一种基于乏燃料水池的安全壳过滤排放装置
阅读说明：本技术 一种基于乏燃料水池的安全壳过滤排放装置 (Containment filtering and discharging device based on spent fuel pool ) 是由 谷海峰 李丽娟 尹威凯 周艳民 于沛 孙中宁 马钎朝 杨敬豪 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于提供一种基于乏燃料水池的安全壳过滤排放装置,包括乏燃料水池、喷嘴组件、套筒组件、外罩组件,喷嘴组件、套筒组件、外罩组件均位于乏燃料水池里,喷嘴组件包括喷嘴法兰、喷嘴,喷嘴固定在喷嘴法兰上,喷嘴法兰上设置阻力孔,套筒组件包括筒体、套筒法兰,筒体中部设置连接翼,外罩组件包括外罩主体,外罩主体下端部设置外罩法兰,套筒法兰与喷嘴法兰相固定,筒体的上端部从外罩主体下端部伸入至外罩主体内部,连接翼连接外罩法兰,喷嘴通过进气管连接安全壳,外罩主体的上端通过排气管连接排气烟筒,安全壳和排气烟筒均位于乏燃料水池之外。本发明能够有效限制压力振荡、抑制升温速率、提高气溶胶过滤效率。(The invention aims to provide a containment filtering and discharging device based on a spent fuel pool, which comprises the spent fuel pool, a nozzle assembly, a sleeve assembly, an outer cover assembly and a nozzle assembly, the sleeve subassembly, the dustcoat subassembly all is located the spent fuel pond, the nozzle subassembly includes the nozzle flange, the nozzle is fixed on the nozzle flange, set up the resistance hole on the nozzle flange, the sleeve subassembly includes the barrel, the sleeve flange, the barrel middle part sets up the connection wing, the dustcoat subassembly includes the dustcoat main part, tip sets up the dustcoat flange under the dustcoat main part, the sleeve flange is fixed mutually with the nozzle flange, the tip stretches into to the dustcoat main part inside under the dustcoat main part is followed to the upper end of barrel, the connection wing connects the dustcoat flange, the nozzle passes through the intake-tube connection containment, the exhaust chimney is connected through the blast pipe in the upper end of dustcoat main part, containment and exhaust chimney all are located outside the spent fuel pond. The invention can effectively limit pressure oscillation, inhibit heating rate and improve aerosol filtering efficiency.)
技术领域
本发明涉及的是一种核安全设施，具体地说是安全壳排放装置。
背景技术
核电厂安全壳是防止放射性物质释放到环境的最后一道安全屏障，也是确保周围环境安全的最后一条防线，而在反应堆发生严重事故后，一回路内高温高压的冷却剂会进入安全壳内导致安全壳内的温度和压力上升，并且可能威胁安全壳的完整性。一旦安全壳完整性被破坏，大量的放射性产物会随气体进入周围环境，造成环境的放射性污染，因此必须采取有效措施消除安全壳的超压风险。目前解决这一问题的主要方式是在核电厂安装过滤排放系统，当安全壳内压力达到一定水平时，利用过滤排放系统通过主动排放的方式降低安全壳内的压力，同时过滤去除排放气体中的放射性物质，消除安全壳的剩余超压风险。
目前的过滤排放装置常分为干式和湿式两大类，例如在专利《对流的干式安全壳过滤排放系统》授权日2019年3月12日，授权号CN 106716547 B中提出了一种干式过滤排放系统，该系统利用金属纤维和分子筛对放射性气体进行过滤；而湿式过滤装置采用水洗方式去除排放气体中的放射性物质，如专利《双堆核电厂安全壳过滤排放系统》公开日2012年10月3日，公开号CN 102708932A。当前核电厂常用湿式和干式过滤器串联的方式进行过滤排放，这样的设计方案较为成熟可以有效去除其中的放射性物质，例如中国专利申请文本《一种安全壳过滤排放系统》公开日2012年10月10日，公开号CN 102723114 A和《一种内置式安全壳过滤排放系统》授权2020年4月7日，授权号CN 108492892 B。与此同时为了节省过滤排放装置的空间体积，有学者提出了结构更为紧凑的一体式过滤排放装置，例如《一体式安全壳过滤排放系统》授权日2019年06月14日，授权号CN 107240425 B。虽然过滤排放系统发展已经逐步成熟，但是现有的过滤排放装置结构复杂且在核电厂建造时需要留有相应的空间，这就增加了核电站的建造与维护成本与核电利用的经济性相违背。因此为了简化系统设计提高经济性，有学者提出利用现有水体积作为排放热阱，通过将安全壳内的气体排入现有水体，依靠现有热阱进行水洗过滤去除排放气体中的放射性物质实现过滤排放功能。这样一方面可以实现过滤排放功能降低安全壳内压力消除其中的放射性物质，另一方面可以实现设备共用节省核电厂的空间减轻系统设备负担。基于该理念有学者针对小型船用反应堆提出过滤排放装置的设计方案，如专利《一种基于水上小型堆的安全壳过滤排放系统》授权日2019年7月30日，授权公告号CN 108154939 B，该方案指出在船上的密封隔间内安装文丘里喷嘴，将其作为水洗过滤的容器进而在密封隔间内去除气体中的放射性物质。
针对陆上核电站而言，利用现有水体积进行水洗过滤去除其中的放射性物质也是合理的排放方案。参与陆上核电站过滤的水体积需要具备以下特点：1.巨大的储能和放射性吸收能力来实现放射性物质的滞留；2.一定的液位深度保证充足的过滤效率。根据以上要求，现有核电站水体积中乏燃料水池成为符合相应的技术特点的最佳选择。但现有过滤排放方案并不适用在乏燃料水池直接排放，因为如果直接将文丘里喷嘴安装在乏燃料水池内，则排放过程中的压力振荡、温度变化等热工行为可能会给乏池造成影响，最终导致水池内的热工特性超过其安全限值，影响乏燃料水池的安全特性。
发明内容
本发明的目的在于提供可以在乏燃料水池内进行过滤排放有效去除其中的放射性物质，并且维持乏燃料水池内的热工水力状态相对恒定的一种基于乏燃料水池的安全壳过滤排放装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于乏燃料水池的安全壳过滤排放装置，其特征是：包括乏燃料水池、喷嘴组件、套筒组件、外罩组件，喷嘴组件、套筒组件、外罩组件均位于乏燃料水池里，喷嘴组件包括喷嘴法兰、喷嘴，喷嘴固定在喷嘴法兰上，喷嘴法兰上设置阻力孔，套筒组件包括筒体、套筒法兰，筒体中部设置连接翼，外罩组件包括外罩主体，外罩主体下端部设置外罩法兰，套筒法兰与喷嘴法兰相固定，筒体的上端部从外罩主体下端部伸入至外罩主体内部，连接翼连接外罩法兰，喷嘴通过进气管连接安全壳，外罩主体的上端通过排气管连接排气烟筒，安全壳和排气烟筒均位于乏燃料水池之外。
本发明还可以包括：
1、连接翼和外罩法兰均位于乏燃料水池的液面之下。
2、筒体上端的外罩主体内部设置折流板汽水分离器和金属纤维过滤层。
3、进气管上设置有隔离阀。
本发明的优势在于：
1、有效限制压力振荡。由于射流在套筒内进行，所以在过滤过程中形成的压力振荡将被限制在套筒内进而防止压力振荡向周围传播，避免射流过程对乏燃料组件造成冲击或共振。
2、抑制升温速率。乏燃料水池升温的来源是溢流循环出的高温溶液，该装置通过喷嘴组件的阻力孔合理限制引射速度进而控制液相的循环速度，最终将乏燃料水池的温度限制在合理范围。
3、提高气溶胶过滤效率。由于排放过程中套筒内气溶胶悬浊液的有效置换，套筒内的气溶胶悬浊液浓度被源源不断地稀释进入体积巨大的乏池，套筒内气溶胶悬浊液维持低浓度水平从而有效提高气溶胶的过滤效率。
4、气相收集并向厂外释放。通过顶部外罩设计，外罩插入水体利用液封的方式将过滤后的气体进行收集并向厂外排放。相比过滤后直接排入乏燃料厂房，造成厂房内温度剧烈升高以及厂房内放射性聚集，顶部外罩设计可以有效控制厂房内温度和放射性水平。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为喷嘴组件示意图；
图3为套筒组件示意图；
图4为外罩组件示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，本发明提供一种基于乏燃料水池的安全壳过滤排放装置，该装置由乏燃料水池2、喷嘴组件3、套筒组件4和外罩组件5通过法兰依次连接而成。所述喷嘴组件3的连接法兰3.3与套筒组件4的底部法兰4.1采用螺栓相连，外罩组件5的连接法兰5.1与套筒组件4的连接翼4.3通过螺栓连接，这样喷嘴组件3、套筒组件4和外罩组件5就连成一个整体。该装置的工作过程是这样的：当安全壳1内压力达到排放限值后，安全壳1与过滤排放装置连接管道上的隔离阀7打开，其中的放射性气体将排放到本装置的进气口，在喷嘴3.1出口形成射流进行水洗过滤。在这一过程中射流使得套筒的液位上升并溢出套筒，同时射流引射作用将乏燃料水池2内的水体从喷嘴组件3底部引射进入套筒实现套筒内溢流的补充，将套筒内由于过滤形成的高浓度气溶胶悬浊液有效稀释。外罩固定在套筒顶部并且插入水体一定深度实现液封，保证液封能够克服气体流经汽水分离器5.3和金属纤维层5.4的阻力。最终收集后的气体经过排放烟囱6向厂外释放。
所述喷嘴组件3由喷嘴3.1、阻力孔3.2和连接法兰3.3组成。喷嘴3.1与法兰3.3焊接在一起并与排放气体进口相连，法兰3.3上加工合适尺寸的贯穿孔作为液相流动的阻力孔3.2。阻力孔3.2需要满足以下要求：在合理的引入流量下，平衡外部水体静压和套筒内两相流动压降间的压差。
所述套筒组件4由连接法兰4.1、筒体4.2和连接翼4.3组成。套筒为一不锈钢筒体结构，连接法兰焊接在套筒底部，连接翼焊接在套筒中段。
所述外罩组件5由连接法兰5.1、外罩主体5.2、折流板汽水分离器5.3和金属纤维过滤层5.4组成。外罩主体由不锈钢圆筒和半球壳焊接而成，底部焊接连接法兰，顶部焊接连接管。
连接方式是这样的：套筒组件的连接法兰4.1和连接翼4.3分别与喷嘴组件的连接法兰3.3和外罩组件的连接法兰5.1通过螺栓连接，并且连接处放置密封垫密封，最终使得各组件依次相接。
实验装置的基本原理如下：过滤过程中混合气体由安全壳1经管道进入喷嘴组件，在喷嘴出口的稳定射流下进行水洗过滤，过滤后的气体经外罩组件收集后排入排放烟囱6。过滤时气体在套筒内进行稳定射流可以有效去除气体中携带的放射性碘和气溶胶，整个射流在套筒内进行则射流引发的压力振荡将限制在套筒内从而抑制压力振荡向乏池环境的传播。在过滤开始时套筒内液位升高并溢出套筒，同时气体在喷嘴出口处射流形成引射作用将外部水体由喷嘴组件底部阻力孔3.2吸入套筒补充溢流损失，这一过程可以有效实现套筒内的溶液置换，将套筒内由于过滤形成的高浓度气溶胶悬浊液与乏池内水体进行置换，降低套筒内的气溶胶浓度进而提高气溶胶的过滤效率，同时阻力孔可以有效控制射流的引射量，保证引射的过冷水既可以有效吸收混合气体的潜热又能以合理的速度置换出热水最终将水池温度限制在合理范围。位于装置顶部的外罩浸没在水面以下，起到液封作用收集气体防止气体直接进入乏燃料厂房，同时由于过滤后的气体会对液滴有一定的夹带作用，为防止带有放射性的液滴进入环境，套筒出口距外罩出口有一定的距离，利用重力原理实现气液分离，而夹带的小液滴则通过汽水分离器5.3进一步分离过滤，水洗过滤后粒径更小的气溶胶将经金属纤维过滤层5.4进一步过滤去除，最终过滤后的气体经管道排往排放烟囱6，最终实现过滤排放系统的厂外排放。
如图2所示，喷嘴组件3包括喷嘴3.1、阻力孔3.2和连接法兰3.3组成。喷嘴3.1与法兰焊接在一起与底部进气口相连，用于将气体通入套筒内；阻力孔3.2是在法兰上加工的小孔直接与水池相通，作用是在射流过程中控制引射进入套筒的液相体积，控制套筒内液相的循环速度；连接法兰3.3用于将喷嘴组件与套筒组件相连接。
同时喷嘴组件的阻力孔3.2应合理设计。在理想的置换状态下，从排放装置底部引射的液相体积等于从套筒顶部溢流的体积，因此为了控制乏池升温速度限制高温液相的溢流并且保证套筒内足够的稀释速度，在设计阻力孔时应考虑乏燃料水池的水装量和安全壳内高温高压气体的排放量之间的关系，通过阻力孔的设计维持合理的乏池温度且保证较高的稀释速度。
如图3所示，套筒组件2包括连接法兰4.1、筒体4.2和连接翼4.3组成。连接法兰与套筒的筒体底部焊接在一起，作用是与喷嘴组件1通过螺栓相连；套筒的筒体作用是将射流与乏燃料水池相隔离，把压力振荡限制在套筒内部，并且合理设置喷嘴与套筒尺寸保证排放过程中套筒内处于稳定的射流环境提高水洗过滤效率；连接翼焊接在套筒的筒体中部，其中连接翼的螺栓孔用于与外罩组件相连。
同时套筒的筒体4.2应确定合适的尺寸。套筒组件的套筒尺寸需进行合理控制选择，保证在排放压力下套筒内可以实现放射性物质的有效去除。套筒直径是一重要参量，若选择套筒直径过小则排放过程中排放气体可能直接击穿液相环境，导致排放装置直接丧失过滤效率；若套筒尺寸选择过大则该过滤装置占据更大的体积不利于排放装置的布置，因此套筒直径的选择尤为重要。同时套筒的高度也是一重要参量，若套筒高度过高则在排放过程中溢流不能实现，也就无法形成有效的液相置换；若套筒高度过低则排放时也存在气相直接击穿液相环境的风险，最终导致放射性物质的不能有效过滤，因此套筒高度选择也十分重要。
如图4所示，外罩组件5包括连接法兰5.1、外罩主体5.2、折流板汽水分离器5.3和金属纤维过滤层5.4组成。连接法兰焊接在外罩主体底部，通过法兰上的螺纹孔与套筒组件的连接翼4.3相连；外罩主体作用是对过滤后的气体进行汽水分离并收集气体向厂外环境释放，安装时外罩下部插入水体一定深度保证水封能够克服汽水分离器以及出口管道的流动阻力，即利用液封方式防止过滤后的气体直接向乏燃料厂房释放。套筒出口距离外罩出口有一定距离且套筒直径较大，所以气体过滤后夹带的液滴大部分将落回乏池内，同时筒体内安装的汽水分离器将对气体中夹带的液滴进一步去除；过滤后的气体经金属纤维过滤层进一步过滤，除去过滤后气流夹带的粒径较小的放射性气溶胶；连接管焊接在外罩主体顶部，通过连接管将外罩收集的气体排放至厂外，防止放射性气体在乏燃料厂房内的聚集。
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