)， 壳侧通过余热排出系统回路管进入段与反 应堆连通， 余排入口电磁阀设置在CO2冷却剂回路管进入段上， 分离式热管换热器的蒸发段 与分离式热管换热器的冷凝段连通， 分离式热管换热器的冷凝段设置在水池内， 分离式热 管换热器的蒸发段壳侧通过余热排出系统回路管排出段与反应堆连通， 余排出口电磁阀和 设置风机均在CO2冷却剂回路管排出段上， 风机用于为CO2。

14、冷却剂回路提供动力， CO2冷却剂 回路管排出段上设有支路， 所述支路上设有止回阀。 0015 进一步的， 支路一端连通分离式热管换热器的蒸发段与风机之间的CO2冷却剂回 路管， 支路另一端连通风机与余排出口电磁阀之间的CO2冷却剂回路管。 0016 进一步的， 所述余热排出系统的工作流程为： 0017 反应堆正常运行过程中， 余热排出系统的余排入口电磁阀开启， 余排出口电磁阀 关闭； 0018 当能动余排子系统投入工况下， 余排出口电磁阀根据信号自动开启， 余热排出系 统投入运行， CO2冷却剂回路基于风机动力将反应堆热量通过分离式热管换热器导入冷凝 段， 冷凝段二次侧池水通过蒸发将热量导入。

15、大气； 0019 非能动余排子系统投入工况下， 余排出口电磁阀根据信号自动开启， 风机停运， CO2冷却剂回路依赖自然循环， 将热量持续导入分离式热管换热器。 0020 本申请提供的一个或多个技术方案， 至少具有如下技术效果或优点： 0021 本发明针对二氧化碳冷却反应堆， 提供了采用能动结合非能动的余热排出系统方 案， 可以在正常停堆及各类事故停堆工况导出堆芯余热。 通过三个系列的设计， 可知满足低 功率停堆、 满功率停堆和极端事故后的堆芯余热导出要求。 通过采用分离式热管换热器， 有 效隔离冷却水和CO2冷却剂， 冷却水设置在承压边界外， 避免了长期运行过程中因换热器破 损导致的水进入主系。

16、统的事故。 附图说明 0022 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解， 构成本申请的一部 分， 并不构成对本发明实施例的限定； 0023 图1是本申请中用于二氧化碳冷却反应堆余热排出系统的组成示意图； 0024 分离式热管换热器、 水池、 风机、 止回阀、 余排出口电磁阀、 余排入口电磁阀、 相应 说明书 2/4 页 4 CN 109841288 A 4 传输管； 0025 其中， 1-水池， 2-分离式热管换热器， 3-止回阀， 4-风机， 5-余排出口电磁阀， 6-余 排入口电磁阀， 7-反应堆。 具体实施方式 0026 本发明是二氧化碳冷却反应堆的一种停堆冷却措施的设计方案。

17、， 提出通过设置能 动与非能动结合的余热系统， 排出反应堆在正常停堆及各类事故停堆下余热， 保证堆芯安 全。 0027 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、 特征和优点， 下面结合附图和具体实 施方式对本发明进行进一步的详细描述。 需要说明的是， 在相互不冲突的情况下， 本申请的 实施例及实施例中的特征可以相互组合。 0028 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明， 但是， 本发明还可 以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施， 因此， 本发明的保护范围并不受下 面公开的具体实施例的限制。 0029 本发明的基本原理为： 0030 设置了与主系统主冷却器并联的余热排出系。

18、统， 包括能动余排与非能动余排两个 子系统， 两者共用余排换热器。 在正常停堆或事故停堆且电源可用的情况下， 自动投入能动 余热排出子系统， 通过风机驱动CO2冷却剂进入余热排出系统， 将热量传递给分离式热管换 热器， 热管换热器冷凝段浸入水池， 通过池水的蒸发将热量最终导入大气。 0031 当全厂断电事故发生后， 自动投入非能动余排子系统； 在包括破口事故在内的各 类事故的长期阶段， 能动余排子系统停运， 转非能动余排子系统运行， 从而长期内导出堆芯 余热。 0032 当冷却剂温度降至热管换热器运行温度以下后， 余热通过气体导热、 热辐射等导 出堆芯， 换热器转间断运行模式。 0033 该系。

19、统配备有三个系列， 每个系列均满足低功率停堆后余热导出的要求， 两个系 列满足满功率停堆后余热导出的要求， 一个系列作为备用系列。 0034 (二)关键设备 0035 该发明的关键设备有： 0036 1)分离式热管换热器。 0037 分离式热管换热器蒸发段接受来自CO2冷却剂的热量， 通过热管内工质的相变和 流动将热量导入冷凝段， 冷凝段浸入池水。 通过选取适当的工质及参数， 保证热管内流体运 行温度范围满足长期余热排出的要求。 0038 2)风机 0039 用于在能动余排子系统运行时， 驱动回路内的CO2流体进行强迫流动。 0040 3)电磁阀 0041 分别在余热排出系统进口及出口各设置一。

20、个电磁阀， 入口阀常开， 出口阀在反应 堆正常运行时关闭， 隔离余热排出系统和一次侧流体， 事故后根据停堆信号自动开启。 电磁 阀接可靠电源及蓄电池， 可以保证全厂断电事故后的启闭。 0042 4)止回阀 说明书 3/4 页 5 CN 109841288 A 5 0043 设置在非能动余热排出子系统支路， 避免能动余排子系统运行时， 风机驱动流体 的旁流。 0044 本发明设计为自动触发， 非能动或能动方式运行。 具体运行流程如下： 0045 正常运行过程中， 余热排出系统入口的电磁阀开启， 出口的电磁阀关闭， 与主回路 隔离。 0046 能动余排子系统投入工况下， 余排出口的常闭电磁阀根据信。

21、号自动开启， 系统投 入运行， 一回路依赖强迫循环将热量通过热管换热器导入冷凝段， 冷凝段二次侧池水通过 蒸发将热量导入大气。 0047 非能动余排子系统投入工况下， 余排出口阀根据信号自动开启， 风机停运， 主回路 依赖自然循环， 将热量持续导入热管换热器， 对于CO2侧余排出口回路， 流体可通过非能动 余排子系统支路及风机支路返回反应堆。 0048 尽管已描述了本发明的优选实施例， 但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造 性概念， 则可对这些实施例作出另外的变更和修改。 所以， 所附权利要求意欲解释为包括优 选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。 0049 显然， 本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。 这样， 倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内， 则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 说明书 4/4 页 6 CN 109841288 A 6 图1 说明书附图 1/1 页 7 CN 109841288 A 7 。