CN108520784A - 一种核反应堆 - Google Patents

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曹学冰
李其朋
黎勋
翟立宏
吴凤岐
路广遥
周建明
魏超
刘强
邓玺
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China Nuclear Power Technology Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种核反应堆，包括压力容器、设置在所述压力容器中的堆内构件、提供循环动力的主泵以及与所述压力容器连接的蒸汽发生器；所述主泵、所述压力容器、所述堆内构件、以及所述蒸汽发生器依次连接形成供冷却剂流通的一回路；所述一回路中冷却剂的密度大于二回路中介质的密度；所述一回路设有压力平衡空间；所述压力平衡空间包括连通的、设置在所述蒸汽发生器上部的第一气体空间、设置在所述压力容器上部的第二气体空间和/或设置在所述主泵上部的第三气体空间。该核反应堆可在发生事故，特别是SGTR事故后，对高压蒸汽进行缓冲，达到缓解和吸收过大压力波动的目的，避免了一回路瞬间超压，避免损坏堆内结构和设备。

Description

一种核反应堆
技术领域
本发明涉及核电技术领域，更具体地说，涉及一种核反应堆。
背景技术
在反应堆运行过程中，需要通过各主设备共同形成一回路包容边界来实现冷却剂的包容，将反应堆的裂变反应限制在密闭空间内进行，并为反应堆一回路提供压力边界。在反应堆结构的设计中，若一、二回路的冷却剂不同，亦或是使用工况不相同，往往造成一、二次侧设计压力不同，导致一回路蒸汽发生器发生SGTR事故(传热管破裂事故)后造成压力波动，由于设备内部充满高温高压水、缺乏气体空间，无法缓冲、吸收部分压力波动，因此容易损坏堆内结构和设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种能够缓解蒸汽发生器发生事故时造成压力波动，避免损坏堆内结构和设备的核反应堆。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核反应堆，包括压力容器、设置在所述压力容器的堆内构件、提供循环动力的主泵以及与所述压力容器连接的蒸汽发生器；
所述主泵、所述压力容器、所述堆内构件、以及所述蒸汽发生器依次连接形成供冷却剂流通的一回路；所述一回路中冷却剂的密度大于二回路中介质的密度；
所述一回路设有压力平衡空间；所述压力平衡空间包括连通的、设置在所述蒸汽发生器上部的第一气体空间、设置在所述压力容器上部的第二气体空间和/或设置在所述主泵上部的第三气体空间。
优选地，所述蒸汽发生器、所述压力容器、以及所述主泵中分别留设有一未填满所述冷却剂的空腔；
所述空腔分别形成所述第一气体空间、所述第二气体空间以及所述第三气体空间；
所述第一气体空间、第二气体空间以及第三气体空间相互连通形成所述压力平衡空间；或者，所述第一气体空间、所述第二气体空间相互连通形成所述压力平衡空间；或者，所述第一气体空间、所述第三气体空间相互连通形成所述压力平衡空间。
优选地，所述第二气体空间与所述第一气体空间设有第一连接管道；所述第二气体空间与所述第三气体空间之间设有第二连接管道；
所述第一气体空间、所述第一连接管道、所述第二气体空间、所述第二连接管道、以及该第三气体空间依次连通。
优选地，所述压力容器设在所述堆内构件的外围；所述压力容器内侧壁与所述堆内构件的外侧壁之间形成环腔；所述主泵与所述环腔连通；
所述堆内构件的侧壁上设有与所述环腔连通以供冷却剂流入的进液孔。
优选地，所述压力容器与所述主泵之间设有连通所述压力容器与所述主泵的第一主管道；所述堆内构件与所述蒸汽发生器之间设有连通所述堆内构件和所述蒸汽发生器的第二主管道；
所述第一主管道、所述环腔、所述进液孔以及所述第二主管道相互连通形成供所述冷却剂流通的流通通道。
优选地，所述冷却剂包括液态金属冷却剂；所述液态金属冷却剂的密度以及粘度大于所述蒸汽发生器中进行加热蒸发的介质的密度和粘度。
优选地，所述液态金属冷却剂包括液态铅、液态铅铋合金。
优选地，所述蒸汽发生器包括壳体、设置在所述壳体中的若干层传热管；所述第一气体空间位于所述传热管的一端且沿蒸汽上升方向设置；所述压力容器包括设置在所述第二气体空间上方的顶盖。
优选地，所述第一气体空间和所述第二气体空间设有超压泄放装置。
优选地，所述超压泄放装置包括设置在所述蒸汽发生器上与所述第一气体空间连通以将所述第一气体空间中的气体压力释放出去的第一超压泄放阀以及设置在所述压力容器与所述第二气体空间连通以将所述第二气体空间中的气体压力释放出去的第二超压泄放阀。
实施本发明的核反应堆，具有以下有益效果：该核反应堆将主泵、压力容器、堆内构件以及蒸汽发生器连接形成供液态金属冷却剂流通的一回路，并且通过在该一回路中将设置在该蒸汽发生器上部的第一气体空间与设置在该压力容器上部的第二气体空间和/或设置在该主泵上部的第三气体空间连通形成压力平衡空间，从而在发生事故后对高压蒸汽进行缓冲，达到缓解和吸收过大压力波动的目的，避免了一回路瞬间超压，避免损坏堆内结构和设备。
另外，本发明采用液态金属冷却剂，该冷却剂的密度较大，粘度较高，发生事故后，压力波动在其中传递较慢，可以在一定程度上缓解事故速度，并且能够将影响范围限制在可控范围内。
本发明采用的其内设有若干层传热管的蒸汽发生器，从而大大降低发生事故的风险。
本发明通过在该第一气体空间和该第二气体空间设置超压泄放装置，其能当发生事故(特别是SGTR事故)后，泄放过高的一回路压力，保护一回路边界完整性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明核反应堆的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1为本发明核反应堆的一个优选实施例。
该核反应堆能够在一回路发生事故后，特别是SGTR事故(传热管破裂事故)，对高压蒸汽进行缓冲，达到缓解和吸收过大压力波动的目的，具有较高的容错性，避免了一回路瞬间超压，降低因一回路发生SGTR事故堆内结构和设备被损坏的风险。
如图1所示，该核反应堆包括压力容器11、设置在压力容器11中的堆内构件12、提供循环动力的主泵14以及与压力容器11连接的蒸汽发生器15；该压力容器11可为该反应堆的裂变反应提供密闭空间，该堆内构件12安装于压力容器11内，该主泵14可为冷却剂的循环流动提供动力；该蒸汽发生器15用于吸收冷却剂的热量，从而产生蒸汽。该一回路冷却剂的密度大于该二回路介质的密度，其能够缓解该事故后的压力波动。在本发明中，该冷却剂为液态金属冷却剂20。
该压力容器11用于容纳堆内构件12于其中，在压力容器11的上部留设有一未填满该液态金属冷却剂20的空腔，以形成第二气体空间111。通过第二气体空间111可以形成压力释放空间，以便于事故(特别是SGTR事故)后压力的泄放。如图所示，在本实施例中，该第二气体空间111位于液态金属冷却剂20的液面上方，第二气体空间111的压力可以向液态金属冷却剂20释放。
进一步的，该压力容器11还包括设置在该第二气体空间111上方的顶盖113，该顶盖113可盖合该压力容器11，以保证该压力容器11的密封性。
如图所示，该堆内构件12的安装于该压力容器11内，该压力容器11内侧壁与该堆内构件12的外侧壁之间形成环腔112，该环腔112与该主泵14连通，通过主泵14将液态金属冷却剂20送入环腔112中。
该堆内构件12中设有堆芯13，堆芯13内的核燃料组件进行裂变反应以产生热量，加热液态金属冷却剂。可以理解的，堆芯13的堆型、燃料组件结构等，可以采用现有的各种结构而不做限制。
该堆内构件12的侧壁上设有与该环腔112连通以供液态金属冷却剂流入的进液孔121。在本实施例中，该进液孔121位于该堆内构件12侧壁下方，该液态金属冷却剂20由该主泵14泵入至该环腔112，再经该进液孔121流入至该堆内构件12，以带出堆内构件12的热量，对堆芯13进行冷却。
该主泵14通过第一主管道161与该压力容器11连接以与该压力容器11连通连通，以将该液态金属冷却剂20通过第一主管道161泵入该压力容器11的环腔112中。在本实施例中，该主泵14的上部留设有一未填满该液态金属冷却剂的空腔，以形成供气体压力释放空间的第三气体空间141。
该蒸汽发生器15通过第二主管道162与堆内构件12连接以与该堆内构件12连通，经堆内构件12加热的液态金属冷却剂流入该蒸汽发生器15，加热二回路的介质。该蒸汽发生器15包括壳体151、设置在该壳体151中的若干层传热管152。该蒸汽发生器的上部留设有一未填满该液态金属冷却剂20的空腔，以形成用于便于气体流通的第一气体空间153。
该壳体151与该堆内构件12连通，该液态金属冷却剂可流入该壳体151中以与传热管152内的二回路介质进行换热。该壳体151可采用耐高温的金属材质制成，其可以形成供该液态金属冷却剂进行热交换的空间。二回路介质可以为水或者其他饱和蒸汽压比该液态金属合金低的介质。
该若干层传热管152可以包括并排设置的两层、三层或者多层螺旋管；在本实施例中，该若干层传热管152包括多层螺旋管。在一个实施例中，该多层螺旋管中的二回路介质为水，与液态金属冷却剂20进行热交换，将水加热形成蒸汽，水加热蒸发形成蒸汽需要吸热，从而带走该液态金属冷却剂20的热量，以给该液态金属冷却剂20降温，该蒸汽发生器15通过多层螺旋管结构，实现了冗余保护的同时，阻断裂纹延伸通道，极大降低了蒸汽发生器自身发生SGTR事故的风险。
进一步的，在该蒸汽发生器15上方设置有第一气体空间153，具体地，其设置在该壳体151中，位于该传热管152的一端且沿蒸汽上升方向设置，以吸收蒸汽、减弱气体压力。该第一气体空间153可以与该第二气体空间111连通，也可以与该第三气体空间141连通，构成一个足够大的气体空间，以在发生SGTR事故时，将蒸汽输送至该第二气体空间和/或第三气体空间以平衡气体压力，避免压力波动导致该反应堆内设备损坏。
在本实施例中，主泵14、压力容器11、堆内构件12、以及该蒸汽发生器15连接形成供液态金属冷却剂20流通的一回路。优选地，该液态金属冷却剂20包括液态铅、液态铅铋合金。一回路采用密度以及粘度大于所述蒸汽发生器15中进行加热蒸发的介质的液态金属冷却剂，以持续带走堆芯热量。二回路介质为水或者其他饱和蒸汽压比该液态金属合金低的介质。因此，一回路工作压力低于二回路。
而且，在发生SGTR事故后，由于二回路压力比一回路高，二回路介质首先进入液态金属冷却剂20中，并产生压力冲击波，而由于液态金属冷却剂20的密度以及粘度大于该蒸汽发生器15中进行加热蒸发的介质的密度和粘度，降低了压力波动在冷却剂中的传递速度，限制了压力波动的影响范围，一定程度缓解了SGTR事故对其余主设备的影响。
蒸汽发生器15、压力容器11及主泵14内分别设有第一气体空间153、第二气体空间111和第三气体空间141，该蒸汽发生器15、压力容器11及主泵14中的液态金属冷却剂均未充满，且三者的液面高度基本处在同一水平面，液面以上为第一气体空间153、第二气体空间111和第三气体空间141，这些气体空间通过连通形成压力平衡空间，其可在SGTR事故产生后，减弱大泄漏量下的一回路压力波动程度，避免压力波动对堆内构件12以及堆芯13造成损坏。
在本实施例中，该第一气体空间153、该第二气体空间111以及该第三气体空间141可相互连通形成该压力平衡空间；可以理解地，在其他一些实施例中，该第一气体空间153、该第二气体空间111相互连通形成该压力平衡空间；或者，该第一气体空间153、该第三气体空间141相互连通形成压力平衡空间。该压力平衡空间的总体积大于该第一气体空间153的体积，在发生SGTR事故后，蒸汽进入该第一气体空间153，然后可再进入该第二气体空间111和/或该第三气体空间141，从而平衡了各空间的气体压力，减弱了各空间的压力变化，缓解了压力波动。
在本实施例中，该第二气体空间111与该第一气体空间153之间设有第一连接管道171；通过该第一连接管道171，该第二气体空间111与该第一气体空间153可以实现连通，以便于蒸汽流入该第二气体空间111中。
在本实施例中，该第二气体空间111与该第三气体空间141之间设有第二连接管道172，通过该第二连接管道172，该第二气体空间111与该第三气体空间141可以实现连通，则该第一气体空间111、该第一连接管道171、该第二气体空间111以及该第二连接管道172依次连通，发生SGTR事故后，蒸汽进入该第一气体空间111、通过该第一连接管道171流入该第二气体空间111、再经该第二连接管道172流入该第三气体空间111从而相互平衡气体压力。可以理解地，在其他一些实施例中，该第二连接管道172可以省去，该第一气体空间153与该第三气体空间111之间可设置连接管道，通过该连接管道，该第一气体空间153的蒸汽可流入该第三气体空间111中，以达到减弱该第一气体空间153压力的作用。
进一步的，该第一气体空间111和该第二气体空间153设有超压泄放装置。当该第一气体空间153和该第二气体空间111的压力超过设定的压力时，超压泄放装置能够将该第一气体空间153和该第二气体空间111的气体压力释放出去。
在本实施例中，该超压泄放装置包括设置在该壳体151上的第一超压泄放阀181、以及设置在顶盖113上的第二超压泄放阀182。
第一超压泄放阀181与该第一气体空间153连通，以将该第一气体空间153中的气体压力释放出去。当蒸汽发生器15内的气体压力达到第一超压泄放阀181的整定压力时进行超压泄放操作，防止蒸汽发生器15因超压发生破坏。
第二超压泄放阀182与该第二气体空间111连通，以将该第二气体空间111中的气体压力释放出去。当反应堆压力容器11内的压力达到第二超压泄放阀182的整定压力时进行超压泄放操作，防止反应堆压力容器11因超压发生破坏，保证一回路边界的完整性。
当事故发生时，特别是SGTR事故发生，二回路闪蒸的蒸汽首先进入蒸汽发生器15气体空间，进一步吸收和减弱压力变化，之后通过第一连接管道171、第二连接管道172与其余气体空间连通，平衡相互压力，从而消弭少量泄漏量情况下，SGTR事故产生的影响；减弱大泄漏量下的一回路压力波动程度。
由于反应堆压力容器内的第二气体空间111比蒸汽发生器内的第一气体空间153大得多，且蒸汽发生器第一气体空间153距离SGTR事故发生点较近。当事故发生后，二回路压力先影响蒸汽发生器上部的第一气体空间153。若蒸汽发生器15内气体压力上升过快，则蒸汽发生器15的第一气体空间153压力将达到其第一超压泄放阀181的整定压力，蒸汽发生器15上的第一超压泄放阀181自动开启，防止造成严重后果。若蒸汽发生器15内气压未升至第一超压泄放阀181的整定压力，则压力由反应堆压力容器11内第二气体空间111缓冲气体压力，直至启动反应堆压力容器11的第二超压泄放阀182，从而充分缓解SGTR事故的风险。
本实施例中通过半池式-半回路式布置结构设计，使第一主管道161能够增加压力波动从蒸汽发生器向反应堆压力容器11内传播的阻力，减弱压力波动对压力容器11、堆内构件12、堆芯13的影响。另外，该蒸汽发生器15通过多层管壁传热管(多层相互套设的螺旋管)、一回路采用液态金属冷却剂20、半池式-半回路式布置结构、主设备上部设有连通的气体空间以及设置在蒸汽发生器15和反应堆压力容器11上的超压泄放装置18等设计措施共同形成了阶梯式缓解SGTR事故的反应堆结构，保证了一回路边界的完整性，充分防止SGTR事故的后果，降低了一回路放射性外逸的风险。
该阶梯式缓解SGTR事故的反应堆结构缓解SGTR事故的原理为：先是利用多层管壁传热管的蒸汽发生器15降低传热管爆裂的风险，尽可能避免影响堆芯与堆内结构，再通过液体金属冷却剂20限制压力波动的传播，防止蒸汽发生器15的SGTG事故直接影响堆芯13与堆内构件12；利用压力容器11的压力平衡空间吸收较多传热管破裂造成的压力波动；最后利用超压泄放装置18释放过大的压力。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种核反应堆，其特征在于，包括压力容器(11)、设置在所述压力容器(11)中的堆内构件(12)、提供循环动力的主泵(14)以及与所述压力容器(11)连接的蒸汽发生器(15)；
所述主泵(14)、所述压力容器(11)、所述堆内构件(12)、以及所述蒸汽发生器(15)连接形成供冷却剂流通的一回路；所述一回路中冷却剂的密度大于二回路中介质的密度；
所述一回路设有压力平衡空间；所述压力平衡空间包括连通的、设置在所述蒸汽发生器(15)上部的第一气体空间(153)、设置在所述压力容器(11)上部的第二气体空间(111)和/或设置在所述主泵(14)上部的第三气体空间(141)。
2.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，所述蒸汽发生器(15)、所述压力容器(11)、以及所述主泵(14)中分别留设有一未填满所述冷却剂的空腔；
所述空腔分别形成所述第一气体空间(153)、所述第二气体空间(111)以及所述第三气体空间(141)；
所述第一气体空间(153)、第二气体空间(111)以及第三气体空间(141)相互连通形成所述压力平衡空间；或者，所述第一气体空间(153)、所述第二气体空间(111)相互连通形成所述压力平衡空间；或者，所述第一气体空间(153)、所述第三气体空间(141)相互连通形成所述压力平衡空间。
3.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，所述第二气体空间(111)与所述第一气体空间(153)之间设有第一连接管道(171)；所述第二气体空间(111)与所述第三气体空间(141)之间设有第二连接管道(172)；
所述第一气体空间(111)、所述第一连接管道(171)、所述第二气体空间(111)、所述第二连接管道(172)、以及该第三气体空间(141)依次连通。
4.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，所述压力容器(11)设在所述堆内构件(12)的外围；所述压力容器(11)内侧壁与所述堆内构件(12)的外侧壁之间形成环腔(112)；所述主泵(14)与所述环腔(112)连通；
所述堆内构件(12)的侧壁上设有与所述环腔(112)连通以供冷却剂流入的进液孔(121)。
5.根据权利要求4所述的核反应堆，其特征在于，所述压力容器(11)与所述主泵(14)之间设有连通所述压力容器(11)与所述主泵(14)的第一主管道(161)；所述堆内构件(12)与所述蒸汽发生器(15)之间设有连通所述堆内构件(12)和所述蒸汽发生器(15)的第二主管道(162)；
所述第一主管道(161)、所述环腔(112)、所述进液孔(121)以及所述第二主管道(162)相互连通形成供所述冷却剂流通的流通通道。
6.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，所述冷却剂包括液态金属冷却剂(20)；所述液态金属冷却剂(20)的密度以及粘度大于所述蒸汽发生器(15)中进行加热蒸发的介质的密度和粘度。
7.根据权利要求6所述的核反应堆，其特征在于，所述液态金属冷却剂(20)包括液态铅、液态铅铋合金。
8.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，所述蒸汽发生器(15)包括壳体(151)、设置在所述壳体(151)中的若干层传热管(152)；所述第一气体空间(153)位于所述传热管(152)的一端且沿蒸汽上升方向设置；所述压力容器(11)包括设置在所述第二气体空间(111)上方的顶盖(113)。
9.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，所述第一气体空间(153)和所述第二气体空间(111)设有超压泄放装置。
10.根据权利要求9所述的核反应堆，其特征在于，所述超压泄放装置包括设置在所述蒸汽发生器上与所述第一气体空间(153)连通以将所述第一气体空间(153)中的气体压力释放出去的第一超压泄放阀(181)以及设置在所述压力容器与所述第二气体空间(111)连通以将所述第二气体空间(111)中的气体压力释放出去的第二超压泄放阀(182)。
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