阅读说明：本技术 一种压力容器顶部双层壳体设计的安全设施配置方案 (Safety facility configuration scheme for pressure vessel top double-layer shell design ) 是由 刘展 杨波 曹克美 王海涛 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种压力容器顶部双层壳体设计的安全设施配置方案,包括安全壳。本发明通过设计一体化反应堆,消除大破口发生的可能性；在压力容器顶部设置第二层压力壳体,将稳压器、主回路管线等布置在双层壳体间,通过有效隔离破口,维持压力边界,有效缓解因小破口对反应堆安全性的挑战,保证反应堆的安全性,并简化系统设计,同时,减小双层压力容器壳体设计带来的不利经济性以及维修的复杂性；通过换料水池与利用主回路换热器与非能动余热排出热交换器之间的自然循环带出设计基准失水与非失水事故下的堆芯释热(两个系列)；通过壳外空气自然对流的方式,对安全壳进行冷却降温、降压,提供无限时冷却。(The invention discloses a safety facility configuration scheme of a double-layer shell design on the top of a pressure vessel, which comprises a containment. The invention eliminates the possibility of large break by designing the integrated reactor; the second layer of pressure shell is arranged at the top of the pressure container, the voltage stabilizer, the main loop pipeline and the like are arranged between the double-layer shells, and the pressure boundary is maintained by effectively isolating the break, so that the challenge to the safety of the reactor caused by a small break is effectively relieved, the safety of the reactor is ensured, the system design is simplified, and the adverse economy and the maintenance complexity caused by the design of the double-layer pressure shell are reduced; the natural circulation between the refueling water pool and the heat exchanger which utilizes the heat of the main loop and the passive residual heat to be discharged brings out the core heat release (two series) under the design basis water loss and non-water loss accidents; the containment is cooled and depressurized in a natural convection mode of air outside the containment, and infinite cooling is provided.)

一种压力容器顶部双层壳体设计的安全设施配置方案

技术领域

本发明涉及核电厂系统和安全技术领域，尤其涉及一种压力容器顶部双层壳体设计的安全设施配置方案。

背景技术

现阶段，为了满足不同应用场景的需求，使得自动化机械设备得以更高程度的普及应用，小型反应堆研发已受到国内外的重点关注，而小型反应堆可以单独或作为一个较大联合体的模块建造，容量可随需求的增长而增加。小型反应堆的应用，安全性和经济性将受到重点的关注，尤其保证反应堆在设计基准失水与非失水事故的安全性。

为提高反应堆安全性，应对核电厂设计基准事故，专设安全设施配置方案的优劣直接决定了反应堆堆型设计的成败。如何采用最优化的专设安全设施配置方案缓解设计基准事故，在保证安全性的前提下简化系统设计，提升经济性，历来是反应堆堆型研发中需要重点关注的内容。在此形势下，一体化设计显示出其独特的优势。本发明基于一体化小型堆的设计思想，提出一种先进的专设安全设施配置方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中难以对核电厂压力容器内反应堆设计基准失水事故与非失水事故进行积极应对的问题，而提出的一种压力容器顶部双层壳体设计的安全设施配置方案。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种压力容器顶部双层壳体设计的安全设施配置方案，包括安全壳，所述安全壳内分别固定设有压力容器与换料水池，且压力容器包括有压力容器第一层壳体与压力容器顶部第二层壳体，所述压力容器第一层壳体与压力容器顶部第二层壳体之间连接有主回路管线，且位于压力容器第一层壳体与压力容器顶部第二层壳体之间的主回路管线上连接有双层壳体间主回路管线隔离阀，且位于压力容器顶部第二层壳体外的主回路管线上连接有壳体外主回路管线隔离阀，所述压力容器第一层壳体与压力容器顶部第二层壳体之间设有稳压器，且稳压器与压力容器第一层壳体之间连接有稳压器波动管，所述压力容器第一层壳体内设有两个或偶数个主回路换热器与一个反应堆堆芯，且换料水池内设有两个系列的非能动余热排出热交换器；各自系列的主回路换热器与同一系列的非能动余热排出热交换器之间分别连接有非能动余热排出热交换器出口管线与非能动余热排出热交换器进口管线，且非能动余热排出热交换器出口管线上连接有非能动余热排出热交换器出口隔离阀。

优选地，所有所述主回路管线都贯穿压力容器顶部第二层壳体的一端与压力容器第一层壳体顶部相连接，且所有壳体外主回路管线隔离阀位于安全壳内，所述主回路管线从压力容器的双层壳体间引出，且双层壳体间的所有主回路管线设有隔离阀，引出压力容器顶部第二层壳体后的主回路管线上亦设有隔离阀。

优选地，所述压力容器采用双层壳体结构，且压力容器顶部第二层壳***于压力容器顶部，所述压力容器第一层壳***于压力容器底部。

优选地，所述非能动余热排出热交换器出口管线两端分别与同一系列的主回路换热器一端及非能动余热排出热交换器一端相连接，且非能动余热排出热交换器进口管线两端分别与同一系列的主回路换热器另一端及非能动余热排出热交换器另一端相连接。

优选地，两个或偶数个所述主回路换热器、非能动余热排出热交换器进口管线、非能动余热排出热交换器与非能动余热排出热交换器出口管线首尾连接形成循环回路结构，共两个系列。

优选地，两个或偶数个所述主回路换热器分别通过各自系列的非能动余热排出热交换器进口管线与非能动余热排出热交换器出口管线与非能动余热排出热交换器相连接。

优选地，所述反应堆堆芯位于主回路换热器下方。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：

1、本发明通过设计一体化反应堆，消除大破口发生的可能性，以提升核反应堆堆芯的安全。

2、本发明通过在压力容器顶部设置第二层压力壳体，将稳压器、主回路管线等布置在双层壳体间，通过有效隔离破口，维持压力边界，有效缓解因设计基准失水与非失水事故对反应堆安全性的挑战，保证反应堆的安全性，并简化系统设计；同时，减小双层压力容器壳体设计带来的不利经济性以及维修的复杂性。

3、本发明通过设计二次侧非能动余热排出系统，利用自然循环带出设计基准失水与非失水事故下的堆芯释热。

4、本发明通过提出安全壳采用空冷设计方案，在主回路换热器与非能动余热排出热交换器之间连接非能动余热排出热交换器进口管线与非能动余热排出热交换器出口管线，以形成循环回路，在换料水池的水蒸发导致安全壳压力升高后，将通过壳外空气自然对流的方式，对安全壳进行冷却降温、降压，实现无限时冷却的目的。

综上所述，本发明通过设计一体化反应堆，减轻设计基准失水与非失水事故对反应堆的影响，降低大破口发生的概率；通过双层壳体的设计、主回路管线系统合理布置的应用，有效隔离破口，维持压力边界，并降低传统双层压力容器壳体设计技术造成的不利经济性以及维修的复杂性；利用主回路换热器与非能动余热排出热交换器之间的循环回路，利用自然循环带出设计基准失水与非失水事故下的堆芯释热；通过壳外空气自然对流的方式，对安全壳进行冷却降温、降压，提供无限时冷却。

附图说明

图1为本发明提出的一种压力容器顶部双层壳体设计的安全设施配置方案的结构示意图。

图中：1安全壳、2主回路管线、3双层壳体间主回路管线隔离阀、4压力容器顶部第二层壳体、5稳压器、6稳压器波动管、7压力容器第一层壳体、8主回路换热器、9反应堆堆芯、10非能动余热排出热交换器出口管线、11非能动余热排出热交换器出口隔离阀、12非能动余热排出热交换器、13换料水池、14非能动余热排出热交换器进口管线、15壳体外主回路管线隔离阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，一种压力容器顶部双层壳体设计的安全设施配置方案，包括安全壳1，安全壳1内分别固定设有压力容器与换料水池13，且压力容器包括有压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4，压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4之间连接有主回路管线2，且位于压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4之间的主回路管线2上连接有双层壳体间主回路管线隔离阀3，且位于压力容器顶部第二层壳体4外的主回路管线2上连接有壳体外主回路管线隔离阀15，值得说明的是：其一，采用该种设计方案可实现主回路管线2部分管线位于压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4之间，有效隔离破口，减少甚至取消设计基准失水事故下的主回路补水；其二，可有效利用压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4，最大限度地通过非能动余排系统对压力容器第一层壳体7或压力容器顶部第二层壳体4内流体实现降温降压，有效缓解设计基准失水事故后果，预计可取消典型堆型中采用低压注射或蓄压注射冷却所增加的设备。

压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4之间设有稳压器5，且稳压器5与压力容器第一层壳体7之间连接有稳压器波动管6，进一步说明：当稳压器波动管6发生破裂，喷放的冷却剂仍被包容在压力容器顶部第二层壳体4内，仍可有效冷却反应堆堆芯9；当压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4间的主回路管线2发生破裂，则在监测到破口事故发生后，快速关闭压力容器顶部第二层壳体4外主回路管线隔离阀15，则冷却剂仍被包容在压力容器顶部第二层壳体4内，通过顶部的压力容器顶部第二层壳体4形成新的压力边界，仍可有效冷却反应堆堆芯9；当压力容器顶部第二层壳体4外主回路管线2发生破裂，则在监测到破口事故发生后，快速关闭双层壳体间主回路管线隔离阀3，则冷却剂被包容在压力容器第一层壳体7内，仍可有效冷却反应堆堆芯9。压力容器第一层壳体7内设有两个或偶数个主回路换热器8与一个反应堆堆芯9，且换料水池13内设有两个系列的非能动余热排出热交换器12。

两个或偶数个主回路换热器8分别与各自系列的非能动余热排出热交换器12之间分别连接有非能动余热排出热交换器出口管线10与非能动余热排出热交换器进口管线14，且非能动余热排出热交换器出口管线10上连接有非能动余热排出热交换器出口隔离阀11。

值得注意的是：设计非能动余热排出系统，即在主回路换热器一端连接非能动余热排出热交换器入口管线14，流体被冷却后经余热排出热交换器出口管线10后再次流入各自系列的主回路换热器8，形成自然循环回路，非能动余热排出热交换器12放置在布置于安全壳内的换料水池13内，在换料水池13的水蒸发导致安全壳1压力升高后，将通过安全壳1外空气自然对流的方式，对安全壳1进行冷却降温、降压，实现无限时冷却作用。

所有主回路管线2都贯穿压力容器顶部第二层壳体4的一端与压力容器第一层壳体7相连接，且所有壳体外主回路管线隔离阀15位于安全壳1内，主回路管线2从压力容器的双层壳体间引出，且双层壳体间的所有主回路管线2设有隔离阀，引出压力容器顶部第二层壳体4后的主回路管线2上亦设有隔离阀，压力容器采用双层壳体结构，且压力容器顶部第二层壳体4位于压力容器顶部，压力容器第一层壳体7位于压力容器底部。

非能动余热排出热交换器出口管线10两端分别与同一系列的主回路换热器8一端及非能动余热排出热交换器12一端相连接，且非能动余热排出热交换器进口管线14两端分别与同一系列的主回路换热器8另一端及非能动余热排出热交换器12另一端相连接。

两个或偶数个主回路换热器8、非能动余热排出热交换器进口管线14、非能动余热排出热交换器12与非能动余热排出热交换器出口管线10首尾连接形成循环回路结构，共两个系列。

两个或偶数个所述主回路换热器8均通过各自系列的非能动余热排出热交换器14进口管线与非能动余热排出热交换器出口管线10与非能动余热排出热交换器12相连接。

反应堆堆芯9位于主回路换热器8下方。

进一步说明：在发生设计基准失水或非失水事故后，反应堆堆芯9的释热均通过非能动余热排出系统传输至换料水池13，换料水池13内的水容量可保证将反应堆堆芯9带至安全稳定状态，在换料水池13的水受热蒸发后，将通过安全壳1外空气自然对流对安全壳1进行持续冷却。

本发明可通过以下操作方式阐述其功能原理：

当位于压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4之间的主回路管线2发生破裂时，在监测到破口发生后，通过人工或相关控制器快速关闭壳体外主回路管线隔离阀15，此时反应堆堆芯9的冷却剂仍被包容在压力容器顶部第二层壳体4内，通过顶部的压力容器顶部第二层壳体4形成新的压力边界，仍可有效冷却反应堆堆芯9；事故后，反应堆堆芯9释热将通过非能动余热排出系统带至换料水池13内；水池容量可保证将反应堆堆芯9带至安全稳定状态，在换料水池13的水受热蒸发后，将通过安全壳1外空气自然对流对安全壳1进行冷却。

当位于压力容器顶部第二层壳体4外的主回路管线2发生破裂时，在监测到破口发生后，相应快速关闭双层壳体间主回路管线隔离阀3，则反应堆堆芯9的冷却剂被包容在压力容器第一层壳体7内，仍可有效冷却反应堆堆芯9；事故后反应堆堆芯9释热将通过非能动余热排出系统带至换料水池13中；换料水池13水容量可保证将反应堆堆芯9带至安全稳定状态，在换料水池13的水受热蒸发后，将通过安全壳1外空气自然对流对安全壳1进行冷却。

当稳压器波动管6发生破裂时，喷放的冷却剂仍被包容在压力容器顶部第二层壳体4内，对反应堆堆芯9仍起缓解作用；该工况下，反应堆堆芯9压力边界并未遭到破坏(属于设计基准非失水事故)。该事故进程与发生于压力容器第一层壳体7与压力容器顶部第二层壳体4间的主回路管线2破口事故类似，事故缓解方式亦相同。

对于其他设计基准非失水事故(任意一层反应堆压力边界均不出现破损，如丧失正常给水故事)的缓解方式与失水事故类似：事故后反应堆堆芯9释热将通过非能动余热排出系统带至换料水池13，实现主回路的降温降压；换料水池13容量可保证将反应堆堆芯9带至安全稳定状态，在换料水池13的水受热蒸发后，将通过安全壳1外空气自然对流对安全壳1进行冷却，实现无限时冷却的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。