CN104246901A - 核电站的给水分配系统以及用于运行核电站的方法 - Google Patents

Abstract

一种核电站的给水分配系统(12)，包括至少两个布置在反应堆压力容器(1)内的给水分配器(20)，该给水分配系统应当构建为使得其一方面在起动时以及在部分负荷运行中在更小的机械负荷情况下提供给水的均匀分配，并且另一方面在维持核电站中通常的安全性情况下具有各组件的冗余。为此，给水分配系统(12)根据本发明构建为使得每个给水分配器(20)具有恰好一个环形的主体(17)，其带有内部通道(30)，具有至少一个填充接管(24)，其在流通方面与所述内部通道(30)通过至少一个填充开口(26)连接，以及具有多个排出喷嘴(22)，其在流通方面与所述内部通道(30)连接，并且给水分配器(20)的填充接管(24)的每个在流通方面都与所述给水分配器(20)的每个排出喷嘴(22)连接。在借助这种给水分配系统(12)的特别适于运行核电站的方法中，在起动运行中使用恰好一个给水分配器(20)，而在全负荷运行中使用多于一个给水分配器(20)。

Description

核电站的给水分配系统以及用于运行核电站的方法

本发明涉及一种核电站的给水分配系统，其由至少两个布置在反应堆压力容器内的给水分配器构成，以及涉及一种用于运行核电站的方法。此外，本发明涉及一种核电站。

在核电站中，在位于反应堆压力容器中的反应堆芯内通过受控的核裂变来产生热量。借助该热量加热冷却剂，该冷却剂被泵送通过反应堆芯并且由此将能量从反应堆芯以及反应堆压力容器输出。由于对于人员而言危险的放射性，除了反应堆压力容器之外通常在核电站中有其他的屏蔽装置或者防护罩，以便吸收大部分的放射性辐射。

存在不同的反应堆类型，其在芯燃料、冷却循环和调节器方面彼此不同。

不同于压水反应堆(其中有独立的初级循环和次级循环)，在属于轻水反应堆的沸水反应堆情况下存在唯一的蒸汽－水循环。通常，在沸水反应堆中将预热的水泵送到反应堆压力容器中。通过在那里生成的热量，该水作为蒸汽从反应堆压力容器导出并且在那里驱动一个或者多个涡轮机并且冷凝。接着，其借助泵被向回馈送到反应堆压力容器中。通常在馈入之前在上游连接有给水容器，为了温度和/或压力平衡而首先将流体聚集在其中。在大多数情况中，水在馈入之前还流经预热器，以便使得冷凝后的水的温度接近反应堆压力容器中的温度。

为了在反应堆压力容器本身中分配水，设置有带给水分配器的给水分配系统(简称系统)。在申请人的厂房内常用的系统中，给水分配器由恰好一个环形主体构成，其分为两个或者四个空心的部分段。在四个部分段的情况下，这些部分段的每个都基本上达到四分之一圆，并且在流通方面分别与馈入接管(Einspeisestutzen)以及多个排出喷嘴连接。馈入接管通常对称分布，使得分别有两个馈入接管对置地布置在反应堆压力容器中。在四个馈入接管的情况下，由此形成交叉形状的样式。给水分配器的两个或者四个部分段通过相同数目的馈送管路来用水填充，其中这些馈送管路的每个并且由此给水分配器的部分段可以独立地接通。除了在反应堆中使用水之外，其他流体也是可能的，其通过给水分配器馈入到反应堆压力容器中。因此，术语“给水”在下文中应当广义地解释并且也包括这种情况。

给水分配系统应当负责反应堆压力容器中的足够大量的输送给水，使得另外也由于在那里主导的压力而出现循环并且可以将反应堆热量引出。

因为在申请人的厂房中常用的给水分配器是针对全负荷运行来设计的，所以馈送管路、填充接管和主体等等的大小选择为使得在全负荷运行情况下进行反应堆压力容器的合适的馈送。然而在核反应堆的部分负荷运行时以及起动时，反应堆以更小输送量的给水来被供给。因为为了合适地使用给水分配器尤其在其中必须具有最小压力，所以在这种情况中仅仅部分地使用了馈送管路，其中这可以通过主动控制或者通过被动器件来进行。如果例如仅仅是现有的馈送管路之一并且由此也仅仅是部分段之一被流体流过，则这也意味着由于环形的布置，流体不再均匀分布，而是不对称地分布在反应堆压力容器中。

不对称的馈送与严重的缺点相关联。一方面，在反应堆压力容器内在直接馈送的和非直接馈送的部位之间会出现大的温差，其会导致材料疲劳和材料断裂(尤其是在反应堆压力容器的内壁中)。另一方面，不均匀的馈送也会导致反应堆热量的部分被延迟地引出，使得一方面会预期到效率损失，并且另一方面在反应堆压力容器的部分区域中会出现过高的绝对温度。同样在核反应堆过载时(其特别是在有堆芯熔化的危险时会出现)，这种系统是具有缺点的，因为对于这种情况而言大小比例仅仅是受限地设计的，使得通常使用附加的紧急冷却元件。另一缺点是缺少真正的冗余。例如在馈送管路和/或给水分配器故障时，反应堆芯的给水馈送直到缺陷消除都是持续不均匀的。

因此，本发明所基于的任务是，提出一种给水分配系统，其一方面在起动时以及部分负荷运行时在更小的机械负荷情况下提供给水的均匀分配，并且另一方面在维持核电站中通常的安全性情况下具有各组件的冗余。另外，要提出一种通过使用这种给水分配系统的情况下特别适合的、用于运行核电站的方法。

关于给水分配系统方面，该任务根据本发明被解决，其中每个给水分配器：

●具有恰好一个环形的主体，其带有内部通道，

●具有至少一个填充接管，其在流通方面与所述内部通道通过至少一个填充开口连接，以及

●具有多个排出喷嘴，其在流通方面与所述内部通道连接，

并且给水分配器的填充接管的每个都在流通方面与该给水分配器的每个排出喷嘴连接。

有利的扩展方案是从属权利要求的主题。

本发明以如下考虑为出发点，即在起动时以及在部分负荷运行时，与在全负荷运行情况下相比需要更少量的给水。此外，在给水系统的部分故障情况下可以维持反应堆芯的馈送并且给水应当尽可能均匀地在反应堆压力容器中分配。目前常用的给水系统的各部分段设计为使得其需要确定的流体输送量和确定的压力，其中该给水系统在给水分配器中具有多个彼此分离的空心体。例如在反应堆起动时，给水需求更小，使得通常仅仅单个的部分段被使用。由于在部分段中的不同温度(这也是非对称填充的结果)，会出现机械负荷，其也会促使裂缝的形成。

根据本发明已认识到，给水分配器也可以由给水分配器的连贯的空心主体构成，其中所有的排出喷嘴在流通方面与填充接管连接。通过这种方式，可以通过唯一的给水分配器来对反应堆芯进行均匀、对称的馈送。在给水分配器的有针对性的构型情况下，该给水分配器可以设计为使得其适于部分负荷运行。因为在全负荷运行情况下的给水量更大，所以设计了，给水分配系统由至少两个这种给水分配器构成。在起动时或者在部分负荷运行中，由此一个给水分配器足够，其将给水对称地分配。因为它具有连贯的内部通道，所以由于在给水分配器中所输送的给水而引起的非对称的热分布甚至被避免，由此会出现更小的机械负荷。在对于给水有更高需求的情况下，第二给水分配器主动或者被动地接通并且同样均匀地馈送。在超过正常的全负荷运行的给水需求情况下，也可能的是，在针对全负荷运行所设置的给水分配器数目之外接上另外的给水分配器，使得可以实现针对紧急情况的馈送，在这些紧急情况中需要的冷却超过全负荷运行中的冷却需求。由于给水分配系统的带有多个给水分配器的有针对性的设计(这些给水分配器彼此独立地填充并且每个本身进行均匀的馈送)，所以也给出了系统的冗余，该冗余在部分故障时或者损坏时支持核电站的继续运行。

为了实现给水的特别均匀的分配，在有利的扩展方案中设计的是，排出喷嘴在环周方向上看均匀地分布在相应的给水分配器的主体上。

为了在沸水反应堆中的常用反应堆压力容器的均匀馈送，在有利的扩展方案中，每个给水分配器具有四十个到五十个之间的排出喷嘴，因为通过这种方式另外考虑到了排出喷嘴的特性和常用的反应堆压力容器的特性。

为了实现给水分配器的尽可能高的稳定性，在有利的扩展方案中，每个给水分配器的主体基本上具有圆形的横截面。于是，通常圆形的横截面与高的稳定性关联。此外，给水分配器的外表面(其与反应堆压力容器中的蒸汽接触)相对于许多其他的结构形状而言较小，使得给水分配器的热负荷保持较低。

为了冗余地设计系统(其中每个给水分配器对反应堆压力容器进行均匀馈送)，在有利的扩展方案中设置的是，给水分配器的主体相叠地布置。通过这种方式，其基本上覆盖反应堆压力容器的相同区域，使得在一个给水分配器故障时另外的给水分配器可以承担其作用。在将通过一个给水分配器的馈送调整为两个或者多个给水分配器的情况下，通过每个给水分配器的馈送在合适的扩展形式中均匀的馈送也是可能的。在这种堆叠的结构类型情况下，反应堆压力容器的内部空间也可以用合适的方式来利用。

为了尤其是对反应堆压力容器的底部区域供应给水，在有利的扩展方案中，至少一个给水分配器的排出喷嘴的所有喷嘴开口都朝着反应堆压力容器的底部方向取向。通过这种取向，给水优选向底部方向偏转，使得其能够以特别合适的方式、尤其是在液体状态中到达底部区域。通过喷嘴取向，此外在底部区域中产生临时的过压，使得有利于出现给水或者蒸汽的循环，其通过通常在反应堆压力容器的上部区域中构建的抽汽开口来引导离开。

为了符合反应堆压力容器中以及向反应堆压力容器引导的给水供应管路中的空间限制，在有利的扩展方案中，给水分配系统具有两个(含)到四个(含)给水分配器。因为针对全负荷运行设置有至少两个给水分配器，而另一方面给水分配器的数目另外由于所需的、通过反应堆压力容器壁的穿通引导部(其部分为薄弱环节)而受到限制，所以表明的是，在两个到四个之间的给水分配器数目合适地考虑到了两个因素。

尤其是对于给水分配系统的也作为紧急情况系统的进一步考虑的设计，给水分配系统在有利的扩展方案中具有多于两个给水分配器。通过这种数目的给水分配器，例如可能的是，在部分负荷运行中使用恰好一个给水分配器，而在全负荷运行中使用恰好两个给水分配器。在要求增强冷却的紧急情况中，由此可以接上至少一个另外的给水分配器，其同样以均匀的方式将给水引入反应堆压力容器中。在该情况中，给水分配器之一的故障也可以得到补偿。

为了照顾每个给水分配器的稳定性并且将其适当地固定，在有利的扩展方案中，每个主体都具有保持元件，主体借助这些保持元件固定在反应堆压力容器的内壁上。尤其是通过这种固定装置一方面支持了给水分配系统的模块化特性。例如，由此在有缺陷的情况下可以仅仅更换单个部件。另一方面，也考虑到了在主体和反应堆压力容器的内壁之间的温差，因为保持元件在另一功能中可以发挥热缓冲功能。

为了支持在反应堆压力容器中由于不同部件之间的温差导致的对称的机械负荷，在有利的扩展方案中，保持元件在每个给水分配器的主体上对称地围绕主体中的填充开口或者填充接管布置。因为尤其是通过填充接管或者与其连接的填充开口来传输热量并且进一步传递给周围的部件，所以部件应当类似地构建，以便也承受相同的或者至少相似的负荷。因为至反应堆压力容器的内壁上的连接以及由此至保持元件的连接一方面在许多情况下是薄弱环节，并且另一方面甚至是主体和反应堆压力容器的内壁之间的热连接，所以它们以希望的方式分布为使得机械负荷均匀地作用。

为了设置少量的穿过反应堆压力容器的穿通引导部，在有利的扩展方案中，每个给水分配器具有恰好一个填充接管。穿过反应堆压力容器的穿通引导部一方面是复杂的并且由此与成本关联。另一方面其通常是薄弱环节。尤其是给水的输送管路(其具有不同于反应堆压力容器的内壁的温度)承受机械负荷。因此所希望的是，将穿通引导部的数目保持较小。填充接管直接与馈送管路或者穿通引导部邻接，并且在流通方面与给水分配器中的开口连接，使得使用填充接管作为穿通引导部的对应件是所希望的。此外，填充接管给出了在主体和反应堆压力容器的内壁之间的热连接，由此会引起机械应力，其可以被避免。

为了给水在主体的内部通道中的特别适合的分配，在有利的扩展方案中，每个主体具有用于填充接管的两个填充开口。由于主体的环形构型，主体的对称馈送是所希望的，使得给水均匀地在内部通道中分配。在填充开口的情况下，这意味着理想的是所馈入的给水的一半朝向主体的一侧传输，而另一半朝着主体的另一侧传输。为了实现这一点，通过填充开口的对称的、并且已经在内部通道的相应方向上取向的馈送是有效的帮助。在特别有利的扩展方案中，每个主体的内部通道附加地在两个填充开口之间中断，例如通过隔离壁中断。尤其是通过这种中断将给水对称地在内部通道中分配，使得有利于反应堆压力容器的对称馈送。

在有利的扩展方案中，核反应堆具有所述的给水分配系统之一，以便在运行时一方面支持在大多数情况下反应堆压力容器的对称馈送，并且另一方面能够实现给水分配系统的组件的冗余。

关于运行核电站的方法方面，上面提及的任务根据本发明通过如下方式解决：其中核电站具有所描述的给水分配系统之一，其中在起动运行中使用恰好一个给水分配器，而在全负荷运行中使用多于一个的给水分配器。

通过这样的顺序，可以在考虑到分别所需的给水量的情况下实现反应堆压力容器的、特别对称的馈送。因为在反应堆起动和部分负荷运行时所需的给水量较少，所以可以仅仅分配较少量的给水。在使用给水分配系统的情况下，在这种工作模式中通过使用恰好一个给水分配器可以实现特别有效的馈入。在其他工作情况中，如在全负荷运行中，需要更大量的给水，以便将反应堆热量输出。可以通过使用两个给水分配器来实现有效提供给水量以及其分配。因为给水分配器从其尺寸方面可以设计为使得在起动时通过一个给水分配器来有效地进行对称的馈送，而在全负荷运行时通过两个给水分配器来有效地进行对称的馈送，所以尤其是这种用于运行核电站的方法是该系统的有效利用。

借助本发明实现的优点尤其在于，通过使用至少两个环形的或者圆环面状的给水分配器，一方面能够在多种运行模式中实现反应堆压力容器的对称馈送，另一方面该系统通过其重复的对称设计而具有冗余，其特别是考虑到了核电站中的安全性思想。也可以减小机械负荷，其中这些机械负荷会通过热传递而形成并且促使在给水分配系统中或者反应堆压力容器中形成裂缝。此外，由于该系统以及其给水分配器的模块化特性，使得更换有缺陷的部件变得容易。

本发明的实施例借助三个附图来进一步阐述。其中：

图1示出了反应堆压力容器的视图，该反应堆压力容器具有给水分配系统，

图2示出了由两个给水分配器构成的给水分配系统，以及

图3在横截面中示出了两个给水分配器的两个相叠布置的、圆柱形的主体。

在所有附图中，相同的部件设置有相同的附图标记。

图1示出了反应堆压力容器1，其下部区域也称为反应堆底部2。在反应堆压力容器1中有反应堆芯4，其本身被堆芯罩6包围。反应堆芯向上通常通过堆芯罩覆盖物8覆盖。反应堆芯4中的放射性衰变以及由此产生的热量通过控制棒10控制。被反应堆芯4加热并且用于将热量输出的给水通过给水分配系统12馈入到反应堆压力容器1中。在此，给水通过输入管路14从外部引入到反应堆压力容器1中，并且接着通过给水分配系统12在反应堆压力容器1中分配。由于给水分配系统12和反应堆芯4的所选择的布置，有利的是，给水从给水分配系统12出发向下引导。通过这种方式，相比于反应堆芯4而言冷的给水接触到反应堆芯4，在那里被加热，使得形成过压，并且随后通过布置在反应堆压力容器1的上部区域中的蒸汽分离器16引出。被加热的蒸汽或者流体驱动布置在反应堆压力容器1之外的涡轮机，冷凝并且接着借助泵作为给水又馈入到反应堆压力容器1中。给水分配系统12在此固定在反应堆压力容器1的内壁上。

在图2中示出了给水分配系统12的一个优选的变形实施方案。该给水分配系统包括两个分别弯曲为360°环的圆柱形主体17，它们分别具有内部的通道30。内部通道30在此与给水分配器20的每个排出喷嘴22连接。如果现在给水通过输入接管24以及通过两个在流通方面与其连接的输入开口26引入到给水分配器20中，则给水均匀地在给水分配器20中分配，并且通过排出喷嘴22流入到反应堆压力容器1中。

两个基本上环形或者圆环面状的给水分配器20在此在安装位置中相叠布置，使得二者实现对反应堆压力容器1的相似的对称馈送，并且由此也实现对反应堆芯4的相似的对称馈送。通过排出喷嘴22的有目的的向下取向，由此在反应堆底部2的区域中尤其是反应堆芯4被提供给水。通过每个给水分配器20的输入接管24相对于彼此的转动，在反应堆压力容器1中在不同位置上布置了所需的穿通引导部，使得在部分区域中有裂缝的情况下继续提供给水是可能的。在这里所示的布置情况下，转角大约为90度，由此至给水分配器系统12中的给水供给通过两个相互独立地作用的输送系统来冗余地进行，这些输送系统布置在反应堆压力容器1之外。

在此，两个给水分配器20通过保持元件28固定在反应堆压力容器1的内壁上。通过针对每个给水分配器20使用不同的保持元件28，可以将它们相对于彼此浮动地支承。在仅仅作用到一个给水分配器20上的机械负荷情况下，由此该负荷并不传递到其他给水分配器20上。尤其是在输入接管24和填充开口26的区域中，由于各部件以及给水的不同温度而形成机械负荷。特别是通过各给水分配器20的有目的的模块化结构方式，由此实现了给水分配系统12的对于安全性而言重要的冗余。

由于在两个填充开口26的区域中在给水分配器20的环形主体17中的中断，实现了在主体17中给水的有明确目标的转送。理想的情况是，大约一半的给水流入左边的部分区域中，而另一半流入右边的部分区域中，其从那里出发通过排出喷嘴22馈送到反应堆压力容器1中，使得能够实现均匀的分配。

为了运行核电站，可以在反应堆芯4起动时仅仅使用两个给水分配器20的其中之一，其中在起动时比在全负荷运行时释放更少的热量。在该情况中，所馈入的给水也均匀地在反应堆压力容器1中分配。在全负荷运行中，可以接入第二给水分配器20，其中在全负荷运行中释放出更大量的热，并且由此需要更多的冷却。在该情况中，通过给水分配系统12也可以实现均匀的馈送。

在图3中，在横截面中示出了两个给水分配器20的两个相叠布置的圆柱形的主体17。给水流过每个圆柱形主体17的内部通道30，首先在相应的圆柱形主体17中分配，并且接着通过排出喷嘴22引导至反应堆压力容器1中，其中两个给水分配器20彼此独立地起作用。

附图标记表

1   反应堆压力容器

2   反应堆底部

4   反应堆芯

6   堆芯罩

8   堆芯罩覆盖物

10  控制棒

12  给水分配系统

14  输入管路

16  蒸汽分离器

17  主体

20  给水分配器

22  排出喷嘴

24  填充接管

26  填充开口

28  保持元件

30  内部通道

32  横截面

Claims (15)

1.一种核电站的给水分配系统(12)，包括至少两个布置在反应堆压力容器(1)内的给水分配器(20)，其中每个给水分配器(20)：

●具有恰好一个环形的主体(17)，其带有内部通道(30)，

●具有至少一个填充接管(24)，其在流通方面与所述内部通道(30)通过至少一个填充开口(26)连接，以及

●具有多个排出喷嘴(22)，其在流通方面与所述内部通道(30)连接，

并且给水分配器(20)的填充接管(24)的每个在流通方面都与所述给水分配器(20)的每个排出喷嘴(22)连接。

2.根据权利要求1所述的给水分配系统(12)，其中每个给水分配器(20)的排出喷嘴(22)在环周方向上看均匀地分布在相应的给水分配器(20)的主体(17)上。

3.根据权利要求1或2所述的给水分配系统(12)，其中每个给水分配器(20)具有四十个到五十个之间的排出喷嘴(22)。

4.根据上述权利要求之一所述的给水分配系统(12)，其中每个给水分配器(20)的主体(17)基本上具有圆形的横截面(32)。

5.根据上述权利要求之一所述的给水分配系统(12)，其中所述给水分配器(20)的主体(17)相叠地布置。

6.根据上述权利要求之一所述的给水分配系统(12)，其中至少一个给水分配器(20)的排出喷嘴(22)的所有喷嘴开口都朝着所述反应堆压力容器(1)的底部(2)的方向取向。

7.根据上述权利要求之一所述的给水分配系统(12)，其中构建有两个到四个之间的给水分配器(20)，其中包括端值。

8.根据上述权利要求之一所述的给水分配系统(12)，其中构建有多于两个给水分配器(20)。

9.根据上述权利要求之一所述的给水分配系统(12)，其中每个主体(17)通过保持元件(28)固定在反应堆压力容器(1)的内壁上。

10.根据权利要求9所述的给水分配系统(12)，其中所述保持元件(28)在每个给水分配器(20)的主体(17)上对称地围绕所述主体(17)中的填充开口(26)或者填充接管(24)布置。

11.根据上述权利要求之一所述的给水分配系统(12)，其中每个给水分配器(20)具有恰好一个填充接管(24)。

12.根据权利要求11所述的给水分配系统(12)，其中每个主体(17)具有用于填充接管(24)的两个填充开口(26)。

13.根据权利要求12所述的给水分配系统(12)，其中每个主体(17)的内部通道(30)在两个填充开口(26)之间中断。

14.一种核反应堆，带有根据上述权利要求之一所述地构建的给水分配器系统(12)。

15.一种用于运行核电站的方法，所述核电站具有根据权利要求1至13之一所述的给水分配系统(12)，其中在起动运行中使用恰好一个给水分配器(20)，而在全负荷运行中使用多于一个给水分配器(20)。