CN116230264A - 反应堆及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种反应堆及其运行方法。反应堆包括：主容器，用于容纳冷却剂；堆芯，设于主容器内；堆芯围筒，套设于堆芯外；环形隔板，与主容器的侧壁和堆芯围筒相接，环形隔板和堆芯围筒共同将主容器分隔形成热池区域和冷池区域；多个径向隔板，在热池区域内分隔形成多个沿周向分布的子区域；至少一个第一换热器和至少一个第二换热器，每个子区域设有一个第一换热器或一个第二换热器；以及至少一个泵，每个泵与一个第二换热器设置于一个子区域内，其中，热池区域、每个第一换热器、冷池区域之间形成冷却剂的自然循环通道，热池区域、每个第二换热器、每个泵以及冷池区域之间形成冷却剂的强迫循环通道。

Description

反应堆及其运行方法

技术领域

本发明涉及反应堆技术领域，特别涉及一种反应堆及其运行方法。

背景技术

铅基快堆具有结构紧凑、功率密度高、良好的安全特性等优势，在军事和民用领域拥有较为广阔的发展前景。目前，铅基快堆具有堆功率较低的技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提供了一种反应堆及其运行方法。

第一方面，本申请实施例提供了一种反应堆，包括：主容器，用于容纳冷却剂；堆芯，设于主容器内；堆芯围筒，套设于堆芯的外围；环形隔板，与主容器的侧壁和堆芯围筒相接，环形隔板和堆芯围筒共同将主容器分隔形成热池区域和冷池区域，其中位于环形隔板下方同时位于堆芯围筒外侧的区域为冷池区域，位于环形隔板上方同时位于堆芯围筒外侧的区域和位于堆芯围筒内侧的区域为热池区域；多个径向隔板，与主容器的侧壁、堆芯围筒以及环形隔板相接，以在热池区域内分隔形成多个沿周向分布的子区域；至少一个第一换热器和至少一个第二换热器，每个子区域设有一个第一换热器或一个第二换热器；以及至少一个泵，每个泵与一个第二换热器设置于一个子区域内，其中，热池区域、每个第一换热器、冷池区域之间形成冷却剂的自然循环通道，热池区域、每个第二换热器、每个泵以及冷池区域之间形成冷却剂的强迫循环通道。

第二方面，本申请实施例提供了一种反应堆的运行方法，反应堆为如本申请第一方面的反应堆，方法包括：当反应堆低功率运行时，仅利用自然循环通道对冷却剂进行冷却；当反应堆高功率运行时，同时利用自然循环通道和强迫循环通道对冷却剂进行冷却，以增强自然循环的冷却效果。

本申请实施例通过在热池区域内形成多个沿周向分布的子区域，在各子区域中设置第一换热器或者设置第二换热器和泵，使得在热池区域、每个第一换热器、冷池区域之间形成冷却剂的自然循环通道，在热池区域、每个第二换热器、每个泵以及冷池区域之间形成冷却剂的强迫循环通道。本申请实施例的反应堆，可以利用自然循环的方式保证反应堆在各种正常工况以及事故工况下的安全性，并可以通过冷却剂的自然循环特性实现完全的低功率运行；另外可以通过强迫循环的方式提高正常运行情况下的堆功率密度，尤其是能够满足高功率下的反应堆的运行，提高了反应堆的经济性。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明一个实施例的反应堆的结构示意图；

图2是图1所示反应堆中热池区域的截面示意图；

图3是根据本发明一个实施例的泵和第二换热器的剖面示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

附图标记说明：

10、主容器；11、主容器本体；12、主容器顶盖；21、堆芯；22、堆芯围筒；221、开口；31、环形隔板；32、热池区域；33、冷池区域；41、径向隔板；42、子区域；50、第一换热器；511、第一入口；512、第一出口；61、第二换热器；610、环形壳体；611、第二入口；612、换热管路；613、水入口；614、蒸汽出口；62、泵；621、泵壳；622、限位件；623、泵轴；624、叶轮；625、泵入口；626、泵出口；627、泵壳出口段；70、栅板联箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

在本发明实施例的描述中“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。

在相关技术中，铅基快堆中冷却剂的循环模式包括两种，一种是一回路强迫循环模式，另外一种是小型化的一回路自然循环模式。对于一回路强迫循环模式的铅基快堆而言，需要采用机械泵实现，该方式存在着流道复杂，在事故工况下流动受限的问题，但能有较高的堆芯功率密度，实现较大的堆功率。对于一回路自然循环模式的铅基快堆而言，存在着冷却剂循环强度低，循环高度受限及堆功率较低等问题，但有着良好的反应堆的安全性。

本发明实施例提供了一种反应堆，其可以为铅基快堆。参见图1和图2，本发明实施例的反应堆包括：主容器10，堆芯21，堆芯围筒22，环形隔板31，多个径向隔板41，至少一个第一换热器50，至少一个第二换热器61以及至少一个泵62。

主容器10(或称之为压力容器)用于容纳冷却剂。主容器10可以为圆柱体金属容器。主容器10可以由主容器本体11和主容器顶盖12共同形成。主容器本体11包括圆筒和密封地设置在圆筒下端的下封头，主容器顶盖12可以为堆顶屏蔽。堆顶屏蔽是整个主容器10的密封结构，通过它来实现主容器10上部的密封，保证冷却剂在合理的空间范围内的流动。

堆芯21设于主容器10内。堆芯21可以位于主容器10的下部空间。堆芯21可以由一定数量的开式燃料组件和其他功能组件组成。

堆芯21竖直插入栅板联箱70中。堆芯21是堆本体装置核裂变发生的主要区域，也是整个装置主要的发热区域。

堆芯围筒22设于主容器10内，套设于堆芯21的外围。环形隔板31与主容器10的侧壁和堆芯围筒22相接。环形隔板31和堆芯围筒22共同将主容器10分隔形成热池区域32和冷池区域33。其中位于环形隔板31下方同时位于堆芯围筒22外侧的区域为冷池区域33，位于环形隔板31上方同时位于堆芯围筒22外侧的区域和位于堆芯围筒22内侧的区域为热池区域32。即，堆芯围筒22内侧的区域为热池区域32。堆芯围筒22外侧的区域中，位于环形隔板31上方的区域也为热池区域32，位于环形隔板31下方的区域为冷池区域33。

径向隔板41位于环形隔板31上方的热池区域32。每个径向隔板41与主容器10的侧壁、堆芯围筒22以及环形隔板31相接，以在热池区域32内分隔形成多个沿周向分布的子区域42。在本申请实施例中，径向隔板41位于热池区域32上部，起到阻止横向流动，并强化流动循环的作用，同时也是区分下文提及的强迫循环通道与自然循环通道的主要隔离物。

每个子区域42设有一个第一换热器50或一个第二换热器61。第一换热器50或第二换热器61设置在不同的子区域42中。换言之，对于每个子区域42而言，其中要么设有一个第一换热器50，要么设有一个第二换热器61。

每个泵62与一个第二换热器61设置于一个子区域42内，其中，热池区域32、每个第一换热器50、冷池区域33之间形成冷却剂的自然循环通道，热池区域32、每个第二换热器61、每个泵62以及冷池区域33之间形成冷却剂的强迫循环通道。

在图示的实施例中，热池区域32内沿周向共形成6个子区域42，相应地，反应堆共有3个泵62、3个第一换热器50以及3个第二换热器61。容易理解，在未示出的实施例中，热池区域32内沿周向共形成的子区域42的数量还可以为2、3、4、8等。

本申请实施例通过在热池区域32内形成多个沿周向分布的子区域42，在一些子区域42中设置第二换热器61和泵62，在另一些子区域42中仅设置第一换热器50，使得在热池区域32、每个第一换热器50、冷池区域33之间形成冷却剂的自然循环通道，在热池区域32、每个第二换热器61、每个泵62以及冷池区域33之间形成冷却剂的强迫循环通道。

在本申请实施例中，从堆芯21出口出来的冷却剂会进入主容器10的上部空间(堆芯围筒22的径向内侧区域)，之后流经各子区域42内的第二换热器61、泵62或第一换热器50，实现换热后，进入冷池区域33，随后再次进入堆芯21的入口，形成完整的一回路循环路径。冷却剂经堆芯21、热池区域32进入第二换热器61、泵62，随后进入冷池区域33和堆芯21的循环路径为强迫循环路径(即强迫循环通道)。冷却剂经堆芯21，热池区域32进入第一换热器50后回到冷池区域33和堆芯21的路径为自然循环路径(即自然循环通道)。

本申请实施例的反应堆，可以利用自然循环的方式保证反应堆在各种正常工况以及事故工况下的安全性，并可以通过冷却剂的自然循环特性实现完全的低功率运行；另外可以通过强迫循环的方式提高正常运行情况下的堆功率密度，尤其是能够满足高功率下的反应堆的运行，提高了反应堆的经济性。

由于将第二换热器61和泵62与第一换热器50分别设置于不同的子区域42内，使得自然循环通道和强迫循环通道两者之间互不干涉。可以保证热池区域32中的冷却剂能够沿周向被分流并经换热冷却后返回冷池中，避免热池区域32中的冷却剂出现紊流，同时还能保证冷却剂的换热效率，保证了反应堆的安全性。

在本申请实施例中，强迫循环通道可以是铅基快堆在高功率模式下进行的循环模式；自然循环通道可以是铅基快堆在任何工况下都存在的循环模式，也是低功率下运行的主要循环模式。在本申请实施例中，反应堆高功率运行时例如可以为反应堆设计产能功率水平的60％以上。反应堆低功率运行时例如可以为反应堆设计产能功率水平的30％以下。反应堆中等功率运行时例如可以为反应堆设计产能功率水平的30％-60％之间。当反应堆中等功率运行时，同时利用自然循环通道和强迫循环通道对冷却剂进行冷却，但泵62的功率小于其在反应堆高功率运行时泵62的功率。

容易理解，第一换热器50，第二换热器61以及泵62均自主容器顶盖12向下延伸进入主容器10内部，由主容器顶盖12提供支承。

第一换热器50可以为蒸汽发生器。蒸汽发生器的结构可以是常规的铅-水换热器，主要进行热量的交换和产生蒸汽，作为汽轮机发电的推动力。蒸汽发生器可以采用双层管结构，有效避免水蒸气漏出后带入堆芯21的风险。

第一换热器50可以包括壳体和位于壳体内的换热管路，壳体的径向外侧上部设有沿周向分布的多个第一入口511，壳体的径向内侧的下部设有沿周向分布的多个第一出口512，进入子区域42内的冷却剂经由第一入口511进入壳体内与换热管路换热降温后经由第一出口512流出壳体。

第一换热器50可以在一个子区域42中向下延伸以贯穿环形隔板31进入冷池区域。第一换热器50的入口位于热池区域32的子区域42内，出口位于冷池区域33。第一换热器50的入口和出口均可以有多个，沿周向均匀分布。第一换热器50的出口可以接近冷池区域33的底部，从而一方面延长第一换热器50的长度，从而延长换热路径，增加换热效果，另一方面，有利于从第一换热器50的出口流出的冷却剂进入堆芯21内部。

第二换热器61也可以为蒸汽发生器。参见图3，第二换热器61仅在热池区域32内，而不进入冷池区域33。第二换热器61可以包括壳体和位于壳体内的换热管路，壳体的径向外侧上部设有沿周向分布的多个第二入口611，壳体的径向内侧的下部设有沿周向分布的多个第二出口，进入子区域42内的冷却剂经由第二入口611进入壳体内与换热管路换热降温后经由第二出口流出壳体。第二换热器61的第二入口611和第二出口均位于同一子区域42内。第二换热器61的第二入口611和第二出口也可以有多个，沿周向均匀分布。第二换热器61还包括位于主容器10上方的水入口613和蒸汽出口614。

参见图1和图3，泵62包括泵壳621、设置于泵壳621内的泵轴623以及与泵轴623连接的叶轮624。泵壳621上连接有限位件622，用于对泵轴623进行限位。泵62可以在一个子区域42中向下延伸以贯穿环形隔板31进入冷池区域。泵壳621设有泵入口625和泵出口626，泵入口625位于子区域42内。泵壳621的底部形成位于泵出口626，泵出口626向下经由环形隔板31延伸至冷池区域33。从第二出口流出的冷却剂经由泵入口625进入泵62中，经由泵出口626进入冷池区域33。泵62可以为离心泵。

第二换热器61和泵62可以均沿轴向延伸。在一些实施例中，第二换热器61和泵62可以并排平行设置，即两者在水平面内的投影不重合。在一些实施例中，第二换热器61和泵62可以同轴设置。

在一些实施例中，第二换热器61具有环形结构，泵62设置于第二换热器61的径向内侧，从第二出口流出的冷却剂进入泵入口625。本申请实施例通过将泵62设置于第二换热器61的径向内侧，充分利用子区域42的空间，从根本上解决小型池式铅基快堆空间布置有限的问题，进一步在保证安全性的同时提高反应堆的堆芯功率密度。

第二换热器61包括环形壳体610和位于环形壳体610内的换热管路612，环形壳体610的径向外侧上部设有沿周向分布的多个第二入口611，环形壳体610的径向内侧的下部设有沿周向分布的多个第二出口，进入子区域42内的冷却剂经由第二换热器61的第二入口611进入环形壳体610内与换热管路612换热降温后经由第二换热器61的第二出口流出环形壳体610。

具体地，从堆芯21出来的冷却剂进入设有第二换热器61的子区域42后，从第二换热器61的第二入口611进入第二换热器61内与换热管路612进行换热，在第二出口流出后，由泵入口625吸入到泵62内，加压后从泵出口626出来，流入堆芯21入口区域(即栅板联箱70的冷却剂入口)。

在一些实施例中，泵壳621的下部设有沿周向分布的多个泵入口625，泵入口625与第二出口形成一回路循环的通道。每个泵入口625面对一个第二换热器61的第二出口，以利于从第二换热器61的出口流出的冷却剂进入泵62内。

在一些实施例中，泵62的泵入口625与第二换热器61的第二出口密封相接。在一些实施例中，泵62的泵入口625与第二换热器61的第二出口之间存在间隙，如此设置有利于加快冷却剂在强迫循环通道的流动速率。

在一些实施例中，第二换热器61的环形壳体610的底壁与环形隔板31连接。容易理解，泵62具有使用温度的限制，这使得堆芯21的功率不能太高，以免进入热池区域32内的冷却剂温度太高，超出泵62的使用温度。在本申请实施例中，通过将泵62设置于第二换热器61的径向内侧，且第二换热器61的环形壳体610的底壁与环形隔板31连接，将泵62与子区域42中的温度较高的冷却剂隔离起来，使得与泵62接触的冷却剂为经由第二换热器61冷却后的冷却剂，如此能够降低泵62的温度，起到保护泵62的作用，从而使得本申请实施例的反应堆能够在更高的功率下运行。

环形壳体610的底部为泵壳出口段627，泵壳出口段627位于环形隔板31的下部。叶轮624位于泵壳出口段627内。容易理解，叶轮624与泵壳出口段627的径向间距较小，当泵62关停时，叶轮624停止转动，此时，经由第二换热器61和泵62进行自然循环的冷却剂的流量较少，可以忽略。

在一些实施例中，第一换热器50的第一出口512低于泵出口626，即，第一换热器50的第一出口512在垂直高度上低于泵出口626，从而能够利于热量的交换和冷却剂的流动，以有利于自然循环的形成。

进一步地，由于冷却剂在堆芯21内流动的阻力大，为避免从泵62流出的冷却剂直接进入第一换热器50的第一出口512返回热池区域32(即堆芯21被旁路)，第一换热器50的换热效果好于第二换热器61的换热效果，即，从第一换热器50的第一出口512流出的冷却剂的温度低于从泵出口626流出的冷却剂的温度。由于泵出口626和第一换热器50的第一出口512在垂直高度上存在差异，且第一换热器50的出口温度较低，可以保证自然循环方式下的流动密度差。

容易理解，在本申请实施例中，泵62位于热池区域32与冷池区域33之间，为二者的贯穿件，泵62为堆本体内一回路强迫循环流动的主要动力源。

在本发明的一些实施例中，泵壳621与环形壳体610之间的径向间距可以为1-5cm，从而一方面避免环形壳体610将热量传递至泵壳621，另一方面最大限度利用主容器10内的池内空间，实现热量交换的最大化，对堆的经济性的提升有重要的作用。

在一些实施例中，堆芯围筒22的顶端可以与主容器顶盖12相接，堆芯围筒22的上方形成多个与每个子区域42连通的开口221。从堆芯21流出的冷却剂进入堆芯围筒22上部后，经由各开口221进入对应子区域42中的换热器。

在其他的实施例中，堆芯围筒22的顶端低于主容器顶盖12，自主容器顶盖12向下延伸出顶盖围筒，该顶盖围筒与堆芯围筒22之间的间隙形成开口221。

在一些实施例中，每个开口221的高度以及尺寸相同，以利于热池区域32内的冷却剂均匀地进入各子区域42对应的开口221。每个子区域42的尺寸相同，有利于均匀分配。

在一些实施例中，相邻两个子区域42中，一个子区域42中设置有第一换热器50，另一个子区域42中设置有第二换热器61和泵62。在这样的实施例中，交替设置实现两种换热器的非对称布置，更有利于所有冷却剂温度均匀。无论是在正常运行工况下还是事故工况下，均能形成有效的通道以排出堆芯21热量，对堆的安全性是重要的提升。

本申请实施例还提供了一种反应堆的运行方法，反应堆为如本申请任一实施例的反应堆。方法包括：当反应堆低功率运行时，仅利用自然循环通道对冷却剂进行冷却；当反应堆高功率运行时，利用自然循环通道和强迫循环通道对冷却剂进行冷却，以增强自然循环的冷却效果。

具体地，当反应堆低功率运行时，关停泵62，仅利用自然循环通道对冷却剂进行冷却；当反应堆高功率运行时，开启泵62，同时利用自然循环通道和强迫循环通道对冷却剂进行冷却，以增强自然循环的冷却效果。

本申请实施例的反应堆的运行方法，能明显地提高铅基快堆的安全性。可以利用自然循环的方式保证反应堆在各种正常工况以及事故工况下的安全性，并可以通过冷却剂的自然循环特性实现完全的低功率运行；另外可以通过强迫循环的方式提高正常运行情况下的堆功率密度，尤其是能够满足高功率下的反应堆的运行，提高了反应堆的经济性。本专利利用强迫循环和自然循环各自的优势来进行堆的设计，保证了堆的安全性和经济性，为后续的小型堆向中型堆的推广应用做好基础。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种反应堆，包括：

主容器，用于容纳冷却剂；

堆芯，设于所述主容器内；

堆芯围筒，套设于所述堆芯的外围；

环形隔板，与所述主容器的侧壁和所述堆芯围筒相接，所述环形隔板和所述堆芯围筒共同将所述主容器分隔形成热池区域和冷池区域，其中位于所述环形隔板下方同时位于所述堆芯围筒外侧的区域为冷池区域，位于所述环形隔板上方同时位于所述堆芯围筒外侧的区域和位于所述堆芯围筒内侧的区域为热池区域；

多个径向隔板，与所述主容器的侧壁、所述堆芯围筒以及所述环形隔板相接，以在所述热池区域内分隔形成多个沿周向分布的子区域；

至少一个第一换热器和至少一个第二换热器，每个所述子区域设有一个所述第一换热器或一个所述第二换热器；以及

至少一个泵，每个所述泵与一个所述第二换热器设置于一个所述子区域内，

其中，所述热池区域、每个所述第一换热器、所述冷池区域之间形成冷却剂的自然循环通道，所述热池区域、每个所述第二换热器、每个所述泵以及所述冷池区域之间形成冷却剂的强迫循环通道。

2.根据权利要求1所述的反应堆，其中，所述堆芯围筒的顶端与所述主容器的顶盖相接，所述堆芯围筒的上方形成多个与每个所述子区域连通的开口。

3.根据权利要求2所述的反应堆，其中，每个所述开口的高度以及尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的反应堆，其中，每个所述子区域的尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的反应堆，其中，所述泵的出口向下穿过所述环形隔板进入所述冷池区域；

所述第一换热器的出口向下穿过所述环形隔板进入所述冷池区域；

其中，所述第一换热器的出口低于所述泵的出口。

6.根据权利要求5所述的反应堆，其中，从所述第一换热器的出口流出的冷却剂的温度低于从所述泵的出口流出的冷却剂的温度。

7.根据权利要求1所述的反应堆，其中，相邻两个所述子区域中，一个子区域中设置有所述第一换热器，另一个子区域中设置有所述第二换热器和所述泵。

8.根据权利要求1所述的反应堆，其中，所述第二换热器具有环形结构，所述泵设置于所述第二换热器的径向内侧，从所述第二换热器的出口流出的冷却剂进入所述泵的入口。

9.根据权利要求8所述的反应堆，其中，所述第二换热器包括环形壳体和位于所述环形壳体内的换热管路，所述环形壳体的径向外侧上部设有沿周向分布的多个入口，所述环形壳体的径向内侧的下部设有沿周向分布的多个出口，进入所述子区域内的冷却剂经由所述第二换热器的入口进入所述环形壳体内与所述换热管路换热降温后经由所述第二换热器的出口流出所述环形壳体，

所述泵包括泵壳、设置于所述泵壳内的泵轴以及与所述泵轴连接的叶轮，所述泵壳的下部设有沿周向分布的多个泵入口，每个所述泵入口面对一个所述第二换热器的出口，所述泵壳的底部形成位于泵出口，所述泵出口向下经由所述环形隔板延伸至所述冷池区域。

10.一种反应堆的运行方法，所述反应堆为如权利要求1-9中任一项所述的反应堆，所述方法包括：

当所述反应堆低功率运行时，仅利用所述自然循环通道对所述冷却剂进行冷却；

当所述反应堆高功率运行时，同时利用所述自然循环通道和所述强迫循环通道对所述冷却剂进行冷却。

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