CN116313178B - 反应堆及其反应性控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种反应堆及其反应性控制系统。反应堆包括容纳有冷却介质的冷却介质池和设置于冷却介质池内的堆芯，反应性控制系统包括：粉末射流提供部，用于将粉末状的中子吸收材料与气流混合形成粉末射流；和至少一个注料通道，注料通道至少部分设置于冷却介质池的液面下方，冷却介质池内的冷却介质能够进入注料通道并返回堆芯。注料通道用于接收粉末射流，以使粉末射流中的中子吸收材料在注料通道中被冷却介质溶解，以随冷却介质流向堆芯。本申请实施例的反应堆反应性控制系统在反应堆需要停堆时，通过向注料通道中提供粉末射流，能够快速地将中子吸收材料注入注料通道中被冷却介质溶解，进而持续快速地随冷却介质流动至反应堆的堆芯。
Description
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反应性控制系统。
背景技术
化学停堆系统是一种常见的备用停堆方式，正常运行工况下，化学停堆系统处于备用状态以及进行定期试验。当反应堆棒控系统发生失效不能正常停堆时，化学停堆系统投入运行，向反应堆注入足够的中子吸收剂，实现化学停堆。在相关技术中，针对压力壳式反应堆，因其堆内水容量小，可通过快速向堆内注入浓硼酸溶液的方式来实现紧急停堆。而在泳池式反应堆的设计中，反应堆设置在敞口深水池的底部，该反应堆通过大幅提升池内水装量的方案来提高反应堆的固有安全性。因池水总容量极大，若采用传统液态注硼停堆系统，需向池内注入大量的硼酸溶液，这样会出现应急事故反应慢、注入硼酸溶液浓度受限、注硼时间长等问题，无法在事故初期实现紧急停堆。
发明内容
针对相关技术中存在的上述技术问题，本申请实施例针对泳池式反应堆设计一种能够快速实现化学停堆的反应堆及其反应性控制系统。
第一方面，本申请实施例提供了一种反应堆反应性控制系统，反应堆包括容纳有冷却介质的冷却介质池和设置于冷却介质池内的堆芯，系统包括：粉末射流提供部，用于将粉末状的中子吸收材料与气流混合形成粉末射流；和至少一个注料通道，注料通道至少部分设置于冷却介质池的液面下方，冷却介质池内的冷却介质能够进入注料通道并返回堆芯，其中，注料通道用于接收粉末射流，以使粉末射流中的中子吸收材料在注料通道中被冷却介质溶解，以随冷却介质流向堆芯。
第二方面，本申请实施例提供了一种反应堆，包括：容纳有冷却介质的冷却介质池和设置于冷却介质池内的堆芯，其中，反应堆还包括本申请第一方面的反应性控制系统。
本申请实施例的反应堆反应性控制系统能够在反应堆需要停堆时，通过粉末射流提供部向注料通道中提供粉末射流，能够快速地将中子吸收材料注入注料通道中被冷却介质溶解，进而随冷却介质流动至反应堆的堆芯。
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所示反应堆的局部放大图；
图3是图2所示混合罐的俯视图。
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、气源装置；11、粉末储罐；111、环腔；12、进粉管路；121、进粉阀门；13、送粉机；14、进气流路；141、进气阀门；15、混合腔室；16、射流输送管路；17、注料通道；171、接收管路；172、混合罐；1721、第一开口；1722、第二开口；1723、第三开口；173、溶液输送管路；18、单向阀；
210、冷却介质池；220、堆芯；230、底座；231、冷却介质入口；240、净化装置；241、出液管路；242、返回管路。
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。
参见图1至图2，本发明实施例的反应堆包括容纳有冷却介质的冷却介质池210和设置于冷却介质池210内的堆芯220。容易理解，本申请实施例中的反应堆为泳池式反应堆。不同于常规压力容器式反应堆，泳池式反应堆的冷却介质池210体积较大，其上方敞口，冷却介质池210位于密闭反应堆厂房内。冷却介质池210上部为流动空气，与密封厂房连通，密封厂房设有排放系统，该排放系统主动排放使厂房内大气压力不超过承载限值。
冷却介质池210内的冷却介质可以为水。
当利用堆内注入浓硼酸溶液的方式对泳池式反应堆进行化学堆停时，由于冷却介质池210体积较大，需向池内注入大量的硼酸溶液，这样会出现应急事故反应慢、注入硼酸溶液浓度受限、系统结构复杂、硼酸溶液添加箱数量多、化学停堆系统所占空间体积大、注硼时间长等问题，无法在事故初期实现紧急停堆。由此可见，针对压力壳式反应堆设计的反应性控制系统不适合池水总容量极大的泳池式反应堆。
本申请实施例针对泳池式反应堆设计一种能够快速动作的反应性控制系统。
本发明实施例的反应堆反应性控制系统包括：粉末射流提供部和至少一个注料通道17。粉末射流提供部用于将粉末状的中子吸收材料与气流混合形成粉末射流。中子吸收材料可以为硼酸粉末、硝酸钆粉末、硼酸钆粉末中的一种或多种。中子吸收材料也可以为能够吸收中子的其他材料。形成气流的气体为空气。
注料通道17至少部分设置于冷却介质池210的液面下方。即，注料通道17可以全部设置于冷却介质池210的液面下方，或者一部分设置于冷却介质池210的液面下方。
冷却介质池210内的冷却介质能够进入注料通道17并返回堆芯220。其中，注料通道17用于接收粉末射流，以使粉末射流中的中子吸收材料在注料通道17中被冷却介质溶解，以随冷却介质流向堆芯220。
本申请实施例的反应堆反应性控制系统在反应堆需要停堆时，能够通过粉末射流提供部向注料通道17中提供粉末射流，从而能够快速地将大量中子吸收材料注入注料通道17中。粉末状中子吸收材料能够快速被冷却介质溶解，进而随冷却介质流动至反应堆的堆芯220。本申请的反应性控制系统能够通过粉末射流向注料通道17快速注入中子吸收材料，并利用注料通道17将溶解有中子吸收材料的冷却介质快速送至反应堆的堆芯220，相比向堆内注入浓硼酸溶液的方式，一方面能够向注料通道17内快速注入中子吸收材料，另一方面能够快速将中子吸收材料送入反应堆的堆芯220，从而使得注入中子吸收材料响应时间短，有利于快速实现化学堆停。
此外，由于无需向冷却介质池210内注入中子吸收溶液(如浓硼酸溶液)，因此能够有效减少中子吸收溶液注入管道与中子吸收材料添加箱数量、节省布置空间。相比向堆内注入浓中子吸收溶液的方式，本申请的反应性控制系统制造安装容易、检修方便。
在一些实施例中，反应堆还包括泵，用于驱动冷却介质池210内位于堆芯220上方的冷却介质循环返回堆芯220的底部。在这样的实施例中，堆芯220上方的冷却介质在泵的驱动作用下能够经由注料通道17返回堆芯220。即，注料通道17相当于形成冷却介质池210内一支冷却介质回路的一部分。本申请实施例的反应性控制系统能够利用反应堆原本的设计，实现将中子吸收材料送至堆芯220。
在一些实施例中，每个注料通道17包括：混合罐172和溶液输送管路173。混合罐172用于接收来自粉末射流提供部的粉末射流和来自冷却介质池210内的冷却介质，且使粉末射流能够注入注料通道17的冷却介质中，其中，粉末射流中的中子吸收材料被注料通道17中的冷却介质溶解，粉末射流中的气体能够从注料通道17的冷却介质中逸出并流出混合罐172。溶液输送管路173与混合罐172连通，用于将混合罐172中溶解有中子吸收材料的冷却介质输送至堆芯220。
容易理解，粉末射流中的气体不会溶解于冷却介质中，由于气体密度比冷却介质密度小，气体会在冷却介质中以气泡的形式向上移动以逸出冷却介质。因此，在本申请一些实施例中，参见图3，混合罐172可设有至少一个第一开口1721，每个第一开口1721位于液面的上方，从注料通道17的冷却介质中逸出的气体能够经由每个第一开口1721从混合罐172中流出。混合罐172的第一开口1721可以有多个。第一开口1721可以位于混合罐172的顶壁。
参见图2，混合罐172还设有：至少一个第二开口1722。每个第二开口1722位于液面的下方，冷却介质池210内的冷却介质能够经由每个第二开口1722进入注料通道17并返回堆芯220。混合罐172的第二开口1722可以有多个。第二开口1722可以设置于混合罐172的侧壁。
反应堆还包括设置于堆芯220下方用于支承堆芯220的底座230。堆芯220可以通过底座230布置在冷却介质池210的底部。底座230的径向外侧沿周向设有多个冷却介质入口231，冷却介质池210内的冷却介质经由每个冷却介质入口231进入堆芯220。每个溶液输送管路173与一个冷却介质入口231相接。
在一些实施例中，注料通道17的数量为两个，两个注料通道17对称地设置于堆芯220的两侧。在其他的实施例中，注料通道17的数量可以根据冷却介质池210内的空间设置为一个，三个或四个以上。
在一些实施例中，粉末射流提供部包括射流输送管路16。射流输送管路16可以位于液面的上方。每个注料通道17还包括：接收管路171和设置于接收管路171上的单向阀18。接收管路171设置于混合罐172的上方，接收管路171与射流输送管路16连通。单向阀18用于仅允许来自射流输送管路16的粉末射流进入接收管路171，阻止来自混合罐172内的冷却介质蒸汽(当冷却介质为水时，冷却介质蒸汽为水蒸气)通过接收管路171进入射流输送管路16内部，避免粉末射流中的中子吸收材料在射流输送管路16内部发生溶解，导致射流输送管路16发生阻塞或不畅。
混合罐172的顶壁和底壁分别设有第三开口1723，用于分别与接收管路171和溶液输送管路173连接。混合罐172的内径可以大于接收管路171和溶液输送管路173的内径。具体地，混合罐172可以包括圆筒面、两个截锥面(或者称为圆台面)以及两个端面，两个截锥面直径大的一端分别与圆筒面的上下两端相接，两个端面分别与两个截锥面直径小的一端连接。两个第三开口1723分别设置于两个端面上。这样的结构有利于粉末射流进入混合罐172后迅速膨胀，加大中子吸收材料与混合罐172内冷却介质的接触面积，从而一方面提高溶解的速度，另一方面避免中子吸收材料在溶解时造成管路的阻塞。第一开口1721可以设置于顶部的端面上，第二开口1722可以设置于圆筒面上。
在一些实施例中，粉末射流提供部包括：进气流路14和粉末储罐11，进气流路14与射流输送管路16连接，用于向射流输送管路16中提供高速气流。粉末储罐11用于向进气流路14中提供中子吸收材料，以形成粉末射流。
在一些实施例中，粉末储罐11位于进气流路14的正上方，粉末储罐11的底部形成粉末出口，粉末出口通过竖直延伸的进粉管路12与进气流路14连通。粉末出口处可设置出口阀门。可以利用粉末储罐11的粉末出口与进气流路14的高度差，使粉末储罐11中粉末状的中子吸收材料能够在重力作用下进入进粉管路12，随后进入进气流路14中与气流混合形成粉末射流。进粉管路12上可设置进粉阀门121，以导通或断开进粉管路12。
在一些实施例中，粉末射流提供部包括：送粉机13。送粉机13通过进粉管路12与粉末储罐11连接。可以利用粉末储罐11与送粉机13之间的高度差，使中子吸收材料能够依靠重力自然下落进入送粉机13，再利用送粉机13将中子吸收材料送至进气流路14。
粉末射流提供部还可包括混合腔室15，进气流路14通过混合腔室15与射流输送管路16连通，送粉机13将中子吸收材料送至混合腔室15中，以使中子吸收材料在混合腔室15内与进气流路14中的气流混合形成粉末射流。
粉末射流提供部还可包括：气源装置10，用于提供气体以形成气流。气源装置10与进气流路14连接，进气流路14上设有进气阀门141，用于控制进气流路14的通断。气源装置10可以为罗茨风机等，用于提供压缩空气。
本申请实施例的系统将存放有中子吸收材料的粉末储罐11放置在高于冷却介质池210的位置，利用粉末储罐11与冷却介质池210之间的高度差，使中子吸收材料(如硼酸粉末、硝酸钆粉末、硼酸钆粉末等)能够依靠重力自然下落进入送粉机13，利用气流将中子吸收材料送入到堆芯220活性区输送管道内，中子吸收材料可快速在堆内指定位置溶解，以迅速引入负反应性，从而实现事故初期紧急停堆的功能，具备快速注入、系统简单灵活、占地面积小、节约经济成本等优点。
送粉机13与气源装置10可以集成设置，从而缩短连接管路，减少占地面积。
在反应堆运行工况下，粉末储罐11中的中子吸收材料温度过低时容易出现结块凝固现象，不利于事故工况下中子吸收材料的输送，在一些实施例中，系统还包括：加热装置，用于对粉末储罐11加热，以避免中子吸收材料出现结块凝固现象。
在一些实施例中，如图1所示，反应堆具有净化装置240，用于对冷却介质池210内的冷却介质进行净化。可以在不改变反应堆原方案的基础上，利用反应堆池水的热量，通过净化装置240的分流为粉末储罐11进行加热以维持其内部温度。可以在净化装置240上设置一个热量回收管路作为加热装置。热量回收管路包括出液管路241和返回管路242；粉末储罐11的容器外壁设置有加热保温环腔111，出液管路241将净化后反应堆池水引入加热环腔内为粉末储罐11加热，使得粉末储罐11内中子吸收材料温度维持在能够实现正常工作稳定的温度水平，随后通过返回管路242返回净化装置240中。
在反应堆正常运行时，本申请实施例的反应性控制系统所有阀门均维持关闭状态，以防止粉末储罐11中的中子吸收材料进入反应堆。当需要反应性控制系统投运时，通过电动或人工开启粉末储罐11底部的出口阀门以及进粉阀门121，以使粉末储罐11内的中子吸收材料在重力作用下落入送粉机13腔体，送粉机13利用气源装置10所产生的高速气流在混合腔室15内连续进行引射作用，并通过射流输送管路16，将中子吸收材料迅速输送至各混合罐172内，实现从一点到多点输送。粉末射流流过接收管路171时将单向阀18的阀门顶开，流进混合罐172。混合罐172顶部开设的第一开口1721能够保证罐内压力与冷却介质池210上部压力始终相同，混合罐172侧壁开设的第二开口1722使混合罐172内部的冷却介质与冷却介质池210内的冷却介质相连。因中子吸收材料在水中的溶解度极大，中子吸收材料可通过本申请实施例的反应性控制系统实现连续输送。由于溶液输送管路173与底座230的冷却介质入口231相连，使得中子吸收材料浓度较高的溶液通过溶液输送管路173直接进入反应堆活性区。中子吸收材料通过本申请实施例的反应性控制系统快速进入堆芯活性区，迅速引入负反应性，从而实现事故初期紧急停堆的功能。
本申请实施例的泳池式反应堆用反应性控制系统，能够在不改变反应堆原方案的基础上结合至已有的泳池式反应堆中。
本申请实施例的反应性控制系统在泳池式反应堆出现超设计基准事故时，能够有效地实现化学停堆。具体地，反应性控制系统可以在事故发生40分钟后启动，从而避免反应堆池水大量蒸发引起厂房超压、反应堆池水水位快速下降等问题。
本申请实施例还提供了一种反应堆，包括：容纳有冷却介质的冷却介质池210和设置于冷却介质池210内的堆芯220，其中，反应堆还包括本申请任一实施例的反应性控制系统。
反应堆还包括：净化装置240和热量回收管路。净化装置240用于对来自冷却介质池210的冷却介质进行净化。热量回收管路用于将来自净化装置240的冷却介质引出，对反应性控制系统的粉末储罐11进行加热后循环返回净化装置240。热量回收管路包括出液管路241和返回管路242。粉末储罐11的容器外壁设置有加热保温环腔111，出液管路241将净化后反应堆池水引入加热环腔内为粉末储罐11加热，使得粉末储罐11内中子吸收材料温度维持在能够实现正常工作稳定的温度水平，随后通过返回管路242返回净化装置240中。
在一些实施例中，反应堆还包括泵，用于驱动冷却介质池210内位于堆芯220上方的冷却介质循环返回堆芯220的底部。在这样的实施例中，堆芯220上方的冷却介质在泵的驱动作用下能够经由注料通道17返回堆芯220。即，注料通道17相当于形成为冷却介质池210内一支冷却介质回路的一部分。本申请实施例能够利用反应堆原本的设计，实现将中子吸收材料送至堆芯220。
反应堆还包括设置于堆芯220下方用于支承堆芯220的底座230，底座230的径向外侧沿周向设有多个冷却介质入口231，冷却介质池210内的冷却介质经由每个冷却介质入口231进入堆芯220，每个溶液输送管路173与一个冷却介质入口231相接。堆芯220可以通过底座230布置在冷却介质池210的底部。
本申请实施例还提供了一种反应堆反应性控制方法，利用本申请任一实施例的系统对反应堆的反应性进行控制。本申请实施例的方法包括：当反应堆需要停堆时，向每个注料通道17提供粉末射流，以使粉末射流进入注料通道17中被注料通道17中的冷却介质溶解，并随冷却介质流动至反应堆的堆芯220。
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 (12)
1.一种反应堆反应性控制系统，所述反应堆包括容纳有冷却介质的冷却介质池和设置于所述冷却介质池内的堆芯，所述系统包括：
粉末射流提供部，用于将粉末状的中子吸收材料与气流混合形成粉末射流；和
至少一个注料通道，所述注料通道至少部分设置于所述冷却介质池的液面下方，所述冷却介质池内的冷却介质能够进入所述注料通道并返回所述堆芯，
其中，所述注料通道用于接收所述粉末射流，以使所述粉末射流中的中子吸收材料在所述注料通道中被冷却介质溶解，以随所述冷却介质流向所述堆芯；
其中，每个所述注料通道包括：
混合罐，用于接收来自所述粉末射流提供部的粉末射流和来自所述冷却介质池内的冷却介质，且使所述粉末射流能够注入所述注料通道的冷却介质中，其中，所述粉末射流中的中子吸收材料被所述注料通道中的冷却介质溶解，所述粉末射流中的气体能够从所述注料通道的冷却介质中逸出并流出所述混合罐；和
溶液输送管路，与所述混合罐连通，用于将所述混合罐中溶解有所述中子吸收材料的冷却介质输送至所述堆芯。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述混合罐设有至少一个第一开口，每个所述第一开口位于所述液面的上方，从所述注料通道的冷却介质中逸出的气体能够经由每个所述第一开口从所述混合罐中流出。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述混合罐还设有：
至少一个第二开口，每个所述第二开口位于所述液面的下方，所述冷却介质池内的冷却介质能够经由每个所述第二开口进入所述注料通道并返回所述堆芯。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述反应堆还包括设置于所述堆芯下方用于支承所述堆芯的反应堆底座，所述反应堆底座的径向外侧沿周向设有多个冷却介质入口，所述冷却介质池内的冷却介质经由所述多个冷却介质入口进入所述堆芯，
每个所述溶液输送管路与一个所述冷却介质入口相接。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述注料通道的数量为两个，两个所述注料通道对称地设置于所述堆芯的两侧。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述粉末射流提供部包括射流输送管路，每个所述注料通道还包括：
接收管路，设置于所述混合罐的上方，所述接收管路与所述射流输送管路连通；和
单向阀，设置于所述接收管路上，用于仅允许来自所述射流输送管路的粉末射流进入所述接收管路。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述粉末射流提供部包括：
进气流路，与所述射流输送管路连接，用于向所述射流输送管路中提供高速气流；
粉末储罐，用于向所述进气流路中提供中子吸收材料，以形成所述粉末射流。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括：
加热装置，用于对所述粉末储罐加热。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷却介质池内的冷却介质为水。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中子吸收材料为硼酸粉末、硝酸钆粉末、硼酸钆粉末中的一种或多种。
11.一种反应堆，包括：容纳有冷却介质的冷却介质池和设置于所述冷却介质池内的堆芯，其中，所述反应堆还包括如权利要求1-10中任一项所述的反应性控制系统。
12.根据权利要求11所述的反应堆，还包括：
净化装置，用于对来自所述冷却介质池的冷却介质进行净化；和
热量回收管路，用于将来自所述净化装置的冷却介质引出，对所述反应性控制系统的粉末储罐进行加热后循环返回所述净化装置。
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