CN101154472A - 一体化低温核供热堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体化低温核供热反应堆。反应堆所有一回路设备采用一体化布置，属于低、中参数压水核反应堆。反应堆堆芯采用成熟的核电站燃料组件和控制棒组件，主热交换器为整体盘管式，稳压器为内置氮气分压控制稳压器，冷却剂循环由内置喷射器和外置驱动回路的设备完成。驱动回路和设备以及主要一回路辅助系统布置在反应堆压力容器外围。反应堆安全壳由堆本体安全壳和堆顶安全壳两部分组成，堆本体安全壳为钢筋混凝土结构的堆坑和钢结构的壳体组合的结构。堆本体安全壳通过管道和阀门与密封的换料水贮存池相连。该种堆型热功率可以在50MW到500MW范围内任意选择，堆出口温度根据用途、需求和功率大小可在100－200℃范围内选择。

Description

一体化低温核供热堆
技术领域
本发明属于一种核反应堆，具体涉及一种低温核供热堆。
背景技术
核能作为一种清洁能源用于城市区域供热时，由于核安全的要求，反应堆必须建在距人口密集的城市附近区域。近几十年来，世界各国对于核能区域供热已进行了大量探索和应用研究，尽管目前国内外低温供热核反应堆设计种类很多，但由于经济性和安全性还未被人们广泛接受而未能广泛应用和发展。因此，寻求一种高度安全可靠、运行操作简单且建造和运行成本低廉的堆型是核能供热能否广泛应用的关键。
目前，核能作为城市区域供热、海水淡化和工业工艺供热的热源主要是利用核电站的抽汽和余热，专用的核能供热反应堆很少在实际工程中应用。核电站的事故概率和后果限制了靠近热负荷中心建造，复杂的安全系统和设施很难降低供热的投资和运行成本。目前的专用核能供热反应堆，如俄罗斯的AST500、清华大学核能院的NHR等都存在单堆尺寸大、一回路参数较高、系统运行控制复杂和研发工作量大及初投资和运行成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可生产低、中热源，可用于区域供热和海水淡化的、满足核安全要求且具有良好经济性的一体化低温核供热堆。
本发明技术方案如下：一种一体化低温核供热堆，反应堆堆芯位于反应堆压力容器下部，采用成熟的核电站燃料组件和相关组件，其特征在于：堆芯上部外围环腔布置有整体盘管式主热交换器，反应堆压力容器上部空间为堆内稳压器气空间，充有高于出口温度饱和压力的氮气分压，反应堆的自由水位维持在主热交换器管束以上，反应堆容器下环腔沿圆周方向布置有数台水-水喷射器。反应堆堆芯、整体盘管式主热交换器、堆内稳压器气空间和水-水喷射器由反应堆压力容器包容和支撑，组成一体化反应堆。
反应堆压力容器外围设置驱动泵，驱动泵的进出口通过管道穿过反应堆压力容器分别与下环腔和喷射器喷嘴相连，形成驱动泵出口-喷射器喷嘴-下环腔-驱动泵入口的驱动回路循环，通过驱动回路的强迫循环带动堆内冷却剂的循环。
反应堆压力容器法兰以下由堆本体安全壳包容，堆本体安全壳为圆柱形，其底部与钢筋混凝土堆坑钢覆面相连，顶部与反应堆压力容器下法兰相连。换料水贮存池的底部通过注入管和阀门与堆本体安全壳顶部的喷淋器相连，堆本体安全壳上部的大气空间通过管道与换料水贮存池水位以上的气空间相连。堆本体安全壳的外部设有钢筋混凝土环形屏蔽墙，屏蔽墙与堆本体安全壳之间的环形空间形成空气自然对流通道，用于堆本体安全壳的长期冷却。主要与反应堆冷却剂系统连接的系统和设备布置在堆本体安全壳与反应堆压力容器之间的环形空间内。圆柱形堆顶安全壳焊接在反应堆压力容器的顶盖上，其顶部为整体可拆卸顶盖，侧面开有设备检修吊装孔，堆顶安全壳包容了全部的反应堆控制棒驱动机构。
主热交换器二次侧分为几组，每组主热交换器的二次侧进出口管道设有应急余热排出进出口支管，该支管与布置在核辅助厂房顶部的空冷器相连，空冷器的二次侧由空气自然对流冷却，从而实现在事故工况下通过一回路自然循环、主热交换器和空冷器之间自然循环及空气自然循环排出余热。
两座反应堆布置在一座反应堆厂房内，两座反应堆安全壳中间为共用的乏燃料储存水池，两座反应堆共用一台换料机。反应堆密封厂房为长方形钢筋混凝土结构，设一台厂房吊车。
反应堆换料采用水下吊运方式，反应堆压力容器顶盖位于堆本体安全壳上部换料水池内，换料时在换料水池中充水、吊离顶盖后，使用换料机在反应堆和乏燃料储存水池之间吊运燃料组件。
本发明的效果在于：1.由于反应堆采用内置喷射器和外置驱动泵强迫循环，减小了反应堆的尺寸，降低了设计参数，运行调节方便，具有较高的自然循环能力，消除了大破口事故；2.由于主热交换器采用整体盘管式，使反应堆布置紧凑，体积小，检修堵管方便；3.反应堆堆本体安全壳采用钢壳与钢筋混凝土组合结构，提高了反应堆的安全性和可靠性，有利于水下换料，检修操作方便；4.由于采用了堆本体安全壳与换料水贮存池连通，使冷却剂丧失事故(LOCA)后安全壳内得到有效的冷却和水量补充，确保堆芯淹没和应急余热排出，并显著降低了堆本体安全壳的压力。
附图说明
图1是一体化低温核供热堆的结构示意图。
图2是非能动余热排出系统示意图。
图3是一体化低温核供热堆厂房布置示意图。
图4是一体化低温核供热堆用于城市区域供热原理图。
图5是一体化低温核供热堆用于海水淡化原理图。
图中：1.反应堆压力容器；2.反应堆堆芯；3.主热交换器；4.堆内稳压器；5.堆顶安全壳；6.设备检修吊装孔；7.注入管；8.喷淋器；9.环形屏蔽墙；10.堆本体安全壳；11.空气自然对流通道；12.驱动泵；13.喷射器；14.钢筋混凝土堆坑；15.应急余热排出进口支管；16.应急余热排出出口支管；17.空冷器；18.反应堆厂房；19.反应堆；20.乏燃料贮存水池；21.换料水贮存水池；22.蒸汽发生器；23.供热热交换器；24.汽轮发电机组；25.一级热网；26.海水淡化装置。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明包括由反应堆堆芯2、整体盘管式主热交换器3、堆内稳压器4和水-水喷射器13并由反应堆压力容器1包容和支撑组成的一体化反应堆。
以热功率为250MW的反应堆为例，反应堆堆芯2由69个截短的AFA燃料组件、相应的束棒控制组件和其他相关组件组成。反应堆堆芯2位于反应堆压力容器1的下部，堆芯功率密度为30kw/l左右，堆出口温度175℃，运行压力1.5MPa。堆芯2的上部外围环腔布置有整体盘管式主热交换器3，反应堆压力容器1的上部空间为堆内稳压器4的气空间，充有1.5MPa氮气分压，反应堆的自由水位维持在主热交换器3的管束以上。反应堆容器1的下环腔沿圆周方向布置有8台水-水喷射器13。
反应堆冷却剂从堆芯2的底部进入，向上流过堆芯2，再向上流过堆芯2的上部腔室，在反应堆自由水位以下折返向下进入主热交换器3的环腔，在主热交换器3的环腔内，冷却剂由上向下在管外流动，从主热交换器3出口进入堆内喷射器13，经喷射器13增压后折返进入反应堆堆芯2入口。
反应堆压力容器1的外围设置有4台驱动泵12，驱动泵12的进出口管道穿过反应堆压力容器1，分别与反应堆的下环腔和喷射器13的喷咀相连，形成驱动泵出口-喷射器-下环腔-驱动泵入口的驱动回路循环，通过驱动回路的强迫循环带动堆内冷却剂的循环。
直径为8.8m的堆本体安全壳10的下部与钢筋混凝土堆坑14的钢覆面相连，顶部与反应堆压力容器1的下法兰相连。堆本体安全壳10内上部大气空间通过管道连接到换料水贮存池21的上部气空间，换料水贮存池21的底部通过注入管7和阀门与堆本体安全壳10上部的喷淋器8相连。冷却剂丧失事故(LOCA)后，堆本体安全壳10内的蒸汽进入换料水贮存池21，并被冷凝，换料水贮存池21中的水靠重力注入堆本体安全壳10内，使堆本体安全壳10内冷却，维持较低的压力，并保证堆芯2和主热交换器3的管束被水淹没。堆本体钢安全壳10的顶部开有设备检修吊装孔6，堆本体安全壳10的外部设有钢筋混凝土环形屏蔽墙9，屏蔽墙9与堆本体安全壳10之间的环形空间形成空气自然对流通道11。屏蔽墙9的下部设有进气口，顶部与堆本体安全壳10的设备检修吊装孔6对应，设有空气出口。主要与反应堆冷却剂系统连接的系统和设备布置在堆本体安全壳10与反应堆压力容器1之间的环形空间内。圆柱形堆顶安全壳5焊接在反应堆压力容器1的顶盖上，顶部为整体可拆顶盖，侧面开有检修孔，堆顶安全壳5包容了全部的反应堆控制棒驱动机构。
主热交换器3的二次侧分为4组，每组主热交换器3的二次侧进出口管道设有应急余热排出进出口支管15、16，该支管与布置在核辅助厂房顶部的空冷器17相连，空冷器17的二次侧由空气自然对流冷却，从而实现在事故工况下通过一回路自然循环、主热交换器3和空冷器17之间自然循环及空气自然循环排出余热。
两座反应堆19布置在一座反应堆厂房18内，两座反应堆19的堆本体安全壳10的中间为共用的乏燃料储存水池20，每座反应堆19设置两个换料水贮存池21，布置在换料水池的两侧。一台换料机交替供两座反应堆换料使用。反应堆厂房18为长方形钢筋混凝土结构，设有一台厂房吊车。
反应堆19的换料采用水下吊运方式，反应堆压力容器1的顶盖位于堆本体安全壳10的上部换料水池内，换料时在换料水池中充水，吊离顶盖后，使用换料机在反应堆19和乏燃料储存水池20之间吊运燃料组件。
该种堆型热功率可以在50MW到500MW范围内任意选择，堆出口温度根据用途、需求和功率大小可在100-200℃范围内选择。
本发明作为城市区域供热应用时，通过主热交换器3的二次侧被加热的二回路热水首先进入蒸汽发生器22的一次侧，然后再通过供热热交换器23的一次侧返回主热交换器3。蒸汽发生器22产生低压蒸汽驱动汽轮发电机24发电，供热热交换器二次侧接入一级热网25。
本发明作为海水淡化时，通过主热交换器3的二次侧被加热的二回路热水进入蒸汽发生器22的一次侧，然后返回主热交换器3。蒸汽发生器22产生低压蒸汽驱动汽轮发电机24发电，汽轮机末级72℃的排气直接接入低温多效海水淡化装置26的加热级，作为海水淡化的热源。

Claims (1)

1.一种一体化低温核供热堆，包括反应堆压力容器(1)、设置在反应堆压力容器(1)内的反应堆堆芯(2)、主热交换器(3)和稳压器(4)以及包容了整个反应堆的安全壳，其特征在于：在所述的反应堆压力容器(1)内与堆芯(2)的外围下环腔设置有数个水-水喷射器(13)，反应堆压力容器(1)的外围设置有数个驱动泵(12)，驱动泵(12)的进出口通过管道分别与堆芯(2)外围的下腔环和喷射器(13)的喷咀相连；所述的主热交换器(3)为整体盘管式，其二次侧进出口管道设有应急余热排出进出口支管(15、16)，该支管与分布在核辅助厂房顶部的空冷器(7)相连；所述的安全壳由堆顶安全壳(5)和堆本体安全壳(10)组成，堆本体安全壳(10)的上部与反应堆压力容器(1)的下法兰相连，并开有设备检修吊装孔(6)，其下部与钢筋混凝土堆坑(14)的钢覆面相连；在堆本体安全壳(10)内包容了全部反应堆冷却剂和主要辅助系统设备和管道，其外部还设有钢筋混凝土环形屏蔽墙(9)，屏蔽墙(9)与堆本体安全壳(10)之间的环形空间形成空气自然对流通道(11)；堆本体安全壳(10)的大气空间通过管道与密封的换料水贮存池(21)相连；换料水贮存池(21)的底部通过注入管(7)和阀门与堆本体安全壳(10)上部的喷淋器(8)相连；堆顶安全壳(5)焊接在反应堆压力容器(1)的顶盖上，其顶部为整体可拆顶盖，侧面开有设备检修吊装孔(6)，堆顶安全壳(5)包容了全部的反应堆控制棒驱动机构。
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