CN85101411A

CN85101411A - 小型整体式压水核反应堆

Info

Publication number: CN85101411A
Application number: CN198585101411A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·纳尔逊·托尔
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1987-01-17
Also published as: CN85101411B

Abstract

一种紧凑型、整体式的压水核反应堆。它包括带有内壁(5)和外壁(7)的压力容器。内壁(5)和外壁形成了一个环形部分(9)和中心室。热交换管位于(9)中，且装在管状薄板上，密封了从其较低部分开始的(9)的上部，用对分壁和沟道构件在环形中空部分的较低处形成了隔舱，在中心室内放置堆芯。冷却剂循环泵使冷却剂向上穿过堆芯，并穿过(9)中的热交换管，在(9)中把二次冷却剂转化为蒸气，二次冷却剂通过与蒸气罐连通的开口排放。

Description

本发明涉及的是一个设计紧凑、并能作为一个整体由工厂制造并运输至远处的压水核反应堆。

对于能够作为一个整体制造并能运输到远处某地使用的小型压水核反应堆来说，存在着一个很大的潜在市场。承接这种小型的核反应堆的主要障碍是，对一个小型核工厂来说其单位成本是相当高的。为了得到合理的经济效益，应该把反应堆的主要的零部件和核蒸气供给系统都放进一个压力容器内。以前在尝试生产这种类型的反应堆时，缺少商业上的可行性。

制造这样一个小型核反应堆的基本问题是，在压力容器的有限区间范围内要对蒸气供给系统的设备作出一个紧凑的、空间能有效利用的安排。但仍旧还要保持有能对各种元件进行运行中的检查和维护的能力而无过多的困难。还有一个急待解决的问题是，应该用尽可能多的“被证实确有的”可靠性特点，或者叫作高可靠性特点以鼓励接受这种设备。

下面给出几个已有的紧凑型压力核反应堆结构实例：在美国专利3，150，051中介绍了一种紧凑型反应堆。该反应堆带有一个整体式的过热器和压力罐和一个包含蒸气发生器设备在内的环形空间;在美国专利3，225，088中公开了一种整体式压水反应堆。该反应堆带有一可拆卸的上盖和在反应堆容器一侧与入口集管和出口室相配合的可拆卸式的热交换管束。在美国专利3，285，089中介绍了另一种带有不同热交换设备的设计;美国专利3，888，734描述了一种小型核反应堆。该反应堆使用了一个由反应堆容器的封盖设备携带的整体式蒸气发生器。

本发明的主要的目是提供一种小型的反应堆系统。其整体化方式要能使得该系统的造价相当低廉、运输到远处的运费也相当便宜。

从这一目的出发，本发明属于一个紧凑型的整体式的压水核反应堆。该反应堆包括一个压力容器、一个堆芯、一个热交换器、一个泵和管道结构。其特征在于，此压力容器由以下几个部分组成：

a、园柱形的中室构件。该构件的内壁和外壁拉开一定距离，形成一个环形的中空部分。所说的环形中空部分的顶部和底部都密封住。所说的压力容器的内壁在压力容器内部形成了一个内室;所说的压力容器其底壁也封住了所说的内室的底壁;

b、一个密封所说的内室顶部的活动的上盖设备。上盖设备的顶部被固定在所说的内壁的顶部并且平行延伸到所说的内室中去;

c、一个堆芯支撑设备，该设备包括一个位于所说的内室中的、向下悬挂的主冷却剂档板。

d、在所说的园柱形主冷却剂档板中，在距所说顶壁有一定距离的一个位置上被支撑的核堆芯。

e、在所说的内壁和外壁之间从底部向上延伸的对头等分壁;

f、在所说的内壁和外壁之间延伸的对头沟道构件。所说的沟道构件，其管道在所说的压力容器和内室的顶部并在所说的内壁和所说的园柱形主冷却剂档板之间的区域相互连通。所说的等分壁和沟道构件在所说的环形中空部分形成了复数的垂直延伸隔舱;

g、一个取管状薄板形的密封板。为密封所说的环形中空部分的顶部，该密封板从每一个所说的隔板起横穿过每一个所说的隔板。管状薄板有U型热交换管，U型热交换管向下方悬挂至隔板内部;

h、在所说的内壁的上部内形成的一个通道以导引主冷却剂从所说的内室向下穿过所说的热交换管的热支路并且向上通过所说的热交换管的冷支路流动，然后回到了沟道构件内的管道并返回到所说的内室;

i、通过所说的隔板并围绕所说的热交换管之周围能通过二次冷却剂的设备。其作用是产生蒸气。

j、为从压力容器释放所说的蒸气，在所说的外壁设备的蒸气出口。

在一个实施例中，压力罐相对于压力容器是一个整体部分，将其放在环形中空部分的上部，分离器板和加热设备都放在这个上部内。

在本发明的另一个实施例中，压力容器由上下两个部分配接而成，从而可能拆除并更换管状薄板和热交换管。为了实现这个实施方案，或者把一个包壳安装在热交换管的热支路上，以使主冷却剂从内室穿过此包壳和热支路流动;或者把一个包壳安装在热交换管的冷却路上，以使主冷却剂从冷支路流到包含一个循环泵的第二个包壳，然后穿过管道设备返回到内室。对于这些包壳要提供密封措施以防主冷却剂从被指定的流动路线上被泄漏或旁路掉。

通过对附图中所示的最佳实施例的下述描述。通过举例，将会对本发明有更加直观清楚的了解。各附图的情况如下：

图1是本发明的一个压水核反应堆的一个方案的垂直剖面图。其中，压力罐相对于压力容器是整体结构。剖面是通过一个沟道构件和一个隔离板剖取的。一般来讲剖面是沿图2中的Ⅰ-Ⅰ线剖取的。

图2是通过图1中画出的压力容器的顶部并通过两个沟道构件剖取的水平剖面图，省去了几个元件，剖面沿图1中的Ⅱ-Ⅱ线取。

图3是通过图1中画出的反应堆剖取的水平剖面图。剖面沿图1中的Ⅲ-Ⅲ线剖取。

图4是图1画出的反应堆的水平投影图，其中包含压力容器的安全壳。图中还示出了蒸气罐。

图5是本发明的另一个实施例的类似于图1的部分垂直剖面图。其中的压力容器是由上下两个部分配接而成的，其一个包壳放在热交换管的支路上，压力罐位于压力容器的外面。

图6是图5中压力容器环形中室部分的部分垂直投影图。向压力容器外壁看，即显出一个隔板和一个邻近的沟道构件。

图7是本发明的第三个实施例的类似于图1的部分垂直剖面图。其中，压力容器是由上下两个部分配接而成，其一个包壳置于热交换管的冷支路上，压力罐位于压力容器的外面。

图8是示于图7中的实施例的部分水平剖面图。图中示出一个带有冷支路包壳的隔板和一个包括循环泵管道在内的邻近的第二个包壳。

图9是一个沿图8中的Ⅸ-Ⅸ线剖取的部分垂直剖面图。

图10是一个沿图8中的Ⅹ-Ⅹ线剖取的部分剖面图。图中给出了压力容器上下两个可配接部分之间的密封环。

图11是图10中用符号Ⅺ标出的区域的放大图。图中给出了密封板边缘与压力容器壁之间“J”型密封焊接的情况。

参看图1至图4。图中给出了一个小型整体式压水核反应堆1，该反应堆1是由一个中空的园柱形压力容器3构成的。这个中空的园柱形压力容器有一个内壁5和一个与其分开的外壁7。在内壁和外壁之间形成了一个环形空间9。此环形空间9由一个环形顶壁11和一个环形底壁13所密封。压力容器13的内壁5在压力容器内部形成了一个内室15。底壁17密封了内室15的底部。在压力容器的顶部，一个活动的上盖19（如一个长臂盖）密封了内室15，并且把上盖19通过一个（例如）带衬垫的栓接，法兰联接21固定到内壁5上。固定到内壁5的可拆卸式的上盖平行延伸到内室15内，而在压力容器3的顶部周围维持了一个上部开孔的环形空间23。

内壁5在其上部附近有一个向内延伸的肩形凸出部25。这个向内延伸的肩形凸出部在内室里给堆芯支撑设备定位，组成了一个向下悬挂的园柱形主回路冷却剂档板27。在堆芯支撑设备27的内部还有一个被支撑的核堆芯29，核堆芯29在距底壁17有一定距离的一个位置上被固定住。上部反应堆内包装物（在图中以标号30代表）也在内室15内并在堆芯29上方定位。在主冷却剂档板27的底部，有一个带孔的支撑板31，能允许主冷却剂从这里通过并且能让主冷却剂向上通过主冷却剂挡板27里的堆芯29。

如图2和图3所示，在环形空间9内的内壁5和外壁7之间对头的等分壁33。这些对头的等分壁从环形底壁13开始向上延伸到距顶壁11有一定距离的一个位置上。一个园形的密封板35正是固定在这些对头的等分壁33的顶部的。由分开一定距离的壁42构成的对头的沟道构件41也由内壁5和外壁7之间的区别提供。这样一来，等分壁33和沟道构件41就在环形空间9的较低部分39内形成了复数的隔舱10。沟道构件的壁42也从环形的底壁13延伸到园形密封板35上，并且在比较低部分也有许多孔供二次冷却剂的流动穿过用。在沟道构件41的上部的管道设备85，在环形空间9的上部37和区间43之间连通，这里的区间43系指压力容器3的内壁5和主冷却剂挡板27的外表面45之间的区间。

在每一个等分壁33和其沟道构件41之间的密封板35都有一个复数的孔47穿过，在孔47内放置一组U型热交换管49。这样一来，密封板的这些部分的作用就如同一个管道薄板一样。U型热交换管有向下延伸的热支路部分51，联接U型弯曲的部分53和向上延伸的冷支路部分55。这几部分最后都延伸至环形空间9的较低部分39。在沟道构件41上方的密封板35中包含有一个通至管道85的园形开口57。联到泵电机63的轴61的轴动转子59延伸至园形开口57内，结果使得主回路流体从环形空间9的上部37向下穿过管道85流动。在包含热交换管49的隔板中的环形空间9的较低部分39处之外壁7内提供蒸气出口65。蒸气通口通到排气管67上，排气管67被固定到两个蒸气罐69上。而废气管71从蒸气罐69穿过外壁7内的入口73返回到沟道构件41各壁之间的环形空间9。

通路设备75（如交换口）是在压力容器3的内壁内并在其上部构成的，一系列分离隔板77从密封板35开始向上延伸到环形空间9的上部37。在上部37内，并在通路75上方固定的水平隔板79也在环形空间9附近定位。而分离隔板79在热的主冷却剂流动的区域内有孔81穿过。在分离板79的上方并在上端开口的环形空间23内，还有复数的、适于加热环形空间23内的主回路水的电加热器83，这样一来就可在加热器内形成蒸气，并且环形空间23就可用作压力容器3内固定的整体式压力罐。位于沟道构件41各壁之间的管道85与环形空间9的上部37连通，管道85由泵63供水，使液体自上部通过入口87并向下经主回路水挡板27和内壁5之间的区间返回。

可拆卸式上盖19有能使控制棒89从中穿过的措施，控制棒用常用的措施操纵（图中未画出）。上盖19最好做成中室的盖，并要用加强筋91对其进行加固。如图4所示，当在水下进行重新填加燃料操作期间把小型整体式反应堆从压力容器3中拿出来时，可把此反应堆3包在一个安全壳93内（如剖面图所示）。安全壳93有足够的空间来容纳上部反应堆的内包装物30。

在压水核反应堆的运行中，主冷却剂向上流动，穿过堆芯29并在堆芯29处被加热。被加热的主冷却剂继续向上流动通过主冷却剂挡板27的内部，还要通过上部反应堆的内包装30，之后再向外穿过内壁5内的主冷却剂通道75，最后流到环形空间9的上部37。被分离隔板77包含的主冷却剂被导引穿过在向下延伸的支路51或叫热支路h（见图2）处的U型热交换管49，并通过U型热交换管49流动，然后向下通过支路55或冷支路C排放。最后导引至水泵63处。借助于通过热交换管49的热交换，来加热二次冷却剂以生产蒸气。带有转子59的泵63使主冷却剂通过密封板35内的园形开口57返回到管道85和入口87处，然后再到内壁5和主冷却剂挡板27之间的空间以获得向下的流动，然后向上穿过多孔板31并继续向上再一次通过堆芯29。通过使用电加热器83（位于上部开口的环形空间23之内）来控制容器内的压力，电加热器83控制了存在于压力罐空间内的蒸气的数量。于是，压力罐就成了压力容器3的一个整体式的部分。

来自于废气管71的二次冷却剂进入了环形空间9的较低部分39，并且向下沿沟道构件41的壁42之间的空间并通过壁42的较低部分内的孔流动，然后向上穿过隔板并围绕热交换管49流动。蒸气和剩余的被加热了的二次冷却剂通过在内壁5内的蒸气出口65以及排气管67流到蒸气罐69内。正是从蒸气罐69处，把蒸气移去用来产生电力，通过废气口71把重复循环的冷却剂和供水返回到环形区间9的较低部分39以供再循环用。

可能给出一个不大于目前工厂制造能力极限，也不超过目前运输能力极限的压力容器的设计方案。在此设计方案中使用了常用的压水反应堆系统操作流程，即用一个放在堆芯热源上的蒸气发生器散热供正常的循环使用;在冷支路中放一个主冷却剂泵供泵的保护和最大净正向吸头使用;用一个联接到热支路的压力罐供蒸气的排出和转化为加热器的负荷使用;用一个不带预热器的干燥饱和重复循环型的蒸气发生器来提高可靠性。把主冷却泵和到蒸气发生器管状薄板的操作人员使用的通道都置于压力容器的顶部以利于运行中的检查和维护。使用U型管蒸气发生器来便利于操作员接近管状薄片并能缩短堆芯、蒸气发生器和主冷却剂泵之间的流动行程。蒸气发生器管状薄板对运行期间的检查和管子的插拨是极为方便的，但不可能轻易地将它拆除或更换。

在上述实施例中，压力罐是压力容器3的一个整体部分。同时热交换管49和管状薄板（以密封板35的形式出现）也是整体的，不能将它们从压力容器3中拆除掉。在图5至11中介绍的实施例中描述了一些改进。其中管状薄板和热交换管都是可拆式的以满足维护和检修的需要。这样一个改进的实现途径是，构成一个中室的园柱形的并由配接上部和下部3a和3b组成的压力容器，并且，或者在热交换管部分的热室或者在其冷室使用一个包壳。为了提供这种包壳，从上部开口的环形空间23取消了分离隔板77，分离器板79和加热器83。

现在参看图5和图6。图中介绍了本发明的一个实施例。其中将包壳装在交换管49开口的热室上。如前所述，反应堆容器101与图1-图4中介绍的反应堆容器相同，唯一的差别在于，压力容器3可分成两个配接的部分，一个是上部3a，另一个是下部3b。在压力容器的壁5的较低部分3b之处顶壁105处，并且在压力容器的壁7的较低部分3b之内顶壁107处。由沿对面的环形肩形凸出部固定的并且是分立的管状薄板35a的环形段来构成园形密封板35。用一对外围园形弹簧111（如Belleville弹簧）把环形段35a齐靠在肩形凸出部103上固定住。在环形段的周围都要有弹簧，这些弹簧要紧紧靠住环形段的上部3a，环形段的上部3a和下部3b是用螺栓联接的。在压力容器上部3a的底部周围也有外围弹簧111，这些弹簧111将其固定在环形段35a的周围。用密封焊接109（最好是J型焊缝）将环形段35a的径向延伸端及其周围的边缘都密封起来，这样就将环形空间9的上部37密封住，与环形空间9的下部39隔开。

在内壁5内的通路75的每一个位置上都有一个包壳113。包壳113在环形段35a的范围内延伸。该环形段35包含有热交换管49的向下延伸的热支路51，包壳在其底部是有开口的，并且焊到环形段35a上，在有四个管束的实施例中，使用四个这样的包壳113。包壳113有端壁115和顶部117，其顶部117可由一个活动的上盖119提供。在通路75对面的壁115内，有一个开口121穿过与该通路连通的壁。使用一个密封件123来防止主冷却剂从通路75泄漏到包壳113外面的空间。

在运行中，通过通路75的热的主冷却剂进入包壳113，并且被向下导向围绕U型弯曲部分53穿过热交换管49的向下延伸的支路51，然后向上穿过支路55，并被排放到上端开口的环形空间23。接着，主冷却剂由泵63导引，穿过管道85进入内壁5和主冷却剂挡板27之间的区域43。

现在再参看图7至图10。图中给出了本发明的一个实施例。其中，一个包壳是装在热交换管49开口的冷室上的。如图所示，反应堆容器131是由配接部分3a和3b构成的。此反应堆容器131的特点和图5、图6中介绍的实例中反应堆容器的特点相同。唯一的差别在于包壳及其位置不同。在底部开口的包壳133由壁135和顶137构成，并且把包壳133焊到环形段35a上去。在顶壁137内有一个活动的上盖139。包壳的底部有开口，包壳在管状薄板段35a的空间内延伸。35a内包含有热交换管49的向上延伸的冷支路55的出口。在有四个管束的实施例内，使用四个这样的包壳133。在密封板35内的园形开口周围有一个第二个包壳141。密封板35将重复循环泵的轴61和转子59密封在一起。在面对着包壳133的第二个包壳141的壁143内，有一个入口145。在第二个包壳141对面的包壳的壁135内有一个排放口147。在排放口147和入口145附近，一个柔性的密封149将相对的两个壁135和143联接起来。于是，此第二个包壳的作用就是接收来自包壳133的主冷却剂。其中包壳133是固定在第二个包壳144的边上的。

在运行当中，热的主冷却剂围绕U型弯曲部分53，穿过通路75流入开口的环形空间23，并且向下通过热交换管49向下延伸的支路51流动，然后向上穿过支路55。然后将冷却了的主冷却剂支路55排放到包壳133内。这个被冷却了的主冷却剂穿过排放口147、柔性密封149和入口145被导引至第二个包壳141内。在这个第二个包壳141内，泵63将主冷却剂通过管道85导引至内壁5和主冷却剂挡板27的外表面45之间的空间43内。

焊缝109最好是J型的，如图11所示。焊缝109的作用是用来密封管状薄板段35a的径向延伸的边缘，并用来密封35a的周围边缘与压力容器的3b部分的内壁和外壁7相接的地方。这种类型的密封是可用的，因为弹簧111已经提供了大部分严密密封管状薄板段35a所需要的力。这种焊缝的主要作用是从环形空间9的较低部分39来密封上部37。

在使用一个在热交换管的热支路或冷路上放一个包壳的实施例中，在压力容器的外边或许会放置一个带有相互联接的波动管线的压力罐（图中未示出）。通过使用上述压力器的配接部分，就很容易地拆除或更换蒸气发生器管束。

Claims

1、一个紧凑型整体式压水反应堆，它包括：

A、一个压力容器；

B、一个堆芯；

C、一个热交换器；

D、管道结构。

其特征在于：

a、压力容器(3)作成中空的圈柱形构件，该中空的园柱形构件有互相分开有内壁(5)和外壁(7)。内壁(5)和外壁(7)形成了一个在其顶部和底部密封的环形中空部分(9)。所说的压力容器(3)的内壁(5)在压力容器(3)的内部形成了一个内室(15)；

b、一个活动的上盖设备(19)封住了所说的内室(15)的顶部。所说的上盖设备(19)被固定到所说的内壁(5)的顶部并且部分延伸到所说的内室(15)；

c、一个在所说的内室(15)内固定，带有向下延伸的园柱形的主冷却剂挡板(27)的堆芯支撑设备；

d、在距所说的底壁(17)有一定距离的一个地方并在所说的园柱形主冷却剂档板(27)内被支撑的核堆芯(29)；

e、从底部开始并在内壁(5)和外壁(7)之间向上延伸的对头等分壁(33)；

f、在所说的内壁(5)和外壁(7)之间延伸的对头沟道构件(41)，并且在所说的内壁(5)和所说的园柱形冷却剂档板(27)之间有管道(85)，这些管道在所说的压力容器顶部和内室(15)之间连通；

g、所说的等分壁(33)和沟道构件(41)在所说的环形中空部分中形成了复数的垂直延伸的隔舱(10)；

h、以管状薄板形式出现的一个密封板(35)横向延伸穿过每一个所说的隔板，这样就把每一个所说的隔板的所说环形中空部分(9)的顶部密封住，管状薄板带有U形热交换管，此热交换管从这里向下悬挂至隔板内；

i、在所说的内壁(5)的上部形成的一个通路(75)能把主冷却剂从所说的内室(15)向下导引穿过所说热交换管(49)的热支路，并且向上导引穿过所说热交换器(49)的冷支路，然后至沟道构件内的所说的管道(85)以供返回到所说的内室(15)之用；

j、穿过所说的脱板并且围绕所说的热交换管(49)通过二次冷却剂的设备(71)，其作用是产生蒸汽；

k、在所说的外壁(7)有一出口(65)，其作用是排放来自压力容器(3)的所说的蒸汽。

2、按权利要求1所说的压水反应堆，其特征在于：在距所说的管状薄板（35）有一定距离处，在环形中空部分（9）的所说上部（23）中有一个水平分离隔板（79）。在所说的水平分离隔板（79）内，在邻近所说通路（75）的区域内有孔（81）。

3、按照权利要求2所述的压水反应堆，其特征在于：在所说的水平分离隔板（79）的上方，在环形中空部分（9）的所说的上部中放置一个加热器。

4、按照权利要求1、2或3所述的压水反应堆，其特征在于：有一个循环泵（63）延伸到所说的沟道构件（41）上方的所说的环形中空部分（9）内。所说的泵有一个转子结构。将转子结构置于所说的密封板（35）内并被设计成能从环形中空部分（9）的上部（37）把主冷却剂向下导引返回到所说的内室（15）。

5、按照权利要求1到4中的任何一个所述的压水反应堆，其特征在于：至少有一个蒸汽罐（69）被放置在所说压力容器（3）的外面并且与所说的隔舱（10）连通以获得蒸汽。提供废气管（71）把重复循环冷却剂和供水返回到沟道部分（41），然后再到所说的环形中空部分（9）中的所说隔舱（10）。

6、按照权利要求1到5中的任何一个所述的压水反应堆，其特征在于：提供了两对对头等分壁（42），在所说的等分壁（42）之间还有两个对头沟道构件（41）。

7、按照权利要求6所述的压水反应堆，其特征在于：有四个蒸汽发生器隔舱（10），其中有两个隔舱与所说的对头沟道构件（41）中的每一个都相连接，其每一个隔舱都有一个管状薄板（35）固定在其顶端。

8、按照权利要求7所述的压水反应堆，其特征在于：分离隔板（77）自所述的管状薄板（35）向上延伸至环形中空部分（9）的上部，使得装在所说管状薄板（35）内的U形管的热支路和冷支路分开。在每一个所说的管状薄板（35）的热支路部分附近的所说内壁（5）内有一个通路（75），使得热的反应堆冷却剂能够穿过所说的蒸汽发生器管（53）到达所说的冷支路部分。所说的冷却支路部分与所说的循环泵（63）的一个入口连通。

9、按照权利要求1到8中的任何一个所述的压水反应堆，其特征在于：所说的中空部形容器（3）是由一个上部（3a）和一个下部（3b）在所说的密封板（35）处相互配接而成。所说的密封板（35）是由管状薄板形的环形的环形段组成。

10、按照权利要求9所述的压水反应堆，其特征在于：有一个外围密封件（111）延伸到所说上部（3a）的底外围附近。所说的上部（3a）固定在所说的密封板（35）的所说环形段的外围。

11、按照权利要求10所述的压水反应堆，其特征在于：有一个包壳（113）被固定在所说的热交换器管（53）的热支路的上方。所说的包壳（113）有一个端壁（115）和一个顶部（117）。在所说内壁（5）上部内的所说通路（75）附近的所说的包壳（113）的端壁（115）内有一个孔（121）为密封所说通路（75）周围的所说的内壁（5）和此包壳的对面的壁提供有密封措施。

12、按照权利要求11所述的压水反应堆，其特征在于：在所说包壳（133）的顶部有一个活动的上盖。

13、按照权利要求10所述的压水反应堆，其特征在于：在所说的热交换器管（53）的冷支路上固定一个包壳（133）。所说的包壳（133）有端壁（135）和顶部（137）。包壳（133）在邻近所说的通路（59）外的端壁内有一个开口（147）供排放反应堆冷却剂至所说的泵中之用。

14、按照权利要求13所述的压水反应堆，其特征在于：有一个活动的上盖（139）被置于所说的包壳（133）的顶部。