用于核電站的部件冷卻水系統的制作方法
【專利說明】用于核電站的部件冷卻水系統
[0001]相關專利申請的交叉參考
[0002]本申請要求申請號為61/691，533，申請日為2012年8月21日的美國臨時專利申請的權益，是申請號為PCT/US13/42070，申請日為2013年5月21日的PCT國際專利申請的部分接續申請案，該PCT國際專利申請要求申請號為61/649，593，申請日為2012年5月21日的美國臨時專利申請的權益；其整體通過引用并入本文。
技術領域
[0003]本發明涉及核反應堆，尤其涉及具有無源熱釋放控制的反應堆安全殼系統。
【背景技術】
[0004]核反應堆的安全殼定義為對核電站利用核裂變產生高壓蒸汽的核蒸汽供應系統(NSSS)提供環境隔離的外殼。假定設施遭遇最嚴重核事故，要求商用核反應堆被封閉在能抵御來自該核事故的溫度和壓力的壓力保持結構中。能對反應堆及其安全殼假定的最嚴重能量釋放事故有兩類。
[0005]第一，由于安全殼空間內反應堆冷卻劑的突然釋放，伴隨冷卻劑喪失事故(LOCA)的事件涉及來自核電站核蒸汽供應系統(NSSS)的熱能快速大量釋放。突然減壓的反應堆冷卻劑將猛烈地瞬間導致安全殼空間內壓力和溫度的快速上升。安全殼內空間成為空氣和蒸汽的混合。可通過假設運送反應堆冷卻劑的管道突然失效被可信地假定LOCA。
[0006]對安全殼整體有潛在風險的另一個第二類熱事件是來自核電站的核蒸汽供應系統(NSSS)的所有熱排放路徑均失效的情況，迫使反應堆“緊急停堆(scram)”。全站斷電就是這種事件。反應堆中產生的衰變熱必須被消除以防止壓力失控而上升。
[0007]最近，安全殼結構也已被監管機構要求能抵御墜毀飛機的撞擊。安全殼結構通常建成巨大的鋼筋混凝土穹頂以抵御來自LOCA的內部壓力。雖然它的混凝土厚墻能夠抵御飛機撞擊，但它也是良好的熱絕緣體，需要設有泵的散熱系統(采用換熱器和泵)將不需要的熱量排到外部環境中(以最小化壓力上升或消除衰變熱)。然而，該散熱系統依靠強大的電源(如，異地或本地的柴油發電機)為泵供電。海嘯之后福島核電站的全站斷電是對依賴泵的愚蠢行為的發人深省的提醒。
[0008]現在的整體式鋼筋混凝土施工的安全殼結構的拆裝是極端困難和昂貴的，如封閉在安全殼結構中的NSSS中的蒸汽發生器資本需求巨大。為更換重要設備，必須以巨大的費用和反應堆停堆時間在混凝土厚穹頂上開一艙口。不幸的是，在過去的25年中建設的許多核反應堆的太多蒸汽發生器必須通過穿透穹頂來更換，對核電工業是數十億美元的成本。
[0009]在核電站中，部件冷卻水(CCW)系統是用于冷卻核電站中各種設備的閉環純凈水。它的重要的輔助作用之一是反應堆停堆后從反應堆水中排出衰變熱，通常在稱為“衰變熱冷卻器”或“余熱排出換熱器”的管狀換熱器內部執行。用于冷卻機電設備的衰變熱冷卻器或其他換熱器傳遞到部件冷卻水的熱量出現在整個管壁上，該管壁使部件冷卻水與可能同反應堆水有關的放射性污染隔離或隔絕。這樣，設備冷卻系統本質上用于提供消除需要冷卻的核電站中所有設備廢熱的手段，以及用作阻礙輻射釋放到環境中。
[0010]然而，由部件冷卻水從核電站設備中收集的熱量提升了它的溫度。被加熱的部件冷卻水通常在直流(once-through)系統中通過使用如湖泊、河流或海洋等自然水體的管殼式換熱器將熱量排到環境中。部件冷卻水系統從自然水體中抽取冷的原料水，被泵送流過部件冷卻水換熱器，然后使熱水返回到自然水體中。然而，這樣的部件冷卻水系統(CCW)遭遇到幾個操作問題，如由原料冷卻水攜帶的殘渣的侵入，由原料水導致的換熱管的生物污染和運送原料水到換熱器的管道的腐蝕。運行中的核電站經常報告沉積物和其他污垢在部件冷卻水換熱器集管中大量積累，需要頻繁維護并降低了熱性能。
[0011]上述使用了最先進技術的缺陷需要改進的核反應堆安全殼系統和部件冷卻水系統。
[0012]發明概述
[0013]根據一方面，本發明提供克服現有系統缺陷的部件冷卻水系統。
[0014]在一個實施例中，核電站的部件冷卻水系統包括限定配置為容納核反應堆的封閉空間的安全殼，圍繞安全殼的安全殼封閉結構，形成于安全殼和安全殼封閉結構之間的環形蓄水池，該環形蓄水池配置為提供散熱器用于消散熱量，和具有沉浸在環形蓄水池的水中的裸露的導熱管束的無殼換熱器。來自核電站的部件冷卻水流過管束并通過將熱傳遞到環形蓄水池而被冷卻。管束由多根導熱管組成。在一個實施例中，管束是U形的。
[0015]在另一個實施例中，核電站的部件冷卻水系統包括限定配置為容納核反應堆的封閉空間的安全殼，圍繞安全殼的安全殼封閉結構和形成于安全殼和安全殼封閉結構之間的環形蓄水池，該環形蓄水池配置為提供散熱器用于消散熱量，具有沉浸在環形蓄水池的水中的由多根導熱管組成的裸露的導熱管束的無殼換熱器和設置在環形蓄水池中裸露管束下方的排放噴淋器。噴淋器配置和布置為通過管束排放從環形蓄水池中再循環的水以冷卻管道。來自核電站的部件冷卻水流過管束的管道并通過將熱傳遞到環形蓄水池而被冷卻。
[0016]根據另一個實施例，核電站的部件冷卻水系統包括限定配置為容納核反應堆的封閉空間的安全殼，圍繞安全殼的安全殼封閉結構和形成于安全殼和安全殼封閉結構之間的環形蓄水池，該環形蓄水池配置為提供散熱器用于消散熱量，具有沉浸在環形蓄水池的水中的由多根導熱管組成的裸露的導熱管束的無殼換熱器，和從安全殼到安全殼封閉結構向外突出的且位于環形蓄水池中的大體上為徑向的多個翅片。在本實施例中，換熱器位于周向延伸的灣中，該周向延伸的灣形成于一對間隔開的相鄰翅片之間的環形蓄水池中。來自核電站的部件冷卻水流過管束的管道并通過將熱傳到環形蓄水池而被冷卻。
[0017]根據另一方面，本發明提供了克服現有安全殼系統布置缺陷的核反應堆安全殼系統。該安全殼系統一般包括由鋼材或其他有韌性的材料構成的內部安全殼和外部安全外殼封閉結構(CES)，從而形成雙壁安全殼系統。在一個實施例中，在安全殼和提供環形冷卻蓄水池的安全殼封閉結構之間提供充水環腔。安全殼可包括多個縱向導熱翅片，翅片從安全殼以“翅片”的形狀(大體上)徑向向外延伸。這樣，安全殼不僅用作反應堆的主結構安全殼，且配置和可操作用于與充當散熱器的環形蓄水池之間的換熱器。相應地，作為進一步的描述，當需要的時候，在如LOCA的熱量釋放事故或反應堆緊急停堆需要散熱和冷卻反應堆期間，安全殼方便地提供無源(非泵送)排熱系統。
[0018]本發明還提供克服現有冷卻水系統布置缺陷的部件冷卻水系統。作為進一步的描述，部件冷卻水系統包括可被布置和包含入充水環腔(即，環形蓄水池)的換熱器。環腔中的水因此用作主動導熱介質，通過蒸發而不是自然水體將冷卻系統中的熱排出。
[0019]在一個根據本發明的實施例中，核反應堆安全殼系統包括配置為容納核反應堆的安全殼，圍繞安全殼的安全殼封閉結構(CES)和形成于安全殼和安全殼封閉結構(CES)之間的，從安全殼空間排出熱量的環形蓄水池。如果安全殼內部發生熱量釋放事件，安全殼產生的熱傳遞到用于冷卻安全殼的環形蓄水池。在一個實施例中，環形蓄水池包括冷卻安全殼的水。安全殼的一部分可包括大體上呈徑向的導熱翅片，其布置在環形蓄水池中并在安全殼和安全殼封閉結構(CES)之間延伸以改善對充水環腔蓄水池散熱。當熱量釋放事件在安全殼內部發生時，環腔中的一部分水以水蒸汽形式通過安全殼封閉結構(CES)環形蓄水池被蒸發和釋放到空氣中。
[0020]系統的實施例還包括輔助空氣冷卻系統，其包括多個在環形蓄水池中圍繞安全殼周向布置的帶垂直入口的空氣導管。空氣導管與環形蓄水池和安全殼封閉結構(CES)外部的外面的環境空氣流體連通。當熱量釋放事件在安全殼內部發生和環形蓄水池中的水由于蒸發基本耗盡時，空氣冷卻系統通過提供從蓄水池空間到外部環境的空氣流通路徑開始起作用。這樣，空氣流通系統可被看作能繼續反復冷卻安全殼的輔助系統。
[0021]根據另一個實施例，核反應堆安全殼系統包括配置為容納核反應堆的安全殼，圍繞安全殼的安全殼封閉結構(CES)，形成于安全殼和安全殼封閉結構(CES)之間的冷卻安全殼的充水環腔和多個從安全殼向外突出的且位于環腔中的大體上為徑向的翅片。如果安全殼內部發生熱量釋放事件，安全殼產生的熱通過與安全殼外表面及大體上為徑向的冷卻安全殼的翅片的直接接觸傳送到環腔中的充水蓄水池。在一個實施例中，當熱量釋放事件在安全殼內部發生和環腔中的水由于蒸發基本耗盡時，空氣冷卻系統開始起作用，通過空氣導管將外部環境空氣抽進環腔中以冷卻安全殼產生的熱(隨時間呈指數下降)。完全圍繞安全殼的環形區域中存在的水將維持安全殼一致的溫度分布，防止在熱量釋放事件或事故期間安全殼變形。
[0022]在另一個實施例中，核反應堆安全殼系統包括含有園柱形殼配置為容納核反應堆的安全殼，圍繞安全殼的安全殼封閉結構(CES)，形成于安全殼外殼和安全殼封閉結構(CES)之間的冷卻安全殼的含水的環形蓄水池，多個外部的從安全殼向外突出到環腔中的大體上為徑向的翅片和含多個在環形蓄水池中圍繞安全殼周向布置的帶垂直入口的空氣導管的空氣冷卻系統。空氣導管與環形蓄水池和安全殼封閉結構(CES)外部的外側環境空氣進行流體連通。如果安全殼內部發生熱量釋放事件，安全殼產生的熱通過(大體上)為徑向的安全殼壁以及它的用作冷卻安全殼的內部和外部翅片傳送到環形蓄水池中。
[0023]根據本發明的核反應堆安全殼系統的優點和特點包括以下幾個方面:
[0024]安全殼結構和系統被配置成使得上述熱量釋放事件可無源控制(舉例來說，不需依賴主動設備，如泵、閥門、換熱器和電機)；
[0025]無限期地自主連續工作的安全殼結構和系統；
[0026]在不喪失它的主要功能(即，壓力和放射性核素(如果有的話)保持及排熱)的情況下，用配置為抵御如墜毀的飛機等拋射體撞擊的內部和外部肋(翅片)加強的安全殼結構-M
[0027]安全殼配備有允許適于通過安全殼結構拆卸(或安裝)重要設備的設施。
[0028]附圖簡述
[0029]本發