CN1013530B - 强迫—自然循环池式供热反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种常压，不需深水池并能提供较高承温，功率可达100MW左右的常压池式供热反应堆。这种反应堆是一体化强迫——自然循环，十分安全，更为经济。本发明采用轴流泵以消除不稳定性并大幅度的提高堆芯出口水温，减小水池深度和主换热器换热面积，在轴流泵入口处加装喷射器，余热冷却系统采用文特里管等。

Description

本发明属核反应堆领域，尤其涉及核能在供热方面应用的池式供热堆。

目前使用核能于供热方面，世界上仅有两个国家已建成专用的反应堆，其一是苏联，它建造成了试验堆VK-50及商用堆ACT-500（正装调中），苏联供热堆的特点是压力壳式，供热堆压力较高，供热参数也高，适于大型热网使用。另一个建成了供热堆的国家是加拿大，它建成了SLOWPOKE型供热堆，其特点是常压水池自然循环式，其供热功率及参数受到常压水沸腾温度的限制，若要提高供热温度及热功率，必需加深水池，并采用特殊型式的换热器来减小流动阻力，以保证提高功率后仍能靠自然循环载出全部功率，目前加拿大建成的常压水池式堆最大功率为10MW（热）。

但是，作为集中供热的热源，供热反应堆应有较大的功率，才具有实际意义，并且作到经济规模。

若将功率提高到100MW左右，则常压池式堆将要求池深很高，并且采用特殊型式（如板式）换热器，以减小循环阻力，同时，为防止出现流动不稳定，反应堆出口载热质温度应有较大过冷度，这就降低了热网的经济性，这些都要求进行大量的发展研究工作。此外，深水池的换料检修方面也还有一些特殊的困难问题须要加以研究解决。

本发明的目的，在于提供一种压力为常压的，不需深水池并能提供较高水温，功率可达100MW左右的常压池式供热反应堆。这种反应堆是十分安全、更为经济的。

本发明的主要设计方案是：采用一种一体化强迫-自然循环常压水池式核供热反应堆。采用轴流泵以消除不稳定性并大幅度的提高堆芯出口水温，减小水池深度和主换热器换热面积;在轴流泵入口处加装喷射器，以保证在低功率下能以自然循环方式工作;喷射器装在水面下3～5米处，以防止闪蒸;余热冷却系统中采用文特里管以防止发生停滞、倒流和冬季室外管路冻结;采用各控制棒钢丝绳滑轮导向在堆顶集结、拖动以避免在堆内先集结成控制棒组，整个寿命期内的废燃料元件全部布置在堆芯周围，以简化装卸料过程，提高经济性。

本发明的要点是：

1.采用轴流泵，以载出堆的全功率，较之自然循环式常压池式堆，这样作的益处是消除了不稳定性威胁，可将供热温度大幅度提高;可在池深大为减小如由30m左右降至13m的情况下保证循环流量，消除由于池深带来的装卸料及检修困难;它可大大地减小换热器尺寸，由于传热能力远比自然循环时为强，温压也大，使得用普通型式的换热器已完全能满足载出全功率的需要，因而不再需要研制新型换热器，这些将使投资降低，建造周期缩短。

2.泵入口附近采用喷射器，使得常压池式堆保持了自然循环的特点。当轴流泵运行时，喷射口自池内抽入少量冷水，与换热器出水一起进入轴流泵，抽入水量与控制棒冷却水量相当以保持池水平衡，当轴流泵停转时，池水可通过喷射器形成自然循环，它可载出反应堆额定功率的15%左右，能充分满足余热冷却的需要，故它具有全功率自然循环堆同样的安全性但却无需加深水池。

3.喷射口在自由水面下4m处，因此具有不小于0.14MPa的压力，在给定设计堆芯出口温度下，即使在换热器突然停止工作的瞬态过程中，也不会因高温水上到喷射口而出现闪蒸。

4.在余热冷却系统中，采用文特里管加空气冷却器组成的自然循环回路，这就完全防止了余热回 路上出现停滞、倒流及冬季室外管路冻结的可能性，保证连续的与主冷却回路同向的自然循环冷却。

5.采用滑轮导向控制棒组，每根棒都由钢丝绳引至堆顶，通过滑轮导向至转动机械转轮上，而不需在堆内予先将几根控制棒集结成束。这样，机构可为简化。

6.本反应堆是一个常压池式强迫-自然循环一体化反应堆，堆的最大功率可达100MW左右，堆体为一内衬钢套的混凝土水池，水池直径约为4m～5m，（视功率而定），池深12～14m，堆芯置于池的底部，池内装满高纯水（一回路载热质），水自堆芯入口处以100℃的温度进入，升温至110℃离开堆芯经堆芯顶部的抽汲段进入布置在抽汲段与池壳形成的环状空间内的主换热器，经主换热器冷却至100℃后的水进入喷射器，喷射器抽入少量池水后进入轴流泵，经泵加压的水被送还堆芯底部，形成闭合回路。

燃料为普通棒式元件，直径φ10，锆合金包壳，每96～99根为一组，按10×10缺角方式布置，各元件组之间的角上，布置着控制棒，安全棒、补偿棒等吸收体，吸收体为碳化硼制成，主换热器采用直管式，管内为二回路冷却水，管外为横向流动的一回路载热质，二回路（见图2，系统示意图）冷却水温度为100/65℃，二回路冷却水将得自一回路载热质的热量通过热网换热器传入热网回路，起到了隔开放射性水与热网水的作用，热网水温度为90/55℃。

余热系统并联于二回路上，自主换热器出来的二回路水，由旁路引入布置于屋顶上的空气冷却器，经冷却段下降至二回路循环泵出口处的文特里管吸口，形成闭合循环，这样，运行时有少量二回路水经空冷器进行循环，防止了冬季余热系统冻结，另一方面，不论循环泵停转与否，余热系统的循环不会倒向，这就消除了由于循环要倒换方向而引起的停滞或循环迟迟不能建立的威胁。

此外，尚有池水净化系统，注硼停堆系统，控制、电气、通讯、补充水、采暖、电气、设备冷却等系统，与普通池式堆大同小异，此处不再一一列举。

附图说明：图1为堆体布置图、图2为主要系统示意图

（1）钢衬水泥壳、（2）堆芯、（3）抽汲管、（4）换热器（5）轴流量、（6）隔断阀、（7）喷射器、（8）文特里管、（9）空冷器、（10）循环泵、（11）热网水泵、（12）补水罐、（13）注硼罐、（14）注硼管。

结合附图进一步详细描述。

整个堆体布置在一个钢衬水泥壳（1）内，堆芯（2）置于底部的支架上，堆芯顶上为高1.5m的抽汲管（3），在水池周围布置着4台主换热器（4）和4台轴流泵（5），一回路载热质自堆芯（2）出口（110℃）经抽汲管（3）进入主换热器（4），被冷却至100℃后经喷射器（7），（喷射器装在自由水压下4m处）进入轴流泵，然后被压送至堆底部，形成闭合循环。

实施例：

本实例中堆芯采用φ10的锆包壳元件，U²³⁵平衡加浓度为3%，总装料量5290分斤，控制补偿棒共49根，平均反应性当量为0.3-0.4%。

堆芯高度为1.4m，相当直径约1.4m。

主换热器长4m，总换热面约1530m²，共4台。

轴流泵4台，扬程0.8bar，流量2150吨/时。

钢衬水泥壳直径为4m，厚1m，高12.5m，全部布置在地平面以下，以策安全。

二回路由循环泵，主换热器管侧，热网换热器管侧及二个调节阀组成，压力为0.2MPa，温度为100/65℃，热网回路由热网水泵（11）及热网干支管网组成，是核供热站的热力用户。

余热系统由装在二回路上的文特里管（8），余热空冷器（9）及隔断阀（6）组成，正常运行时，文特里管（8）产生的抽力使二回路部分水自主换热器（4）出来后流经位于屋顶上的空冷器（9），然后与循环泵（10）来水混合，流入主换热器入口。

补水罐（12）是一个常压水罐，靠重力必要时向池内补水。

注硼系统是由一个硼液罐（13）和注硼管（14）组成，注硼罐位于地面上，可靠重力必要时将硼液注入堆芯（注硼管直通到堆芯底部）。

其余系统如控制系统、棒传动系统、水净化系统、设备冷却水系统、电气系统、通风系统，废物 处理贮存系统等，均与其它型式核供热站大同小异，不再一一论述。

下面列出100KW一体化池式强迫-自然循环供热堆的主要参数。

堆芯高度    1.4m

堆芯相当直径    约1.4m

燃料盒数    68盒

每盒棒数    96-99根

元件直径    10mm

总装UO₂量 5290公斤

平衡加浓度    3%

一回路温度    110/100℃

一回路流量    8600吨/时

主泵功率    60KW×4

主换热器台出    4台

主换热面积 ～1530m²

主换热器长度    4m

二回路温度    100/65℃

二回路流量    2457吨/时

二回路压力    0.2MPa

循环泵功率    45KW×2

热网水温度    90/55℃

热网换热器台数    2

热网换热器长度    10m

热网换热器换热面积 ～1700m²

Claims (1)

1、一种堆芯在水池底部换热器在常压水池中的一体化强迫-自然循环、其控制棒采用机械传动的核供热反应堆，其特征在于：

(1)采用在池顶盖上装有以消除不稳定性并大幅度提高堆芯出口水温，减少水池深度，减少主换热器换热器面积的轴流泵[5]；

(2)在轴流泵入口附近处加装以保证在低功率下能以自然循环方式工作的喷射器[7]；

(3)喷射器装在足以防止闪蒸的自由水面下3～5米处；

(4)余热冷却系统中采用以防止发生停滞、倒流和冬季室外管路冰结的文特里管[8]和空气冷却器[9]；

(5)控制棒传动采用滑轮导向；

(6)堆芯、循环泵、喷射器及主换热器等形成的闭合回路设备全部布置在一个内衬钢套的常压水池内，闭合回路设备接近于大气压。

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