CN111328422A - 使用连接到功率转换系统的印刷电路热交换器的池型液态金属快谱反应堆 - Google Patents

使用连接到功率转换系统的印刷电路热交换器的池型液态金属快谱反应堆 Download PDF

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Abstract

一种用于反应堆中的印刷电路热交换器包括由扩散结合在一起的板的堆叠形成的芯部。所述芯部具有：顶面、与所述顶面相对设置的底面、在所述顶面与所述底面之间延伸的第一侧面、以及与所述第一侧面相对设置的第二侧面。所述印刷电路热交换器包括：限定在所述芯部中的多个一级通道，所述一级通道中的每一个从限定在所述第一侧面中的一级入口延伸到限定在所述第二侧面中的一级出口；以及限定在所述芯部中的多个次级通道，所述次级通道中的每一个在所述一级通道中的至少一些之间从限定在所述顶面中的次级入口延伸到限定在所述顶面中的次级出口。

Description

使用连接到功率转换系统的印刷电路热交换器的池型液态金 属快谱反应堆
相关申请的交叉参考
本专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2017年10月2日提交的美国临时申请号62/566,980和2017年10月5日提交的美国临时申请号62/568,486的优先权，其内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及池型液态金属快谱反应堆，并且更具体地涉及利用印刷电路热交换器的池型液态金属快谱反应堆。本发明还涉及用于池型液态金属快谱反应堆中的印刷电路热交换器。
背景技术
迄今为止，液态金属反应堆设计(诸如但不限于铅冷却快谱反应堆)已经提出使用螺旋管或卡口式蒸汽发生器。这些类型的蒸汽发生器的尺寸需要容纳它们的反应堆容器的直径很大，从而显著增加一级冷却剂存量。此外，在常规构型中对内部“热段”的需求也增加了容器的高度。对于铅冷却反应堆来说，冷却剂存量的这种显著增加转化为显著的重量，必须对所述重量进行隔震支撑以保护与核安全相关的核电站部件。此外，常规的蒸汽发生器使用大量相对较大直径的管来形成传热区域。这些管带来需要安全壳或大容量过滤的反应堆冷却剂系统(RCS)增压事件、以及由于这些管中的一根或多根的破裂而导致的疏忽临界事件的风险。通常假定，在管破裂后，蒸汽或其他次级侧流体可能被吸入芯部，从而产生慢化和中子吸收的剧烈变化、并且随后产生局部临界事件。相关事件的大小将足以导致重大的燃料损坏。因此，存在改进用于反应堆的冷却装置的需要。
发明内容
本发明的实施例利用诸如印刷电路热交换器(PCHE)的微通道热交换器的固有特性来显著减小池型液态金属冷却快谱反应堆的尺寸。此类实施例这样做，同时有效地消除了反应堆冷却剂系统增压的唯一来源和通常与这种类型反应堆相关联的无意临界事件的主要来源。
本发明的实施例涉及多个印刷电路热交换器的部署，以例如在反应堆堆芯上方的排放增压室与一级冷却剂泵的入口之间形成导管。较高温度的冷却剂朝向环形增压室径向通过热交换器，所述环形增压室维持向反应堆冷却剂泵的冷却剂供给。
作为本发明的一方面，印刷电路热交换器包括：由扩散结合在一起的板的堆叠形成的芯部，所述芯部具有：顶面、与所述顶面相对设置的底面、在所述顶面与所述底面之间延伸的第一侧面、以及与所述第一侧面相对设置的第二侧面；限定在所述芯部中的多个一级通道，所述一级通道中的每一个均从限定在所述第一侧面中的一级入口延伸到限定在所述第二侧面中的一级出口；以及限定在所述芯部中的多个次级通道，所述次级通道中的每一个均在所述多个一级通道中的至少一些之间从限定在所述顶面中的次级入口延伸到限定在所述顶面中的次级出口。
所述印刷电路热交换器还可以包括：在其中限定第一空间的入口增压室，所述第一空间与所述次级入口流体连通；以及在其中限定第二空间的出口增压室，所述第二空间与所述次级出口流体连通。
所述入口增压室可以包括被构造成流体地联接到供给集管的主入口，并且所述出口增压室可以包括被构造成流体地联接到返回集管的主出口。
次级通道的横截面可以为半圆形。
作为本发明的另一方面，池型液态金属快谱反应堆包括：容器；下部增压室，其限定在所述容器中；反应堆堆芯，其设置在所述容器中、在所述下部增压室的上方；上部增压室，其限定在所述容器中、在所述反应堆堆芯的上方；一定数量的冷却剂泵入口增压室，其限定在所述容器中；一定数量的冷却剂泵，每个冷却剂泵被构造成将流体从所述一定数量的冷却剂泵入口增压室中的一个移动到所述下部增压室；以及一定数量的印刷电路热交换器，每个印刷电路热交换器设置在所述上部增压室与所述一定数量的冷却剂泵入口增压室中的一个之间。每个印刷电路热交换器包括：由扩散结合在一起的板的堆叠形成的芯部，所述芯部具有：顶面、与所述顶面相对设置的底面、在所述顶面与所述底面之间延伸的第一侧面、以及与所述第一侧面相对设置的第二侧面；限定在所述芯部中的多个一级通道，所述一级通道中的每一个均从限定在所述第一侧面中的一级入口延伸到限定在所述第二侧面中的一级出口，其中每个一级入口与所述上部增压室直接流体连通，并且其中每个一级出口与所述一定数量的冷却剂泵入口增压室的一个冷却剂泵入口增压室直接流体连通；以及限定在所述芯部中的多个次级通道，所述次级通道中的每一个在所述多个一级通道中的至少一些之间从限定在所述顶面中的次级入口延伸到限定在所述顶面中的次级出口。
所述反应堆还可以包括：在其中限定第一空间的入口增压室，所述第一空间与所述次级入口流体连通；以及在其中限定第二空间的出口增压室，所述第二空间与所述次级出口流体连通。
所述容器可以在其中容纳一定体积的一级冷却剂，其中所述一定体积的一级冷却剂在所述容器内具有最高水平面，并且其中所述入口增压室和所述出口增压室设置在所述最高水平面的上方。
所述容器可以包括顶盖，并且所述入口增压室和所述出口增压室可以设置在所述顶盖的上方。
所述入口增压室可以包括被构造成流体地联接到供给集管的主入口，并且所述出口增压室可以包括被构造成流体地联接到返回集管的主出口。
次级通道的横截面可以为半圆形。
所述一定数量的印刷电路热交换器可以包括多个热交换器；所述一定数量的冷却剂泵入口增压室可以包括多个冷却剂泵入口增压室；所述一定数量的冷却剂泵可以包括多个冷却剂泵；所述多个印刷电路热交换器和所述多个冷却剂泵可以成对布置在所述反应堆堆芯的上方和外侧的环形圈中。
所述多个印刷电路热交换器可以包括六个印刷电路热交换器，并且所述多个冷却剂泵可以包括六个冷却剂泵。
每个印刷电路热交换器可以形成将所述上部增压室与相应的冷却剂泵入口增压室分开的隔板的至少一部分。
附图说明
在结合附图阅读时，可以从优选实施例的以下描述中获得对本发明的全面理解，在附图中：
图1是根据本发明的示例性实施例的反应堆的示意性等距视图；
图2是图1的反应堆的示意性平面图，其中反应堆盖是透明的以便显示反应堆容器内的部件的布局的细节；
图3是图1的反应堆的另一个示意性等距视图，其中反应堆盖、反应堆容器和其他部件的部分是透明的以显示反应堆的内部部件的细节；
图4是诸如图1所示的反应堆的示意性剖视图，其中描绘了一级冷却剂流动；
图5是诸如图1所示的反应堆的示意性平面图，其中描绘了一级冷却剂流动；
图6是根据本发明的示例性实施例的印刷电路热交换器的示意性正视图，示出穿过其中的一级冷却剂流动；并且
图7是图6的印刷电路热交换器的示意图，示出穿过其中的次级侧冷却剂流动。
具体实施方式
现在将在下文参考附图更全面地描述本发明，在所述附图中示出了本发明的示例。然而，本发明可以多个不同的形式实施，且不应被解释为限于本文中所阐述的示例。相反，提供这些示例以使得本公开将彻底且完整，且将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。相同的数字始终指代相同的元件。
如本文所用，“数字”将用于指代任何非零整数，即一个或大于一个的数量(即，多个)。
印刷电路热交换器(PCHE)包括化学蚀刻板的堆叠，所述板被扩散结合在一起，从而为工艺流体中的每一个形成离散的微通道，热量将在工艺流体之间交换。这种构型允许在小体积中存在相对较大的传热区域。在本发明的一个实施例中，使用PCHE来代替螺旋缠绕管式热交换器，反应堆的直径从约11.5米减小到约8米，并且所需冷却剂的相关体积减少到其原始体积的50％。对于铅冷却反应堆示例，冷却剂的总重量将从约7,500,000kg减少到约3,500,000kg，从而随后减小支撑该重量所需的隔震合格结构的成本。这种冷却剂质量的减少还简化与化学控制和防腐相关联的挑战。
与常规的PCHE构型不同，在本发明中，次级侧微通道通常为U形，从而允许次级侧流体的供给集管和返回集管两者附接到PCHE的单侧。这种构型允许将PCHE定位在池型反应堆中，从而供给集管和返回集管以及相关联的管道至少保持在一级冷却剂的水平面上方，并且优选地在反应堆盖的上方。在供给集管和返回集管以及供给管道的任何假定的破裂都不会导致将次级侧流体引入一级冷却剂中的情况下，通过这种布置大大降低或消除相关的临界事件的关联风险。此外，这通常消除了RCS内的唯一增压源，从而消除压力保持安全壳的要求或大容量的过滤排气。
来自常规PCHE的另一种修改是将较大的通道用于一级流动。考虑到它们的传热特性、以及所期望的热工水力性能和避免堵塞现象，这种“混合”布置优化了每种工作流体的流动通道尺寸和形状。
在图1中示出根据本发明示例性实施例的反应堆10的示意性等距视图。反应堆10包括外容器12和盖14，并且通常由外容器12和盖14限定。反应堆10还包括一定数量的印刷电路热交换器(PCHE)16和一定数量的一级冷却剂泵18，每个一级冷却剂泵均部分示出从盖14向外延伸。在本文所述的示例性实施例中，利用六个PCHE 16(多个PCHE)和六个一级冷却剂泵18的布置。如图2所示，PCHE 16和冷却剂泵18成对布置在反应堆堆芯20外侧的环形圈中。此外，在所示的示例性实施例中，每个泵18与PCHE 16配对。这种配对通过使用径向挡板22来实现，所述挡板22形成对于每个配对独特的流动路径。独特流动路径的加入允许单个或多个PCHE 16和对应的泵18从服务移除，同时继续进行核电站运营。操作员可以选择从服务移除PCHE 16以进行维护/维修、或者在操作之后调整负载的功率输出水平。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用泵18和PCHE 16的多个替代数量和/或布置。
图1至图3提供本发明一个示例性实施例的反应堆10和反应堆内部构件布局的示意图。在这些图中，用于冷却剂泵18和PCHE 16的支撑结构被描绘为透明的，以允许更好地理解设施的物理特性及其在反应堆容器12内的位置。图2是反应堆10的平面图，最好地示出了反应堆堆芯20的六角形形状。在这种描绘中，假定反应堆堆芯20包括多个六角形燃料和中子反应堆元件，以使得反应堆堆芯20本身的整体形状为六角形。这是可以提议用于快速反应堆的多个可能布置中的一种。在这种情况下，六对泵18和PCHE 16的布置与反应堆堆芯20的假定六角形形状工作良好。
图2还最好地示出了形成用于每个泵18和PCHE 16对的单独流动路径的径向挡板22。可以看到，径向挡板22将每对PCHE 16和每对冷却剂泵18分开。
图3提供了容纳在反应堆10内并由反应堆内部结构(显示为透明)支撑的多个部件的等距视图。在所示的示例性实施例中，假定每个泵16是螺旋桨式轴向泵，其使用与反应堆内部构件支撑结构26一体的圆柱形挡板24。这种泵形式允许每个泵16的电动马达28位于反应堆冷却剂的自由表面的上方、并且在这种情况下位于12的上方、并且因此位于反应堆10本身的外部，从而从高温环境中移除掉。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他泵布置。
图4示出本发明的优选实施例的正视示意图。在该图中，实线(加热的冷却剂)箭头和虚线(冷却的冷却剂)箭头用于描绘一级冷却剂和二次冷却剂的流动及其相对温度。将从反应堆堆芯20排放的一级冷却剂指定为具有温度T热，并且将从PCHE 16排放的一级冷却剂指定为T冷，可以如下描述反应堆的一级电路。一级冷却剂在T冷下进入一级冷却剂泵18。一级冷却剂P在其进入反应堆下部增压室30时由泵18增压。随后，冷却剂通过燃料组件的通道，并通过反应堆堆芯20中的核裂变反应加热到T热，并排放到上部增压室32。一级冷却剂被允许从上部增压室32径向(即从图4的纵向轴线34向外)流动通过PCHE 16的微通道，回到反应堆冷却剂泵入口增压室36中。在通过PCHE 16时，一级冷却剂P将其热量传递到次级侧流体S，并且在这样做时返回到T冷。通过这种传热，次级侧流体S被加热，并且随后用于功率转换系统(未示出)中，以通过涡轮发电机组发电。
图5提供反应堆10的二维示意性顶视图。该图示出一种可能的布置，其中六个PCHE16连接到单个供给集管40和单个返回集管42(设置在供给集管40的正下方)。图5还从平面图的角度示出一级冷却剂P的流动路径，使用实线(加热的冷却剂)和虚线(冷却的冷却剂)箭头来指示相对温度。
在示例性所示实施例中，PCHE供给集管和返回集管40、42位于反应堆10的外部，远高于一级冷却剂P的自由表面44的上方(也应当理解，本发明的实施例也允许供给集管和返回集管定位在一级核安全壳的外部)。在这种布置中，用于单个PCHE 16的供给集管、或返回集管、或供给集管和返回集管的假定破裂不会增压反应堆10或将次级侧流体S引入一级冷却剂P中。仅PCHE 10的微通道46(图7)浸没在一级冷却剂P的自由表面44的下方，从而显著降低由于次级侧系统的假定破裂而导致的无意临界事件的风险。
再次参考图4，示出一级冷却剂P的预期相对自由表面水平面44。在运行时，一级冷却剂泵18将提升芯部排放增压室32中的一级冷却剂P的自由表面水平面44，从而提供推动一级冷却剂P穿过PCHE 16的一级侧微通道48(图6)所需的驱动头。
图6和图7示出根据本发明的示例性实施例的PCHE 16的示意性正视图，示出穿过其中的一级冷却剂P的流动的示意图(图6)和穿过其中的次级流体S的流动的示意图(图7)。PCHE 16包括由扩散结合在一起的板的堆叠形成的芯部50。芯部50包括：顶面52、与顶面52相对设置的底面54、在顶面52与底面54之间延伸的第一侧面56、以及与第一侧面56相对设置的第二侧面58。
参考图6，PCHE 16还包括限定在芯部50中的多个一级通道48(图6中示出五个)。一级通道48中的每一个从限定在第一侧面56中的一级入口62延伸到限定在第二侧面58中的一级出口64。在不脱离本发明的范围的情况下，一级通道48中的每一个可以采取多个不同的形状或形式。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，可以通过机械加工、板成形或任何其他合适的工艺来形成一级通道。
参考图7，PCHE 16还包括限定在芯部50中的多个次级通道46(在所示示例中仅示出一个)，次级通道46中的每一个在一级通道48中的至少一些之间从限定在芯部50的顶面52中的次级入口72延伸到限定在芯部50的顶面52中的次级出口74。次级通道46中的每一个可以经由蚀刻工艺形成。因此，次级通道46通常具有半圆形、圆形或椭圆形的横截面。然而，应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，次级通道46可以具有其他横截面形状。
如图6和图7两者所示，PCHE 16还包括入口增压室80，所述入口增压室80在其中限定与次级入口72流体连通的第一空间82；以及出口增压室84，所述出口增压室84在其中限定与次级出口74流体连通的第二空间86。入口增压室80包括被构造成流体地联接到供给集管的主入口90，并且出口增压室84包括被构造成流体地联接到返回集管的主出口92。
尽管示出为大致笔直或U形，但是应当理解，一级通道48和次级通道46的形状可以变化而不脱离本发明的范围。还应当理解，一级通道48和次级通道46通常可以根据各种流动模式(例如但不限于顺流、逆流、横流或其组合)布置，而不脱离本发明的范围。
从前述示例中应当理解的是，反应堆内的布置产生了紧凑的设计，该紧凑涉及减小反应堆的尺寸、所需的冷却剂存量、以及与两者相关联的重量和化学控制困难的减轻。在每个PCHE的次级侧上使用的微通道消除了通常与常规蒸汽发生器相关联的管道破裂导致的临界事件的风险。在PCHE的次级侧上使用的微通道消除了RCS内的大增压源的风险，从而消除对高压安全壳或大容量过滤的需要。在PCHE的一级侧上使用的微通道与在次级侧上使用的微通道尺寸不同。这优化了性能，并满足每种传热介质独特的设计目标。有助于消除临界风险的常规PCHE修改是：引入U型次级侧流体微通道；将次级侧流体供给增压室和返回增压室连接到单侧；次级供给集管和返回集管保持在一级冷却剂水平面的上方(和反应堆的外部和/或一级核安全壳的外部)。这种布置允许在反应堆堆芯正上方部署反应性控制装置(诸如控制棒)。在一级冷却剂泵失去动力的情况下，这种布置促进一级冷却剂的自然循环。这种布置降低反应堆容器的腐蚀风险，因为在与反应堆容器的外壳接触之前，通过反应堆堆芯添加到冷却剂的热量被除去。这种布置降低了反应堆冷却剂泵叶轮的腐蚀风险，因为在一级冷却剂进入一级冷却剂泵增压室之前，一级冷却剂的温度通过PCHE降低。增压室区域的延伸长度增加了自由表面上方的质量，所述质量抵消铅中的PCHE的浮力。
尽管已经详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域的技术人员将会理解，根据本公开的总体教导可以开发对这些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定布置仅意在说明性的，而非限制本发明的范围，其范围将由所附权利要求书及其任何和所有等同物的全部范围给出。

Claims (13)

1.一种印刷电路热交换器(16)，所述印刷电路热交换器包括：
由扩散结合在一起的板的堆叠形成的芯部(50)，所述芯部具有：顶面(52)、与所述顶面相对设置的底面(54)、在所述顶面与所述底面之间延伸的第一侧面(56)、以及与所述第一侧面相对设置的第二侧面(58)；
限定在所述芯部中的多个一级通道(48)，所述一级通道中的每一个均从限定在所述第一侧面中的一级入口(62)延伸到限定在所述第二侧面中的一级出口(64)；以及
限定在所述芯部中的多个次级通道(46)，所述次级通道中的每一个均在所述多个一级通道中的至少一些之间从限定在所述顶面中的次级入口(72)延伸到限定在所述顶面中的次级出口(74)。
2.根据权利要求1所述的印刷电路热交换器，所述印刷电路热交换器还包括：
入口增压室(80)，所述入口增压室在其中限定第一空间(82)，所述第一空间与所述次级入口流体连通；以及
出口增压室(84)，所述出口增压室在其中限定第二空间(86)，所述第二空间与所述次级出口流体连通。
3.根据权利要求2所述的印刷电路热交换器，其中，所述入口增压室包括被构造成流体地联接到供给集管的主入口(90)，并且
其中，所述出口增压室包括被构造成流体地联接到返回集管的主出口(92)。
4.根据权利要求1所述的印刷电路热交换器，其中，所述次级通道的横截面为半圆形。
5.一种池型液态金属快谱反应堆(10)，所述池型液态金属快谱反应堆包括：
容器(12)；
下部增压室(30)，所述下部增压室限定在所述容器中；
反应堆堆芯(20)，所述反应堆堆芯设置在所述容器中、在所述下部增压室的上方；
上部增压室(32)，所述上部增压室限定在所述容器中、在所述反应堆堆芯的上方；
一定数量的冷却剂泵入口增压室(36)，所述一定数量的冷却剂泵入口增压室限定在所述容器中；
一定数量的冷却剂泵(18)，每个冷却剂泵被构造成将流体从所述一定数量的冷却剂泵入口增压室中的一个移动到所述下部增压室；以及
一定数量的印刷电路热交换器(16)，每个印刷电路热交换器设置在所述上部增压室与所述一定数量的冷却剂泵入口增压室中的一个之间，每个印刷电路热交换器包括：
由扩散结合在一起的板的堆叠形成的芯部(50)，所述芯部具有：顶面(52)、与所述顶面相对设置的底面(54)、在所述顶面与所述底面之间延伸的第一侧面(56)、以及与所述第一侧面相对设置的第二侧面(58)；
限定在所述芯部中的多个一级通道(48)，所述多个一级通道中的每一个均从限定在所述第一侧面中的一级入口(62)延伸到限定在所述第二侧面中的一级出口(64)，其中，每个一级入口与所述上部增压室直接流体连通，并且其中，每个一级出口与所述一定数量的冷却剂泵入口增压室的一个冷却剂泵入口增压室直接流体连通；以及
限定在所述芯部中的多个次级通道(46)，所述次级通道中的每一个均在所述多个一级通道中的至少一些之间从限定在所述顶面中的次级入口(72)延伸到限定在所述顶面中的次级出口(74)。
6.根据权利要求5所述的池型液态金属快谱反应堆，所述池型液态金属快谱反应堆还包括：
入口增压室(80)，所述入口增压室在其中限定第一空间(82)，所述第一空间与所述次级入口流体连通；以及
出口增压室(84)，所述出口增压室在其中限定第二空间(86)，所述第二空间与所述次级出口流体连通。
7.根据权利要求6所述的池型液态金属快谱反应堆，其中，所述容器在其中容纳一定体积的一级冷却剂(P)，其中，所述一定体积的一级冷却剂在所述容器内具有最高水平面(44)，并且其中，所述入口增压室和所述出口增压室设置在所述最高水平面的上方。
8.根据权利要求6所述的池型液态金属快谱反应堆，其中，所述容器包括顶盖(14)，并且其中，所述入口增压室和所述出口增压室设置在所述顶盖的上方。
9.根据权利要求6所述的池型液态金属快谱反应堆，其中，所述入口增压室包括被构造成流体地联接到供给集管的主入口(90)，并且
其中，所述出口增压室包括被构造成流体地联接到返回集管的主出口(92)。
10.根据权利要求5所述的池型液态金属快谱反应堆，其中，所述次级通道的横截面为半圆形。
11.根据权利要求5所述的池型液态金属快谱反应堆，其中，所述一定数量的印刷电路热交换器包括多个热交换器；其中，所述一定数量的冷却剂泵入口增压室包括多个冷却剂泵入口增压室；其中，所述一定数量的冷却剂泵包括多个冷却剂泵；其中，所述多个印刷电路热交换器和所述多个冷却剂泵成对布置在所述反应堆堆芯的上方和外侧的环形圈中。
12.根据权利要求5所述的池型液态金属快谱反应堆，其中，所述多个印刷电路热交换器包括六个印刷电路热交换器，并且其中，所述多个冷却剂泵包括六个冷却剂泵。
13.根据权利要求5所述的池型液态金属快谱反应堆，其中，每个印刷电路热交换器形成将所述上部增压室与相应的冷却剂泵入口增压室分开的隔板的至少一部分。
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