一种用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统

摘要

本发明公开了一种用于海下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，该系统包括：隔热件和余热排出腔室；隔热件套在反应堆的热管束中每根热管的外表面；余热排出腔室套在热管束外周，余热排出腔体上下分别设置出口和入口，入口处安装有下阀门，出口处安装有上阀门。本发明公开的用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统不需要外部电源提供电力，就可实现反应堆堆芯余热的持续地排出，该余热排出系统结构简单、可靠，具有固有安全，可以用作空间受限的水下核动力装置余热排出系统。

说明书

技术领域

本发明属于核能领域，尤其涉及一种无人潜航器的非能动余热排出系统。

背景技术

核动力无人潜航器由于能量密度高、寿期长、不依赖空气等优点，是深海开发设备理想的动力装置，一般采用核反应堆为水下核动力无人潜航器提供动力。

核反应堆余热的排出是保证反应堆安全的一个重要问题。当反应堆发生热阱丧失事故时反应堆必须停堆，同时开启余热排出系统来排出衰变余热，以确保反应堆堆芯不受损坏，然而，反应堆在发生热阱丧失事故后持续排出衰变余热的存在一定困难，主要体现在：1、由于外部水源如海水等不能直接与反应堆堆芯接触，导致堆芯内的热量不能及时被排出，这是由于外部水源如果直接接触并冷却反应堆堆芯，则会导致堆芯内的放射性物质泄漏扩散到外界，而且外部水源如海水一般具有一定的腐蚀性，直接接触也会导致反应堆芯内结构损坏；2、若仅在反应堆外围进行冷却，则堆芯内中心部位热量难以导出，可能出现堆内局部过热现象，导致部分堆芯构件融化；3、反应堆发生故障后，整个动力源切断，由于无人潜航器受制于水下宝贵的舱内空间资源，也难以携带柴油机或大型蓄电池组，因此无法采用能动形式排出余热。

目前国外军用核潜艇一般采用传统的核动力装置能动余热排出系统，这种系统是在有外部电源供电(如大型蓄电池组、柴油发电机)的情况下，通过主冷却剂泵、余热排出泵或冷却水泵等设备，分别驱动主冷却剂、蒸汽发生器二次侧给水、冷却水进行强迫循环，将堆芯的余热分级接力式导出，送至最终热阱。传统核动力装置余热排出系统强烈依靠外部电力，在外部电力丧失的情况下，无法冷却并带走堆芯余热，造成核安全事故，如福岛核事故。

新型三代核电站采用非能动余热排出系统，非能动余热排出系统需要克服反应堆一回路、二回路和冷却水回路中的流动压降形成循环，将热量一级一级地传递到最终热阱，虽然这种余热排出系统采用了自然循环，不依靠外部电力，但该余热排出系统结构复杂，体积庞大，运行维护困难，并不适用于水下无人潜航器狭小宝贵的空间。

因此，受制于水下无人潜航器宝贵的舱内空间资源、复杂水下环境以及无人条件，如何提供一种固有安全、轻质紧凑、简单可靠的反应堆余热非能动排出系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，该系统结构简单，能够非能动的实现水下核动力无人潜航器用的反应堆余热排出。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，所述系统包括：隔热件、余热排出腔室；

所述隔热件套位于反应堆的热管束中每根热管的外表面；

所述余热排出腔室套在热管束外周，余热排出腔室为一端开口的筒状，其开口端穿过热管束后与反应堆密封连接，另一端面开设多个孔，热管束中的热管冲孔中穿过；

所述余热排出腔体上下分别设置出口和入口，入口处安装有下阀门，出口处安装有上阀门。

优选的，管外隔热件为保温材料，直接包裹在热管外部，或者为套管，套在热管外部并预留一定间隙，间隙内充有保温气体。

优选的，余热排出腔体内部进行抽真空处理隔热或者充有保温气体进行保温。

优选的，所述下阀门和所述上阀门均采用一组或多组阀门。

优选的，所述下阀门和所述上阀门在通电状态下均保持关闭，在断电状态下均自然打开。

优选的，所述余热排出腔室内采用水单相自然对流换热或水与管束间核态沸腾自然对流换热。

本发明的有益效果是：本发明公开的用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统不需要外部电源提供电力，就可实现反应堆堆芯余热的持续地排出，当反应堆发生故障，切断电源时，余热排出腔室下部阀门打开引入外部冷却水源，外部水源流过反应堆热管束带走热量，建立起非能动的自然循环，升温后的冷却水密度减小，从余热排出腔室上部阀门排出，该余热排出系统简单、可靠，冷却水不与堆芯燃料接触，固有安全，可以用作空间受限的水下核动力装置余热排出系统。

该余热排出系统中在热管外侧设计隔热件，可以防止热管与海水直接接触，避免因热管与海水直接接触而造成的热管腐蚀破坏；其次目的是降低温度梯度，避免出现膜态沸腾换热现象，导致不能达到冷却效果。

附图说明

图1为本发明的用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统结构示意图；

图2为本发明的用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统结构左视图；

图中：1.反应堆 2.热管束 3.隔热件 4.余热排出腔室 5.下阀门 6.上阀门。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种如图1和图2所示的用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，所述系统包括：隔热件3、余热排出腔室4。

上述所述隔热件3为保温材料，直接包裹在热管外部，或者为套管，套在热管外部并预留一定间隙，间隙内充有保温气体。隔热件是一种传热件，但其传热率较低，设置隔热件的目的在于，隔热件可以防止热管与海水直接接触，避免因热管与海水直接接触而造成的热管腐蚀破坏；其次是隔热件能够降低温度梯度，避免出现膜态沸腾换热现象，导致不能达到冷却效果。除此之外，在反应堆正常运行时，隔热件可以降低热管热量的散失，提高反应堆的利用效率。

上述余热排出腔室4套在热管束2外周，余热排出腔室4为一端开口的筒状，其开口端穿过热管束2后与反应堆1密封连接，另一端面开设多个孔，热管束2中的热管冲孔中穿过。

余热排出腔体4上下分别设置出口和入口，入口处安装有下阀门5，出口处安装有上阀门6。上阀门5和下阀门6的另一端均与外部水源相连，比如海水或安注水箱。

余热排出腔体4内部在上阀门5和下阀门6打开前充有保温气体，或者抽真空绝热放置热管热量损失。余热排出腔室4内采用水单相自然对流换热或水与管束间核态沸腾自然对流换热。

下阀门5和所述上阀门6均采用一组或多组阀门，两者在通电状态下均保持关闭，在断电状态下均自然打开，引入外部水源冷却热管，带走堆芯余热。

本发明的用于水下核动力无人潜航器的非能动余热排出系统的工作过程如下：

当热管堆出现二回路或三回路系统故障造成堆芯核热无法导出，即热阱丧失事故时，反应堆立刻停堆，反应堆仍有衰变余热需被持续地冷却导出。余热排出腔室的上阀门和下阀门在事故条件下，失去电力，阀门自动打开，外部水源，如海水或安注水箱中水源从下阀门进入余热排出腔室，余热排出腔室中原有的保温气体从腔室上端阀门排出到外界。由于热管温度极高，为避免外部水源与热管接触后急剧沸腾，出现膜态沸腾换热现象，导致换热恶化，预先在热管表面包裹管外隔热件，避免热管与外部水源直接接触，从而降低温度梯度。外部水源在余热排出腔室内通过水单相自然对流换热或水与管束间核态沸腾自然对流换热将堆芯衰变余热排出到外界。