本发明专利技术公开了一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统及方法，其中，该系统包括：水箱、单相流循环管道、弧形管道和筛管；其中，水箱与单相流循环管道连接，用于为单相流循环管道提供液态水；弧形管道与单相流循环管道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为单相流循环管道提供热量以使液态水转化为气液混合体；筛管位于单相流循环管道中分别与弧形管道和水箱连接，用于将气液混合体分离后分别释放到空气和流入水箱。该系统能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及核反应堆安全
，尤其涉及一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统及方法。
技术介绍
作为反应堆严重事故下的一项缓解措施，反应堆压力容器外部冷却已经应用到AP1000、APR1400等第三代压水堆的安全系统中。压力容器外部冷却(External Reactor Vessel Cooling，ERVC)在发生堆芯熔化严重事故时，通过压力容器下封头外部的冷却通道，利用自然循环带走熔融物热量，保证压力容器下封头的完整性，实现熔融物的堆内滞留，从而有效控制核事故。Theofanous和Syri在文章The Coolability Limits of a Reactor Pressure Vessel Lower Head中针对AP堆型(AP600、AP1000)进行了ULPU系列实验，研究了外部冷却能力影响因素，并在实验基础上进行了流道的结构优化。中国改进型三环路压水堆(CPR1000)作为自主设计的反应堆型，安全设计中考虑采用ERVC策略来提高事故工况下IVR的成功概率，李永春等人在《压力容器外部冷却非加热实验研究》中对压力容器外部冷却装置管道进出口面积、保温层结构等进行了研究。在ERVC弧形管道处，液态水吸收热量后产生气体，形成气液两相流。王跃社等人在《圆管内油气水三相弹状流的生成和发展》中，对泡状流和弹状流流型的形成进行了研究。少量气体引入液体中时流型为泡状流；随着气体流量增加，气泡开始聚集合并，当圆顶状气泡形成时，气泡形状和轨迹变得杂乱无章，这时流动由泡状流向弹状流过渡转化，直至弹状流形成，而弹状流具有极不稳定性和间歇性，导致流动阻力增大。Mishima等人在Flowregimetransition criteriaforupward two-Phase flow in vertical tubes中认为在接近弹状流-搅混流转换时，液弹变得很短，Taylor气泡之间间隔很近，强烈的Taylor尾流效应引起液弹失稳而破碎，导致弹状流到搅混流转换。因此，相关技术的研究不能解决液态水吸收热量后产生气体，形成气液两相流导致流动阻力增大导致循环速率慢从而产生反应堆安全性问题。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。为此，本专利技术的第一个目的在于提出一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统。该系统能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。本专利技术的第二个目的在于提出了一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法。为达上述目的，本专利技术第一方面实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统，包括：水箱、单相流循环管道、弧形管道和筛管；其中，所述水箱与所述单相流循环管道连接，用于为所述单相流循环管道提供液态水；所述弧形管道与所述单相流循环管道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为所述单相流循环管道提供热量以使所述液态水转化为气液混合体；所述筛管位于所述单相流循环管道中分别与所述弧形管道和所述水箱连接，用于将所述气液混合体分离后分别释放到空气和流入所述水箱。本专利技术实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统，通过水箱为单相流循环管道提供液态水，接着弧形管道与反应堆压力容器外部接触为单相流循环管道提供热量以使液态水转化为气液混合体，最后筛管将气液混合体分离后分别释放到空气和流入水箱，该系统能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。为达上述目的，本专利技术第二方面实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法，包括：水箱、单相流循环管道、弧形管道和筛管；其中，所述水箱提供液态水给所述单相流循环管道；所述弧形管道将反应堆压力容器的热量提供给所述单相流循环管道以使所述液态水转化为气液混合体；所述筛管将所述气液混合体分离后分别释放到空气和流入所述水箱。本专利技术实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法，通过水箱为单相流循环管道提供液态水，接着弧形管道与反应堆压力容器外部接触为单相流循环管道提供热量以使液态水转化为气液混合体，最后筛管将气液混合体分离后分别释放到空气和流入水箱，该方法能够减少流动阻力，加快液体循环速度与气泡排出速率从而提高反应堆压力容器的冷却效率，进一步提高反应堆安全性。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统的示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的单相流循环管道左右两侧液压差的示意图；；图3是根据本专利技术一个实施例的弧形管道流型的示意图；图4是根据本专利技术一个实施例的弧形管道正视图；图5是根据本专利技术一个实施例的筛管的示意图；图6是根据本专利技术一个具体实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统的示意图；图7是根据本专利技术一个实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环方法的流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。图1是根据本专利技术一个实施例的反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统的示意图。如图1所示，该反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统可以包括：水箱10、单相流循环管道20、弧形管道30和筛管40。其中，水箱10与单相流循环管道20连接，用于为单相流循环管道20提供液态水。需要说明的是，单相流循环管道20不包含弧形管道30和筛管40。弧形管道30与单相流循环管道20连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为单相流循环管道20提供热量以使液态水转化为气液混合体。需要说明的是，在一些示例中，弧形管道30吸收反应堆压力容器外部的热量，并将热量提供给单相流循环管道20。单相流循环管道20中的液态水中的单相液态水转化为泡状流，随着热量的吸收，进而转化为弹状流。可以理解的是，单相流循环管道20前半段为单相液态水，后半段在弧形管道处为气液两相混合体，知道ρ液＞＞ρ气液，由公式可知，在压差的驱动下，管道内流体会产生流动，因此本装置不需要外界供能，利用自然循环即可完成。单相流循环管道20左右两侧液压差如图2所示。更具体地，在单相流理论中，摩擦系数f可以通过表达式求得：f＝0.316Re-0.25,Re>2000，从而对于单相段，可以通过单相流的方法
计算得到压降：式中，f为摩擦系数，L为单相竖直高度，D为管道内径，ρl为液体密度，v为流体速度，μ为粘度。对于两相流的摩擦压降计算，目前一般采用两相摩擦乘子的方式来对单相摩擦系数进行修正：式中，是对于全液相的两相摩擦乘子。在不同的模型下，两相摩擦乘子有不同的计算方法。弹状流中，目前采用的是丘吉尔Churchill给出的关系式；环状流中，目前采用的是奇斯霍姆关系式。其中，还需要考虑局部阻力包括流体入口阻力，流体出口阻力和流体转弯阻力三种。局部阻力压降公式为：上式中，ξjb为局部阻力系数，ρ为流体密度，ν本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统，其特征在于，包括：水箱、单相流循环管道、弧形管道和筛管；其中，所述水箱与所述单相流循环管道连接，用于为所述单相流循环管道提供液态水；所述弧形管道与所述单相流循环管道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为所述单相流循环管道提供热量以使所述液态水转化为气液混合体；所述筛管位于所述单相流循环管道中分别与所述弧形管道和所述水箱连接，用于将所述气液混合体分离后分别释放到空气和流入所述水箱。
【技术特征摘要】
1.一种反应堆压力容器外部冷却的自然循环系统，其特征在于，包括：水箱、单相流循环管道、弧形管道和筛管；其中，所述水箱与所述单相流循环管道连接，用于为所述单相流循环管道提供液态水；所述弧形管道与所述单相流循环管道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为所述单相流循环管道提供热量以使所述液态水转化为气液混合体；所述筛管位于所述单相流循环管道中分别与所述弧形管道和所述水箱连接，用于将所述气液混合体分离后分别释放到空气和流入所述水箱。2.如权利要求1所述的自然循环系统，其特征在于，所述弧形管道与所述单相流循环管道连接并与反应堆压力容器外部接触，用于为所述单相流循环管道提供热量以使所述液态水转化为气液混合体具体包括：所述弧形管道吸收所述反应堆压力容器外部的热量，并将所述热量提供给所述单相流循环管道；所述单相流循环管道中的所述液态水中的单相液态水转化为泡状流，随着所述热量的吸收，进而转化为弹状流。3.如权利要求1或2所述的自然循环系统，其特征在于，所述液态水中的两相液态水进入所述筛管外侧，所述单相液态水和所述弹状流在所述筛管内侧流动，以使所述两相液态水的空泡份额提高，进而所述弹状流转化为环状流。4.如权利要求2所述的自然循环系统，其特征在于，所述单相液态水的压降为其中，f为摩擦系数，L为单相竖直高度，D为管道内径，ρl为液体密度，v为流体速度，μ为粘度。5.如权利要求3所述的自然循环系统，其特征在于，通过所述两相液态水摩擦乘子来对单相液态水的摩擦...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄善仿，孙红才，郭啸宇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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