CN114639490A - 一体化反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化反应堆，包括：堆仓；安全壳；压力容器，压力容器设在安全壳内，压力容器内限定有上端敞开的压力腔；堆本体，堆本体设在压力腔内，堆本体内限定有上端敞开的反应室，反应室的下端与压力腔的下端连通；顶盖，顶盖设在压力容器上以用于封闭压力腔和反应室；堆芯，堆芯设在反应室内且位于反应室的底部；稳压器，稳压器设在反应室内且与顶盖相连；蒸汽发生器，蒸汽发生器设在压力腔的上部；主泵，主泵设在顶盖上以用于连通压力腔和反应室的上端并使反应室和压力腔内的冷媒循环流动；控制棒驱动机构，控制棒驱动机构设在反应室内且位于稳压器与堆芯之间。根据本发明实施例的一体化反应堆，结构紧凑，自然循环能力强。

Description

一体化反应堆

技术领域

本发明涉及核能应用技术领域，更具体地，涉及一种一体化反应堆。

背景技术

核动力特别适合于需要在海上长期航行而不必更换燃料或者要求有强劲水下推进力的舰船。目前全世界有150多艘舰船是由220多个小型核反应堆提供动力的，它们在海上的作业时间已累积超过1.2万堆年。这些舰船绝大多数为潜艇、航空母舰和破冰船，主要用于军用目的，核动力在民用领域的应用非常少，主要受限于运行性能、安全性能、体积限制等。

推动核动力更广泛应用于海洋条件，仍需要通过核动力系统的优化配置，着力解决安全性能、经济性能，以及特定海洋应用条件的要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种一体化反应堆，该一体化反应堆结构紧凑，自然循环能力强。

根据本发明实施例的一体化反应堆，包括：堆仓，所述堆仓内限定有第一储水空间；安全壳，所述安全壳设在所述第一储水空间内且被水淹没；压力容器，所述压力容器设在所述安全壳内，所述压力容器内限定有上端敞开的压力腔；堆本体，所述堆本体设在所述压力腔内，所述堆本体内限定有上端敞开的反应室，所述反应室的下端与所述压力腔的下端连通；顶盖，所述顶盖设在所述压力容器上以用于封闭所述压力腔和所述反应室；堆芯，所述堆芯设在所述反应室内且位于所述反应室的底部；稳压器，所述稳压器设在所述反应室内且与所述顶盖相连；蒸汽发生器，所述蒸汽发生器设在所述压力腔的上部；主泵，所述主泵设在所述顶盖上以用于连通所述压力腔和所述反应室的上端并使所述反应室和所述压力腔内的冷媒循环流动；控制棒驱动机构，所述控制棒驱动机构设在所述反应室内且位于所述稳压器与所述堆芯之间。

根据本发明实施例的一体化反应堆，通过将堆芯、稳压器和蒸汽发生器等设于一个压力容器内，实现反应堆的一体化布置，结构紧凑，自然循环能力强，并且消除了大破口事故发生的可能性。

根据本发明的一个实施例，所述稳压器形成为电加热自喷淋稳压器。

可选地，所述蒸汽发生器形成为环绕所述堆本体的上部螺旋上升的螺旋管直流蒸汽发生器。

根据本发明的一个实施例，所述一体化反应堆还包括：给水联箱，所述给水联箱设在所述安全壳的上部，所述给水联箱与所述蒸汽发生器连通以向所述蒸汽发生器供水，所述给水联箱通过给水管道与外部连通；蒸汽联箱，所述蒸汽联箱设在所述安全壳的上部，所述蒸汽联箱与所述蒸汽发生器连通以承接所述蒸汽发生器产生的蒸汽，所述蒸汽联箱通过蒸汽管路与外部连通。

可选地，所述主泵形成为多个立式屏蔽泵，多个所述沿所述顶盖的周向间隔开设在所述顶盖的外周，每个所述主泵的外壳内置于所述压力容器内。

根据本发明的一个实施例，所述一体化反应堆还包括：支撑结构，所述支撑结构设在所述反应室内且位于所述堆芯上方，所述控制棒驱动机构设在所述支撑结构上且由所述支撑结构支撑。

可选地，所述安全壳形成为钢壳，所述安全壳的耐压范围大于4MPa。

根据本发明的一个实施例，所述一体化反应堆还包括：屏蔽铸铁，所述屏蔽铸铁设在所述安全壳的下部且与所述安全壳的内壁面之间间隔开限定出第二储水空间；制动泄压管线，所述制动泄压管线设在所述安全壳内，所述制动泄压管线的一端设在所述安全壳的上端且与所述安全壳内的气体空间连通，所述制动泄压管线的另一端向下伸入所述第二储水空间并与所述第二储水空间连通。

根据本发明的一个实施例，所述一体化反应堆还包括：外置冷凝器，所述外置冷凝器设在所述安全壳的外壁面上且淹没在所述第一储水空间内，所述外置冷凝器与所述蒸汽发生器连通以进行热交换。

根据本发明的一个实施例，所述一体化反应堆还包括：空冷器，所述空冷器设在所述堆仓外且与所述堆仓内的水进行热交换。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的一体化反应堆的结构示意图。

附图标记：

一体化反应堆100；

堆仓10；第一储水空间11；

安全壳20；屏蔽铸铁21；制动泄压管线22；第二储水空间23；

压力容器30；

堆本体40；顶盖41；堆芯42；

稳压器50；

蒸汽发生器60；给水联箱61；给水管道611；蒸汽联箱62；蒸汽管路621；

主泵70；

控制棒驱动机构80；支撑结构81；

外置冷凝器90；空冷器91。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的一体化反应堆100。

如图1所示，根据本发明实施例的一体化反应堆100包括堆仓10、安全壳20、压力容器30、堆本体40、顶盖41、堆芯42、稳压器50、蒸汽发生器60、主泵70和控制棒驱动机构80。

具体而言，堆仓10内限定有第一储水空间，安全壳20设在第一储水空间11内且被水淹没，压力容器30设在安全壳20内，压力容器30内限定有上端敞开的压力腔，堆本体40设在压力腔内，堆本体40内限定有上端敞开的反应室，反应室的下端与压力腔的下端连通，顶盖41设在压力容器30上以用于封闭压力腔和反应室，堆芯42设在反应室内且位于反应室的底部，稳压器50设在反应室内且与顶盖41相连，蒸汽发生器60设在压力腔的上部，主泵70设在顶盖41上以用于连通压力腔和反应室的上端并使反应室和压力腔内的冷媒循环流动，控制棒驱动机构80设在反应室内且位于稳压器50与堆芯42之间。

换言之，根据本发明实施例的一体化反应堆100主要由堆仓10、设在堆仓10内的安全壳20、设在安全壳20内的压力容器30、设在压力容器30内的堆本体40和蒸汽发生器60设在堆本体40上的顶盖41、设在顶盖41上的稳压器50和主泵70、设在堆本体41内的堆芯42和控制棒驱动机构80等构成。

其中，堆仓10可以形成为水池结构以用于储水，堆仓10内池水可以为常压设计，保证了在任何工况下较低的余热载出热井，堆仓10池水热容量大，有利于保证余热载出热井的可靠性，且在极限工况下允许向堆仓10水池直接注入海水，以及通过海水循环冷却堆仓10。安全壳20设在堆仓10内并且被堆仓10内的池水淹没。安全壳20内设有压力容器30，堆本体40设在压力容器30内，顶盖41设在压力容器30上并且可以封闭压力容器30和堆本体40的上端。

一体化堆本体40内按照冷却剂流动方向分为上升段和下降段。冷却剂在主泵70的驱动下首先经过蒸汽发生器60将热量换给二次侧蒸汽，进入下降段到达堆本体40底部后折返进入下腔室，进而流经堆芯42再次被加热，穿过堆顶结构、控制棒驱动机构80、上升流道后到达堆本体40顶部后进入主泵70吸入口，由主泵70增压后再次折返向下进入蒸汽发生器60换热，完成冷却剂系统的循环。根据本发明实施例的一体化反应堆100采用采用一体化布置堆本体，取消主管道，控制棒驱动机构80内置，可以最大限度的降低破口风险。

由此，根据本发明实施例的一体化反应堆100，通过将堆芯42、稳压器50和蒸汽发生器60等设于一个压力容器30内，实现反应堆40的一体化布置，结构紧凑，自然循环能力强，并且消除了大破口事故发生的可能性。

根据本发明的一个实施例，稳压器50形成为电加热自喷淋稳压器50。

具体地，稳压器50压力边界也是一回路堆本体压力边界，稳压器50上部与堆本体40的顶盖41一体，位于主泵70中间，下部位于一回路流道上升段内、控制棒驱动结构80之上，深入堆本体40内部的稳压器50充分利用了流道上升段的容积，结构紧凑，提高了稳压器50装量，同时较小的一回路循环水量有利于反应堆40的快速功率调节。

另外，稳压器50内置于压力容器30，上部分位于压力容器40的顶盖41上方的中心，并作为压力容器40压力边界的一部分；下部分深入冷却剂上升通道内，接近控制棒驱动机构80顶端，保证了结构的紧凑以及稳压器50的水装量，稳压器50为电加热自喷淋设计，取消了由泵驱动、由阀门控制的能动喷淋管线，结构紧凑，系统简化。

在本发明的一些具体实施方式中，蒸汽发生器60形成为环绕堆本体40的上部螺旋上升的螺旋管直流蒸汽发生器60。

优选地，一体化反应堆100还包括给水联箱61和蒸汽联箱62，给水联箱61设在安全壳20的上部，给水联箱61与蒸汽发生器60连通以向蒸汽发生器60供水，给水联箱61通过给水管道611与外部连通。蒸汽联箱62设在安全壳20的上部，蒸汽联箱62与蒸汽发生器60连通以承接蒸汽发生器60产生的蒸汽，蒸汽联箱62通过蒸汽管路621与外部连通。

也就是说，在本发明的实施例中，蒸汽发生器60为螺旋管直流蒸汽发生器，传热管采用大盘管设计，传热管以径向多层围绕堆本体40上升段螺旋上升。传热管给水联箱61和蒸汽联箱62均位于顶部，在打开堆本体40的顶盖41后可以方便的对传热管进行堵管操作，蒸汽发生器给水管道611和蒸汽管路621分别穿过堆本体40的壁与给水联箱61和蒸汽联箱62相连，实现蒸汽发生器60的供水与蒸汽的排出。

由此，根据本发明实施例的一体化反应堆100，采用大盘管直流蒸汽发生器，结构紧凑，换热效率高，直接获得过热蒸汽，取消蒸汽发生器汽水分离器，简化汽轮机系统设计，能够适应快速功率调节。

可选地，根据本发明的一个实施例，主泵70形成为多个立式屏蔽泵，多个沿顶盖41的周向间隔开设在顶盖41的外周，每个主泵70的外壳内置于压力容器30内。

具体地，立式屏蔽主泵70布置于堆本体40的顶盖41外周，泵壳内置于堆本体40内，在换料和检修中，主泵70随顶盖41一体吊起拆出。多台立式屏蔽主泵70位于压力容器30的顶盖41外周，泵壳内置，消除了主管道，缓解了单台主泵故障造成的事故后果，主泵70顶部布置使得压力容器30筒体结构简化，减小了反应堆径向尺寸。

在本发明的一些具体实施方式中，一体化反应堆100还包括：支撑结构81，支撑结构81设在反应室内且位于堆芯42上方，控制棒驱动机构80设在支撑结构81上且由支撑结构81支撑。由此，将控制棒驱动机构80内置于压力容器30内，并且位于堆芯42上部支撑结构81之上，避免了控制棒对压力容器30的贯穿，控制棒驱动机构80内置，消除了弹棒事故发生的可能性。

优选地，根据本发明的一个实施例，安全壳20形成为钢壳，安全壳20的耐压范围大于4MPa。进一步地，一体化反应堆100还包括屏蔽铸铁21和制动泄压管线22，屏蔽铸铁21设在安全壳20的下部且与安全壳20的内壁面之间间隔开限定出第二储水空间23，制动泄压管线22设在安全壳20内，制动泄压管线22的一端设在安全壳20的上端且与安全壳20内的气体空间连通，制动泄压管线22的另一端向下伸入第二储水空间23并与第二储水空间23连通。

具体地，如图1所示，在本实施例中，安全壳20为淹没于堆仓10内的钢壳，且为高耐压设计(如4MPa)，明显高于传统安全壳0.7MPa的设计压力，高压安全壳20能够在破口事故后使得堆本体40内外更快的达到压力平衡，阻止冷却剂的持续流失。安全壳20下部设置屏蔽铸铁21，屏蔽铸铁21与安全壳20的内避免之间限定出屏蔽水池，即第二储水空间23，对堆芯起到屏蔽作用，同时作为安全壳20升压过程中的抑压水池。为应对安全壳20快速升压的风险，采用了抑压式安全壳设计，安全壳20内气空间分为两部分，破口事故仅可能发生于其中一个隔间，即气体空间，隔间通过制动泄压管线22连接安全壳20下部的屏蔽水池，在隔间升压时，隔间内蒸汽通过该制动泄压管线22注入屏蔽水池底部，水蒸气被冷凝，不凝气体浮升到屏蔽水池顶部并通过专用联通通道进入另一个隔间。

在本发明的一些具体实施方式中，一体化反应堆100还包括：外置冷凝器90，外置冷凝器90设在安全壳20的外壁面上且淹没在第一储水空间11内，外置冷凝器90与蒸汽发生器60连通以进行热交换。进一步地，一体化反应堆100还包括：空冷器91，空冷器91设在堆仓10外且与堆仓10内的水进行热交换。

也就是说，在本发明的实施例中，一体化反应堆100的二次侧非能动余热排出系统以蒸汽发生器60为换热器，直接从堆本体40内载出堆芯42余热，系统以蒸汽发生器60为热源，外置冷凝器90为冷源实现热量的自然循环载出。外置冷凝器90位于安全壳20外，淹没于反应堆堆仓10的水池中，保证了良好的换热条件，热量由堆本体40内直接载出安全壳20，因此该系统也实现了对安全壳20的降温降压，不再需要专设的安全壳冷却系统。

非能动二次侧余热排出系统在事故发生后，主蒸汽隔离，连接在蒸汽管路621和给水管道611上的余热排出系统隔离阀打开，对蒸汽发生器60的二次侧进行应急补水，在蒸汽发生器60中生成的蒸汽进入到高位布置的外置冷凝器90中凝结为水后再次返回蒸汽发生器60，通过蒸发与冷凝的自然循环带出堆芯42衰变热。

一体化反应堆100的非能动堆仓冷却系统由堆仓10内的外置冷凝器90、外置于环境的空冷器91、有机工质等组成，工质在堆仓10内吸热蒸发后在空冷器91冷凝，将热量排向环境大气，维持堆仓10池水温度在合理范围内。堆仓10被水淹没并作为安全壳20的最终热阱，该堆仓10被非能动堆仓冷却系统冷却，维持堆仓10水温在合理的范围内，蒸汽发生器60内被加热的介质通过自然循环流经外置空冷器91，最终将热量交换给大气并返回蒸汽发生器60，进而实现对堆仓10池水热量的持续载出。

根据本发明实施例的一体化反应堆100，应用了蒸汽发生器60二次侧载出堆芯余热，外置冷凝器90布置于安全壳20外的堆仓10水池，通过水的蒸发与冷凝非能动的载出堆芯余热；蒸汽发生器60为安全壳20内的热井，热量由压力容器30内载出，使得事故后压力容器30内外的压力快速平衡，阻止冷却剂的持续流失。安全壳20淹没于反应堆堆仓10内，堆仓10被水淹没，堆仓10内池水通过空冷器91和蒸汽发生器60实现非能动冷却，热量最终排向环境大气，大容量池水提供了可靠的热井。

根据本发明实施例的非能动安全系统设计，不依赖外部能源实现事故后反应堆的长期安全停闭。相对于传统反应堆，取消了专设安全注入系统、专设安全壳冷却系统，简化了安全系统设计，并提高了本质安全性能，降低了投资成本。反应堆结构紧凑，系统简化，安全性能与运行性能优秀，能够适应海洋条件的应用需求。

下面结合具体实施例描述根据本发明的一体化反应堆100。

如图1所示，根据本发明实施例的一体化反应堆100包括：4台立式屏蔽主泵70、大盘管直流蒸汽发生器60、内置自喷淋稳压器50、内置式控制棒驱动机构80、堆芯42及其支撑结构81。冷却剂系统流程为：通过稳压器50将系统稳定在15.5MPa的额定压力下；冷却剂在主泵70的驱动下流经螺旋管直流蒸汽发生器60被冷却，温度降为270℃；冷却剂进入下降段到达堆本体40底部后折返进入下腔室，进而流经堆芯42再次被加热，温度达到310℃；然后冷却剂上升穿过堆顶结构、控制棒驱动机构80、上升流道后到达堆本体顶部后进入主泵70吸入口，由主泵70增压后再次折返向下；再由主泵70增压进入下降段后折返进入下腔室，完成冷却剂系统的循环。螺旋管直流蒸汽发生器70二次侧走管侧，额定压力为6MPa；蒸汽过热度为20℃。

总而言之，根据本发明实施例的一体化反应堆100，结构紧凑、系统配置与安全系统设计可以应用于海上发电平台、船舶核动力等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种一体化反应堆，其特征在于，包括：

堆仓，所述堆仓内限定有第一储水空间；

安全壳，所述安全壳设在所述第一储水空间内且被水淹没；

压力容器，所述压力容器设在所述安全壳内，所述压力容器内限定有上端敞开的压力腔；

堆本体，所述堆本体设在所述压力腔内，所述堆本体内限定有上端敞开的反应室，所述反应室的下端与所述压力腔的下端连通；

顶盖，所述顶盖设在所述压力容器上以用于封闭所述压力腔和所述反应室；

堆芯，所述堆芯设在所述反应室内且位于所述反应室的底部；

稳压器，所述稳压器设在所述反应室内且与所述顶盖相连；

蒸汽发生器，所述蒸汽发生器设在所述压力腔的上部；

主泵，所述主泵设在所述顶盖上以用于连通所述压力腔和所述反应室的上端并使所述反应室和所述压力腔内的冷媒循环流动；

控制棒驱动机构，所述控制棒驱动机构设在所述反应室内且位于所述稳压器与所述堆芯之间。

2.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，所述稳压器形成为电加热自喷淋稳压器。

3.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，所述蒸汽发生器形成为环绕所述堆本体的上部螺旋上升的螺旋管直流蒸汽发生器。

4.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，还包括：

给水联箱，所述给水联箱设在所述安全壳的上部，所述给水联箱与所述蒸汽发生器连通以向所述蒸汽发生器供水，所述给水联箱通过给水管道与外部连通；

蒸汽联箱，所述蒸汽联箱设在所述安全壳的上部，所述蒸汽联箱与所述蒸汽发生器连通以承接所述蒸汽发生器产生的蒸汽，所述蒸汽联箱通过蒸汽管路与外部连通。

5.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，所述主泵形成为多个立式屏蔽泵，多个所述沿所述顶盖的周向间隔开设在所述顶盖的外周，每个所述主泵的外壳内置于所述压力容器内。

6.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，还包括：

支撑结构，所述支撑结构设在所述反应室内且位于所述堆芯上方，所述控制棒驱动机构设在所述支撑结构上且由所述支撑结构支撑。

7.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，所述安全壳形成为钢壳，所述安全壳的耐压范围大于4MPa。

8.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，还包括：

屏蔽铸铁，所述屏蔽铸铁设在所述安全壳的下部且与所述安全壳的内壁面之间间隔开限定出第二储水空间；

制动泄压管线，所述制动泄压管线设在所述安全壳内，所述制动泄压管线的一端设在所述安全壳的上端且与所述安全壳内的气体空间连通，所述制动泄压管线的另一端向下伸入所述第二储水空间并与所述第二储水空间连通。

9.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，还包括：

外置冷凝器，所述外置冷凝器设在所述安全壳的外壁面上且淹没在所述第一储水空间内，所述外置冷凝器与所述蒸汽发生器连通以进行热交换。

10.根据权利要求1所述的一体化反应堆，其特征在于，还包括：

空冷器，所述空冷器设在所述堆仓外且与所述堆仓内的水进行热交换。

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