專利名稱:基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導出系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于核電站設備安全技術領域：
，特別涉及一種基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導出系統(tǒng)。具體說，是在沸水堆失去廠外電源堆芯無法得到及時冷卻的情況下，利用具有強化換熱特性的納米流體作為冷卻劑，通過自然循環(huán)回路系統(tǒng)，以實現對沸水堆堆芯的非能動自然排熱功能。在發(fā)生失去廠外電源時，系統(tǒng)的運行執(zhí)行冷卻堆芯的功能，且采用納米流體可有效增強冷卻效果，防止放射性物質排放，推遲堆芯熔化時機，以達到保護公眾和環(huán)境的目的。
背景技術：
日本福島核電站反應堆在地震、海嘯發(fā)生后自動停轉，但是地震導致反應堆機組的主泵無法工作，未能為反應堆提供冷卻水循環(huán)，致使多個反應堆容器內的冷卻水溫、壓力上升，反應堆容器內的水位下降導致堆芯裸露出現核泄漏危險。因而，在沸水堆失去廠外電源堆芯無法得到及時冷卻的情況下，尋求一種能夠快速直接換熱手段實現對堆芯余熱的傳遞，對于防止嚴重事故的發(fā)展及放射性釋放等關鍵要素的控制具有至關重要的意義。
通過擴展表面如微通道及肋片等的傳統(tǒng)強化換熱設計方式受傳熱工質傳熱能力及系統(tǒng)功率的限制。1995年，美國Argorme國家實驗室Choi等人提出添加納米顆粒到換熱工質中制備出新型換熱工質“納米流體”。由于固體顆粒的導熱系數遠大于液體，導致納米流體的導熱系數和對流換熱性能大大提高，且已有研究表明納米流體能夠顯著增強沸騰換熱。加入非常少量的納米顆粒的流體，其臨界熱流密度有明顯提高，突破了傳統(tǒng)強化換熱方式傳熱能力受限所帶來的技術瓶頸。另外，納米粒子的加入不會引起附加的阻力損失，且納米流體具有減小泵功率，大幅度降低流體輸送功耗的優(yōu)點。因此，基于納米流體特性設計出沸水堆非能動余熱導出系統(tǒng)建立有效快速排除堆芯熱量的系統(tǒng)，是緩解嚴重事故發(fā)展和保護環(huán)境免遭污染的新型有效手段。在安全方面，這種新技術的應用將提高反應堆的安全性。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有技術的不足而提出一種基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導出系統(tǒng)，其特征在于，所述的基于納米流體特性的非能動堆芯冷卻系統(tǒng)是在反應堆安全殼15頂部安裝水箱5，水箱5通過第二三通閥門4、第一三通閥門3分別與反應堆堆芯6壓力容器的進管7及出管8相接，第二三通閥門4、第一三通閥門3通過閥門控制器2連接廠用電源1 ；其中進管7及出管8還分別通過第二二通閥門13、第一二通閥門 12與汽輪發(fā)電機14連接；在水箱5頂部設置安全閥10，水箱5的側面配置散熱肋片11和第三二通閥門9。在水箱5中納米流體將熱量釋放給溫度較低的納米流體及環(huán)境，使得密度減小，降溫后的納米流體沿著進管7通過第二三通閥門4下降，兩個管道間納米流體由于存在密度差，使得形成自然循環(huán)回路，帶出反應堆堆芯的熱量；當回路中的壓力超過SMI^a時， 安全閥10打開，以防止水箱5超壓。該系統(tǒng)能夠實現沸水堆在失去廠外電源情況下堆芯的及時冷卻，保證反應堆安全運行。[0005]所述閥門控制器2是一種智能開關，當廠電源1斷電時，閥門控制器2動作，自動
開啟第一三通閥門3和第二三通閥門4。
所述水箱5中的納米流體是一種具有導熱系數高、換熱性好的新型傳熱工質，其粘性系數小，流體輸送功耗小的流體，使自然循環(huán)回路具有很好的啟動特性，最大程度的帶走堆芯內的熱量，且沸騰換熱中納米流體的臨界熱流密度大幅提高。
所述納米流體由傳熱基液-水和強化相納米顆粒-Cu組成，采用在水介質中添加 2. 0%體積比的Cu納米顆粒制備的Cu-水納米流體，其對流換熱系數比水增大39%。
本發(fā)明與現有技術相比，具有以下突出優(yōu)點及效果本發(fā)明提出的基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導出系統(tǒng)，是一種利用閥門控制器，水箱，循環(huán)管道及閥門等組成的系統(tǒng)，實現在發(fā)生廠用電源不可用的情況下，利用納米流體較強的換熱特性以及較小的粘性系數，以較強的自然循環(huán)能力實現沸水堆內熱量的導出。該系統(tǒng)流程簡單、安裝便捷、具有非能動性、高效傳熱、性能可靠的特點。在核電站嚴重事故下，具有高效排熱，保證堆芯有效冷卻。
圖1為基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導出系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導出系統(tǒng)。下面結合附圖對本發(fā)明的具體結構、工作過程作進一步說明。圖1中，冷卻系統(tǒng)是在反應堆安全殼15 頂部安裝水箱5，水箱5通過第二三通閥門4、第一三通閥門3分別與反應堆堆芯6壓力容器的進管7及出管8相接，第二三通閥門4、第一三通閥門3通過閥門控制器2連接廠用電源1 ；其中進管7及出管8還分別通過第二二通閥門13、第一二通閥門12與汽輪發(fā)電機14 連接；在水箱5頂部設置安全閥10，水箱5的側面配置散熱肋片11和第三二通閥門9。
在廠用電源1失效的情況下，具有智能開關特性的閥門控制器2動作，自動開啟第一三通閥門3和第二三通閥門4，水箱5內裝有納米流體，其上部充有壓力為7. OMPa的惰性氣體，形成閉合回路。由于水箱5內裝有與壓力容器6內相同壓力的惰性氣體，回路中壓力平衡。在建立起的回路中，納米流體吸收堆芯內的熱量后通過出管8進入水箱5，并在水箱 5內通過其外部的肋片11與外界環(huán)境進行換熱；然后低溫的納米流體依次由進管7進入壓力容器6。進管7與出管8內的納米流體溫度不同，存在密度差，由此形成自然循環(huán)回路。 在發(fā)生事故后，納米流體吸收反應堆堆芯6釋放的大量熱量，并受熱蒸發(fā)、膨脹，密度減小， 產生的蒸汽通過出管8，經過第一三通閥門3向上進入水箱5，在水箱5中納米流體將熱量釋放給溫度較低的納米流體及環(huán)境，使得密度減小，降溫后的納米流體沿著進管7通過第二三通閥門4下降，兩個管道間納米流體由于存在密度差，使得形成自然循環(huán)回路，帶出反應堆堆芯的熱量。水箱5外側帶有肋片11與空氣進行自然對流換熱，將熱量傳遞到大氣中。 第三二通閥門9給水箱5進行充、放水。當回路中的壓力超過SMPa時，安全閥10打開，以防止水箱5超壓。該系統(tǒng)能夠實現沸水堆在失去廠外電源情況下堆芯的及時冷卻，保證反應堆安全運行。該系統(tǒng)采用納米流體可有效增強冷卻效果及增強自然循環(huán)能力，實現防止放射性物質排放，以達到保護公眾和環(huán)境的目的。[0012]所述水箱5中的納米流體是一種具有導熱系數高、換熱性好的新型傳熱工質，其粘性系數小，流體輸送功耗小的流體，納米流體在增強換熱方面與傳統(tǒng)換熱介質相比具有優(yōu)良的特性，且能夠顯著的增強沸騰換熱，用于非能動自然循環(huán)技術中能夠提高非能動自然循環(huán)能力且對熱源溫度響應快，使非能動自然循環(huán)排熱系統(tǒng)啟動性能好；另一方面，納米流體具有減小泵功率，大幅度降低流體輸送功耗的優(yōu)點，同樣能夠提高回路的自然循環(huán)能力。因此自然循環(huán)回路中納米流體的采用可以較大程度的導出堆芯內的熱量。
所述基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導出系統(tǒng)的核心是納米流體，納米流體由傳熱基液-水和強化相納米顆粒-Cu組成，采用在水介質中添加2. 0%體積比的Cu納米顆粒制備的Cu-水納米流體，其對流換熱系數比水增大39%。納米流體的均勻穩(wěn)定性能對于其強化換熱作用的發(fā)揮至關重要，因此采用加入PH調節(jié)劑和分散劑的方法來提高 Cu-水納米流體的分散性及穩(wěn)定性。對于Cu-水納米流體，在保證換熱性能的基礎上，采用分析純鹽酸做PH調節(jié)劑使Cu-水納米流體pH = 9. 5 ；十二烷基苯磺酸鈉做分散劑，且在 Cu-水納米流體中十二烷基苯磺酸鈉濃度為0. 07%，由此保證Cu-水納米流體的分散性及穩(wěn)定性。
權利要求
1.一種基于納米流體特性的沸水堆事故下非能動余熱導出系統(tǒng)，其特征在于，所述的基于納米流體特性的非能動堆芯冷卻系統(tǒng)是在反應堆安全殼(15頂部安裝水箱(5)，水箱 (5)通過第二三通閥門G)、第一三通閥門(3)分)別與反應堆堆芯(6)壓力容器的進管 (7)及出管(8)相接，第二三通閥門(4、第一三通閥門( 通過閥門控制器( 連接廠用電源⑴；其中進管⑵及出管⑶還分別通過第二二通閥門(13)、第一二通閥門(12)與汽輪發(fā)電機(14)連接；在水箱( 頂部設置安全閥(10)，水箱( 的側面配置散熱肋片(11) 和第三二通閥門(9)；在水箱( 中納米流體將熱量釋放給溫度較低的納米流體及環(huán)境，使得密度減小，降溫后的納米流體沿著進管(7)通過第二三通閥門(4)下降，兩個管道間納米流體由于存在密度差，使得形成自然循環(huán)回路，帶出反應堆堆芯的熱量；當回路中的壓力超過SMI^a時，安全閥(10)打開，以防止水箱(5)超壓。該系統(tǒng)能夠實現沸水堆在失去廠外電源情況下堆芯的及時冷卻，保證反應堆安全運行。
2.根據權利要求
1所述基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導出系統(tǒng)，其特征在于，所述閥門控制器⑵是一種智能開關，當廠電源⑴斷電時，閥門控制器⑵動作，自動開啟第一三通閥門(3)和第二三通閥門0)。
3.根據權利要求
1所述基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導出系統(tǒng)，其特征在于，所述水箱(5)中的納米流體是一種具有導熱系數高、換熱性好的新型傳熱工質，其粘性系數小，流體輸送功耗小的流體，使自然循環(huán)回路具有很好的啟動特性，最大程度的帶走堆芯內的熱量，且沸騰換熱中納米流體的臨界熱流密度大幅提高。
4.根據權利要求
1或3所述基于納米流體特性的沸水堆非能動余熱導出系統(tǒng)，其特征在于，所述納米流體由傳熱基液-水和強化相納米顆粒-Cu組成，采用在水介質中添加 2. 0%體積比的Cu納米顆粒制備的Cu-水納米流體，其對流換熱系數比水增大39%。采用分析純鹽酸做PH調節(jié)劑使Cu-水納米流體pH = 9. 5，十二烷基苯磺酸鈉做分散劑，且在 Cu-水納米流體中十二烷基苯磺酸鈉濃度為0. 07%，由此保證Cu-水納米流體的分散性及穩(wěn)定性。
專利摘要
本發(fā)明公開了屬于核電站設備與安全技術領域：
的一種基于納米流體特性的沸水堆非能動排熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)由閥門控制器，水箱，循環(huán)管道及閥門等組成。系統(tǒng)對廠用電源不可用的情況下，利用納米流體較強的換熱特性以及較小的粘性系數，以較強的自然循環(huán)能力實現沸水堆內熱量的快速導出。達到防止放射性物質排放和保護公眾、環(huán)境的目的。在發(fā)生嚴重事故時，執(zhí)行和完成安全保障功能。該系統(tǒng)的后備安全性好，流程簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、實施方便，控制簡單。
文檔編號G21C15/18GKCN102243897SQ201110175073
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月27日
發(fā)明者劉平, 周濤, 洪德訓 申請人:華北電力大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan