CN103106928A - 具有包括横流阻挡堰的上空腔的压水反应堆 - Google Patents

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CN103106928A CN2012104480795A CN201210448079A CN103106928A CN 103106928 A CN103106928 A CN 103106928A CN 2012104480795 A CN2012104480795 A CN 2012104480795A CN 201210448079 A CN201210448079 A CN 201210448079A CN 103106928 A CN103106928 A CN 103106928A
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J·C·米尔曼
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Abstract

一种压水反应堆包括：包含裂变材料的核堆芯；具有垂直定向圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的核堆芯的圆筒形压力容器；以及布置成与压力容器同心并在压力容器内的中空圆筒形中央上升器。下降环腔限定在中央上升器和压力容器之间。中央上升器具有合并入环形隔板的径向扩展的上孔，该隔板将隔板上方的上空腔与隔板下方的下空腔隔开。上空腔与径向扩展的上孔流体连通而下空腔与下降环腔流体连通。堰可从远离下空腔的底壁延伸进入下空腔。应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴可布置成将水喷入上空腔。泵支承板跨越压力容器的内径并形成压力容器的压力边界的一部分，且反应堆冷却剂泵由泵支承板支承。或者，冷却剂泵由形成于压力容器的上部中的弓状环形壁架支承。

Description

具有包括横流阻挡堰的上空腔的压水反应堆
技术领域
以下涉及核反应堆技术、核发电技术、核反应堆流体动力学设计技术、以及相关技术。
背景技术
在压水反应堆（一体式PMR）型的核反应堆设计中,放射性核反应堆堆芯浸入在或靠近压力容器底部的主冷却水中。在典型设计中，主冷却剂在通常直立安装（即，具有其垂直定向的圆筒轴线）的圆筒形压力容器中保持在压缩的或过冷的液相。中空圆筒形中央上升器同心地布置在压力容器内。主冷却剂向上流过在此其被加热的反应堆堆芯并上升穿过中央上升器，从中央上升器排出并反向向下穿过限定在压力容器和中央上升器之间的下降环腔流回到反应堆堆芯。这是一种自然对流回路，该自然对流回路原理上可通过来自反应堆堆芯的热量注入以及随着主冷却剂向上流动并远离反应堆堆芯的主冷却剂的冷却来驱动。然而，在某些反应堆设计中，该自然对流用由机电反应堆冷却剂泵提供的原动力来增强或取代。
为了从PWR提取电力，主冷却剂流过蒸汽发生器。在某些设计中，蒸汽发生器在压力容器外部且主冷却剂通过大尺寸管系馈送到蒸汽发生器。在称为“一体式”PWR设计中，蒸汽发生器布置在压力容器内，通常在下降环腔中，以及二次冷却剂流过蒸汽发生器。一体式PWR设计具有超过非一体式设计的实质安全优点，该实质安全优点在于将放射性主冷却剂输送到外部压力容器的大尺寸管系被将非放射性二次冷却剂（即，补给水）馈送到内部蒸汽发生器且从蒸汽发生器提取非放射性蒸汽的较小尺寸管系替代。
符合上述的某些一体式PWR设计在其全部内容以参见的方式纳入本文的2010年12月16日公开的美国公开第2010/0316181A1号的Thome等人的“Integral Helical Coil Pressurized Water Nuclear Reactor”中描述。美国公开第2010/0316181A1号描述采用螺旋蒸汽发生器管几何形状的一体式蒸汽发生器，但诸如直立管设计的其他几何形状也是已知的。在各种蒸汽发生器设计中，主冷却剂可在蒸汽发生器管内流动而二次冷却剂在蒸汽发生器管外，或反之亦然。
这种PWR系统的运行效率部分受中央上升器中的向上主冷却剂流反转并转变成穿过下降环腔（例如，穿过布置在下降环腔中产生蒸汽的蒸汽发生器）的向下主冷却剂流的效率影响。该反向流可将明显的流阻引入整个主冷却剂流回路中。而且，进入下降环腔中的主冷却剂流的均匀径向和周向分布促进下降环腔中和位于下降环腔中的环形蒸汽发生器中的温度均匀性。已采用各种方法来提供具有低流阻的均匀径向和周向分布。例如，美国公开第2010/0316181A1号的说明性PWR的说明性中央上升器具有包括小开口的上端部或促进离开中央上升器上孔的主冷却水扩散和侧向流动的屏。Kitch等人的美国专利申请第6813328号披露另一种方法，其中浸没在主冷却剂中的整个内部反应堆冷却剂泵（RCP）具有直接与蒸汽发生器的入口相连的其排出物以驱动离开中央上升器上孔的主冷却剂向下进入蒸汽发生器。
本文所披露的是提供阅读下文后对本领域熟练的技术人员来说变得显而易见的各种好处的改善。
发明内容
本发明的一个方面中，压水反应堆（PWR）包括：包含裂变材料的核堆芯；具有垂直定向圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的核堆芯的圆筒形压力容器；以及布置成与圆筒形压力容器同心并在圆筒形压力容器内的中空圆筒形中央上升器。下降环腔限定在中空圆筒形中央上升器和圆筒形压力容器之间。中空圆筒形中央上升器具有合并入环形隔板的径向扩展的上孔，该环形隔板将环形隔板上方的上空腔与环形隔板下方的下空腔隔开。上空腔与径向扩展的上孔流体连通而下空腔与下降环腔流体连通。
在本发明的另一方面中，设备包括：尺寸设置成布置成同心地在压水反应堆的圆筒形压力容器内的中空圆筒形中央上升器；以及尺寸设置成将圆筒形压力容器的上空腔与圆筒形压力容器的下空腔隔开的环形隔板；其中中空圆筒形中央上升器包括合并入环形隔板的径向扩展的上孔。
在本发明的另一方面中，压水反应堆（PWR）包括：包含裂变材料的核堆芯；具有垂直定向圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的核堆芯的圆筒形压力容器；布置成与圆筒形压力容器同心并在圆筒形压力容器内的中空圆筒形中央上升器；限定在中空圆筒形中央上升器和圆筒形压力容器之间的下降环腔；以及将环形分隔板上方的上空腔与环形隔板下方的下空腔隔开的环形隔板。上空腔与中空圆筒形上升器的上孔流体连通，而下空腔与下降环腔流体连通。从上空腔到下空腔的流路布置在下降环腔的外侧。在某些实施例中，下空腔部分地由从下降环腔的上端部径向向外延伸的底壁限定，而堰远离底壁延伸进入下空腔。
在本发明的另一方面中，设备包括压水反应堆（PWR）和反应堆冷却剂泵(RCP)。PWR包括：包含裂变材料的核堆芯；具有垂直定向的圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的核堆芯的圆筒形压力容器；布置成与圆筒形压力容器同心并在圆筒形压力容器内的中空圆筒形中央上升器；限定在中空圆筒形中央上升器和圆筒形压力容器之间的下降环腔；以及跨接圆筒形压力容器内直径的泵支承板，其中泵支承板的一部分形成圆筒形压力容器的压力边界的一部分。RCP由泵支承板的形成圆筒形压力容器的压力边界的一部分的部分支承。RCP布置成将从中空圆筒形中央上升器上孔排出的主冷却水泵入下降环腔。
在本发明的另一方面中，设备包括压水反应堆（PWR）和应急堆芯冷却系统(ECCS)回水管线喷嘴。PWR包括：包含裂变材料的核堆芯；具有垂直定向圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的核堆芯的圆筒形压力容器；布置成与圆筒形压力容器同心并在圆筒形压力容器内的中空圆筒形中央上升器；限定在中空圆筒形中央上升器和圆筒形压力容器之间的下降环腔；以及将环形分隔板上方的上空腔与环形隔板下方的下空腔隔开的环形隔板。ECCS回水管线喷嘴布置成将水喷入上空腔。
在本发明的另一方面中，设备包括压水反应堆（PWR）和反应堆冷却剂泵(RCP)。PWR包括：包含裂变材料的核堆芯；具有垂直定向的圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的核堆芯的圆筒形压力容器，其中圆筒形压力容器的上部限定内部稳压器容积，并且弓状环形壁架形成于圆筒形压力容器的上部中；以及布置成与圆筒形压力容器同心并在圆筒形压力容器内的中空圆筒形中央上升器。下降环腔限定在中空圆筒形中央上升器和圆筒形压力容器之间。RCP由形成于圆筒形压力容器的上部中的弓状环形壁架支承。RCP布置成将从中空圆筒形中央上升器的上孔排出的主冷却水泵入下降环腔。
附图说明
本发明可采用各种部件和部件的组合，以及各种工艺操作和工艺操作的组合。附图仅是为了示出较佳实施例的目的，而不应解释为限制本发明。
图1示意性地示出本文所披露的核反应堆。
图2和3示意性地示出图1的核反应堆的上部的立体剖视图和侧剖视图。图3中，省略反应堆冷却剂泵（RCP）以示出安装开口。
图4和5示出对于未设堰的图2和3的上部的计算得出的主冷却水流动模式。图5示出图4的一部分的放大图。
图6示出对于具有堰的图2和3的上部的计算得出的主冷却水流动模式。
图7示出关注应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴的图3的一部分的放大图。
图8示出使用弓状环形表面以提供压力边界和基部来安装靠近稳压器的RCP的替代实施例的上压力容器部分的一部分的立体示意图。
图9示出图2和3的适于自然循环运行的上部的变型实施例。
具体实施方式
参照图1，一体式压水反应堆（一体式PWR）类型10的说明性核反应堆包括压力容器12，该压力容器在说明性实施例中是垂直安装的圆筒形压力容器。如本文所使用的，短语“圆筒形压力容器”或类似的说法表示压力容器具有大致圆筒形，但在某些实施例中可偏离数学上理想圆筒。例如，说明性圆筒形压力容器12具有直径沿圆筒的长度变化的圆形横截面，以及具有倒圆的端部，且包括各种容器贯穿件、容器部分的法兰连接等等。类似地，虽然压力容器12是直立的，即垂直定向的，可考虑垂直定向的圆筒形压力容器的圆筒轴线相对重力偏离精确垂直。例如，如果PWR布置海上的容器中，那垂直定向的圆筒形压力容器的圆筒轴线可具有一些倾斜度，该倾斜度可因海上的容器在水上或水下移动而随时间变化。
图1以侧剖视图示出一体式PWR10以揭示选择的示意性示出的内部部件。核反应堆堆芯14布置在压力容器12的下部。反应堆堆芯14包括大量裂变材料，诸如包含在合适基质材料中浓缩在可进行核裂变的同位素235U中的二氧化铀（UO2）的材料。在典型的构造中，裂变材料布置为布置在堆芯篮中的“燃料棒”。压力容器12包含处于过冷状态的主冷却水（通常是轻水，即H2O，但也可考虑重水，即D2O）。
中空圆筒形中央上升器20包括布置成同心地在圆筒形压力容器12内的中空圆筒形元件（同样，术语“圆筒形”意指包含由于沿圆筒轴线的直径变化、包括选择性的开口等偏离理想圆筒的大致圆筒形上升器）。由运行中的核反应堆堆芯14加热的主冷却水向上上升穿过中央上升器20朝向压力容器的顶部，在此主冷却水排放、反转流向并穿过在技术领域已知为下降环腔的外部环腔向下流向堆芯14，该下水环腔限定在中央上升器20和压力容器12的圆筒形内壁。
控制棒系统22安装在反应堆堆芯14的上方且包括控制棒驱动机构（CRDM）单元和构造成精确地和可控制地将控制棒插入反应堆堆芯14或从反应堆堆芯14抽出的控制棒导向结构。说明性控制棒系统22采用布置在压力容器12内的内部CRDM单元。合适的内部CRDM设计的某些说明性实例包括：2010年12月16日公开的美国公开第2010/0316177A1号的Stambaugh等人的“Control RodDrive Mechanism for Nuclear Reactor”，其全部内容以参见方式纳入本文，2010年12月16日公开的国际公开WO2010/144563A1的Stambaugh等人的“ControlRod Drive Mechanism for Nuclear Reactor”，以及其全部内容以参见方式纳入本文。一般而言，控制棒包括中子吸收材料，且通过抽出控制棒增加反应或通过插入控制棒减少反应。所谓“灰色”控制棒可连续调整以提供反应的增量调整。所谓“停堆”控制棒设计成在紧急事件中尽可能快地插入反应堆堆芯以停止核反应。各种混合控制棒设计也是已知的。例如，灰棒可包括在紧急事件中松开控制棒的机构，以便其掉入反应堆堆芯14中由此实现停堆棒的功能。
PWR 10是包括布置在限定在中央上升器20和压力容器12的内壁之间的下水环腔中的内部蒸汽发生器的一体式PWR。蒸汽发生器24为向下流动的主冷却剂和向上流动的二次冷却剂提供独立但靠近的流路。二次冷却剂在给水入口26处进入环形给水空腔28、流入蒸汽发生器24的底部且向上穿过蒸汽发生器24，在蒸汽发生器24中二次冷却剂被靠近的向下流动的主冷却剂加热以转化成蒸汽。蒸汽进入环形蒸汽空腔30，在蒸汽空腔30中蒸汽通常向下流动以在蒸汽出口32处排出。
图1没有说明蒸汽发生器24和主冷却剂和二次冷却剂通路的详细结构。通常，蒸汽发生器24包括蒸汽发生器管和容纳管的周围容积（或“壳”），从而提供彼此热连通但彼此流体隔离的两条靠近的流路（即管内流路和管外流路）。在某些实施例中，主冷却剂向下流过蒸汽发生器管（即“管侧”）而二次冷却剂向上流过周围容积（即“壳侧”）。在另外实施例中，主冷却剂向下流过周围容积（即“壳侧”）而二次冷却剂向上流过蒸汽发生器管（即“管侧”）。在任一构型中，蒸汽发生器管可具有各种几何形状，诸如垂直直管（有时称为直筒式直流蒸汽发生器或“OSTG”）、围绕中央上升器20的螺旋管（其全部内容以参见的方式纳入本文的2010年12月16日公开的美国公开第2010/0316181A1号的Thome等人的“Integral Helical Coil Pressurized WaterNuclear Reactor”中通过说明性实例描述的某些实施例）等等。蒸汽发生器24可包括诸如一体式节能器的各种附加特征。
压力容器12限定在PWR运行时包含过冷状态的主冷却剂的密封容积。为此，PWR包括布置在压力容器12顶部的内部稳压器容积36。在PWR运行过程中，稳压器容积36容纳蒸汽泡，蒸汽泡的压力控制在压力容器12的运行的PWR容积中（即在稳压器容积36下方的容积）的主冷却水的压力。
压力通过诸如将水加热以产生蒸汽来增加压力的电阻加热器，以及/或将冷水喷入蒸汽泡以降低压力的喷淋器的合适装备来控制。通过说明性实例，在某些实施例中，压力容器12的密封容积中的主冷却剂压力在约2000psia的压力和约300°C（刚要流入反应堆堆芯14之前的冷管段）到320°C（刚要从反应堆堆芯14排出之后的热管段）的温度。这些仅仅是说明性过冷状态，且还考虑有其他操作压力和温度的不同范围。虽然示出内部稳压器36，但可替代地考虑采用通过合适管系与压力容器的上部连接的外部稳压器。
继续参照图1和进一步参照图2和3，稳压器容积36通过限制但不是完全阻挡稳压器容积36和运行的PWR容积之间的流体连通的合适隔板结构与运行的PWR容积隔开。而且，在说明性实施例中，主冷却剂流由靠近稳压器容积36布置的反应堆冷却剂泵（RCP）40驱动。由于每个RCP 40包括转动地驱动叶轮/泵壳组件44的叶轮的泵马达42，因此这些RCP 40相对较重。在图2中示出说明性RCP的某些细节，其中最左边RCP 40示出侧剖视图以揭示诸如位于泵壳44cas内部的叶轮44imp以及将泵马达42连接到叶轮44imp的驱动轴46。说明性RCP 40是通常与沸水反应堆系统一起使用的类型，且具有在水中的叶轮/壳组件44和外置的泵马达42，泵马达42的内部可能是干的（即与压力容器内的主冷却剂隔开）或者是湿的（即浸入或者至少暴露于来自压力容器内的主冷却剂）。泵马达42还可有诸如湿轮子和干定子的混合设计。在干轮子的情形中，驱动轴46穿过轴承或其他密封的容器贯穿件。为了提供周向均匀的泵作用，通常有多个RCP 40，例如，8个RCP 40，但也可考虑更少或更多的泵。RCP 40以相同角度间隔绕圆筒形压力容器12的圆筒轴线间隔开。说明性的RCP设置成预装单元且安装在大小设置成允许叶轮/泵壳组件44进入的开口48（见图3）。或者，开口可做成更小，例如大小设置成仅允许驱动轴进入，并且采用多步骤实施安装，如Shargots2011年5月17日提交的共同待审美国专利申请第13/109120号中进一步描述的，其全部内容以参见方式纳入本文。
由于前面所述，RCP 40有相当的总重量。该重量由压力容器12支承，且具体上由其中开口48限定的压力容器的一部分支承，该压力容器的部分必须进一步能形成合适压力边界。在某些实施例中，将压力容器成形成包括适当厚的水平壁架，开口形成于该壁架中以安装RCP，由此来提供适当承压能力。然而，可估计所需的壁架的厚度是相当大的。在说明性实施例中，通过采用跨越圆筒形压力容器12内径的泵支承板50提供适当承压能力。泵支承板50的一部分50PB形成圆筒形压力容器12的压力边界的一部分，且开口48形成于泵支承板50的限定压力边界的一部分50PB中。由于泵支承板50是板且是水平的（即，定向成横向于圆筒形压力容器12的圆筒轴线），因此限定压力边界的部分50PB形成适于在垂直方向上安装RCP 40的水平壁架（即，它们的驱动轴46与圆筒形压力容器12的圆筒轴线平行定向）。
为了提供足够承压能力，泵支承板50较佳地是诸如锻造碳钢板的单片锻造板。泵支承板50的厚度基于需要的承压能力设计，然而，由于跨越圆筒形压力容器12内径的几何形状（因此在泵支承板50中没有中心开口）与具有大中心开口的环形壁架相比增强了承重能力，因此厚度基本上小于环形泵支承壁架所要求的厚度。
泵支承板50还用于将内部稳压器容积36与压力容器的运行的PWR容积（即，在稳压器容积36下方的容积）隔开。然而，为了作为稳压器运行，必须有一些内部稳压器容积36和运行的PWR容积之间的流体连通，虽然该流体连通是被阻碍的。为此，一个或多个波动管线52和一个或多个通气管54穿过泵支承板50。波动管线52在正常PWR运行过程中供应受阻碍的流体连通以将运行的PWR容积中的压力补偿到稳压器容积36中的（受控制的）压力。波动管线52的下端可选地包括闭合板和侧孔或洞使得流体连通通过下端的侧面中的孔或洞穿过该端部。诸如同心波动管线的其他构型可附加地或替代地用于挡住或扩散穿过波动管线52的流动。通气管54容纳压力在压力容器12中升高的意外情况。通气管54提供释放压力的较大流体通道。然而，不期望通气管54在PWR正常运行过程中引导流体（且因此促进对流热转移）。因此，通气管54延伸足够远向上进入稳压器容积36使得其顶端在正常PWR运行过程中处于蒸汽泡中。开口52、54确实对泵支承板50的承压能力产生不利影响。然而，由于这些开口52、54小（以便阻碍穿过支承板50的流体连通），因此其对承压能力的影响是有限的。而且，在某些实施例中，波动管线52不是位于泵支承板50的中心。偏离中心定位的波动管线52（以及通气管54）与中心定位的波动管线相比，有望增强泵支承板50的结构强度。
另外有利的是，在稳压器容积36和运行的PWR容积之间具有良好隔热。隔热便于精确控制稳压器容积36中的压力和温度，且限制运行的PWR容积的热量损失。泵支承板50通常由钢或具有相对高导热性的某些其他金属制成，且因此不能提供充分隔热。因此，在某些实施例中，隔热板56布置在泵支承板50的上方。隔热板在内部稳压器容积36和运行的PWR容积之间提供比由泵支承板50提供的热障大的热障。在某些实施例中，隔热板56与泵支承板50间隔开。在该情形中，隔热板56和泵支承板50之间的间隙包括由隔热板56提供的热障的一部分。在某些实施例中，隔热板56和泵支承板50之间的间隙充满不流动的主冷却水。由于在正常PWR运行过程中泵支承板50和隔热板59都浸入主冷却水，因此这可简单通过具有提供流体连通进入间隙的开口来实现。在一个方法中，在隔热板56和泵支承板50的顶部之间有小间隙。该间隙穿过隔热板56中的小连通孔充有主冷却水。由此暂时捕集在间隙中的水是具有适于提供稳压器容积36和运行的PWR容积之间热障的隔热性能的滞水。或者，可考虑用空气或另一隔热流体充满隔热板56和泵支承板50的顶部之间的间隙（在这种情形中，间隙必须气密封），或用在PWR环境中坚固耐用的隔热固体材料充满间隙。
隔热板56通常跨越圆筒形压力容器12的内直径，但可考虑在隔热板的外边缘和压力容器壁之间有小间隙。这个间隙可用作滞水进入隔热板56和泵支承板50的顶部之间的间隙的进入点。隔热板56不是承重结构部件，且不形成圆筒形压力容器12的压力边界的任何部分。因此，隔热板56可由任何具有在PWR环境中坚固耐用的合适热特性的材料制成。在某些实施例中，隔热板56是不锈钢板（例如，通过支架与泵支承板50间隔开的1/4英寸厚的不锈钢盘）。
继续参照图2和3，向上流出中央上升器20、反向并向下流入环形蒸汽发生器24的主冷却水所经受的流阻通过中央上升器20上孔的适当成形来降低。在说明性实施例中，中空圆筒形中央上升器20具有径向扩展的合并入环形隔板62的上孔60，该环形隔板62将环形隔板62上方的上空腔64与环形隔板62下方的下空腔66隔开。说明性径向扩展的上孔60平滑地径向扩展以平滑地合并入环形隔板。然而，应当理解，平滑径向扩展可在某些实施例中使用接近所说明的平滑径向扩展的一系列逐步径向扩展来实现。说明性环形隔板62的外周界密封抵靠压力容器12的内壁以提供在环形结合部位的上下空腔64、66之间的流体隔离。环形隔板62包括位于下水环腔的径向外侧（且因此在环形蒸汽发生器24的径向外侧）的开口。这些开口提供上空腔64和下空腔66之间的流体连通。在说明性实施例中，RCP 40的对应一个的叶轮/泵壳组件44充满每个这种开口，从而RCP 40将主冷却剂从上空腔64泵送入下空腔66。
在说明性实施例中，上空腔64由径向扩展的上升器上孔60的表面和环形隔板62的顶部以及由泵支承板50的下表面和由压力容器12的内壁的一部分限定。在实施例中，其中泵支承板50可省略，上空腔64的顶部由诸如内部稳压器的隔热板的另一表面（例如见图8）或由采用外部稳压器的实施例中的压力容器的上壁限定。
下空腔66由径向扩展的上孔60的“底部”或“背侧”和由环形隔板62的底部以及由中央上升器20的外表面和压力容器12的内壁限定。下空腔66的底部由压力容器20的壁架的内壁形成的“底壁”68界定。底壁68从下降环腔（下水环腔）的上端径向地向外延伸（或者，同样地在说明性实施例中，底壁68从环形蒸汽发生器24的上端径向地向外延伸）。
一般而言，流动分析发现具有合并入隔开上下空腔64、66的环形隔板62的径向扩展的上孔60的该设计与诸如采用突然90°转变的美国公开第2010/03161281A1号所示的多种设计相比显著地降低了压降和湍流。发现，与将主冷却剂从上空腔64流到下空腔66穿过的开口放置在下降环腔的外侧位置组合的该设计促进主冷却剂径向和周向都均匀地流入环形空腔的上端（换言之，与将RCP 40放置在环形蒸汽发生器24的外侧位置组合的该设计促进主冷却剂径向和周向都均匀地流入蒸汽发生器24的上端）。
然而，该布置还出现了不想要的现象。流动分析表明，流动的一部分撞击从环形蒸汽发生器24的上端向外径向延伸的底壁68，且接着喷射横穿在蒸汽发生器24上端的管束而不是均匀地向下流入管束。发现，附加布置在下空腔66中以将来自RCP 40的主冷却剂流扩散进入下降环腔的流动扩散器明显减少了该流动喷射效应。然而，大的流动扩散器会增加不想要的流阻。发现，呈远离下空腔66的底壁68延伸的较低轮廓的环形堰（或堰部）70的形式的流动扩散器提供期望的喷射效应抑制作用而不会伴随有流阻的大量增加。环形堰70在环形蒸汽发生器24外侧但在RCP 40内侧。
参照图4-6，示出流动模式以说明这些效应。图4和5示出计算不包括堰70的设计的流路。流体滞留在靠近径向扩展的上升器上孔60的弯曲部分，且小湍流出现在RCP 40的入口侧。然而，在环形蒸汽发生器24的顶部的外侧部分的流量部分地侧向流动，产生进入蒸汽发生器24的非均匀流动。因此，穿过蒸汽发生器的内侧管（或在具有壳侧主冷却剂流的蒸汽发生器的情形中，穿过壳的内侧部分）的流量将明显高于穿过蒸汽发生器的外侧管（或在具有壳侧主冷却剂流的蒸汽发生器的情况中，穿过壳的外侧部分）的流量。如图6中所见，增加堰70明显减少了该径向非均匀性。堰70将流动精确地扩散在喷射区域中，使得几乎完全消除喷射效应而增加仅很小的额外流阻。
可以使用流动仿真分析来很容易地设计堰70的精确构造。一般而言，由于可预料到流阻会随着堰70的高度增加而增加，因此堰70将制成尽实际可能的低而仍提供期望的喷射抑制。说明性堰70具有矩形截面的环形几何形状，但期望有合适的其他构型。环形几何形状有助于提供周向均匀性；然而，仿真分析表明该效应次于径向效应，以及在某些实施例中，可考虑用非连续堰替代所说明的连续环形堰70，例如用位于对准每个RCP 40且省略堰的中间区域的堰。还期望有矩形截面可被倾斜结构或圆形结构替代。圆形堰有望与流动扩散器一样降低其流阻和其效应，因此有可能使用具有基本上与较小矩形堰同样效应的较大圆形堰。
虽然说明性平滑径向扩展的上升器上孔60提供如图4-6所示的流动优点，还可考虑使用诸如定向于与可选地包括诸如美国公开第2010/0316181 A1号所示的开口的水平隔板成90°的直的垂直上升器上孔的其他构型。这种布置还可与安装在图1-3所示的位置的RCP 40连接，但叶轮/泵壳组件44连接布置在水平隔板的开口中。这种设计还包括由隔板隔开的上空腔和下空腔。
参照图3以及进一步参照图7，在任一这种实施例中或在图3的实施例中，应急堆芯冷却系统（ECCS）回水管线喷嘴76适于布置成将水WECCS喷入上空腔64。在瞬变工况过程中，这能够有利于ECCS喷射的布置。喷入上空腔64的ECCS喷射喷嘴76的位置允许ECCS在反应堆堆芯14的上方高处进行喷射（见图1）。这降低了反应堆堆芯14在事故情况过程中未被覆盖的风险。此外，定位喷入上空腔64的ECCS喷射喷嘴76将喷射点放置在RCP 40的抽吸侧上，这允许ECCS回水管线76在比当喷射点位于RCP的排放侧上时所需更低的压力下运行。通过在RCP 40的抽吸侧上进行ECCS水喷射，穿过RCP 40的差压主动地用泵抽吸来自ECCS回水管线76的冷却水，这增强了ECCS性能（至少用于其中RCP 40运行的事故场景）。说明性ECCS回水管线喷嘴76事实上贯穿反应堆压力边界进入下空腔，且接着弯曲90°以贯穿环形隔板62并进入其喷射ECCS水的上空腔64。可选地，ECCS回水管线喷嘴76可分支成这样一种关系以允许ECCS冷却剂输送到靠近两个（或更多个）RCP 40的多个喷射点。
参照图8，另一可考虑的变型是用形成于压力容器12中的弓状环形壁架50’替代图1-3的泵支承板50。在图8中，弓状环形壁架50’的开口48’用于以与所述的图1-3的泵支承板50中的开口的相同的方式安装RCP。在数字仿真分析中，发现设计符合具有长轴和短轴之间比例为2：1的椭圆形头部的弓状环形壁架50’提供泵承压强度的可选构型。弓状环形壁架50’的优点是弓状几何形状增强了抵抗内压的强度，这与其他几何形状相比能够使用更小壳厚度的弓状环形壁架50’。由于开口48’成形成提供RCP想要的(例如，垂直的)定向，因此弓状环形壁架50’的缺点是其锻造成本可能较高且可能使RCP的安装复杂化。另外，开口48’的成形和弓状环形壁架50’的弓状形状可能需要更长的用于RCP的驱动轴。
参照图9，所示的具有合并入将上下空腔64、66隔开的环形隔板62的径向扩展的上孔60的中空圆筒形上升器还可考虑用于其他设计。图9示出采用自然循环的设计（或者，可替代地，采用位于远离稳压器的某处的RCP）。在该实施例中，图1-3的泵支承板50由于无需支承RCP而省略了，且隔热板56’设计成提供稳压器容积36和运行的PWR容积之间的热障。隔热板56’可例如包括具有中间充满不流动的主冷却水的间隙的两间隔开的不锈钢板。在图9的实施例中，径向扩展的上孔60合并入其外周界不密封抵靠压力容器12内壁的更改的环形隔板62’。相反，环形间隙90将环形隔板62’的外周界相对圆筒形压力容器的内壁隔开。环形间隙90提供上下空腔64、66之间的流体连通。环形间隙在下降环腔的径向外侧（以及因此在环形蒸汽发生器24的径向外侧），因此通过图9的设计也同样可实现例如图4-6中所示的流动均匀性。环形间隙90的大小可选择成优化诸如阻力、下空腔66的流动均匀性以及向下流入环形蒸汽发生器24的流动特征。虽然不是说明性的，还可考虑将隔板62’的外周界成形以有助于形成流动特征。
已说明和描述较佳实施例。显然，在阅读和理解前述详细说明书后会有各种修改和变型。意指本发明诠释为包括迄今为止的所有修改和变型，只要这些修改和变型在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (35)

1.一种设备，包括：
压水反应堆，所述压水反应堆包括：
核堆芯，所述核堆芯包含裂变材料，
圆筒形压力容器，所述圆筒形压力容器具有垂直定向的圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的所述核堆芯，以及
中空圆筒形中央上升器，所述中空圆筒形中央上升器布置成与所述圆筒形压力容器同心并在所述圆筒形压力容器内；下降环腔，所述下降环腔限定在所述中空圆筒形中央上升器和所述圆筒形压力容器之间，
其中所述中空圆筒形中央上升器具有合并入环形隔板的径向扩展的上孔，所述环形隔板将所述环形分间隔板上方的上空腔与所述环形隔板下方的下空腔隔开，且
其中，所述上空腔与所述径向扩展的上孔流体连通而所述下空腔与所述下降环腔流体连通。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：环形间隙将所述环形隔板的外周界与所述圆筒形压力容器的内壁隔开，所述环形间隙提供所述上下空腔之间的流通连通，所述环形间隙在所述下降环腔的径向外侧。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述环形隔板与所述圆筒形压力容器的内壁形成环形密封，所述环形隔板包括位于所述下降环腔的径向外侧以提供所述上空腔和所述下空腔之间流体连通的开口。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：还包括：
反应堆冷却剂泵，所述反应堆冷却剂泵布置在所述环形隔板中的所述开口以将反应堆冷却水从所述上空腔泵入所述下空腔。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所述压水反应堆还包括：
泵支承板，所述泵支承板跨接所述圆筒形压力容器的内径并形成所述圆筒形压力容器的压力边界的一部分，所述反应器冷却剂泵由所述泵支承板支承。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于：所述泵支承板包括单片锻造板。
7.如权利要求3所述的设备，其特征在于，还包括：
蒸汽发生器，所述蒸汽发生器布置在所述下降环腔中，其中从所述下空腔穿过所述蒸汽发生器的向下主冷却剂流加热与所述向下主冷却剂流流体隔离的穿过所述蒸汽发生器的向上二次冷却剂流。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述压水反应堆还包括：
泵支承板，所述泵支承板跨接所述圆筒形压力容器的内直径并形成所述圆筒形压力容器的压力边界的一部分，所述反应堆冷却剂泵由所述泵支承板支承。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于：
所述圆筒形压力容器的上部限定内部稳压器容积，
所述泵支承板将所述内部稳压器容积与所述压力容器的包括至少所述上下空腔、所述下降环腔以及由所述中空圆筒形中央上升器包含的容积的运行的压水反应堆容积隔开，以及
所述泵支承板包括穿过所述泵支承板的波动管线。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于：所述波动管线不是位于所述泵支承板的中心。
11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述压水反应堆还包括：
隔热板，所述隔热板布置在所述泵支承板上方并与所述泵支承板间隔开，所述隔热板在所述内部稳压器容积和所述运行的压水反应堆容积之间提供比由所述泵支承板提供的热障大的热障。
12.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述PWR还包括：
流动扩散器，所述流动扩散器布置在所述下空腔中以将主冷却剂流从所述环形隔板中的所述环形间隙或开口扩散进入所述下降环腔。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述下空腔部分地由从所述下降环腔的上端径向向外延伸的底壁限定，以及所述流动扩散器包括：
远离所述下空腔的所述底壁延伸的堰。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括：
应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴，所述应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴布置成将水喷入所述上空腔。
15.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压水反应堆还包括：
流动扩散器，所述流动扩散器布置在所述下空腔中以将主冷却剂流从所述环形隔板中的所述环形间隙或开口扩散进入所述下降环腔。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于：所述下空腔部分地由从所述下降环腔的上端径向向外延伸的底壁限定，以及所述流动扩散器包括：
远离所述下空腔的所述底壁延伸的堰。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于：所述堰包括围绕所述下降环腔的上端的环形堰。
18.如权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括：
应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴，所述应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴布置成将水喷入所述上空腔。
19.一种设备，包括：
压水反应堆，所述压水反应堆包括：
核堆芯，所述核堆芯包含裂变材料，
圆筒形压力容器，所述圆筒形压力容器具有垂直定向的圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的所述核堆芯，
中空圆筒形中央上升器，所述中空圆筒形中央上升器布置成与所述圆筒形压力容器同心并在所述圆筒形压力容器内；下降环腔，所述下降环腔限定在所述中空圆筒形中央上升器和所述圆筒形压力容器之间，以及
环形隔板，所述环形隔板将所述环形隔板上方的上空腔与所述环形隔板下方的下空腔隔开；
其中所述上空腔与所述中空圆筒形上升器的上孔流体连通而所述下空腔与所述下降环腔流体连通；以及
其中从所述上空腔到所述下空腔的流路布置在所述下降环腔的外侧。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于：堰远离所述下空腔的所述底壁延伸进入所述下空腔；且
所述堰载所述下降环腔的径向外侧以及
所述堰在从所述上空腔到所述下空腔的所述流路的径向内侧。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于：所述堰包括环形堰。
22.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
反应堆冷却剂泵，反应堆冷却剂泵布置成通过布置在所述下降环腔外侧的从所述上空腔到所述下空腔的流路将主冷却剂从所述上空腔泵入所述下空腔。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，所述压水反应堆还包括：
泵支承板，所述泵支承板跨接所述圆筒形压力容器的内直径并形成所述圆筒形压力容器的压力边界的一部分，所述反应堆冷却剂泵由所述泵支承板支承。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于：
所述圆筒形压力容器的上部限定内部稳压器容积，
所述泵支承板将所述内部稳压器容积与所述压力容器的包括至少所述上下空腔、所述下降环腔以及由所述中空圆筒形中央上升器包含的容积的运行的压水反应堆容积隔开，以及
所述泵支承板包括穿过所述泵支承板的波动管线。
25.如权利要求24所述的设备，其特征在于：所述波动管线不是位于所述泵支承板的中心。
26.如权利要求24所述的设备，其特征在于，还包括：
隔热板，所述隔热板布置在所述泵支承板上方并与所述泵支承板间隔开，所述隔热板在所述内部稳压器容积和所述运行的PWR容积之间提供比由所述泵支承板提供的热障大的热障。
27.如权利要求26所述的设备，其特征在于，还包括：
应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴，所述应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴布置成将水喷入所述上空腔。
28.一种设备，包括：
压水反应堆，所述压水反应堆包括：
核堆芯，所述核堆芯包含裂变材料，
圆筒形压力容器，所述圆筒形压力容器具有垂直定向的圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的所述核堆芯，
中空圆筒形中央上升器，所述中空圆筒形中央上升器布置成与所述圆筒形压力容器同心并在所述圆筒形压力容器内；下降环腔，所述下降环腔限定在所述中空圆筒形中央上升器和所述圆筒形压力容器之间，以及
泵支承板，所述泵支承板跨接所述圆筒形压力容器的内直径，其中所述泵支承板的一部分形成所述圆筒形压力容器的压力边界的一部分；以及
反应堆冷却剂泵，所述反应堆冷却剂泵由所述泵支承板的形成所述圆筒形压力容器的压力边界的一部分的部分支承，所述反应堆冷却剂泵布置成将从所述中空圆筒形中央上升器排出的主冷却水泵入所述下降环腔。
29.如权利要求28所述的设备，其特征在于：所述泵支承板包括单片锻造板。
30.如权利要求29所述的设备，其特征在于：
所述圆筒形压力容器的上部限定内部稳压器容积，
所述泵支承板将所述内部稳压器容积与所述压力容器的包括至少所述上下空腔、所述下降环腔以及由所述中空圆筒形中央上升器包含的容积的运行的压水反应堆容积隔开，以及
所述泵支承板包括穿过所述泵支承板的波动管线。
31.如权利要求30所述的设备，其特征在于：所述波动管线不是位于所述泵支承板的中心。
32.如权利要求30所述的设备，其特征在于，还包括：
隔热板，所述隔热板布置在所述泵支承板上方并与所述泵支承板间隔开，所述隔热板在所述内部稳压器容积和所述运行的PWR容积之间提供比由所述泵支承板提供的热障大的热障。
33.如权利要求32所述的设备，其特征在于：所述隔热板与所述泵支承板和所述隔热板与所述泵支承板之间的间隙间隔开，所述间隙包括由所述隔热板提供的所述热障的一部分。
34.如权利要求34所述的设备，其特征在于：所述隔热板与所述泵支承板之间的所述间隙包含停滞的主冷却水。
35.一种设备，包括：
压水反应堆，所述压水反应堆包括：
核堆芯，所述核堆芯包含裂变材料，
圆筒形压力容器，所述圆筒形压力容器具有垂直定向的圆筒轴线和包含浸入主冷却水中的所述核堆芯，
中空圆筒形中央上升器，所述中空圆筒形中央上升器布置成与所述圆筒形压力容器同心并在所述圆筒形压力容器内；下降环腔，所述下降环腔限定在所述中空圆筒形中央上升器和所述圆筒形压力容器之间，以及
环形隔板，所述环形隔板将所述环形隔板上方的上空腔与所述环形隔板下方的下空腔隔开；以及
应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴，所述应急堆芯冷却系统回水管线喷嘴布置成将水喷入所述上空腔。
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