CN103280245A - 垂直压力管式超临界水堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直压力管式超临界水堆，包括压力管（2），腔室（1），所述腔室（1）的侧壁上设有与所述腔室（1）联通的给水管（11），与所述给水管（11）隔绝、并且一端向所述腔室（1）内延伸设置的蒸汽管（12），在所述蒸汽管（12）延伸至所述腔室（1）一端设置的蒸汽收集装置（13），浸没所述压力管（2）的慢化剂（4），以及在所述压力管（2）被所述慢化剂（4）浸没部分的外侧与所述慢化剂（4）之间设置的可移除的隔热层（3）。本发明减少冷却剂的热量向慢化剂的传递，提高热效率。另外，在事故工况下，连接气体隔热层和慢化剂的第一、第二阀门会打开，使得隔热层里充满慢化剂以便堆芯热量的导出。

Description

垂直压力管式超临界水堆

技术领域

本发明涉及反应堆技术领域，尤其涉及一种垂直压力管式超临界水堆。

背景技术

超临界水堆是最具发展前景的第四代核能系统之一，但目前的超临界水堆的设计仍存在非常突出的问题，压力容器式一般都采用盒式燃料组件，事故工况下安全性较差，此外在一些反应堆中水平放置的压力管和慢化剂直接接触，增加了冷却剂的热量向慢化剂的传递，除了上述缺陷外超临界水堆设计的堆芯冷却剂流动方式一般采用的是单流程，这使得轴向冷却剂密度变化达到七倍以上，导致轴向功率分布不均，不利功率展平。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种可减少冷却剂的热量向慢化剂传递、事故工况下可快速将堆芯热量导出的垂直压力管式超临界水堆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明包括压力管，腔室，所述腔室的侧壁上设有与所述腔室联通的给水管，与所述给水管隔绝、并且一端向所述腔室内侧延伸设置的蒸汽管，在所述蒸汽管延伸至所述腔室内的一端设置的蒸汽收集装置，浸没所述压力管的慢化剂，以及在所述压力管被所述慢化剂浸没部分的外侧与所述慢化剂之间设置的可移除的隔热层；

所述压力管包括下端密封、上端开放的管体和安装于管体内的燃料组件，所述燃料组件设有蒸汽通道；所述蒸汽通道与所述蒸汽收集装置联通；所述管体的开放端与所述腔室联通。

进一步，所述压力管为直管，该压力管竖直设置于所述慢化剂中。

进一步，所述燃料组件包括包壳、呈三角形分区设置在所述包壳中的燃料棒、以及设置在燃料棒间的控制棒。

进一步，在所述燃料棒之间形成所述蒸汽通道；

所述包壳与所述管体之间形成第一冷却剂通道；所述第一冷却剂通道与所述蒸汽通道在所述管体的底部联通。

进一步，所述燃料棒之间设置有用于安装所述控制棒的导向管，所述导向管从所述压力管的下部开始不间断地直到穿过所述蒸汽收集装置与所述腔室联通；

所述导向管内壁与所述控制棒外壁之间形成第二冷却剂通道。

进一步，所述导向管位于燃料组件的中心位置处，并且所述控制棒插在所述导向管中。

进一步，所述燃料组件的外壁面为双层薄板夹持蜂窝状结构的外壁面；所述每一燃料组件包括54根燃料棒，并且所述导向管占据7根所述燃料棒的面积。

进一步，所述隔热层为气体隔热层。

进一步，所述隔热层上设置有用于排出或充入气体的第一阀门，在所述隔热层的底部和/或侧面设有防止辐射加热所述慢化剂的防辐射遮挡板；

所述慢化剂连接管道上设有第二阀门。

进一步，所述压力管通过管板连接在腔室下部。

本发明的有益效果在于：压力管立式设置，受热的流体向上流动，可以有效避免出现卧式压力管布置中的超临界水热分层现象。燃料组件上部连接管箱，在换料时可以通过开启顶部法兰连接的封头实现，换料较压力管端头密封形式的容易。该方法也减少了冷却剂泄露的可能，降低了超临界密封的难度。压力管内侧温度低的冷却剂作下降流，并依靠蜂窝状燃料组件壁面降低了高温流体向低温流体的热传递，从而降低了压力管在运行工况下的工作温度。压力管立式设置于慢化剂中，该压力管被慢化剂浸没的部分设置有隔热层，采用该结构减少冷却剂的热量向慢化剂的传递，提高热效率。

另外，在事故工况下，连接气体隔热层和慢化剂的第一、第二阀门会打开，使得隔热层里充满慢化剂以便堆芯热量的导出，同时也有利于自然循环的形成。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例中的垂直压力管式超临界水堆结构示意图；

图2是本发明一个实施例中的垂直压力管式超临界水堆中的外侧包围隔热层的堆芯压力管的横截面结构示意图；

图3是本发明一个实施例中的垂直压力管式超临界水堆中的外侧包围隔热层的堆芯压力管的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明一个实施例中的垂直压力管式超临界水堆，包括压力管2、腔室1、给水管11、蒸汽管12、蒸汽收集装置13、慢化剂4、隔热层3等。利用隔热层3将压力管2与慢化剂4隔开，减少冷却剂的热量向慢化剂4的传递，提高热效率。

如图所示，该腔室1设置在垂直压力管式超临界水堆的上部，其侧壁与给水管11连通，用于接入冷却剂，并输出至压力管2。而蒸汽管12的一端向腔室1内侧延伸设置，并且蒸汽收集装置13设置在腔室1内，与蒸汽管12延伸至腔室1内的一端相接，从而使得蒸汽管12与腔室1、给水管11隔绝。

进一步的，蒸汽管12的出口处可以采用隔热套管进行保护，可实现保温、避免泄露等。

该收集装置13为一长方体的收集腔，在其他一些实施例中该蒸汽收集装置13也可以为其他形状。给水管11、蒸汽管12的形状也可以根据需要设计成不同的形状。

如图1所示，该压力管2为多个立式压力管，竖直设置在慢化剂4中，容易在事故情况下对压力管淹没冷却；可以理解的，压力管2的数量可以根据功率变化的需要改变数量。采用该立式布置利于在事故情况下对压力管2进行淹没冷却。

该慢化剂4的一个作用是为堆芯提供慢化，另一个作用是将慢化剂4中的热量通过能动或者非能动系统传到堆外。该慢化剂4可以设置在重水水池6中，并且在重水水池6中可以设置回流板61，将重水水池6分隔成在底部连通的两部分。在重水水池6的上部连接有管道，并在管道上设置有第二阀门62，以控制管道的开闭。在管道上还设有热交换器63，该热交换器63设置在冷却水箱64中，从而在事故工况下时，慢化剂4受热后，经过管道到达热交换器63冷却后，回流至重水水池6中，以将堆芯的热量带出。

一同参阅图2，该压力管2包括管体21和燃料组件22，采用压力管式燃料组件。该管体21的下端密封、上端开放，从而可以将管体21的下部插入到慢化剂4中；并且在燃料组件与管体21之间形成第一冷却剂通道23，上端与腔室1连通，接入冷却剂。

该压力管2的上端可以通过管板5固定连接在腔室1上，形成密封连接。该管板5上可以设置多个管体21开口端密封相接的安装孔。可以理解的，隔热层3的上部也可以与管板5相接，从而便于隔热层3的设置。当然，压力管2的固定方式还可以采用其他的固定方式，只要上部与腔室1密封相接即可。

该燃料组件22设有蒸汽通道224，与蒸汽收集装置13连通，包括包壳225、若干燃料棒223、控制棒222等。在包壳225与管体21的内壁之间形成该第一冷却剂通道23，以将冷却剂从腔室1中引入至压力管1中。

该燃料棒223呈三角形分区设置在包壳225中，使得堆芯更加紧凑，燃料棒223之间的间隙更小；可以理解的，燃料棒223的排列方式也可以根据需要进行调整。该蒸汽通道224为燃料棒223之间的间隙，用于将压力管2内的蒸汽排出至蒸汽收集装置13。

在本实施例中，该燃料组件21包括54根燃料棒223；当然，燃料棒223的数量可以根据需要进行设计。燃料棒223的外径为10毫米，当然，燃料棒223的外径也可以根据需要进行设计。

进一步的，燃料组件22的外壁进行过蜂窝处理，且蜂窝处理的厚度为2毫米，本实施例中，燃料组件22为双层薄板夹持蜂窝状结构，这种设计起两个作用：一个是起到支撑内部燃料棒223的作用，另一个则是通过在蜂窝内填充Al2O3进行隔热。

一同参阅图1和图3，燃料棒223之间设置有用于插入控制棒222的导向管221。该导向管221从压力管2的下部开始不间断地直到穿过蒸汽收集装置13的顶壁与腔室1连通，从而在导向管231内壁与控制棒222外壁之间形成第二冷却剂通道24。可以理解的，该控制棒222也可以设置在压力管2的管体21之间，只要可以控制燃料棒223的反应速度即可。

该导向管221从蒸汽腔室13的顶壁到压力管2的下部的结构使得冷却剂向下流动有两种通道：一种是位于压力管2的管体21的内壁和燃料组件22的包壳225间的第一冷却剂通道23，下降流的温度较低，并避免了管体内壁直接接触燃料通道内被加热的流体；另一种是控制棒222的导向管221内的第二冷却剂通道24。两种通道内的冷却剂在压力管下端混合之后再向上通过燃料组件22的蒸汽通道224进入蒸汽管12，此结构实现了堆芯冷却剂的双流程，使得轴向冷却剂平均密度变化减小，有利于功率展平从而获得更高的平均出口温度。

在本实施例中，控制棒222约占据7根燃料棒223面积，控制棒222可以设计在燃料组件22的中心位置处，并插入到导向管221中，对燃料棒223进行控制，可以降低事故工况下燃料组件22的中心温度。当然，控制棒222也可以设计在燃料棒223的其他位置。

如图3所示为包围着隔热层3的压力管2的结构示意图。该隔热层3包围在压力管2的管体21被慢化剂4浸没的外侧，从而隔开慢化剂4与压力管2，在压力管2外围设置了一道环形的气隙来阻止反应堆正常运行时冷却剂中热量的散失。

在本实施例中，该隔热层3为充满气体的气体隔热层，隔热层3内充满的可以为氦气，但并不局限于氦气，也可为其他隔热效率较高的气体。

为了便于在事故工况下排出隔热层3内的气体，该隔热层3的上部设置有第一阀门32，在事故工况下，排出隔热层3内的气体，使慢化剂4和压力管2的管体21接触，利于加强压力管2内的燃料组件22剩余热量的导出，此外也可以通过该第一阀门32向隔热层3内部充入气体。

本实施例中该第一阀门32位于隔热层3的顶部，但该第一阀门32并不限于设置在隔热层3的顶部，其设置的位置只要能够方便气体的排出即可。

进一步的，在该隔热层3的下部设置有防辐射遮挡板31，该辐射遮挡板31防止慢化剂被辐射加热；可以理解的，在隔热层3的侧面也可以设置防辐射遮挡板，以防止慢化剂被辐射加热。

在该垂直压力管式超临界水堆工作时，冷却剂由冷却剂泵驱动从给水管11进入腔室1，然后分两部分，一部分是通过压力管2的管体21的管壁和燃料组件21的包壳225之间的第一冷却剂通道23流进压力管2，另一部分通过控制棒222的导向管221的第二冷却剂通道24流进压力管2，在所有压力边界的温度基本等于冷却剂的进口温度；两种通道内的冷却剂在压力管2下端混合之后再向上流动，进入燃料组件21内，由燃料棒224进行加热，产生的蒸汽通过燃料组件21蒸汽通道224进入蒸汽收集装置13，再由蒸汽收集装置13进入蒸汽管12，然后在进入汽轮机做功。

当反应过于激烈时，可插入控制棒22使反应速度减缓。由于，在反应过程中，压力管2的外围设置了一道环形的气隙隔热层3来阻止反应堆正常运行时冷却剂中热量的散失，从而提高了核电站的经济性。

在事故工况下，打开第一阀门32，将隔热层3内的气体排出，使慢化剂4和压力管2接触；进一步还可使得隔热层里充满慢化剂以便堆芯热量的导出，同时也有利于自然循环的形成；从而加强压力管2内燃料组件22剩余热量的导出，从而达到防止堆芯熔化事故的发生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干个改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，包括压力管（2），腔室（1），所述腔室（1）的侧壁上设有与所述腔室（1）联通的给水管（11），与所述给水管（11）隔绝、并且一端向所述腔室（1）内侧延伸设置的蒸汽管（12），在所述蒸汽管（12）延伸至所述腔室（1）内的一端设置的蒸汽收集装置（13），浸没所述压力管（2）的慢化剂（4），以及在所述压力管（2）被所述慢化剂（4）浸没部分的外侧与所述慢化剂（4）之间设置的可移除的隔热层（3）；

所述压力管（2）包括下端密封、上端开放的管体（21）和安装于管体（21）内的燃料组件（22），所述燃料组件（22）设有蒸汽通道（224）；所述蒸汽通道（224）与所述蒸汽收集装置（13）联通；所述管体（21）的开放端与所述腔室（1）联通。

2.根据权利要求1所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，所述压力管（2）为直管，该压力管（2）竖直设置于所述慢化剂（4）中。

3.根据权利要求2所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，所述燃料组件（22）包括包壳（225）、呈三角形分区设置在所述包壳（225）中的燃料棒（223）、以及设置在燃料棒（223）间的控制棒（222）。

4.根据权利要求3所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，在所述燃料棒（223）之间形成所述蒸汽通道（224）；

所述包壳（225）与所述管体（21）之间形成第一冷却剂通道（23）；所述第一冷却剂通道（23）与所述蒸汽通道（224）在所述管体（21）的底部联通。

5.根据权利要求3所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，所述燃料棒（223）之间设置有用于安装所述控制棒（222）的导向管（221），所述导向管（221）从所述压力管（2）的下部开始不间断地直到穿过所述蒸汽收集装置（13）与所述腔室（1）联通；

所述导向管（221）内壁与所述控制棒（222）外壁之间形成第二冷却剂通道（24）。

6.根据权利要求5所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，所述导向管（221）位于燃料组件（22）的中心位置处，并且所述控制棒（222）插在所述导向管（221）中。

7.根据权利要求6所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，所述燃料组件（22）的外壁面为双层薄板夹持蜂窝状结构的外壁面；所述每一燃料组件（22）包括54根燃料棒（223），并且所述导向管（221）占据7根所述燃料棒（223）的面积。

8.根据权利要求7所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，所述隔热层（3）为气体隔热层。

9.根据权利要求8所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，所述隔热层（3）上设置有用于排出或充入气体的第一阀门（32），在所述隔热层（3）的底部和/或侧面设有防止辐射加热所述慢化剂（4）的防辐射遮挡板（31）；

所述慢化剂（4）连接管道上设有第二阀门（62）。

10.根据权利要求1-9的任意一项所述的垂直压力管式超临界水堆，其特征在于，所述压力管（2）通过管板（5）连接在腔室（1）下部。

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