CN104321826A - 用于小模块压水反应堆的组合的堆芯补给箱和热量移除系统 - Google Patents

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Abstract

组合的补给箱和被动残余热量移除系统，所述组合的补给箱和被动残余热量移除系统将管子和安全壳换热器安放于堆芯补给箱内。换热器的管子侧的进口连接至反应堆芯的热段并且管子侧的出口连接至反应堆芯的冷段。换热器的安全壳侧通过第二换热器连接至分离的热量槽。

Description

用于小模块压水反应堆的组合的堆芯补给箱和热量移除系统
相关申请交叉参考
本发明涉及与本文同时提交的美国专利申请序列号No.__(代理档RTU 2011-011)。
技术领域
本发明通常涉及小模块压水反应堆，并且更具体地涉及用于该反应堆的组合的堆芯补给箱和热量移除系统。
背景技术
在诸如压水反应堆的发电核反应堆中，通过诸如浓缩铀的核燃料的裂变产生热量并且将所述热量传递到流经反应堆堆芯的冷却剂。堆芯包括细长的核燃料棒，所述细长的核燃料棒彼此相邻安装在核燃料组件结构中，冷却剂流经所述核燃料棒并且到达所述核燃料棒上方。在共同延伸的平行阵列中燃料棒相互间隔开。在给定燃料棒的燃料原子的核衰变期间释放的中子和其它原子粒子中的一些通过燃料棒之间的空间，并且撞击毗邻燃料棒中的可裂变材料，从而促进核反应并且有助于堆芯产生的热量。
可动控制棒分散在整个反应堆堆芯中，以便能够凭借吸收中子的一部分而控制裂变反应的整体速率，否则它们将促进裂变反应。控制棒通常包括中子吸收材料的细长棒并且装配到燃料组件中的纵向开口或者导向套管中，所述控制棒平行于燃料棒并且在燃料棒之间行进。将控制棒更深入地插入到反应堆堆芯中还致使吸收更多的中子而同时又不会促进在毗邻燃料棒中发生裂变；收回控制棒减小了中子吸收的程度而增加了核反应速率以及提高了反应堆堆芯的功率输出。
图1示出了简化的传统核反应堆一级系统，其包括大体圆筒形的压力容器10，所述压力容器10具有包封堆芯14的堆芯封头12，所述堆芯14支撑包含可裂变材料的燃料棒。诸如水或者含硼水的液体冷却剂由泵16泵入到容器10中通过堆芯14，在所述堆芯14处热能被吸收并且被排放到通常称作蒸汽发生器的换热器18中，在所述换热器18中，热量被传递到诸如蒸汽驱动的涡轮发电机的利用电路(未示出)。然后反应堆冷却剂返回到泵16，从而完成一级回路。通常，多条上述回路通过反应堆冷却剂管道20连接到单个反应堆容器10。
采用这个设计的商用发电厂一般为1,100兆瓦或更大数量级的。最近，Westinghouse Electric Company LLC已经提出了200兆瓦级别的小模块反应堆。小模块反应堆为全部主要环路部件均定位于反应堆容器内的一体化压水反应堆。反应堆容器被紧凑的高压安全壳包围。由于安全壳内的受限空间以及一体化加压轻水反应堆对低成本的需要，需要最小化辅助系统的总体数量而不损害安全性或功能性。为此，理想的是维持所有的部件与在紧凑高压安全壳内的反应堆系统的主要环路流体连通。一个这样的辅助系统为堆芯补给箱，并且另一个这样的系统为被动残余热量移除系统。然而，在安全壳内只有受限的空间以容纳这些若干系统。
因此，本发明的目的为简化堆芯补给箱系统和被动残余热量移除系统，以使得其与主要反应堆环路交界的部件能够被支承于小模块压水反应堆的高压紧凑安全壳内。
额外地，本发明的进一步的目的为组合堆芯补给箱系统和被动残余热量移除系统的特征，以降低这些系统在高压紧凑安全壳内的空间需要。
发明内容
通过具有一级回路的小模块压水反应堆实现这些和其他目的，所述一级回路包括反应堆芯、上部堆内构件、蒸汽发生器换热器以及容纳于反应堆压力容器内的加压器，所述反应堆加压容器被封闭于基本紧密装配的安全壳内。所述小模块压水反应堆包括：在流出堆芯的冷却剂流动出口和蒸汽发生器换热器的上游侧之间的一级冷却剂热段、以及在蒸汽发生器换热器的下游侧和流入堆芯的冷却剂流动入口之间的一级冷却剂冷段，热段和冷段容纳于反应堆压力容器内。小模块压水反应堆还包括组合的被动热量移除系统和高压头水注入系统，所述组合的被动热量移除系统和高压头水注入系统采用被包封在紧密装配的安全壳内的堆芯补给箱。所述堆芯补给箱包括：具有一级侧和二级侧的换热组件。一级侧具有在换热组件内带有一级侧入口和一级侧出口的内部流动路径。一级侧入口腔室与换热器组件的内部流动路径的入口和离开堆芯的热段流体连通。一级侧出口腔室与换热组件的内部流动路径的出口以及在蒸汽发生器换热器的下游侧和进入堆芯的冷却剂流动入口之间的冷段流体连通。在换热组件的二级侧内的二级侧腔室具有入口端部和出口端部以及在换热组件(42)的内部流动路径的外部上的二级侧流动路径，所述二级侧流动路径将二级侧腔室的入口端部连接至出口端部。最终的热量槽换热器在二级侧腔室的入口端部和出口端部之间连接至堆芯补给箱。所述组合的被动热量移除系统和高压头水注入系统还包括用于将换热组件的一级侧与堆芯隔离的装置。
优选地，堆芯补给箱定位于在堆芯高度上方的高度处，并且最终的热量槽换热器位于在堆芯补给箱高度上方的高度处。优选地，虽然堆芯补给箱被支承于反应堆压力容器的外侧，但是被包封于安全壳内，且最终的热量槽定位于安全壳的外侧。理想地，换热组件的一级侧被加压至至少与堆芯相同的压力，并且优选地被加压至与堆芯基本相同的压力。
在一个实施例中，换热组件为管子和壳体换热器，理想地一级侧入口腔室在堆芯补给箱的顶部处，并且一级侧出口腔室在堆芯补给箱的底部处。理想地，用于将换热组件的一级侧与堆芯隔离的装置为与在一级侧出口腔室和冷段之间的一级侧出口流体连通的阀。
在另一个实施例中，二级侧面腔室被加压以防止沸腾，并且理想地最终的热量槽包括热量槽换热器，所述热量槽换热器具有连接至堆芯补给箱换热组件的二级侧的一级侧，并且热量槽换热器具有与冷却剂池进行换热的二级侧。在另一个实施例中，小模块反应堆包括多个这样的堆芯补给箱。
附图说明
当接合附图阅读时能够从以下优选实施例的描述中获得在下文中声明的本本发明的进一步的理解，其中：
图1为常规的核反应堆系统的简化示意图；
图2为示出纳入本发明一个实施例的小模块一体化反应堆系统的部分剖视立体图；
图3为在图2中示出的反应堆的放大图；以及
图4为在图2中示出的反应堆安全壳的示意图，包括本发明的一个实施例的组合的被动热量移除系统和高压头水注入系统的反应堆外侧容器部件以及蒸汽发生器的安全壳外侧蒸汽包部分。
具体实施方式
图2、3和4说明了小模块反应堆设计，所述小模块反应堆设计能够从在下文中声明的组合的被动热量移除系统和高压头水注入系统获益。图2示出部分切除的反应堆安全壳的立体图，以示出压力容器及其一体化的内部部件。图3为在图2中示出的压力容器的放大图，并且图4为反应堆以及反应堆辅助系统中的一些的示意图，包括本发明的一个实施例的组合的被动热量移除系统和高压头水注入系统的最终的热量槽和二级换热环路。类似的参考标记被用于若干附图中以识别相对应的部件。
在诸如图2、3和4中图解的一体化压水反应堆中，在单个压力容器10中包含通常与核蒸汽供应系统的一级侧相关联的所有部件，所述单个压力容器10通常容纳在高压安全壳结构34中。容纳在压力容器10内的一级部件包括蒸汽发生器的一级侧、反应堆冷却剂泵、稳压器和反应堆自身。在这个一体化反应堆设计中，传统反应堆的蒸汽发生器18被分解成两个部件：换热器26，所述换热器26位于上部堆内构件30的上方；和汽包，所述汽包保持在安全壳34的外部，如图4所示。蒸汽发生器换热器26包括额定用于一级设计压力、并且由反应堆堆芯14和其它传统反应堆内部部件、两块管板54和56、热段管道24(也称作热段立管)、在下管板54和上管板56之间延伸的传热管58、管支撑件60、二级流挡板36所共用的压力容器10/12，所述二级流挡板用于引导二级流体介质在传热管58和二级流喷嘴44和50之间流动。
换热器26/压力容器封头12组件被保持在安全壳34内。安全壳外部的汽包32由额定用于二级设计压力的压力容器38构成。如在传统蒸汽发生器设计18中发现的那样，安全壳外部的汽包34包括离心式和人字型汽水分离设备、给水分布装置和用于湿蒸汽、给水、再循环液体和干蒸汽的流量喷嘴。
图3中的上部分中的箭头示出了在反应堆容器10的封头12中一级反应堆冷却剂流经换热器26的流动。如图所示，离开反应堆堆芯14的加热的反应堆冷却剂向上行进通过热段立管24，通过上管板56的中心，在所述中心处，反应堆冷却剂进入热段歧管74，在所述热段歧管74处，加热的冷却剂转向180°并且进入延伸通过上管板56的传热管58。反应堆冷却剂然后向下行进通过延伸通过管板56的传热管58，从而将其热量传递到再循环液体和给水的混合物，所述混合物以逆流的关系从外部汽包32经由过冷的再循环输入喷嘴50进入到换热器中。通过过冷再循环输入喷嘴50进入到换热器56中的过冷的再循环液体和给水被二级流挡板36向下引导至换热器的底部，并向上以及环绕换热器管58，且在上管板56的正下方转向进入到输出通道76，在所述输入通道76处，含水蒸汽被汇集到湿蒸汽输出喷嘴44。随后湿饱和蒸汽被运送到外部汽包32，在所述外部汽包处，其被运送通过汽水分离器，所述汽水分离器使得蒸汽与水分分离开。分离的水分形成再循环液体，所述再循环液体与给水组合并且被运送回到过冷再循环输入喷嘴50，以重复循环。
一般压水反应堆设计和高级压水反应堆设计(诸如由Westinghouse Electric Company LLC,CranberryTownship,Pennsylvania提供的AP)均利用衰变热移除系统和高压头注入系统以防止意外事件过程中的堆芯损坏。在图2、3和4中说明的Westinghouse小模块反应堆设计中，成本和空间约束条件限制了如当前在较大压水反应堆中实现的这些系统的能力。本发明提供了用于将被动衰变热移除功能和高压头水注入功能组合为单一的、简化的、一体化的系统的设计。这个组合的安全系统与较大的压水反应堆安全系统相比极大地简化了一体化反应堆设计，并且在意外事件过程中容许在较小的成本以及较小的空间需求条件下具有可比性的反应堆保护能力。本文描述的下文所声明的本发明实施例包括新颖的堆芯补给箱设计，所述新颖的堆芯补给箱设计带有直接地连接至反应堆容器的内被动残余热量移除换热器以及在最终的热量槽池中的换热器。
正如能够从图2和4中见到的，组合的堆芯补给箱/被动残余热量移除换热器40定位于安全壳容器34内。被动残余热量移除换热器42定位于堆芯补给箱40内。被动残余热量移除换热器42包括在堆芯补给箱的顶部端部处的入口腔室44和在堆芯补给箱的下端部处的出口腔室46。上管板48将上腔室44与二级流体腔室64分离，并且下管板52将下腔室46与二级流体腔室64分离。换热管的管束62在上管板48和下管板52之间延伸。因此，来自堆芯热段24的被供给通过入口管路84的一级流体进入入口腔室44，通过管束64被传送至出口腔室46，并且通过出口管路88被返回至堆芯14的冷段78。穿过管束64的冷却剂将其热量转移至在管板48和52之间的二级流体腔室64中的二级流体。二级流体通过二级流体入口管路66进入二级流体腔室64，吸收自管束64传递的热量，并且通过二级流体出口管路68离开。堆芯补给箱40的高度(即补给箱被支承于的高度)被最大化以有助于较高的自然循环流动。在稳定状态操作过程中，堆芯补给箱40和被动残余热量移除换热器42的管侧被填充有与反应堆冷却剂的压力相同的冷含硼水。通过在堆芯补给箱的底部上的出口管路88上的阀80而防止该水流动至反应堆压力容器10内。
在意外事件状态过程中，反应堆保护系统向阀80的开口发出信号，从而容许冷的含硼堆芯补给箱水向下流动穿过出口管路88至反应堆压力容器10的冷段区域78内。同时，热反应堆冷却剂随后通过入口管路84从堆芯出口区域82流动至堆芯补给箱40内，并且随后流动至堆芯补给箱40入口腔室44内。热反应堆水随后向下流动穿过在被动残余热量移除换热器42的管束64内的管子，并且被流动穿过二级流体腔室64中的被动残余热量移除换热器的壳体侧的冷的二级水冷却。
被加压以防止沸腾的二级水随后向上流动穿过管路68至在最终的热量槽箱70中的第二换热器72，在所述第二换热器72处其将热量转移至在箱70中的冷水。当前冷却的二级水向下流动穿过返回管路66，并且流动至换热器42的堆芯补给箱壳体侧64内，以重复过程。这个最终的热量槽环路和堆芯补给箱一级环路由自然循环流所驱动。即使在蒸汽进入堆芯补给箱入口管路84之后，堆芯补给箱一级环路流也继续移除来自反应堆的衰变热。
在冷却剂从反应堆压力容器10缺失的意外事件过程中，当被动残余热量移除换热器42从反应堆10移除衰变热时，反应堆容器中的水位下降。当水位下降至堆芯补给箱入口管路入口82之下时，蒸汽进入入口管路并且打破自然循环周期。在此点处，堆芯补给箱的存量(inventory)(除了被动残余热量移除换热器的二级壳体侧64之外)在蒸汽压力作用下向下流动穿过出口管路并且流动至反应堆压力容器冷段78内，从而有效地用作高压头注入。
在燃料补给和断供过程中，堆芯补给箱/被动残余热量移除系统冷却了反应堆和内部构件。如果在安全壳34中存在空间的话，那么任何数量的所述堆芯补给箱能够被纳入小模块反应堆设计中以提供衰变热移除能力。
因此，本发明的组合的堆芯补给箱/被动残余热量移除系统将移除等于或大于在意外事件和停机状态过程中由堆芯放出的衰变热。额外地，这个系统将向反应堆压力容器提供足够的含硼水，以在所有意外事件过程中维持堆芯的安全停机，并且在冷却剂意外缺失状态过程中将提供足够的补给水以将水位维持在堆芯顶部上方。此外，通过将两个安全功能组合为单个的有效系统，这个系统占据最少的安全壳内空间。
虽然已经详细地描述本发明的特定的实施例，但是将被本领域的技术人员理解的是能够在本发明的一体化指导下研发对那些细节的多种修改和替换。因此，公开的具体的实施例仅意为说明性的并且非限制性的，正如将给出附属权利要求及其等价物中的任一和全部的全部范围的本发明的领域。

Claims (14)

1.一种小模块压水反应堆(10)，所述小模块压水反应堆(10)具有一级回路，所述一级回路包括反应堆芯(14)、上部堆内构件(30)、蒸汽发生器换热器(26)以及容纳于反应堆压力容器(10、12)内的加压器(22)，所述反应堆加压容器被封闭于基本紧密装配的安全壳(34)内，所述小模块压水反应堆包括：在流出堆芯的冷却剂流动出口和蒸汽发生器换热器(78)的上游侧之间的一级冷却剂热段(24)、以及在蒸汽发生器换热器的下游侧和流入堆芯的冷却剂流动入口之间的冷却剂冷段，热段和冷段容纳于反应堆压力容器内，小模块压水反应堆还包括组合的被动热量移除系统和高压头水注入系统，所述组合的被动热量移除系统和高压头水注入系统包括：
堆芯补给箱(40)，所述堆芯补给箱包括：
具有一级侧(44、46)和二级侧(64)的换热组件(42)，一级侧具有在换热组件内、带有一级侧入口(84)和一级侧出口(88)的内部流动路径；
一级侧入口腔室(44)，所述一级侧入口腔室与换热器组件(42)的内部流动路径的入口和离开堆芯的热段流体连通；
一级侧出口腔室(46)，所述一级侧出口腔室与换热组件(42)的内部流动路径的出口以及在蒸汽发生器换热器的下游侧和进入堆芯(14)的冷却剂流动入口(78)之间的冷段流体连通；以及
在换热组件(42)的二级侧内的二级侧腔室(64)，所述二级侧腔室具有入口端部(66)和出口端部(68)以及在换热组件(42)的内部流动路径的外部上的二级侧流动路径，所述二级侧流动路径将二级侧腔室的入口端部连接至出口端部；
最终的热量槽换热器(72)，所述最终的热量槽换热器在二级侧腔室(64)的入口端部(66)和出口端部(68)之间连接至堆芯补给箱(40)；以及
用于将换热组件(42)的一级侧(44、46)与堆芯(14)隔离的装置(80)。
2.根据权利要求1所述的小模块压水反应堆(10)，其中堆芯补给箱(40)定位于在堆芯(14)高度上方的高度处。
3.根据权利要求2所述的小模块压水反应堆(10)，其中最终的热量槽换热器(72)位于在堆芯补给箱(40)高度上方的高度处。
4.根据权利要求1所述的小模块压水反应堆(10)，其中堆芯补给箱(40)被支承于反应堆压力容器(10、12)的外侧。
5.根据权利要求4所述的小模块压水反应堆(10)，其中堆芯补给箱(40)被包封于安全壳(34)内。
6.根据权利要求5所述的小模块压水反应堆(10)，其中最终的热量槽(70)定位于安全壳(34)的外侧。
7.根据权利要求1所述的小模块压水反应堆(10)，其中换热腔室(44、46)的一级侧被加压至至少与堆芯(14)相同的压力。
8.根据权利要求7所述的小模块压水反应堆(10)，其中换热组件(42)的一级侧被加压至与堆芯(14)基本相同的压力。
9.根据权利要求1所述的小模块压水反应堆(10)，其中换热组件(42)为管壳式换热器。
10.根据权利要求9所述的小模块压水反应堆(10)，其中一级侧入口腔室(44)在堆芯补给箱(40)的顶部处，并且一级侧出口腔室(46)在堆芯补给箱的底部处。
11.根据权利要求1所述的小模块压水反应堆(10)，其中用于将换热组件(42)的一级侧(44、46)与堆芯(14)隔离的装置为与在一级侧出口腔室(46)和冷段(78)之间的一级侧出口流体连通的阀(88)。
12.根据权利要求1所述的小模块压水反应堆(10)，其中二级侧腔室(64)被加压以防止沸腾。
13.根据权利要求1所述的小模块压水反应堆(10)，其中最终的热量槽(70)包括热量槽换热器(72)，所述热量槽换热器具有连接至堆芯补给箱换热组件(42)的二级侧(64)的一级侧，并且热量槽换热器具有与冷却剂池(70)进行换热的二级侧。
14.根据权利要求1所述的小模块压水反应堆(10)，包括多个堆芯补给箱(40)。
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