无源反应堆安全壳保护系统技术方案

一种具有无源冷却能力的核反应堆安全壳系统。在一个实施方式中，该系统包括用于容纳核蒸汽供应系统的内安全壳容器和外安全壳壳体结构。环形的填充水蓄水池可以设置在安全壳容器与安全壳壳体结构之间，所述安全壳壳体结构在安全壳容器内侧有热量释放事件的情况下，提供用于分散热能的散热器。反应堆安全壳系统提供无源的水和空气冷却系统，所述冷却系统可操作以便调节安全壳容器和在内侧的设备的热量。在一个实施方式中，对该系统进行补充的冷却水不需要将安全壳容器和反应堆的温度维持在可接受的限度内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无源反应堆安全壳保护系统相关申请的交叉引用本申请要求于2012年5月21日提交的美国临时专利申请No.61/649,593的优先权，其整体通过引用合并到本文中。
本专利技术涉及核反应堆，更具体地涉及一种具有无源(passive)热能释放控制的反应堆安全壳系统。
技术介绍
核反应堆的安全壳被定义为向电站的核蒸汽供应系统(NSSS)提供环境隔离的外壳，在所述电站中，核裂变被利用来生成加压蒸汽。商业核反应堆要求装入压力保持结构中，所述压力保持结构可以抵抗针对设施可以假设的最严重的事件所造成的温度和压力。对反应堆和其安全壳可以假设的最严重能量泄露事件可以具有两种类型。首先，冷却剂泄漏事故(LOCA)之后会由于在安全壳空间中的反应堆冷却剂的突然释放而导致大量来自电站的核蒸汽供应系统(NSSS)的热能的快速释放。突然减压的反应堆冷却剂可能由于在安全壳空间中的压力和温度的突然升高而猛烈地闪蒸(flash)。安全壳内空间呈现空气和蒸汽的混合物。通过假定载有反应堆冷却剂的管突然失效而可以合理地假设冷却剂泄漏事故(LOCA)。安全壳整体性的潜在风险的另外第二个热事件是其中来自电站的核蒸汽供应系统(NSSS)的所有散热路径均失效的情景，迫使反应堆进入“紧急关闭(scram)”。全站断电就是这种事件。在反应堆中所生成的衰变热必须被消除，以防止对压力升高的失控。最近，监管者还要求安全壳结构抵抗来自坠毁飞机的冲击。安全壳结构通常建有巨大的钢筋混凝土圆顶，以抵抗来自LOCA的内压力。虽然它的厚混凝土壁能够抵抗飞机冲击，但是它也是良好的热隔离器，因此要求泵抽散热系统(使用热交换器和泵)将其不需要的热排放到外部环境中(以最小化压力升高或移除衰变热)。然而，这种散热系统依赖于强健的电源(例如，电站外或当地的柴油发电机)，以向泵提供动力。紧随海啸后的福岛全站断电是对荒唐地依赖于泵的一个清醒的提醒。今天，具有庞大的钢筋混凝土构造的安全壳结构使得它移除和安装大资本需求的装备及其困难和昂贵，例如在由它们所容纳的NSSS中的蒸汽发电机。为了更换大型设备，在厚混凝土圆顶中的舱口必须以高昂的成本制造，并且必须使反应堆有停工时间。不幸地，在过去的25年里，在核电产业中，为了不得不更换大量反应堆中的太多的蒸汽发电机，通过花费数十亿美元的成本来割穿安全壳圆顶。现有技术中的上述弱点要求改进核反应堆安全壳系统。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服前述设计缺陷的核反应堆安全壳系统。安全壳系统通常包括可以由钢或其他延性材料组成的内安全壳容器以及外安全壳壳体结构(CES)，从而形成双壁安全壳系统。在一个实施方式中，填充水的环形部可以设置在安全壳容器与安全壳壳体结构之间，从而提供环形冷却水蓄水池。安全壳容器可以包括多个纵向传热翅片(fin)，所述翅片以“翅片”的方式从容器(大致地)径向向外延伸。因此，安全壳容器不仅作为反应堆的第一结构安全壳，而且被构造成且可操作地具有热交换器的功能，其环形蓄水池起散热器(heatsink)的作用。因此，如本文进一步所描述的那样，当在热能释放事件(例如，LOCA或反应堆紧急关闭)过程中需要时，安全壳容器有利地提供一种无源(即，非泵抽的)散热系统，以散热且冷却反应堆。在根据本公开的一个实施方式中，核反应堆安全壳系统包括构造用于容纳核反应堆的安全壳容器，围绕该安全壳容器的安全壳壳体结构(CES)，以及在安全壳容器与安全壳壳体结构(CES)之间形成的用于从安全壳空间中抽取热能的环形蓄水池。在安全壳容器内侧有热能释放事件的情况下，由安全壳容器所生成的热传递到环形蓄水池，所述环形蓄水池运转以冷却安全壳容器。在一个实施方式中，环形蓄水池包括用于冷却安全壳容器的水。部分的安全壳容器可以包括大致径向的传热翅片，所述翅片设置在环形蓄水池中并在安全壳容器与安全壳壳体结构(CBS)之间延伸，用于改进热量在填充水的环形蓄水池的消散。当在安全壳容器内侧发生热能释放事件时，在环形部中的一部分水蒸发并以水蒸汽的形式通过安全壳壳体结构(CBS)环形蓄水池排放到大气中。本系统的实施方式可以进一步包括辅助空气冷却系统，所述冷却系统包括多个垂直进口空气导管，所述空气导管在环形蓄水池中的安全壳容器周围周向间隔。空气导管与环形蓄水池和在安全壳壳体结构(CES)的外面的外侧环境空气成流体联通。当在安全壳容器内侧发生热能释放事件且环形蓄水池中的水通过蒸发基本被排干时，空气冷却系统通过将通风路径从蓄水池空间提供到外部环境而成为可操作的。因此，通风系统可以被视为可以继续永久地冷却安全壳的第二级系统。根据另外一个实施方式，核反应堆安全壳系统包括构造用于容纳核反应堆的安全壳容器，围绕安全壳容器的安全壳壳体结构(CES)，在安全壳容器与安全壳壳体结构(CES)之间形成的填充水环形部，用于冷却安全壳容器，以及从安全壳容器向外突出并位于环形部中的大致径向的多个翅片。在安全壳容器内侧有热能释放事件的情况下，通过与安全壳容器的外表面直接接触以及冷却安全壳容器的大致径向的翅片由安全壳容器所生成的热传递到在环形部中的填充水的蓄水池。在一个实施方式中，当在安全壳内侧发生热能释放事件且在环形部中的水通过蒸发基本被排干时，空气冷却系统可以操作，以将外侧的环境空气通过空气导管抽进环形部中，从而通过自然对流冷却在安全壳中生成的热(其随着时间指数地下降)。在完全地围绕安全壳的环形区域中存在的水维持了安全壳容器的恒定温度分布，以防止在热能释放事件或事故过程中安全壳容器的变形。在另外的实施方式中，核反应堆安全壳系统包括安全壳容器，其包括构造用于容纳核反应堆的圆柱形壳体，围绕安全壳容器的安全壳壳体结构(CES)，在安全壳容器的壳体与安全壳壳体结构(CES)之间形成的用于冷却安全壳容器的包括水的环形蓄水池，从安全壳容器向外突出到环形部中的多个(大致地)径向的外翅片以及包括在环形蓄水池中的安全壳容器周围周向间隔的多个垂直进口空气导管的空气冷却系统。空气导管与环形蓄水池和在安全壳壳体结构(CES)的外面的外侧环境空气成流体联通。在安全壳容器的内侧有热能释放事件的情况下，由安全壳容器生成的热经由运转以冷却安全壳容器的(大致地)径向的安全壳壁与其内翅片和外翅片一起传递到环形蓄水池。根据本公开的核反应堆安全壳系统的优点和方面包括以下：安全壳结构和系统被构造成使得上述严重的能量释放事件可以被无源地容纳(例如，不依赖于诸如泵、阀、热交换器和发动机等有源(active)部件)；安全壳结构和系统继续无限期地自主工作(例如，对于人为干涉没有时间限制)；用内肋和外肋(翅片)来加强的安全壳结构被构造为抵抗例如坠毁飞机的抛射冲击而不损失其主要功能(即，压力&放射性核素滞留(如果有)以及热耗散)；以及保护壳容器配备有允许通过保护壳结构随时移除(或安装)主要设备的装备。附图说明参考以下附图描述本专利技术的图示性实施方式的特点，其中相同的元件进行类似的标记，其中：图1是根据本专利技术的有翅片的第一反应堆安全壳容器的侧面正视图，所述安全壳容器形成部分的核反应堆安全壳系统，一些翅片的下部分部分地脱离，以暴露垂直支撑柱和圆周形肋；图2是沿着线II-II截取的其横向横截面视图；图3是图2中部分III的详情；图4是显示图1的安全壳容器和外安全壳壳体结构(CES本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核反应堆安全壳系统和完全壳保护系统，其包括：安全壳容器,其限定被构造用于容纳核反应堆的安全壳空间；围绕所述安全壳容器的安全壳壳体结构；以及环形蓄水池，其在所述安全壳容器与所述安全壳壳体结构之间形成，用作在所述安全壳空间内侧生成的热的散热器；其中在所述安全壳容器内侧有热能释放事件的情况下，由所述安全壳容器生成的热传递到所述环形蓄水池，所述环形蓄水池运转以冷却所述安全壳容器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.21 US 61/649,5931.一种核反应堆安全壳系统和安全壳保护系统，其包括：安全壳容器,其包括具有外直径的中空圆柱形壳，并且配置为限定安全壳空间，所述安全壳空间配置为用于容纳反应堆容器，所述反应堆容器其中包含有反应堆芯并且循环第一冷却剂；围绕所述安全壳容器的安全壳壳体结构，其包括中空圆柱形壳，该中空圆柱形壳具有内直径，该内直径大于所述安全壳容器的所述中空圆柱形壳的所述外直径；混凝土基础，其包括支撑所述安全壳容器的所述中空圆柱形壳的底板以及从形成顶部基础垫的所述板提升的垂直地延伸的侧壁，该基础垫支撑所述安全壳壳体结构，所述安全壳容器的下部分定位在所述混凝土基础的所述侧壁的内侧且位于所述基础垫的下方，所述安全壳容器的上部分从所述基础垫向上延伸；以及环形蓄水池，其位于所述基础垫的上方，在所述安全壳容器的所述中空圆柱形壳与所述安全壳壳体结构的中空圆柱形壳之间，绕着所述安全壳容器的所述上部分的周缘周向地延伸，用作在所述安全壳空间内侧生成的热的散热器；其中，位于所述基础垫上方的所述安全壳容器的所述上部分包括大致径向的传热翅片，所述传热翅片设置在所述环形蓄水池的水中并在所述安全壳容器与所述安全壳壳体结构之间延伸；所述径向的传热翅片在竖直方向上纵向地延伸，并具有一个纵向延伸侧和相对的纵向延伸侧，该纵向延伸侧附接在所述安全壳容器壳上，该相对的纵向延伸侧的位置邻近所述安全壳壳体结构；其中，所述环形蓄水池包含直接与所述中空圆柱形壳以及所述安全壳容器的翅片接触的水，用于冷却所述安全壳容器；其中在所述安全壳容器内侧有热能释放事件的情况下，由所述安全壳容器生成的热传递到所述环形蓄水池，所述环形蓄水池运转以冷却所述安全壳容器。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述安全壳容器包括内表面，所述内表面包含以翅片的形式从所述安全壳容器壳向内延伸且在垂直方向上纵向地延伸的延伸表面以加强对来自所述安全壳空间的热能的获取。3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，当在所述安全壳内侧发生热能释放事件时，在所述环形部中的一部分水蒸发并以水蒸汽的形式通过所述安全壳壳体结构排放到大气中。4.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括空气冷却系统，所述空气冷却系统包括在所述环形蓄水池中的所述安全壳容器周围周向间隔开的以管道形式的多个封闭的垂直进口空气导管，所述空气导管与所述环形蓄水池和在所述安全壳壳体结构外面的外侧环境空气成流体联通；其中每个空气导管具有位于所述安全壳壳体结构上部附近的进口以及位于所述安全壳壳体结构底部附近的出口，其中该进口与所述安全壳壳体结构外部的大气环境成流体联通，该出口与所述环形蓄水池成流体联通。5.根据权利要求4所述的系统，其中当在所述安全壳容器的内侧发生热能释放事件并且在所述环形蓄水池中的水通过蒸发基本被排干时，所述空气冷却系统变得可操作，以通过所述空气导管将外侧的环境空气抽进所述环形蓄水池中，从而通过自然对流冷却所述安全壳容器。6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括在所述环形蓄水池上形成的上环形部，所述环形蓄水池在所述安全壳容器与所述安全壳壳体结构之间，所述上环形部与所述环形蓄水池和到大气的通风孔成流体联通。7.根据权利要求6所述的系统，进一步包括在所述安全容器的顶部封头与所述安全壳壳体结构的顶部之间形成的封头空间，所述封头空间形成与到大气的所述通风孔和所述上环形部成流体联通的充气空间。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述安全壳容器的所述中空圆柱形壳具有直径扩大的顶部，所述直径扩大的顶部悬于所述中空圆柱形壳的较小直径部分之上。9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括在所述安全壳容器的周缘周围周向间隔的多个垂直支撑柱，所述支撑柱接合并可操作，以帮助支撑所述安全壳容器的顶部部分。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述安全壳壳体结构的壳具有侧壁，所述侧壁包括大致径向间隔开的内和外同心壳，所述壳具有设置在所述壳之间形成的所述环形空间中的混凝土。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述环形蓄水池的潮湿部分涂敷有或内衬有防腐蚀材料。12.根据权利要求1所述的系统，其中所述安全壳壳体结构包括与所述安全壳容器的顶部封头垂直地间隔开的顶部圆顶。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述安全壳容器的顶部封头具有用于抵抗最大冲击的径向对称的曲线轮廓。14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括附接到所述安全壳容器的圆周形肋，底端联接到所述圆周形肋的所述安全壳容器的传热翅片和肋。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述圆周形肋位于所述基础上。16.一种核反应堆安全壳系统，其包括：安全壳容器，其包括具有外直径的中空圆柱形壳，该安全壳容器配置为用于容纳反应堆容器，该反应堆容器其中包含反应堆芯并且循环第一冷却剂；围绕所述安全壳容器的安全壳壳体结构，并且包括中空圆柱形壳，该中空圆柱形壳具有内直径，该内直径大于所述安全壳容器的所述中空圆柱形壳的所述外直径；混凝土基础，其包括支撑所述安全壳容器的所述中空圆柱形壳的底板以及从形成顶部基础垫的所述板提升的垂直地延伸的侧壁，该基础垫支撑所述安全壳壳体结构，所述安全壳容器的下部分定位在所述混凝土基础的所述侧壁的内侧且位于所述基础垫的下方，所述安全壳容器的上部分从所述基础垫向上延伸；填充水的环形部，其绕着所述安全壳容器的上部分的周缘周向地延伸，且形成于所述基础垫的上方，在所述安全壳容器的所述中空圆柱形壳与所述安全壳壳体结构的所述中空圆柱形壳之间；以及从所述安全壳容器向外突出且位于在所述填充水的环形部中的大致径向的多个翅片；所述翅片设置在所述基础垫的上方的所述安全壳容器的上部分，所述翅片在所述安全壳容器与所述安全壳壳体结构之间延伸；所述翅片在竖直方向上纵向地延伸，并具有一个纵向延伸侧和一个相对的纵向延伸侧，该纵向延伸侧附接在所述安全壳容器壳上，该相对的纵向延伸侧位置邻近所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里希纳·P·辛格，
申请(专利权)人：SMR发明技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US