CN104064229A - 反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，包括核岛和常规岛，所述核岛利用核裂变能产生蒸汽，所述常规岛利用核岛所产生的蒸汽发电，其特征在于：所述核岛设置在坚硬岩体人工开挖的地下洞室群中，所述常规岛设置在地面。洞室群上部设置有非能动水池，洞室群外侧还设置有核素迁移防护系统。符合第三代核电技术的非能动理念，有效的防止了事故下核辐射的扩散，且抗震性好，避免海啸台风对涉核建筑物的毁坏，安全性良好，还能抵挡恐怖袭击。
Description
技术领域
本发明涉及核电技术，具体地指一种反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站。
背景技术
核电站是将铀、钚等核燃料在裂变反应中产生的能量转变为电能的一种发电厂。目前大型商业核电站一般采用压水堆，单堆功率600MW以上，其工作原理为：核燃料在反应堆设备内发生裂变反应而产生大量热能，再用一回路中的高压水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽通过二回路传输至汽轮机，并带动发电机组发电，发电后的蒸汽通过三回路冷凝后返回蒸汽发生器。核电站建筑物一般分为两部分：利用原子核裂变生产蒸汽的核岛，即包括反应堆装置和一回路系统，利用蒸汽发电的常规岛，即包括汽轮发电机系统、冷却塔、其它辅助设备等。
目前世界上已建的大型商业核电站，其核岛、常规岛等建筑物均布置于地面上，如中国的大亚湾、秦山，美国的三哩岛、河湾，法国的瓦郎斯，日本的福岛，前苏联的切尔诺贝利核电站等。常规地面大型商业核电站在通常情况下足以保障核电站的安全，但恶劣环境或战争情况下，这些核电站建设型式在放射性核素防护方面存在一定的不足，具体有：
(1)常规地面大型商业核电站在熔堆等超基准事故下，可能导致放射性核素的外泄。如前苏联的切尔诺贝利核电站熔堆事故，造成大规模放射性核素外泄，对区域自然环境造成重大破坏；
(2)常规地面大型商业核电站在抵御海啸、地震等自然灾害方面，安全性存在一定不足。如地震引发的海啸对日本福岛核电站造成较大破坏，致使大量放射性核素外泄至大气、海洋和土壤，对全球生态系统造成重大破坏；
(3)常规地面大型商业核电站的涉核建筑物均位于地表，在战争情况下抵御导弹打击、飞机撞击的能力较弱；
(4)常规地面大型商业核电站的最后一道防御屏障是安全壳，若安全壳破裂将造成放射性核素大规模外泄入大气层。如日本福岛核电站反应堆氢爆造成安全壳破裂，致使大量放射性核素外泄至大气层。
专利201320131035.X公开了一种地下核电厂，将核岛及常规岛置于地下，并被地下承压壳覆盖。其在抵御台风、海啸等自然灾害方面较常规地面核电站有一定进步，但这种建设型式经济性较差，且在熔堆事故、导弹打击等情况下，其核安全防护能力显得有所不足。这主要是因为：
(1)核电站一般由核岛和常规岛两部分组成，其中核岛主要由反应堆厂房、辅助厂房等涉核建筑物组成。提高核电站的核安全防护能力，主要是将核岛等涉核建筑物置于地下。而该专利将非涉核的常规岛也置于地下，对核安全防护作用有限，却增加额外的工程投资，经济性较差。如单堆600MW的核电站，其常规岛的汽轮发电机厂房尺寸约110m×110m×60m。建设容纳如此大规模常规岛的地下工程，不但存在巨大工程风险，也将显著提高工程造价。
(2)依照该专利的思路，将核岛及常规岛建设在地下深埋数米的坑道内，并被地下承压壳覆盖。在战争情况下，现有导弹完全有能力击穿地下承压壳，并炸毁核反应堆。目前已知的钻地导弹最大深度达60m。
(3)在熔堆事故情况下，反应堆底板被熔穿，核燃料进入地下岩体或土体。放射性核素将随地下水扩散入整个生物圈，造成大范围的核污染。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种安全性高、经济合理的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站。
为实现上述目的，本发明所设计的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，包括核岛和常规岛，所述核岛利用核裂变能产生蒸汽，所述常规岛利用核岛所产生的蒸汽发电，其特征在于：所述核岛设置在地下洞室群中，所述常规岛设置在地面。
其中，所述核岛包括反应堆厂房及辅助厂房，所述常规岛包括汽轮发电机厂房、冷却塔。所述反应堆厂房包括安全壳以及安全壳内设置的反应堆、压力容器、蒸汽发生器、冷却剂泵，所述反应堆、蒸汽发生器、冷却剂泵通过管道串联形成一回路，作为蒸汽供应系统。所述辅助厂房包括核燃料厂房、核辅助厂房、安全厂房、电气厂房、连接厂房、核废物厂房等。所述汽轮发电机厂房包括设置其内的汽轮机、发电机、冷凝器，所述汽轮机通过蒸汽管道与所述蒸汽发生器串联形成二回路，高压蒸汽推动汽轮机转动，带动发电机发电；所述冷凝器与所述冷却塔通过管道串联形成三回路，对做功后的二回路蒸汽进行冷却。
进一步地，所述地下洞室群为岩体中人工挖成的洞室群。
更进一步地，所述地下洞室群包括容纳反应堆厂房的反应堆洞室，以及容纳核岛辅助厂房的辅助厂房洞室群，其中，辅助洞室群均与反应堆洞室相通。所述辅助洞室群包括容纳核燃料厂房的核燃料厂房洞室、容纳核辅助厂房的核辅助厂房洞室、容纳核废物厂房的核废物厂房洞室、容纳安全厂房的安全厂房洞室、容纳所述电气厂房的电气厂房洞室，各辅助洞室之间由隧洞连接。
再进一步地，所述反应堆洞室和辅助洞室群的洞室顶部岩体厚度不小于20m。为确保洞间岩体稳定，所述各洞室间距应不小于20m。
再进一步地，所述反应堆洞室上部设置有非能动水池，所述非能动水池设置在岩体或者地表，通过管道与反应堆厂房连接，以便核事故工况下冷却水自流进入反应堆厂房。
为了防止核素迁移，所述反应堆厂房洞室和辅助洞室群外侧还设置有具有防止核素迁移的防护系统。
本发明的优点在于：将核电站反应堆及带放射性的核辅助厂房置于岩体中开挖的地下洞室群内，利用岩体的天然屏蔽作用，提高核电站抵御恶劣自然环境和战争破坏的能力，降低严重事故情况下核素大规模扩散的可能性。其有益效果主要体现在：
(1)核电站熔堆事故时，可通过封闭反应堆洞室，并在洞室内注硼水，以减缓核裂变反应，同时对核反应堆进行冷却，防止事故的进一步扩大；
(2)地下洞室群岩体内的核素迁移防护系统，可有效防止核素通过岩体地下水迁移至外界生物圈；
(3)安全壳破裂工况下，由于洞室的包容性，使核事故处于可控范围，核污染不会大规模泄露至大气层；
(4)由于反应堆及涉核建筑物均布置于地下洞室内，能有效避免海啸飓风对涉核建筑物的毁坏；
(5)由于地下洞室的空间约束作用，地下核岛结构的抗震能力得到显著增强；
(6)核岛埋设至山体地下一定深度，能有效防止导弹打击和飞机撞击；
(7)将核电站反应堆及带放射性的核辅助厂房置于地下洞室群内，同时将常规岛置于地面，并通过布置于隧洞内的蒸汽管道连接反应堆与常规岛，避免了建设容纳常规岛的地下工程，节省了工程投资。
附图说明
图1为反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站主要建筑物划分图；
图2为核电站工作原理图；
图3为核岛建筑物划分图；
图4为反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站建筑物布置平面图；
图5为反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站建筑物布置剖面图。
图中：核岛A，反应堆厂房A1，反应堆A11，压力容器A12，蒸汽发生器A13，冷却剂泵A14，安全壳A15，辅助厂房A2，核燃料厂房A21，核辅助厂房A22、安全厂房A23、电气厂房A24、连接厂房A25、核废物厂房A26，常规岛B，地下洞室群C，应堆厂房洞室C1，辅助厂房洞室群C2，燃料厂房洞室C21，核辅助厂房洞室C22，安全厂房洞室C23，电气厂房洞室C24，连接厂房洞室C25，核废料厂房洞室C26，非能动水池D，核素迁移防护系统E，管道隧洞F1，运输隧洞F2，交通隧洞F3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本方案所设计的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，如图1所示，包括核岛A和常规岛B，核岛A设置在地下洞室群C中，核岛A利用核裂变能产生蒸汽，常规岛B设置在地面，常规岛B能利用核岛A所产生的蒸汽发电，地下洞室群C为岩体中开挖的洞室群。其中，核岛A包括反应堆厂房A1及辅助厂房A2，常规岛B包括汽轮发电机厂房B1、冷却塔B2，地下洞室群C包括反应堆厂房洞室C1及辅助厂房洞室群C2。
如图2所示，反应堆厂房A1包括安全壳A15以及安全壳A15内设置的反应堆A11、压力容器A12、蒸汽发生器A13、冷却剂泵A14，所述反应堆A11、蒸汽发生器A12、冷却剂泵A14通过管道串联形成一回路作为蒸汽供应系统。汽轮发电机厂房B1包括设置其内的汽轮机B11、冷凝器B13，汽轮机B11上连接有发电机B12、所述汽轮机B11和冷凝器B13通过蒸汽管道与所述蒸汽发生器A13串联形成二回路；所述冷凝器B13与所述冷却塔B2通过管道串联形成三回路。核燃料在反应堆A11内发生裂变反应而产生大量热能，一回路中的高压水把热能带出，在蒸汽发生器A13内产生蒸汽，蒸汽通过二回路传输至汽轮机B11推动汽轮机B11转动，带动发电机B12发电；冷凝器B13与冷却塔B2形成的三回路对做功后的二回路的蒸汽进行冷却。
如图3所示，辅助厂房A2包括核燃料厂房A21、核辅助厂房A22、安全厂房A23、电气厂房A24、连接厂房A25、核废物厂房A26。如图4所示地下洞室群C包括容纳反应堆厂房A1的反应堆厂房洞室C1，以及容纳核岛辅助厂房A2的辅助厂房洞室群C2，反应堆厂房洞室C1居中，辅助厂房洞室群C2围绕反应堆厂房洞室C1布置，其中辅助厂房洞室群C2包括容纳核燃料厂房A21的燃料厂房洞室C21、容纳核辅助厂房A22的核辅助厂房洞室C22、容纳安全厂房A23的安全厂房洞室C23、容纳电气厂房A24的电气厂房洞室C24、容纳连接厂房A25的连接厂房洞室C25和容纳核废料厂房A26的核废料厂房洞室C26，核岛A中各厂房分别布置在地下洞室群C的相应洞室中。主蒸汽管道通过管道隧洞F1，连接反应堆厂房A1和地面汽轮发电机厂房B1，连接厂房A25内设置有主蒸汽阀，控制主蒸汽管道的开合。燃料厂房洞室C21与反应堆厂房洞室C1之间设置有运输隧洞F2，用于运输核燃料。各洞室间布置兼有交通、消防、通风、管线等作用的交通隧洞F3相互连接。
上述设计在满足核工艺系统和围岩稳定要求的条件下，除反应堆洞室C1外，辅助洞室群C2的各洞室可根据实际地质条件灵活布置。如此，核岛A中的反应堆厂房A1及带放射性的辅助厂房A2置于地下洞室群C中。如图5所示，反应堆厂房洞室C1顶部70m以上设置有非能动水池D、非能动水池D布置于洞室(隧洞)内或地表。非能动水池D通过管道与反应堆厂房A1连接，以便核事故工况下冷却水自流进入反应堆厂房A1。
上述设计中地下洞室群外层还设置有核素迁移防护系统E。核素迁移防护系统E主要包括各洞室内衬砌结构层、洞周经固结灌浆的岩体层、防渗帷幕层、排水孔幕层，防止岩体中的地下水渗入地下洞室群C和阻止洞室内含放射性核素的冷却水外渗入岩体地下水进入外界生物圈。衬砌厚度、固结灌浆范围、防渗帷幕及排水孔幕的布置形式及参数，根据实际地质条件通过裂隙岩体渗流计算确定。
上述设计中反应堆厂房洞室C1为圆筒形洞室。核燃料厂房洞室C21、核辅助厂房洞室C22、安全厂房洞室C23、电气厂房洞室C24、连接厂房洞室C25、核废料厂房洞室C26均为城门洞形洞室。各洞室尺寸应满足容纳设备和洞室围岩稳定要求，各洞室间距应满足洞室间岩体稳定要求。各洞室顶部岩体厚度大于20m，本方案选择各洞室顶部岩体厚度大于70m，能防止导弹打击和飞机撞击，因目前钻地导弹的最大深度为60m。本发明所涉及的地下洞室群C应在III及以上的、地质构造简单的岩体中开挖。开挖过程中，采取的一系列人工加固措施保障洞室围岩稳定，如系统锚杆、系统锚索、混凝土喷层等。
本发明反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站由于岩体的天然屏蔽作用，其至少有如下有益效果：核电站熔堆事故下反应堆厂房A1底板熔穿时，可通过封闭反应堆厂房洞室C1，并在洞室内注硼水，以减缓核裂变反应，同时对核反应堆厂房A1进行冷却，防止熔堆事故的进一步扩大；安全壳破裂工况下，由于核素迁移防护系统E，核素不会大规模泄露至大气层；由于反应堆厂房A1及涉核辅助厂房A2均布置于地下洞室群C内，能有效避免海啸对涉核建筑物的毁坏；由于地下洞室的空间约束作用，地下核岛结构的抗震能力得到显著增强。
Claims (10)
1.反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，包括核岛(A)和常规岛(B)，所述核岛(A)利用核裂变能产生蒸汽，所述常规岛(B)利用核岛所产生的蒸汽发电，其特征在于：所述核岛(A)设置在地下洞室群(C)中，所述常规岛(B)设置在地面。
2.根据权利要求1所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述核岛(A)包括反应堆厂房(A1)及辅助厂房(A2)，所述常规岛(B)包括汽轮发电机厂房(B1)、冷却塔(B2)。
3.根据权利要求2所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述反应堆厂房(A1)包括安全壳(A15)以及安全壳(A15)内设置的反应堆(A11)、压力容器(A12)、蒸汽发生器(A13)、冷却剂泵(A14)，所述反应堆(A11)、蒸汽发生器(A13)、冷却剂泵(A14)通过管道串联形成一回路作为蒸汽供应系统。
4.根据权利要求2所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述辅助厂房(A2)包括核燃料厂房(A21)、核辅助厂房(A22)、安全厂房(A23)、电气厂房(A24)、连接厂房(A25)、核废物厂房(A26)。
5.根据权利要求2所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述汽轮发电机厂房(B1)包括设置其内的汽轮机(B11)、发电机(B12)、冷凝器(B13)，所述汽轮机(B11)通过蒸汽管道与所述蒸汽发生器(A13)串联形成二回路，高压蒸汽推动汽轮机(B11)转动，带动发电机(B12)发电；所述冷凝器(B13)与所述冷却塔(B2)通过管道串联形成三回路。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述地下洞室群(C)为坚硬岩体中人工挖成的洞室群。
7.根据权利要求6所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述地下洞室群(C)包括容纳反应堆厂房(A11)的反应堆厂房洞室(C1)，以及容纳核岛各辅助厂房(A2)的辅助厂房洞室群(C2)，其中，辅助厂房洞室群包括容纳核燃料厂房(A21)的燃料厂房洞室(C21)、容纳核辅助厂房(A22)的核辅助厂房洞室(C22)、容纳安全厂房(A23)的安全厂房洞室(C23)、容纳电气厂房(A24)的电气厂房洞室(C24)、容纳连接厂房(A25)的连接厂房洞室(C25)、容纳核废物厂房(A26)的核废料厂房洞室(C26)，所述辅助洞室群(C2)各洞室均与反应堆洞室(C1)相通。
8.根据权利要求7中所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述反应堆洞室(C1)和辅助洞室群(C2)的各洞室顶部岩体厚度不小于20m，所述反应堆洞室(C1)和辅助洞室群(C2)的各洞室间距应不小于20m。
9.根据权利要求8所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述反应堆洞室(C1)上部设置有非能动水池(D)，所述非能动水池(D)设置在岩体或者地表，通过管道与反应堆厂房(A1)连接。
10.根据权利要求9所述的反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的大型核电站，其特征在于：所述反应堆厂房洞室(C1)和辅助洞室群(C2)外侧还设置有具有防止核素迁移的防护系统(E)。
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Application publication date: 20140924 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |