本實(shí)用新型涉及核電技術(shù)，具體地指一種地下核電站安全殼潛熱式冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

地下核電站將核島等涉核廠房置于地下，利用地下巖體的防護(hù)、包容作用，限制潛在的放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放，提高了核電站安全性，為我國(guó)核電安全發(fā)展提供了新思路。

在核電站嚴(yán)重事故中，堆芯熔融物噴出壓力容器，迅速加熱安全殼內(nèi)大氣，同時(shí)由于高溫冷卻劑的蒸發(fā)，在安全殼內(nèi)形成高溫、高壓的大氣環(huán)境。此時(shí)，為防止安全殼完整性失效，必須及時(shí)導(dǎo)出安全殼內(nèi)的熱量。目前安全殼熱量的導(dǎo)出都是通過換熱器內(nèi)冷卻水的升溫吸熱過程帶出安全殼熱量。但這種導(dǎo)熱方式均存在換熱效率低，特別是安全殼內(nèi)熱量排向換熱器時(shí)效率低下的問題。如中國(guó)專利：非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(申請(qǐng)?zhí)枺篊N201310328514.5)利用設(shè)置在堆坑內(nèi)的蒸發(fā)器導(dǎo)出安全殼內(nèi)熱量，但這種冷卻方式只在蒸發(fā)器附近有較高的冷卻效率，安全殼熱量必須先傳至蒸發(fā)器附近后才能進(jìn)一步被導(dǎo)出；中國(guó)專利：一種非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)及方法(申請(qǐng)?zhí)枺篊N201210088007.4)利用外置冷凝水箱內(nèi)的冷凝換熱器導(dǎo)出安全殼熱量，這種冷凝方式為開式循環(huán)，會(huì)不斷消耗冷凝水，且需要不斷向外界排放不凝結(jié)氣體，存在放射性物質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。中國(guó)專利：大容量完全非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(申請(qǐng)?zhí)枺篊N200910226276.0)利用安全殼表面冷卻水的蒸發(fā)導(dǎo)出安全殼熱量，這種冷卻方式也為開式循環(huán)，必須消耗冷卻水，同時(shí)，其換熱面積為鋼制安全殼外表面，安全殼內(nèi)熱量必須先傳至鋼制安全殼后再由外表面冷卻水導(dǎo)出，冷卻效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有背景技術(shù)的不足之處，結(jié)合地下核電站的特點(diǎn)，提出一種地下核電站安全殼潛熱式冷卻系統(tǒng)，既可利用冷卻水的相變潛熱，高效、迅速排出安全殼熱量，又可形成閉式循環(huán)實(shí)現(xiàn)安全殼的長(zhǎng)期冷卻。

本實(shí)用新型一種地下核電站安全殼潛熱式冷卻系統(tǒng)，包括位于地面上的地面水池和位于地下巖層內(nèi)的安全殼及冷凝洞室，其特殊之處在于，所述安全殼的外層設(shè)置有巖體改造層，所述安全殼內(nèi)腔上部設(shè)置有吸氣支管，下部設(shè)置有霧化噴嘴和干冷氣分流支管，所述霧化噴嘴布置在壓力容器的側(cè)壁和底部，所述干冷氣分流支管位于霧化噴嘴下方；所述冷凝洞室內(nèi)設(shè)置冷凝熱交換器，所述冷凝熱交換器進(jìn)氣口與吸氣支管相連，排氣口與干冷氣分流支管相連。

進(jìn)一步地，所述冷凝熱交換器的進(jìn)水口與外部熱阱和地面水池連接，所述外部熱阱是冷凍水系統(tǒng)或廠用水系統(tǒng)，或兩者結(jié)合一用一備

更進(jìn)一步地，所述冷凝熱交換器的進(jìn)氣口通過數(shù)控氣泵與吸氣支管相連。數(shù)控氣泵可以將位于安全殼上部的濕熱空氣抽吸至冷凝熱交換器中冷卻分離為干冷氣和凝結(jié)水，循環(huán)使用。

更進(jìn)一步地，所述冷凝熱交換器排氣口連接第一汽水分離器進(jìn)口，所述第一汽水分離器排氣口通過干冷氣管與安全殼內(nèi)的干冷氣分流支管相連。第一汽水分離器分離出的干冷空氣進(jìn)入冷氣分流支管，分理處的少量凝結(jié)水經(jīng)第二汽水分離器最終通過霧化噴嘴噴出。

更進(jìn)一步地，所述冷凝熱交換器排水口連接第二汽水分離器進(jìn)口，所述第二汽水分離器排水口與高效過濾器的輸入端相連，所述高效過濾器輸出端通過霧化水管與安全殼內(nèi)的霧化噴嘴連接。高效過濾器有限過濾排水中顆粒性雜質(zhì)，防止堵塞霧化噴嘴。

更進(jìn)一步地，所述第一汽水分離器排水口經(jīng)過第二逆止閥與第二汽水分離器進(jìn)口相連，所述第二汽水分離器排氣口經(jīng)過第一逆止閥與第一汽水分離器進(jìn)口相連。

更進(jìn)一步地，所述高效過濾器的輸入端還與位于高效過濾器上游的霧化補(bǔ)水箱通過補(bǔ)水隔離閥相連，霧化補(bǔ)水箱可為霧化水損失提供有限補(bǔ)充，并在事故初期提供循環(huán)水。

更進(jìn)一步地，所述冷凝洞室標(biāo)高高于安全殼，為安全殼內(nèi)霧化噴嘴提供足夠壓差水頭，如高差至少為50m。

更進(jìn)一步地，所述霧化噴嘴噴出水滴直徑在0.1微米至10微米之間，使其表面積增加約49000倍，顯著提高熱交換能力。

更進(jìn)一步地，所述霧化水管穿過安全殼的部分設(shè)置為下沉段，所述下沉段的標(biāo)高低于霧化水管其他部分的標(biāo)高，為安全殼提供一定的液封，兩者標(biāo)高差至少為10cm。

本實(shí)用新型的有益效果如下：本實(shí)用新型將冷卻液水霧化成微小霧粒，使冷卻液與空氣的接觸面積急劇增大，增加換熱能力，并利用小霧粒的蒸發(fā)潛熱，迅速高效地帶走安全殼內(nèi)熱量。同時(shí)利用冷凝洞室內(nèi)的冷凝熱交換器冷凝安全殼內(nèi)大氣并導(dǎo)出熱量，實(shí)現(xiàn)安全殼的長(zhǎng)期閉式循環(huán)冷卻。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)包括：

1、散熱迅速，常規(guī)手段中采用換熱器直接換熱，安全殼內(nèi)大氣必須先傳至換熱器內(nèi)才可進(jìn)一步散熱，本實(shí)用新型在安全殼內(nèi)直接利用大量水霧增加散熱面，可迅速帶走安全殼內(nèi)大范圍內(nèi)的熱量。

2、換熱效率高，利用水霧的汽化過程吸熱，而非常規(guī)的水升溫吸熱，效率更高。一般地，使水在其沸點(diǎn)蒸發(fā)所需要的熱量五倍于把等量水從1℃加熱到100℃所需要的熱量，伍佰倍于等量水溫度升高1℃吸收的熱量。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型一種地下核電站安全殼潛熱式冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為冷凝水霧化后霧化微粒表面積與霧化前表面積之比；

圖3為吸收同等熱量所需霧化水量與常規(guī)換熱所需水量之比(％)；

圖中：1、地下巖層；2、巖體改造層；3、冷凝洞室；4、壓力容器；5、地面水池；6、外部熱阱；7、第一汽水分離器；8、第二汽水分離器；9、冷凝熱交換器；10、第一逆止閥；11、第二逆止閥；12、高效過濾器；13、數(shù)控氣泵；14、吸氣隔離閥；15、吸氣支管；16、霧化水隔離閥；17、干冷氣隔離閥；18、霧化噴嘴；19、干冷氣分流支管；20、吸氣管；21、霧化水管；22、干冷氣管；23、補(bǔ)水隔離閥；24、霧化補(bǔ)水箱；25、安全殼。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但該實(shí)施例不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

本實(shí)用新型一種地下核電站安全殼潛熱式冷卻系統(tǒng)如圖1所示，包括位于地面上的地面水池5和位于地下巖層1內(nèi)的安全殼及冷凝洞室3。安全殼外層為巖體改造層2。安全殼25內(nèi)腔上部設(shè)置有吸氣支管15，下部設(shè)置有霧化噴嘴18和干冷氣分流支管19。

冷凝洞室3內(nèi)設(shè)置冷凝熱交換器9，冷凝熱交換器9的冷卻水管與外部熱阱6和地面水池5連接，外部熱阱6可以是冷凍水系統(tǒng)或廠用水系統(tǒng)。冷凝熱交換器9進(jìn)氣口連接數(shù)控氣泵13的輸出端，數(shù)控氣泵13輸入端通過吸氣管20與位于安全殼25頂部的吸氣支管15相連，數(shù)控氣泵13通過廠用電供電，多路備用電池備用。冷凝熱交換器9的排氣口連接第一汽水分離器7進(jìn)口，第一汽水分離器7的排氣口通過干冷氣管22與安全殼25內(nèi)的干冷氣分流支管19相連；冷凝熱交換器9的排水口連接第二汽水分離器8進(jìn)口，第二汽水分離器8的排水口與高效過濾器12的輸入端相連，高效過濾器12輸出端通過霧化水管21與安全殼25內(nèi)的霧化噴嘴18連接；第一汽水分離器7的排水口經(jīng)過第二逆止閥11與第二汽水分離器8進(jìn)口相連，第二汽水分離器8的排氣口經(jīng)過第一逆止閥10與第一汽水分離器7進(jìn)口相連。高效過濾器12的輸入端還與位于高效過濾器12上游的霧化補(bǔ)水箱24通過補(bǔ)水隔離閥23相連。

安全殼25頂部吸氣管20上設(shè)置吸氣隔離閥14，安全殼25內(nèi)干冷氣管22上設(shè)置有冷氣隔離閥17，安全殼內(nèi)霧化水管21上設(shè)置霧化水隔離閥16。

冷凝洞室3的標(biāo)高高于安全殼25，為安全殼25內(nèi)霧化噴嘴18提供足夠壓差水頭，高差至少為50m。霧化噴嘴18噴出水滴直徑在0.1微米至10微米之間。霧化水管21穿過安全殼25的部分設(shè)置為下沉段21-1，下沉段21-1的標(biāo)高低于霧化水管21其他部分的標(biāo)高，為安全殼2提供一定的液封，兩者標(biāo)高差至少為10cm。霧化噴嘴18布置在安全殼底部和側(cè)壁，在安全殼內(nèi)的熱源處增加霧化噴嘴18布置，如壓力容器4周邊等熱源處。干冷氣分流支管19可與霧化噴嘴18一同布置，且干冷氣分流支管19出口處位置低于霧化噴嘴18。

嚴(yán)重事故時(shí)，安全殼25內(nèi)溫度升高。冷凝洞室3內(nèi)的霧化補(bǔ)水箱24經(jīng)補(bǔ)水隔離閥23向霧化水管21注水，并同步啟動(dòng)數(shù)控氣泵13，在重力勢(shì)差及數(shù)控氣泵13驅(qū)動(dòng)加壓下，冷卻水經(jīng)霧化噴嘴18在安全殼25底部被霧化成直徑0.1微米至10微米的細(xì)小水霧。此時(shí)冷卻液和安全殼25大氣的接觸面積成百上萬倍地急劇增加(如圖3)，霧化微粒溫度迅速升高，帶走安全殼25大氣的熱量，同時(shí)，由于霧化微粒小，表面積大，大量霧化微粒蒸發(fā)，通過霧化微粒的巨大汽化潛熱進(jìn)一步帶走安全殼大量熱量(如圖2所示)。此時(shí)，安全殼25底部的濕空氣密度減小，在密度差作用下上浮至吸氣管支管15附近，在數(shù)控氣泵13的抽吸作用下經(jīng)吸氣管20被抽吸至冷凝洞室4中的冷凝熱交換器9內(nèi)，濕空氣在冷凝熱交換器9內(nèi)被外部熱阱6或地面水池5冷卻降溫，濕空氣露點(diǎn)降低，形成的凝結(jié)水排向第二汽水分離器8，形成的冷空氣排向第一汽水分離器7。

第二汽水分離器8內(nèi)的凝結(jié)水經(jīng)汽水分離后，凝結(jié)水經(jīng)高效過濾器12由霧化水管21輸送至安全殼25內(nèi)的霧化噴嘴18處?kù)F化，繼續(xù)下一輪吸熱過程；第二汽水分離器8分離的少量干空氣經(jīng)第一逆止閥10排至第一汽水分離器7。

第一汽水分離器7內(nèi)的冷空氣經(jīng)汽水分離后，分離出的干冷空氣經(jīng)干冷氣管22排向安全殼，由干冷氣分流支管19分配到安全殼25內(nèi)不同區(qū)域，干冷空氣的注入可增加安全殼的排熱，并能降低空氣濕度，加強(qiáng)霧化微粒的換熱；第一汽水分離器7分離的少量凝結(jié)水經(jīng)第二逆止閥11排至第二汽水分離器8。

此時(shí)，在安全殼底部，干冷空氣由干冷氣分流支管19噴至安全殼25內(nèi)底部，凝結(jié)水由霧化噴嘴18霧化成霧化微粒，干冷空氣和霧化微粒吸收熱量，完成安全殼排熱的一次閉式循環(huán)。

在上述技術(shù)方案中，冷凝水被霧化成直徑0.1微米至10微米的細(xì)小水霧，以水霧直徑10微米保守計(jì)算，其表面增加如圖2所示。以AP1000核電站非能動(dòng)余熱排出熱交換器為例，其冷卻水流量約62kg/s，若等流量的冷卻水全部霧化成直徑10微米的微粒，其表面積增加約49000倍，熱交換能力可顯著提高。另一方面，以上述AP1000核電站為例，其熱量交換是以冷卻水的溫差達(dá)到熱交換目的，而本實(shí)用新型采用溫差吸熱和蒸發(fā)潛熱吸熱結(jié)合的方式，其效率更高。為吸收同等熱量所需霧化水量與常規(guī)換熱所需水量之比如圖3所示。以典型嚴(yán)重事故工況為例，安全殼內(nèi)溫度達(dá)150℃時(shí)，所需霧化水量?jī)H為常規(guī)手段的15％。

其它未詳細(xì)說明的部分均為現(xiàn)有技術(shù)。本實(shí)用新型并不嚴(yán)格地局限于上述實(shí)施例。