CN105122375A - 换料水箱被动应急堆芯流动 - Google Patents

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CN105122375A CN201480022184.XA CN201480022184A CN105122375A CN 105122375 A CN105122375 A CN 105122375A CN 201480022184 A CN201480022184 A CN 201480022184A CN 105122375 A CN105122375 A CN 105122375A
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J.D.马洛伊三世
R.C.沃森
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    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/18—Emergency cooling arrangements; Removing shut-down heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

核反应堆包括含有核反应堆堆芯的压力容器。反应堆堆芯冷却系统包括含有多个孔的竖管，所述孔与换料水箱(RWST)流体连通以将水从RWST排到竖管中，和注入管线，其配置成将水从竖管排到压力容器。在一些实施例中，竖管设置在RWST中，而在其他实施例中，竖管设置在RWST之外，且交叉连接管将多个孔与RWST连接。反应堆堆芯冷却系统还可以包括阀，其配置成基于竖管的水位来控制通过与RWST流体连通的多个孔之一的流量。所述阀可以包括浮子阀，具有设置在竖管中的其浮子。

Description

换料水箱被动应急堆芯流动
相关申请的交叉引用
本申请构思于由能源部合作协议第DE-NE0000583号支持的工作过程。能源部可以拥有本申请的某些权利。
本申请要求2013年03月12日提交的、标题为“具有调整的应急堆芯冷却(ECC)流动的换料水箱(RWST)”的美国临时申请第61/777026号的优先权。本申请还要求2013年03月15日提交的、标题为“用于长期反应堆冷却的被动技术”的美国临时申请第61/794206号的优先权。
2013年03月12日提交的、标题为“具有调整的应急堆芯冷却(ECC)流动的换料水箱(RWST)”的美国临时申请第61/777026号的全部内容在此通过引用并入到本申请的说明书中。2013年03月15日提交的、标题为“用于长期反应堆冷却的被动技术”的美国临时申请第61/794206号的全部内容在此通过引用并入到本申请的说明书中。
技术领域
下文涉及核能发电领域、核反应堆安全性领域、核反应堆应急堆芯冷却(ECC)领域以及相关领域。
背景技术
在冷却剂损失事故(LOCA)中或者在核反应堆迅速降压的其他情况下，核反应堆堆芯要被保持浸在水中，以便提供用于去除衰变热，并且防止作为裂变产物屏障的燃料棒包覆损伤及燃料棒后续故障。提供用于跟随LOCA的堆芯冷却的系统是应急堆芯冷却系统(ECC)。该ECC设计可以结合被动构件，这些被动构件可以通过使用储存的能量而被致动，并且不在致动之后使用电功率。在这种被动ECC设计中，换料水箱(RWST)通常位于放射性壳内，以在反应堆换料过程中提供水来使用，并且该RWST还用作ECC系统的水源。RWST位于反应堆堆芯的上方，使得被动ECC系统可以通过重力驱动的水流进行操作。
该RWST的尺寸被确定成提供足够的水来操作ECC系统达设计基准的时间段，例如在某些方案中为72小时。减压阀允许水从RWST被重力驱动流动(或注射)到反应堆中。沸腾传热消除在燃料组件中产生的衰变热，并且由此产生的蒸汽通过减压管路被随后排出。所需的RWST体积可以基于水的潜热能力(即，每升转换为蒸汽的液体水的被去除的热能的量)、已知的反应堆堆芯衰变热输出与时间的关系以及用于开始于完全填充的RWST的ECC操作的所选择的设计基准的时间段而被计算出。
发明内容
在一个公开的方面，一种装置，包括：核反应堆，其包括压力容器，该压力容器含有包括可裂变材料的核反应堆堆芯；换料水箱(RWST)；注入管线，其连接成将水从所述RWST排到所述压力容器；以及竖管，其具有与所述注入管线流体连通的下端，并且沿着与所述RWST流体连通的竖管在不同高度具有两个或更多个孔。在一些实施例中，所述竖管设置在所述RWST中，并且沿着所述竖管在不同高度具有两个或更多个孔。在一些实施例中，所述竖管设置在所述RWST之外，并且沿着通过交叉连接管与所述RWST连接的竖管在不同高度具有两个或更多个孔。一些实施例还包括浮子阀，其配置成通过所述两个或更多个孔中的一个来调节流量，所述浮子阀包括设置在所述竖管中的浮子。在一些实施例中，包括所述两个或更多个孔的竖管配置成调整从所述RWST至所述压力容器的流量，以近似预期的衰变热与时间的关系曲线。
在另一公开的方面，一种方法，包括：对核反应堆的压力容器进行减压；以及通过下列操作来提供所述核反应堆堆芯的冷却，这些操作包括：将水从换料水箱(RWST)排到竖管中；和将水从所述竖管排到减压压力容器中。在一些实施例中，将水从所述RWST排到所述竖管中包括通过在沿着排水管的两个或更多个不同高度的孔将水从RWST排到竖管中。在一些实施例中，将水从所述RWST排到所述竖管中包括：通过沿着所述排水管的第一孔将水从所述RWST排到所述竖管中；通过沿着所述排水管的第二孔将水从所述RWST排到所述竖管中；以及使用在比所述第一孔的高度更低的高度的浮子阀来控制通过所述第二孔将水从所述RWST排到所述竖管中，该浮子阀具有设置在所述竖管中的其浮子。
在另一公开的方面，一种装置包括：核反应堆，其包括压力容器，该压力容器含有包括可裂变材料的核反应堆堆芯；换料水箱(RWST)；以及反应堆堆芯冷却系统，其包括：竖管，其包括与所述RWST流体连通的多个孔，以将水从所述RWST排到所述竖管中；和注入管线，其配置成将水从所述竖管排到所述压力容器。在一些实施例中，所述RWST在所述反应堆堆芯冷却系统的操作期间不与所述压力容器流体连通，除非通过所述竖管。在一些实施例中，所述竖管设置在所述RWST中。在一些实施例中，所述竖管设置在所述RWST之外，所述反应堆堆芯冷却系统还包括将所述多个孔与RWST连接的交叉连接管。在一些实施例中，所述反应堆堆芯冷却系统还包括阀，其配置成基于所述竖管的水位来控制通过与所述RWST流体连通的多个孔之一的流量。在一些这样的实施例中，所述阀包括浮子阀，该浮子阀具有设置在所述竖管中的其浮子。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件布置以及采取各种处理操作和处理操作布置的形式。附图仅用于说明优选实施例的目的，不应被解释为限制本发明。本公开包括以下附图。
图1示出了设置在放射性壳体结构中的说明性的小的模块化反应堆(SMR)连同具有应急堆芯冷却(ECC)系统的换料水箱(RWST)的示意性剖视透视图，该系统利用通过流动调整竖管而与反应堆联接的RWST。
图2是在LOCA(两个箱)之后计算出的RWST水位的曲线图。
图3是计算出的RWST流量对计算出需要用于移除衰变热的流量的曲线图。
图4是包括如本文所公开的竖管的RWST的示意性剖视图，其中RWST中的水在应急堆芯冷却(ECC)操作的开始时处于其初始水位。
图5是与图4相同的视图，但是是在进入足以使水位降低低于竖管顶部的ECC操作的时间之后。
图6是通过图4和图5的竖管的计算出的RWST流量对计算出需要用于移除衰变热的流量的曲线图。
图7是通过使用包括图4和图5的竖管的RWST的计算出的RWST水位对时间的曲线图。
图8示意性地示出了一个变型实施例，其中流动调整竖管位于RWST之外。
图9示意性地示出了一个变型实施例，其中流动调整竖管位于RWST之外且一些流动调整由流动调整浮子阀提供。
图10示意性地示出了图9系统的流动调整浮子阀的合适实施例的侧视图。
图11示意性地示出了采用布置在具有流动调整浮子阀的RWST中的竖管的变型实施例。
具体实施方式
参考图1，示出了说明性的小的模块化反应堆(SMR)10的剖视透视图，具有来自一个或多个换料水箱(RWST)单元12的调整的被动流动的所公开的应急堆芯冷却(ECC)技术适当地采用该SMR。图1的说明性的SMR单元10是压水反应堆(PWR)类型的，并且包括压力容器14和设置在压力容器14内(即，说明性的SMR10是整体式PWR10)的一个或多个整体式蒸汽发生器16。图1的说明性的SMR10仅是一个示例，更一般地，具有来自一个或多个RWST的调整的被动流动的所公开的ECC技术适当地采用大致任何类型的轻水核反应堆，包括PWR(二者是整体式的，如图所示，以及采用外接蒸汽发生器的PWR配置)、沸水反应堆(BWR)等等。具有来自一个或多个RWST的调整的被动流动的所公开的ECC技术还不限于小的和/或模块化的核反应堆，相反还可以采用较大规模和/或非模块化的反应堆单元。图1的说明性的SMR10包括将整体式加压器体积19限定在压力容器14顶部的整体式加压器18；然而，再次，更一般地，具有来自一个或多个RWST的调整的被动流动的所公开的ECC技术适于采用包括整体式或外接加压器的轻水核反应堆。
通常，核反应堆(比如图1中的说明性的SMR10)包括含有核反应堆堆芯20的压力容器14，该核反应堆堆芯包括浸渍在(主)冷却水(本文中更一般地是指简单的“冷却剂”或“冷却剂水”)中的可裂变材料，比如235U(通常以合金、复合材料、混合物或其它形式)。由于反应堆堆芯20浸渍在冷却剂水中，并且当控制棒驱动机构(CRDM)22至少部分地回拉由中子吸收材料制成的控制棒时，核链式反应在加热(主)冷却剂水的核反应堆堆芯中启动。说明性的CRDM22是内部CRDM，其中该控制棒驱动机构单元包括其电动机22m，该电动机包括设置在压力容器14内的转子和定子，引导框支架23引导位于堆芯上方的控制杆的部分；在其他实施例中，还可以使用外部CRDM单元。在说明性的整体式PWR10中，单独的水流量(二次冷却剂)分别通过给水进口24和蒸汽出口26进入和离开蒸汽发生器16。二次冷却剂流过蒸汽发生器16的二次冷却剂通道，并且通过由(主)冷却剂水所携带的来自反应堆堆芯的热量被转换为蒸汽。蒸汽发生器16从而充当核反应堆10的散热器。在其它的反应堆类型中，这种散热通过不同的机构获得。例如，在具有外部蒸汽发生器的PWR中，主冷却剂通过管道被输送出压力容器至外部蒸汽发生器，其将二次冷却剂流量转换为蒸汽。在BWR中，主冷却剂被煮沸，以在压力容器内形成蒸汽，该主冷却剂蒸汽直接驱动涡轮机或其他有用装置。说明性的整体式PWR10的压力容器14包括容纳核反应堆堆芯20的下部30和容纳蒸汽发生器16的上部32，中间凸缘34连接压力容器的上部和下部。压力容器14内的主冷却剂流动回路由在反应堆堆芯20上方向上延伸的圆柱形中央立管36和限定在圆柱形中央立管36与压力容器14之间的降液管环形38限定。流动可以由自然循环(即由穿过中央圆柱形立管36上升、在顶部排出并且通过降液管环形38向下流动的通过反应堆堆芯20加热的主冷却剂)驱动，或者可以由反应堆冷却剂泵(RCP)协助或驱动，比如说明性的RCP，其包括含有由RCP电动机42驱动的叶轮的RCP壳体40。该RCP可替代地沿着主冷却剂路径位于别处，或者完全在自然循环反应堆中省略。再次指出的是，本说明性的SMR10仅是一个说明性示例，所公开的ECC技术适当地采用大致任何类型的轻水核反应堆。
继续参考图1，示出了设置在放射性壳体结构50(这里也称为“放射性壳体”或简单地说成“壳体”)中的SMR10连同换料水箱(RWST)12的示意性剖视图。虽然示出了单个RWST12，但应当理解的是，两个或更多个RWST可以设置在壳体内部，以提供冗余和/或提供水的更大的总体积。该RWST12用于多种目的。顾名思义，其提供水用于常规的换料过程(即除去废燃料，包括核反应堆堆芯及其采用新鲜燃料的更换)。RWST12还用作水储存器，用于在某些意外事故情形期间使用，比如在出现散热损失的情况下，其中经由蒸汽发生器16或其他散热通路的散热被中断，导致反应堆压力容器14中的压力和温度上升；或者冷却剂事故损失(LOCA)，其中断裂出现在与压力容器14连接的(相对大直径)管道或容器渗透中。
图1示意性地示出了对LOCA的响应，包括蒸汽52(可能以两相蒸汽/水混合物52的形式)从中逸出的断裂。在图1中，这样的LOCA示意性地示出为始于在压力容器14顶部的整体式加压器18附近。从压力容器14逸出的蒸汽/水52被放射性壳体50包含，释放的能量通过合适的传递机构被喷射到最终的散热器(UHS)54。在说明性的图1中，此热传递通过位于壳体50的顶部上并且与该壳体顶部热接触的UHS54之间的直接热接触来实现(至少部分地)。
此外，被动应急堆芯冷却(ECC)被激活，这通过使用连接到加压器18(在图1的说明性示例中或者在其他反应堆设计中)的阀来对反应堆10降压，以将压力容器通风到该RWST。这个操作由承载来自加压器18的蒸汽(或两相的蒸汽/水混合物)的蒸汽通道60示意性表示，以喷射到RWST12的顶部中。源于压力容器通风到RWST12的RWST12中的任何过剩压力经由蒸汽通风孔62逸出。尽管对反应堆降压，但是水最初从两个氮气加压中间压力喷射罐(IPIT，图1中示出了其中的一个说明性IPIT64)被注入到反应堆容器中，以确保反应堆堆芯20保持浸没在冷却剂水中。来自IPIT64的水任选地包括硼或其它中子毒物，以促进核链式反应的迅速关闭。一旦反应堆10被减压，则RWST12(或多个RWST，如果壳体内设置有两个或更多个冗余的RWST单元的话)中的水经由从RWST12运行至反应堆压力容器的注入管线66而排入反应堆容器14，从而再填充容器14。(要指出的是，在说明性的图1中，注入管线66的下游部分还提供了输入路径用于来自IPIT64的水，在这种情况下，存在合适的阀，被提供成在初始减压完成之后关闭IPIT64。该阀任选的是被动的，例如在压力容器14中的压力下降到低于设定点时自动关闭。还设想的是通过来自注入管线66的单独管线将IPIT与反应堆压力容器连接。)RWST12中的水为反应堆堆芯20提供长期冷却。
对散热损失情况的ECC响应是相似的，所不同的是冷却剂不是通过LOCA断裂而损失的，而是散热损失引起压力容器14中的压力上升超过ECC激活来对压力容器14减压的阈值。
水从RWST12的流动重新填充反应堆容器14。在用于类似于采用两个RWST单元的图1的说明性SMR10的SMR中的LOCA的一些计算中，水位被计算至下降到反应堆堆芯20顶部的50英寸内，且包括水和蒸汽的混合物的逸出主冷却剂52通过加压器18中的断裂而流出容器14。在经过一段时间之后，RWST12中的水位被计算至下降，但分析表明反应堆压力容器14中的水位仍然很高。由于不受限于任何具体的操作理论，所以可以认为这是由于因饱和条件和中央立管36中的蒸汽而带来的反应堆堆芯20上方的水的低密度。其结果是，显著量的水通过断裂(即，整体式的体积流量52很高)流出，造成RWST12比其在如果所有的水转化为蒸汽时否则将会的更快排出。在计算的设计基准中，在各个RWST12中有足够的水来除去堆芯衰变热达72小时以上，如果所有的水转化为蒸汽的话。然而，通过LOCA断裂的液体水损失仅去除约10％的能量(其在如果等效的水质量由压力容器14中的热量转换成蒸汽时将会被移除)。因此，源于断裂所携带的水对RWST12的衰变热移除容量具有不利影响。
参考图2，源于断裂的过量水夹带(carryover)可以潜在地减少RWST热移除容量至小于72小时的设计基准。在图2所报告的计算中，RWST12在仅约48小时中被排干水，这比72小时的设计基准小得多。
参考图3，用于改进RWST能量移除容量同时保留被动操作的一种方法可以是通过使用从RWST运行到反应堆压力容器的注入管线中的孔(即收缩，未示出)来限制水从RWST流动。向RWST注入管线加入流体流动阻力减少流动势，且由此降低通过断裂的水夹带。然而，孔不能被制作得小成使得在(设计基准72小时)ECC操作上的任何时间的流动降低到低于足以提供最小衰变热移除速率的所需流量。图3示出了使用这种方法的计算结果，假设(冗余)2个RWST中的仅一个正在执行ECC操作。最初，动力水头很高，因为高的初始RWST水平(假设为在这些计算中开始于82英尺水平)和反应堆压力容器中的低水位。然而，随着压力容器填充，动力水头被降低，降低了流动。此时，从RWST的流动几乎线性地减小，如图3所看到的那样，从而导致过度流动达第一50小时。此时，RWST基本上是空的，且冷却丢失，以及没有达到72小时的设计目标。
返回参照图1并且进一步参照图4和5(它们示出了在ECC过程(图4)的开始和ECC过程(图5)的中途的RWST12和注入管线66的细节图)，对提供调整的被动ECC流动的方法进行说明。目标是调整从RWST12进入压力容器14的流动作为时间的函数以大约匹配衰变热与时间的曲线。该方法使用设置在RWST12中的竖管70。竖管70的下端进入从RWST12运行到反应堆压力容器14(参见图1)的注入管线66。竖管12的上端延伸到的高度是低于RWST12的初始(且因此是最高)水位L0的深度d1(参见图4)。在图1所示的说明性例子中，初始水位L0还与加压器18的顶部重合—这不是必须的，但具有的优点是提供最大的水头同时避免来自RWST12的未加压液态水从在加压器18顶部的容器断裂溢出的可能性。
特别参照图4和5，竖管70包括多个孔O0、O1、O2，其中的每个允许水进入竖管70，只要RWST12中的水位在孔的上方。在说明性的图4和5中，孔包括：孔O0，其是在竖管70顶部的开口，位于RWST12的初始水位L0下方的深度d1；孔O1，其位于初始水位线L0下方的深度d2；以及孔O2，其位于竖管70的底部或附近且因此在初始水位L0下方的最大深度dmax。由于不失一般性，说明性的孔O0、O1、O2因而位于初始水位下方的相应深度d1、d2、dmax，其中d1<d2<dmax。通过注入管线66从RWST12排出到压力容器14的所有水流过竖管70。
当ECC开始操作时，水位处于(最高)初始水位L0，如图4所示，所以全部的三个孔O0、O1、O2在该水位下方。因此，最初水流过全部的三个孔O0、O1、O2，产生高水流量。随着RWST12因ECC操作继续而被逐渐耗尽，水位降低。通过上部孔O0的水流量减小得比通过下部孔O1更快，而通过下部孔O1的水流量减小得比通过最下面孔O2的流量更快，因为对位于沿着竖管70更高处的孔来说相对的水头更迅速下降。
特别参照图5，一旦RWST水位下降到低于竖管70的顶部(即，从初始水位L0下降深度d1到较低水位L1，参见图5)，则就没有任何流动通过最上面孔O0。当水位下降到低于孔O1(即，从初始水位(未示出)下降深度d2)时，就没有任何流动通过孔O1。流动继续通过最下面孔O2，直到RWST12基本上完全排干。
参考图6，示出了通过竖管70的流量分布用于计算设计。通过适当地选择相应于RWST12最大深度dmax的深度d0、d1，且任选地还通过优化孔O0、O1、O2的尺寸，作为时间函数的流量可以被调整成紧密匹配衰变热分布，使得在整个相关时间(即，对于图6设计而言的72小时的设计基准)上的流量保持处于最小所需流量或以上，同时在设计基准72小时的时间间隔上不排干RWST12。实际上，在这些计算中通过竖管70的流量在整个72小时的ECC操作中提供过度的流量。流量分布紧密匹配所需流量，从而允许衰变热在一段较长的时间上被除去。
参考图7，在RWST12中使用竖管70被动地调整作为时间函数的来自RWST12的水的流量，以尽量减少源于管道破裂的水的损失。这允许单个RWST12保持反应堆容器内的水位达较长的时间段。图7示出了预估的RWST水平，假设仅使用一个罐并且假设不对反应堆进行任何内部更改，以尽量减少通过管道破裂而造成的水损失。由于在计算中使用的罐底高度(dmax)为41英尺，所以在72小时后在RWST中(单侧)仍有7英尺或22400加仑的水。通过比较，没有使用竖管70及使用两个RWST单元(如在图7的仿真中不只是一个RWST单元)，RWST罐在仅48小时内完全排干。
说明性的图4和5采用具有三个孔O0、O1、O2的单个竖管70。更一般地，一个以上的竖管可用于提供冗余和/或额外的流量(立管的下端输出与通向压力容器14的注入管线66平行联接)。本领域技术人员可以很容易地优化竖管的数量以及孔的数量、大小和位置。还可以采用少至两个孔(例如，孔O0和O2，省去中间孔O1；还可以设想为最上面孔位于竖管的侧面上而不是竖管的敞开上端，如在说明性的O0中)。附加孔通常允许更精确地调整作为时间函数的流率。孔O0、O1、O2不必是相同大小的。孔可选地包括网筛来限制碎屑进入到立管中，任何这种网筛的流动阻力被适当地考虑到设计中。这些孔还可以配置为纵向狭缝，其长度尺寸与竖管的轴线平行—这样的狭缝可以随着降低的水位通过这些孔来降低转变的突然(例如，如在图6中标记的突然转变中)。一些降低的突然还可以通过附加地或替代地倾斜竖管远离示出的垂直方向来实现。可以调节来调整作为时间函数的流率的另一参数是改变竖管在其高度上的直径。
参考图8，在变型实施例中，包括经修改的RWST112和位于RWST112外面的竖管170。如图8所示，图8的ECC系统与上下文中的图4和图5的ECC系统是相同的，例如图8的ECC操作成提供进入核反应堆10中的水的调整流量，以提供堆芯冷却并且确保反应堆堆芯20在衰变热移除期间保持浸渍在水中。为此，水通过竖管170从RWST112流动，并且经由注入管线66进入到压力容器14中。在说明性的图8中，注入管线66再次用作用于说明性IPIT64的注入管线(尽管如已经参考图1所提到，但该IPIT还可以通过单独的注入管线被连接)。
图8的ECC系统与图4和图5的不同之处在于，竖管170位于RWST112之外。(与此相反，在图4和5的实施例中，竖管70设置在RWST12内。)为了使水通过位于外部的竖管170而从RWST112流动，多个交叉连接管P0、P1、P2在不同深度d0、d1、dmax(与图4比较)连接RWST112和竖管170。交叉连接管P0、P1、P2因此用作与图4和图5的实施例的孔O0、O1、O2相同的作用。竖管170被设计成在初始排放过程中提供最大水头的正常操作期间填充到RWST112的顶部(即，至初始水平L0)。随着水离开RWST112，水位下降到低于第一交叉连接管P0的水平d0，导致竖管中的水位迅速下降。补充水到竖管70由在图4和5的实施例中的不同高度的一个或多个孔O0、O1、O2控制；类似地，在图8的实施例中，补充水到竖管170由在不同高度的一个或多个交叉连接管P0、P1、P2控制。在这两种情况下，这随着RWST12、112中的水位下降到低于每个连续孔或交叉连接管的水平(即高度)产生迫使水进入反应堆容器14中的显著较低高度水头。结果是所期望的调整流量的水从RWST12、112到压力容器14中，大水头最初保持最初热的堆芯20冷却并浸渍在水中，且水头随着时间的推移而减小，适当的是反应堆堆芯20冷却并且需要降低的水注入，以除去稳步下降的衰变热输出并且保持冷却反应堆堆芯浸渍在水中。
与图4和5的实施例相比，图8的实施例具有某些优点。外部竖管170易于接近来进行维护。阀还可以并入到交叉连接管中(例如，多个平行阀示于图8的较深交叉连接管P1、P2中)，以便于隔离竖管170用于此类维护。这样的阀还可用于调整作为时间函数的水头来适应具体情况。例如，在LOCA期间，如果发现从RWST112到压力容器14的水流量过高(例如，如由流出LOCA破损的过多液态水所证实)，则交叉连接管上的一个或多个阀可以被关闭来减少有效水头。
另一方面，图4和5的实施例具有某些优点，包括交叉连接管P0、P1、P2的更紧凑设计(因为竖管70设置在RWST12内)及消除。如果多个竖管70设置在RWST12内且与注入管线66平行连接，则与通过使用在交叉连接管P1、P2上的阀所实现的相类似的水头的实时手动调整可以通过将阀设置在各个竖管到注入管线连接上来实现，以便分离各个竖管来实时地调制有效水头。
参考图9和10，另一变型实施例包括经修改的RWST212和外部竖管270。该实施例包括最上面的交叉连接管P0，如图8的实施例；然而，图8的实施例的较低的两个交叉连接管P1、P2由单个交叉连接管PP取代，其流量由浮子阀300控制，该浮子阀具有的浮子302设置在竖管270中。可替代地，还可以采用另一类型的被动阀，比如弹簧式阀。图9的ECC系统的操作开始类似于图8—最上面的交叉连接管P0允许竖管270被填充到与RWST212相同的水平(最初水平L0)。交叉连接管PP最初由浮子阀300进行阀关闭，因为高水位提升浮子302来关闭浮子阀300。这在图10中由作用在浮子302上的指示浮力Fw示意性表示，这提升阀体304(经由连接轴305)靠在阀座306以关闭浮子阀300。这种情况保持到进入压力容器14的流动促使RWST212中的水位下降到低于最上面的交叉连接管P0(即，下降距离d1)。这时，通过最上面的交叉连接管P0进入竖管270的流动停止，竖管270中的剩余水通过注入管线66迅速流出到压力容器14。竖管270中的水位的该迅速降低在水位下降到低于浮子302的水平时停止，使得浮力Fw被去除且浮子302在重力作用下向下落下，促使阀体304移动离开阀座306，以便允许水流动308通过下部交叉连接管PP从RWST212流入竖管270。平衡状态对应于刚好足以向浮子302提供足够的浮力的水位，使得水通过管PP和浮子阀300的流入平衡水通过注入管线66进入压力容器14的流出。该水位约在浮子302的位置。因此，图9和10的ECC系统提供了两水位水头：在堆芯冷却的初始阶段过程中的高水头，其一直延续到RWST212中的水位下降到最上面的交叉连接管P0的水平；随后经过短暂的过渡，因为竖管270中的大部分水由对应于通过管PP和(至少部分)打开的浮子阀300的水流的低水头流出。
要指出的是，图9以功能性的形式示意性地示出了浮子阀300，示出的阀300示意性地阀动调节交叉连接管PP，由竖管270中的浮子302控制。浮子阀300的物理布局可以是不同的，如由图10中所示的浮子阀300的说明性实施例所示，其中阀组件304、305、306实际上设置在竖管270中，但是操作成控制水从交叉连接管PP流入308竖管270(因此，在功能上，图10的阀阀动调节通过交叉连接管PP的流动，如图9的功能框图所示)。
如果交叉连接管PP和处于其完全打开位置的浮子阀300具有足够高的流率，则图9系统的竖管270中的水位在下降到低于深度d1之后被固定到浮子302的高度，其可以通过由适当的机械止动限制浮子302的最大移动行程来进行精确设定。水位固定在浮子302的水平被获得，因为随着竖管370中的水位上升到高于浮子302的水平，这关闭浮子阀300，致使竖管370经由注入管线66而快速排空，直到水位回落到浮子水平。同样地，如果竖管370中的水位下降到低于浮子302的水平，则这打开浮子阀300，从而允许水从RWST312快速流入(假设低流阻)，直到竖管370中的水位上升到抬起浮子302并关闭浮子阀300。水位至浮子水平的这种固定假设交叉连接管PP和阀300被设计成用于高流率，这减少了由于碎屑等而堵塞的可能性。
与此相反，在图4-5以及图8实施例中的竖管的水位由孔O0、O1、O2或管P0、P1、P2的高度以及由这些孔或管所存在的流阻确定。这些流阻不能太低，否则的话竖管的水位将密切追踪RWST的水位。
图9的ECC系统是两级系统。然而，三级ECC系统还可以通过增加额外的浮子阀控制的交叉连接管(其浮子所在的高度(即深度)在最上面的交叉连接管P0和浮子302之间)而被提供。四级或更高级ECC系统可以类似地通过为不同级别增加额外的管/浮子阀组合而被构成。在ECC系统的每一级，竖管中的水位被固定到位于RWST当前水位下面的最高高度浮子的高度。
对于本申请来说，浮子阀是可行的，因为阀上的总水头通常较低(例如，在一些预期实施例中是20psi量级的)，且通过浮子阀的低泄漏率在浮子阀关闭时是可接受的。水温预计保持低于250°F，使得浮子302相对容易设计。例如，在一些预期实施例中，浮子302包括布置在不锈钢衬套中的闭孔泡沫材料。有利地，这种流动不易于因浮子破裂而出现故障。浮子阀300有利地是被动装置，其从被控制的流体(即水)获得其工作功率。可以通过包括一个以上的竖管270来设置冗余，任选地是在每个竖管中具有多个冗余的浮子阀(其中两个浮子阀是冗余的，如果他们的浮子在同一高度的话)。
参考图11，使用浮子阀来控制流量还可以与位于RWST312内的内部竖管370一起采用。在这种情况下，浮子阀300的入口可以敞开于RWST312中的周围水，即不需要图9和10的实施例的管PP。此外，在该实施例中，最上面的交叉连接管P0的功能可以通过构建竖管370而获得，其中敞开的顶端在对应于管P0高度的高度。图11的说明性ECC系统是类似于图9的两级系统；然而，图11示出了在单个竖管370中使用两个浮子阀300，从而提供有利的冗余。通过将RWST312分成两个隔室，进一步的冗余设置在图11的实施例中，其中竖管370在RWST312的每个部分中。在替代设计中，所示的两个竖管370可以位于相同的RWST中，而不会将RWST分成多个隔室。
已经对优选的实施例进行了说明和描述。显然，对于本领域技术人员来说，在阅读并理解了前述的详细描述之后，可以进行修改和变更。所希望的是，本发明应被解释为包括所有这些修改和变更，前提是只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围之内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
核反应堆，其包括压力容器，该压力容器含有包括可裂变材料的核反应堆堆芯；
换料水箱(RWST)；
注入管线，其连接成将水从所述RWST排到所述压力容器；以及
竖管，其具有与所述注入管线流体连通的下端，并且沿着与所述RWST流体连通的竖管在不同高度处具有两个或更多个孔。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述竖管设置在所述RWST中，并且沿着所述竖管在不同高度处具有两个或更多个孔。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述两个或更多个孔包括所述竖管的上端，所述竖管的上端处于低于所述RWST的初始水位的高度。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述两个或更多个孔包括位于所述RWST的底部的最下面的孔。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述竖管设置在所述RWST之外，并且沿着通过交叉连接管与所述RWST连接的竖管在不同高度处具有两个或更多个孔。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述两个或更多个孔包括至少三个孔。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括浮子阀，其配置成通过所述两个或更多个孔中的一个来调节流量，所述浮子阀包括设置在所述竖管中的浮子。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，包括所述两个或更多个孔的竖管配置成调整从所述RWST至所述压力容器的流量，以近似预期的衰变热与时间的关系曲线。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：
放射性壳体结构，其含有所述核反应堆、所述RWST以及所述注入管线。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括：
通风孔，其配置成通过将所述压力容器通风到所述RWST中来对压力容器进行减压，和氮加压注入罐，其配置成在所述减压期间将水注入到压力容器中，以保持所述核反应堆堆芯浸渍在水中，所述注入管线配置成在减压之后打开，以将水从RWST排到压力容器。
11.一种方法，包括：
对核反应堆的压力容器进行减压；以及
通过下列操作来提供所述核反应堆堆芯的冷却，这些操作包括：
将水从换料水箱(RWST)排到竖管中；和
将水从所述竖管排到减压压力容器中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将水从所述RWST排到所述竖管中包括通过在沿着排水管的两个或更多个不同高度的孔将水从RWST排到竖管中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将水从所述RWST排到所述竖管中包括通过将RWST与在沿着排水管的两个或更多个不同高度的所述孔连接的交叉连接管将水从RWST排到竖管中。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，将水从所述RWST排到所述竖管中包括：
通过沿着所述排水管的第一孔将水从所述RWST排到所述竖管中；
通过沿着所述排水管的第二孔将水从所述RWST排到所述竖管中；以及
使用在比所述第一孔的高度更低的高度的浮子阀来控制通过所述第二孔将水从所述RWST排到所述竖管中，该浮子阀具有设置在所述竖管中的其浮子。
15.一种装置，包括：
核反应堆，其包括压力容器，该压力容器含有包括可裂变材料的核反应堆堆芯；
换料水箱(RWST)；以及
反应堆堆芯冷却系统，其包括：
竖管，其包括与所述RWST流体连通的多个孔，以将水从所述RWST排到所述竖管中；和
注入管线，其配置成将水从所述竖管排到所述压力容器。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述RWST在所述反应堆堆芯冷却系统的操作期间不与所述压力容器流体连通，除非通过所述竖管。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述竖管设置在所述RWST中。
18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述竖管设置在所述RWST之外，所述反应堆堆芯冷却系统还包括将所述多个孔与RWST连接的交叉连接管。
19.根据权利要求15所述的装置，其中，所述反应堆堆芯冷却系统还包括：
阀，其配置成基于所述竖管的水位来控制通过与所述RWST流体连通的多个孔之一的流量。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述阀包括浮子阀，该浮子阀具有设置在所述竖管中的其浮子。
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