TW201340117A - 具有包括橫流阻擋壩之上充氣部的加壓水反應器 - Google Patents

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Scott J Shargots
Matthew W Ales
Michael J Edwards
Andrew C Whitten
Yuanming R Li
Jeffrey C Millman
Roy Mcgillivray
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Babcock & Wilcox Nuclear Energy Inc
Babcock & Wilcox Canada Ltd
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Abstract

加壓水反應器(PWR)包括：活性區，包括易分裂材料；圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區；及中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側。一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間。該中空圓柱形中心升流管具有一徑向地擴展的上限流孔，該上限流孔併入環狀分隔板，該分隔板分開該環狀分隔板上方的上充氣部與該環狀分隔板下方的下充氣部。該上充氣部係與該徑向地擴展的上限流孔流體連通，及該下充氣部係與該降流管環帶流體連通。一壩可延伸遠離該下充氣部之底部壁面進入該下充氣部。緊急芯部冷卻系統(ECCS)返回管線噴嘴可被配置成將水注射進入該上充氣部。泵浦支撐板跨越該圓柱形壓力容器的內徑，及形成該圓柱形壓力容器之壓力邊界的一部份，且該反應器冷卻劑泵浦(RCP)係藉由該泵浦支撐板所支撐。另一選擇係，反應器冷卻劑泵浦(RCP)係藉由該圓柱形壓力容器的上部中所形成之弓形環狀凸耳所支撐。

Description

具有包括橫流阻擋壩之上充氣部的加壓水反應器
下文有關該核反應器技藝、核能產生技藝、核反應器流體動力學設計技藝、及相關技藝。
於該加壓水反應器(一體化PWR)型之核反應器設計中，放射性核反應器核心在壓力容器之底部或靠近該壓力容器的底部被浸入於主要冷卻劑水中。於典型之設計中，該主要冷卻劑在圓柱形壓力容器中被維持於一壓縮或過冷的液相中，該壓力容器大致上被直立地安裝(亦即，使其圓柱體軸線直立地定向)。中空圓柱形中心升流管被同心地設置在該壓力容器內側。主要冷卻劑向上流動經過該反應器核心，在此其被加熱及經過該中心升流管上昇，由該中心升流管之頂部排出，且顛倒方向，以經過被界定於該壓力容器及該中心升流管間之降流管環帶往下流動回頭朝該反應器核心。這是一自然之對流流動環路，原則上，當該主要冷卻劑向上流動及遠離該反應器核心時，其可藉由來自該反應器核心之熱注射與該主要冷卻劑之冷卻所驅動。然而，於一些反應器設計中，此自然之對流係以藉由機電反應器冷卻劑泵浦所提供之原動力來增加或取代。
為由該PWR擷取動力，該主要冷卻劑係流動經過蒸氣產生器。於一些設計中，該蒸氣產生器係在該壓力容器外部，且主要冷卻劑係經過大直徑管道餵入至該蒸氣產生 器。於所謂之“一體式”PWR設計中，該蒸氣產生器被設置在該壓力容器內側，典型於該降流管環帶中，且第二冷卻劑係流動經過該蒸氣產生器。在將放射性主要冷卻劑載送至該外部壓力容器之大直徑管道被較小直徑管道所替代的範圍內，該一體式PWR設計具有勝過非一體式設計之實質的安全性利益，該較小直徑管道將非放射性之第二冷卻劑(亦即，給水)餵入該內部蒸氣產生器及由該蒸氣產生器擷取非放射性蒸氣。
一些與該上面者一致的一體式PWR設計被敘述在Thome等人於2010年12月16日發表的美國專利公告第2010/0316181 A1號之“一體式螺旋狀線圈加壓水核反應器”，其全部以引用的方式併入本文中。美國專利公告第2010/0316181 A1號敘述採用螺旋狀蒸氣產生器管子幾何形狀的一體式蒸氣產生器；然而，諸如直立管設計之其他幾何形狀係亦習知的。於各種蒸氣產生器設計中，該主要冷卻劑可流動在該蒸氣產生器管子內側，且該第二冷卻劑可流動在該蒸氣產生器管子外側、或反之亦然。
此等PWR系統之操作效率係局部地被該效能所影響，並以此該中心升流管中之向上主要冷卻劑水流動被顛倒及經過該降流管環帶(例如經過設置在該降流管環帶中之蒸氣產生器，用於蒸氣產生)傳送進入往下主要冷卻劑流動。此流動反轉能將實質之流動阻抗導入該整個主要冷卻劑流動環路。再者，甚至進入該降流管環帶的主要冷卻劑流動之徑向及圓周分佈有利於該降流管環帶中及位在其 中之環狀蒸氣產生器中的溫度一致性。各種方式已被採用，用於提供具有低流動阻抗之均勻的徑向及圓周分佈。譬如，美國專利公告第2010/0316181 A1號之說明性PWR的說明性中心升流管具有一上端，其包含小開口、或屏幕，而有利於離開該中心升流管的上限流孔之主要冷卻劑水的擴散及橫側流動。Kitch等人之美國專利第6,813,328號揭示另一方式，其中沉浸於該主要冷卻劑中之完全內部的反應器冷卻劑泵浦(RCP)使其排放與蒸氣產生器之入口直接地連接，以便將離開該中心升流管的上孔口的主要冷卻劑往下驅動進入該蒸氣產生器。
在此中所揭示者係提供各種利益之改良，其對於該熟練之技術人員於閱讀下文時將變得明顯。
於該揭示內容的一態樣中，加壓水反應器(PWR)包括：活性區，包括易分裂材料；圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區；及中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側。一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間。該中空圓柱形中心升流管具有一徑向地擴展的上限流孔，該上限流孔併入環狀分隔板，該分隔板分開該環狀分隔板上方的上充氣部與該環狀分隔板下方的下充氣部。該上充氣部係與該徑向地擴展的上限流孔流體連通，及該下充氣部 係與該降流管環帶流體連通。
於該揭示內容之另一態樣中，一設備包括：中空圓柱形中心升流管，其尺寸被設計成可同心地設置在加壓水反應器之圓柱形壓力容器內側；及環狀分隔板，其尺寸被設計成可分開該圓柱形壓力容器的上充氣部與該圓柱形壓力容器的下充氣部；其中該中空圓柱形中心升流管包含一併入該環狀分隔板之徑向地擴展的上限流孔。
於該揭示內容之另一態樣中，加壓水反應器(PWR)包括：活性區，包括易分裂材料；圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區；中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側，一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間；及環狀分隔板，分開該環狀分隔板上方的上充氣部與該環狀分隔板下方的下充氣部。該上充氣部係與該中空圓柱形升流管的上限流孔流體相通，且該下充氣部係與該降流管環帶流體連通。由該上充氣部至該下充氣部之流動路徑被設置在該降流管環帶外側。於一些實施例中，該下充氣部係局部地被一由該降流管環帶的上端徑向地往外延伸之底部壁面所界定，且一壩延伸遠離該底部壁面進入該下充氣部。
於該揭示內容之另一態樣中，一設備包括加壓水反應器(PWR)及反應器冷卻劑泵浦(RCP)。該PWR包括：活性區，包括易分裂材料；圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區；中空 圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側，一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間；及泵浦支撐板，跨越該圓柱形壓力容器的內徑，其中該泵浦支撐板的一部份形成該圓柱形壓力容器之壓力邊界的一部份。該RCP係藉由形成該圓柱形壓力容器之壓力邊界的部份之泵浦支撐板的部份所支撐。該RCP被配置成泵吸由該中空圓柱形中心升流管的上限流孔排放進入該降流管環帶之主要冷卻劑。
於該揭示內容之另一態樣中，一設備包括加壓水反應器(PWR)及緊急芯部冷卻系統(ECCS)返回管線噴嘴。該PWR包含：活性區，包括易分裂材料；圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區；中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側，一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間；及環狀分隔板，分開該環狀分隔板上方的上充氣部與該環狀分隔板下方的下充氣部。該ECCS返回管線噴嘴被配置成將水注射進入該上充氣部。
於該揭示內容之另一態樣中，一設備包括加壓水反應器(PWR)及反應器冷卻劑泵浦(RCP)。該PWR包含：活性區，包括易分裂材料；圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區，其中該圓柱形壓力容器的上部界定一內部加壓器體積，且一弓 形環狀凸耳被形成在該圓柱形壓力容器的上部中；及中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側。降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間。該RCP被該圓柱形壓力容器的上部中所形成之弓形環狀凸耳所支撐。該RCP被配置成泵吸由該中空圓柱形中心升流管的上限流孔排放進入該降流管環帶之主要冷卻劑。
參考圖1，該一體式加壓水反應器(一體化PWR)型10之說明性核反應器包含壓力容器12，於所說明之實施例中，該壓力容器為直立安裝式圓柱形壓力容器。如在此中所使用，該片語“圓柱形壓力容器”或類似語法指示該壓力容器具有一大致上圓柱形的形狀，但在一些實施例中可由數學上完美的圓柱體偏離。譬如，該說明性圓柱形壓力容器12沿著該圓柱體的長度具有變化直徑之圓形截面，且具有圓形端部，並包含各種容器穿透部、容器區段凸緣連接等。相同地，雖然該壓力容器12係直立的、亦即直立地定向，其對於該圓柱形壓力容器之直立定向圓柱體軸線所考慮的是與對於重力為精確地直立者偏離。譬如，如果該PWR被設置在海洋運輸船舶中，則該直立定向之圓柱形壓力容器的圓柱體軸線可具有某一傾斜，由於該海洋運輸船舶在水上或水下之運動，其可隨著時間而有不同變化。
圖1於側面截面視圖中顯示該一體式PWR 10，以顯露所選擇之圖樣地顯示的內部零組件。核反應器核心14被設置在該壓力容器12的下部中。該反應器核心14包含大量易分裂材料、諸如於合適之基質材料中含有氧化鈾(UO2)的材料，其富含在該易分裂235U同位素中。於一典型之組構中，該易分裂材料被配置為“燃料棒”，其被配置在堆芯吊籃中。該壓力容器12含有於過冷狀態中之主要冷卻劑水(典型為輕水，亦即，H2O，雖然重水，亦即，D2O亦被考慮)。
中空圓柱形中心升流管20包括同軸向設置在該圓柱形壓力容器12內側的中空圓柱形元件。(再次，該“圓柱形”一詞係意欲涵括大致上圓柱形升流管，其藉由沿著該圓柱體軸線的直徑中之變動而由完美之圓柱體偏離，包含所選擇之開口等等)。藉由該操作之核反應器核心14所加熱的主要冷卻劑水向上上昇經過該中心升流管20朝向該壓力容器之頂部，在此其排出，顛倒流動方向及經過外部環帶往下流動朝該核心14，該外部環帶在該技藝已知為該降流管環帶，其被界定於該中心升流管20及該壓力容器12的內部圓柱形壁面之間。
控制棒系統22被安裝在該反應器核心14上方，且包含控制棒驅動機件(CRDM)單元與控制棒導引結構，其被建構成可精確地及能控制地將控制棒插入該反應器核心14與將控制棒抽出該反應器核心14。該說明性控制棒系統22採用內部CRDM單元，其被設置在該壓力容器12 內側。合適的內部CRDM設計之一些說明性範例包含：斯坦博等人於2010年12月16日發表的“核反應器用之控制棒驅動機件”、美國專利公告第2010/0316177 A1號，其係全部以引用的方式併入本文中；及斯坦博等人於2010年12月16日發表之“核反應器用之控制棒驅動機件”、國際專利公告第WO 2010/144563 A1號，其係全部以引用的方式併入本文中。大致上，該控制棒含有中子吸收材料，且反應度係藉由縮回該控制棒所增加或藉由插入該控制棒而減少。所謂之“灰色”控制棒係連續可調整的，以提供反應度之增加的調整。所謂之“關掉”控制棒被設計為方便迅速地插入該反應器核心，以如果為緊急狀態即關掉該核子反應。各種併合控制棒設計係亦習知。譬如，灰色棒可包含一用於在緊急狀態中釋放該控制棒之機件，以致其落入該反應器核心14，如此施行關掉棒功能。
該PWR 10係一體式PWR，其包含設置在該中心升流管20及該壓力容器12的內側壁面之間所界定的降流管環帶中的內部蒸氣產生器24中。該蒸氣產生器24獨立地提供、但緊接用於往下流動主要冷卻劑及向上流動第二冷卻劑的流動路徑。該第二冷卻劑在給水入口26進入環狀給水充氣部28、流入該蒸氣產生器24之底部及向上經過該蒸氣產生器24，在此其被該緊接往下流動的主要冷卻劑所加熱，以被轉換成蒸氣。該蒸氣進入一環狀蒸氣充氣部30，在此其大致上往下流動，以在蒸氣出口32排放。
圖1不會說明該蒸氣產生器24及該主要與第二冷卻劑路徑之詳細結構。典型地，該蒸氣產生器24包括蒸氣產生器管子及含有該等管子之圍繞的體積(或“殼體”)，如此提供二緊接流動路徑(亦即，一在該等管子內側的流動路徑及一在該等管子外面的流動路徑)，該等流動路徑係彼此熱連通，但彼此流體隔離。於一些實施例中，該主要冷卻劑往下流動經過該蒸氣產生器管子(亦即，“管子側面”)，而該第二冷卻劑向上流動經過該圍繞的體積(亦即，“殼體側面”)。於其他實施例中，該主要冷卻劑往下流動經過該圍繞的體積(殼體側面)，而該第二冷卻劑向上流動經過該蒸氣產生器管子(管子側面)。於任一組構中，該蒸氣產生器管子能具有各種幾何形狀，諸如直立之直管(有時候被稱為直管直流蒸氣產生器或“OTSG”)、圍繞該中心升流管20之螺旋狀管子(其一些實施例通過說明性範例被敘述於Thome等人於2010年12月16日發表的美國專利公告第2010/0316181 A1號之“一體式螺旋狀線圈加壓水核反應器”，其全部以引用的方式併入本文中)等。該蒸氣產生器24能包含各種額外之部件、諸如一體式節熱器。
該壓力容器12界定一密封之體積，當該PWR係操作時，該體積含有於過冷狀態中之主要冷卻劑水。為此目的，該PWR包含一設置在該壓力容器12之頂部的內部加壓器體積36。於PWR操作期間，該加壓器體積36包含一蒸氣氣泡，其壓力控制該壓力容器12的操作PWR體積 (亦即，在該加壓器體積36下方之體積)中之主要冷卻劑水的壓力。該壓力被合適之裝置所控制，諸如將該水加熱至產生蒸氣以增加壓力的電阻式加熱器、及/或將冷水注射進入該蒸氣氣泡以減少壓力的噴嘴。通過說明性範例，於一些實施例中，該壓力容器12的密封體積中之主要冷卻劑壓力係在約2000psia之壓力及在約300℃(冷管段，剛好在流入該反應器核心14之前)至320℃(熱管段，剛好在由該反應器核心14排出之後)。這些僅只是說明性過冷條件，且不同範圍之其他操作壓力及溫度亦被考慮。雖然內部加壓器36被說明，另一選擇係，其被考慮採用一經由合適之管道與該壓力容器的上部連接之外部加壓器。
持續參考圖1及進一步參考圖2與3，該加壓器體積36係藉由合適之擋板組構與該操作PWR體積分開，該擋板組構限制、但不會完全地阻擋該加壓器體積36及該操作PWR體積間之流體連通。再者，於該說明性實施例中，該主要冷卻劑流動係藉由設置緊接至該加壓器體積36的反應器冷卻劑泵浦(RCP)40所驅動。這些RCP 40係相當重，因每一RCP 40包含一旋轉式驅動動葉輪/泵浦殼部組件44之動葉輪的泵浦馬達42。該說明性RCP被有點詳細地顯示於圖2中，在此該最左邊的RCP 40被以側面剖視圖顯示，以顯露內部零組件、諸如位在該泵浦殼部44cas內側之動葉輪44imp、及將該泵浦馬達42連接至該動葉輪44imp的驅動軸桿46。該說明性RCP為一種與沸水反應器(BWR)系統一起使用之傳統型式，且使該動葉輪 /殼部組件44沉浸；及為一坐落在外部之泵浦馬達42，其內部可為“乾燥的”，亦即，與該壓力容器內側之主要冷卻劑隔絕，或“濕潤的”，亦即，由在該壓力容器內側被浸入或至少暴露至主要冷卻劑。該泵浦馬達42亦可具有一併合設計、諸如濕式轉子及乾式定子。於乾式轉子之案例中，該驅動軸桿46通過一軸承或另一被密封之穿透部。為提供圓周地均勻之泵吸，典型有許多RCP 40、例如八個RCP 40，雖然更少或更多之泵浦亦被考慮。該RCP 40係在環繞該圓柱形壓力容器12之圓柱體軸線的均勻角度間隔下隔開。該說明性RCP 40被設計為預組裝的單元，且被安裝在開口48，該開口之尺寸被設計成可允許該動葉輪/殼部組件44進入(看圖3)。另一選擇係，該開口可被製成較小的，例如，其尺寸被設計成可僅只允許該驅動軸桿通過，及安裝係在多數步驟中被施行，如Shargots在2011年5月17日提出之同時待決的美國申請案第13/109,120號所進一步敘述，其係全部以引用的方式併入本文中。
由於該前文，該RCP 40之總重量係相當大的。此重量係藉由該壓力容器12及尤其藉由該壓力容器的一部份所帶有，被界定在該部份中之開口48必需進一步能夠使一合適之壓力邊界成為可能。於一些實施例中，合適之壓力承載能力係藉由形成該壓力容器所提供，以包含合適厚之水平凸耳，該等開口被形成進入該凸耳，用於安裝該RCP。然而，其被估計所需要之凸耳厚度將為相當大的。 於該說明性實施例中，合適之壓力承載能力係藉由採用一泵浦支撐板50所提供，該泵浦支撐板跨越該圓柱形壓力容器12的內徑。該泵浦支撐板50的一部份50PB形成該圓柱形壓力容器12之壓力邊界的一部份，且該開口48被形成該泵浦支撐板50的壓力邊界界定部份50PB中。因為該泵浦支撐板50係一板件且係水平的(亦即，橫亙於該圓柱形壓力容器12之圓柱體軸線定向)，該壓力邊界界定部份50PB形成一水平之凸耳，適合用於將該RCP 40安裝在一直立定向中(亦即，使其驅動軸桿46與該圓柱形壓力容器12之圓柱體軸線平行地定向)。
為提供充分之壓力承載能力，該泵浦支撐板50較佳地係單件鍛造式板件、諸如鍛造式碳鋼板。該泵浦支撐板50之厚度係基於所需要之壓力承載能力來設計；然而，該厚度大體上係少於將被需要用於一環狀泵浦支撐凸耳者，因為如與具有大的中心開口之環狀凸耳比較，跨越該圓柱形壓力容器12的內徑之幾何形狀(以致在該泵浦支撐板50中無中心開口)增進重量承載能力。
該泵浦支撐板50亦具有分開該內部加壓器體積36與該壓力容器12之操作PWR體積(亦即，在該加壓器體積36下方之體積)的作用。然而，儘管受限制的，為操作如一加壓器，在此於該內部加壓器體積36與該操作PWR體積之間必需有某一流體連通。為此目的，一或多個沖放管線52及一或多個通氣管54通過該泵浦支撐板50。該沖放管線52於正常PWR操作期間提供受限制的流體連通， 以便使該操作PWR體積中之壓力等於該加壓器體積36中之(受控制的)壓力。該沖放管線52的下端選擇性地包含一關閉板件及側面穿孔或洞，使得經過該端部之流體連通係經由該下端的側面中之穿孔或洞。其他組構、諸如同軸線沖放管線可額外地或另一選擇地被使用於阻擋或擴散經過該沖放管線52之流動。該通氣管54調節壓力在該壓力容器12中增大之意外情況。該通氣管54提供一用於緩解壓力之較大的流體路徑。然而，其不想要的是使該通氣管54於該PWR之正常操作期間傳導流體(且因此增進對流熱傳)。因此，該通氣管54向上延伸足夠遠並進入該加壓器體積36，以致在正常PWR操作期間，其頂端係在該蒸氣氣泡中。該開口52、54確實不利地影響該泵浦支撐板50之壓力承載能力。然而，既然這些開口52、54係小的(以便限制橫越該支撐板50之流體連通)，其在壓力承載能力上之影響被限制。再者，於一些實施例中，該沖放管線52係不位於該泵浦支撐板50的中心。該沖放管線52(與該通氣管54)之偏心定位被預期增強該泵浦支撐板50對中心定位沖放管線之結構性強度。
其亦係有利的是於該加壓器體積36及該操作PWR體積之間具有良好的熱分離。熱分離有助於該加壓器體積36中之壓力及溫度的精密控制，並限制至該操作PWR體積的熱之損失。該泵浦支撐板50典型係由鋼或某一金屬所製成，該金屬具有相當高的熱導率，且因此不能提供充分之熱隔離。據此，於一些實施例中，絕熱體板56被設 置在該泵浦支撐板50上方。該絕熱體板於該內部加壓器體積36及該操作PWR體積之間提供一比被該泵浦支撐板50所提供者較大的熱障。於一些實施例中，該絕熱體板56係與該泵浦支撐板50隔開。於此案例中，該絕熱體板56及該泵浦支撐板50間之間隙包括藉由該熱絕緣板56所提供之熱障的一部份。於一些實施例中，該絕熱體板56及該泵浦支撐板50間之間隙係以停滯之主要冷卻劑水充填。既然該泵浦支撐板50及該絕熱體板56兩者於正常PWR操作期間被浸入主要冷卻劑水，這可僅只藉由具有提供流體連通進入該間隙的開口所達成。於一方式中，在該絕熱體板56及該泵浦支撐板50的頂部之間有一小間隙。此間隙被以主要冷卻劑水經過該絕熱體板56中之小連通洞充填。如此暫時地被截留在該間隙中之水係死水，具有熱絕緣性質，而適合在該加壓器體積36及該操作PWR體積之間提供一熱障。另一選擇係，其被考慮以空氣或另一隔離流體充填該絕熱體板56及該泵浦支撐板50的頂部間之間隙(在該案例中，該間隙必須被密封)，或以於該PWR環境中為耐用的隔離固體材料充填該間隙。
該絕熱體板56大致上跨越該圓柱形壓力容器12的內徑，雖然其被考慮為在該絕熱體板的外周邊及該壓力容器壁面之間具有一小間隙。此一間隙能具有用於死水之進入點的作用，以進入該絕熱體板56及該泵浦支撐板50的頂部間之間隙。該絕熱體板56不是一重量支承結構零組件，且不會形成該圓柱形壓力容器12之壓力邊界的任何 部份。據此，該絕熱體板56可被具有合適之熱特徵的任何材料所製成，該材料於該PWR環境中係耐用。於一些實施例中，該絕熱體板56係不銹鋼片(例如藉由支柱而與該泵浦支撐板50隔開的四分之一英吋厚不銹鋼圓片)。
持續參考圖2及3，藉由向上流出該中心升流管20、顛倒方向、及往下流動進入該環狀蒸氣產生器24的主要冷卻劑水所經歷之流動阻抗，係藉由該中心升流管20的上限流孔之適當塑形所減少。於該說明性實施例中，該中空圓柱形中心升流管20具有一徑向地擴展的上限流孔60，其併入一環狀分隔板62，該分隔板分開該環狀分隔板62上方的上充氣部64與該環狀分隔板6下方的下充氣部66。該說明性徑向擴展的上限流孔60平滑地徑向擴展，以平滑地併入該環狀分隔板。然而，應了解在一些實施例中，該平滑之徑向擴展可使用一系列階梯式徑向擴展被施行，其逼近所說明之平滑徑向擴展。該說明性環狀分隔板62的外周邊密封抵靠著該壓力容器12的內部壁面，以於該上及下充氣部64、66之間在該環狀接合處提供流體隔離。該環狀分隔板62包含徑向地位於該降流管環帶外側(及因此徑向地位於該環狀蒸氣產生器24外側)的開口。這些開口提供該上充氣部64及該下充氣部66間之流體連通。於該說明性實施例中，該RCP 40之對應一者的動葉輪/泵浦殼部組件44充填每一此開口，以致該RCP 40由該上充氣部64泵吸主要冷卻劑進入該下充氣部66。
於該說明性範例中，該上充氣部64係藉由該徑向地 擴展的上升流管限流孔60之表面及該環狀分隔板62的頂部、且藉由該泵浦支撐板50之底部表面及藉由該壓力容器12的內部壁面之一部份所界定。於該泵浦支撐板50被省略之實施例中，該上充氣部64之頂部係藉由另一表面、諸如該內部加壓器之絕熱體板(看圖8，當作一範例)、或於採用外部加壓器之實施例中藉由該壓力容器的上壁面所界定。
該下充氣部66係藉由該徑向地擴展的上限流孔60之“底部”或“背部”、及藉由該環狀分隔板62的底部與藉由該中心升流管20的外表面及壓力容器12的內部壁面所界定。該下充氣部66之底部係藉由“底部壁面”68所限制，該“底部壁面”68藉由該壓力容器12之凸耳的內部壁面所形成。該底部壁面68在外側由該降流管環帶的上端徑向地延伸(或，相同地於該說明性實施例中，底部壁面68在外側由該環狀蒸氣產生器24的上端徑向地延伸)。
大致上，流動分析發現此具有該徑向地擴展的上限流孔60之設計併入分開該上及下充氣部64、66的環狀分隔板62，而顯著地減少於此區域中之壓降及流動亂流，如與極多設計比較，諸如那些在美國專利公告第2010/0316181 A1號中所顯示者，其採用一突然之90度漸變段。其被發現此設計與開口之配置結合，主要冷卻劑在由該降流管環帶外側之位置從該上充氣部64至該下充氣部66流經該開口，增進進入該降流管環帶上端的主要冷 卻劑之徑向及圓周兩者的流動一致性(該另一方式，此設計在由該環狀蒸氣產生器24外側的位置與該RCP 40之配置結合，增進進入該環狀蒸氣產生器24上端的主要冷卻劑之徑向及圓周兩者的流動一致性)。
然而，以此配置的一不想要之現象亦被觀察到。流動分析顯示該流動的一部份將撞擊在由該環狀蒸氣產生器24的上端在外側徑向地延伸之底部壁面68上，且接著在該蒸氣產生器24的上端噴射越過該管束，而非一致地往下流動進入該管束。其被發現設置在該下充氣部66中之流動擴散器的加入大體上減少此流動噴射效應，該流動擴散器將來自該RCP 40之主要冷卻劑流動擴散進入該降流管環帶。然而，大的流動擴散器能增加不想要之流動阻抗。其被發現延伸遠離該下充氣部66的底部壁面68而呈低剖面環狀壩70之形式的流動擴散器提供該噴射效應之想要的抑制，而沒有流動阻抗中之大的相伴增加。該環狀壩70係在該環狀蒸氣產生器24外側，但在該RCP 40內側。
參考圖4-6，說明這些效應之流動圖案被顯示。圖4及5顯示被計算用於一不包含該壩70之設計的流動路徑。該流體維持接近該徑向地擴展的上升流管限流孔60之曲率，且在該RCP 40之入口側觀察到低流動亂流。然而，在該環狀蒸氣產生器24之頂部的外側部份上之流動正局部橫側地流動，給與進入該蒸氣產生器24之不均勻的流動。因而，經過該蒸氣產生器之內側管子(或在具有 殼體側主要冷卻劑流動的蒸氣產生器之案例中，經過該殼體的內側部份)之流動，將大體上高於經過該蒸氣產生器之外側管子(或在具有殼體側主要冷卻劑流動的蒸氣產生器之案例中，經過該殼體的外側部份)之流動。如在圖6中所視，該壩70之加入大體上減少此徑向之不均勻性。該壩70於該噴射之區域中精確地擴散該流動，以便幾乎完全地消除該噴射效應，而僅只增加一小的額外流動阻抗。
該壩70之精密組構係使用流動模擬輕易地設計。大致上，既然該流動阻抗被預期為隨著該壩70之高度的增加而增加，該壩70應低至可施行地被製成，而仍然提供該噴射之想要抑制。該說明性壩70具有長方形截面之環狀幾何形狀，但其他組構被預期為合適的。該環狀幾何形狀輔助提供圓周一致性；然而，模擬指示此效應係居於該徑向效應其次，且於一些實施例中，其被考慮以不連續之壩、譬如以位於與每一RCP 40及在其中間之區域對齊的壩替代所說明之連續環狀壩70，而該區域省略該壩。其亦被預期的是該長方形截面可被一傾斜結構、或一圓形結構所替代。圓化該壩被預期減少其當作一流動擴散器之流動阻抗及有效性兩者，故其可為可能使用一較大的圓化壩，而具有與較小的長方形壩大體上類似之效應。
如於圖4-6所說明，雖然該說明性平滑地徑向擴展的上升流管限流孔60提供流動優點，其亦被考慮使用其他組構、諸如相對水平分隔板被定向在90度的平直之直立 升流管上限流孔，選擇性地包含開口，諸如在美國專利公告第2010/0316181 A1號中所顯示。此一配置亦可為與被安裝在圖1-3所示位置中之RCP 40耦接，但使該動葉輪/泵浦殼部組件44設置於該水平分隔板之開口中。此一設計仍然包含藉由該分隔板所分開的上充氣部及下充氣部。
參考圖3及進一步參考圖7，於任何此實施例中，或於圖3之實施例中，緊急芯部冷卻系統(ECCS)返回管線噴嘴76被適當地配置，以將水WECCS注射進入該上充氣部64。這允許用於一有利之配置，而在一短暫條件期間用於ECCS注射。注射進入該上充氣部64的ECCS注射噴嘴76之位置允許該ECCS遠高於該反應器核心14被注射(看圖1)。這減少該反應器核心14於意外狀況期間被揭開之風險。再者，定位注射進入該上充氣部64的ECCS注射噴嘴76將該注射點放置在該RCP 40之吸入側面上，如果該注射點係位在該RCP之排放側面上，其允許該ECCS返回管線76在比將需要者較低的壓力下操作。藉由將該ECCS水注射在該RCP 40之吸入側面上，越過該RCP 40之差壓主動地由該ECCS返回管線76泵吸該冷卻劑水，其增強ECCS性能(至少用於意外情況，其中該RCP 40係運轉的)。該說明性ECCS返回管線噴嘴76真正地貫穿該反應器壓力邊界進入該下充氣部66，且接著作成90度彎頭，以貫穿該環狀分隔板62及進入該上充氣部64，在此其注射該ECCS水。選擇性地，該ECCS返回管線噴嘴76可分出成一接合材，以允許ECCS冷卻劑被傳送至緊接至 二(或更多)RCP 40之多數注射點。
參考圖8，另一被考慮的變型係以形成進入該壓力容器12之弓形環狀凸耳50'替代圖1-3的泵浦支撐板50。於圖8中，以與用於圖1-3的泵浦支撐板50中之開口48所敘述相同的方式，該弓形環狀凸耳50'中之開口48'具有安裝RCP之作用。於數值模擬中，其被發現設計該弓形環狀凸耳50'來順應一橢圓形頭，其於該長軸與短軸之間具有2：1的比率，而為泵浦壓力承載強度提供一最佳之組構。該弓形環狀凸耳50'之利益係該弓形幾何形狀增強頂抗內部壓力的強度，如與其他幾何形狀比較，其能夠對於該弓形環狀凸耳50'使用一較小的殼體厚度。該弓形環狀凸耳50'之缺點係其鍛造可為昂貴的，因為該開口48'被塑形，以為該RCP提供想要(例如直立)的定向，並能使該RCP之安裝複雜化。再者，該開口48'之塑形及該弓形環狀凸耳50'之弓形的形狀可需要用於該RCP之較長的驅動軸桿。
參考圖9，所揭示之具有該徑向地擴展的上限流孔60的中空圓柱形中心升流管20亦被考慮供使用於其它設計中，且併入分開該上及下充氣部64、66的環狀分隔板62。圖9顯示一設計，其採用自然循環(或，另一選擇係，採用位在遠離該加壓器某處之RCP)。於此實施例中，圖1-3之泵浦支撐板50被省略，因為無RCP待支撐，且絕熱體板56'被設計成在該加壓器體積36及該操作PWR體積之間提供一熱障。該絕熱體板56'可譬如包括在 其中間具有該間隙之二隔開的不銹鋼片，並以停滯之主要冷卻劑水充填該間隙。於圖9之實施例中，該徑向地擴展的上限流孔60併入一被修改之環狀分隔板62'，其外周邊不會密封抵靠著該壓力容器12的內部壁面。反之，環狀間隙90分開該環狀分隔板62'的外周邊與該圓柱形壓力容器12的內部壁面。該環狀間隙90提供該上及下充氣部64、66間之流體連通。該環狀間隙係徑向地在該降流管環帶外側(且因此徑向地在該環狀蒸氣產生器24外側)，以致譬如於圖4-6中所顯示之流動一致性係極可能同樣以圖9之設計做得成。該環狀間隙90之尺寸能被選擇，以最佳化流動特徵、諸如阻抗、該下充氣部66中之流動一致性、及往下流入該環狀蒸氣產生器24。雖然未說明，其亦被考慮塑形該分隔板62'的外周邊，以有助於實現該流動特徵。
該較佳實施例已被說明及敘述。顯然地，對於其他人在閱讀及了解該先前之詳細敘述時，修改及變更將發生。其係意欲將本發明解釋為包含所有此等修改及變更，如同它們落在所附申請專利或其同等項之範圍內。
10‧‧‧加壓水反應器
12‧‧‧壓力容器
14‧‧‧核反應器核心
20‧‧‧中心升流管
22‧‧‧控制棒系統
24‧‧‧蒸氣產生器
26‧‧‧給水入口
28‧‧‧給水充氣部
30‧‧‧蒸氣充氣部
32‧‧‧蒸氣出口
36‧‧‧加壓器體積
40‧‧‧反應器冷卻劑泵浦
42‧‧‧泵浦馬達
44‧‧‧殼部組件
44cas‧‧‧泵浦殼部
44imp‧‧‧動葉輪
46‧‧‧驅動軸桿
48‧‧‧開口
48’‧‧‧開口
50‧‧‧泵浦支撐板
50’‧‧‧凸耳
50PB‧‧‧部份
52‧‧‧沖放管線
54‧‧‧通氣管
56‧‧‧絕熱體板
56’‧‧‧絕熱體板
60‧‧‧上限流孔
62‧‧‧分隔板
62’‧‧‧分隔板
64‧‧‧上充氣部
66‧‧‧下充氣部
68‧‧‧底部壁面
70‧‧‧環狀壩
76‧‧‧噴嘴
90‧‧‧間隙
本發明可於各種零組件及零組件之配置中、及於各種製程操作及製程操作之配置中成形。該圖面係僅只用於說明較佳實施例之目的，且不被解釋為限制本發明。
圖1圖樣地顯示一如在此中所揭示之核反應器。
圖2及3圖樣地顯示圖1之核反應器的上部之立體剖視與側面剖視圖。於圖3中，該反應器冷卻劑泵浦(RCP)被省略，以顯露該安裝開口。
圖4及5顯示用於圖2及3的上部而沒有該壩之經計算的主要冷卻劑水流動圖案。圖5顯示圖4的一部份之放大視圖。
圖6顯示用於圖2及3的上部而具有該壩之經計算的主要冷卻劑水流動圖案。
圖7顯示的一部份之放大視圖，並集中在該緊急芯部冷卻系統(ECCS)返回管線噴嘴上。
圖8顯示另一選擇實施例的上壓力容器部份之一部份的立體圖，並使用一弓形環狀表面，以提供一壓力邊界及用於緊接該加壓器安裝RCP的低沈部(bass)。
圖9顯示圖2及3的上部之變型實施例，其係適合用於自然之循環操作。
12‧‧‧壓力容器
24‧‧‧蒸氣產生器
36‧‧‧加壓器體積
40‧‧‧反應器冷卻劑泵浦
42‧‧‧泵浦馬達
44‧‧‧殼部組件
44cas‧‧‧泵浦殼部
44imp‧‧‧動葉輪
46‧‧‧驅動軸桿
50‧‧‧泵浦支撐板
50PB‧‧‧部份
52‧‧‧沖放管線
54‧‧‧通氣管
56‧‧‧絕熱體板
60‧‧‧上限流孔
62‧‧‧分隔板
68‧‧‧底部壁面
70‧‧‧環狀壩

Claims (35)

  1. 一種設備，包括：加壓水反應器(PWR)，包含：活性區，包括易分裂材料，圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區，及中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側，一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間，其中該中空圓柱形中心升流管具有一徑向地擴展的上限流孔，該上限流孔併入環狀分隔板，該分隔板分開該環狀分隔板上方的上充氣部與該環狀分隔板下方的下充氣部，且其中該上充氣部係與該徑向地擴展的上限流孔流體連通，及該下充氣部係與該降流管環帶流體連通。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中環狀間隙分開該環狀分隔板的外周邊與該圓柱形壓力容器的內部壁面，該環狀間隙提供該上及下充氣部間之流體連通，該環狀間隙係徑向地在該降流管環帶外側。
  3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該環狀分隔板與該圓柱形壓力容器的內部壁面形成一環狀密封，該環狀分隔板包含徑向地位於該降流管環帶外側之開口，該等開口提供該上充氣部及該下充氣部間之流體連通。
  4. 如申請專利範圍第3項之設備，另包括：反應器冷卻劑泵浦(RCP)，配置在該環狀分隔板中之 開口，以由該上充氣部泵吸反應器冷卻劑水進入該下充氣部。
  5. 如申請專利範圍第4項之設備，其中該PWR另包括：泵浦支撐板，跨越該圓柱形壓力容器的內徑，且形成該圓柱形壓力容器之壓力邊界的一部份，該RCP係藉由該泵浦支撐板所支撐。
  6. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該泵浦支撐板包括單件鍛造板。
  7. 如申請專利範圍第3項之設備，另包括：蒸氣產生器，設置在該降流管環帶中，其中由該下充氣部經過該蒸氣產生器的往下主要冷卻劑流動加熱經過該蒸氣產生器之向上第二冷卻劑流動，該第二冷卻劑流動係與該往下主要冷卻劑流動流體隔離。
  8. 如申請專利範圍第7項之設備，其中該PWR另包括：泵浦支撐板，跨越該圓柱形壓力容器的內徑及形成該圓柱形壓力容器之壓力邊界的一部份，該RCP係藉由該泵浦支撐板所支撐。
  9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中：該圓柱形壓力容器的上部界定一內部加壓器體積，該泵浦支撐板分開該內部加壓器體積與該壓力容器之操作PWR體積，該操作PWR體積至少包含該上及下充氣部、該降流管環帶、及由該中空圓柱形中心升流管所含有 之體積，及該泵浦支撐板包含一通過該泵浦支撐板的沖放管線。
  10. 如申請專利範圍第9項之設備，其中該沖放管線係不位於該泵浦支撐板的中心。
  11. 如申請專利範圍第9項之設備，其中該PWR另包括：絕熱體板，設置在該泵浦支撐板上方及與該泵浦支撐板隔開，該絕熱體板在該內部加壓器體積及該操作PWR體積之間提供一比藉由該泵浦支撐板所提供者較大的熱障。
  12. 如申請專利範圍第9項之設備，其中該PWR另包括：流動擴散器，設置在該下充氣部中，以由該環狀分隔板中之環狀間隙或開口將主要冷卻劑流動擴散進入該降流管環帶。
  13. 如申請專利範圍第12項之設備，其中該下充氣部係藉由底部壁面所局部地界定，該底部壁面由該降流管環帶的上端外側徑向地延伸，且該流動擴散器包括：壩，延伸遠離該下充氣部之底部壁面。
  14. 如申請專利範圍第13項之設備，另包括：緊急芯部冷卻系統返回管線噴嘴，被配置成將水注射進入該上充氣部。
  15. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該PWR另包括： 流動擴散器，設置在該下充氣部中，以由該環狀分隔板中之環狀間隙或開口將主要冷卻劑流動擴散進入該降流管環帶。
  16. 如申請專利範圍第15項之設備，其中該下充氣部係藉由底部壁面所局部地界定，該底部壁面由該降流管環帶的上端外側徑向地延伸，且該流動擴散器包括：壩，延伸遠離該下充氣部之底部壁面。
  17. 如申請專利範圍第16項之設備，其中該壩包括圍繞該降流管環帶的上端之環狀壩。
  18. 如申請專利範圍第15項之設備，另包括：緊急芯部冷卻系統返回管線噴嘴，被配置成將水注射進入該上充氣部。
  19. 一種設備，包括：加壓水反應器(PWR)，包含：活性區，包括易分裂材料，圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區，中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側，一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間，及環狀分隔板，分開該環狀分隔板上方的上充氣部與該環狀分隔板下方的下充氣部；其中該上充氣部係與該中空圓柱形升流管的上限流孔流體 相通，且該下充氣部係與該降流管環帶流體連通；及其中由該上充氣部至該下充氣部之流動路徑被設置在該降流管環帶外側。
  20. 如申請專利範圍第19項之設備，其中一壩延伸遠離該下充氣部之底部壁面進入該下充氣部，及該壩係在該降流管環帶徑向外側，及該壩係在由該上充氣部至該下充氣部之流動路徑的徑向內側。
  21. 如申請專利範圍第20項之設備，其中該壩包括環狀壩。
  22. 如申請專利範圍第20項之設備，其中該設備另包括：反應器冷卻劑泵浦(RCP)，被配置成經過由該上充氣部至該下充氣部之流動路徑從該上充氣部泵吸主要冷卻劑進入該下充氣部，該流動路徑被設置在該降流管環帶外側。
  23. 如申請專利範圍第22項之設備，其中該PWR另包括：泵浦支撐板，跨越該圓柱形壓力容器的內徑，且形成該圓柱形壓力容器之壓力邊界的一部份，該RCP係藉由該泵浦支撐板所支撐。
  24. 如申請專利範圍第23項之設備，其中：該圓柱形壓力容器的上部界定一內部加壓器體積，該泵浦支撐板分開該內部加壓器體積與該壓力容器之 操作PWR體積，該操作PWR體積至少包含該上及下充氣部、該降流管環帶、及藉由該中空圓柱形中心升流管所含有之體積，及該泵浦支撐板包含一通過該泵浦支撐板的沖放管線。
  25. 如申請專利範圍第24項之設備，其中該沖放管線係不位於該泵浦支撐板的中心。
  26. 如申請專利範圍第24項之設備，另包括：絕熱體板，設置在該泵浦支撐板上方，該絕熱體板在該內部加壓器體積及該操作PWR體積之間提供一比藉由該泵浦支撐板所提供者較大的熱障。
  27. 如申請專利範圍第26項之設備，另包括：緊急芯部冷卻系統返回管線噴嘴，被配置成將水注射進入該上充氣部。
  28. 一種設備，包括：加壓水反應器(PWR)，包含：活性區，包括易分裂材料，圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區，中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側，一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間，及泵浦支撐板，跨越該圓柱形壓力容器的內徑，其中該泵浦支撐板的一部份形成該圓柱形壓力容器之壓力邊界的一部 份；及反應器冷卻劑泵浦(RCP)，藉由形成該圓柱形壓力容器之壓力邊界的部份之泵浦支撐板的部份所支撐，該RCP被配置成泵吸由該中空圓柱形中心升流管的上限流孔排放進入該降流管環帶之主要冷卻劑水。
  29. 如申請專利範圍第28項之設備，其中該泵浦支撐板包括單件鍛造板。
  30. 如申請專利範圍第29項之設備，其中：該圓柱形壓力容器的上部界定一內部加壓器體積，該泵浦支撐板分開該內部加壓器體積與該壓力容器之操作PWR體積，該操作PWR體積至少包含該上及下充氣部、該降流管環帶、及藉由該中空圓柱形中心升流管所含有之體積，及該泵浦支撐板包含一通過該泵浦支撐板的沖放管線。
  31. 如申請專利範圍第30項之設備，其中該沖放管線係不位於該泵浦支撐板的中心。
  32. 如申請專利範圍第30項之設備，另包括：絕熱體板，設置在該泵浦支撐板上方，該絕熱體板在該內部加壓器體積及該操作PWR體積之間提供一比藉由該泵浦支撐板所提供者較大的熱障。
  33. 如申請專利範圍第32項之設備，其中該絕熱體板係與該泵浦支撐板隔開，且該絕熱體板及該泵浦支撐板間之間隙包括藉由該絕熱板所提供之熱障的一部份。
  34. 如申請專利範圍第34項之設備，其中該絕熱體板 及該泵浦支撐板間之間隙含有停滯的主要冷卻劑水。
  35. 一種設備，包括：加壓水反應器(PWR)，包含：活性區，包括易分裂材料，圓柱形壓力容器，具有直立地定向之圓柱體軸線，且含有浸入主要冷卻劑水之活性區，中空圓柱形中心升流管，與該圓柱形壓力容器同心地設置且在該圓柱形壓力容器內側，一降流管環帶被界定於該中空圓柱形中心升流管及該圓柱形壓力容器之間，及環狀分隔板，分開該環狀分隔板上方的上充氣部與該環狀分隔板下方的下充氣部；及緊急芯部冷卻系統返回管線噴嘴，被配置成將水注射進入該上充氣部。
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