CN104081466A - 微粒去除系统 - Google Patents

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Abstract

一种微粒去除装置和方法，用于在正常操作过程中从核反应堆芯冷却剂中捕获和除去微粒。底部喷嘴(特别是去除装置)和顶部喷嘴结构形成组件，该组件的尺寸设置成代替核燃料组件来安装。获得的微粒去除减少了在反应堆冷却系统中的腐蚀产物沉积、外来物体和其它微粒的总量。这又降低了微粒在燃料覆层上的活动或沉积，相应提高了燃料可靠性和降低了除芯部以外的辐射场。

Description

微粒去除系统
技术领域
本发明涉及提高核反应堆的安全性、可靠性和性能。更具体地说，本发明涉及一种用于通过除去杂质而提高轻水反应堆的主系统中的状态的方法和装置，否则该杂质可能在反应堆芯中活动，并沉积在主回路内的表面上，从而导致部件退化和增加剂量率。本发明可用于增压水反应堆(PWR)和沸水反应堆(BWR)。
背景技术
PWR核动力反应堆使用在反应堆冷却剂系统(RCS)中的再循环过冷水来除去由在芯中的裂变产生的能量。再循环水在压力下向上流过芯，然后流向一个或多个蒸汽发生器的“第一侧”，其中，能量通过蒸汽发生器管而传递给蒸汽发生器的第二侧，在该第二侧中，水沸腾，以便产生饱和或过热蒸汽。在蒸汽发生器中产生的大部分蒸汽引向涡轮发电机，以便产生电。一些蒸汽用于重新加热在第二循环中的蒸汽、驱动蒸汽涡轮驱动的泵、或者使得供给蒸汽发生器的给水预热。在一些设备中，蒸汽可以用于其它目的，例如海水淡化。
BWR核动力反应堆使用再循环水来除去由在芯中的裂变产生的能量，但是与PWR中不同，在反应堆的芯中产生池沸腾。为了保持有利的热传递和控制在BWR中的裂变处理，一个或多个再循环环路用于迫使液体水向上通过芯循环。有利的状态包括：(1)在通过再循环产生的更高速度下提高对流和沸腾热流；以及(2)更高的液体水部分，这增加了中子的减速。在芯中产生的蒸汽与在芯中产生的再循环蒸汽-水混合物分离，并引向涡轮发电机(以便产生电)、第二循环蒸汽再热器、蒸汽涡轮驱动的泵或者给水加热器(以便预热再循环的给水)。与蒸汽一起离开芯的液相水与蒸汽分离，并通过再循环泵而泵送回芯的下端中。再循环泵可以是马达驱动的离心泵或者喷射泵和离心泵的组合。
核动力反应堆通过裂变材料(例如U-235或Pu-239)的裂变而在它们的芯中产生热量。芯也可以包含可变成裂变物质的材料，例如Th-233，它能够通过在芯中的辐射而转变成可裂变的物质。在PWR或BWR中的裂变材料的浓度通常浓缩成超过在自然中发现的浓度。通常浓缩至2至20％，但是它可以高得多。燃料的平衡通常自然产生非裂变材料(例如U-238)。在轻水反应堆中，由裂变处理产生的中子通过水来“减速”。减速减少了中子的能量，并使得它们更可能促进燃料的合适裂变链反应。
在大部分反应堆中，燃料的化学组分形式是固体氧化铀或者是氧化铀和氧化钚的混合物，但是可以使用的其它形式包括铀或钚的固体金属合金。通常，氧化物燃料形成柱形芯块，这些柱形芯块在“覆层”内堆垛成燃料棒，并进一步分组成燃料棒组件。大部分覆层由锆合金制造，因为锆对中子的透明性(称为低中子截面)以及锆合金的良好抗腐蚀性。普通的PWR可以包含大约200个燃料组件，各燃料组件包含大约250个燃料棒(或销)，该燃料棒的长度为3至5米。普通的BWR可以包含600至800个燃料组件，各燃料组件通常包含60至100个燃料棒(或销)，该燃料棒的长度为3至4米。BWR燃料通常还容纳于可拆卸的“槽道”内，该槽道是细长的正方形管。槽道的主要目的是防止水和蒸汽在组件之间交叉流动，这进一步用于保证有利的热液压、热传递和裂变处理控制。在PWR中，并不避免水在组件之间的交叉流动；因此，燃料棒并不置于槽道中，而是分配成敞开的正方形或三角形节距组。
附图说明
图1是PWR主冷却剂环路的实施例的示意图；
图2是反应堆容器芯的实施例的平面图，该反应堆容器芯包括在圆形封套内的燃料组件；
图3是微粒去除装置实施例的示意平面图；
图4是具有单个过滤区域的微粒去除装置的实施例的正视图；
图5是具有在过滤区域中分离的多个区域的微粒去除装置的实施例的正视图。
图6是具有在过滤区域中分离的多个区域的微粒去除装置的实施例的正视图。
图7是微粒去除装置的实施例的正视图，表示了穿过该装置的旁路流动通路；
图8是微粒去除装置的实施例的示意平面图，该微粒去除装置除了过滤区域之外还包括多个燃料棒；
图9是微粒去除装置的实施例的正视图，其中，过滤元件只包括装置的总长度的一部分；以及
图10是表示在12至18个月的普通工作周期中微粒在芯中(杂质)的理论积累与根据本发明实施例的微粒去除的效率的曲线图。
具体实施方式
在PWR和BWR芯中，每次在12至24个月的工作周期之后中断运转加燃料时更换大约三分之一的燃料组件。装入发电PWR和BWR反应堆中的新燃料可以包含直到大约5％的裂变物质浓度。处于芯中一个周期的燃料包含更少的裂变材料，是初始裂变材料的大约一半至三分之一。已经使用两次但是重新装入芯中用于第三次循环的燃料可以包含甚至更少的裂变材料，在两个使用周期之后仅仅有0.1至1％的裂变材料。实际上，在一些最老的燃料中，初始裂变材料对于设备的输出的贡献可能小于0.02％(每个组件)，相比之下，对于具有200个组件的芯，平均为0.5％(每个组件)。换句话说，根据初始裂变材料浓度，这些高损耗的组件的贡献可能是新燃料组件的能量的1/25这样低。这样的较低贡献由于在前面的工作周期中在燃料中产生的裂变材料裂变而偏离，例如能够由在PWR燃料中的U-238形成的Pu-239和Pu-241。
一些更老的燃料(或者所谓的“屏障组件”)布置在反应堆芯的周边，主要作为用于反应堆容器和内部构件的中子屏蔽件，以便减轻由于高中子积分通量而引起的、内部构件的辐射引起应力腐蚀开裂或者反应堆容器的变脆弱(例如见NUREG 1.99 Revision 2)。两次燃烧的燃料通常由于较大质量的高密度燃料材料而用作屏蔽件，因此有用于吸收辐射和中子的较高吸引力。在一些PWR芯设计策略中，大约4至8个组件可以用作在芯的周边处的屏障。流过在普通PWR芯中的各燃料组件(包括屏障组件)的反应堆冷却剂流量为总流量的大约0.5％。在PWR中的四个屏障组件将接收总共大约2％的RCS流量。
普通PWR燃料组件的重量为大约1200磅(0.75公制吨)。普通BWR组件的重量为大约550磅(0.5公制吨)。在正常工作过程中，由于流体流动而作用在燃料上的拉动力与燃料的重量相当，因此在上部芯支承件上没有不可接受的向上拉动负载。
在PWR中，RCS在大约2000至3000psi(140至200巴)和550至625°F(285至330℃)下(过冷状态)工作。在普通的BWR中，RCS在大约1000至1100psi(68至75巴)和550°F(285℃)下(饱和状态)工作。在PWR中通过芯的压力降通常为25至75psi(1.7至5巴)，该压力降与在反应堆容器、蒸汽发生器和RCS管路中的其它压力损失组合而由反应堆冷却剂泵来克服。横过BWR的芯的平均压力降为大约25psi(1.70巴)。在PWR和BWR燃料设计中，还使用一系列的开口格点支承“格栅”来支承燃料棒(该燃料棒组成燃料棒束)、保持在棒之间的分离以及抑制由于水或蒸汽-水混合物沿棒或横过棒流动而引起的振动。这些格栅可以由锆合金或其它金属来制造。在燃料组件的顶部和底部，上部和下部“喷嘴”或系板在结构上支承燃料，并与反应堆容器的下部和上部芯支承板接合。上部和下部喷嘴通常由不锈钢来制造。在反应器中的上部和下部芯支承板(它们支承和接合材料)是总体反应堆容器内部构件结构的一部分。
PWR和BWR燃料组件还可以包含其它特征，这些特征包括但不局限于：(1)可燃烧的毒物棒；(2)用于轴向插入控制棒或控制元件的间隙或通道；(3)用于插入或安装仪器的通道，该仪器测量和监测热液压或裂变处理(例如中子通量)；(4)起动中子源；或者(6)增加局部液体水部分和因此增加中子减速的流体通道。在整个芯的一些位置中(包括在芯周边处的燃料位置，在该处插入屏障组件)，燃料可能不需要提供为用于容纳任何仪器、毒物或中子源，因为在芯中有“不用仪器”的位置。
在核动力反应堆中使用的燃料物质在释放时对于公众和环境有危害。由于核裂变反应或衰变处理而产生的裂变“产物”也有危害。它们包括Cs-137、Sr-90和Kr-85。铯和锶裂变产物不挥发，因此能够通过土壤和地下水来输送。
核燃料还有很高的放射性，因此储存在水下，直到裂变产物已经衰变至它可以在空气中处理或储存时。
除了可溶的裂变产物，在主冷却环路中循环的其它可溶和不可溶的固体物质包括：(1)活动和不活动的腐蚀产物；(2)金属杂质(可溶和微粒)；以及(3)外来材料。通过对流，在核设备的主回路中的“可溶”材料真正溶解为离子或非离子部分，或者确定为那些微粒，该微粒通过具有确定额定值(例如0.45μm)的过滤器。实际上，微粒物质可以有低于0.45μm的尺寸，通常有如0.1μm这样小的尺寸。更小的颗粒通常称为胶质，因此认为当颗粒尺寸减小时，颗粒开始出现溶解物质的一些特性。更大的不可溶微粒可以有直到8μm或更大的尺寸或有效直径。
腐蚀产物(例如铁和镍的氧化物)在由主冷却剂润湿的部件表面氧化时产生，且氧化物释放至冷却剂中。可溶的金属物质(例如离子镍、铬、钴和铁)从主冷却剂压力边界表面释放，该主冷却剂压力边界表面可以是不锈钢或镍合金或者其它部件，例如含有钴的阀座。在BWR的情况下(其中，主冷却剂系统可以包括由含有铜的合金来制造的换热器)，可溶物质也可以包括铜。
具有大约0.1μm至大于8μm的尺寸的金属细粒和微粒由于磨损或腐蚀而从表面释放。外来材料包括金属、灰尘、碎屑和“外来物体”，它们在设备构成和装配后或者在加燃料和停止运行维护的过程中在主系统向环境打开时留在该主系统中。外来物体能够包括金属刮屑、工具、紧固件、松开部件和碎屑。
通过芯和因此通过燃料组件循环的腐蚀产物的浓度通常为大约2ppb。对于200000至750000磅(100至350吨)的反应堆冷却剂总量，在任一时间的循环腐蚀产物的质量相当小，大约几克。尽管在任一时间的这种较低循环总量，在PWR芯中的各燃料组件可能在工作周期的过程中积累几百克的杂质沉积物或其它腐蚀产物微粒。分析显示，通过芯循环的杂质和腐蚀产物很可能在沉积或电镀在燃料表面上时经过芯多次。类似的，经过一段时间，除芯之外的表面上的沉积缓慢地产生。在70至150百万磅每小时(32000至68000吨每小时)的普通总PWR RCS流速下，腐蚀产物流过各燃料组件的流量能够是几克每天或更多，在18个月的工作周期中为几千克。因此，当燃料组件没有充分过滤杂质时，它们将最终由于多个沉积机理而捕获杂质，包括通过在芯中少量沸腾而促进沉积，特别是当主冷却剂通过芯循环几千次时。
除了在燃料上的杂质，杂质沉积物形成于基本全部主环路压力边界表面(所谓的除芯之外的表面)。在除芯之外表面上的杂质量估计在PWR中为大约1至几十千克，而在BWR中高得多，因为在BWR的RCS中使用碳钢，与在PWR中使用的、基于奥氏体和镍的合金相比，该碳钢更易于腐蚀。
由于通过芯循环的外来物体引起的特殊问题是即使当很小碎屑沉积在覆层附近时也可能对于燃料产生物理损坏。损坏机理包括磨损、流水侵蚀和碰撞。燃料供应商已经设计了多种方法和装置在碎屑能够进入燃料自身之前捕获该碎屑。实例包括与燃料组件成一体的装置，如在多个专利中所述，例如美国专利4664880、4684495、5024807、5219517、5390221、5473649、5479461、5490189、5524031、5867551、6847695、6901128、7889829和专利申请文献US2004/0071255、US2004/0076253、US2005/0031067、US2006/0045231、7889929和6901128、US2008/0013667和WO2010/076315。碎屑过滤器、捕集器或筛网几乎总是布置成靠近在所有燃料组件中的下部喷嘴或系板，或者作为下部喷嘴或系板的一部分，并将有相对较大的流动开口(与腐蚀产物和杂质的尺寸相比)，或者它们将不合适地限制流过燃料组件的流量，在正常和意外情况下，这在反应控制、热去除和优化芯热液压方面有不利结果。另外，碎屑过滤器、捕集器和筛网专门设计成避免捕获杂质，因为这可能堵塞，使得燃料组件缺少水，这将有潜在的严重的安全影响，因为燃料组件的冷却是用于该设备的关键设计要求。因此，在碎屑过滤器(该碎屑过滤器与燃料组件自身成一体)中的流动开口通常直径(或者等效水力直径)大于1mm。
腐蚀产物、金属细粒和外来物体都可能变得活动，或者由于中子吸收而有放射性(当它们在设备操作过程中通过芯或者在芯附近经过时)。腐蚀产物和细粒通常称为“杂质”(白垩河未确定沉积物，称为在加拿大的Ontario中的白垩河核设备部位)。当这些材料变得活动，并通过主回路而散开时，辐射剂量场增加，这又增加了工作人员的辐射暴露或污染的可能性。杂质通过主回路的腐蚀或侵蚀而连续产生。置于燃料表面上的沉积物的随后活动可以释放和重新沉积在除芯以外的表面上。
在工作周期之后除去的燃料通常由一层杂质来覆盖。该层的厚度可以从几微米至超过100微米而变化。在PWR中，它将在燃料组件的顶部附近最厚，其中，在一些BWR中，它将在燃料的底部附近更厚。
沉积在PWR的燃料上的杂质可能导致称为轴向偏离异常(AOA)的现象，也称为杂质引起的电漂移(CIPS)，其中，用于反应控制的硼积累在杂质的孔中，并影响芯的局部功率密度。在燃料表面上的松散杂质积累也可能使得燃料用于干燥储存的运动复杂，并使得燃料向离开核设备的位置的输送复杂(由于高放射性杂质发散至环境中的危险)。
用于解决杂质问题的本发明方法包括：(1)将清洁系统包含于设备内；(2)设计能容忍杂质积累的燃料；以及(3)发展主水化学组分控制程序，该程序减少了杂质的产生，并在设备停机过程中使得杂质在现有设备系统中的释放和捕获最大化，这是在PWR处的普通化学实践。这种“杂质爆发”的发展方式很昂贵，其中，它们延迟了设备用于加燃料的停机。
通常，PWR包括在设备的第一侧中的系统，称为化学组分容积控制系统(CVCS)或“下降系统”。在PWRS中的CVCS的主要目的是：(1)调节在RCS中的中子吸收化学药剂的浓度，通常为硼酸；(2)保持RCS液体总量；(3)调节和清洁作为用于RCP密封件的密封水所需的反应器冷却剂；(4)通过添加或除去物质(例如锂)而调节RCS化学组分；(5)在动力工作过程中通过通入惰性气体(例如氙和氪的放射性同位素)来控制RCS的放射性；(6)RCS的惰性、充装、增压和脱气；(7)控制RCS氢浓度；以及(8)提供添加物质的装置，该物质减轻RCS部件的腐蚀，例如锌。CVCS还包括串联的过滤器(有时作为单独的过滤器，但有时也作为离子交换床，它们都用于过滤和去离子功能)，以便在设备的驱动、工作和停机过程中以实际的程度来从RCS除去杂质(腐蚀产物)。如后面所述，CVCS连续操作，但是只局部有效地用作过滤系统。
反应堆冷却剂通常从RCS“冷支腿”(在反应堆冷却剂泵(RCP)的吸入侧上的下降线路)流至CVCS。在CVCS中，在它返回RCS或储存之前，下降流量被抑制、冷却、清洁、过滤、脱气、通过合适气体来补偿、重新加压和重新加热。
正常的下降流速为大约16000至32000磅每小时(7至14吨每小时)，等于在RCS温度和压力下40至80加仑每分钟(13至18立方米每小时)的容积流量。如前所述，根据质量流量，正常RCS流量为大约70至150百万磅每小时(32000至68000吨每小时)。因此，CVCS下降流量为RCS流量的大约0.01至0.02％。对于大约600000磅(300吨)冷却剂的RCS液体总量，RCS通过CVCS完全周转花费大约30小时(1800分钟)。另一方面，用于使得冷却剂在RCS中再循环的滞留时间小于1分钟。因此，包含腐蚀产物的一定容积主冷却剂在它通过CVCS之前通过芯多次。
确切的下降流量是设备的特性，并取决于多个因素，包括总体RCS设计、RCS环路的数目、化学组分控制策略以及用于化学组分和RCS活性控制的多个设备特殊目标。这可以包括关于RCS和燃料覆层整体性的考虑，因为影响RCS和燃料的一些腐蚀机理取决于RCS冷却剂化学组分，例如pH极限、锂和氢浓度以及锌浓度。锌通常添加至RCS中，用于减轻某些敏感RCS部件的应力腐蚀裂纹，或者通过减少将Co-58和Co-60物质包含在除芯以外的表面中(即在加燃料或维护期间可能暴露于工作人员的部件表面)将降低设备的剂量率。
通常有多个通路，下降流量能够通过这些通路返回RCS或储存。它们包括直接重新注射至RCS中或通过RCP密封件。通向CVCS的下降流量的主要部分通常通过不同环路的冷支腿返回RCS(通过与RCP的排出侧连接的充装管线)。
在CVCS系统中，反应堆冷却剂通过反应堆冷却剂过滤器和脱矿物质器。这些过滤器和脱矿物质器设计成：(1)尽可能多地除去不可溶杂质和可溶离子以及腐蚀产物物质(例如Cr、Fe、Ni、Co的氧化物和尖晶石)；(2)除去由B-10的中子吸收产生的多余Li；(3)从RCS中除去非挥发性放射性裂变产物，例如铯(例如Cs-137)；以及(4)控制硼浓度，用于反应性控制。
CVCS系统也包括设计成能够总体控制RCS液体总量的特征和部件。
通常，CVCS过滤器设计成收集5微米或更大的细粒和微粒。更细的过滤器介质也能够用于收集小至0.1微米的细粒和微粒。不过，这可能使得CVCS系统的操作复杂，并需要更大频率过滤器变化输出。在不同实施例中，微粒去除装置可以用于除去在大约0.5至10微米、大约1-8微米、大约1-5微米、大约50微米和更小或者大约100微米或更小的范围内的微粒。应当知道，这种装置将除去额定尺寸或更大的微粒。另外，额定用于除去更大微粒的装置也将捕获一些更小的微粒。因此，额定为50微米的装置也将捕获一些例如10微米的微粒。而且，当微粒积累时，该积累将用于减小能够通过的微粒尺寸。
另外，向RCS加锌的设备有时在RCS中有更高的微粒，实际上将使用更粗糙的过滤器介质，以避免过量的过滤器更换。原则上，可以增加通过CVCS的流量以便使得过滤提高到高于RCS流量的0.01至0.02％，但是这降低了设备的效率。下降流量在非再生换热器中冷却，且只局部通过再生换热器来重新加热；因此，在通过CVCS的冷却剂中的一些能量损失于环境中，而不能发电。而且，增加流过CVCS的流量可能需要更大的泵来使得下降流量在它返回RCS之前重新增压，并可能使得整个CVCS系统的其它功能复杂，例如反应性控制、化学组分控制和RCS容积控制。
CVCS不能用作有效过滤系统的证据很广泛。其中的证据如下：(1)PWR和BWR燃料在工作周期中由杂质污染；(2)除芯之外的辐射剂量主要由杂质引起，该杂质循环通过和沉积在除芯之外的表面上，而不是收集在CVCS中；(3)RCS杂质总量的估计值远远小于在RCS过滤器上收集的材料量；以及(4)设备的停机能够有意或无意地导致在RCS中的“杂质爆发”。
在BWR中，主冷却剂的清洁主要通过反应堆水清洁系统(RWCU)。RWCU接收大约300至400加仑每分钟(66至90立方米每小时)或者1％的RCS流量，该RCS流量来自通过下降流量从反应堆容器底部或再循环系统进行再循环的主冷却剂。RWCU系统冷却下降流量，并使用过滤器和脱矿物质器来减少在RCS中的杂质总量。尽管与PWR CVCS系统相比流速更高，但是在BWR RCS中的残余沉积杂质量通常大约比PWR中的量更高。这种杂质的大部分由于BWR的更高沸腾任务而沉积在芯中(尽管少量的沸腾通常也在PWR芯中在燃料的上端附近产生)。
为了防止燃料和裂变产物从燃料棒内释放，核动力反应堆的设计者特别注意核燃料棒覆层的设计、制造和质量，以便使它尽可能结实。尽管这样努力，仍然存在燃料覆层的整体性问题。燃料整体性问题的严重性在文献“The Path to Zero Defects:EPRI Fuel ReliabilityGuidelines”(2008)中证明。如在该参考文献中所述，燃料可靠性对于核动力设备的安全和经济工作很关键，且由于甚至有限数目燃料棒的覆层中的微小裂口引起的燃料失效的成本可能价值多达$40至80百万美元。
而且，核设备的所有人和操作人员花费大量的努力来“设计芯”，以便能够将一次、两次和三次燃烧的燃料布置成这样的图形，它优化能量产生，但是使得杂质沉积和因此覆层腐蚀或杂质沉积的可能性最小。
核动力设备的设计者和操作人员努力通过主化学组分控制程序来保持主冷却剂的化学组分和减少杂质。主水控制的目的包括：(1)保持化学组分和pH；(2)控制杂质的浓度；(3)在正常和意外情况下的反应性控制。在停机过程中，RCS冷却剂的化学组分能够进行调节，以便促进可溶和不可溶的物质从芯(即燃料表面)或除芯以外的(即RCS)表面中释放。这通常在RCS冷却时通过产生化学还原和随后产生化学氧化条件而实现。在这样的杂质爆发过程中，估计大约100至几千克的杂质从除芯以外的表面移出，并在设备冷却时在大约24小时的周期内收集在CVCS中。与此相比，在设备停机之前，上万克(或10千克)的杂质存在于RCS中。在该方面，根据实施例的微粒去除装置可以用于除去100或几百克，或者可以用于除去1000或10000克，或者在这些端点的范围内。
核设备的所有人和操作人员面对两个关键任务，这两个任务涉及腐蚀产物、杂质、裂变产物和燃料片段以及外来材料存在于主冷却剂系统中。第一任务是减小燃料失效的可能性；第二任务是管理辐射场。除去这些物质也很合适，因为它能够降低在设备维护期间由主冷却剂系统发射的辐射。
最大化燃料的可靠性、降低辐射剂量和优化设备的安全和经济操作的经济意义很高。具体地说，使得加燃料中断运行延长甚至一天(以便适合“杂质爆发”)的成本可能超过$1百万。由于失效燃料而导致的强行中断运行可能超过$(美元)10百万。由于杂质引起的AOA而降低功率的成本可能超过几千万美元。
降低工作人员辐射剂量的经济意义也很明显。例如，在中断运行中工作人员剂量减少1人-雷姆将确定为$10000至$30000的“价值”。当普通的中断运行剂量为100人-雷姆时，工作人员辐射暴露减少25％等效于$250000至$750000。
本发明实施例的一个方面是减少在核设备的RCS中循环的杂质总量，从而减少杂质在燃料上和在除芯以外的表面上的沉积。
本发明实施例的另一方面是收集杂质以使它在重新燃烧断供期从RCS中除去。
本发明实施例的另一方面是减少循环杂质的总量，且缓和对设备的电输出的影响，同时避免或减少反应堆压力容器的变脆弱或者对设备整体性的其它可能危害。
本发明的实施例涉及用于从核动力设备的RCS流体中捕获微粒和杂质的方法和装置。一个或多个微粒去除装置定位在产生电力的PWR或BWR设备的芯中。设备在装置就位的情况下工作。微粒去除装置可以代替一个或多个燃料组件，或者是具有整体过滤或其它微粒捕获装置(例如水力旋流器或者过滤器和水力旋流器的组合)的改进的燃料组件。在该方面，装置的尺寸设置成基本类似于燃料组件，并包括连接器，该连接器与在普通燃料组件中的连接器类似，以便使它能够布置在燃料组件的位置中，而并不对芯进行变化。应当知道，在本文中，基本类似意味着尺寸和连接器与燃料组件的尺寸和连接器充分相同，以使得装置可以合适定位。
微粒去除装置能够布置在任意芯位置。在一个实施例中，微粒去除装置布置在芯的周边处。在还一实施例中，装置可以布置在正常储备用于屏障燃料组件的位置中。通过将装置布置在正常用于两次或三次燃烧的屏障组件的位置，能够减少在工作循环过程中发电的可能损失，因为正常装载在这些位置的燃料对设备输出的贡献很小(与平均燃料组件相比)。在另一实施例中，一对或多对微粒去除装置在芯中布置在对称位置，以便促进芯的总体中子和热液压对称。在另一实施例中，总体“芯设计”和燃料组件的其余部分设计成对于在装置位置处的局部发电的任何减小进行补偿，例如通过少量增加其它燃料组件的浓度。
当使用该装置时保持芯的总体热液压和在芯支承结构上的负载，因为它设计成使得通过装置的反应堆冷却剂流体流量与正常燃料组件的流体流量类似。装置还设计成使得冷却剂在它通过装置时的压力降与正常燃料组件的压力降类似。更具体地说，通过装置的流量与正常燃料组件的流量类似，或者大约0.5％的芯流量，且在装置中的截面面积以及形状阻力和摩擦损失与在燃料组件中的类似。尽管本发明的特殊实施例可以包括使用多于一个装置，但是可以只使用一个装置，因为流过一个装置的流量比流过在PWR中的CVCS的流量高大约25至50倍。而且，使用多个装置将进一步提高过滤流量的比例(即通过两个过滤器装置的流速将比通过PWR等中的CVCS的流量高50至100倍)。因此，在相等过滤效率下，用作过滤器的装置在给定时间内的装置潜力与CVCS相比大大提高。
图1表示了普通的PWR主冷却剂环路，表示了反应堆容器1和芯2、增压器3、蒸汽发生器4、反应堆冷却剂泵5、CVCS6和供给泵7。
等式1介绍了本发明的过滤效率的简化模型：
A = ST ( N - N c ) η a ( N - N c ) η a + N c η c + F l F t N - - - ( 1 )
其中：
A＝在燃料组件上的芯杂质积累(kg/周期)
S＝杂质产生率(kg/s)
T＝循环长度(s/周期)
N＝在芯中用于燃料组件的位置数(由燃料组件占据的位置和由过滤装置占据的位置的总和)
Nc＝在芯中的过滤装置的数目
ηa＝燃料组件杂质去除效率
ηc＝过滤装置杂质去除效率
Fl＝冷却剂向CVCS或RWCU下降的流速(kg/s)
Ft＝冷却剂通过芯的流速(kg/s)
图10表示了用于微粒杂质/腐蚀产物捕获的可能性的实例，甚至假设由下降系统除去为100％效率。即使在80％的恒定效率下，预计减少芯杂质总量的能力为三倍或更多倍。通过四个装置，可以减少大约90％，或者从没有装置时的3kg减少至有装置时的0.3kg。
在一个实施例中，装置包括过滤器介质，该过滤器介质可以比在普通CVCS中使用的过滤器介质(大约5微米)更细。例如，大约100ft2的0.1至0.5微米额定的多孔金属过滤器介质将能够用于与流过正常燃料组件的流量相等的流量，并将导致大约10至20psi的压力降，同时在保持几千克微粒材料(总量类似于在PWR RCS系统中存在的总量)之后产生以后的压力降。该压力降范围与通过在芯中的各燃料组件可见的压力降类似或更低，且特征包含于过滤装置中，以便使得压力降匹配成甚至更接近正常燃料组件的压力降。更具体地说，另外的流量限制(例如孔)可以包含至装置中，以便将压力降调节成甚至更接近正常燃料组件的压力降。本领域技术人员应当知道，具有更大开口的过滤器介质也可以包含在本发明的微粒去除装置中，例如以便除去直径直到10微米的微粒或者有效直径达到100微米的微粒结块。这些结块可以包括例如片状剥落的杂质微粒。
在一个实施例中，微粒收集装置包括被动的流量限制部件，该流量限制部件响应水温、流速、压力、密度、粘性或其它根据设备状态变化的局部条件的变化而降低流过微粒收集装置的流量。这样的流量限制部件包括但不局限于双金属盘阀、弹簧负载释放阀、止回阀、底阀、迷宫式密封件和孔。这样的流量限制部件通常将在不需要微粒去除时使得捕获微粒的保持提高多倍，例如在设备停机和强制氧化(杂质爆发)发展时。
其它特征能够选择地包含于本发明的多个实施例中，包括碎屑过滤器或隔离阀，以便防止外部材料从装置逸出。如上所述，通常集成于核燃料组件的设计中的碎屑过滤器必须有微小的开口直径，以便保证通向燃料组件的足够冷却流量。相反，包含在这里所述类型的微粒去除装置中的碎屑过滤器可以包括较宽范围的开口尺寸，因为微粒去除装置与燃料组件分离。例如，包含为本发明一部分的碎屑过滤器可以有开口，该开口的有效直径高达0.1mm，这将预期捕获较小金属细粒和其它较小外来物体，它们将通过在标准燃料组件碎屑过滤器中的所需开口。包含为本发明一部分的碎屑过滤器还可以有1mm或更大的有效直径的开口，以便捕获更大颗粒和碎屑。
在一个实施例中，抗腐蚀和耐辐射的材料可以用于装置的结构，包括在装置中的任意过滤介质。一个实例是多孔金属过滤器介质。低钴金属过滤器介质可以用于减少放射性物质从过滤器自身向RCS的分配。
在一个实施例中，惰性金属物质包含为装置的一部分，以便不仅复制燃料组件的重量(由于装置的微粒捕获部件例如过滤器介质很可能比燃料棒更轻)，还提供屏蔽能力(非常类似于屏障燃料组件)。这种金属物质可以成板或多个实心棒的形式。
在一个实施例中，上部和下部喷嘴设计复制成使得装置与现有的设备装置(例如加燃料机器和用过的燃料池架)一起处理和储存。
在一个实施例中，包括旁路流动通路，以便保证冷却剂水即使在过滤器由杂质堵塞时也流过该装置。
在一个实施例中，装置的微粒捕获部件包含在包括多个正常燃料棒的燃料组件的一部分中，但是与普通组件相比减少数目。在该实施例中，混合的燃料组件/过滤装置用作过滤器和用作核能量源。
在一个实施例中，微粒去除装置可以从核反应堆拆卸，且微粒去除装置可以再生。这种拆卸例如可以在正常维护中断运行时进行，且再生可以例如通过回洗微粒去除装置或通过使用超声波清洁技术来实现。
在一个实施例中，微粒去除装置在它的微粒去除能力耗尽时可以以与核燃料组件相同的方式来处理、储存和处置。例如，耗尽的微粒去除装置可以传送和储存在废燃料架中。
图1表示了普通PWR主冷却剂环路的实施例，表示了反应堆容器1和芯2、增压器3、蒸汽发生器4、反应堆冷却剂泵5、CVCS6和供给泵7。
图2是反应堆容器芯的实施例的平面图，包括在圆形封套内的燃料组件格栅。在芯8的外边缘附近的一个或多个燃料组件(称为屏障组件)可以安装在所示位置中，以便提供对于反应堆容器9的屏蔽，防止来自更接近芯中心的更高功率组件的辐射。在另一实施例中，成对的微粒去除装置安装在芯的对称位置中，例如9a或9b。可以使用两对或更多对的装置。
构成一对的各装置的确切位置可以取决于确切的芯设计，这将考虑局部中子、总体芯中子、芯仪器和控制棒的位置以及该位置的物理对称。本领域技术人员应当知道，多个微粒去除装置可以以对称或不对称的结构来使用。要使用的装置的确切数目和安装位置将取决于确切的芯设计。
更特殊的实施例在图3至9中表示，包括外部型面与燃料组件的外部型面类似的微粒去除装置。
图3是微粒去除装置的实施例的示意平面图，该微粒去除装置包括壳体10、微粒去除区域11和旁路孔12。
图4是具有单个微粒去除区域的微粒去除装置的实施例的正视图。上部喷嘴13通过壳体10而与下部喷嘴14连接。底阀15布置在微粒去除区域11的进口处。
图5是微粒去除装置的实施例的正视图，该微粒去除装置具有在总体微粒去除区域11内的、多个单独的微粒去除区域16。
图6是微粒去除装置的实施例的正视图，该微粒去除装置具有在微粒去除区域11内的、不同类型的多个微粒去除区域，包括旋流分离阶段17和普通的过滤分离阶段18。
图7是微粒去除装置的实施例的正视图，该微粒去除装置有通过该模块的旁路流动通路19。
图8是混合微粒去除装置的实施例的平面图，包括在一组核燃料棒22内的微粒去除区域11。
图9是具有一个或多个微粒去除特征16的微粒去除装置的实施例的正视图，该微粒去除特征16在装置的局部长度上延伸，与上部喷嘴13或下部喷嘴14成一体。
流量通过下部喷嘴14而进入组件，并分成微粒去除流量和旁路流量19。微粒去除流量引导通过可选的底阀15、通过微粒去除区域11，然后通过上部喷嘴13至组件外。
底阀15设计成使得它在动力操作过程中完全打开(高芯流量、高温度)，但是在停机杂质爆发发展过程中关闭(低芯流量，降低温度)，这样，在杂质爆发发展过程中捕获杂质的溶解减小。另外，底阀防止捕获的杂质在处理或储存过程中跌落至组件外。
旁路流量19从下部喷嘴区域引导通过孔12，从而绕过底阀15和过滤区域11，并与通过组件的微粒去除流量会合和通过上部喷嘴13排出。
在下部和上部喷嘴13和14之间的、与壳体10成一体或邻近壳体10的部分包括较厚部件，该较厚部件用作组件的结构，提供用于容器的中子屏蔽(类似于屏障组件)，并贡献质量，以使得组件的质量与燃料组件的质量类似。
微粒去除区域11可以包括一个或多个过滤区域，包括一个或多个不同的过滤或分离处理。在一个实施例中，过滤区域11包括由烧结金属纤维、烧结金属粉末、楔形线、线网或者其它耐辐射介质来制造的一个或多个过滤器元件。
另一实施例在图6中表示，其中，微粒去除区域11包括旋流分离器17和过滤器元件18。在该实施例中，通过旋流分离器的流量分成高微粒浓度的“下溢流”21和低微粒浓度的“溢出流”20。下溢流21引导通过过滤器元件18，然后通过上部喷嘴13离开组件。一些或全部溢流20绕过过滤器元件，并从上部喷嘴13向外排出。
本发明设计成以与用过的核燃料相同的方式来处理和处置。上部喷嘴13和下部喷嘴14的几何形状设计成模拟燃料组件的形状，用于处理目的，并与合适的反应堆容器部件交接。
在图7所示的实施例中，旁路流动通路19设计成控制横过组件的压力降，在过滤器介质完全堵塞的情况下提供冷却流量，并提供用于水从组件排出的流动通路用于处置。
本发明还可以在东欧PWR设计的增压重水反应堆(PHWR)中使用，例如VVER设备。
在一个实施例中，微粒去除装置以与燃料组件类似的方式来处理、储存和处置。在该方面，在使用后，微粒去除装置可以在它的微粒去除能力耗尽时布置在用过的燃料架中。
在实施例中，对微粒去除能力进行再生。再生例如可以通过回洗微粒去除装置或者通过超声波清洁来进行，尽管其它方法也可行。可以有利地在正常维护中断运行的过程中进行再生，因此再生功能不会降低设备的可用性。
在实施例中，微粒去除装置可以包括在微粒去除区中的多个微粒去除区域。多个区域可以串联或并联地布置。
在一个实施例中，被动流量限制装置用于在特殊设备工作条件下限制流过收集微粒的流量，以便提高捕获微粒的保持。
由前述可知，芯设计者能够优化其它燃料组件的浓度和负载，以便补偿由于从芯中除去一个或多个燃料组件和由所述微粒去除装置代替它们而导致的能量产生损失。如前所述，将装置布置在屏障组件位置处将导致降低对于能量产生的不利影响，因为这些组件基本耗尽。将多对装置布置在芯中的对称位置可以简化芯设计，并导致对称的热液压和中子。
本领域技术人员应当知道，这里所述的公开实施例只是实例，并将有多种变化形式。本领域普通技术人员应当知道，当没有另外说明时，术语“基本上”或“大约”应当理解为包含大约10％的区别。本发明只由权利要求来限制，该权利要求包含这里所述的实施例以及本领域技术人员显然知道的变化。另外，应当知道，在这里的任意一个实施例中所示或所述的结构特征和方法步骤也能够在其它实施例中使用。

Claims (25)

1.一种用于从核设备中的再循环主冷却剂中除去腐蚀产物沉积和微粒的方法，包括：
操作核设备，该核设备有在其芯中的微粒去除装置，该微粒去除装置安装成代替至少一部分标准燃料组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：微粒去除装置在一个工作循环后从芯上拆卸。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：微粒去除装置在多于一个工作循环后从芯上拆卸。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中：微粒去除装置安装在屏障燃料位置。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中：微粒去除装置安装在芯的中心。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中：多对微粒去除装置安装在对称的位置。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中：芯设计调节成补偿来自应当安装在用于微粒去除装置的位置处的燃料产生的能量损失。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中：核设备是PWR、BWR、CANDU或VVER。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中：微粒去除装置包括过滤器或旋流分离器。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中：微粒去除装置包括耐辐射的过滤介质。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的方法，其中：使微粒去除装置的微粒去除能力进行再生。
12.一种设置和布置成用于在核反应堆的操作过程中安装在核反应堆中的装置，该装置还设置和布置成从核动力设备的主回路中除去腐蚀产物沉积和微粒，它包括：
上游喷嘴，该上游喷嘴设置和布置成从核动力设备的主回路中接收包含微粒污染物的冷却剂流；
微粒去除装置，该微粒去除装置与上游喷嘴流体连通，并设置成当冷却剂流过微粒去除装置时除去该微粒污染物的至少一部分；以及
下游喷嘴，该下游喷嘴与微粒去除装置流体连通，并设置和布置成从该微粒去除装置接收冷却剂流。
13.根据权利要求12所述的装置，其中：该装置的尺寸设置成与在核反应堆中使用的燃料组件的尺寸基本相等，并包括接口结构，该接口结构与用于燃料组件的接口结构基本相等。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中：上游喷嘴与反应堆下部芯支承板接合。
15.根据权利要求12-14中任意一项所述的装置，其中：下游喷嘴与反应堆上部芯支承板接合。
16.根据权利要求12-15中任意一项所述的装置，其中：微粒去除装置包括微粒去除区域，该微粒去除区域只在装置的局部长度上延伸。
17.根据权利要求12-16中任意一项所述的装置，其中：装置的微粒去除区域占据装置的截面的一部分，截面的其余部分由核燃料棒占据。
18.根据权利要求12-17中任意一项所述的装置，其中：微粒去除装置包括多个微粒去除区域，各微粒去除区域设计成除去不同尺寸范围的微粒。
19.根据权利要求12-18中任意一项所述的装置，其中：微粒去除装置包括过滤介质，该过滤介质具有过滤孔，该过滤孔的尺寸设置成除去在大约0.1至大约8微米范围内的微粒，或者更特别是大约0.1至大约1微米的范围，或者大约1至大约8微米的范围。
20.根据权利要求12-19中任意一项所述的装置，其中：该装置设置成收集直到10000克的微粒。
21.根据权利要求12-20中任意一项所述的装置，其中：微粒去除装置包括旋流分离器或过滤器介质。
22.根据权利要求12-21中任意一项所述的装置，其中：装置的至少一部分包括低钴材料。
23.根据权利要求12-22中任意一项所述的装置，还包括：流动通路，该流动通路绕过微粒去除装置。
24.根据权利要求12-23中任意一项所述的装置，其中：在组件内的流动通路的尺寸设置成这样，当微粒去除装置至少局部堵塞时由流过装置的流体产生的拉力而施加在芯支承结构上的力将在芯支承负载的设计公差内。
25.根据权利要求12-24中任意一项所述的装置，还包括：从以下组中选择的一种或多种结构：碎屑过滤器、止回阀、底阀或它们的组合，它们构成和布置成减少流过装置的流量，以便保持捕获的微粒。
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