CN85101411B - 小型整体式压水核反应堆 - Google Patents

Abstract

一种小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（３）。内壁（５）和外壁（７）之间形成一个环形中空部分（９）和中心室。热交换器管（５９）位于（９）中，且装在封管板（３５）上。（３５）密封了从其下部开始的（９）的上部。用对称分隔板（３３）和通道构件（４２）在环形中空部分的较低处形成了隔舱（１０）。在中心室内放置堆芯（２９）。冷却剂循环泵使冷却剂向上穿过堆芯（２９），并穿过（９）中的热交换器管（５９）。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（６９）连通的开口（６５）排放。

Description

小型整体式压水核反应堆

本发明涉及的是一个设计紧凑，能由工厂制造并作为一个整体运输至远处的压水核反应堆。

对于能够制造成一个整体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。对一个小型的核工厂来说，接受这种小型的核反应堆的主要障碍是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部件和核蒸气供给系统都放进一个单一的压力容器内。但是到目前为止，生产的这种类型的反应堆时的各种尝试都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内不但要对蒸气供给系统的设备作出一个紧凑的、能有效利用空间的安排。而且能对各种元件进行运行中的检查和维护而无过多的困难。还有一个急待解决的问题是，应该运用尽可能多的“经过验证了的”可靠性，或者叫作高可靠性来鼓励人们接受这种设备。

下面给出几个已有的小型压力核反应堆结构实例：在美国专利3，150，051中介绍了一种小型反应堆。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3，255，088中公开了一种小型压水反应堆，该反应堆带有一可拆卸的上盖，并在反应堆容器一侧与入口集管和出口室相配合处还有可拆卸的热交换管束，在美国专利3，255，089中介绍了另一种设计，它采用了不同的热交换器;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装在反应堆容器的封盖上的整体式蒸气发生器。

本发明的主要的目的是提供一种小型的反应堆系统。其整体化方式应使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，本发明属于一个小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。其中

a.此压力容器作成中空的圆柱形构件，该构件的内壁和外壁之间有一定距离，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一个内室;所说的压力容器有一个底壁将内室的底部封住。

b.一个活动的上盖设备将所说的内室顶部封住，上盖设备被固定在所说的内壁的顶部并且部分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挡板。

d.一个核堆芯支撑装置，在圆柱形主冷却剂挡板中间，它位于距所说的底壁有一定距离的位置上。

e.在所说的内壁和外壁之间从底部向上延伸的对称分隔板。

f.在所说的内壁和外壁之间延伸的对称通道构件，并且在所说的内壁和所说的圆柱形主冷却剂挡板之间有管道。这些管道将所说的压力容器顶部和内室相连通;

所说的分隔板和通道构件在所说的环形中空部分中形成了几个垂直延伸的隔舱;

g.以封管板形式出现的一块密封板横向延伸盖住每一个所说的隔舱。这样就把每一个所说的隔舱的环形中空部分的顶部密封住。封管板上装有U形热交换管，此热交换管从这里向下悬挂至隔板内;

h.在所说的内壁的上部形成一个通路能把主冷却剂从所说的内室向下导引穿过所说热交换管的热支路，并且向上导引穿过所说的热交换器的冷支路，然后至通道构件内的所说的管道以供返回到所说的内室之用;

i.通入二次冷却剂的部件使冷却剂穿过所说的隔舱并且流过所说的热交换管，以便产生蒸气;

j.在所说的外壁有一蒸气出口，其作用是排放来自压力容器的所说的蒸气。

在一个实施例中，压力罐是与压力容器一起组成一个整体，并且与分离隔板和上部中的加热设备一起形成环形中空部分的上部。

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封管板和热交换器管。为了实现这个实施方案，或者把一个包壳安装在热交换器管的热支路上，以使主冷却剂从内室穿过此包壳和热支路而流动;或者把一个包壳安装在热交换器管的冷支路上，以使主冷却剂从冷支路流到其中有一个循环泵的第二个包壳中去。然后穿过管道设备再返回到内室。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举例描述，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，压力罐是与压力容器组成整体结构。剖面图是通过一个通道构件和一个隔舱剖取的。即剖面是沿图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通道构件剖取的水平剖面图，其中省去了几个元件，剖面沿图1中的Ⅱ-Ⅱ线剖取。

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器管子的热支路上，压力罐位于压力容器的外面。

图6是图5中压力容器环形中空部分的部分垂直投影图。向压力容器外壁看，即显出一个隔舱和一个邻近的通道构件。

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器管子的冷支路上，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间隔和一个包括循环泵管道在内的邻近的第二包壳。

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是由一个中空的圆柱形压力容器3构成的。这个中空的圆柱形压力容器有一个内壁5和一个与其隔开的外壁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3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（如一个柱状厚盖）密封了内室15，并且可以通过一个带衬垫的法兰21，把上盖19栓接到内壁5上。固定到内壁5的可拆卸的上盖部分延伸到内室15内。而在压力容器3的顶部保持了一个上部开通的环形空间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圆柱形主回路冷却剂挡板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。位于反应堆上部的内组装件（在图中以标号30代表）也在内室15内并在堆芯29上方定位。在主冷却剂挡板27的底部，有一个多孔的支撑板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之间对称分隔板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。一个圆形的密封板35正是固定在这些对称分隔板33的顶部的。由分开一定距离的壁42构成的对称通道构件41也在内壁5和外壁7之间形成。这样一来，等分壁33和通道构件41就在环形空间9的下部39内形成了几个隔舱10。通道构件的壁42也从环形的底壁13延伸到圆形密封板35上，并且在下部也有许多孔可供二次冷却在其中流过。在通道构件41的上部的管道设备85，将环形空间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。

在每一个分隔板33和通道构件41之间的密封板35上有很多孔47穿过，在孔47内放置一组U型热交换器管49。这样一来，密封板的这些部位的作用就如同一个封管板一样。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。这几部分都延伸在环形空间9的下部39中。在通道构件41上方的密封板35中包含有一个通至管道85的圆形开口57。泵电机63的轴61上装有轴流涡轮59，并延伸至圆形开口57内。以便引导主回路液体从环形空间9的上部37向下穿过管道85流动。在包含热交换器管49的隔舱中的环形空间9的下部39处之外壁7上有若干蒸气出口65。蒸气出口通到排气管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返回到通道构件41各壁之间的环形空间9。

在压力容器3的内壁5上部开几个通路75作为流通口，一系列分隔板77从密封板35开始向上延伸到环形空间9的上部37中。在上部37内，并在通路75上方围绕着环形空间9安放着水平隔板79。分离隔板79上有很多孔，而热的主冷却剂就在这个区域内流过。在分离隔板79的上方并在上端开口的环形空间23内，还有很多用于加热环形空间23内的主回路水的电加热器83，这样一来就可在其中形成蒸气，而环形空间23就可用作压力容器3内固定的整体式压力罐。位于通道构件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的外壁45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，控制棒用常规的装置操纵（图中未图出）。上盖19最好做成中空的盖，并要用加强筋91对其进行加固。当需要重新在水下填加燃料而将反应堆上部的内包装物（如虚线部分所示）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（如图4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1的运行中，主冷却剂向上流动，穿过堆芯29并被加热。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，还要通过反应堆上部的内包装30，之后再向外穿过内壁5上的主冷却剂通道75，最后流到环形空间9的上部37。分隔板77中的主冷却剂被导引穿过向下延伸的支路51或称为热支路h（见图2）处的U型热交换器管49，并通过U型管49向上通过支路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产生蒸气。带有涡轮叶片59的泵63使主冷却剂通过密封板35内的圆形开口57返回到管道85和入口87处，然后再向下流到内壁5和主冷却剂挡板27之间的空间，然后向上穿过多孔板31并继续向上再一次通过堆芯29，使用电加热器83（位于上部开口的环形空间23之内），使之通过压力罐空间内的蒸气量达到控制压力容器内的压力的目的。于是，压力罐就成了压力容器3的一个整体式结构的一部分。

来自废气管71的二次冷却剂进入了环形空间9的下部39，并且沿通道构件41的两壁42之间向下通过42下部的孔流动，然后向上穿过隔舱并围绕热交换器管49流动。蒸气和剩余的被加热了的二次冷却剂通过外壁7上的蒸气出口65以及排气管67流到蒸气罐69内。再从蒸气罐69处取出蒸气用来产生电力。而重复循环着的冷却剂和供水重新通过废气管71再返回到环形空间9的下部39，如此循环不已。

可以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。在此方案中使用了常规的压水反应堆的流程，即用一个放在堆芯热源上的蒸气发生器散热并作自然循环;在冷支路中有一个主冷却剂泵以便建立一个压头保证其正常循环;在热支路上连接一个压力罐以供蒸气的排出和转化为加热器的负荷;用一个不带予热器的重复循环型的干燥饱和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板的操作人员使用的通道都置于压力容器的顶部以利用运行中的检查和维护。选用U型管蒸气发生器以便利于操作员接近封管板并能缩短蒸气在堆芯、蒸气发生器和主冷却剂泵之间的流程。蒸发发生器封管板对运行期间的检查和管子的插装是极为方便的。但却不易将它拆除或更换。

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和封管板（以密封板35的形式出现）也是整体部分，是不可活动的。在图5至11中介绍的实施例中描述了一些改进。其中封管板和热交换器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，中空的圆柱形压力容器由上部和下部3a和3b配接组成，并且，在热交换管部分的热室外面或者在其冷室外面使用一个包壳。为了提供这种包壳，从上部开口的环形空间23取消了分隔板77、水平分离板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器管49开口的热室外面。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的下部3b之外壁端部105上，和在压力容器的壁7的下部3b之内壁端部107上有一个凸肩103，几块分立的环状扇形封管板就座放在这凸肩103上，由此而构成圆形密封板35。用一对圆环形弹簧111（如Belleville弹簧）把环状扇形封管板35a齐靠在凸肩103上固定住。环状扇形封管板的周围都要有弹簧，这些弹簧还要紧紧靠住上部3a。上部3a和下部3b是用螺栓联接的。这样，在压力容器上部3a的底部周围也就紧靠圆环形弹簧111。用密封焊接109（最好是J型焊缝）将环状扇形封管板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，并与环形空间9的下部39隔开了。

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在环状扇形段35a的范围内延伸。该环状扇形段35a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，并且焊到环状扇形段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是一个可活动的上盖119。在通路75对面的壁115上，有一个开口121以便与通路75相沟通。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，并且向下穿过热交换管49的延伸的支路51，围绕U型弯曲部分53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焊到环状扇形段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，包壳在扇形封管板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内的圆形开口周围有一个第二个包壳141。封管板35将重复循环泵心轴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155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，绕过U型弯曲部分53，然后向上穿过支路55，然后将冷却了的主冷却剂通过支路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引回至内壁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的作用是用来密封扇形封管板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。这种类型的密封是很好用的。因为弹簧111已经提供了严密密封管板35a所需要的力的大部分。这种焊缝的主要作用是从环形空间9的下部39上来密封上部37。

在使用一个包壳盖住热交换器管的热支路和冷支路中的一个支路的实施例中，在压力容器的外边的压力罐上或许会带有一个相互联接的喘振管线（图中未示出）。由于使用了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的管束。

Claims (28)

1、一个小型整体式压水核反应堆，它包括：

一个压力容器，

一个堆芯，

一个热交换器、一个泵和管道结构，其中

压力容器（3）作成中空的圆柱形构件。该中空的圆柱形构件的内壁（5）和外壁（7）之间有一定距离，形成了一个在其顶部和底部都密封住的环形中空部分（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），所说的压力容器还有一个底壁（17）将内室（15）的底部密封住;

一个活动的上盖设备（19）将所说的内室（15）的顶部封住，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）中去;

一个堆芯支撑设备，该设备包括一个位于所说的内室（15）中的向下延伸的圆柱形的主冷却剂挡板;

一个支撑在圆柱形主冷却剂挡板（27）中间的核堆芯（29），它位于距所说的底壁（17）有一定距离的位置上，其特征在于：该反应堆还包括：

从底部开始并在内壁（5）和外壁（7）之间向上延伸的对称分隔板（33）;

在所说的内壁（15）和外壁（7）之间向上延伸的对称通道构件（41），并且在所说的内壁（5）和圆柱形主冷却剂挡板（27）之间有管道（85），这些管道将所说的压力容器顶部和内室（15）相连通;

所说的对称分隔板（33）和通道构件（41）在所说的环形中空部分中形成了几个垂直延伸的隔舱（10）;

以封管板形式出现的一块密封板（35）横向延伸盖住每一个所说的隔舱，这样就把每一个所说的隔舱的所说环形中空部分（9）的顶部密封住，封管板上装有U形热交换管，此热交换管从这里向下悬挂至隔板内;

在所说的内壁（5）的上部形成一个通路（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的热交换管（49）的冷支路，然后主通道构件内的所说的管道（85）以供返回到所说的内室（15）之用;

通入二次冷却剂的部件（71）使冷却剂穿过所说的隔舱并且流过所说的热交换管（49），以便产生蒸气;

在所说的外壁（7）有一蒸气出口（65），其作用是排放来自压力容器（3）的所说的蒸气;

在距所说的封管板（35）有一定距离处，在环形中空部分（9）的上部（23）中有一个水平分离隔板（79）。在所说的水平分离隔板（79）上，靠近所说通路（75）的区域内有很多孔（81）;

在所说的水平分离隔板（79）的上方，在环形中空部分（9）的上部放置一个加热器。

2、按照权利要求1所述的压水反应堆，其特征在于：有一个循环泵（63）延伸到所说的通道构件（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内室（15）。

3、按照权利要求1或2所述的压水反应堆，其特征在于：至少有一个蒸气罐（69）被放置在所说的压力容器（3）的外面，并且与所说的隔舱（10）连通以获得蒸气，而废气管（71）则把重复循环冷却剂和供水引回到通道部分（41），然后再到环形中空部分（9）中的隔舱（10）中去。

4、按照权利要求1所述的压水反应堆，其特征在于：该反应堆提供了两对对称的分隔板（42），在所说的分隔板（42）之间提供了两个对头通道构件（41）。

5、按照权利要求4所述的压水反应堆，其特征在于：有四个蒸气发生器隔舱（10），其中有两个隔舱与所说的对头通道构件（41）中的每一个都相连接，其每一个隔舱都有一个封管板（35）固定在其顶部。

6、按照权利要求5所述的压水反应堆，其特征在于：分离隔板（77）自所述的封管板（35）向上延伸至环形中空部分（9）的上部，使得装在所说封管板（35）上的U形管的热支路和冷支路分开，在每一个所说的封管板（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气发生器管（53）到达所说的冷支路部分，所说的冷支路部分与所说的循环泵（63）的一个入口连通。

7、按照权利要求1所述的压水反应堆，其特征在于：所说的中空园柱形压力容器（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）是由若干扇形封管板所组成。

8、按照权利要求7所述的压水反应堆，其特征在于：有一个周边密封件（111）安置在所说的上部（3a）的底壁周围，将所说的上部（3a）固定在所说的密封板（35）的扇形园弧的周边上。

9、按照权利要求8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）有一个侧壁（115）和一个顶部（117）。在所说的内壁（5）上部内的所说通路（75）附近的包壳（113）的侧壁（115）上开有一个孔（121），在所说通路（75）的周围有密封件，以便将包壳的面壁和所说的内壁（5）密封住。

10、按照权利要求9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。

11、按照权利要求8所述的压水反应堆，其特征在于：有一个包壳（133）固定在所说的热交换管（53）的冷支路上，所说的包壳（133）有侧壁（135）和顶部（137），包壳（133）在邻近所说的通路（59）处的侧壁上开有一个开口（147）供排放反应堆冷却剂至所说的泵中之用。

12、按照权利要求11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。

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