一種長時效非能動安全殼冷卻系統的制作方法

本發明涉及核電領域，尤其涉及一種長時效非能動安全殼冷卻系統（PCCS）。
背景技術：
：現有核電廠的非能動安全殼冷卻系統因結構設計不合理，主要存在如下技術問題：1、在安全殼的頂部承載巨大貯水箱的結構，其在強地震、海嘨、龍卷風等極端事件中極易導致結構破壞并喪失安全功能。此外，該種方式中，冷卻水源位于安全殼上方的水貯存箱內，水箱設有冗余的液位測量通道和報警器以監測水箱水位，同時設有冗余的溫度測量通道以監測溫度和低溫時報警，防止水結冰。為維持系統的可運行性，設置了一個與水箱連接、控制化學特性和溫度的再循環環路。在核電廠正常運行情況下，再循環環路維持水箱的正常狀態；而在事故情況下，此再循環環路為非安全級系統，假如核電廠位于低溫地帶，水箱的水可能會結冰，噴淋管中的水可能會被凍結，從而不能實施有效的安全噴淋。2、現有核電廠事故后依靠非能動安全殼冷卻水箱（PCCWST）內低溫水對鋼制安全殼外壁面實施噴淋冷卻的非能動方式中，其水箱內的水容積僅滿足短時間（例如：72小時，安全殼結構不足以承擔更大負荷）的功能需求。而在極端自然災害情況下，諸如福島核事故情形下，在很長時間內完全喪失廠內外交流電源，當PCCWST的水箱排空之后，沒有動力源驅動再循環泵向其補水。如果只依靠空氣對流的方式在安全殼外壁面冷卻，不足以排出堆內余熱，安全殼內高壓會造成安全殼破裂，造成事故后果急劇惡化。此外，該種方式中通過在鋼制安全殼外壁面建立一層水膜，利用水膜的蒸發和對流進行熱量移除的非能動方式，由于安全殼內往往在事故初期達到壓力峰值，即事故初期是最需要得到有效冷卻的時段，而基于實驗得到的PCCS建立水膜的延遲時間長達337秒，換熱的及時性不足；同時，根據美國西屋公司的實驗，水膜建立的覆蓋率、排熱能力至今未得到充分的驗證。由此可見，安全殼熱容量和熱移除是非能動壓水堆核電廠進一步提升功率所面臨的瓶頸問題，如果采用對原設計簡單擴容的方法，例如：增大安全殼容積和表面積、增大冷卻水儲存箱容積等方式，已不能滿足大功率條件下的功能需求，不利于電廠整體經濟型和安全性。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題在于，提供一種長時效非能動安全殼冷卻系統，能夠消除安全殼結構強度和穩定性的隱患，增加安全殼補水池的容量，有效實現安全殼的降溫和降壓，以確保安全殼的完整性，提高安全殼抵御極端事件的能力；顯著提高換熱功率，提升安全可靠性。為了解決上述技術問題，本發明的實施例提供了一種長時效非能動安全殼冷卻系統，包括：鋼制安全殼；設置在鋼制安全殼外部的混凝土屏蔽層，混凝土屏蔽層和鋼制安全殼的外壁之間具有能夠為鋼制安全殼提供靜壓的換熱水池；浮動設置在換熱水池液面上的換熱管組件；換熱水池液面上方的混凝土屏蔽層上開設用以使外部空氣進入鋼制安全殼和混凝土屏蔽層之間的空氣入口，鋼制安全殼頂部的混凝土屏蔽層上開設用以使鋼制安全殼和混凝土屏蔽層之間的空氣排出的空氣出口；以及連通至換熱水池的安全殼補水池補水裝置，其中：通過換熱水池中池水的蒸發和/或換熱管組件的熱交換，可將換熱水池中池水的熱量傳遞到安全殼和混凝土屏蔽層之間的空氣中，空氣入口和空氣出口之間進行空氣對流可將熱量帶走，安全殼補水池補水裝置維持換熱水池的液面基本不變。其中，換熱管組件包括：多根內部填裝有一定量冷卻工質的換熱管，換熱管設為密封，換熱管的內部保持常壓或加壓；換熱管置放在換熱水池池水液面以下的部分為吸熱端，換熱管置放在換熱水池池水液面以上的部分為放熱端；冷卻工質為低沸點工質以使吸熱端被換熱水池的池水加熱后可致冷卻工質蒸發，放熱端被空氣冷卻可致冷卻工質冷凝。其中，換熱管組件還包括：用以對多根換熱管進行固定的中空桶格架，多根換熱管在中空桶格架上等距均勻布置，其中：中空桶格架可在換熱水池的池水中產生一定的浮力以使換熱管組件能夠浮動在換熱水池的液面上。其中，換熱管組件還包括：環形固定格架，環形固定格架由多個圓環緊密焊接而成，中空桶格架固定在環形固定格架的圓環中。其中，多組換熱管組件進行拼裝后的長度尺寸和寬度尺寸分別大于換熱管的軸向高度尺寸。其中，換熱管的外壁上裝設有翹片。其中，冷卻工質的沸點在25°C-100°C之間。其中，冷卻工質為氟利昂類R11、R113、R114及R21中的任一種冷卻工質。其中，安全殼補水池補水裝置包括安全殼補水池和將安全殼補水池連通至換熱水池的管道，管道上安裝有閥門，閥門可以接受控制信號或者人為操作，當換熱水池的需要補充的時候，將安全殼補水池的水補充入換熱水池。本發明所提供的長時效非能動安全殼冷卻系統，具有如下有益效果：第一、通過換熱水池中池水的蒸發和/或換熱管組件的熱交換，可將換熱水池中池水的熱量傳遞到安全殼和混凝土屏蔽層之間的空氣中，空氣入口和空氣出口之間進行空氣對流可將熱量帶走，安全殼補水池補水裝置維持換熱水池液面的基本不變。換熱水池的冷卻和安全殼補水池的補水，相對現有把冷卻水源放置在安全殼頂部的做法，消除了安全殼結構強度和穩定性的隱患，并且由于消除了上述隱患，因而可以進一步增加安全殼補水池的容量；現有技術中，在核電廠發生事故之后，需要將頂部水箱的水噴淋到安全殼外壁面，按照實驗驗證的結果，噴淋成功之前需要大約350秒的時間，而本發明中，換熱水池中池水隨時與安全殼外壁面接觸，在核電廠發生事故之后，馬上可以執行換熱的作用。換熱效率和冷卻水的及時性的提高，有助于抑制事故后安全殼壓力峰值，提高了安全殼抵御極端事件的能力，從而提高了核電廠的安全性和可靠性。第二，浮動換熱管組件的設計，增加換熱面積，提高換熱效率；換熱管組件包括多根內部填裝有一定量冷卻工質的換熱管，換熱管設為密封，換熱管的內部保持常壓或加壓，在被空氣冷卻后可循環利用，有效降低換熱水池的溫度，減少了換熱水池池水的蒸發；并且，提高安全殼補水池容量，換熱水池液位可基本保持不變。這保證很長時間內（＞72小時）無需動力源仍能滿足功能需求。第三、采用換熱水池換熱和在空氣入口和空氣出口之間空氣會因為自然循環的作用實現由下自上的流動，流動的同時將帶走安全殼壁面的熱量，無需外界提供動力，提升安全可靠性。第四、由于換熱水池緊貼鋼制安全殼壁面，即便換熱池中處于寒冷地區，其中的水即使凍結也可以接受鋼制安全殼傳遞的熱量、逐漸熔化。此外，冰熔化的過程能夠帶走更多的熱量，冰或者更低溫度的水能導致與鋼制安全殼更大的溫差，從而增大熱移除功率。第五、全程采用非能動技術，無需人工操作、直流電源或泵，事故后很長時間無需電源。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明實施例長時效非能動安全殼冷卻系統的結構示意圖。圖2是本發明實施例長時效非能動安全殼冷卻系統的換熱管的結構示意圖。圖3是本發明實施例長時效非能動安全殼冷卻系統的環形固定格架的結構示意圖。具體實施方式本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。結合參見圖1-圖3，為本發明長時效非能動安全殼冷卻系統的實施例一。本實施例中的長時效非能動安全殼冷卻系統包括：鋼制安全殼1；設置在鋼制安全殼1外部的混凝土屏蔽層2，混凝土屏蔽層2和鋼制安全殼1的外壁之間具有能夠為安全殼提供靜壓的換熱水池3；浮動設置在換熱水池3液面3a上的換熱管組件4；換熱水池液面3a上方的混凝土屏蔽層2上開設用以使外部空氣進入鋼制安全殼1和混凝土屏蔽層2之間的空氣入口21，鋼制安全殼1頂部的混凝土屏蔽層2上開設用以使鋼制安全殼1和混凝土屏蔽層2之間的空氣排出的空氣出口22；以及連通至換熱水池3的安全殼補水池補水裝置5，其中：通過換熱水池3中池水的蒸發和/或換熱管組件4的熱交換，可將換熱水池3中池水的熱量傳遞到鋼制安全殼1和混凝土屏蔽層2之間的空氣中，空氣入口21和空氣出口22之間自動形成空氣對流，并可將熱量帶走，安全殼補水池補水裝置5通過管道和閥門，向換熱水池補水，以維持換熱水池液面3a的基本不變。具體實施時，鋼制安全殼1為鋼制安全殼，將殼體設置成鋼板，滿足非能動核電廠安全殼抑制壓力、包容放射性物質、將安全殼內熱導通過鋼導出等功能需求。混凝土屏蔽層2設置在鋼制安全殼1的外部，混凝土屏蔽層2具有放射性屏蔽的作用，提高抵抗外部撞擊的能力。混凝土屏蔽層2和鋼制安全殼1的外壁之間具有能夠為安全殼提供冷卻的換熱水池3。具體地，換熱水池液面3a上方的混凝土屏蔽層2上開設用以使外部空氣進入鋼制安全殼1和混凝土屏蔽層2之間的空氣入口21，空氣入口21起到的作用是：一方面可以作為空氣進入鋼制安全殼1和混凝土屏蔽層2之間的換熱管組件4上部的入口，另一方面還可以作為換熱水池3的溢流孔以防止換熱水池3的蓄水位過高。空氣入口21所在位置以下的混凝土屏蔽層2和鋼制安全殼1之間形成換熱水池3，換熱水池3內的池水能夠在事故后為鋼制安全殼1提供靜壓，增加鋼制安全殼1的抑壓能力。換熱水池3所起到的作用是：換熱水池3的池水浸泡部分鋼制安全殼1外壁面，即相當于將壓力容器置于水池中。核電廠發生時候以后，反應堆的熱量釋放到安全殼內，安全殼的熱量通過鋼制安全殼的鋼壁面，傳遞給換熱水池。需要說明的是，換熱水池3中的池水不會給鋼制安全殼1的殼體造成不可接受的壓力負荷，如表1所示，以AP1000的鋼制安全殼為例，81psig壓力負荷下24小時內失效概率小于0.01%，本實施例中初步設計的換熱水池3的蓄水位高為10米，則換熱水池3水池底部處鋼制安全殼承受的水力壓頭為14.22psig，遠小于鋼制安全殼1的失效承載壓力負荷。此外，本實施例中也可以擬采取其它措施，增強水池所在部分鋼制安全殼殼體的負荷承載能力，例如采用加強筋、壁面加厚等措施。表124小時和72小時名義和保守工況AP1000安全殼失效概率工況24小時壓力(MPa表壓/psig)24小時失效概率72小時壓力(MPa表壓/psig)72小時失效概率名義工況0.558/81<0.01%(1)0.724/1052.2%(1)保守工況0.689/1002%(2)1.117/16290.5%(2)進一步的，換熱管組件4包括：多根內部填裝有一定量冷卻工質的換熱管41，換熱管41的內部保持常壓或加壓，換熱管41具有吸熱端411和放熱端412。其中，換熱管41的數量可根據實際需要進行調整，例如數百根或數千根。換熱管41中充入有一定量的不與工質和管壁反應的穩定氣體，使管體內部保持常壓或加壓的狀態，。用以對多根換熱管進行固定的中空桶格架42，多根換熱管41在中空桶格架42上等距均勻布置，其有利于形成均勻的散熱空間，增強散熱效果。中空桶格架42可在換熱水池2的池水中產生一定的浮力以使換熱管組件4能夠浮動在換熱水池3的液面3a上。具體實施時，可以通過將中空桶格架42設為中空的結構加以實現。例如，本實施例中，中空桶格架42為圓柱狀的中空密封桶，中空桶格架42設為中空的圓柱狀密封桶還可以起到如下功用，當多組換熱管組件進行拼裝時，設為圓柱狀的中空桶格架42可以減小與相鄰換熱管組件之間的切線或切點，從而減少與相鄰換熱管組件發生碰撞的可能，能夠對換熱管41進行軸向固定。可以理解的是，中空桶格架42的密封結構可以形成一定的浮力，使整個組件浮動在水面上。換熱管組件4還包括：環形固定格架43，環形固定格架43由多個圓環431緊密焊接而成，中空桶格架42固定在環形固定格架43的圓環431中。圓環431是換熱管組件4放置的位置，將換熱組件4中部的中空桶格架42固定在圓環431上。如此，可使組件受熱后相對位置固定，減少相鄰組件的碰撞，保證換熱組件不易傾覆；并且，如此設計也可以充分利用換熱水池3的空間，放置盡可能多的換熱組件4，進而提高換熱能力。其它實施方式中也可以設計成其他形狀，并不影響實施。進一步的，換熱管41為中空且兩端密封的圓柱管，由于其內部填裝有一定量的冷卻工質并保持有常壓或加壓，使得其在工作時維持下部多為液體，上部多為汽體的狀態，也進而使得換熱管41的重心位于中下部，其作用是減小換熱管組件傾覆的可能性，也有利于當多個換熱管41被同時固定在中空桶格架42中，換熱管組件4可在水中垂直站立，不會傾覆。換熱管41置放在換熱水池液面3a以下的部分為吸熱端411，換熱管41置放在換熱水池液面3a以上的部分為放熱端412；冷卻工質T為低沸點工質以使吸熱端411被換熱水池1的池水加熱后可致冷卻工質蒸發，放熱端412被空氣冷卻可致冷卻工質冷凝。具體實施時，換熱管41內冷卻工質T應采用相應壓力下沸點在約25℃（大氣環境溫度）和100℃（乏燃料貯存水池水沸騰溫度）之間，且汽化潛熱大的工質，例如氟利昂類的R11、R113、R114和R21，這樣換熱管的吸熱端411被池水加熱導致工質蒸發，放熱端412被來自空氣入口21的空氣冷卻導致工質冷凝，在重力作用下回流到換熱管41的下部液體部分。工質T冷凝放熱，空氣在換熱水池3液面3a以及換熱管41上部受熱，混合換熱水池3蒸發的水蒸氣，在密度差驅動下上升，最終通過鋼制安全殼1頂部的通風出口22排放。選取的工質要求在這個過程中能夠盡量多地帶走熱量。可以理解的是：由于換熱管組件4的熱交換面積和冷交換面積大于單一液面的換熱面積；利用特定壓力下特殊液體比水的沸點低和汽化潛熱差異大的特點，相比同質量的水，工質排出安全殼內更多的熱量，提高了換熱效率。因此，以鋼制安全殼1外換熱水池3和換熱組件4為主要部件的安全殼冷卻系統能夠更有效地滿足排出堆芯余熱的需求。進一步的，常見的制冷劑按冷凝溫度分為三類：高溫低壓制冷劑：R11、R113、R114、R21，中溫中壓制冷劑：R12、R22等，低溫高壓制冷劑：R13、R14等。換熱管內工質應為高溫低壓制冷劑。適用工質的參數見表2。綜合考慮工質的工作壓力、沸點和汽化潛熱，本設計中的工質初定為R113，R113滿足低沸點和汽化潛熱較大的特點，并且工作壓力為常壓，簡化換熱管制作工藝，對換熱管包殼材料的強度要求不高。表2：高溫低壓制冷劑參數壓力(bar)沸點(℃)汽化潛熱(kJ/kg)R111.740174.17R1131.047147.19R1143.3740122.09R212.9640224.4優選的，換熱管41的外壁上裝設有翹片413，用以加強換熱，提升散熱效率。優選的，多組換熱管組件4進行拼裝后的長度尺寸和寬度尺寸分別大于換熱管41的軸向高度尺寸，如此設置的作用是：保證浮動在液面上的換熱管組件41不容易被傾覆。進一步地，長時效非能動安全殼冷卻系統還包括安全殼補水池補水裝置5，其中，安全殼補水池補水裝置5包括安全殼補水池51和將安全殼補水池51連通至換熱水池的管道52，管道上安裝有閥門53，閥門可以接受控制信號或者人為操作，當換熱水池3的需要補充的時候，將安全殼補水池51的水補充入換熱水池3。具體實施時，安全殼補水池補水裝置5的作用是補充由于換熱水池3池水蒸發而造成的換熱水池3的液位下降，保證安全殼冷卻系統的換熱能力，本發明所提供的長時效非能動安全殼冷卻系統在具體實施時，非能動安全殼冷卻系統在核電廠正常運行工況下不使用，只在事故后必要時自動投入使用。一旦發生事故，換熱管組件4的換熱管41吸熱端411自動吸收池水熱量，管內工質T沸點低，受熱易蒸發，氣體向上流動進入放熱端412，在這里被換熱管41外壁面空氣冷卻，工質T被冷凝成液相，液相工質沿著內壁面向下流動，回到吸熱段，空氣受熱后上升，通過通風出口22最終排到大氣中。即形成池水→吸熱端411鋼壁面→工質T→放熱端412鋼壁面→空氣的冷卻鏈，通過工質T反復的蒸發、冷凝、回流，將池水的熱量最終傳遞到空氣，實現長時效帶走安全殼內熱量。設計基準事故情況下，換熱水池3的大小和換熱組件4的數目滿足，使得換熱水池3液面附近溫度低于工質的沸點，換熱水池的蒸發較少。超設計基準事故下，換熱水池3液面附近溫度等于或高于工質的沸點，此時依靠換熱水池的水的蒸發和空氣對流帶走安全殼熱量。事故后，換熱水池3的水不可以避免的會有一部分被蒸發，從而造成換熱水池液位下降，造成換熱管組件4也隨之下降，如果下降太低，可能會接觸到換熱水池底部，造成換熱管損壞；水量太低也無法滿足換熱需求，安全殼補水池補水裝置5用以維持液位。本發明所提供的長時效非能動安全殼冷卻系統，具有如下有益效果：第一、通過換熱水池中池水的蒸發和/或換熱管組件的熱交換，可將換熱水池中池水的熱量傳遞到安全殼和混凝土屏蔽層之間的空氣中，空氣入口和空氣出口之間進行空氣對流可將熱量帶走，安全殼補水池補水裝置維持換熱水池液面的基本不變。換熱水池的冷卻和安全殼補水池的補水，相對現有把冷卻水源放置在安全殼頂部的做法，消除了安全殼結構強度和穩定性的隱患，并且由于消除了上述隱患，因而可以進一步增加安全殼補水池的容量；冷卻水的及時性和換熱效率的提高，有助于抑制事故后安全殼壓力峰值，提高了安全殼抵御極端事件的能力，從而提高了核電廠的安全性和可靠性。第二，浮動換熱管組件的設計，增加換熱面積，提高換熱效率；換熱管組件包括多根內部填裝有一定量冷卻工質的換熱管，換熱管設為密封，換熱管的內部保持常壓或加壓，在空氣冷卻后可循環利用，有效降低換熱水池的溫度，減少了液體的蒸發；并且，提高安全殼補水池容量，換熱水池液位可保持基本不變。這保證很長時間內（＞72小時）無需動力源仍能滿足功能需求。第三、采用換熱水池換熱和在空氣入口和空氣出口之間空氣會因為自然循環的作用實現由下自上的流動，流動的同時將帶走安全殼壁面的熱量，無需外界提供動力，提升安全可靠性。第四、由于換熱水池緊貼鋼制安全殼壁面，即便換熱池中處于寒冷地區，其中的水即使凍結也可以接受鋼制安全殼傳遞的熱量、逐漸熔化。此外，冰熔化的過程能夠帶走更多的熱量，冰或者更低溫度的水能導致與鋼制安全殼更大的溫差，從而增大熱移除功率。第五、實現全程非能動技術，無需人工操作、直流電源或泵，事故后很長時間無需電源。當前第1頁1 2 3