CN116110623A - 一种超紧凑反应堆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超紧凑反应堆系统，涉及反应堆系统领域，换热器固定于外容器内的一端，换热器的冷却介质出口朝向外容器的一端端壁并与该端壁之间形成第一冷却介质通道，堆芯固定于外容器内另一端的中部并与外容器侧壁之间形成第二冷却介质通道，驱动泵的进液口与第一冷却介质通道连通，换热器中部具有沿外容器一端至另一端设置的换热器中心孔，驱动泵的出液口通过换热器中心孔与堆芯朝向驱动泵的一端连通，堆芯的另一端通过第二冷却介质通道与换热器的冷却介质进口连通；稳压器与外容器连通。本发明驱动泵在低温端，解决电机高温问题，提高效率。整体结构紧凑，径向尺寸超小，可实现反应堆在特殊尺寸限制下的应用。通过稳压器可实现无液面设计。
Description
技术领域
本发明涉及反应堆系统领域，具体涉及一种超紧凑反应堆系统。
背景技术
传统的反应堆系统多为立式池式结构或者回路式分散结构，体积尺寸较大，且系统复杂。而且现有技术中，通常冷却剂是依次经过驱动泵、换热器、堆芯并为堆芯换热降温后再回到驱动泵，但冷却剂因为吸收了堆芯的热量，其经过驱动泵时处于高温，使驱动泵在高温端，导致受电机耐高温能力的限制，反应堆的热端温度不能过高，影响效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何使反应堆系统结构紧凑且避免堆芯温度受到驱动泵耐受温度的限制。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超紧凑反应堆系统，包括外容器、换热器、堆芯、驱动泵和稳压器，所述换热器固定于所述外容器内的一端，所述换热器的冷却介质出口朝向所述外容器的一端端壁并与该端壁之间形成第一冷却介质通道，所述堆芯固定于所述外容器内另一端的中部并与所述外容器侧壁之间形成第二冷却介质通道，所述驱动泵的进液口与所述第一冷却介质通道连通，所述换热器中部具有沿所述外容器一端至另一端设置的换热器中心孔，所述驱动泵的出液口通过所述换热器中心孔与所述堆芯朝向所述驱动泵的一端连通，所述堆芯的另一端通过所述第二冷却介质通道与所述换热器的冷却介质进口连通；所述稳压器与所述外容器固定连接并与所述第一冷却介质通或所述第二冷却介质通道连通。
本发明的有益效果是：当外容器内填充冷却介质后，冷却介质在驱动泵的驱动下在外容器内循环流动。冷却介质经换热器换热降温后，从冷却介质出口流出，经过第一冷却介质通道，沿驱动泵的进液口到堆芯为其降温，冷却介质升温，随后沿第二冷却介质通道从冷却介质进口再回到换热器。采用驱动泵在低温端的设计，解决驱动泵的电机高温问题，提高效率。利用堆芯和外容器之间的间隔形成第二冷却介质通道，不需要再设置供冷却介质流动的隔层等结构，整体结构紧凑，径向尺寸超小，体积和重量较传统结构可降低50％，可以实现反应堆在特殊尺寸限制约束条件下的应用。本方案通过稳压器可实现无液面设计，也就是取消了自由液面顶部留有气腔的设计，可以实现卧式堆布置，满足反应堆在卧式应用场景条件下的要求。解决传统自由液面设计导致卧式堆顶部传热效果差，以及摇摆、倾斜等应用环境对反应堆的影响。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括多个连通管道，所述堆芯的另一端延伸至所述外容器的另一端外，多个所述连通管道位于所述外容器的另一端外，并沿所述堆芯的周向均匀分布，其一端与所述堆芯的另一端连通，其另一端与所述第二冷却介质通道连通。
采用上述进一步方案的有益效果是：堆芯背向驱动泵的一端通过连通管道与第二冷却介质通道连通，简化外容器结构，降低堆芯轴向方向尺寸。
进一步，还包括多个反应性控制装置，多个所述反应性控制装置布置于所述堆芯另一端周向的外侧，且位于多个所述连通管道与所述外容器另一端端壁之间的区域。
采用上述进一步方案的有益效果是：反应性控制装置位于连通管道与外容器端壁之间，较传统的布置方式布置更为紧凑，节约空间需求。
进一步，所述换热器、所述堆芯和所述驱动泵沿水平轴线同轴设置；所述驱动泵与所述外容器的一端固定连接并密封。
采用上述进一步方案的有益效果是：超紧凑反应堆系统可设置为卧式结构。驱动泵采用密封结构，消除冷却介质泄漏的问题，解决传统卧式布置方式冷却介质泄漏的问题。
进一步，所述进液口为环形，所述进液口的下侧开口宽度大于其上侧开口宽度。
采用上述进一步方案的有益效果是：进液口为在环行方向上根据冷却介质的流量、压阻、中立等综合因素非均匀均匀设置环形开口，下侧开口偏大，上侧开口偏小，从而克服冷却介质自身重力因素的影响，实现冷却介质的均匀流入。
进一步，所述换热器还具有沿所述外容器一端至另一端贯通设置的冷却介质流道，所述换热器还具有沿其周向设置的换热介质流道。
采用上述进一步方案的有益效果是：取消传统换热器冷却介质侧的封头结构，冷却介质沿轴向方向直接通过换热器的冷却介质流道换热，结构紧凑且大幅度降低流阻。
进一步，所述换热器中心孔为圆孔，所述冷却介质流道为弧形，所述冷却介质流道设有多个，多个所述冷却介质流道分为至少两组流道组，至少两组所述流道组沿所述换热器周向间隔设置，并通过沿所述换热器径向设置的第一支撑筋分隔。
采用上述进一步方案的有益效果是：冷却介质流道设有多个，冷却介质流阻小，换热效率高。第一支撑筋起到支撑作用。
进一步，每组所述流道组的多个所述冷却介质流道沿所述换热器径向间隔设置，且相邻的两个所述冷却介质流道通过沿所述换热器周向设置的第二支撑筋分隔，所述第二支撑筋内设有所述换热介质流道。
采用上述进一步方案的有益效果是：第二支撑筋对换热器结构起到支撑作用，同时设置换热介质流道，结构紧凑。换热介质与冷却介质换热，并为冷却介质降温。
进一步，所述第一支撑筋上设有与所述换热介质流道两端连通的换热介质入口和换热介质出口。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用支撑筋设置换热介质流道的封头，结构简单紧凑。
附图说明
图1为本发明超紧凑反应堆系统的剖视图，图中箭头表示冷却介质的流动方向；
图2为图1超紧凑反应堆系统的左视图；
图3为本发明换热器的三维图；
图4为本发明换热器的端面结构图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、外容器；2、换热器；3、堆芯；4、连通管道；5、反应性控制装置；6、驱动叶轮；7、驱动泵；8、稳压器；9、内容器；10、进液口；11、换热器外壁；12、第一支撑筋；13、换热器中心孔；14、第二支撑筋；15、冷却介质流道；16、换热介质入口；17、换热介质出口。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-图4所示，本实施例提供一种超紧凑反应堆系统，包括外容器1、换热器2、堆芯3、驱动泵7和稳压器8，所述换热器2固定于所述外容器1内的一端，所述换热器2的冷却介质出口朝向所述外容器1的一端端壁并与该端壁之间形成第一冷却介质通道，所述堆芯3固定于所述外容器1内另一端的中部并与所述外容器1侧壁之间形成第二冷却介质通道，所述驱动泵7的进液口10与所述第一冷却介质通道连通，所述换热器2中部具有沿所述外容器1一端至另一端设置的换热器中心孔13，所述驱动泵7的出液口通过所述换热器中心孔与所述堆芯3朝向所述驱动泵7的一端连通，所述堆芯3的另一端通过所述第二冷却介质通道与所述换热器2的冷却介质进口连通；所述稳压器8与所述外容器1固定连接并与所述第一冷却介质通或所述第二冷却介质通道连通。
本实施例中，当外容器内填充冷却介质后，冷却介质在驱动泵7的驱动下在外容器1内循环流动。冷却介质经换热器2换热降温后，从冷却介质出口流出，经过第一冷却介质通道，沿驱动泵7的进液口10到堆芯3为其降温，冷却介质升温，随后沿第二冷却介质通道从冷却介质进口再回到换热器2。采用驱动泵7在低温端的设计，解决驱动泵7的电机高温问题，提高效率。利用堆芯3和外容器1之间的间隔形成第二冷却介质通道，不需要再设置供冷却介质流动的隔层等结构，整体结构紧凑，径向尺寸超小，体积和重量较传统结构可降低50％，可以实现反应堆在特殊尺寸限制约束条件下的应用。
具体的，驱动泵7包括电机和驱动叶轮6，电机固定在外容器1外侧，其输出端穿过外容器1并与外容器1内的驱动叶轮6传动连接。驱动叶轮6位于换热器中心孔13内，利用换热器中心孔13作为驱动叶轮6的冷却介质通道，换热器2与驱动泵7呈一体化设计。换热器中心孔13与内容器9的一端固定连接，内容器9的另一端与堆芯3的端部固定连接，从而在外容器1的中部形成供冷却介质流动的通道。
其中，驱动叶轮6与换热器中心孔13之间具有间隙，换热器中心孔13也可以采用与驱动叶轮6外轮廓形状相似的仿形形状。
具体的，换热器2的换热器外壁11与外容器1的内侧壁固定连接。
此外，现有技术中冷却介质不会完全充满容器，冷却介质上方有覆盖气体起稳压作用，以防冷却介质的热胀冷缩涨爆容器，但如倾斜或者卧倒安装会导致覆盖气体进入冷却介质流道内影响传热，因此只能采用立式布置，在一些卧式应用场景尺寸限制下(如UUV)使用受限。
本方案通过稳压器8可实现无液面设计，也就是取消了自由液面顶部留有气腔的设计，可以实现卧式堆布置(当然，也可以作为立式堆使用)，满足反应堆在卧式应用场景条件下(如UUV)的要求。解决传统自由液面设计导致卧式堆顶部传热效果差，以及摇摆、倾斜等应用环境对反应堆的影响。
具体的，本方案稳压器8采用波纹管式稳压器，包括波纹管、稳压器外壳和弹簧，波纹管的一端与外容器1内连通且充满冷却介质，稳压器外壳罩在波纹管另一端外侧并与波纹管之间形成气腔，气腔内设有弹簧，弹簧的两端分别与波纹管另一端端部和稳压器外壳抵接。当冷却介质膨胀时，波纹管可形变伸长；冷却介质收缩后，波纹管在弹簧弹性力作用下收缩，从而实现稳压。
在上述方案的基础上，还包括多个连通管道4，所述堆芯3的另一端延伸至所述外容器1的另一端外，多个所述连通管道4位于所述外容器1的另一端外，并沿所述堆芯3的周向均匀分布，其一端与所述堆芯3的另一端连通，其另一端与所述第二冷却介质通道连通。
堆芯3背向驱动泵7的一端通过连通管道4与第二冷却介质通道连通，简化外容器1结构，降低堆芯3轴向方向尺寸。
在上述任一方案的基础上，还包括多个反应性控制装置5，多个所述反应性控制装置5布置于所述堆芯3另一端周向的外侧，且位于多个所述连通管道4与所述外容器1另一端端壁之间的区域。
反应性控制装置5位于连通管道4与外容器1端壁之间，较传统的布置方式布置更为紧凑，节约空间需求。
具体的，每个反应性控制装置5本身外侧还设置有圆柱形的屏蔽层。
具体的，反应性控制装置5在堆芯3周向上，位于相邻两个连通管道4之间。这样，结构紧凑，且各装置之间不会相互影响。
在上述任一方案的基础上，所述换热器2、所述堆芯3和所述驱动泵7沿水平轴线同轴设置；所述驱动泵7与所述外容器1的一端固定连接并密封。
超紧凑反应堆系统可设置为卧式结构。驱动泵7采用密封结构，消除冷却介质泄漏的问题，解决传统卧式布置方式冷却介质泄漏的问题。
可选的，驱动泵7可以为屏蔽泵或磁力泵等全密封无泄漏结构形式的泵。
在上述任一方案的基础上，所述进液口10为环形，所述进液口10的下侧开口宽度大于其上侧开口宽度。
进液口10为在环行方向上根据冷却介质的流量、压阻、中立等综合因素非均匀均匀设置环形开口，下侧开口偏大，上侧开口偏小，从而克服冷却介质自身重力因素的影响，实现冷却介质的均匀流入。
具体的，换热器外壁11、堆芯3和驱动泵7的驱动叶轮6同轴设置。如图1所示，换热器中心孔13的端壁与外容器1的一端端壁之间形成进液口10。可选的，靠近进液口10处的换热器中心孔13截面形状可以为圆形、椭圆形、多边形或其他形状。
在上述任一方案的基础上，所述换热器2还具有沿所述外容器1一端至另一端贯通设置的冷却介质流道15，所述换热器2还具有沿其周向设置的换热介质流道。
取消传统换热器冷却介质侧的封头结构，冷却介质沿轴向方向直接通过换热器的冷却介质流道15换热，结构紧凑且大幅度降低流阻。同时，当冷却介质为液态金属冷却剂，换热器2位于堆芯3和驱动泵7的电机之间，在换热功能的同时，依靠冷却介质自身的特性可兼做屏蔽使用，以降低屏蔽系统的体积重量。
可选的，液态金属冷却剂可以为包含铅、铅铋合金或钠等液态金属的冷却剂，也可以为其他液态金属冷却剂。
在上述任一方案的基础上，所述换热器中心孔13为圆孔，所述冷却介质流道15为弧形，所述冷却介质流道15设有多个，多个所述冷却介质流道15分为至少两组流道组，至少两组所述流道组沿所述换热器2周向间隔设置，并通过沿所述换热器2径向设置的第一支撑筋12分隔。
冷却介质流道15设有多个，冷却介质流阻小，换热效率高。第一支撑筋12起到支撑作用。
在其中一个具体的实施例中，如图3和图4所示，多个所述冷却介质流道15分为四组流道组，共设有四个第一支撑筋12。
在上述任一方案的基础上，每组所述流道组的多个所述冷却介质流道15沿所述换热器2径向间隔设置，且相邻的两个所述冷却介质流道15通过沿所述换热器2周向设置的第二支撑筋14分隔，所述第二支撑筋14内设有所述换热介质流道。
第二支撑筋14对换热器2结构起到支撑作用，同时设置换热介质流道，结构紧凑。换热介质流道内用于流通换热介质，换热介质与冷却介质换热，并为冷却介质降温。
在上述任一方案的基础上，所述第一支撑筋12上设有与所述换热介质流道两端连通的换热介质入口16和换热介质出口17。
利用支撑筋设置换热介质流道的封头，结构简单紧凑。
可选的，每个第二支撑筋14内均设置一个换热介质流道，或者其中一个或几个第二支撑筋14内换热介质流道，多个换热介质流道的进口可均汇集至一个第一支撑筋12处，并通过换热介质入口16与外部的换热介质循环通路连通，多个换热介质流道的出口可均汇集至同一个或另一个第一支撑筋12处，并通过换热介质出口17与外部的换热介质循环通路连通。
可选的，如图4所示，换热介质入口16和换热介质出口17为一组，可设有多组。以换热介质入口16和换热介质出口17设有两组为例，其中一部分换热介质流道与其中一组换热介质入口16和换热介质出口17连通，另一部分换热介质流道与另一组换热介质入口16和换热介质出口17连通。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (9)
1.一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，包括外容器(1)、换热器(2)、堆芯(3)、驱动泵(7)和稳压器(8)，所述换热器(2)固定于所述外容器(1)内的一端，所述换热器(2)的冷却介质出口朝向所述外容器(1)的一端端壁并与该端壁之间形成第一冷却介质通道，所述堆芯(3)固定于所述外容器(1)内另一端的中部并与所述外容器(1)侧壁之间形成第二冷却介质通道，所述驱动泵(7)的进液口(10)与所述第一冷却介质通道连通，所述换热器(2)中部具有沿所述外容器(1)一端至另一端设置的换热器中心孔(13)，所述驱动泵(7)的出液口通过所述换热器中心孔(13)与所述堆芯(3)朝向所述驱动泵(7)的一端连通，所述堆芯(3)的另一端通过所述第二冷却介质通道与所述换热器(2)的冷却介质进口连通；所述稳压器(8)与所述外容器(1)固定连接并与所述第一冷却介质通或所述第二冷却介质通道连通。
2.根据权利要求1所述的一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，还包括多个连通管道(4)，所述堆芯(3)的另一端延伸至所述外容器(1)的另一端外，多个所述连通管道(4)位于所述外容器(1)的另一端外，并沿所述堆芯(3)的周向均匀分布，其一端与所述堆芯(3)的另一端连通，其另一端与所述第二冷却介质通道连通。
3.根据权利要求3所述的一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，还包括多个反应性控制装置(5)，多个所述反应性控制装置(5)布置于所述堆芯(3)另一端周向的外侧，且位于多个所述连通管道(4)与所述外容器(1)另一端端壁之间的区域。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，所述换热器(2)、所述堆芯(3)和所述驱动泵(7)沿水平轴线同轴设置；所述驱动泵(7)与所述外容器(1)的一端固定连接并密封。
5.根据权利要求4所述的一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，所述进液口(10)为环形，所述进液口(10)的下侧开口宽度大于其上侧开口宽度。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，所述换热器(2)还具有沿所述外容器(1)一端至另一端贯通设置的冷却介质流道(15)，所述换热器(2)还具有沿其周向设置的换热介质流道。
7.根据权利要求6所述的一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，所述换热器中心孔(13)为圆孔，所述冷却介质流道(15)为弧形，所述冷却介质流道(15)设有多个，多个所述冷却介质流道(15)分为至少两组流道组，至少两组所述流道组沿所述换热器(2)周向间隔设置，并通过沿所述换热器(2)径向设置的第一支撑筋(12)分隔。
8.根据权利要求7所述的一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，每组所述流道组的多个所述冷却介质流道(15)沿所述换热器(2)径向间隔设置，且相邻的两个所述冷却介质流道(15)通过沿所述换热器(2)周向设置的第二支撑筋(14)分隔，所述第二支撑筋(14)内设有所述换热介质流道。
9.根据权利要求7所述的一种超紧凑反应堆系统，其特征在于，所述第一支撑筋(12)上设有与所述换热介质流道两端连通的换热介质入口(16)和换热介质出口(17)。
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