一種乏燃料運輸容器餘熱排出裝置的製作方法

2023-04-25 22:23:41 1

本發明涉及壓水堆核電廠乏燃料轉運過程中，為保證乏燃料組件安全卸出容器，進行冷卻容器、置換氣體和形成屏蔽的乏燃料運輸容器餘熱排出裝置。

背景技術：

我國採取「閉式核燃料循環」策略，核電站乏燃料暫存於燃料廠房5到10年，隨著組件內高放射性物質衰變及其衰變熱的減退，再運輸到後處理廠中間貯存並處理，回收乏燃料組件中的鈾和鈽，同時空出水池內有限的貯存空間，滿足核電廠的運行要求。

目前，我國乏燃料中間貯存能力和處置能力不足，中核四0四廠是國內能夠接收商業核電站乏燃料組件唯一單位，原有兩個總容量500噸水池已滿容，新建800噸水池不滿足抗震要求不能運行；我國後處理技術尚處於科研階段，引進國外技術的大型商業核燃料後處理大長預計2030年才能投入運行。

2013年，大亞灣核電站1、2號機組燃料水池接近滿容，但後處理廠卻因容量限制無法接收乏燃料組件，核電站面臨停堆，這將帶來巨大的經濟損失和社會影響。為此需要啟動乏燃料廠內轉運工作，而此項工作在國內尚屬空白，沒有先例，核電站也沒有相關設備。

現有使用的卸料冷卻裝置，需專門的冷卻水循環和過濾迴路，設備較為複雜，在使用過程中會產生較多的放射性廢固，同時缺少過濾器狀態監測且過程監測數據不完整。

基於此，研究並開發設計一種冷卻容器、置換氣體和形成屏蔽的乏燃料運輸容器餘熱排出裝置。

技術實現要素：

本發明的目的在於：基於現有技術中，裝滿乏燃料組件的容器在開蓋時，容器內部溫度高，且充滿放射性氣體，需要將容器充滿水，並將內部的放射性氣體全部排出從而形成生物屏障，但是溫差較大引起的熱應力對燃料組件包殼造成損傷，現提供一種乏燃料運輸容器餘熱排出裝置，採用沉浸式換熱方法，將待熱交換的的乏燃料組件浸入容水裝置，換熱效果好且結構簡單，解決了溫差較大對燃料組件造成的損壞，且不需要專用的冷卻循環、過濾迴路，避免產生較多的放射性廢固。

本發明通過下述技術方案實現：

一種乏燃料運輸容器餘熱排出裝置包括充水迴路、充氣迴路、氣水排出迴路、氣水分離器、排氣迴路，充水迴路、充氣迴路共用一個三通閥後與氣水排出迴路連接，氣水排出迴路與冷卻系統連接，冷卻系統與氣水分離器連接後與排氣迴路連接；

冷卻系統包括沉浸式換熱器，沉浸式換熱器位於容水裝置內，沉浸式換熱器內的換熱管的下端與氣水排出迴路通過管道連接，換熱管的上端與容水裝置連通，容水裝置通過冷卻管與氣水分離器連接，沉浸式換熱器位於開孔筒體的下端，開孔筒體位於容水裝置內，開孔筒體(303)的上端設有用於收集放射性氣體的分隔罩，分隔罩的內部還設有過濾器。

本技術方案中充水迴路或充氣迴路、氣水排出迴路、氣水分離器、排氣迴路構成一個迴路系統，共同避免乏燃料運輸容器在冷卻乏燃料組件時內外溫差對組件造成的損傷，其中充水迴路與三通閥連接後，將冷卻水注入乏燃料運輸容器的注水口，降低乏燃料運輸容器內的溫度，減小容器內外的溫度差，為開蓋作準備。三通閥的設置，可在充氣迴路與充水迴路之間進行轉換，充氣迴路與三通閥連接時，壓縮空間經充氣迴路進入乏燃料運輸容器內從而將容器內的高溫氣體通過氣水排出迴路排放至冷卻系統，使乏燃料運輸容器的氣體壓力達到預定壓力值，冷卻後通過排氣迴路排出至廠房排氣系統。

其中，本技術方案中充氣迴路、充水迴路均與同一個三通閥連接，則整個過程可實現氣水交替，三通閥具有電動或氣動自動切換的功能。

本技術方案中所述冷卻系統中的沉浸式換熱器，其主要作用是冷卻高溫氣體或水，與其他換熱器相比，採用沉浸式換熱器，充水迴路從水池中抽的水作為冷卻水的水源，利於熱量的交換，從沉浸式換熱器排出的高溫氣體或水通過水池中的水換熱，直接進行熱量交換，較其他換熱器相比增加一道換熱操作，增加換熱效果，並減少了冷卻劑循環迴路，常用的冷卻劑循環迴路包括管路、水泵、電氣控制系統，則使本技術方案結構相對較為簡單。

本技術方案所述沉浸式換熱器中的換熱管，換熱管的出口採用螺旋向下設置，則排出的氣體或水在出口形成螺旋切向水流，攪動容水裝置內的冷卻水，將沉浸式換熱器周圍的熱量帶走，同時高溫氣體或水在循環後排入水池中，再次進行熱量交換。經冷卻後的高溫氣體通過排氣迴路，具體可為排氣迴路中的負壓風機，保持分隔罩內呈負壓狀態，排出的氣體經分隔罩收集，並通過過濾器過濾後進入氣水分離器。

其中，分隔罩的設置，配合排氣迴路中的負壓風機可對開孔筒體內的放射性氣體進行收集，將放射性氣體通過分隔罩收集到過濾器內排出，防止放射性氣體進入大氣環境。

過濾器，具體可為柱形粉末冶金型過濾器，具有良好的耐溼性能，可以初步過濾氣體內的水、顆粒等。

本技術方案中通過創造性的設計沉浸式換熱器在不增加能動部件的前提下，實現冷卻劑在水池內的循環流動。換熱管的下端與氣水排出迴路通過管道連接，換熱管的上端與容水裝置連接，排出的高溫氣體或水在換熱管內螺旋逆向上升，與設置在沉浸式換熱器外的容水裝置內的冷卻水進行充分的熱量交換，減小乏燃料運輸容器開蓋過程中由於溫差太大產生的熱應力對燃料組包殼造成損壞。

同時本技術方案中乏燃料組件置於乏燃料運輸容器中，排出高溫介質通過氣水排出迴路進入冷卻系統的沉浸式換熱器中，沉浸式換熱器排出的氣體或液體直接進入容水裝置中再次冷卻，可將進入沉浸式換熱器中的氣體所攜帶的放射性物質通過容水裝置內的水進行過濾，放射性物質直接進入容水裝置中，故與其他形式的換熱器相比，減少在冷卻操作前安裝過濾裝置的成本，同時減少了過濾裝置中過濾放射性物質後形成的放射性廢固。

進一步地，所述開孔筒體上設有小孔，沉浸式換熱器通過小孔與容水裝置連通。

本技術方案所述的開孔筒體用於容納沉浸式換熱器，開孔筒體位於容水裝置中，容水裝置具體結構可為水池結構，且開孔筒體可為筒形容器，小孔設置在筒形容器的筒壁上，便於沉浸式換熱器可充分接觸到容水裝置中的冷卻水，加速換熱效果，簡化換熱迴路，且沉浸式換熱器的出水口具有攪渾的功能。

進一步地，所述充水迴路包括水泵，水泵與三通閥之間的連接管路上依次設有流量檢測裝置、流量調節閥、第一溫度檢測裝置、第一壓力檢測裝置；

充氣迴路包括依次連接的空氣過濾器、壓力顯示裝置、減壓閥、電磁閥、單向閥，單向閥與三通閥連接；

氣水排出迴路包括第二溫度檢測裝置、第二壓力檢測裝置、液位檢測裝置，第二溫度檢測裝置、第二壓力檢測裝置、液位檢測裝置依次設置在乏燃料運輸容器與冷卻系統連接的管路上，乏燃料運輸容器與三通閥通過管路連接。

這裡對充水迴路、充氣迴路、氣水排出迴路的結構進行進一步優選，其中充氣迴路的流程如下，廠房壓縮空氣通過空氣過濾器、壓力顯示裝置，減壓閥，電磁閥，進入乏燃料運輸容器的進水口；從乏燃料運輸容器的出氣口排出的氣體或水通過第二溫度檢測裝置、第二壓力檢測裝置、液位檢測裝置進入冷卻系統，冷卻系統排出的氣體依次進入氣水分離器、排氣迴路。

充水迴路的流程為：水泵從水池中汲水，通過流量檢測裝置、流量調節閥、第一溫度檢測裝置、第一壓力檢測裝置，並經過三通閥，將從水池中汲取的冷卻水從乏燃料運輸容器的進水口注入，從乏燃料容器的出氣口排出的氣體經過第二溫度檢測裝置、第二壓力檢測裝置、第一液位檢測裝置進入冷卻系統，冷卻系統排出的氣體依次進入氣水分離器、排氣迴路排出至廠房通風系統中，排氣迴路中排出的水可直接進入水池，從而將整個過程中的冷卻水進行循環利用。

其中氣水排出迴路為充水迴路或充氣迴路經過三通閥、乏燃料運輸容器後後為氣水共用的迴路，三通閥自動切換迴路後，可將壓縮空氣或冷卻水交替充入。其中氣水排出迴路中的液位檢測裝置的具體結構為液位開關，在乏燃料運輸容器充滿水後可自動切換到單純充水狀態，防止氣體進入乏燃料運輸容器。其中，乏燃料運輸容器的內部裝有乏燃料組件。

進一步地，所述氣水分離器的內側設有擋水罩、濾芯、濾水碗，擋水罩的上端與濾水碗連接，濾芯的下端延伸到擋水罩的內部，分離後的水從位於氣水分離器底部的出水口排出。

氣水分離器為筒形容器，內側裝有擋水罩、濾芯、濾水碗，水或氣體從氣水分離器的上端進入，經過濾芯分離作用後，氣體從氣水分離器的頂部排出，而分離後的冷卻水從氣水分離器的下端水管流出。擋水罩的作用是使分離後的水從氣水分離器的下端流出，避免從其他方向流出，從而達到氣水分離的目的。

進一步地，所述排氣迴路包括與氣水分離器的出口連接的負壓風機，負壓風機與中效過濾器連接，中效過濾器與高效過濾器連接，高效過濾器與排風風機連接，氣水分離器的上端進氣口與沉浸式換熱器的頂端出氣口的連接管路上設有第三溫度檢測裝置。

冷卻系統循環時，整個迴路系統只執行充水流程，直至乏燃料運輸容器的出口水溫度達到設定的冷卻溫度，乏燃料容器內的溫度可通過第二溫度檢測裝置進行檢測，達到預定冷卻溫度後，系統自動停止工作。裝置在進行冷卻循環時，仍有少量氣體經與冷卻系統、氣水分離器、負壓風機、中效過濾器、高效過濾器、排風風機後進入廠房的排風系統。在排氣迴路中採用二級風機，保持系統內負壓，防止氣體放射性氣體汙染環境。

進一步地，所述還包括車體，所述充水迴路、充氣迴路、氣水排出迴路、氣水分離器、排氣迴路均位於車體內，車體包括車輪和箱體，箱體的四周均設有小門，箱體的箱頂為可拆頂板，箱體的下板為四邊卷邊結構，車體的頂部設有吊環。

本技術方案中車體是乏燃料運輸容器餘熱排出裝置安裝的基礎，箱體的具體結構為框架結構，四面安裝有門，便於打開箱體，便於對乏燃料容器餘熱排出裝置的結構部件進行檢查等操作；箱頂為可拆頂板，便於設備檢修；箱體的下板四邊卷邊，防止放射性水洩露；吊環的設置，用於吊運。

進一步地，所述餘熱排出裝置還包括電氣控制裝置，電氣控制裝置包括配電箱和控制臺，配電箱內設有上位機，上位機分別與流量檢測裝置、流量調節閥、第一溫度檢測裝置、第一壓力檢測裝置、壓力顯示裝置、減壓閥、電磁閥、單向閥、三通閥、第二溫度檢測裝置、第二壓力檢測裝置、第一液位檢測裝置、第二液位檢測裝置通過電氣信號連接。

本技術方案所述的上位機主要作用是作為人機界面，對整個乏燃料運輸容器餘熱排出裝置的壓力、流量、溫度等狀態進行監測。

配電箱安裝在臺架本體木塊上，配電箱內設有控制器、斷路器、接觸器、隔離變壓器等電氣元件。

本技術方案所述的配電箱、上位機、控制臺等的作用及結構為本領域技術人員所公知。

進一步地，所述控制臺上設有觸控螢幕、按鈕，控制臺位於配電箱的外殼表面，本技術方案中控制臺可置於其他位置實現對多功能臺架進行遠程監控。

本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

(1)本技術方案採用冷卻系統與充氣迴路、充水迴路、氣水排出迴路、排氣迴路配合，完成乏燃料氣運輸容器開蓋卸料的關鍵操作：充水、排氣、循環冷卻和排水等，且具有氣體冷卻、氣水分離、過濾、過程監測等綜合性功能。

(2)本技術方案中採用流量檢測裝置、流量調節閥、第一溫度檢測裝置、第一壓力檢測裝置、壓力顯示裝置、減壓閥、電磁閥、單向閥、三通閥、第二溫度檢測裝置、第二壓力檢測裝置、第一液位檢測裝置、第二液位檢測裝置，其中流量檢測可以避免流量過大衝擊容器內部吊籃或過小無法充分釋熱；壓力檢測可防止壓力過大損壞乏燃料運輸容器；溫度檢測可以檢測乏燃料運輸容器的冷卻效果；過濾器壓差檢測可用於判斷過濾器是否堵塞，以便於及時更換；液位檢測裝置的設置，主要用於對乏燃料運輸容器充滿水或排空狀態的檢測。

(3)本發明採用的沉浸式換熱器，沉浸式換熱器位於容水裝置等水池內，沉浸式換熱器的換熱管出口採用螺旋向下設置，氣體或水排出時形成螺旋切向水流，從而攪動水池內的冷卻水，與容水裝置內的水熱交換，換熱效果好且結構簡單。

(4)本發明對放射性氣體採用多級過濾裝置，首級過濾採用粉末冶金型的濾芯，具有良好耐熱耐水性能，次級過濾器採用耐溼中效過濾器，三級過濾採用高效過濾器，過濾效果更好。

(5)本發明通過在設置沉浸式換熱器，其內部設有收集放射性氣體的分隔罩，分隔罩內設有過濾器，進入沉浸式換熱器中的氣體所攜帶的放射性物質通過容水裝置內過濾，與其他形式的換熱器相比，減少在冷卻操作前安裝過濾裝置的成本，在沉浸式換熱器內同時實現過濾、冷卻、收集放射性氣體的目的，並減少過濾裝置中過濾放射性物質後形成的放射性廢固。

附圖說明

圖1為本裝置的結構示意圖；

圖2為本裝置中充氣迴路、充水迴路的結構示意圖一；

圖3為本裝置中充氣迴路、充水迴路的結構示意圖二；

圖4為本裝置中氣水分離器的結構示意圖；

圖5為本裝置中冷卻系統的結構示意圖；

圖6為本裝置中電氣控制臺的結構示意圖。

其中：1、水池，2、水泵，3、流量檢測裝置，4、流量調節閥，5、第一溫度檢測裝置，6、第一壓力檢測裝置，7、三通閥，8單向閥，9、電磁閥，10、減壓閥，11、壓力顯示裝置，12、空氣過濾器，13、乏燃料運輸容器，14、乏燃料組件，15、第二溫度檢測裝置，16、第二壓力檢測裝置，17、第一液位檢測裝置，18、沉浸式換熱器，19、氣水分離器，20、車輪，201、濾水碗，202、擋水罩，203、濾芯，204、第二液位檢測裝置，21、第三溫度檢測裝置，22、負壓風機，23、中效過濾器，24、高效過濾器，25、排風風機，26、車體，301、過濾器，302、分隔罩，303、開孔筒體，401、上位機，402、控制臺，403、配電箱。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。

實施例1：

如圖1至圖6所示，一種乏燃料運輸容器餘熱排出裝置，其特徵在於：包括充水迴路、充氣迴路、氣水排出迴路、氣水分離器19、排氣迴路，充水迴路、充氣迴路共用一個三通閥7後與氣水排出迴路連接，氣水排出迴路與冷卻系統連接，冷卻系統與氣水分離器連接後與排氣迴路連接；

冷卻系統包括沉浸式換熱器18，沉浸式換熱器18位於容水裝置內，沉浸式換熱器18內的換熱管的下端與氣水排出迴路通過管道連接，換熱管的上端與容水裝置連通，容水裝置通過冷卻管與氣水分離器19連接，沉浸式換熱器18位於開孔筒體303的下端，開孔筒體303位於容水裝置內，開孔筒體303的上端設有用於收集放射性氣體的分隔罩302，分隔罩302的內部還設有過濾器301。

其中，所述開孔筒體303上設有小孔，沉浸式換熱器18通過小孔與容水裝置連通。

上述的所述充水迴路包括水泵2，水泵2與三通閥7之間的連接管路上依次設有流量檢測裝置3、流量調節閥4、第一溫度檢測裝置5、第一壓力檢測裝置6；

充氣迴路包括依次連接的空氣過濾器12、壓力顯示裝置11、減壓閥10、電磁閥9、單向閥8，單向閥8與三通閥7連接；

氣水排出迴路包括第二溫度檢測裝置15、第二壓力檢測裝置16、液位檢測裝置17，第二溫度檢測裝置15、第二壓力檢測裝置16、液位檢測裝置17依次設置在乏燃料運輸容器13與冷卻系統連接的管路上，乏燃料運輸容器13與三通閥7通過管路連接。所述乏燃料運輸容器13內部設有乏燃料組件14。

所述氣水分離器19的內側設有擋水罩202、濾芯203、濾水碗201，擋水罩202的上端與濾水碗201連接，濾芯203的下端延伸到擋水罩202的內部，分離後的水從位於氣水分離器19底部的出水口排出，所述氣水分離器19的底部設有第二液位檢測裝置204。

所述排氣迴路包括與氣水分離器19的出口連接的負壓風機22，負壓風機22與中效過濾器23連接，中效過濾器23與高效過濾器24連接，高效過濾器24與排風風機25連接，氣水分離器19的上端進氣口與沉浸式換熱器18的頂端出氣口的連接管路上設有第三溫度檢測裝置21。

所述還包括車體26，所述充水迴路、充氣迴路、氣水排出迴路、氣水分離器19、排氣迴路均位於車體26內，車體26包括車輪20和箱體，箱體的四周均設有小門，箱體的箱頂為可拆頂板，箱體的下板為四邊卷邊結構，車體的頂部設有吊環。

所述餘熱排出裝置還包括電氣控制裝置，電氣控制裝置包括配電箱403和控制臺402，配電箱403內設有上位機401，上位機401分別與流量檢測裝置3、流量調節閥4、第一溫度檢測裝置5、第一壓力檢測裝置6、壓力顯示裝置11、減壓閥10、電磁閥9、單向閥8、三通閥7、第二溫度檢測裝置15、第二壓力檢測裝置16、第一液位檢測裝置17、第二液位檢測裝置204通過電氣信號連接。

所述控制臺402上設有觸控螢幕、按鈕，控制臺402位於配電箱403的外殼表面。

本實施例所述的一種乏燃料運輸容器餘熱排出裝置，具有容器充水功能：向乏燃料運輸容器13充入冷卻水或者交替充入水和氣體置換並導出容器內部放射性氣體，同時導出乏燃料組件14餘熱，乏燃料運輸容器13充滿形成的屏蔽層，便於操作人員就近進行開蓋操作；循環冷卻功能：通過連續的冷卻水循環，逐漸降低容器溫度，滿足開蓋要求；並根據核電站排風系統要求，排出的高溫氣體必須冷卻後方可排放；高溫蒸汽冷卻後會生成大量的水，需進行氣水分離，然後再分別排放；從氣水分離器19排出的氣體需要去除放射性顆粒、氣溶膠等放射性物質，然後方可排放到廠房通風系統；其中在乏燃料燃料組件14卸出後，需要排出容器內的水，關蓋後運出。

且本實施例相對於現有技術對乏燃料運輸容器餘熱排出的集成設計，可獨立完成充水溶硼、充水排氣、循環冷卻、排出氣體冷卻、汽水分離、空氣過濾、容器排水等功能，單一設備就可以滿足乏燃料運輸容器餘熱排出的工藝要求。

同時增加了充水溶硼工藝：該工藝用於溶解迴路中的結晶硼，防止堵塞迴路，工藝更完整。且放射性氣體採用多級過濾：首級過濾採用粉末冶金型的濾芯，具有良好耐熱耐水性能，次級過濾器採用耐溼中效過濾器，三級過濾採用高效過濾器，過濾效果更好。

具體充水流程具體操作為：水泵2從水池汲水，通過流量檢測裝置3、流量調節閥4、第一溫度檢測裝置5、第一壓力檢測裝置6，三通閥7，將冷卻水從運輸容器水口注入；從乏燃料運輸容器13氣口排出的氣體通過第二溫度檢測裝置15、第二壓力檢測裝置16、第一液位檢測裝置17、進入冷卻系統。冷卻系統排出氣體經過第三溫度檢測裝置21、氣水分離器19、負壓風機22、中效過濾器23、高效過濾器24、排風風機25後進入廠房排風系統；而排出的水直接進入水池1。

充氣流程具體操作方法為：廠房壓縮空氣通過空氣過濾器12、壓力顯示裝置11、減壓閥10、電磁閥9、單向閥8和三通閥7進入乏燃料運輸容器13水口；從乏燃料運輸容器13排出的氣體通過第二溫度檢測裝置15、第二壓力檢測裝置16、第一液位檢測裝置17、進入冷卻系統。冷卻系統排出氣體經過第三溫度檢測裝置21、氣水分離器19、負壓風機22、中效過濾器23、高效過濾器24、排風風機25後進入廠房排風系統，而排出的水直接進入水池1。

氣水交替充入時，通過三通閥7通過電動或氣動方式進行自動切換，可將壓縮空氣、冷卻水交替充入，此時水泵2可不停止工作。

第二液位檢測裝置具體可為液位開關204，在乏燃料運輸容器13充滿水後可以自動切換到單純充水狀態，防止氣體進入容器。

冷卻循環時，系統只執行充水流程。直至乏燃料運輸容器13出口水溫達到設定冷卻溫度，表明冷卻完成，系統可以自動停止工作。冷卻循環時，仍有少量排出氣體經過第三溫度檢測裝置21、氣水分離器19、負壓風機22、中效過濾器23、高效過濾器24、排風風機25後進入廠房排風系統。

本實施例中設置的壓力檢測儀表如第一壓力檢測裝置6、第二壓力檢測裝置16、壓力檢測器件20等是為防止容器超壓而設置，防止破壞運輸容器；流量計如流量檢測裝置3可以檢測充水流量，防止過大流量損壞乏燃料容器組件。

基於目前採取的閉式核燃料循環策略，核電站乏燃料暫存時間一般為5到7年，待核燃料組件內的高放射性物質衰變及其衰變熱的減退，然後再進行中間貯存並處理，回收乏燃料組件中的放射性物質，而實施例所述的乏燃料運輸容器餘熱排出裝置能充分利用空出的容水裝置的貯存空間，解決了核電站燃料貯存空間的問題，避免核電站因水池滿容、容量限制無法接收乏燃料組件停堆造成經濟損失的問題，該實施例所述技術方案對解決我國前端、後端不協調的核燃料現狀，採用將核燃料循環後端貯存環節提前，把貯存空間緊張機組的乏燃料組件轉運到空間大的乏燃料水池中，可避免因無法卸料導致停堆情況，為燃料後處理技術成熟和大型商業後處理廠建造爭取時間。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。