CN102782768A - 液态金属冷却反应堆及其除热方法 - Google Patents

液态金属冷却反应堆及其除热方法 Download PDF

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Abstract

课题是提供一种除热能力高的液态金属冷却反应堆及其除热方法。解决方案是在液态金属冷却反应堆（10）中，具有保持堆芯（11）及其冷却材料（L）的反应堆容器（22）、包围反应堆容器（22）的外侧的密封外壳（23）、使空气在密封外壳（23）的外侧流动来进行除热的空气流路（U）、以及在反应堆容器（22）与密封外壳（23）的间隙（D）中注入填充材料（T）的注入部（30）。

Description

液态金属冷却反应堆及其除热方法
技术领域
本发明涉及将液态金属用作冷却材料的液态金属冷却反应堆及其除热方法。
背景技术
在液态金属冷却反应堆中，为了应对运转中的紧急事态，或者为了进行保养检修，需要停止燃料中的核分裂反应，使其达到低温状态。一般，反应堆的停止是通过将停堆棒插入堆芯，从燃料中获取使核分裂发生的中子来进行的。
但是，反应堆停止后也会在一定时间内从堆芯继续产生残留衰变热，反应堆容器内的液态金属冷却材料的温度不会快速降低。因此，为了在反应堆停止后进行某种作业，必须使该残留衰变热尽快消散。
该液态金属冷却材料以及邻接的堆构造物的热容量较大，因此有助于残留衰变热的消散。该液态金属冷却材料中蓄积的残留衰变热，从反应堆容器向密封外壳传递，并且通过以空气为工作流体的被动冷却系统（RVACS）向外部排出。
由此，防止一般以SUS制作的反应堆容器或密封外壳，经过长期间暴露于高温而强度降低，并且防止在它们外侧配置的混凝土制的筒仓（日文：サイロ）性质变脆。
为了促进这种残留衰变热的除去，提出了在液态金属冷却反应堆中，导流板（参照附图符号9）的壁上设置有孔流路的方案（例如，专利文献1）。另外，尽管并非用于液态金属冷却反应堆的技术，还提出了用水淋湿反应堆的密封外壳的外侧表面来促进密封外壳的除热的技术方案（例如，专利文献2）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3499920号说明书
专利文献2：日本专利第2813412号说明书
发明内容
发明要解决的课题
可是，反应堆的通常运转时的产生热以及反应堆停止时产生的残留衰变热，能够通过反应堆容器以及密封外壳的间隙中的辐射和封入的非活性气体的热传导以及对流，向被动冷却系统（RVACS）传递。
另一方面，反应堆容器以及密封外壳的间隙中的热传递，由于热传导或对流的影响小而可以认为辐射是决定性的。因此，为了增大辐射的热传递效率，反应堆容器的外侧壁以及密封外壳的内侧壁，以能够获得高辐射率的方式被处理。
但是在现实中，由于反应堆容器以及密封外壳的温度差大，因此在被动冷却系统（RVACS）的除热中，显然从反应堆容器向密封外壳的热传递效率较差。
本发明为了提高被动冷却系统（RVACS）的除热效率，目的在于提供一种除热能力高的液态金属冷却反应堆及其除热方法。
用于解决课题的手段
在液态金属冷却反应堆中，其特征在于，具有：保持堆芯及其冷却材料的反应堆容器；包围上述反应堆容器的外侧的密封外壳；使空气在上述密封外壳的外侧流动来进行除热的空气流路；以及在上述反应堆容器与上述密封外壳的间隙中注入填充材料的注入部。
在液态金属冷却反应堆的除热方法中，特征在于，包括：在保持堆芯及其冷却材料的反应堆容器与包围其外侧的密封外壳的间隙中注入填充材料的工序；以及使空气在上述密封外壳的外侧流动来进行除热的工序。
发明效果
根据本发明，提供通过在反应堆容器以及密封外壳的间隙中注入液态金属等热传导性优良的填充材料，使密封外壳的外壁的温度上升，基于被动冷却系统（RVACS）等的除热能力高的液态金属冷却反应堆及其除热方法。
附图说明
图1为表示本发明的液态金属冷却反应堆的第1实施方式的构成剖视图。
图2为第1实施方式的液态金属冷却反应堆的动作说明图。
图3A为图1的A－A剖视图。
图3B为图2的B－B剖视图。
图4A为表示第1实施方式的变形例的局部剖视图。
图4B为表示第1实施方式的另一变形例的局部剖视图。
图5A为第2实施方式的液态金属冷却反应堆的构成剖视图。
图5B为图5A的B－B剖视图。
图6为第3实施方式的液态金属冷却反应堆的构成剖视图。
图7为第3实施方式的液态金属冷却反应堆的动作说明图。
图8为第3实施方式的液态金属冷却反应堆的动作说明图。
图9为第4实施方式的液态金属冷却反应堆的构成剖视图。
图10为第4实施方式的液态金属冷却反应堆的动作说明图。
图11为第4实施方式的液态金属冷却反应堆的动作说明图。
图12为第5实施方式的液态金属冷却反应堆的构成剖视图。
图13为第5实施方式的液态金属冷却反应堆的动作说明图。
图14为第5实施方式的液态金属冷却反应堆的动作说明图。
具体实施方式
（第1实施方式）
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。
如图1所示，第1实施方式的液态金属冷却反应堆10（以下简称为“反应堆”），具有：保持堆芯11及其冷却材料L的反应堆容器22、包围反应堆容器22的外侧的密封外壳23、在反应堆容器22以及密封外壳23的间隙D中注入填充材料T的注入部30、以及使空气在密封外壳23的外侧流动而进行除热的空气流路U。
并且，该反应堆容器22、密封外壳23、注入部30以及空气流路U，在埋设于地中的混凝土制的筒仓25的内部形成。
该反应堆容器22以及密封外壳23，其上部开口部分在支撑板21的下表面侧被支撑。该密封外壳23与反应堆容器22一起对堆芯11进行双重包围，即使在内侧的反应堆容器22损伤而冷却材料泄漏的情况下也能够确保其液面高度，避免堆芯11露出而空烧。
并且，在支撑板21的上表面侧，配置分别驱动中子反射体12以及停堆棒15的驱动部14、16，并且在其上侧被拱顶（日文：トップドーム）41覆盖。
在堆芯11的外侧，通过钢缆13悬垂的中子反射体12环状配置，通过驱动部14沿着该堆芯11的外周在上下方向上移动。
并且，中子反射体12调整从堆芯11放出的中子来控制核分裂反应。如果使中子反射体12从堆芯11的底部侧向头部侧上升，则从堆芯11放出的高速中子通过中子反射体12减速，成为热中子而返回堆芯11。并且，堆芯11吸收该热中子而使核分裂的连锁反应持续，连续地输出热能。
停堆棒15通过驱动部16在上下方向上移动，通过被插入堆芯11吸收热中子而阻止核分裂的连锁反应，使反应堆10停止。
冷却材料L为液体钠等液态金属，在反应堆容器22内充满的液面与支撑板21之间封入非活性气体。
并且，冷却材料L通过电磁泵18的驱动力从圆筒状的隔壁17的外侧向内侧在反应堆容器22的内部循环，从发热的堆芯11回收热能。并且，冷却材料L在中间热交换器19中与在二次侧冷却材料通流配管（省略图示）内流动的二次冷却材料进行热交换而冷却。
并且，冷却后的冷却材料L再次通过电磁泵18升压而在隔壁17的外侧下降，在隔壁17的下端部折返而在其内侧上升，在堆芯11接受热供给，这样的循环重复进行。
接着，对在密封外壳23的外侧形成的被动冷却系统（RVACS：ReactorVessel Air Cooling System：反应堆压力容器风冷系统）进行说明。
该RVACS在由密封外壳23的外表面、筒仓25的内表面以及圆筒形的导流板26形成的空气流路U中空气自然对流从而进行除热。
在该空气流路U中流动的空气，从导入路27导入，沿着导流板26的外侧面下降，然后从其下端部折返，沿着导流板26的内侧面上升，从密封外壳23的外表面获取热，从排出路28向大气中排出。
注入部30构成为包括加压部31、加热器32、存液部35和连通路36。
这样构成的注入部30，在堆芯11停止后向反应堆容器22以及密封外壳23的间隙D注入填充材料T而使反应堆容器22以及密封外壳23之间的热传导性提高，提高产生的衰变热在上述的RVACS中的除热效率。
存液部35以比间隙D的容量大的大容量构成，以比冷却材料L的底面低的水平收容填充材料T。这里，填充材料T只要是能够在反应堆容器22以及密封外壳23的达到温度下呈液体或气体状态、并且热传导率高的类型即可适用，例如可以举出作为低熔点金属的焊料（铅锡合金）、铋基低熔点合金（Wood's metal：铋、铅、锡、镉的合金）、铟等。
并且，在作为填充材料T采用这些低熔点金属的情况下，为了在存液部35中不凝固，填充材料T通过加热器32进行加热而维持熔融状态。
加压部31，由在存液部35的内部从其端部向连通路36的开口的方向在水平方向上移动的活塞构成。
并且，如图2所示，加压部31对填充材料T进行加压而经由连通路36将存液部35内部的填充材料T导入间隙D。
并且，表示该动作的图1的A－A剖面以及图2的B－B剖面分别在图3A、图3B中示出。
另外，在衰变热的除热结束时，通过逆动作使加压部31的活塞回到原来的外侧的位置，使间隙D中注入的填充材料T返回存液部35的内部。
图4A的部分剖面表示第1实施方式的变形例。
在该变形例中，加压部33由在存液部35的内部从其下端部向连通路36的开口的方向在垂直方向上移动的活塞构成。
该加压部33，在垂直方向上对填充材料T进行加压而经由连通路36将通过存液部35内部的加热器32成为熔融状态的填充材料T导入间隙D。
并且，在衰变热的除热结束时，通过逆动作使加压部33的活塞回到原始的下侧的位置，使间隙D中注入的填充材料T返回存液部35的内部。
图4B的局部剖视图表示第1实施方式的另一变形例。
在该变形例中连通路36由多条（图中为三条）构成。
由此，即使在多条连通路36中的某一条中，假设低熔点金属即填充材料T固化而闭塞的情况下，也能够通过其它连通路36将填充材料T注入间隙D。
（第2实施方式）
接着参照图5A以及图5B对本发明的第2实施方式进行说明。这里图5B表示图5A的B－B剖视图。
并且，在图5A以及图5B中与图1相同或相当的部分以相同符号表示，援用已有的记述而省略详细说明。
第2实施方式中的反应堆10、注入部30形成有冷却剂Ｗ的循环路43，该冷却剂Ｗ的循环路用于对在间隙D中被加热而升温的填充材料T进行冷却。并且，为了避免干涉加压部31的动作而在存液部35中配置一个或多个（图中为4条）该循环路43。
这里冷却剂Ｗ适宜采用水或空气等，通过在循环路43上设置泵46进行循环，对升温后的填充材料T进行除热。
在该循环路43的路径中，配置贮藏冷却剂Ｗ的箱42，通过在其附近配置的止流阀45的动作将冷却剂Ｗ向存液部35供给而对升温的填充材料T进行除热。并且，升温的冷却剂Ｗ同样地通过在循环路43的路径中配置的放热器44进行冷却。
在该第2实施方式中，在填充材料T注入间隙D之后，传递的衰变热经由连通路36到达存液部35。因此，停止加热器32的加热，并且打开止流阀45而从箱42向存液部35供给冷却剂Ｗ。
由此，能够支援RVACS的功能，进一步提高衰变热的除热效果。
（第3实施方式）
接着参照图6、图7、图8对本发明的第3实施方式进行说明。并且，在这些附图中与图1相同或相当的部分以相同符号表示，援用已有的记述而省略详细说明。
在该第3实施方式中，注入部50构成为包括：以比冷却材料L的上表面高的水平收容填充材料T的存液部51、连通存液部51以及间隙D的连通路53、加热填充材料T而维持熔融状态的加热器55和连通路53中的填充材料T的止流阀52。
并且，在第3实施方式中，连通路53的一端与密封外壳23连接。
另外，在与第1实施方式以及第2实施方式的注入部30（参照图1）对应的第3实施方式的位置上，设有以比冷却材料L的下表面低的水平将填充于间隙D的填充材料T（参照图7）排出的排液部37（参照图8）。并且，在连结间隙D以及排液部37的路径24上，设有填充材料T的止流阀54。
在第3实施方式中，注入部50在筒仓25的上部以比间隙D的容量大的大容量构成并将填充材料T保持于的存液部51（参照图6）。并且，如果打开止流阀52则存液部51中保持的填充材料T会重力落下而经由连通路53注入间隙D（参照图7）。
并且，衰变热的除热结束时，打开止流阀54而将间隙D中注入的填充材料T向排液部37排出（参照图8）。
（第4实施方式）
接着参照图9、图10、图11对本发明的第4实施方式进行说明。并且，在这些附图中与图6相同或相当的部分以相同符号表示，援用已有的记述而省略详细说明。
在该第4实施方式中，连通存液部51以及间隙D的连通路56的一端，与连结间隙D以及排液部37的路径24连接。
在第4实施方式中，注入部50在筒仓25的上部以比间隙D的容量大的大容量构成并将填充材料T保持于存液部51（参照图9）。并且，如果打开止流阀54则存液部51中保持的填充材料T重力落下而经由连通路56注入间隙D（参照图10）。
并且，衰变热的除热结束时，打开止流阀57而将间隙D中注入的填充材料T向排液部37排出（参照图11）。
（第5实施方式）
接着参照图12、图13、图14对本发明的第5实施方式进行说明。并且，在该附图中与图9相同或相当的部分以相同符号表示，援用已有的记述而省略详细说明。
在该第5实施方式中，注入部50具有使排液部37中的填充材料T返回存液部51的返还路59。并且，设有用于将向排液部37排出的填充材料T向该返还路59压出的加压部31。
在第5实施方式中，在间隙D中注入填充材料T的处理，与参照图10的第4实施方式的情况相同。另外，衰变热的除热结束后将间隙D的填充材料T向排液部37排出的处理也与参照图11的第4实施方式的情况相同。
并且，如果将填充材料T向排液部37排出（参照图13），则打开返还路59的止流阀58并且加压部31的活塞动作，从而将填充材料T向返还路59压出（参照图14）。并且，通过在返还路59上设置的泵46而克服重力将填充材料T回收到存液部51。
按照以上说明，根据本发明的实施方式，通过在反应堆容器22与密封外壳23的间隙D中注入低熔点金属等填充材料T，能够提供具有优良的除热能力并且能够回收该填充材料T的液态金属冷却反应堆。
本发明不限于上述实施方式，在共通的技术思想的范围内，可以适宜变形进行实施。
例如，衰变热的除去例示了通过自然对流使密封外壳的外侧的空气流动的情况，但是不限于此，也可以使其强制流动、或其组合其他除热手段。
符号说明
10…液态金属冷却反应堆、11…堆芯、12…中子反射体、13…钢缆、14，16…驱动部、15…停堆棒、17…隔壁、18…电磁泵、19…中间热交换器、21…支撑板、22…反应堆容器、23…密封外壳、24…路径、25…筒仓、26…导流板、27…导入路、28…排出路、30，50…注入部、31，33…加压部、32…加热器、35，51…存液部、36…连通路、37…排液部、41…拱顶、42…箱、43…循环路、44…放热器、46…泵、53，56…连通路、45，52，54，57，58…止流阀、55…加热器、59…返还路、D…间隙、L...冷却材料、T…填充材料、U…空气流路、Ｗ…冷却剂

Claims (9)

1.一种液态金属冷却反应堆，其特征在于，具有：
保持堆芯及其冷却材料的反应堆容器；
包围上述反应堆容器的外侧的密封外壳；
使空气在上述密封外壳的外侧流动来进行除热的空气流路；以及
在上述反应堆容器与上述密封外壳的间隙中注入填充材料的注入部。
2.根据权利要求1所述的液态金属冷却反应堆，其特征在于，
上述注入部，具有：
以比上述冷却材料的底面低的水平收容上述填充材料的存液部；
连通上述存液部和上述间隙的连通路；
加热上述填充材料来维持熔融状态的加热器；以及
对上述填充材料进行加压，从而将上述填充材料从上述存液部引导至上述间隙的加压部。
3.根据权利要求2所述的液态金属冷却反应堆，其特征在于，
上述连通路构成为一条或多条，
上述加压部是在上述存液部的内部从其端部朝向上述连通路的开口的方向在水平方向或垂直方向上移动的活塞。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的液态金属冷却反应堆，其特征在于，
上述注入部形成有用于对在上述间隙中被加热后的上述填充材料进行冷却的冷却剂循环路。
5.根据权利要求1所述的液态金属冷却反应堆，其特征在于，
上述注入部具有：
以比上述冷却材料的上表面高的水平收容上述填充材料的存液部；
连通上述存液部和上述间隙的连通路；
加热上述填充材料来维持熔融状态的加热器；以及
设置在上述连通路上的上述填充材料的止流阀。
6.根据权利要求5所述的液态金属冷却反应堆，其特征在于，
具有：
以比上述冷却材料的下表面低的水平使上述间隙中填充的上述填充材料排出的排液部；以及
设置在连结上述间隙和上述排液部的路径上的上述填充材料的止流阀。
7.根据权利要求6所述的液态金属冷却反应堆，其特征在于，
上述连通路经由上述路径与上述间隙连通。
8.根据权利要求6或7所述的液态金属冷却反应堆，其特征在于，
具有使上述排液部中的上述填充材料返回上述存液部的返还路。
9.一种液态金属冷却反应堆的除热方法，其特征在于，包括：
在保持堆芯及其冷却材料的反应堆容器与包围其外侧的密封外壳的间隙中注入填充材料的工序；以及
使空气在上述密封外壳的外侧流动来进行除热的工序。
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