CN101861627B - 用于核反应堆的稳定启动系统 - Google Patents

Abstract

一核反应堆模块包括容纳冷却剂的反应堆容器、浸没在冷却剂中的反应堆芯以及被配置为从冷却剂移除热的热交换器。该核反应堆模块还包括一个或多个加热器，这些加热器被配置为在启动操作期间和在反应堆芯变成临界状态之前向冷却剂添加热。

Description

用于核反应堆的稳定启动系统

背景技术

在被设计成带有被动操作系统的核反应堆中，应用物理规律以确保，在正常运行期间，或者甚至在紧急情况下，在没有操作者干预或监督的情况下，能维持核反应堆安全运行至少某一段预定时间。在爱达荷国家工程与环境实验室(Idaho National Engineering andEnvironmental Laboratory)、NEXANT和俄勒冈州立大学核能工程学院(Nuclear Engineering Department of Oregon State University)支持下实施的多应用小型轻水反应堆(Multi-Application SmallLight Water Reactor)项目寻求开发一种安全且经济的自然轻水反应堆。图1示出了源于此项目的一个核反应堆设计5。

该核反应堆设计5包括一个被反应堆容器2围绕的反应堆芯6。反应堆容器2中的水10围绕反应堆芯6。该反应堆芯6还位于屏蔽罩22中，该屏蔽罩22绕反应堆芯6的侧面围绕该反应堆芯6。当水10由于裂变事件而被反应堆芯6加热时，水10被从屏蔽罩22引导排出上升管24。这导致更多的水10被吸入反应堆芯6中且被反应堆芯6加热，这将更多的水10吸入到屏蔽罩22中。自上升管24排出的水被冷却且被朝环形空间23引导，接着通过自然循环返回至反应堆容器2的底部。由于水10被加热，在反应堆容器2中产生加压蒸汽11。

热交换器35使给水和蒸汽在辅助冷却系统30中循环，以便用涡轮32和发电机34产生电力。给水流过热交换器35并变成过热的蒸汽。辅助冷却系统30包括一冷凝器36和给水泵38。辅助冷却系统30中的蒸汽和给水与反应堆容器2中的水10隔离，使得它们不得混合或彼此直接接触。

反应堆容器2被安全壳4围绕。该安全壳4被放置在水池16中。水池16和安全壳4位于地基9以下处于反应堆舱7中。安全壳4被设计为使得不允许来自反应堆容器2的水或蒸汽漏到水池16或周围环境中。在紧急情况下，蒸汽11通过蒸汽阀8从反应堆容器2排放到安全壳4的上半部14中，以及水10在其通过水下排放阀18被释放时急骤蒸发，所述水下排放阀18位于抑压池12中。该抑压池12包括过冷水。

自然循环核动力反应堆的核物理学和热水力学紧密联系。反应堆芯6产生热，该热产生为驱动流过回路的流而所需的浮力。反应堆容器2中流动的水既充当反应堆芯冷却剂又充当流体减速剂，该流体减速剂使由反应堆芯6中的裂变过程产生的中子慢下来。流体减速剂的温度强有力地影响在反应堆芯6中产生热的核裂变过程。进而，流体减速剂的温度是由反应堆芯动力和流体流率控制的。

当将控制棒提出以使芯到达向流体添加热这一点临界状态时，核物理学和热水力学之间的紧密联系使自然循环核反应堆的启动潜在地不稳定。

本发明解决这些以及其他问题。

发明内容

一种稳定启动系统在此被公开为包括放在反应堆容器中的反应堆芯，以及被配置为从该反应堆容器移除热的散热器(heat sink)。该稳定启动系统还包括电力驱动的加热器，该加热器被配置为在初始化反应堆芯之前向反应堆容器添加热。

一种核反应堆模块在此被公开为包括容纳冷却剂的反应堆容器、浸没在冷却剂中的反应堆芯以及被配置为从冷却剂移除热的热交换器。该核反应堆模块还包括一个或多个加热器，这些加热器被配置为在启动操作期间和在反应堆芯变成临界状态之前向冷却剂添加热。

在此公开了一种用于核反应堆的启动方法，其中该方法包括启用加热系统以增加主冷却剂的温度。该方法还包括从主冷却剂移除热，其中液体密度上的差导致主冷却剂通过反应堆芯的自然循环。该方法还包括停用加热系统并初始化反应堆芯以实现临界状态。

附图说明

图1示出了本领域中已知的一个核动力系统。

图2示出了包括了稳定启动系统的新颖动力模块组件。

图3A和3B示出了第一示例性功率瞬态(power transient)的运行状况的变化速率。

图4A和4B示出了第二示例性功率瞬态的运行状况的变化速率。

图5A和5B示出了第三示例性功率瞬态的运行状况的变化速率。

图6示出了稳定启动系统的另一实施方案。

图7示出了稳定启动系统的又一实施方案。

图8示出了稳定启动系统的操作方法。

具体实施方案

被动反应堆系统，包括那些依赖自然循环的被动反应堆系统，与那些在反应堆的使用寿命期间可能需要维修或不断维护的常规系统相比，具有数量减少的机械移动装置、电动机、泵和连接。当改变燃料时或者在反应堆使用寿命的中间时期内，对反应堆一定程度的维护可能是可接受的。但是，通过减少或消除维护期的数量，可使反应堆可使用更长的持续时间，从而增加效率并有效降低反应堆产生的能量成本。

图2示出了包括稳定启动系统20的新颖动力模块组件25。该稳定启动系统20可产生热以提供初始流体流和建立动力模块组件25的运行温度和压力状况。在一个实施方案中，运行温度可以是约289摄氏度。动力模块组件25可依赖用于正常冷却其反应堆芯6的自然循环。动力模块组件25内的冷却剂的自然循环由于冷却剂45的温度差而发生，因为在运行期间冷却剂45同时地被反应堆芯6加热和被散热器26冷却。在一个实施方案中，散热器26包括热交换器。

俄勒冈州立大学进行的实验证实，在处于临界状态下时，自然循环核反应堆的启动可能导致大量冷水流进入反应堆芯6。当最初从反应堆芯6移出控制棒时，流体减速剂或冷却剂45中的迅速降温可能导致反应堆芯功率的迅速增加或功率失常激增。如果功率失常激增太大，可降下控制棒，从而减少由反应堆芯6产生的热量。控制棒的循环移出和插入增加了复杂性和增加了达到运行温度所需的时间，并最终导致较长的启动期以及在动力模块组件25的运行期间的附加监督。

如果以受控的方式提升控制棒，可使冷却剂45的温度缓慢上升使得冷却剂流的影响被最小至最低限度。然而，为使反应堆冷却剂45达到运行温度，该过程可能耗费一周以上的时间。另外，移出速率可根据使用年限和反应堆芯6中的燃料状况改变来补偿裂变速率或冷却剂45化学性质的差异。

在启动动力模块组件25之前，反应堆芯6可处于冷停堆状态，带有被插入的控制棒。可设置加压系统55以通过促进反应堆模块组件25的上部顶空间65中的流体的局部沸腾来增加系统压力。该增加的系统压力允许流过反应堆芯6的冷却剂45达到运行温度，而无需流动路径中的整体沸腾。加压系统55可包括一个或多个加热器和喷雾器。加热器可覆盖以流体例如水，以促进蒸汽的产生。在一个实施方案中，加压系统55不包括喷雾器。反应堆系统的较低运行压力和反应堆容器2的较高压力极限可使动力模块组件25得以使压力水平适中而无需喷雾器。

稳定启动系统20可被启用或供给以能量以向冷却剂45添加热。在一个实施方案中，冷却剂45包括水。通过上升管24向上流动的冷却剂45由稳定启动系统20加热。一个或多个散热器26被配置以从冷却剂45移除热。通过将稳定启动系统20设置于在上述一个或多个散热器26以下的高度，可产生驱动热冷却剂T_H向上通过屏蔽罩22和上升管24的浮力。流过上述一个或多个散热器26的冷却剂45与热冷却剂T_H相比，相对较冷。冷冷却剂T_C向下流动通过环形空间23进入反应堆容器2的下部封闭空间(plenum)28。这引起上升管24中的热冷却剂T_H和环形空间23中的冷冷却剂T_C之间的密度差，从而进一步引起通过反应堆芯6的流体流动40。散热器26移除热的速率与稳定启动系统20添加热的速率之间的对比可用来在动力模块组件25的启动期间控制反应堆芯6中的冷却剂温度。

稳定启动系统20可被配置为在不提出控制棒的情况下产生通过反应堆芯6的流体流，由此避免在反应堆启动期间的核功率失常激增。稳定启动系统20在反应堆芯6的初始化或启动期间模拟该反应堆芯6的运行。然而，稳定启动系统20不向反应堆芯6引入冷冷却剂流。稳定启动系统20可包括例如位于加压系统55中的、与主流动路径40隔离的一组加热器，以提供用于反应堆启动的压力控制。根据启动系统配置，这些加热器还可用来增加冷却剂温度。稳定启动系统20还可包括在上升管24或屏蔽罩22中的并处于在散热器26以下的不同高度的多组加热器。散热器26可位于上升管24或屏蔽罩22的区域以外。由稳定启动系统20和散热器26引起的密度差与高度差L_TH结合，提供驱动通过反应堆芯6的自然循环流40的浮力。

启动期间的冷水注入瞬态的估计

图2的稳定启动系统20提供用于引起反应堆主冷却剂系统中的自然循环的加热功率。可在各个不同启动功率范围内对动力模块组件6的冷却剂入口温度的瞬时变化的影响进行建模。分析从1％的功率到20％的功率之间的范围，多个模拟的数据在下面的表中列出。

％功率	功率密度(MW/m3)	Tf(C)	Tm(C)	Tm0(C)
					1	1.89	30.5	17.92	16.91
2	3.78	45.6	20.41	18.39
					4	7.56	75.9	25.47	21.44
6	11.34	106.	30.67	24.62
					8	15.12	137.	36.05	27.99
10	18.89	168.	41.60	31.53
					12	22.67	199.	47.37	35.28
14	26.45	230.	53.35	39.24
					16	30.23	261.	59.59	43.47
18	34.01	293.	66.12	47.98
					20	37.79	325.	72.96	52.81

表1：冷水插入瞬态的初始状况

能量守恒方程和积分动量方程可用来确定可获得的流动速率和加热速率。可选择初始状况使得反应堆芯6处于稳态或临界运行状态。一个6组的缓发中子处理用于在此描述的模拟中，假设数据仅针对裂变同位素²³⁵U。反应性系数的值可被选择为表示标准轻水反应堆燃料。

估计启动流率

自然循环流率的变化可在缓慢的时标内发生。因此，沿环轴(loopaxis)积分的动量方程的稳态解适合于该分析。它基本上在摩擦力和由于加热/冷却回路中的密度变化而引起的浮力之间提供平衡。反应堆芯中所得到的流体速度可表示为：

$u_{\mathrm{co}}={\left[\frac{\mathrm{\β}{q}_{\mathrm{in}}{L}_{\mathrm{th}}g}{\mathrm{\ρ}{a}_c\mathrm{Cp}{R}_F}\right]}^{1/3}$

其中：

u_co   反应堆芯6中的冷却剂速度

β    冷却剂45的热膨胀系数

q_in   加热速率

L_th   加热器和冷却器之间的中心距离

g     重力常数

ρ    液体密度

a_c    反应堆芯中的液体流通面积

C_p    流体的热容量

R_F    无量纲回路电阻

表2说明了为加热功率的函数的质量流率和冷却剂速度的示例性数值结果。可确定，使用包括1MW加热器的稳定启动系统可建立标称堆芯流率的19％。

表2.加热功率与冷却剂流率和速度的关系

图3A和3B示出了第一示例性1％功率瞬态的运行状况的变化速率。图4A和4B示出了第二示例性10％功率瞬态的运行状况的变化速率。图5A和5B示出了第三示例性20％功率瞬态的运行状况的变化速率。对于图3-5的不同示例性功率瞬态，功率密度P和反应堆的反应性R的曲线在图3A、4A和5A中示出，减速剂温度T_M、入口温度T_I和燃料温度T_F的曲线在图3B、4B和5B中示出。

表3示出了在一24小时的时间段内的稳定启动系统加热瞬态。稳定启动系统20可将反应堆启动时间从较常规的一周时间——此情况下，控制棒被受控地从反应堆芯移出——减少到一天或更短。

表3.启动系统加热瞬态

图3-5中所示的示例性模拟清楚地显示，引入反应堆芯6中的冷水流导致反应性增加(由于负减速剂温度系数上的原因)，该反应性增加然后引起衰减的功率失常激增。对于低初始功率，未观察到显著振荡，并且反应堆芯6经受平滑且相对小(约1倍)的功率增加。对于较大的初始功率和相对较冷的水流，功率密度P和反应性R的变化相对大，且瞬态在短得多的时标内发生。在5％功率的情况下，冷水插入导致功率密度P增加约13倍，反应性R达到瞬发超临界状态的85％。在此情况下，燃料温度T_F在大约5秒的时间内也增加几乎1倍。在拔出控制棒之前逐渐加热冷却剂45会将这种瞬态的影响减至最低限度。

图6示出了稳定启动系统60的另一实施方案。该系统的运行与关于图2描述的实施方案类似，但稳定启动系统60位于反应堆芯6之下。将稳定启动系统60设置在反应堆芯6以下会防止冷冷却剂T_C进入反应堆芯6，冷冷却剂T_C进入反应堆芯6原本可能导致反应性引入(reactivity insertion)。此外，通过将稳定启动系统60设置在反应堆芯6以下，可使更多空间可用于占据上升管24的一部分的控制棒的运行。由于稳定启动系统60与散热器26之间的高度差L_TH最大化，结果产生较强的循环。

稳定启动系统60可包括位于反应堆芯6以下的一个或多个加热器。这些加热器可以是电加热器。在启动动力模块组件25之前，反应堆芯6可处于冷停堆状态，带有被插入的控制棒。一个或多个散热器26被配置为从冷却剂45移除热。加压系统55可被配置为通过使反应堆容器2的上部顶空间65中的流体(例如水)局部沸腾来增加反应堆容器2中的系统压力。增加的压力允许反应堆容器2中的冷却剂45达到运行温度，而无需流动路径40中的整体沸腾。

可启动稳定启动系统60以引起上升管24中的冷却剂与环形空间23中的冷却剂之间的密度差。通过将稳定启动系统60的加热器设置于在散热器26以下的高度，可产生驱动热冷却剂T_H向上通过屏蔽罩22和上升管24以及驱动冷冷却剂T_C向下通过环形空间23进入下部封闭空间28的浮力。这引起通过反应堆芯6的自然循环流。散热器26移除热的速率与稳定启动系统60添加热的速率之间的对比可用来控制反应堆芯6中的冷却剂温度。热增加与热移除之间的差别使流体温度增加到运行状况。

图7示出了稳定启动系统70的又一实施方案，其中应用了循环泵75。循环回路85可包括加压系统55的现有化学和容积控制系统(CVCS)。循环泵75和抽气管线90从位于反应堆容器2的上部顶空间65的加压系统55部分地汲取热流体。稳定启动系统70还可包括阀V1、V2、V3以及一个或多个喷嘴80，以控制循环回路85中的冷却剂流动并将热冷却剂T_H输送到环形空间23。

喷嘴80可以是例如注射管嘴或感应式喷嘴。可由加压系统55中的加热器100加热主冷却剂系统。在一个实施方案中，循环泵75和循环回路85位于反应堆容器2外部。在另一实施方案中，循环泵75和循环回路85中的一个或两个可位于反应堆容器2内。循环泵75可将反应堆容器2内的冷却剂流的速率增加到大于单单通过自然循环而提供的速率。在一个实施方案中，一加压系统位于反应堆容器2的下部封闭空间28中，并且蒸汽被用管道输送到上部顶空间65。

在启动动力模块组件25之前，反应堆芯6可处于冷停堆状态，其带有被插入的控制棒。一个或多个散热器26可被配置为从冷却剂45移除热。加压系统55可被配置为通过使反应堆容器2的上部顶空间65中的流体(例如水)局部沸腾来增加反应堆容器2中的系统压力。该增加的压力允许反应堆容器2中的冷却剂45达到运行温度，而无需流动路径40中的整体沸腾。循环泵75通过经由抽气管线90、95将冷却剂45泵送到加压系统55和上升管24中的一个或两个外来引起反应堆容器2内的内部循环，然后通过上述一个或多个喷嘴80将冷却剂45注入回环形空间23中。上述一个或多个喷嘴80可被配置为排出位于在散热器26以下的高度的热冷却剂T_H。在一个实施方案中，循环回路75利用现有CVCS分配管线或管道。在一个实施方案中，循环泵75是CVCS泵。

加压系统55中的热流体连接循环回路70，将主冷却剂系统中的冷却剂45加热到标称或运行温度。散热器26移除热的速率与稳定启动系统20添加热的速率之间的对比可用来控制反应堆芯6中的冷却剂温度。当反应堆模块组件20中的冷却剂45达到运行压力和温度时，控制棒开始从反应堆模块6提出。来自散热器26的渐增的热移除速率平衡功率产生速率，导致当通过循环回路85的冷却剂45的流动可稳定终止时的全功率状态。

图10示出了稳定启动系统——例如关于图2、6和7描述的示例性稳定启动系统20、60和70——的操作方法。在操作110中，启用加热系统以增加主冷却剂——例如图2中的冷却剂45——的温度。在一个实施方案中，主冷却剂由一个或多个电加热器组成的加热系统加热。该加热系统可位于反应堆芯6以下。在另一实施方案中，该加热系统位于反应堆芯以上。

在操作120中，从主冷却剂移除热，其中液体密度的差导致通过反应堆芯的主冷却剂的自然循环。在一个实施方案中，由热交换器从主冷却剂移除热。

在操作130中，监测主冷却剂的温度。在冷却剂已达到运行温度之后停用上述加热系统。在一个实施方案中，运行温度识别与反应堆芯的低功率稳态工况相关的冷却剂温度。

在操作140中，停用上述加热系统。在该加热系统包括电加热器的情况下，可通过去除流往该加热器的电流来停用该加热系统。

在操作150中，初始化反应堆芯以实现临界状态。可通过移出控制棒以增加裂变事件的速率来初始化或启用反应堆芯。在一个实施方案中，在停用加热器之后初始化反应堆芯。在另一实施方案中，在停用加热器之前初始化反应堆芯。

在操作160中，在反应堆芯已实现临界状态后重新启用加热系统以控制核反应堆的运行压力。可在反应堆已在稳态下运行一段时间后重新启用该加热系统。可重新启用该加热系统以增加反应堆容器内的压力。

图2、6和7的动力模块组件25可被配置为在安全壳和例如在图1中所示的潜没水池中运行，不过在此描述的原理也适用于其它反应堆设计。

尽管在此提供的实施方案主要描述了加压轻水反应堆，但对本领域技术人员来说明显的是，这些实施方案可如所描述地或以一些明显变型，应用于其它类型的核动力系统。例如，还可使这些实施方案或其变体可用于沸水反应堆或重水反应堆。沸水反应堆可能需要更大的容器以产生相同的能量输出。

稳定启动系统所产生的热量、冷却剂温度变化速率和功率密度变化速率以及在此描述的其它速率和值仅以示例性的方式提供。可通过实验例如构造核反应堆的实尺模型或成比例模型，确定其它速率和值。

尽管已经以本发明优选实施方案的形式描述和举例说明了其原理，但明显的是，可在布置和细节上对本发明进行修改，而不偏离所述原理。我们主张所有改型和变体都落入以下权利要求的实质和范围内。

Claims (20)

1.一种用于核反应堆的稳定启动系统，包括：

加压反应堆容器；

放在所述反应堆容器中的反应堆芯，其中所述反应堆芯浸没在所述核反应堆的主冷却剂中，以及其中所述反应堆芯位于上升管以下；

散热器,其被配置为在主冷却剂流过该反应堆容器的所述上升管后从该主冷却剂移除热；以及

加热器，该加热器被配置为在初始化该反应堆芯之前向被容纳在该反应堆容器内的主冷却剂添加热，以到达反应堆临界状态，其中所述加热器被配置为向位于散热器的高度以下的高度处的上升管添加热，以引起上升管内的主冷却剂和环形空间内的主冷却剂之间的密度差，从而驱动主冷却剂经由自然循环通过反应堆芯。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述散热器包括一个辅助冷却系统的热交换器。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述散热器位于所述反应堆容器内处于在所述反应堆芯以上的高度。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热器的高度在所述反应堆芯以下。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热器的高度在所述反应堆芯以上。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热器位于所述散热器以下。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热器被进一步配置为，在所述反应堆芯启用后，控制所述反应堆容器内的压力。

8.一种核反应堆模块，包括：

容纳主冷却剂的加压反应堆容器；

浸没在该主冷却剂中的反应堆芯；

位于反应堆芯以上的上升管；

一个或多个加热器，被配置为在初始化反应堆芯之前增加核反应堆模块的主冷却剂的温度，其中所述一个或多个加热器被配置为在所述上升管内的某一点处向主冷却剂添加热；以及

热交换器，被配置为用于在主冷却剂流过所述上升管后从该主冷却剂移除热，其中所述热交换器位于所述反应堆容器内、处于所述上升管内被添加热的所述点以上的高度；其中，上升管内的主冷却剂和热交换器处的主冷却剂的液体密度上的差导致主冷却剂通过该反应堆芯的自然循环。

9.根据权利要求8所述的核反应堆模块，其中所述一个或多个加热器将所述主冷却剂加热到运行温度，该运行温度保证所述主冷却剂从所述热交换器到所述一个或多个加热器并通过所述反应堆芯的所述自然循环。

10.根据权利要求9所述的核反应堆模块，其中在所述主冷却剂达到所述运行温度后，允许所述反应堆芯变成临界状态。

11.根据权利要求9所述的核反应堆模块，其中所述一个或多个加热器位于所述热交换器以下。

12.根据权利要求8所述的核反应堆模块，其中所述一个或多个加热器还被配置为在所述反应堆芯已变成临界状态之后控制所述反应堆容器中的压力。

13.根据权利要求8所述的核反应堆模块，其中所述一个或多个加热器包括电加热器。

14.一种用于核反应堆的启动方法，包括：

在初始化位于加压反应堆容器内的反应堆芯之前，启用加热系统以增加该核反应堆的主冷却剂的温度，其中所述加热系统被配置为向位于反应堆芯以上的上升管内的主冷却剂添加热；

利用热交换器从该主冷却剂移除热，该热交换器位于所述反应堆容器内处于在所述上升管内的主冷却剂被添加热的位置以上的高度；其中，上升管内的主冷却剂和热交换器处的主冷却剂的液体密度上的差导致该主冷却剂通过该反应堆芯的自然循环；

停用该加热系统；以及

初始化该反应堆芯以实现临界状态。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述加热系统包括一个或多个加热器。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述一个或多个加热器位于所述反应堆容器内，处于所述反应堆芯以下的高度。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述反应堆芯已实现临界状态后重新启用所述加热系统，以控制所述核反应堆的运行压力。

18.根据权利要求14所述的方法，还包括监测所述主冷却剂的温度，其中在所述主冷却剂已达到与反应堆芯的低功率稳态工况相关的运行温度之后停用所述加热系统。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个加热器位于所述反应堆容器内，处于所述反应堆芯以上的高度。

20.根据权利要求16所述的方法，其中在停用所述加热系统之后，初始化所述反应堆芯以到达临界状态。

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