CN117223066A - 核反应堆保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核电工程的具有高温冷却剂的低功率反应堆。用于保护核反应堆的高温冷却剂装置包括供电网络、吸收棒(4、4a、4b)，其制作成可以插入堆芯以进行紧急保护，并配备带有用于将棒固定在给定位置的吸持电磁铁的致动器、附加的紧急保护吸收棒(5)、以及用于供电网络电流的通用电气隔离开关(11)。所述供电网络的设计使得电流依序流过所有吸收棒的吸持电磁铁的绕组。此外，所述电流的电路包括至少一个直动式热电流隔离开关(8)，位于与热冷却剂流中的冷却剂隔离的护套中或位于堆芯出口处，以及至少一个电气断路器(11)安装在吸收棒(5)的护套中，与冷却剂隔离，位于吸收棒(5)上方，其包括带易熔锁的温敏电流隔离开关(9)。技术成果是确保在紧急情况下触发所有吸收棒。
Description
技术领域
本发明涉及核电工程，主要涉及具有高温冷却剂(液态金属、熔盐、氦气、超临界压力水)的低功率反应堆，其在与堆芯出口处的最大冷却剂温度相比的温度方面对于燃料元件的可操作性具有足够的余量。
背景技术
反应堆中最严重的事故(可能导致燃料损坏和放射性释放)与堆芯出口冷却剂温度超过允许值时，燃料元件(fuel element，FE)过热超过运行安全限值有关。这种温度升高的原因可能与冷却剂流量的减少有关，或者与反应堆功率输出的增加有关，或者与FE、冷却剂的散热恶化有关，或者与所述原因的组合有关。
为了避免所有反应堆发生此类事故，反应堆控制和保护系统(control andprotection system，CPS)中产生冷却剂温度高于设定值的电信号，通过触发反应堆紧急保护(emergency protection，EP)来关闭核反应堆(nuclear reactor，NR)。根据此信号，将EP吸收棒(absorber rod，AR)固定在堆芯外的电磁铁绕组断电，紧急保护吸收棒(EP AR)在弹簧、重力或阿基米德力的作用下(如果EP吸收棒在冷却剂中浮力并以带电状态放置在堆芯下方)，插入堆芯并停止反应堆中的裂变链式反应(参见I.Ya.梅利亚诺夫、A.I.埃凡诺夫和L.V.康斯坦丁诺夫的“核反应堆控制的科学和技术基础”，莫斯科，Energoizdat，1981)。这是一个传统的CPS系统。
在这种传统的CPS系统中，尽管有必要的冗余，但当CPS出现多次故障或故意预防性地隐藏恶意干扰CPS电路时，仍有可能因控制电信号失效而导致紧急保护吸收棒触发失败。此外，传统核反应堆控制和保护系统中的EP AR效率通常小于燃耗、反应性的温度和功率影响以及功率控制的总反应性裕度，由执行这些功能的AR进行补偿(AR包括垫片棒和控制棒)。因此，如果未经授权释放这些AR补偿的反应裕度(控制系统中的多处故障、故意预防性恶意干扰CPS电路)，堆芯温度将不可避免地升高到允许值以上，并且燃料会熔化，从而导致严重事故。
被动EP系统是已知的，其通过冷却剂温度的升高来触发，并且消除了上述传统EP系统的缺点，所述缺点与当冷却剂温度增加到高于设定值时触发EP的电信号可能失效相关。这是一个直动式的EP。
在直动式的被动EP系统中，将紧急保护吸收棒固定在堆芯外部的装置(例如，易熔锁、双金属锁、基于形状记忆合金的装置、由具有相应居里温度的材料制成的电磁锁等装置)通过电路连接到CPS，并在冷却液温度升高到设定值以上时直接触发。国际原子能机构文件(IAEA document)“快中子反应堆被动关闭系统”(国际原子能机构核能系列第NR-T-1.16号，维也纳，2020年)中描述了此类装置。同时，与上述传统EP的情况一样，紧急保护吸收棒在弹簧和/或重力的影响下插入堆芯中。
直动式被动EP系统的缺点是，它只能被认为是对具有电磁AR保持的传统AS系统的附加紧急保护(additional emergency protection，AEP)，其不仅由温度升高超过设定值的电信号触发，而且还受到其他EP电信号(NR功率输出的增加、反应器周期缩短、其他过程信号，例如压力增加、泵关闭等)触发，而且当这种直动式被动EP被触发时，并非所有以电磁方式保持在给定位置的AR都会被触发，包括补偿燃耗、中毒、温度和功率反应效应以及功率控制的反应余量的AR。如果未经授权从堆芯中撤回这些棒并释放整个反应余量(控制系统中的多次故障、对EP电路的故意预防性恶意隐藏干扰)，堆芯中的温度将不可避免地升高至以上超过允许值，燃料就会熔化，从而造成严重后果。
根据美国专利US4076587(G21C7/12、G21C9/00、G21C9/027；公布于1972年8月22日)，已知一种易熔装置以及将所述易熔装置使用在NR紧急关闭系统的设计中。这种用于快反应堆(fast reactors)自动紧急关机系统的易熔装置在正常操作条件下，中子吸收剂保持在堆芯上方，但当操作特性(例如温度)达到指定阈值以上的水平时，由于位于中子吸收质量下方的易熔器熔化，中子吸收剂以自由落体的形式释放到反应堆堆芯水平的套管下部。在这种情况下，中子吸收剂位于套管内部，与冷却剂隔离，并放置在燃料箱中。
此技术方案的缺点是，当冷却剂温度升高到特定值以上触发易熔装置时，只有位于易熔装置上方套管护套中的中子吸收剂插入堆芯，而传统CPS的所有其他AR均由电磁锁保持在给定位置，如果EP触发的电信号发生故障，则不会插入堆芯，这可能会导致燃料熔化。
根据俄罗斯专利号RU2539356(G21C7/00；于2015年1月20日公布)，已知一种用于快中子(fast-neutron)的NR保护装置，至少在一个EP AR中，当冷却剂温度增加到超过给定值时，保护装置确保在触发电信号故障或EP棒驱动器故障的情况下触发所有EP AR。这是通过使用EP AR的热断开器来实现的，其使用一种材料，当离开堆芯的钠温度升高到居里温度以上时，材料就会失去磁性。在这种情况下，EP吸收棒(或多个吸收棒)与保持电磁铁的衔铁一起通过重力和加速弹簧的作用插入堆芯，当热隔离开关的衔铁(armature)与第一EP棒(磁路温度超过居里点)一起落下时，由于继电器断开，并且由于剩余EP棒的保持电磁铁的绕组(线圈)的电路断开，剩余的EP棒(磁路中冷却剂的温度尚未达到居里点)也插入堆芯中。
此技术方案可以被认为是最接近本发明的现有技术，其缺点包括以下几点。
首先，这种已知的快中子NR保护装置只能用在使用具有介电特性的冷却剂的反应堆中。在快堆中使用导电液态金属冷却剂的情况下，继电器触点将始终关闭，因为如上述专利中公开的，磁路和继电器安装在充满液态金属冷却剂的反应堆容器中。使用与冷却剂隔离的护套将带有热电隔离开关(继电器)的EP AR放置在反应堆中，如专利RU2539356所示，并通过位于旋转塞上的EP棒横向移动来确保部分换料的可能性，这在技术上是不可行的。
通过使用液态金属冷却剂清洗的柔性电缆来确保继电器的移动触点与固定EP棒的电磁铁的绕组(线圈)的电气连接。确保它们在反应堆条件下的可靠性是一个棘手的问题。
即使反应堆中使用具有介电特性的冷却剂，由于振动、腐蚀、辐射和热机械效应，也难以保证继电器中电接触的可靠性，因为继电器被放置在高中子和伽马辐射场的热冷却剂流中，且多次EP触发时会产生火花。
此外，当专利号RU2539356中要求保护的NR保护装置因超过居里点而被触发时，传统CPS的AR，其驱动器配备电磁锁，将其固定在给定位置，旨在补偿燃耗、中毒、温度和功率反应效应的反应余量，并且功率控制以及EP AR不插入到堆芯。如果传统CPS的所有受控AR未经授权向上“自移动”(控制系统中的多个故障、对CPS电路的故意预防性恶意隐蔽干扰)，则这会导致反应堆“偏移”的可能性。增加所声明类型的EP吸收棒的数量来覆盖燃耗、温度和功率反应性效应以及功率控制的反应性裕度(由传统CPS的AR进行补偿)是不可能的，因为这样的增加只能通过减少传统CPS的AR的数量来实现。因此，这种已知的保护只能补充传统的CPS。
将由具有适当居里温度的材料制成的衔铁和磁路放置在EP AR上方，远离堆芯冷却剂出口，会导致EP触发出现温度滞后，这可能会导致燃料在快速紧急过程中熔化。
最后，最接近的现有技术的缺点是在已知的紧急保护装置中需要使用额外的电源、开关装置和其他必要的元件，这些元件有其自身的故障概率，从而降低了装置的可靠性。
发明内容
本发明要解决的问题是消除同族专利的上述缺点，提高核反应堆的安全性。
所提出的发明的技术成果是确保在冷却剂温度升高到高于设定值的情况下触发传统EP系统的所有吸收棒(AR)，并且在由于某种原因发生故障的情况下通过AR的电磁保持来触发传统EP系统的所有AR以及旨在补偿燃耗、温度和功率反应性影响、中毒影响和功率控制的反应余量的所有其他AR，其驱动器配备有电磁铁，可将这些AR固定在给定位置，因为传统CPS的所有AR的吸持电磁铁的绕组(线圈)中的电路都是打开的，无论其执行的功能如何，均使用直动式热电流隔离开关(thermal current disconnectors，TCD)和电流隔离开关(electrical current disconnectors，ECD)，它们在直动式AEP的AR(不包括反应堆盖上的驱动器)输入堆芯时被触发。
使用所要求保护的基于冷却剂温度增加到高于设定值的NR保护装置对于实现与上述技术结果相关的另一技术结果将特别有效，其旨在提高反应堆的安全性，其反应裕度显着超过延迟中子的有效分数βeff，这高于传统CPS中的EP AR效率。特别是，如果由于控制系统中的多次故障或故意预防性恶意隐蔽干扰CPS电路而导致整个反应裕度未经授权释放，则在使用所提出的NR保护装置时，排除了快中子反应堆偏移的可能性。这将通过负反馈作用、对吸收棒从堆芯抽出速率的技术限制以及反应堆内TCD、ECD和AEP棒的放置来确保，这使得它们无法受到人为干预。
发明简述
为了解决所述问题并达到指定的技术效果，提出在传统CPS的通用电气隔离开关(common electrical disconnector，CED)中依次流过电流，向其施加电信号进行EP触发，传统EP系统所有AR驱动器的吸持电磁铁绕组以及传统CPS其余AR驱动器的吸持电磁铁绕组，无论其功能如何(自动或手动功率控制、各种反应效应补偿)，都配备有吸持电磁铁，可能还有弹簧，通过安装在护套中的热电流隔离开关(TCD)串联，与冷却剂隔离(类似于测量冷却剂温度的热电偶)，在热冷却剂流中在任何方便的地方核心出口连接到热交换器入口(蒸汽锅炉入口)，或者对于直接循环NR，连接到涡轮机的NR出口，且当冷却剂温度超过设定值时，通过电流隔离开关(ECD)将直动式AEP棒插入堆芯，从而触发电流隔离开关(ECD)。
为此，所要求保护的用于具有高温冷却剂的核反应堆的保护装置包括电流供电网络、具有致动器的可控吸收棒，所述致动器配备有用于释放到堆芯中的加速弹簧和用于将它们保持在给定位置的吸持电磁铁、附加的紧急保护吸收棒、以及电流连续流过所有受控吸收棒的吸持电磁铁的绕组的供电网络的通用电气隔离开。受控吸收棒的制作方式是，在核反应堆正常运行的情况下，它们可以插入核反应堆堆芯和从核反应堆堆芯中抽出，而且在紧急信号和吸持电磁铁的绕组断电的情况下，棒可以通过加速弹簧插入芯中或通过重力插入堆芯中。电磁铁流经所述吸持电磁铁的绕组的电流电路包括至少一个直动式热电流隔离开关，其制成为当冷却剂温度升高到设定值以上时，它能断开电流电路，并且至少一个电气隔离开关安装在附加紧急保护吸收棒的护套内，与冷却剂隔离，在附加紧急保护吸收棒的上方，配备有带易熔锁的温敏电流隔离开关。至少一个所述直动式热电流隔离开关隔离开关安装在与冷却剂隔离的护套中、热冷却剂流中或堆芯出口处。
因此，当冷却液温度升高到设定值以上时，任何AEP棒的任何TCD或任何ECD的触发将导致传统CPS的所有AR的触发，其驱动器配备有吸持电磁铁(holding electromagnets)。
以下参考附图更详细地解释所要求保护的核反应堆保护装置及其可能的实施例，但本发明不限于此。
附图说明
图1示出了通过冷却剂温度升高至设定值以上而直接触发的反应堆紧急保护装置示意图。
图2示出了具有处于待机模式的AEP棒的绝缘护套的可能实施例，其中温敏电流隔离开关(temperature-sensitive current disconnector，TSCD)的易熔锁位于AEP棒下方，并且ECD位于AEP棒上方。
图3示出了根据图2的绝缘护套的可能实施例的底视图。
以下元件标有图中的位置：
1：电源；
2：通用电气隔离开关；
3：触发EP的控制信号；
4：传统EP的吸收棒；
4a：补偿燃耗、中毒和温度效应的棒；
4b：控制棒；
5：AEP吸收芯；
6：AEP吸收棒护套；
7：吸持电磁铁；
8：热电流隔离开关；
9：带易熔锁的热隔离开关；
10：AEP吸收棒下尾件；
11：电流隔离开关；
12：电流隔离开关本体；
13：电流隔离开关电缆；
14：易熔销；
15：易熔销弹簧；
16：支撑环；
17：加速弹簧。
具体实施方式
所要求保护的核反应堆保护装置示意如图1所示，包含供电网络，具体地包括电源1；用于指定供电网络的电流的通用电气隔离开关2，其操作由用于触发核反应堆EP的控制信号3控制；传统的CPS和EP的吸收棒(以下也称为AR)；AEP吸收棒5(以下简称AEP AR 5)，放置在所述AEP吸收棒的护套6中。
在本申请中，传统CPS和EP的AR是传统EP的吸收棒4、补偿燃耗、中毒和温度效应的棒4a，以及控制棒4b(见图1)。换句话说，在本申请中，AR是指除AEP AR 5之外的所有吸收棒，它们在紧急情况下插入堆芯(用于紧急保护目的)，无论其中使用的指定插入机制，插入速率和启动插入的致动器如何。在本申请中，AEP AR 5表示吸收棒，与AR不同，这就是为什么在图中，对于传统CPS和EP的吸收棒以及AEP吸收棒使用不同的附图标记。
AR包括具有吸持电磁铁7的致动器，以将所述吸收棒保持在给定位置。此外，一些或全部的AR可包括加速弹簧以加速这些吸收棒插入堆芯中。
如果发生紧急情况并且由于冷却剂温度升高到设定值以上而导致电信号无法触发EP，则通过热电流隔离开关8(以下也称为TCD 8)触发AR插入堆芯。在这种情况下，TCD 8安装在护套或管道(图中未显示)中，与冷却剂隔离，位于热冷却剂流中或堆芯出口处。在所需温度下引起TCD 8的触点闭合/打开的致动器可以是双金属板或由本领域技术人员已知的形状记忆合金制成的板。保护网络免受过流影响的双金属保险丝广泛应用于电气工程中，可逆形状记忆合金则用于火灾报警探测器。在金属间铜和锰化合物中，可以选择具有适合所考虑的目的的马氏体转变温度的化合物。为了防止电触点氧化，如果它们不包含贵金属涂层，则在TCD 8护套的内腔填充惰性气体，或者可以使用汞密封开关。
AEP AR 5放置在护套6中与冷却剂隔离(反应堆盖上不包括驱动器)，并且由带有易熔锁(fusible locks)的热隔离开关9(下文也称为TSCD 9)保持在上部位置，当冷却液温度升高到设定值以上时，其机械地将AEP AR 5的下尾件10与绝缘套的壁断开。TSCD 9安装在所述护套6中，位于AEP AR 5下方堆芯的热冷却剂出口的高度处。
选择护套6的长度以确保当TSCD 9被触发到堆芯的底部时AEP AR 5的插入。
所有配备有将其固定在给定位置的电磁锁的AR均插入堆芯，以防发生紧急情况时通过电流隔离开关11(以下也称为ECD 11)触发EP的电信号故障。同时，具有减少热和辐射效应的触点的ECD 11安装在护套6的上部，在AEP AR 5上方。由触点移动的机械运动触发的ECD 11广泛应用于工程领域(例如，开门/关门信号装置)。
优选地，ECD 11位于护套6内的ECD主体12中，并且ECD电缆13从ECD主体12延伸以将ECD 11连接到供电网络。
TSCD 9的易熔锁可以包括易熔销14和易熔销的弹簧15，其中，为了保持AEP AR 5，所述易熔销14在上部位置抵靠位于AEP AR 5的下尾件10中的支撑环16。选择易熔锁材料的熔点以排除AEP的误触发，特别是在因冷却剂温度升高而超过传统EP的触发温度的情况。例如，PSr 65.690-710银焊料可用于制作所述易熔销14。为了确认具有易熔销14和易熔销的弹簧15的锁设计的可操作性，用易熔锁的指定材料进行了多次测试，以确认能够在地震影响下保持AEP AR 5模型并确定不同冷却剂加热速率下的触发时间。根据测试结果，选择了TSCD 9易熔锁设计实施例，其满足触发温度(约700℃)的规定要求，并提供了可接受的触发时间。
为了加速AEP AR 5的触发，它们可以包括处于待机模式时固定在压缩位置的加速弹簧17。
TCD 8电缆和ECD 13电缆的芯端连接至相应的接线盒。这些从接线盒引出的电缆串联在一个闭合电路中，无需任何开关装置，通过闭合电路从传统CPS的电源1通过通用电气隔离开关2，其在接收到来自CPS的电信号以触发EP时断开整个电路，所有AR的吸持电磁铁7的绕组的电流，无论其功能如何，都能够在发生紧急情况时执行紧急保护功能紧急情况流动。
反过来，当任何AEP AR 5落下时，AEP AR 5的上部尾件打开ECD 11的触点，电流依次流过TCD 8、通用电气隔离开关2以及所有AR驱动器的吸持电磁铁7的绕组，无论其功能如何(自动或手动功率控制、各种反应效应补偿)。
这种NR保护装置不会干扰传统EP系统和所有其他AR系统的操作以用于触发AR的任何电信号，这些来自CPS，根据嵌入其中的算法到通用电气隔离开关2，串联连接到串联流过所有AR的吸持电磁铁7的绕组的电流的闭合电路。紧急保护也将由AEP的直动式TCD 8或ECD 11触发，作为“二级”保护，因为当冷却液温度升高到设定值以上时，位于AEP AR 5下方的TCD 8或TSCD 9易熔锁将被触发，机械地断开AEP AR 5和护套6，而位于AEP AR 5上方的ECD 11断开通用电路。由于来自接线盒的所有AEP ARS 5的所有TCD 8电缆和ECD电缆13的与所有AR的吸持电磁铁7的绕组串联在单个电路中，无需任何开关装置，当AEP AR 5的护套6中至少一个TCD 8或一个TSCD 9易熔锁被触发时，所有的AR(包括传统CPS系统的AR、传统EP系统的AR以及整套AR和AR 5)的吸持电磁铁7的绕组将执行EP功能，并被最高温度的冷却剂冲洗。AEP系统是最后一道保护线，即使位于反应堆盖上的所有AR的驱动器发生机械故障(例如当负载落在盖子上或由于其他原因导致AR棒变形时)，系统也会被触发，这可以防止传统CPS的AR自由落入堆芯中。在其触发后(这种情况很少发生)，应更换AEP护套6和AEP AR5。
因此，如果由于某种原因，由于冷却剂温度升高到设定值以上而触发EP的电信号发生故障，或在CPS电路发生多重故障或预防性隐藏恶意行为时未经授权拆除吸收棒，与已知的紧急保护系统相比，本发明提供了显着的优点，其结果是增加了核反应堆的安全性，包括排除快中子反应堆偏移的可能性。具体地，这些优点通过所要求保护的核反应堆保护装置的以下特征来确保的：
-在传统CPS配备有弹簧和电磁铁将所有吸收棒保持在给定位置，当传统CPS的吸持电磁体的绕组中的电流电路被至少一个直动式TCD或配备有带有易熔锁的TSCD的AEP AR的至少一个ECD断开时，触发(插入堆芯)所有吸收棒；
-TCD、TSCD易熔锁和ECD安装在反应堆内部，确保其不受外部影响；
-反应堆盖上没有AEP AR驱动器，这排除了AEP棒在外部影响下触发故障的情况。
同时，达到核反应堆的防护等级，不受外部影响(例如，来自控制面板)或在传统CPS发生故障的情况下(其中执行了错误/转移命令，例如，命令“所有棒向上；不再接收任何控制信号”)由于所有CPS AR的最终位置将是它们在下限开关上的位置，因此不可能物理地输入由吸收棒补偿的整个反应余量。
Claims (3)
1.一种用于具有高温冷却剂的核反应堆保护装置，其中所述保护装置包含︰供电网络，
多个吸收棒，可以插入堆芯以进行紧急保护，所述多个吸收棒具有配备有用于将所述多个吸收棒保持在给定位置的吸持电磁铁的致动器，其中
所述多个吸收棒制成使其能够在核反应堆正常运行的情况下，可插入核反应堆的堆芯并且从核反应堆的堆芯中抽出，如果出现紧急信号并且吸持电磁铁的绕组断电时，所述多个吸收棒则可以插入堆芯中；
附加的紧急保护吸收棒，
所述供电网络的通用电气隔离开关，其中所述供电网络的设计使得电流依序流过所有所述多个吸收棒的吸持电磁铁的绕组，
其特征在于：
所述电流流过所述吸持电磁铁的绕组的电路包括：
至少一个直动式热电流隔离开关，能够在冷却剂温度升高到设定值以上时断开电流回路，其中，所述直动式热电流隔离开关安装在与热冷却剂流中的冷却剂隔离的护套中或在堆芯出口，以及
至少一个电气断路器，位于所述附加的紧急保护吸收棒的护套内，与冷却剂隔离，在所述附加的紧急保护吸收棒上方，配备有带易熔锁的温敏电流隔离开关。
2.如权利要求1所述的保护装置，其特征在于：所述高温冷却剂是液态金属冷却剂。
3.如权利要求1所述的保护装置，其特征在于：所述易熔锁包括易熔销和所述易熔销的弹簧。
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