CN101325091B - 用于确定核反应堆中的冷却剂水平和流速的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定核反应堆中的冷却剂水平和流速的系统和方法，一种沸水反应堆(10)包括反应堆压力容器(12)，其具有用于将再循环的蒸汽冷凝物和/或补给冷却剂引入至容器(12)内的给水进口(14)和用于排出所产生的蒸汽以用于合适操作的蒸汽出口(16)。燃料芯部(18)位于压力容器(2)的下部区域内。燃料芯部(18)由芯部护罩(20)所围绕，该芯部护罩(20)与压力容器(12)的壁向内间隔，以提供在容器壁和芯部护罩(20)之间形成冷却剂流径的环形下降管(22)。探测器系统(40)包括传导率/阻性探测器(42，44)和/或一个或多个时域反射(TDR)探测器(46)的组合，并且至少部分地位于下降管(22)内。探测器系统(40)测量下降管(22)内的冷却剂水平(38)和流速。

Description

用于确定核反应堆中的冷却剂水平和流速的系统和方法
技术领域
关于美国联邦政府资助的研究&开发的声明：本发明在美国能源部授予的合同号DE-FC07-05ID14635和DE-FC07-05ID14636下受美国政府支持而产生。美国政府在本发明具有一定权利。
本发明大体涉及用于确定单相和/或两相流体系统中的流体水平和流速的装置，并且尤其涉及用于利用导电率(EC)探测器、导热率(TC)探测器和一个或多个时域反射(TDR)探测器的组合确定自然再循环沸水反应堆(BWR)的下降管(downcomer)中的流体水平(level)和流速的装置。
背景技术
沸水核反应堆通常包括蒸汽产生设备，其中，反应堆水冷却剂循环通过产生热量的可裂变核燃料的芯部(core)，以将热能从燃料传递至冷却剂，从而产生从燃料芯部中出现的两相蒸汽-水混合物。利用定位在芯部下游和上方的蒸汽-水分离器和蒸汽干燥器，将来自加热芯部的向上流动的混合物分成其相应的相态，因此，该蒸汽从反应堆容器中输出，以用于蒸汽驱动的涡轮或其它装置，而液态水相作为冷却水被循环。
在用于发电的典型沸水反应堆中，反应堆冷却水绕如下流径连续地循环：向上通过产生热量的燃料芯部；然后向上通过置于燃料芯部上方的上部出口压室(plenum)，其用于收集和引导向上通过燃料芯部的所有冷却剂。然后，冷却水通过定位在芯部出口压室上方的蒸汽分离器的组件；并且然后沿称为“下降管”的环形区域最终返回地向下移动至芯部的外面，以使该液体冷却剂再循环并使其返回至燃料芯部。
先前已知的是，可利用导电率(EC)探测器确定液体的水平，术语水平也称为液位。在这种传导率探测器中，多种波形可用于询问。在一个示例中，跨过两个电极之间的间隙施加恒定电压(AC)。所得电流的幅值由介质传导电流的能力所确定，其中导纳为阻抗的倒数。在另一个示例中，跨过两个电极之间的间隙施加恒定电压(DC)。所得电流的幅值由介质传导电流的能力所确定，其中电导为电阻的倒数。
在基于TDR的水平测量装置中，由传感器电路产生的一个或一系列的低能电磁脉冲沿薄波导器(也称为探测器)传播，该薄波导器通常包括单根长电磁波导线或者长导线(诸如金属杆、钢缆或者共轴固定的金属位于中间的金属薄管)的阵列。当这些脉冲碰撞待测量的介质表面时，阻抗失配(由于两种相态的不同的介电常数)使脉冲能量的一部分从探测器向上反射回至电路(由于介电特性的失配)，该电路然后根据在脉冲发送和脉冲反射之间的持续时间(纳秒级)计算流体水平。
在这种自然循环核反应堆的运行中，每燃料组件单元的最大功率主要取决于流过燃料芯部的这种再循环冷却剂流。此外，与强制循环BWR设计的流动几乎一致的重要束(significant bundle)自然循环流动实现在经济简化型沸水反应堆(ESBWR)设计中。因此，希望精确地测量流过核反应堆、尤其为自然循环BWR的下降管的这种再循环流动的流率。
因此，希望提供用于测量多相流体系统中的芯部内的流体水平和流速的系统和方法，该多相流体系统是例如沸水核反应堆。
发明内容
简而言之，在本发明的一个方面中，沸水反应堆包括：反应堆压力容器；芯部护罩(shroud)，其同心地布置在反应堆压力容器内部，以提供在反应堆压力容器的壁与芯部护罩之间形成冷却剂流径的环形下降管；和探测器系统，其用于确定反应堆内的流体的液位和流速中的一种。
在本发明的另一个方面中，用于检测核反应堆中的冷却剂的液位和流速的探测器系统以组合的形式包括传导率探测器和时域反射计，其中，探测器系统至少部分地布置在核反应堆的下降管中。
在本发明的另一个方面中，测量沸水反应堆的下降管中的冷却剂的水平和流速的方法包括以下步骤：
测量在反应堆的下降管内的冷却剂的传导率和阻性中的一种；并且
测量电磁脉冲的反射时间，以确定在反应堆的下降管内的冷却剂的水平。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细说明时，本发明的这些以及其它的特征、方面和优点将变得更加明显，其中，在整个附图中相似的符号表示相似的部分，在附图中：
图1是自然循环型沸水核反应堆的视图，其结合有根据本发明实施例的用于确定下降管中的冷却剂水平和流速的探测器系统；
图2是探测器系统的一种可能组合的侧视图，该探测器系统包括位于下降管内的期望位置处的多个导热率(TC)探测器；
图3是探测器系统的另一种可能组合的侧视图，该探测器系统包括位于下降管内的期望位置处的多个导热率(TC)探测器和多个导电率(EC)探测器；
图4是探测器系统的另一种可能组合的侧视图，该探测器系统包括位于下降管内的期望位置处的多个导电率(EC)探测器，和一个或多个时域反射(TDR)探测器；和
图5是探测器系统的又一种可能组合的侧视图，该探测器系统包括位于下降管内的期望位置处的多个导热率(TC)探测器和多个导电率(EC)探测器，以及一个或多个时域反射(TDR)探测器。
附图标记
10     BWR
12     压力容器
14     给水进口
16     蒸汽出口
18     燃料
20     芯部护罩
22     下降管
24     芯部出口压室
26     开放蒸汽空间(open steam space)
28     蒸汽分离器
30     蒸汽压室
32     外围护罩
34     蒸汽干燥器
36     烟囱状物
38     冷却剂水平
40     探测器系统
42EC   探测器
44TC   探测器
46TDR  探测器
具体实施方式
参考图1，沸水反应堆10包括反应堆压力容器12，其具有用于将再循环的蒸汽冷凝物和/或补给用冷却剂(makeup coolant)引入容器12内的给水进14内，和用于排出所产生的蒸汽以用于合适操作(例如驱动发电涡轮)的蒸汽出口16。
产生热量的可裂变燃料的芯部18位于压力容器12的下部区域内。燃料芯部18由芯部护罩20围绕，该芯部护罩20与压力容器12的壁向内间隔，以提供在容器壁和芯部护罩20之间形成冷却剂流径的环形下降管22。
开放区域置于燃料芯部18和燃料芯部护罩20上方，并且包括由任一个开放蒸汽空间26限定的芯部出口压室24，该开放蒸汽空间26从燃料芯部护罩20向上延伸至反应堆容器12的上部。在某些设计中，开放蒸汽空间26可包括烟囱状物36。烟囱状物36(如果存在的话)和燃料芯部护罩20与反应堆压力容器12的壁径向向内地间隔，以用于环形下降管22，该环形下降管22形成在容器壁与护罩20和烟囱状物36(如果存在的话)之间的冷却剂流径，该护罩20和烟囱状物36(如果存在的话)分别限定燃料芯部18和芯部出口压室24。
多个蒸汽分离器28从开放蒸汽空间26(或者烟囱状物36，如果存在的话)的顶部延伸。包括湿蒸汽压室30的区域在芯部出口压室24的上方间隔一定距离，该湿蒸汽压室30由外围护罩32与顶板限定。蒸汽干燥器34安装在顶板上，用于将分离的且干燥的蒸汽供应至蒸汽出口管道16。
给水冷却剂通过进口14进入压力容器12，并且与通过蒸汽分离器28与蒸汽分离的循环的液态水冷却剂相混合。结合的冷却水在容器12的侧壁与护罩20和烟囱状物36(如果存在的话)之间的环形下降管22中向下流动至容器12的底部。然后，循环冷却水在芯部护罩20的底部附近改变方向，并且通过下部芯部压室向上流入并流过核燃料的产生热量的芯部18，因此，该循环冷却水作为蒸汽和液态水的混合物而上升进入芯部出口压室24内。在反应堆的运行期间连续地维持冷却剂的这种再循环回路，以从燃料芯部18中移除热量。包括来自燃料芯部的蒸汽和水的混合物的循环冷却剂向上通过芯部出口压室24并进入蒸汽分离器28内，在该蒸汽分离器28处，将分离的蒸汽相向上引导至干燥器34，并且将液态水相侧向地分流以重新进入向下流过环形下降管22的循环冷却水，从而再次重复该循环。
如上所述，与强制循环BWR设计的流动几乎一致的重要棒自然循环流动可在诸如经济简化型沸水反应堆(ESBWR)设计的某些自然循环沸水反应堆设计中实现。本发明的一个方面是精确地测量图1中的箭头所示的向下流过环形下降管22的循环冷却水的流速或流率和冷却剂水平38。该方面由于提供总体表示为40的探测器系统而实现，该探测器系统至少部分地位于反应堆10的下降管22内。
在实施例中，探测器系统40包括多个导电率(EC)探测器42和/或多个导热率(TC)探测器44(还称为受热连接热电偶(heated junctionthermocouple)(HJT))以及一个或多个时域反射(TDR)探测器46的组合。具有固定电池常数的EC探测器42用于测量周围介质的导电率或阻抗。由于蒸汽和水的电特性显著不同(蒸汽的导电性比水差)并且已知每个EC探测器42的位置，可确定向下流过环形下降管22的冷却剂的组成。通过利用垂直地布置在下降管22内的各种已知位置处的多个EC探测器42，可在EC探测器42所处的离散点处确定在环形下降管22的较大区域上的冷却剂水平38。因此，除了冷却剂水平38正好位于探测器位置的很少出现的情况之外，导电率探测器42指示超过和低于两个相邻的离散的EC探测器高度的冷却剂水平38。EC探测器42的示例为可在市场上从Solartron Mobrey Limited的ModelNo.TB/hyd009获得的类型。
TC(或HJT)探测器44包括用于测量周围介质的导热率的多个电阻温度装置。由于蒸汽和水的热特性显著不同(蒸汽的导热性比水差)并且已知探测器44的位置，故可推断向下流过环形下降管22的冷却剂的组成。通过利用竖直地布置在下降管22内的各种已知位置处的多个探测器44，可在TC(或HJT)探测器44所处的离散点处确定在环形下降管22的较大区域上的冷却剂水平38。因此，除了冷却剂水平38正好位于探测器位置的很少出现的情况之外，TC探测器44指示超过和低于两个相邻的离散的TC探测器高度的冷却剂水平38。此外，诸如水或蒸汽的流动材料从探测器44上移除更多的热能。因此，可确定向下流过下降管22的冷却水的流速。TC探测器44的示例为可在市场上从Magnetrol International，Inc的Thermatel
Figure S2008100996676D00061
ModelNo.TD1/TD2获得的类型。
TDR探测器46沿缆线或杆向下发射一个或多个电磁脉冲，并且测量由于蒸汽和水之间的介电差异而引起的脉冲反射的时间延迟。因此，TDR探测器46用于测量向下流过下降管22的冷却水的液体水平。TDR探测器44的示例为在市场上可从Magnetrol International，Inc的Eclipse
Figure S2008100996676D00071
Enhanced Model No.705和Endress+Hauser，Inc的ModelNo.Level flex M FMP41C和FMP45获得的类型。
在运行中，探测器系统40包括EC探测器42和TDR探测器46的组合、TC探测器44和TDR探测器46的组合或者EC探测器42、TC探测器44和TDR探测器46的组合中的任一种。亦即，探测器系统40包括多个传导率/阻性探测器(EC探测器42和/或TC(或HJT)探测器44)，以及一个或多个TDR探测器46，从而使反应堆容器12所需的穿孔数最少。EC探测器42或TC(或HJT)探测器44放置在期望位置处，用于连同TDR探测器46进行位置点(point)液位测量。传导率探测器42，44的间断测量和一个或多个TDR探测器46的连续测量用于校准并校正用于反应堆10的下降管22内的冷却剂水平的测量。
通过将用于每种探测器42，44，46的技术属性组合成用于下降管中的液位测量和流体速度的统一的探测器系统40，每种探测器的优点组合为提供协同效应，该协同效应将优化可变的(两相)环境中的响应时间、精确度、故障确定和操作。具体地，由于介电常数和导电率之间的关系，故EC探测器42可协同一个或多个TDR探测器46使用，以校正可改变TDR探测器46的精确度的水导电率的偏差。
此外，对于例如蒸汽和水的环境的多相环境，介电常数的改变将影响来自TDR探测器46的反射脉冲信号的幅值，因此在由探测器42，44测量的传导率变化中的变化补偿可用于调节TDR探测器46的接收器灵敏度(和精确度)。此外，在泡沫层存在于蒸汽层和水层之间的多相环境的情况下，离散的传导率探测器42，44和连续的TDR探测器46的组合信息可比单独来自的传导率探测器和TDR探测器的测量值更加可靠和提供更多的信息。例如，TDR探测器46可测量来自蒸汽/泡沫界面和泡沫/水界面的多重反射，而传导率探测器42，44可利用来自蒸汽层、泡沫层和水层的不同的传导率测量来确认TDR探测器46的测得的信息。
如上所述，探测器系统40包括多个导电率(EC)探测器42和/或多个导热率(TC)探测器44(也称为受热连接热电偶(HJT))以及一个或多个时域反射(TDR)探测器46的组合。现在参考图2-5，现在将描述探测器系统40的各种组合。一种组合示于图2中，其中探测器系统40包括位于期望位置的多个TC探测器44，其在反应堆10的下降管22内离散地检测冷却剂水平并且连续地检测冷却剂流速。
另一种组合示于图3中，其中探测器系统40包括离散地检测冷却剂水平的放置在期望位置处的多个EC探测器42，和位于期望位置处的多个TC探测器44，其在反应堆10的下降管22内离散地检测冷却剂水平并且连续地检测冷却剂流速。
又一种组合示于图4中，其中探测器系统40包括离散地检测冷却剂水平的放置在期望位置处的多个EC探测器42，和TDR探测器46，其基本上在探测器系统40的长度上延伸，用于在反应堆10的下降管22内连续地检测冷却剂水平。
在图5所示的又一种组合中，探测器系统40包括离散地检测冷却剂水平的放置在期望位置处的多个EC探测器42，和放置在期望位置处的多个TC探测器44，其在下降管22内离散地检测冷却剂水平38并且连续地检测冷却剂流量。探测器系统40还包括TDR探测器46，其基本上在探测器系统40的长度上延伸，用于在反应堆10的下降管22内连续地检测冷却剂水平。
如上所述，探测器系统40确定反应堆10的下降管22中的冷却剂水平。此外，TC探测器44允许确定流速。因此，探测器系统40不需要传统的反应堆设计所需的差压系统，从而降低了反应堆设计的成本和复杂性。
应理解的是，本发明不受探测器系统40的位置所限制，并且本发明可在其它场合用于确定两相冷却剂或单相冷却剂的冷却剂水平38和流速。例如，探测器系统40可用于测量压水反应堆(PWR)的蒸汽发生器中的液位和流速。
包括具体实施方式的详细描述使用示例公开本发明，并且使本领域技术人员能够实施和应用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所设想的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的字面含义相似的结构元件或者如果这些其它示例包括与权利要求的字面含义存在非实质性区别的等效结构元件，则这些其它示例将在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种沸水反应堆(10)，其包括：
反应堆压力容器(12)；
芯部护罩(20)，其同心地布置在所述反应堆压力容器(12)内部，以提供在所述反应堆压力容器的壁与所述芯部护罩(20)之间形成冷却剂流径的环形下降管(22)；
探测器系统(40)，其用于确定所述反应堆(10)内的冷却剂水平(38)和流速中的一种；以及
探测器系统(40)以组合的方式包括传导率探测器(42，44)和时域反射探测器(46)，其中，所述探测器系统(40)至少部分地布置在所述反应堆(10)的下降管(22)中，用于确定所述反应堆(10)的下降管(22)内的冷却剂水平(38)和流速。
2.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述传导率探测器(42，44)包括导电率探测器(42)和导热率探测器(44)中的一种。
3.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述沸水反应堆(10)是自然循环沸水反应堆。
4.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述沸水反应堆(10)包括沸水核反应堆。
5.一种确定沸水反应堆(10)的下降管(22)中的冷却剂水平(38)和流速的方法，其包括步骤：
在所述反应堆(10)的下降管(22)内的离散位置处测量所述冷却剂的传导率和阻性中的一种；并且
在所述反应堆(10)的下降管(22)内测量一个或多个电磁脉冲的反射时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述下降管(22)内测量所述冷却剂的传导率和阻性中的一种的步骤，提供所述下降管(22)内的冷却剂水平(38)的离散测量和流速的连续测量中的一种。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述下降管(22)内测量一个或多个电磁脉冲的反射时间的步骤，提供所述下降管(22)内的冷却剂水平(38)的连续测量。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过在位于所述下降管(10)中的成对的探测器(42，44)中测量温度和电流中的一种，执行所述测量所述下降管(22)内的冷却剂的传导率和阻性中的一种的步骤。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过测量所述下降管(22)内的冷却剂(38)的传导率来校正用在测量所述反射时间中的介电常数的步骤。
10.一种通过从位于沸水反应堆(10)的下降管(22)中的多个传导率探测器(42，44)和时域反射探测器(46)中连续地和离散地接收信号来确定沸水反应堆(10)的下降管(22)中的冷却剂水平(38)和流速的方法。
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