CN111341470B - 一种基于热管输热的核蒸汽供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于热管输热的核蒸汽供应系统，属于核反应堆工程技术领域，该系统包括保护容器，其设置有下管板，形成第一密封腔体和第二密封腔体，第二密封腔体为密闭腔体；第一密封腔体设置有堆芯，第二密封腔体设置有蒸汽发生器；堆芯与蒸汽发生器之间设置有贯穿的热管；热管分为蒸发段和冷凝段，热管冷凝段外侧设置有热管导向传热管；热管导向传热管与下管板密闭固定连接。本发明采用了一体式布置，结构简单紧凑；热管导向传热管壁面和热管管壁的双层隔离结构减小了热管内碱金属工质和蒸汽发生器二次侧水工质接触的可能性；热管冷却堆芯方式简化系统又提高了反应堆的固有安全性；每根热管自成独立回路，可有效避免单点失效，便于更换。

Description

一种基于热管输热的核蒸汽供应系统

技术领域

本发明涉及核反应堆工程技术领域，具体涉及一种基于碱金属热管输热的核蒸汽供应系统。

背景技术

压水堆核电站使用加压的轻水作为冷却剂，利用主泵驱动冷却剂流过堆芯，将核燃料裂变产生的热量传递到蒸汽发生器二次侧，利用高压蒸汽推动汽轮机做功。压水堆核电站必须保持较高的压力才能获得较高的堆芯出口温度，进而提高核电站能量转换的效率。由于冷却剂压力较高，在发生一回路压力边界破口事故时，冷却剂由破口处喷放流出，会造成反应堆失去冷却，有可能发生堆芯熔毁的严重事故，所以需要设置大量的安全措施保证反应堆的安全运行。

因此，急需一种能够在产生合格新蒸汽的同时，结构简单，反应堆安全可靠的核蒸汽供应系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够在产生合格新蒸汽的同时，结构简单，反应堆安全可靠的核蒸汽供应系统，发明的内容如下：

一种基于热管输热的核蒸汽供应系统，包括保护容器，所述保护容器设置有下管板，形成第一密封腔体和第二密封腔体，所述第二密封腔体为密闭腔体；所述第一密封腔体设置有堆芯，所述第二密封腔体设置有蒸汽发生器；所述堆芯与所述蒸汽发生器之间设置有贯穿的热管；所述热管分为蒸发段和冷凝段；所述热管在所述堆芯内部分设定为蒸发段，所述热管在所述蒸汽发生器内部分设定为冷凝段，所述热管冷凝段外侧设置有热管导向传热管；所述热管导向传热管与所述下管板密闭固定连接。

进一步地，所述堆芯内设置有金属基体，所述金属基体设置于所述热管蒸发段外侧；所述金属基体内部设置有导向通道，所述导向通道内部设置有控制棒，所述控制棒沿所述导向通道上下移动；所述金属基体内还设置有燃料元件，所述燃料元件用于发生核裂变反应产生热量；所述金属基体与保护容器之间设置有反射层和屏蔽层，所述反射层包覆于所述金属基体外侧，所述屏蔽层包覆于所述反射层外侧。

进一步地，所述堆芯为快中子固体反应堆，所述燃料元件为二氧化铀或氮化铀。

进一步地，所述燃料元件可以是棒状、板状或环形燃料元件。

进一步地，所述蒸汽发生器内还设置有汽水分离装置和干燥器，所述汽水分离装置设置于所述热管导向传热管上侧，所述干燥器设置于所述汽水分离装置上侧。

进一步地，所述蒸汽发生器还包括给水接管、蒸汽出口接管，所述给水接管设置于所述蒸汽发生器外侧，所述蒸汽出口接管设置于所述蒸汽发生器顶部。

进一步地，所述热管导向传热管外表面设置有翅片，用于增强换热能力。

进一步地，所述蒸汽发生器内产生的两相混合物经汽水分离装置和干燥器后成为饱和度99％以上的饱和蒸汽，经蒸汽出口接管排出。

进一步地，所述热管导向传热管与所述热管对应设置，所述热管导向管的内径大于所述热管的外径。

进一步地，所述热管内部的工质为钠或钾碱金属。

本发明的有益效果为：

1、本发明的基于热管冷却的核蒸汽供应系统采用一体化的布置方案，将反应堆堆芯、热管、蒸汽发生器等设备都布置在同一个压力容器的内部，系统简单结构紧凑。

2、本发明中采用了热管作为能量传输系统，将堆芯热量通过热管内的两相自然循环直接传递给蒸汽发生器，取消了常规压水堆中的主泵、主管道、稳压器等设备，简化系统的同时提高了反应堆的固有安全性。

3、本发明中采用了热管导向传热管壁面和热管管壁的双层隔离，最大限度的减小了热管内碱金属工质和蒸汽发生器二次侧水工质接触的可能性。

4、本发明中采用的每一根热管自成独立的热传导回路,可以有效避免单点失效，而且每根热管都是由堆芯底部插入堆芯和蒸汽发生器内，可以在不停堆的状态下实现故障热管的更换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是本发明体现其中一种金属基体的结构示意图。

其中：1-堆芯，2-蒸汽发生器；3-热管；4-保护容器；5-燃料元件；6-控制棒；7-金属基体；8-反射层；9-屏蔽层；10-给水接管；11-蒸汽出口接管；12-下管板；13-热管导向传热管；14-汽水分离装置；15-干燥器；16-翅片；17-通孔；18-套筒，19-第一密封腔体；20-第二密封腔体；111-小孔通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，为本发明基于热管输热的核蒸汽供应系统的一个实施例，其包括保护容器4，所述保护容器4设置有下管板12，形成第一密封腔体19和第二密封腔体20，第二密封腔体20为密闭腔体；第一密封腔体19设置有堆芯1，第二密封腔体20设置有蒸汽发生器2；堆芯1与蒸汽发生器2之间设置有贯穿的热管3；热管3分为蒸发段和冷凝段，热管在堆芯1内部分设定为蒸发段，热管在蒸汽发生器2内部分设定为冷凝段，热管冷凝段外侧设置有热管导向传热管13；下管板12上开设有若干组通孔17，在对应的通孔向上密闭焊接有顶部封闭的热管导向传热管13；热管导向传热管13与堆芯1内的热管3对应设置，且热管导向传热管13的内径大于热管3的外径，用于容纳热管冷凝段。热管导向传热管13外表面焊接有翅片16，以增强换热能力。

堆芯1内设置有金属基体7，金属基体7设置于热管蒸发段外侧；金属基体7内部设置有导向通道，导向通道内部设置有控制棒6，控制棒6可沿导向通道上下移动；金属基体7内还设置有燃料元件5，燃料元件5用于发生核裂变反应产生热量；金属基体7与保护容器4之间设置有反射层8和屏蔽层9，反射层8包覆于金属基体7外侧，屏蔽层9包覆于反射层8外侧。

蒸汽发生器2内还设置有汽水分离装置14和干燥器15，汽水分离装置14设置于热管导向传热管13上侧，干燥器15设置于汽水分离装置14上侧。蒸汽发生器2还包括给水接管10、蒸汽出口接管11，给水接管10设置于蒸汽发生器2外侧，蒸汽出口接管11设置于所述蒸汽发生器2顶部。其中，蒸汽发生器2至少有一个给水接管10与给水系统相连，蒸汽发生器顶部的蒸汽出口接管11与主蒸汽系统相连。

本实施例中，堆芯1为快中子固体反应堆，内部采用二氧化铀或氮化铀燃料元件5插入金属基体7内部。燃料元件5可以是棒状、板状或环形燃料元件。堆芯基体7的结构根据燃料元件5的结构以及控制棒6和热管3的布置方式给定。本实施例中，金属基体7的结构如图2，设置了若干小孔通道111，均匀间隔布置燃料元件5、控制棒6和热管3。

热管3内部的工质为钠、钾等碱金属工质。

本发明蒸汽供应系统的原理为：

堆芯1中的燃料元件5发生核裂变反应产生热量，固体堆芯1整体温度升高。热管3的蒸发段内部液态工质受热蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段放出热量,蒸汽凝结为液体,依靠多孔材料毛细力的作用流回蒸发段重新吸热并持续带走堆芯热量。冷凝段导出的热量传递给蒸汽发生器2上升通道中的工质。热管导向传热管13外表面的翅片16可以增加传热面积，并引起二次侧流体的扰动，可以起到强化换热的作用。

堆芯1的内部设置有供控制棒6上下移动的控制棒导向通道，通道向下贯穿堆芯，控制棒的底端与置于保护容器4下方的控制棒驱动机构连接，使得控制棒6在控制棒驱动机构的作用下，在堆芯内部上下移动，进而实现通过调节控制棒6的插入高度以控制堆功率并使反应堆保持临界状态。

蒸汽发生器2中上升通道中的水在流动过程中被加热，经历对流换热和沸腾换热两个阶段逐渐汽化，汽水混合物向上流动，离开加热区后进入汽水分离装置14和干燥器15，经汽水分离和干燥器后成为饱和度99％以上的饱和蒸汽，经蒸汽发生器顶部的蒸汽出口接管11排出并进入主蒸汽系统。分离后的疏水回流，与给水接管10引入的给水汇合后流向环形下降通道，在底部通过下管板12上表面和套筒18之间的缺口进入并横向冲刷传热管束，然后折流向上被加热汽化。

每一根热管3自成独立的热传导回路,并且每根热管都是由底部插入堆芯1和蒸汽发生器2，而且单根热管的布置考虑了单点失效的影响，当监测到某根热管失效时，可以在不停堆的状态下实现故障热管的更换。

以上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于热管输热的核蒸汽供应系统，其特征在于，包括保护容器(4)，所述保护容器(4)设置有下管板(12)，形成第一密封腔体(19)和第二密封腔体(20)，所述第二密封腔体(20)为密闭腔体；所述第一密封腔体(19)设置有堆芯(1)，所述第二密封腔体(20)设置有蒸汽发生器(2)；所述堆芯(1)与所述蒸汽发生器(2)之间设置有贯穿的热管(3)；所述热管(3)分为蒸发段和冷凝段，所述热管(3)在所述堆芯(1)内部分设定为蒸发段，所述热管(3)在所述蒸汽发生器(2)内部分设定为冷凝段，所述热管冷凝段外侧设置有热管导向传热管(13)；所述热管导向传热管(13)与所述下管板(12)密闭固定连接；

所述堆芯(1)内设置有金属基体(7)，所述金属基体(7)设置于所述热管蒸发段外侧；所述金属基体(7)内部设置有导向通道，所述导向通道内部设置有控制棒(6)，所述控制棒(6)沿所述导向通道上下移动；所述金属基体(7)内还设置有燃料元件(5)，所述燃料元件(5)用于发生核裂变反应产生热量；所述金属基体(7)与保护容器(4)之间设置有反射层(8)和屏蔽层(9)，所述反射层(8)包覆于所述金属基体(7)外侧，所述屏蔽层(9)包覆于所述反射层(8)外侧；

所述堆芯(1)为快中子固体反应堆，所述燃料元件(5)为二氧化铀或氮化铀；所述燃料元件(5)插入所述金属基体(7)内部；所述燃料元件(5)是棒状、板状或环形燃料元件中的一种；所述金属基体(7)内设置有若干小孔通道，用于均匀间隔布置燃料元件(5)、控制棒(6)和热管(3)；

所述蒸汽发生器(2)内还设置有汽水分离装置(14)和干燥器(15)，所述汽水分离装置(14)设置于所述热管导向传热管(13)上侧，所述干燥器(15)设置于所述汽水分离装置(14)上侧；所述蒸汽发生器(2)还包括给水接管(10)、蒸汽出口接管(11)，所述给水接管(10)设置于所述蒸汽发生器(2)外侧，所述蒸汽出口接管(11)设置于所述蒸汽发生器(2)顶部；

所述热管(3)内部的工质为钠或钾碱金属。

2.根据权利要求1所述的核蒸汽供应系统，其特征在于，所述热管导向传热管(13)外表面设置有翅片(16)，用于增强换热能力。

3.根据权利要求2所述的核蒸汽供应系统，其特征在于，所述蒸汽发生器(2)内产生的两相混合物经汽水分离装置(14)和干燥器(15)后成为饱和度99％以上的饱和蒸汽，经蒸汽出口接管(11)排出。

4.根据权利要求3所述的一种基于热管输热的核蒸汽供应系统，其特征在于，所述热管导向传热管(13)与所述热管(3)对应设置，所述热管导向传热管(13)的内径大于所述热管(3)的外径。

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