CN108028081B - 核反应堆被动保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于核反应堆保护系统，可以在建造核反应堆时使用，特别是用于快中子反应堆。本发明的技术结果在于通过确保其在各种应急模式下的可靠操作来扩展装置负反应性功能能力。该装置以上部容器和下部容器的形式制成，上部容器和下部容器上下分布，有共同的外壳。在容器和外壳之间形成冷却剂流环形空腔。环形空腔中有燃料元件，还有用于形成冷却燃料元件和加热上部容器的冷却剂流的装置。上部容器位于反应堆堆芯上方，并被内部隔板分成中央空腔和环形空腔。内部隔板在横向上导热性低。在上部容器的中央空腔中，主要放置镉的同位素，在环形空腔中放置汞。下部容器主要位于反应堆堆芯并充满惰性气体。这些容器通过带有隔板的管道相连，而隔板制成压曲安全膜的形式。

Description

核反应堆被动保护装置

技术领域

这一发明用于核反应堆保护系统,也可应用于核反应堆的建立,特别是快中子反应堆。

背景技术

当下存在的钠冷反应堆(核反应堆)和重冷却剂反应堆项目，堆芯的反应性控制系统通常基于使用中子吸收棒，在紧急情况发生时，中子吸收棒在控制和保护系统的作用下可以机械地快速进入反应堆活跃区，或是在重力作用下落入活动区，或是在阿基米德螺线力作用下上升到活跃区。

为了增加保护操作的可靠性，在达到诸如最大允许温度，循环速度，冷却剂压力等核心参数的极限值时使用被动操作原理的致动器。致动器在紧急情况下的操作自发发生，并且基于使用各种物理效应，例如熔化，体积或形状变化，制造装置结构元件材料(如膜，波纹管，熔断器和双金属元件等)的磁性(见《国外核技术》杂志，1988年No_。1，第10-16页)。但是，对于新一代的快中子增殖反应堆，基于机械棒系统的应急保护并不能提供高可靠性的运行。这是由于长期暴露于高中子通量和温度的核心操作的苛刻条件导致材料膨胀和核心结构元件的几何形状变化。另外，重冷却剂在杆上作用了相当大的浮力，这使吸收棒落入反应堆活性区变得复杂。在这种情况下，采用吸收棒形式的应急保护元件降低了紧急插入反应堆堆芯的可靠性，从而抑制了裂变链式反应。

快速中子核反应堆的被动保护装置放在燃料组件外壳中[RU20725702]。按照此项发明，将带杆的吸收棒的主体和尾部放置于BN-600反应堆燃料组件中，该组件的孔作为载热介质，辐射加热器的形式是缩短的燃料组件，当冷却液的温度在570-650度范围内急剧上升时，执行器会对异常做出响应。在5孔装配头的其中一个孔中，将梁自由的安装在其轴线上，其中一个臂具有叉形夹并且在杆后面安装一束减振器杆，并且第二臂插入紧固到头部的双金属元件板的孔中。在主动式反应堆保护系统发生故障时，冷却剂温度的急剧升高引起双金属板的弯曲，用叉把手松开摇臂的臂，并将吸收杆的梁从中排出，以抑制核反应。但是，在强烈的中子照射和冷却剂的高温条件下，吸收杆的梁的几何特性以及双金属元件的特性和其操作的阈值发生显着变化，这降低了这种被动保护装置的可靠性。

已知核反应堆的被动安全装置包括封闭密封管及其填充物，此密封管的熔点对应的是被动安全装置的激活温度(RU2086009)。密封管的一端固定不动，第二端与触发机制连接，密封管端部之间有压缩弹簧。当热载体的温度紧急升高时，密封管内填充物质熔化，被动安全装置确保密封管的自由端运动，并由密封管和弹簧的弹性以及熔化物质的体积的增加来触动触发机制。

类似的上述物质在长时间暴露于强烈的中子照射和冷却剂的高温的条件下，有如下缺点，吸收杆的梁的几何特性显着变化，双金属元件、密封管、弹簧的功能特性降低，因此其操作的阈值改变。另外，对于具有较重(例如，铅)冷却剂的快中子反应堆，在实现吸收杆的梁的落下时产生结构的复杂性。

已知被动安全装置应用于钠冷却剂的快中子核反应堆中，被嵌入在其燃料组件(US5333156)中。该装置包括在位于外壳内侧表面上的环形块的上部内的壳体内形成的燃料组件。环形块制成与钠冷却剂接触的穿孔外壳的形式，在其内部有可熔矩阵，其中5个吸收中子的材料颗粒被分散。当冷却剂温度升高到设定水平以上时，基体熔化，分散在其中的中子吸收材料颗粒从穿孔外壳到反应堆堆芯，以抑制核反应。但是，该装置不能用于重(例如铅)冷却剂的反应堆，因为相对较轻中子吸收颗粒将会漂浮在重冷却剂中，并从燃料组件和反应堆堆芯中排出。

已知被动安全装置是一种降低反应堆的反应性的装置，在活跃区放置圆柱形的密封外部容器，在容器上垂直放置两根杆，并在杆之间放置密封的内部容器(GB866305)。内部容器充满了物质，比如，汞，可以有效地吸收中子并在高温下急剧蒸发。在堆芯温度高于允许温度时，膨胀棒破坏了内部容器的外壳，填充物质蒸发并充满外容器的空余部分，导致急剧吸收中子。但是，但是由于反应膨胀导致的装置基本要素的尺寸变化积聚，这种配置不能保证被动装置紧急反应条件的必要精确度。除此之外，装置不能保证大量吸收材料进入活动区，这将导致，在发生紧急情况下，其不能保证吸收中子必要参数的有效性。

已知用于核反应堆的被动安全装置是两个密封容器，这两个密封容器彼此之间相互通信(US4104122),这与所提出的技术解决方案最接近。堆芯外部的上罐中充满液体中子吸收剂和一定压力的气体，底罐内充满一定压力的气体。从底罐底部到上罐底部插入一条管道，管道的底端封闭，铀底部焊接在焊接面的外围，在紧急情况下因铀底部的加热而熔化。当底部解除增压时，下部容积的压强降低，液体中子吸收剂自发地从上部容积流向下部容积，也就是进入反应堆的活性区从而阻止链式核反应。该装置的缺点，仅在由中子通量密度快速增加引起的5次事故中可做出有效反应。为了防止由其他原因引起的其他事故，例如在活性区中载热介质消耗的损失，这种装置不能保证做出被动防护的可靠响应以及停止反应。

发明内容

本发明旨在构造一种装置，能在以下紧急情况下被动引入负反应性：中子通量急剧增长，以及从活性区输出的载热介质温度也增加，比如，载热介质的消耗损失时。

此项发明的技术结果是，通过确保其中子通量爆发以及核心出口处的冷却剂温度增加(例如，冷却剂流量损失)引起的紧急模式下，进行可靠性操作，来扩展被动安全装置的负反应功能性。

本发明的技术结果是通过以下事实实现的：核反应堆的被动保护装置以两个容器的形式制造，两个容器以上下位的形式放置在共同的壳体中，壳体之间的结构作为冷却剂流动的环形空腔，上部容器位于反应堆堆芯上方并且部分地填充有具有大的中子吸收截面的金属熔体以及在冷却剂的可能温度范围内具有高蒸汽压的金属熔体，下部容器主要位于反应堆的核心部分并充满惰性气体，容器通过具有隔热层安全膜形式的隔板的管道彼此连接，燃料元件位于环形空腔中，以及用于形成冷却剂流的装置，用于冷却燃料元件并用于加热上部容器。

在该装置的具体实施例中，使用汞同位素¹⁹⁹Hg作为具有大的中子吸收截面的金属熔体和在热载体的可能温度范围内具有高蒸气压的金属熔体。镉同位素¹¹¹Cd和/或¹¹³Cd的汞合金也可用作具有大中子吸收截面的金属熔体和在可能的冷却剂温度范围内具有高蒸气压的金属熔体。根据另一种方案，在热载体的可能温度范围内汞用作具有高蒸气压的金属熔体，并且镉同位素¹¹¹Cd和/或¹¹³Cd被用作具有大的中子吸收截面的金属熔体。

其他可行性方案中，在上部容器中设置有内部隔板，该内部隔板形成在上部连通的中央圆柱形和环形腔，分隔件在横向上具有低导热性。在这种情况下，隔板的壁可以制成两层，在层之间放置气体隔热间隙。在上部容器的实施案例中，具有大的中子吸收横截面的金属熔体位于其中心腔中，并且在冷却剂的可能温度范围内具有高蒸气压的金属熔体位于上部容器的环形腔中。由于在上部容器的环形空腔中的金属熔体的加热时间减少以及在安全隔膜操作之前蒸汽压力的增加，允许在冷却剂温度紧急增加的情况下减少装置的响应时间。在该装置的这个实例中，汞和镉分布在上部容器的不同体积中，但同时在上部容器中具有他们共同的蒸汽气垫。在容器的环形部分放置的汞的体积基本上小于容器中心部分的镉的容积。上部箱体的外表面直接与流通过阀杆的来自环形腔体的热的冷却剂接触。装有汞的容器的环形部分与具有气体绝热间隙的镉壁从中间按体积分开，这大大的降低了装置的操作惯性。这是通过如下事实实现的：在这种设计中，将汞加热到最高温度并使其膜片破裂所需的蒸汽压力相应增加，而不加热金属吸收器的整体质量。

用于冷却燃料元件的冷却剂流装置可以以下壳体的形式布置在下部容器和燃料元件之间，并且在上部设置有环形腔的中央部分横向分隔开。在横截面中，用于冷却燃料元件的冷却剂流的外壳形状根据装置外壳的形状变化例如呈六边形的形状。结构元件的这种实施形成冷却剂的狭窄的环形流，以冷却位于装置中的燃料元件，允许根据燃料元件冷却状态和标准燃料组件中的冷却剂的温度变化形成燃料元件冷却模式和装置中冷却剂温度的变化。

用于加热上部容器的冷却剂流的装置可以以上壳体的形式布置在上部容器和套管之间，并且在下部设置有环形腔的中央部分横向分隔开。在横截面中，用于加热上部容器的外壳形状优先选择与上部容器的形状一致。结构元件的该实例形成热载体的狭窄的环形流，以在反应堆的芯部中的冷却剂的温度下以高蒸汽压力加热上部容器的侧表面和金属熔体。在这种情况下，装置的下壳体和上壳体中的横向隔板的布置允许工作流体在装置中流动，并且来自燃料元件所在的环形空腔的热载体与蒸发的熔体一起被引导到上容器的侧表面。这使得冷却剂温度的变化对应于标准燃料组件中的冷却剂温度的变化在装置中形成冷却剂流动通道。这种情况下，通道中的冷却剂可直接接触上部容器的表面，因此在冷却剂的温度急剧升高时能够快速加热蒸发5种熔化物。当反应堆堆芯中的冷却剂的温度升高到预定极限值以上时，该装置的这种执行允许引入少量负反应性的时间(以减小其惯性)，并增加其操作的可靠性。

下部容器与下部壳体之间的空腔以及壳体与上部壳体之间的空腔通过管状通道相互连接，并在该装置中形成第二条冷却剂流动通道，该通道将流经下部壳体与下部容器之间的环形空腔的一部分冷却剂流转移至装置上部，并排除其与在第一通道中流动的较热的冷却剂流混合。

为了简化装置在核反应堆堆芯中的布局，装置的壳体在横截面中的形状和尺寸需要优选符合反应堆的燃料组件(燃料组件)的形状和尺寸。例如，在反应堆使用截面为六边形盖的燃料组件的情况下，该结构的壳体制成六边形，在使用方形燃料组件的情况下，该装置的壳体制成相应尺寸的方形。

为了提高启动装置下反应堆关闭和快中子到达中子吸收截面大的金属熔体的效率，例如，在镉¹¹¹Cd和/或者¹¹³Cd的同位素的形式中，下部容器和下侧壁之间有纵向布置的管状元件其中含有中子减速剂，例如，氧化物铍。在装置中引入这样的元件的是为了软化容器下部区域的中子谱，在装置启动时，中子吸收截面大的金属熔体进入下部容器时，提高将负反应性引入到反应堆活性区域的效率。

附图说明

该装置如图1，图2和图3所示，其中显示了其实现的一些方案。

图1显示出了该装置在中央平面中的纵截面。

图2是位于上部容器区域的装置的横截面图。

图3是位于下部容器区域的装置的横截面图。

具体实施方式

用于保护快中子核反应堆的装置以上部容器1和下部容器2的形式制成，两个容器上下分布,有共同的外壳3。在容器1和容器2与壳体3之间放置用于冷却剂6流动的环形空腔4和5。上部容器1位于反应堆堆芯7的上方，并且部分地填充有具有大的中子吸收截面的金属熔体8以及在可能的冷却剂温度区间内具有高温蒸汽的金属熔体9。在装置的部分实施例中，可以使用汞的同位素例如位素-¹⁹⁹Hg或含镉同位素¹¹¹Cd和/或¹¹³Cd的汞合金作为金属熔体8和9。如图1，图2和图3所示的装置的执行中，可以使用汞作为金属熔体9,使用镉的同位素¹¹¹Cd和/或¹¹³Cd作为金属熔体8。

下部容器2主要位于反应堆的堆芯7中并充满惰性气体10。容器1和容器2通过带有隔板的管道11连接，隔板制成压曲安全膜12的形式。

在图中，图1，2和图3中熔体9-水银和熔体8-镉被放置在不同体积的上部容器1中，并且在其上部具有共同的气垫16。用于放置汞的空腔15的体积远小于用于放置镉的空腔14的体积。在上部容器1中有内部隔板13，其在上部连通中心圆柱形空腔14和环形空腔15。隔板13截面导热率低，例如在两层之间有气体绝缘间隙16的两层导热板。在上部容器1的该执行中，具有大的中子吸收截面的金属熔体8优先位于中央空腔14中，有高温蒸汽的金属熔体优先分布在环形空腔中。装置的这种执行可以在冷却剂温度紧急升高的情况下减少装置的启动时间。这是因为，将汞加热到最高温度，并且将其蒸气的压力相应地增加到膜破裂所需达到温度，而不加热金属熔体8的整个质量。

在环形空腔5中放置有燃料元件17,以及用于形成冷却燃料元件17所需的冷却剂流6的设备，该设备制成下壳18的形式，在其上部设有横向隔板，隔板将环形空腔5的中心部分隔开。在横截面中，壳体形状18优选符合装置壳体3的形状，例如六边形的形式。壳体18的这种执行形成为冷却燃料元件17形成狭窄的环形冷却剂流6。可以形成燃料元件冷却模式17并且根据燃料元件冷却模式改变装置中热载体的温度，改变标准燃料组件中的冷却剂的温度。

在环形空腔4中，设置有用于形成加热上部容器所需的热载体流动设备6，该设备制成上部壳体20的形式，位于上部容器1和壳体3之间，并且在其下部设置有横向隔板21，与环形空腔4的周边部分重叠。在横截面中，外壳20的形状优选符合上部容器1的侧表面的形状。外壳20的这种执行形成用于加热上部容器1侧面和金属熔体9所需的环形冷却剂流6。横向隔板19和21的这种布置可以产生在装置中形成冷却剂流6，并从环形腔体4中引导，环形空腔中有燃料元件17，直接进入空腔5到上部容器的侧面1用于加热熔体9。包括在紧急情况下，该装置的这种执行在装置中形成冷却剂循环通道，可以根据改变标准燃料组件中的冷却剂的温度。装置的这种执行可以减少引入负反应性的时间(以减小其惯性)，并且当反应堆堆芯中的冷却剂的温度上升到预定极限值以上时增加其操作的可靠性。

下部容器2与下部壳体18之间的空腔22和壳体3与上部壳体20之间的空腔23通过管状通道24连接并在装置中形成第二冷却剂流动通道，其用于将流过环形空腔22的一部分冷却剂流转移到装置的上部,防止其与流过放有燃烧棒17的环形空腔4的热冷却剂流混合，进入空腔5并清洗上部容器1的侧面。

为了简化装置在核反应堆堆芯7中的布局，装置的外壳3横截面的形状和尺寸需要优选符合反应堆的燃料组件(燃料组件)的形状和尺寸。例如，在反应堆使用截面为六边形盖的燃料组件的情况下，该装置的壳体3制成六边形，在使用正方形燃料组件的情况下，该装置的壳体3制成相应尺寸的正方形。

为了在装置运行和金属熔体8进入时，包括，镉的同位素¹¹¹Cd和/或¹¹³Cd，提高反应堆关闭在下部容器2和下壳体18之间安装有管状元件25，其中中子减速剂，例如氧化铍。引入减速剂旨在软化容器下部区域2的中子谱，提高将负反应性引入到反应堆活性区域7的效率。

如图1,图2和图3所显示的是快中子核反应堆保护装置的工作。在反应堆正常反应器操作模式下，上部容器1的圆柱形腔14中填充镉熔体，环形空腔15中填充汞，下部容器2中填充有惰性气体。在冷却剂6的操作温度下，汞蒸气在容器1上部的蒸汽-气体缓冲垫16的压力低于压曲安全膜12的压力。发生由于中子通量快速增加或冷却剂损失所造成的紧急事件时，环形空腔22中的冷却剂6可以被加热到最高允许的温度，并进入上部容器1侧面的环形空腔23。环形空腔15中的汞被加热到这样的温度，其在容器1上部16的蒸汽压力与压曲安全膜12的压力相比较，这将改变其形状，并且在与针26的相互作用下遭到破坏。镉熔体8在重力作用下通过管11进入下部容器2，惰性气体从容器2进入上部容器1。其结果是，有大的中子吸收截面的熔体进入位于活性区7的容器2中，链式核反应终止，反应器转变到亚临界状态，核反应堆的得到保护。

该装置在新一代快中子反应堆中的实际使用有以下优点：

-对于反应堆设施中所有与快速引入正反应性或反应堆停堆系统中疫苗区冷却剂损失(冷却剂流失)相关联初始事件，在冷却剂达到提前预定并验证堆芯出口温度时，使用所提供的被动保护装置将终止堆芯的链式裂变反应；

-该装置的可靠性高，并且启动快，因为它没有外部电源和信息信号来触发不主动或被动运动的机械部件，其可能会卡住而导致活化的故障；启动设备运行的能量(冷却液温度上升)在设备必须防止的过程中释放；

-可靠性高，在原始事件并伴随着其他保护系统和设备的多重故障的情况下，该设备也可以工作。

Claims (16)

1.一种核反应堆的被动保护装置，其特征在于，其以上部容器和下部容器的形式制成，上部容器和下部容器上下分布，有共同的外壳，容器和外壳之间形成冷却剂流动的环形空腔，上部容器位于反应堆堆芯上面，并且部分地填充有大的中子吸收截面的第一金属熔体，以及使用汞熔体的第二金属熔体，下部容器主要位于反应堆堆芯并充满惰性气体，上部容器和下部容器通过带有隔板的管道连接，隔板制成压曲安全膜的形式，而且环形空腔中有燃料元件，还有设备，该设备用于形成冷却燃料元件和加热上部容器所需的冷却剂流。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，使用汞同位素¹⁹⁹Hg作为具有大中子吸收截面的第一金属熔体，使用汞同位素¹⁹⁹Hg作为具有高压蒸气的第二金属熔体。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，使用镉同位素¹¹¹Cd和/或¹¹³Cd的汞合金作为具有大的中子吸收截面的第一金属熔体，使用镉同位素¹¹¹Cd和/或¹¹³Cd的汞合金作为具有高压蒸气的第二金属熔体。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，使用汞作为高压蒸气的第二金属熔体，使用镉的同位素¹¹¹Cd和/或¹¹³Cd作为具有大的中子吸收截面的第一金属熔体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上部容器中设置有内部隔板，内部隔板形成上部相互连通的中央空腔和环形空腔，而且内部隔板在横向上具有低导热性。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，内部隔板的壁由两层壁构成，两层壁之间有气体隔热间隙。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，具有大的中子吸收横截面的第一金属熔体分布在上部容器的中央空腔中，在冷却剂可能的温度范围内，具有高压蒸气的第二金属熔体分布在上部容器的环形空腔中。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，形成用于冷却燃料元件和加热上部容器所需的冷却剂流的设备制成下壳体的形式，位于下部容器和燃料元件之间，下壳体在环形空腔中间部分的上方有横向隔板。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该设备用于形成加热上部容器的冷却剂流，并被制成上壳体的形式，该上壳体位于上部容器与外壳之间，并且在环形空腔下部的周边部分设有横向隔板。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，形成用于冷却燃料元件和加热上部容器所需的冷却剂流的设备制成下壳体的形式，位于下部容器和燃料元件之间，下壳体在环形空腔中间部分的上方有横向隔板；该设备用于形成加热上部容器的冷却剂流，并被制成上壳体的形式，该上壳体位于上部容器与外壳之间，并且在环形空腔下部的周边部分设有横向隔板；下部容器与下壳体之间的空腔和外壳与上壳体之间的空腔至少通过一个管状通道相互连通。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，外壳横截面的形状和尺寸符合释放热量的反应堆组件的形状和尺寸。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，外壳横截面呈六边形的形状。

13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，形成用于冷却燃料元件所需的冷却剂流的设备的壳体形状符合装置外壳的形状。

14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，用于加热上部容器的上壳体的横截面形状符合上部容器的形状。

15.根据权利要求1或8所述的装置，其特征在于，在下部容器和用于形成冷却燃料元件的冷却剂流的设备之间分布含有中子减速剂的纵向管状元件。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，中子减速剂为氧化铍。

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