背景介绍
用于产生电能的核反应堆的结构有多种形式,就冷却剂循环方式而言,大致可分为冷却剂强制循环和自然循环的反应堆。
大家知道,强制循环的反应堆其冷却剂,一般是水,穿过其发生核反应的堆芯进行循环,从该堆芯带走热量,通过管路流到反应堆容器的外部,把热量释放到专用的热交换器内,然后再用水泵抽回堆芯。
公知的所谓“集中式”反应堆没有外部管路,热交换器设在内设堆芯的容器内。但是,这种类型的反应堆仍包括循环泵,用于以较小帕的压力向堆芯和交换器输送冷却剂。
冷却剂强制循环反应堆的一个主要缺陷是需要在容器内设置复杂的冷却管路,这样设置主要是为了在交换器的输出口向泵输送冷却剂,然后再输送到堆芯。另外的不足之处是,内设这样复杂的冷却管路需要大直径的反应堆,因此需通过冷却剂高速循环来减小反应堆的体积。
为简化冷却管路,公知的方案是,在核反应堆内部仅仅依靠冷却剂自然循环来实现。
在一公知的用水作冷却剂方案中,反应堆的堆芯设在加压容器的底部;从堆芯流出的热水通过一上导管(通常所说的立管)流到反应堆的顶部,该上导管与反应堆容器同轴,其开口端在冷却水自由面之下的上端。管道内设各种装置,通过这些装置控制核反应(比如控制杆或者质子束)和部分堆芯仪器。水从容器顶部穿过设于上导管和容器壁之间的环形区内的热交换器向下部流到堆芯的输入口。
另一种众所周知的用液态金属,例如铅,作冷却剂的方案中,冷却剂充满部分容器,容器顶部充满一种惰性气体。在此情况下,液态金属也会因为堆芯上部的热冷却剂柱和堆芯外部环形区域的冷却剂柱之间的重量差自然循环,并受一与反应堆容器同轴的圆柱形管道限制。该圆柱形管道在设于惰性气体层下部与反应堆顶部断开,促进液态金属循环。
由液态金属核反应堆造成的技术问题也有目共睹:首先,为防止容器壁过热,必须保持压力容器壁相当低的温度,接近从热交换器来的液态金属的温度;再者,为防止液态金属固化,还必须保证有一定量的液态金属在反应堆的底部循环。
鉴于以上原因,已知的方案中,在热液态金属流入交换器的管路段和反应堆容器壁之间插入分立机构。
在强制循环状态下,已知的方案是,反应堆底部与以一较高的压力进入堆芯的液态金属搭接,使液态金属溢出,靠近反应堆容器的侧壁,反应堆的底部高于液态金属池的正常液面,以防止损失的热量加热滞留在该区域的液态金属。然而,这种方案有可能导致其它缺陷,例如,液体感应振动。
另一方面,上述方案对于自然循环反应堆甚至不能适用。
最后,上述所有自然循环的反应堆,驱动冷却剂循环的可利用的驱动力至多只有几万帕,使冷却剂循环的速度很低,因此需要大截面的管路。
于是,尽管在自然循环系统的容器内部设计了非常简单的结构,由于需要大截面的管路,容器体积仍然很大,而且,为促进自然循环,热交换器和堆芯液面之间要有落差。
优选实施例
参照图1和图2,该冷却剂自然循环的核反应堆1包括:一大致呈圆柱形的外壳或者称作容器2,该容器内含一预定量的冷却剂3(此实例中示出的是水),并在容器2内部有一预定液面或者称作“自由面”4。
反应堆1还包括填充于容器2的腔室6内的一预定量的惰性气体5,该气体充满冷却剂3的自由面4和密闭容器2顶部的盖体7之间的空间。
容器2底部内设基本公知的所谓反应堆堆芯8,堆芯8限定在一容器9外部。堆芯8由一公知的栅格10支撑,栅格10把冷却剂3输送到堆芯8内部。容器9顶部与一立式圆柱形管道11整体连接,管道11直径与容器9直径大致相同,实际上也限定了容器9的延伸。立式管道11与容器2同轴,并低于冷却剂3的液面4一预定高度且终止于一环形外缘12。
管道11内设另一直径预定的圆柱形装置13,装置13的设置与堆芯8有一预定距离,并垂直延伸到冷却剂3的液面4上部。在示出的实施例中,装置13与盖体7固定,也可固定到管道11的内壁上。圆柱形装置13的底端14距离堆芯8顶部一间距d,并设置在堆芯8上方,同时其相对端15高出冷却剂3的液面4,装置13设有许多在其侧壁上形成的贯通孔16,通过这些贯通孔与腔室6连通。
可拆除内壁装置13,更换堆芯8内的燃料,还可内设核反应控制装置和部分堆芯仪器(公知的类型,图中未示出)。
圆柱形管道11和容器2的内壁限定一第一环形管道18,就象后面将要解释的那样,工作时冷却剂3沿该管道18向下流动。同样,圆柱形管道11和同轴的圆柱形装置13限定一第二环形管道17,该管道17相对于第一环形管道18径向向内,工作时冷却剂3沿该管道17向上流动。外环形管道18的流动截面比内环形管道17的流动截面大。
内、外环形管道17、18通过一环形通道19液压式连通,通道19由圆柱形管道11的顶部边缘12和冷却剂3的液面4之间的预定高度限定。
液面4之上,浸入了惰性气体5,且有两个公知的鼓风机20、21固定在盖体7上,此两个鼓风机由设于容器2外部的马达23、22分别驱动。鼓风机20、21分别通过管道25、24连接数个扩散器28,图1中示出了其中两个扩散器28。
所使用的鼓风机的个数和扩散器的个数及分布情况根据需要显然不同。在图2特别示出的一最佳实施例中,鼓风机(且不管是多少个)为设在环形管道17内沿圆周分布的数个扩散器28供风,这些扩散器靠近圆柱形装置13的上部14且在该端部之上,与堆芯8端部的距离为D,该D大于d。
扩散器28具有多个取向合适的供气弯头29。例如,弯头29可以朝上(如图2所示),或者提供水平的气体流束,或者设置一预定角度,比如45°。管道24、25通过密封接头与扩散器28连接。由于在管道24、25底部靠近弯头29的水平面密封,而且在对接面处,管道24、25的内外压差最小,不需要精确对接。此外,在冷却剂循环管道内,任何供气管路上都有可能发生各种泄漏。
反应堆1也包括至少一个设于外环形管道18内的公知热交换器30,热交换器30可用于减少反应堆1内冷却剂3循环产生的热量。
实际应用中,鼓风机20、21抽出腔室6内的气体,并对这些气体进行压缩,以克服相当于弯头29水平面位置的冷却剂的静态密封力。这些气体沿管道24、25输送到扩散器28,然后由弯头29均匀分布到沿管道17的整个环形延伸部位的大量冷却剂中。
由于轻于在管道17内碰到的冷却剂,这些气体减轻了环形管道17内的冷却剂柱的重量,并提高了这些冷却剂上升的速度。
由于圆柱形管道11的顶部环形边缘12和冷却剂液面4之间的预定高度形成的截面增加,冷却剂的速度在管道17的出口处有所降低,如上所述,该高度限定了环形通道19与内环形管道17的液压连接,冷却剂和惰性气体沿内环形管道17向上流动,而只有冷却剂沿外环形管道18向下流动。
外环形管道18的截面大于内环形管道17的截面,冷却剂速度降低,然后在环形通道19出口处向下倒流。然而气体却继续向上漂浮,与冷却剂分离,冲入反应堆1顶部的腔室6内的气体5。由于向下的不含气体的冷却剂柱重于向上的冷却剂柱,由此产生的牵引力改善了冷却剂的自然循环。
换句话说,沿环形管道17向上流动的气体改善了反应堆1内的冷却剂循环,在此回路中包括堆芯8,上导管17、交换器30和流回堆芯8的管道18。
在基本上保持自然循环方式的简单结构的同时,为提高原冷却剂的速度,所增加的循环装置也可以大幅度地减小反应堆容器的体积,减少一些内部元件。
内圆柱形装置13的功能是限定管道的体积,以确保冷却剂和气体的混合物以最佳方式向上流动。
实际上,相对于低速流动的冷却剂,圆柱形管道11的截面可以很大,而且,为了把所提供的大量气体注入管道,气体所占据的截面百分率将会很小,因为气体和冷却剂有相对向上的流动速度。
也就是说:
Sgas=θgas/Vgas Sliq=θliq/Vliq
其中:
Sliq为冷却剂占有截面
Sgas为气体占有截面
θliq为冷却剂柱的流量
θgas为气体柱的流量
Vliq为冷却剂的流速
Vgas为气体的流速
Vgas=Vliq+VR 其中VR=气体和冷却剂的相对流速
大体上说,在所讨论的应用中,如果保持θgas<θliq,VR实际上可以认为是紧随Vliq变化的常数,从而有:
Sgas/Sliq=(θgas/θliq)×(Vliq/(Vliq+VR))
因此,对于给定的气体和冷却剂流量,相对于冷却剂所占的截面,气体所占的截面随冷却剂的流速Vliq的增加而增加,进而提高排出量。
但是,Vliq的增加加大了空隙内冷却剂的负载损失,因此,必须通过插入内装置13合理优化冷却剂的截面积。
然而,也可以省略内部装置13。事实上,在这一变化中,独立的管道11是以合适的尺寸制作的,可对冷却剂3的上导管进行限定。
本发明还特别适合于用液体金属作冷却剂的核反应堆。
参照图3、4,图中所有与上述描述的内容相似或者相同部分都使用相同的标号体系,1a表示按照本发明所述的整个液体金属核反应堆。
正如上面所述的加压水反应堆,核反应堆1a包括一基本上公知的在其底部内设堆芯8的容器2;设于容器2外部的一第二容器80可容留所有由于容器2发生故障而溢出的冷却剂3;以及一被限定在内容器2和外容器80之间的具有预定容积的空隙81。
反应堆1a内含一预定量的冷却剂3(此实例中示出的是液体金属,比如铅),该冷却剂直到液面(“自由面”)4;以及位于液态金属3的液面4之上和容器2顶部盖体7之下的腔室6内的一预定量的惰性气体5。
反应堆1a还包括一立式圆柱形管道11和一内圆柱形装置13,它们都与反应堆1所述的有关装置相同。
正如对反应堆1的描述,圆柱形管道11和圆柱形装置13同轴并限定一内环形管道17,而容器2的内壁和圆柱形管道11限定一外环形管道18。
内、外环形管道17、18经一环形管道19液压连通。此环形管道19被圆柱形管道11顶部边缘12和冷却剂3的液面4之间的一预定高度限定。数个设置在立式管道11侧壁上并且彼此间有一预定垂直距离的贯通孔39也可确保环形管道17、18间的液压式连通。在液面4发生故障时,比如由于容器2的故障和冷却剂3漏进空隙81,贯通孔39可以维持反应堆1a内冷却剂3的循环,从而防止堆芯8过热。可根据与可能从内容器2漏出的冷却剂3的最大量相适应的空隙81的容积设计贯通孔39的分布情况。
反应堆1a还包括两个设在充满惰性气体5的腔室6之内的公知鼓风机20、21。至于鼓风机及其各自的扩散器28的个数和分布情况,反应堆1有关部分描述同样用于此。反应堆1a还包括至少一个设于环形管道18之内的公知的热交换器30。
反应堆1a还包括公知的上(“热”)支管40,工作中,该支管40向交换器30输送热液态金属;以及一下(”冷“)支管41,工作中,从交换器30向堆芯8输送冷液态金属。支管40、41被公知形状的结构42分开,该结构具有一与容器2同轴的圆柱形上部43。
与容器2同轴的圆柱形壁44距容器2的内侧壁一预定径向距离设置,并与容器2的内侧壁一起限定一组成部分冷支管41且内含液态金属的环形空隙45,该液态金属为了对容器2起机械保护作用,必须保持非常低的温度,基本上等于交换器30输出的液态金属的温度。
另一方面,上支管40内含热液态金属,此液态金属由该支管40向交换器30输送。由于支管40、41中液态金属的温差,液态金属在结构42圆柱形部分43的两侧有两种不同的液面:在热支管40内是液面4,而在冷支管41内是较低的液面46。
如上所述,在液态金属反应堆中,需要防止容器2壁面过热,还要防止热支管40内的液态金属3通过导热过程加热靠近环形空隙45顶部的液态金属。
为解决液态金属方案中典型的技术问题,反应堆1a包括数个管道50(图3、图4中所示的实施例仅示出了其中一个),这些管道靠近容器2内壁设置,且彼此间有一预定距离。管道50从容器2底部延伸,终止于环形空隙45中的液态金属自由面47之下。
管道50的预定高度上部内插与其同轴的一内管道52,该管道52从管道50顶部一直突出到充满气体5的腔室6;在管道52顶部、冲有气体的区域设有由容器2的盖体7顶部之上的一马达54驱动的一鼓风机53;而在鼓风机53的相对端,内管道52端接一带有弯头56的气体扩散器55。
如图4箭头所指,在正常运行情况下,气体从腔室6被一鼓风机53排出,再通过内管道52和扩散器55射入管道50,把液态金属冷却剂从容器2底部再循环至自由面47,最后通过环形空隙45底部48流回支管41。
由此,管道50可把反应堆1a底部的较冷的液态金属和其底顶部的较热的液态金属进行混合。通过鼓风机53从腔室6抽出气体束进入管道,可实现管道50内部的循环。
因此该循环不但可防止液态金属在反应堆1a底部固化,而且也能防止由于支管40内的热液态金属向外传热加热容器2的壁面;热液态金属的热量被从反应堆底部排出的冷液态金属流束带走,并从管道50流出,再通过环形空隙45向下流回。
在一变化中,反应堆1a没有结构42,保持容器2壁面温度非常低的功能只有靠内壁44和管道50完成。
很显然,如果不考虑所使用的冷却剂类型,上述核反应堆结构可能有很多变化。
例如,与设于容器2之内并插入腔室6的气体5中相反,鼓风机(或者多个鼓风机)可以安装在反应堆外部,以便冷却循环气体,进而降低鼓风能耗,防止鼓风机在过高温度下工作(特别是在使用液态金属的反应堆内),和/或回收热量。
图5所示为核反应堆100的另一可能变化,它是按照在一水冷核反应堆中用一外接鼓风机的发明设计的。
反应堆100参照了图1所示的结构形式,但是包括一设于容器2外部的液压回路60(除内部鼓风机之外,其内部装置与图1中所示的相同,因而没有画出)。回路60大致包括一鼓风机61,最好但不是必须的还包括一交换器62,该交换器62可冷凝部分冷却剂和惰性气体的混合物,从而降低鼓风机61能耗,带走由反应堆产生的部分热量。
很显然,可以使用不同数目的外接鼓风机和/或交换器。
如图6所示,采用外接鼓风机的方案也可用于液态金属核反应堆。
根据容器2内部装置,反应堆101与图3所述的反应堆1a大致相同,也包括一设于容器2外部的液压回路60,而且同样包括至少一个鼓风机61。回路60最好还包括两套在鼓风机上游的交换器63、64。为降低鼓风机能耗,气体在进入鼓风机61之前,顺序穿过交换器63、64,使其温度冷却至几乎和环境温度相同。在交换器63内,冷流体的流量由来自于鼓风机61的气体流量确定。
在涉及液态金属式反应堆的方案中,反应堆内的热交换器的功能实际上相当于蒸汽发生器,辅助的外部冷却回路,在内部热交换器管道发生故障的紧急情况下,通过冷凝排出的蒸汽,也可起到安全作用。
很显然,不超出由所附的权利要求书限定的保护范围,本发明所述的核反应堆可进一步改进的。