CN103238186A - 集成型钠冷却快速核反应堆 - Google Patents

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CN103238186A CN2011800584854A CN201180058485A CN103238186A CN 103238186 A CN103238186 A CN 103238186A CN 2011800584854 A CN2011800584854 A CN 2011800584854A CN 201180058485 A CN201180058485 A CN 201180058485A CN 103238186 A CN103238186 A CN 103238186A
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Abstract

本申请涉及对根据申请WO2010/057720的集成型SFR反应堆的改进。根据本发明，所述中间交换器(16)的所述出口窗口(18)中的每个出口窗口都被包围在与圆环管道(12)进行流体交流的壳体(20)中；并且使所述钠经所述中间交换器从所述热区域(12)流动到所述冷区域(14)的泵送单元(30)的每个入口也都与所述圆环进行流体交流，使得源自所述热区域并自所述中间交换器出来的所述主钠经所述圆环流动，然后被所述泵送单元引导到所述冷区域。

Description

集成型钠冷却快速核反应堆
技术领域
本发明涉及一种属于称作第四代反应堆的反应堆族系的SFR钠冷却核反应堆(钠快速反应堆)。
更具体地，本发明涉及集成型钠冷却核反应堆，换言之，其中的主线路完全容纳在还容纳有主泵和热交换器的容器中。
本发明提出对申请WO2010/057720的改进，该申请提出容纳在反应堆容器中的主线路的一种创新的架构，使得可以改进其紧凑性，以协助特定部件的设计并改善容器中钠的自然对流。
背景技术
钠冷却快速反应堆(SFR)通常包括其中放置堆芯的容器，堆芯上方为堆芯控制栓塞。通过借助于放置在容器内的泵送系统流通钠(称为主钠)来进行热量的排放。该热量通过一个或更多个中间交换器(EI)被转移到中间线路，然后用于在蒸汽发生器(GV)中产生蒸汽。该蒸汽然后被送进透平，以将该蒸汽转换为机械能，所述机械能本身再被转换为电能。
所述中间线路包含作为传热介质的钠，并用于相对所述蒸汽发生器隔离(或换言之容纳)容器中的主钠，因为一旦所述发生器的管破裂，钠和容纳在所述蒸汽发生器中的水蒸气之间能发生剧烈反应。因此，所述架构着重强调了两个钠线路：一个称为主线路，负责在堆芯和一个或更多个中间热交换器之间转移热量；另一个称为次线路，负责将所述热量从中间交换器转移至蒸汽发生器。
所有钠冷却快速反应堆(SFR)都具有共同的技术特征。容器在顶部被盖板封闭，以便主钠不与外部空气接触。
所有构件(交换器、泵、管道等)都竖直地穿过该板，以便可以通过被提升设备竖直地提高而被拆卸。该板中通孔的尺寸依赖于构件的数目和大小。孔的尺寸越大，数目越多，则容器的直径就越大。
现存不同技术方案可分为两个主要的反应堆族系：回路型反应堆和集成型反应堆。
回路型SFR反应堆的特征在于中间交换器和用于泵送主钠的设备处在容器外部。
回路型SFR反应堆的主要优点是，对于给定的功率，获得直径小于集成型SFR反应堆中容器的直径的容器，因为所述容器容纳更少的构件。所述容器因此更易制造并从而更不昂贵。另一方面，回路型SFR反应堆具有使主钠不在容器中的主要缺陷，这使所述主钠线路架构变得复杂并造成重大安全问题。因此，与尺寸减小、容器更易制造相关的优点被因增加与回路的设计相关的设备以及管理主钠的任何泄漏的专用装置而造成的额外的成本费用所抵消。
集成型SFR反应堆的特征在于中间交换器和主钠泵送装置完全处在容器内部，与回路型SFR反应堆相比，就安全性而言，这使得可以避免使主线路离开容器，并因此构成一个重要优点。
本申请的发明人在申请WO2010/057720中提出寻求改进集成型SFR反应堆的方案。
更具体地，他们提出的方案的目的在于解决他们识别出的集成型SFR反应堆的如下缺点：
热收集器和冷收集器之间的台阶的困难的设计和实现，
强迫对流下的正常操作和在当电机泵故障时剩余功率排放的自然对流下的操作之间的脆弱的兼容性，
容器的较大尺寸(从经济角度而言是不利的)。
根据申请WO2010/057720的方案并不完全令人满意。实际上，在每个中间交换器(即用于使钠穿过中间交换器从热区域向冷区域流通的交换器)(上游或下游)附近放置一组泵送装置意味着空间占据。
所述空间占据可损害反应堆的紧凑性，具体而言，这会导致反应堆容器的尺寸增加。
根据申请WO2010/057720的方案的另一缺点是，在所述中间交换器下游附近放置一组泵送装置可使SFR反应堆的安装变得复杂。实际上，在这种情况下，所述泵送装置某种程度上设置在所述中间交换器的端部处，并可构成不平衡，一旦地震，这会损害机械性质。
本申请的目的因此在于提出一种根据申请WO2010/057720的集成型SFR反应堆的改进方案，其寻求弥补集成型SFR反应堆的全部或部分以上所述的缺点。
发明内容
根据本发明，该目的通过一种集成型SFR核反应堆达到，所述集成型SFR核反应堆包括：容器，适于填充有钠，所述容器内提供有堆芯；用于主钠的流动的泵送装置；第一热交换器，称为中间交换器，适于在正常操作期间排放由所述堆芯产生的功率；第二热交换器，适于在停机时且所述泵送装置也停止时排放由所述堆芯产生的剩余功率；分隔设备，限定所述容器中的热区域和冷区域，所述集成型SFR核反应堆包括：
分隔设备，由两个壁构成，每个壁都带有包围所述堆芯提供的大致竖直部分和大致水平部分，所述大致水平部分被彼此分隔开一高度，并且限定在所述上壁的所述水平部分以上的空间形成所述热区域，而限定在所述下壁的所述水平部分以下的空间形成所述冷区域，并且所述大致水平部分被提供有相对于所述容器的间隙；
中间交换器，以间隙大致竖直地设置在所述分隔设备的壁的每个水平部分中制成的第一开口中，以便使所述中间交换器的出口窗口处在所述下壁的所述水平部分以下；
可变流动泵送装置，分成液压串联的两个泵组，一个泵组提供在所述下壁的所述水平部分以下，用于所述钠穿过所述堆芯从所述冷区域到所述热区域的流动，另一个泵组将所述钠经所述中间交换器从所述热区域泵送到所述冷区域；
温度获取装置，提供在限定在所述两个壁的所述水平部分之间的空间中，沿大致竖直的轴线延伸，以实时地确定所述空间中的热分层；
自动控制装置，一方面连接到所述温度获取装置上，另一方面连接到所述两个泵组上，以在需要时改变至少一个泵组的流动，以便在正常操作期间保持令人满意的分层水平；
第二交换器，大致竖直地设置在所述冷区域以上；
使所述主钠能在所述堆芯和所述泵送装置也停止时从所述第二交换器向所述冷区域自然对流的装置；
反应堆，其中所述分隔设备的所述间隙和所述两个壁的所述水平部分之间的所述高度被预定为在正常操作期间所述壁、交换器和容器之间进行微差移动，并使得可以在正常操作期间限定在所述两个壁的所述水平部分之间的空间中建立所述主钠的热分层，并在单个泵组意外停止的情况下因一部分所述主钠经所述间隙之间流动而降低施加于所述壁的机械应力。
根据本发明，
所述中间交换器的所述出口窗口中的每个出口窗口都被包围在与成形为圆环的管道进行流体交流的包围部中；并且
将所述钠经所述中间交换器从所述热区域泵送到所述冷区域的泵组的每个入口也都与所述圆环进行流体交流，使得源自所述热区域并自所述中间交换器出来的所述主钠经所述圆环流动，然后被所述泵组引导到所述冷区域。
与根据申请WO2010/057720的方案相比，避免了用紧邻中间交换器的泵送装置组产生中间交换器的新的混合设计的需要。因而可以在根据本发明所述的集成型SFR反应堆中使用之前已被允许用于现有技术的集成型SFR反应堆的中间交换器。此外，由于所述泵送装置不再附接在所述中间交换器的出口处，所述中间交换器的下端处的附加物质(其容易产生不平衡)不再存在，这在地震的情况下有利于所述中间交换器的机械性质。依赖于所述圆环中希望的流动条件，可以调节泵送装置的数目及其特征(例如流量、压强等)。此外，借助于根据本发明所述的圆环管道，与根据申请WO2010/057720的方案相比，可以更容易地使所述主钠穿过所有所述中间交换器的流动均匀化。
根据一个实施例，所述可变流量泵组机械上彼此独立(mechanicallyindependent)，并分别由转子动力泵组成，所述转子动力泵的驱动轴在所述容器的整个高度上竖直地延伸，穿过盖板和所述分隔设备的两个壁的所述水平部分，以间隙明显竖直地设置，其中支撑所述泵的结构和所述分隔设备的两个壁之间的间隙也预定为在正常操作期间所述壁和所述泵以及所述容器之间进行微差位移，并使得可以在正常操作期间在限定在所述两个壁的所述水平部分之间的空间中建立所述主钠的热分层，并在泵组过早停止的情况下因一部分所述主钠经所述间隙中流动而限制施加于所述壁的机械力。
根据一个有利的实施例，所述液压串联的两个可变流量泵组是机械上依赖的(mechanically dependent)，并由至少一个双叶轮离心转子动力泵组成，所述双叶轮离心转子动力泵的第一叶轮被设置为使所述第一叶轮的入口将所述主钠轴向地抽吸到所述圆环中，并使所述第一叶轮的出口将所述主钠驱动到所述冷区域中，第二叶轮安装在与所述第一叶轮相同的驱动轴线上，并被设置为使所述第二叶轮的入口将所述主钠抽吸到所述冷区域中，并使所述第二叶轮的出口将所述主钠向所述堆芯驱动。将上述两个叶轮结合在同一轴线上意味着可以以相似的方式(尤其是以中间流量)来变化主钠穿过所述堆芯的流动以及主钠穿过所述中间交换器的流动。这还具有简化流量的调节和控制方法的优点。最后，该组合能降低所述容器中构件的数目，并从而能使所述容器更紧凑。此外，与两个泵组机械地独立的实施例相比，在这种情况下，不必限定所述分隔设备的壁(其承受一旦双叶轮泵组停止时所述壁上的附加的机械力)和所述泵的支撑结构之间的间隙。实际上，在这种情况下，穿过所述分隔设备(即其两个壁之间)的平均流量为零，并且因此所述壁上没有不利的机械力。
双叶轮离心转子动力泵的这样的改造是非常不显而易见的。实际上，虽然该类型的具有被单个轴支撑的两个叶轮的泵是已知的，但是它们惯常操作于增加一个轮在另一个轮上的压强，因此一个轮/叶轮的抽吸入口对应于串联安装的另一轮/叶轮的抽吸出口。这也是为什么其惯常技术名称是“多级泵”的原因。根据本发明所述的双叶轮离心泵与现有技术中已知的双叶轮离心泵的不同在于，在给定泵的两个叶轮之间有较大容积的中间区域，并且该中间区域被几个泵共享。该较大容积的中间区域是根据本发明所述的反应堆的所述冷区域。换言之，在这种情况下，与根据现有技术的多级泵不同，级之间的压强比被加在一起，每个级都由叶轮构成，但不必具有相同的流量，因为所述中间容积与所述反应堆的其它元件(例如通过台阶开口)进行液压交流。因此，在正常的反应堆操作期间，穿过所述中间交换器的流量和穿过所述堆芯的流量是相同的，因此在两个叶轮中相同。因此如在常规二级泵中那样，压强总是相加在一起，但存在由所述冷收集器构成的两个叶轮之间较大容积的事实表明存在过滤，即对操作故障发生时可能发生的热冲击的缓解。如果例如从中间交换器EI出来的钠到达时不够冷，但在所述中间交换器的次级侧的热量提取系统过早停机后突然变冷，所述泵的(将流体抽吸到所述圆环中的)第一叶轮因此某种程度上受到该热冲击，但第二叶轮经历钠温度的逐步上升，因为从第一叶轮出来的热钠逐步与所述冷收集器中早已存在的冷钠混合。
与常规二级泵相比，根据本发明所述的双叶轮泵的另一操作区别在于剩余功率移除模式中的操作模式。在常规二级泵中，即便泵停机(流动例如通过自然对流发生)，穿过泵的叶轮的流动也相同。在本申请的情况下，在剩余功率移除情况中，可能没有流动穿过第一叶轮(其入口在所述圆环中)，而穿过第二叶轮并饲入所述堆芯的整个流动来自所述冷收集器。液压回路则由以下元件形成：所述堆芯、所述热收集器、所述专用于剩余功率移除的交换器、台阶中的开口、所述冷收集器、所述泵的第二叶轮，以及最后，所述堆芯。所述钠然后通过自然对流在该回路中流动。
依赖于所述反应堆的操作条件，可以有利地提供用于相对于穿过所述中间交换器的流量调节穿过所述堆芯的主钠的流量的至少一个装置，穿过所述中间交换器的流量与穿过所述堆芯的主钠的流量彼此独立且与两个叶轮的驱动轴线的转动速度相独立。
这可以是在独立(不在同一轴上)的泵的驱动的转动轴的特定变化范围内的情况。
其也可以在所述反应堆的使用寿命期间发生。典型地，“第四代”反应堆的设想的使用寿命因此是数十年。在所述反应堆的使用寿命期间，定期更换构成所述堆芯的燃料元件。依赖于核材料管理背景，可以在所述反应堆的堆芯中装载新型核燃料元件。这些新核燃料元件可以导致与所述堆芯中最初存在的燃料元件不同的负载损耗。在该配置中，本发明人相信仅用最初适配的双叶轮泵难于获得穿过所述堆芯的比率和穿过所述中间交换器的比率之间的完全相同的流量。因此调节所述堆芯和所述中间交换器之间的流量的装置有利地能有效弥补新引入的负载损耗。根据定义这不能通过改变两个叶轮的转动速度得到解决，因为它们被结合到同一轴线上。
根据一个有利的变型，用于调节流量的装置由与带有两个叶轮的电机泵分开的一个/一些附加的泵送装置组成，所述附加的泵送装置的入口与所述圆环进行流体交流，其中由所述附加的泵送装置和所述双叶轮泵供应的主钠的流量之和约等于穿过所述中间交换器的流量。
优选由在所述圆环中抽吸的所述双叶轮泵的叶轮供应的流量的值在穿过所述中间交换器的流量的值的90％至95％之间。不言而喻，由所述双叶轮泵供应的流动可以依赖于所述驱动轴线的转动速度。因此，依赖于由所述双叶轮泵提供的流量的值，所述附加的泵送装置供应并调节附加的流动，使得穿过所述中间交换器的流量等于穿过所述堆芯的流量。优选确保所述附加的泵送装置供应较低(典型地为穿过所述中间交换器的流量的5％至10％的值)的流量。
所述附加的泵送装置有利地由转子动力泵和/或电磁泵构成。
使用这些泵的优点在于其需要的容量较低，因此占据较小体积，这也有利于所述反应堆的紧凑性。
根据一个有利的变型：
所述泵的两个叶轮的驱动轴线包括至少两个能相对彼此轴向移位并且彼此转动固定的同轴的轴，其中所述轴中一个轴的下端支撑所述叶轮的叶片的至少一部分，而另一轴的下端支撑所述叶轮的其它部分；并且
所述用于调节流量的装置由所述叶轮的叶片的所述(至少)一部分附接于其下端的驱动轴组成，并且所述驱动轴相对另一驱动轴的轴向位移允许所述叶片的至少一部分缩回。双叶轮离心转子动力泵制造为具有在包括在两个盘之间的叶轮中的液压流通。这些盘中的一个盘是静止的，而另一个盘附接于支撑叶片的叶轮。惯常地，为了获得最大效率，静止盘和移动盘的叶片的边缘之间允许最小安装间隙。在这种情况下，明智地，可以通过在移动盘中安装可缩回叶片来调节静止盘和移动盘的叶片之间的间隙，因此或多或少可以降低所述泵的效率(即其依赖流量的压强特征)。
为安全起见，允许所述叶片的所述至少一部分缩回的用于控制所述轴的移动的机构有利地设置在所述轴线的驱动马达上方，所述驱动马达本身设置在盖板上方。该实施例比控制机构设置在别处的实施例更为简单。
根据本申请所述的集成型SFR反应堆可包括六个中间交换器、六个第二交换器以及三个双叶轮离心转子动力泵。
附图说明
阅读结合以下附图进行的对本发明的详细描述，本发明的其它优点和特征将变得更清楚，附图中：
图1是根据本发明的集成型SFR反应堆的纵向剖面示意图，
图1A是根据本发明的集成型SFR反应堆的纵向剖面局部示意图，显示根据本发明的成形为圆环(toroid)的轴和中间交换器之间的替换设置，
图2是显示用于在圆环中在中间交换器的出口处收集钠、以及用于以作为泵送装置的两个双叶轮离心泵来泵送根据本发明的钠的方案的示意图，
图3显示作为根据本发明的双叶轮离心泵的流量的函数的压强的特征曲线。
图4是根据本发明的集成型SFR反应堆的另一纵向剖面示意图，其中示出双叶轮泵的设置，
图5是带有调节钠流量的装置的离心泵的叶轮的详细的剖面图，
图6是根据本发明的集成型SFR反应堆的示意局部纵向剖面图，显示根据本发明的专用于排放剩余功率的交换器、温度获取装置和在热区域和冷区域之间的分隔设备之间的相对布置，
图7是类似于图4的另一视图，其中除驱动马达外，还呈现了用于控制根据本发明的泵的叶轮的叶片的移动的机构。
具体实施方式
本申请中，术语“水平”、“竖直”、“下”、“上”、“以下”和“以上”应理解为是相对竖直地设置的反应堆的容器以及相对冷区域或热区域的布置而言的。因此，根据本发明所述的上壁是指最接近热区域的壁，而下壁是指最接近冷区域的壁。类似地，提供在下壁以下的根据本发明所述的泵是处在冷区域中的泵。
类似地，本申请中，术语“上游”和“下游”应理解为是相对钠流动的方向而言的。因此，流过中间交换器的钠首先穿过所述中间交换器上游的一组泵送装置。已经流过中间交换器的钠则随后穿过所述中间交换器下游的一组泵送装置。
图1中可见根据本发明所述的集成型SFR反应堆的整体示图。所述集成型反应堆包括堆芯11，热量随着核反应在堆芯11中释放。所述堆芯11由支撑部110支撑。该支撑部110包括堆芯栅板1100，构成所述堆芯的组件111的下部沉入堆芯栅板1100中，该堆芯栅板1100由搁在容器13的底部130上的层板(decking)1101支撑。所述堆芯上方是堆芯控制栓塞(BCC)，所述堆芯控制栓塞包括用于核反应的控制和正确操作所需的仪器。
堆芯11的在正常操作期间所述主钠跟随的热量排放线路由实线箭头CN示意地表示：在所述堆芯的出口处，所述钠出来并进入热收集器12。热收集器12通过合适的分隔设备15与下方的冷收集器14分隔开。
热收集器(或热区域)12和冷收集器(或冷区域)14之间的该分隔设备由两个带有开口的壁150、151构成。这两个带有开口的壁150、151各具有包围所述堆芯提供的大致竖直部分1501、1511以及大致水平部分1500、1510。水平部分1500、1510被分隔开一高度H。在示出的实施例中，水平和竖直部分以圆转角连接在一起。每个壁150、151的竖直部分都固定到堆芯11的支撑部110上。限定在上壁150的水平部分1500以上的空间形成所述热区域，而限定在下壁151的水平部分1510以下的空间形成所述冷区域。
如图1A和图6所示，大致水平部分1500、1510提供有相对于容器13的间隙j1。
每个中间交换器16都穿过盖板24竖直地设置。在正常操作期间供应中间交换器16的所述主钠自热收集器12被取走，并被驱赶到冷收集器14中。中间交换器16未带有任何特定密封地以功能性间隙j2穿过壁150、151的所述两个水平部分。
在根据本发明所述的SFR反应器中(如申请WO2010/057720的SFR反应器中所述)，有分成液压串联的两个泵组30、31的可变流量泵送装置3。一个泵组31设计为穿过所述堆芯将所述钠从冷区域14向热区域12泵送，另一个泵组30设计为穿过中间交换器16将所述钠从热区域12向冷区域14泵送。
根据本发明，首先使中间交换器16的出口窗口18中的每个出口窗口都包围在与成形为圆环21的轴进行流体交流的包围部20中。
同时还使设计为将所述钠从热区域12泵送到冷区域14的泵组30的每个入口也都与圆环21进行流体交流，使得源自热区域12并自中间交换器16出来的所述主钠经圆环21流动，然后被所述泵组30引导到所述冷区域。
如图2中所示，一个有利的实施例在于提供至少一个由双叶轮离心转子动力泵构成的在两个泵组30、31之间的共享的泵送装置3。第一泵组由泵3的叶轮30构成，并设置为使叶轮30的入口300将所述主钠轴向地抽吸到圆环21中，并使叶轮30的出口301将所述主钠驱动到冷区域14中。第二泵组由同一泵3的叶轮31构成，并安装在与第一叶轮30相同的驱动轴线32上，并且叶轮31设置为使叶轮31的入口310将所述主钠径向抽吸到冷区域14中，并使叶轮31的出口311将所述主钠向堆芯11驱动。
因此，通过将两个叶轮30、31结合在同一轴线32上，可以(尤其在中间流量区域)以相似的方式改变主钠穿过堆芯11的流动以及主钠穿过中间交换器16的流量。
这在图3中更清楚地示出，图3是作为用于具有共享区域14的同一泵3的两个叶轮30、31的压强的函数的流量曲线的特征图。可见：
对于轴线32的转动速度(额定速度ωrated或慢速ωslow)，叶轮30和叶轮31的曲线几乎彼此平行，且
主钠穿过堆芯11的流量的变化等于钠穿过中间交换器16的流量的变化。
图4示出带有两个叶轮30、31的单个离心泵在所述反应堆中的设置。所述双叶轮泵的支撑结构321(轴线32处在支撑结构321中)在容器13的整个高度上大致竖直地延伸，穿过盖板24和以间隙大致竖直地设置的所述分隔设备的两个壁150、151的水平部分1500、1501。如下所述，所述泵的轴线32处在其中的所述泵的支撑结构321和所述分隔设备的两个壁之间的间隙预定为使得在正常操作期间在所述壁和所述泵以及容器13之间进行微差移动，并在正常操作期间允许在限定在壁150、151的所述水平部分之间的空间中建立所述主钠的热分层(thermal stratification)。此外，在该图中，可以规定源自冷收集器14的钠径向地到达叶轮31的入口处，然后被叶轮31轴向地抽吸。
依赖于所述反应堆的操作条件，可以有利地提供彼此独立且与两个叶轮的驱动轴线的转动速度相独立地相对于穿过中间交换器16的流量调节穿过堆芯11的主钠的流量的至少一个装置。图5示出这样的装置的有利的实施例。如所示，所述驱动轴线包括至少两个能相对彼此轴向移动的同轴的轴320、321。
轴320的下端支撑有叶片，而另一轴321的下端支撑所述叶轮的轴向静止的其它部分。通过相对于轴321轴向移动轴320，叶片3000由此缩回。由此增加静止盘302和叶片3000边缘之间的间隙，这或多或少能降低所述泵的效率(即其依赖流量的压强特征)。通过该装置，独立于轴320、321的轴线的转动速度，来相对于穿过堆芯11的流量调节穿过中间交换器16的流量。
图5示出叶轮30上的叶片300的缩回，这抽吸圆环21的钠，以相对于穿过堆芯11的流量调节穿过中间交换器16的流量。当然，在本发明的背景中，至少另一叶轮31的叶片的一部分可以以替换的或附加的方式缩回。
图6呈现最优化的实施例，其改进分隔上下壁150、151的两个水平部分1500、1510的高度H的空间中的热分层的效率，从而改进核反应停止操作时所述主钠的自然对流Cr(剩余流动)。在每个交换器下在上壁150的水平部分1500中提供有开口15000。专用于排放剩余功率的交换器25的交换区域被整个放置在所述热收集器内。
出口窗口250恰好设置在上壁150的水平部分1500下方。上壁150的开口15000和交换器25之间的功能性间隙j3允许这些构件之间的微差移动。
该布置在排放来自堆芯11的剩余功率的操作模式期间(泵送系统3也停止)的优点如下：
由于次交换器25的出口窗口250恰好放置在上壁150的水平部分1500下，自操作中的该交换器25出来的冷钠因为已经处于其中一个壁150之上而更容易向冷收集器14下降，而不与来自热收集器12的钠混合，换言之，改进了自然对流下停止操作期间的液压路径，且
所述钠通过在所述专用于排放剩余功率的交换器下方制成的开口15100、并通过由所述中间交换器和所述下壁之间的功能性间隙以及所述反应堆的容器和台阶的壁之间的功能性间隙构成的孔而穿过下壁151的水平部分1510。
两个壁150、151的水平部分1500、1510之间的空间的高度H对实现正确的分层相当重要(约两米)。所述两个壁的竖直部分1501、1511之间的距离较小(约几厘米)。
具有高度H的空间通过以下功能性间隙与热收集器12和冷收集器14交流：
限定在容器13和两个壁的水平部分1500、1510之间的j1。该功能性间隙j1约几厘米，并使得所述构件(壁150、151和容器13)之间能进行微差移动，
限定在壁150、151和支撑泵3的系统321以及中间交换器16之间的通道中的j2。该功能性间隙j2约几厘米，并使得所述构件(壁150、151和中间交换器16，以及壁150、151和泵3)之间能进行微差移动，以及
限定在上壁150的水平部分1500和专用于移除剩余功率的交换器25之间的通道中的j3。如上所述，为了使自这些交换器25出来的钠容易返回冷收集器14，在所述下壁的水平部分1510中竖直地制成另外的开口15100。
为将所述分隔设备的尺寸精确限定为给定的配置，本领域技术人员会留意使所述交流空间不呈现大水力直径的过大的流动截面，以形成有效的物理分隔。
所述壁的用途实际上是标出具有较高速度的区域12、14之间的物理界限：热收集器12和冷收集器14，具有平静区域，所述平静区域必须建立热分层而无需具有密封。作为本申请的一个功能，可以做出具体的布置。无论如何，所述分隔设备的所述两个壁的水平部分1500、1510之间的高度H和功能性间隙j1、j2、j3被预定为在正常操作期间在壁150和151、交换器16和25、泵3以及容器13之间进行微差移动，并使得可以在正常操作期间在两个壁150、151的水平部分之间限定的空间中建立所述主钠的热分层，并在泵组30或31(解除结合时)意外停止的情况下，因一部分主钠经所述间隙之间流动而降低施加于所述壁的机械应力。因此，由此确定的热分层某种程度上在于提供两个壁150、151之间的高度上的足够大的容积，并降低热区域12和冷区域14之间的主钠的寄生流动(parasitic flow)。
此处通过示例给出壁和收集器12、14之间的流动区域的大小数量级。对于该评估，所述交流的水平处的功能性间隙j1、j2、j3被估计为约5cm：
容器13和壁的部分1500、1510之间的功能性间隙j1：对于直径约十五米的容器，总截面为2.3m2，
中间交换器16或泵3与壁的部分1500、1510之间的功能性间隙j2：对于六个交换器16和三个泵3，要求约等于内径等于所述中间交换器和所述泵的直径(即，约2米)的环的流动面积，因此所述环的宽度为间隙j2，截面约为2.5m2，且
用于排放剩余功率的交换器25和上壁150的水平部分1500之间的功能性间隙j3：对于六个直径约一米的交换器25，截面为～1m2。
所述上壁的所述水平部分的通道的总截面约为6m2。
该总估值适用于上壁150。由于下壁151不被专用于移除所述剩余功率的交换器25穿过，在该壁的水平部分1510中仅制成开口15100。优选这些开口15100具有等于其它开口的水力直径，即约0.10m的直径。这些开口15100的数目优选为使其总截面至少等于(就数量级而言)功能性间隙j3围绕剩余功率移除交换器25产生的总截面。
在示出的实施例中，由于该截面为约1m2，在每个专用于排放剩余功率的交换器25下提供至少二十个左右的开口15100。
无论如何，穿过具有开口的壁150、151的通道的截面的数量级(magnitude)满足所有以下不同操作：
其必须足够大，以便在泵组30、31机械独立(解除结合时)时一旦泵组30或31完全意外停止的情况下，使壁150、151不承受过高的机械应力。实际上，在具有约3600MW额定功率的反应堆的情况中，正常操作中的钠流量约22.5m3/s。因此，例如，在泵组30、31机械独立时供应中间交换器16的泵组30或31过早停止的情况中，部分钠流动继续在中间交换器16中流动，其它部分则穿过构件3、16、25、13和壁150、151之间的间隙j1、j2、j3。两个流动之间的分配依赖于中间交换器16和壁150、151之间的相对负载损耗。这些负载损耗的估计可能导致约70％的穿过间隙j1、j2、j3的流动(或约16m3/s)。壁150、151的开口和所述构件之间的平均速度因此是2.7m/s。这是较低的速度，并不导致壁150、151上的显著机械应力，
其足够大，以便不打断所述热分层，换言之，保持总能被所述泵的自动控制在正常操作期间纠正并在停止的操作中被保持的最高和最低温度以及竖直的温度曲线，且
在正常操作期间，为限制穿过所述孔的寄生流动，水力直径必须较小。壁150、151中的流动截面优选为具有约5cm宽度的非常长的形状。这种情况下，水力直径约等于所述宽度的两倍，即10cm。在相对约15m的根据本发明所述的反应堆的容器的直径的这样的直径下，水力直径的相对值因此约等于0.1/15，即小于0.7％。
图6示出实施例，该实施例被最优化为测量壁150、151的水平部分1500、1510之间的内部空间中的热梯度。所示温度获取装置此处由穿过两个壁150、151的两个水平部分1500、1510并浸没(immerse)在所述钠中的几个吊杆6构成。在该/这些吊杆6上设置热电偶60，热电偶60的功能是检测壁150、151之间的高度H的内部区域中不同高度处的钠的温度。获知所述竖直的温度曲线，结合数字处理，使得能监控所述热梯度的变化，并能使穿过堆芯11的钠流动受控于穿过中间交换器16的钠流动。
在正常操作中，如上可见，寻求使这两个流量相同。在这些条件下，两个壁150、151之间的高度H的区域构成无流动或低速流动的区域，使得能建立热分层。
正是该热分层起到所述两个热收集器12和冷收集器14之间的分隔的作用。
通过固定在所述吊杆的不同高度处的热电偶或温度传感器60或通过另一方法来测量该热分层，使得可以在需要时调节穿过堆芯11的流动和穿过中间交换器16的流动之间的相对流动。
如图5所示，然后可以使用泵3的两个叶轮30、31中的一个叶轮的叶片的缩回作为调节这些流量的手段。
所述热分层的效率可以根据由以下方程限定的理查森数(Richardsonnumber)来评估：
Ri＝g(Δρ/ρ)H/V2
其中：
g是重力引起的加速度；
Δρ/ρ是相对密度变化；
Δρ＝ρcold-ρhot；
ρcold是冷流体的密度；
ρhot是热流体的密度；
ρ是流体的平均密度；
H是表征容积的尺寸特征，典型地为容积的高度；
V是容积中的流体的到达速度。
理查森数Ri因此表征密度或重力(Δρg H)和惯性力(ρV2)之比。如果所述惯性力大于重力，Ri将小于一，并且强迫对流占主导，不存在分层。如果重力大于惯性力，Ri将大于一，表示在容积内建立了分层。
在包括冷热液体的出口和入口的容积中，如果无量纲的理查森数大于一，则视为存在分层。
在所审查的具体情况中，所述容积视为处在壁150、151的两个水平部分1500、1510之间的高度H的空间。由于在正常操作中，穿过堆芯11和中间交换器16的流动相等，在该高度H的空间中没有流动，因此速度为零。实际中，可能有轻微的流动，因为所述两个壁借助于功能性间隙j1、j2、j3而开口，出现穿过所述间隙的较低的流动速度。
根据本发明所述的反应堆中的理查森数Ri的评估：
反应堆的功率：3600MW
堆芯入口温度(冷温度)：～390℃
堆芯出口温度(热温度)：～540℃
额定钠流动～22.5m3/s
热钠的密度：～821kg/m3
冷钠的密度：～857kg/m3
相对密度变化：～4.3％
重力引起的加速度：9.81m/s2
(相应于两个壁150、151之间的高度H的)容积的相对尺寸：～2m
因间隙j1、j2、j3的存在导致的壁150、151中的通道的截面：～6m2
如果估计穿过堆芯11的流动和穿过中间交换器16的流动之间有10％的严重的临时流动不平衡，这表示可能有10％的额定流动(即约2.25m3/s)穿过功能性间隙j1、j2、j3。
对于6m2的截面，速度因此约等于0.37m/s。
这些条件下，理查森数Ri约等于6。由于该数大于一，因此高度H的壁150、151之间的空间中的流动确实是分层的。
因此该分层的水平的测量使得能通过适合的调控(优选通过缩回叶轮30、31中一个叶轮的叶片)而重新调节穿过堆芯11的流动和穿过中间交换器16的流动之间的相对流量。该适合的调控也可以通过安装在圆环21中以自中间交换器16抽吸一部分的钠的附加的泵送装置来实现。
图7示出根据本发明所述的具有两个叶轮30、31的泵3的优选设置，其驱动马达33和轴324的轴向位移机构34缩回所述叶轮的叶片。
在该设置中，轴线的驱动马达33设置在反应堆的盖板24上方，并且缩回所述叶片的轴向位移控制机构34本身设置在驱动马达33上方。为了简化该机构，可以使用可靠的螺杆-螺帽型或液压千斤顶型的机构。同时为了简化其安装，轴320可以设置在由马达33转动的轴的中心。
根据专利申请WO2010/0557720，根据所考虑的EFR计划的集成型SFR反应堆可以具有约17m至18m的容器直径。
功率与所考虑的EFR计划相同、但架构基于本申请(图1所示)(包括六个中间交换器16、六个第二交换器25和三个具有双叶轮30、31的离心转子动力泵3)的SFR反应堆可以具有15m至16m之间的容器直径。
可以做出其它改进，但并不超出本申请的范围。
因此，例如，如果示出的实施例有利地提供(对于给定的泵送装置3)实现自热区域12向所述冷区域的泵送(叶轮30)以及自冷区域14向所述热区域的泵送(叶轮31)，则还可以提供两个分开的泵，即操作时彼此不结合的泵。对这样的实施例，保留了根据本发明所述的将主钠自热区域向冷区域泵送的泵的入口与圆环的流体交流。

Claims (9)

1.一种集成型SFR核反应堆，包括：容器(13)，适于填充有钠，所述容器内提供有堆芯(11)；用于主钠的流动的泵送装置；第一热交换器(16)，称为中间交换器，适于在正常操作期间排放由所述堆芯产生的功率，所述第二热交换器(25)适于在停机时且所述泵送装置也停止时排放由所述堆芯产生的剩余功率；分隔设备，限定所述容器中的热区域(12)和冷区域(14)，所述集成型SFR核反应堆包括：
分隔设备，由两个壁(150、151)构成，每个壁都带有包围所述堆芯提供的大致竖直部分(1501、1511)和大致水平部分(1500、1510)，所述大致水平部分被彼此分隔开一高度(H)，并且限定在所述上壁(150)的所述水平部分(1500)以上的空间形成所述热区域，而限定在所述下壁(151)的所述水平部分(1510)以下的空间形成所述冷区域，并且所述大致水平部分(1500、1510)被提供有相对于所述容器的间隙(j1)；
中间交换器(16)，以间隙(j2)大致竖直地设置在所述分隔设备的壁的每个水平部分中制成的第一开口中，以便使所述中间交换器(16)的出口窗口(18)处在所述下壁的所述水平部分以下；
可变流动泵送装置(3)，分成液压串联的两个泵组，一个泵组(31)提供在所述下壁的所述水平部分以下，用于所述钠穿过所述堆芯从所述冷区域到所述热区域的流动，另一个泵组(30)将所述钠经所述中间交换器从所述热区域泵送到所述冷区域；
温度获取装置(6、60)，被提供在限定在所述两个壁的所述水平部分(1500、1510)之间的空间中，沿大致竖直的轴线延伸，以实时地确定所述空间中的热分层；
自动控制装置，一方面连接到所述温度获取装置上，另一方面连接到所述两个泵组上，以在需要时改变至少一个泵组的流动，以便在正常操作期间保持令人满意的分层水平；
第二交换器，大致竖直地设置在所述冷区域(14)以上；
使所述主钠能在所述堆芯和所述泵送装置也停止时从所述第二交换器向所述冷区域自然对流的装置；
反应堆，其中所述分隔设备的所有所述间隙(j1、j2)和所述两个壁的所述水平部分(1500、1510)之间的所述高度(H)被预定为在正常操作期间所述壁(150、151)、交换器(16、25)和容器(13)之间进行微差移动，并使得可以在正常操作期间在限定在所述两个壁(150、151)的所述水平部分之间的空间中建立所述主钠的热分层，并在单个泵组意外停止的情况下因一部分所述主钠经所述间隙中流动而降低施加于所述壁的机械应力，
其特征在于，
所述中间交换器(16)的所述出口窗口(18)中的每个出口窗口都被包围在与成形为圆环(21)的管道进行流体交流的包围部(20)中；并且
将所述钠经所述中间交换器(16)从所述热区域(12)泵送到所述冷区域(14)的泵组(30)的每个入口也都与所述圆环进行流体交流，使得源自所述热区域并自所述中间交换器出来的所述主钠经所述圆环流动，然后被所述泵组引导到所述冷区域。
2.根据权利要求1所述的集成型SFR核反应堆，其中液压串联的两个可变流量泵组机械上彼此独立，并分别由转子动力泵组成，所述转子动力泵的驱动轴在所述容器(13)的整个高度上竖直地延伸，穿过盖板(24)和所述分隔设备的两个壁(150、151)的所述水平部分(1500、1501)，以间隙(j2)略微竖直地设置，其中支撑所述泵的结构(321)和所述分隔设备的两个壁之间的间隙也预定为在正常操作期间在所述壁和所述泵以及所述容器(13)之间进行微差位移，并使得可以在正常操作期间在限定在所述两个壁(150、151)的所述水平部分之间的空间中建立所述主钠的热分层，并在泵组过早停止的情况下因一部分所述主钠的经所述间隙中流动而限制施加于所述壁的机械力。
3.根据权利要求1所述的集成型SFR核反应堆，其中液压串联的两个可变流量泵组是机械上依赖的，并由至少一个双叶轮离心转子动力泵(3)组成，所述双叶轮离心转子动力泵的第一叶轮(30)被设置为使所述第一叶轮的入口(300)将所述主钠轴向地抽吸到所述圆环(21)中，并使所述第一叶轮的出口(301)将所述主钠驱动到所述冷区域(14)中，第二叶轮(31)安装在与所述第一叶轮相同的驱动轴线上，并被设置为使所述第二叶轮的入口(310)将所述主钠抽吸到所述冷区域中，并使所述第二叶轮的出口(311)将所述主钠向所述堆芯驱动。
4.根据权利要求3所述的集成型SFR核反应堆，包括用于相对于穿过所述中间交换器的流量调节穿过所述堆芯的主钠的流量的至少一个装置，穿过所述中间交换器的流量与穿过所述堆芯的主钠的流量彼此独立且与两个叶轮的驱动轴线的转动速度相独立。
5.根据权利要求4所述的集成型SFR核反应堆，其中所述用于调节流量的装置由与带有两个叶轮的电机泵分开的一个/一些附加的泵送装置组成，所述附加的泵送装置的入口与所述圆环进行流体交流，其中由所述附加的泵送装置和所述双叶轮泵的所述叶轮(30)供应的主钠的流量之和约等于穿过所述中间交换器的流量。
6.根据权利要求5所述的集成型SFR核反应堆，其中所述附加的泵送装置由转子动力泵和/或电磁泵构成。
7.根据权利要求4所述的集成型SFR核反应堆，其中
所述泵的两个叶轮的驱动轴线(32)包括至少两个能相对彼此轴向移位的同轴的轴，其中所述轴中一个轴(320)的下端支撑所述叶轮的叶片的至少一部分，而另一轴(321)的下端支撑所述叶轮的其它部分；并且
所述用于调节流量的装置由所述叶轮的叶片的所述(至少)一部分附接于其下端的驱动轴组成，并且所述驱动轴相对另一驱动轴的轴向位移允许所述叶片的所述至少一部分缩回。
8.根据权利要求7所述的集成型SFR核反应堆，其中允许叶轮的所述叶片的所述至少一部分缩回的用于控制所述轴的移动的机构(34)设置在所述轴线的驱动马达(33)上方，所述驱动马达本身设置在盖板(24)上方。
9.根据权利要求8所述的集成型SFR反应堆，包括六个中间交换器(16)、六个第二交换器(25)以及三个双叶轮(30、31)离心转子动力泵(3)。
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