TWI549138B - 核子反應器、加壓水核子反應器及製造用於核子反應器的單流蒸汽產生器之方法 - Google Patents

核子反應器、加壓水核子反應器及製造用於核子反應器的單流蒸汽產生器之方法 Download PDF

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Description

核子反應器、加壓水核子反應器及製造用於核子反應器的單流蒸汽產生器之方法
下文有關該核子反應器技藝、蒸汽產生器及蒸汽產生技藝、電力產生技藝、及相關技藝。
小型核子反應器係已知用於以海上及陸地為基礎之發電應用及用於其他應用。於一些此等核子反應器中，一體結構蒸汽產生器係位在該反應器壓力容器內側，其具有諸如小巧、減少由於壓力容器滲透之減少數目及/或尺寸的冷卻劑意外(LOCA)事件之嚴重損失的可能性、該放射性主要冷卻劑之全部保留在該反應器壓力容器內等優點。
在此中所揭示者係進一步改良，其提供減少之成本、簡化的製造、及對於該熟練工匠於閱讀下文時將變得明顯的其他利益。
於該揭示內容的一態樣中，一設備包括：大致上圓柱形之壓力容器，界定一圓柱體軸線；核子反應器核心，設置在該大致上圓柱形壓力容器中；中心升流管，同軸向地設置在該大致上圓柱形壓力容器內側，該中心升流管為中空的及具有鄰近該核子反應器核心之底端，以承接藉由該核子反應器核心所加熱之主要冷卻劑，該中心升流管具有遠離該核子反應器核心之頂端；及直流蒸汽產生器(OTSG)，包括在界定於該中心升流管及該大致上圓柱形壓力容器間之環狀體積中與該圓柱體軸線平行配置的管道，由該中心升流管之頂端排出的主要冷卻劑在該等管道內側流向該核子反應器核心，該OTSG另包含具有給水入口及蒸汽出口之液體流量體積，其中在該給水入口被注射進入該液體流量體積與在該蒸汽出口由該液體流量體積排出的液體於一方向中在該等管道外側流動，該方向大致上與主要冷卻劑在該等管道內側流動之方向相反。
於該揭示內容之另一態樣中，一設備包括：加壓水核子反應器(PWR)，包含壓力容器，核子反應器核心被設置在該壓力容器中，且直立地導向之中空中心升流管設置在該壓力容器內側的核子反應器核心上方；及直流蒸汽產生器(OTSG)，設置在該PWR之壓力容器中，該OTSG包含配置在以下的至少一者中之直立管道(i)該中心升流管及(ii)藉由該中心升流管及該壓力容器所界定之環狀體積，該OTSG另包含包圍該等直立管道之液體流量體積；其中該PWR具有一操作狀態，在該操作狀態中，在給水入口注射進入該液體流量體積之給水係藉由從該OTSG的管道內側流動之主要冷卻劑所散發的熱轉換成蒸汽，且該蒸汽係在蒸汽出口由該液體流量體積排放。
於該揭示內容之另一態樣中，一方法包括：製成直流蒸汽產生器(OTSG)，該製成步驟包含在軸向張力之下安裝該OTSG之管道；及在升高之溫度下操作該OTSG，該等管道在該溫度係於軸向壓縮之下。
參考圖1，說明性核子反應器之立體局部剖視圖被顯示。核子反應器核心10被設置在大致上圓柱形壓力容器內側。於該說明性實施例中，該壓力容器包含容置該核子反應器核心10的下壓力容器部份或區段12、上容器部份或區段14、及中間邊緣區域16。這僅只為一說明性組構，且該壓力容器大致上可為少到如由單一部份或區段、或二部份或區段、三部份或區段(如所示)、四部份或區段(例如包含與該上部份或區段分開之四個上“蓋”部份或區段)等所製成。該壓力容器12,14,16含有主要冷卻劑，該主要冷卻劑於輕水反應器之說明性案例中為水(H2O)，選擇性地包含用於反應度控制之其他添加劑，諸如硼化合物(例如“攙硼酸之水”。於其他被考慮之實施例中，該主要冷卻劑可為另一液體、諸如重水(D2O)。該主要冷卻劑充填大多數或所有該壓力容器12,14,16之體積。反應器入口環帶18圍繞該反應器核心10，以能夠使主要冷卻劑流動至該反應器核心10。設置在該反應器入口環帶18中之選擇性屏蔽件或圍板20對該反應器核心10提供額外之輻射屏蔽。該說明性反應器係加壓水反應器(PWR)，其中該主要冷卻劑係在該操作壓力低於該沸點之溫度(飽和溫度)而被維持在升高壓力之下的過冷輕水；然而，該主要冷卻劑在該飽和溫度於升高壓力操作之沸水式反應器(BWR)、或諸如採用重水之組構的另一反應器組構亦被考慮。
反應器控制係藉由上內部中子吸附控制棒22及控制棒驅動機構(CRDM)24所提供，該CRDM被建構，以可控制地將該等控制棒插入該核子反應器核心10及自該核子反應器核心10縮回該等控制棒。圖1僅只圖樣地認知二說明性控制棒22；然而，於一些實施例中，該等控制棒數目可為數打或數百，具有空間地分佈越過該反應器核心區域之插入點，以共同地提供均勻之反應控制。該CRDM 24可被分成多數單元(細節未示出)，每一單元控制一或多個控制棒。譬如，複數控制棒可經由連接桿/多脚架總成或另一合適之耦接件(細節未示出)被與單一CRDM單元運作地耦接。於一些說明性實施例中，CRDM單元包含驅動一導螺桿之馬達，該導螺桿經由連接桿/多脚架總成與控制棒操作地連接，使得馬達操作造成包含該導螺桿、連接桿、多脚架、及控制棒之總成的線性平移。此CFDM單元經由該導螺桿提供控制棒之精確插入該反應器核心10的細微控制，且因此係適合用於提供細微增量式反應控制之“灰棒”操作。於一些說明性實施例中，CRDM單元可包括將包含該連接桿、多脚架、及控制棒之總成舉出該反應器核心10的舉昇活塞，且於SCRAM期間移去該舉昇力量，以允許該等控制棒藉由重力及選擇性之液壓力量落入該反應器核心10。此等CRDM單元係適當地用於“停堆棒”操作，當作該反應器安全系統的一部份。於又其他說明性實施例中，該灰棒及停堆棒功能性被整合成單一CRDM單元，譬如使用與導螺桿耦接之可分開的滾珠螺帽，使得該CRDM單元通常提供灰棒功能性，但於SCRAM期間，該滾珠螺帽分開，以釋放該等控制棒進入該反應器核心10。CRDM單元的一些進一步說明性實施例被提出於2010年3月12日提出的標題為“用於核子反應器之控制棒驅動機構”的申請案序號第12/722,662號中、及於2010年3月12日提出的標題為“用於核子反應器之控制棒驅動機構”的相關申請案序號第12/722,696號中，該兩專利申請案全部係以引用的方式併入本文中。這些申請案揭示提供灰棒/停堆棒功能性之CRDM單元，其中該馬達及該導螺桿間之連接係不可釋放的，反之分開的閂鎖器被設在該導螺桿及該連接桿之間，以便實行SCRAM。於這些另一選擇組構中，該導螺桿不會SCRAM，反之僅只解開的連接桿及控制棒一起SCRAM朝向該反應器核心，同時該導螺桿保持與該馬達嚙合。
該圖樣地說明之CRDM 24可包含一或多個CRDM單元，其包含所敘述之型式的CRDM單元或提供灰棒及/或停堆棒功能性的其他CRDM單元組構之各種組合。該說明性CRDM 24係內部CRDM，其中包含該馬達、導螺桿、連接桿等之所有機械及電磁動勢零組件被設置在該壓力容器12,14,16內側，僅只以電線、液壓管線、或其它動力或控制導螺桿與這些零組件連接。於其他被考慮之實施例中，該CRDM可採用外部CRDM單元，其中該馬達被安裝在該壓力容器外側，譬如在其上方或下方。
持續參考圖1，由於藉由加熱之自然的對流設定，由於該操作核子反應器核心10附近中之主要冷卻劑，該主要冷卻劑可被自然地循環。額外地或另一選擇係，該主要冷卻劑循環可藉由選擇性之反應器冷卻劑幫浦26所驅動或輔助。該圖樣地說明之冷卻劑幫浦26係具有轉子及定子元件的內部幫浦，該兩元件位在該壓力容器12,14,16內側。另一選擇係，外部幫浦能被採用，譬如具有經由合適之導管或管道與該壓力容器體積耦接的外部定子及轉子，或按照自然對流之反應器實施例，該循環幫浦可完全被省略。
該核子反應器係進一步持續參考圖1及進一步參考圖2及3被敘述。圖2說明該上方容器14及在其中之選擇性零組件的側面剖視圖，而圖3顯示圖2中所指示之剖面D-D。如在圖1中所視，該說明性核子反應器係一體結構核子反應器，藉此其係意指蒸汽產生器30被整合在該壓力容器12,14,16內側。於該說明性範例中，該壓力容器12,14,16大致上係圓柱形，且界定一圓柱體軸線A(僅只被標示於圖2中)。該蒸汽產生器30係設置在該上方容器14中之直管直流蒸汽產生器(OTSG)30。該OTSG 30包含直立地配置之直管32，其於環狀“降流管”體積34中與該圓柱體軸線A平行，該體積34被界定於以下二者之間：(i)同軸向地設置在該大致上圓柱形壓力容器的上部14中之中空中心升流管36，及(ii)該大致上圓柱形壓力容器的上部14。該中空中心升流管36界定一在該中心升流管36內側的中心升流管流動路徑38。該OTSG 30亦包含環繞設置在該降流管體積34中之管道32的外部圍板40、及設置於該中心升流管36與該等管道32之間的內部圍板42。(注意於圖2及3中，該等OTSG圍板40,42被顯示及標明，但該等管道32被省略，以便更清楚地顯示圖2及3中之環狀降流管體積34)。
該說明性反應器中之主要冷卻劑流動路徑係如下。該中心升流管36具有一鄰近至該核子反應器核心10之底端，以承接藉由該核子反應器核心10所加熱之主要冷卻劑；及一遠離該核子反應器核心10之頂端。藉由該核子反應器核心10所加熱之主要冷卻劑向上流動經過該中心升流管36內側的中心升流管流動路徑38。在該中心升流管36之頂部，該主要冷卻劑流動轉彎180度(亦即，由大致上向上的流動至大致上往下之流動)。該主要冷卻劑進入該OTSG 30之管道32，且往下流動經過該等管道32。該主要冷卻劑係由該等管道32的下端排入主要出口充氣部44，其使該主要冷卻劑流動回頭通過至該反應器入口環帶18及回頭至該反應器核心10。
持續參考圖1-3及進一步參考圖4，該OTSG 30之外部及內部圍板40,42界定該等圍板40,42間之OTSG 30的液體流量體積。此液體流量體積圍繞該等管道32，且具有給水入口50及蒸汽出口52。注意雖然單一入口50及單一出口52被說明，於其他實施例中，可有多數入口及/或多數出口，以在橫亙於該軸線A之平面中提供冗餘及/或改良之徑向對稱性。液體(例如給水)係在該給水入口50注射進入該液體流量體積及係在該蒸汽出口52由該液體流量體積排出(例如當作蒸汽)。同時於該液體流量體積中，該液體於大致上向上之方向中流動在該OTSG 30之管道32外側，該方向大致上與該等管道32內側的主要冷卻劑之流動相反。
持續參考圖1-3及進一步參考圖4，於該說明性PWR之操作狀態中，在該給水入口50注射進入該OTSG 30之液體流量體積的給水係藉由從流動在該OTSG 30之管道32內側的主要冷卻劑所發出之熱轉變成蒸汽，且該蒸汽係在蒸汽出口52由該液體流量體積排出。這是圖樣地顯示在圖4中，其顯示承載往下之主要冷卻劑流動(Fprimary)的三個說明性管道32之各部份。藉由界定該OTSG 30之液體流量體積的外部及內部圍板40,42之指示，該OTSG 30之液體流量體積係圖樣地顯示在圖4中。為有利於與圖1-3之相互關係，對應於該大致上圓柱形壓力容器的軸線A之軸向亦被指示在圖4。流動於該OTSG 30的液體流量體積中之液體在此中有時候被稱為“次要”冷卻劑，且該OTSG 30的液體流量體積中之次要冷卻劑的大致上向上之“相反”流動被指示為圖樣地圖4中之次要冷卻劑流動(Fsecondary)。於該向上流動期間，由該主要冷卻劑流動Fprimary所散發之熱傳送至該次要冷卻劑流動Fsecondary，造成該次要冷卻劑加熱，直至其被轉變成具有蒸汽流動(Ssecondary)之形式的次要冷卻劑流動(該蒸汽流動Ssecondary亦藉由使用虛線箭頭被圖樣地指示於圖4中)。雖然未說明，離開該蒸汽出口52之蒸汽流動Ssecondary適當地用作工作蒸汽，其流動至渦輪或另一蒸汽運轉式裝置及操作該渦輪或該另一蒸汽運轉式裝置。
於該說明性實施例中，該OTSG 30之液體流量體積係藉由該外部及內部圍板40,42所界定，該等圍板係藉由該中心升流管36及該壓力容器的上部14所分開。有利地是，這能夠讓該OTSG 30被製成為一包含該等管道32及周圍之圍板40,42的單元，且接著在該壓力容器的上部14中被安裝為一單元。然而，其亦被考慮用於將被具體化為該中心升流管36的外部表面的內部圍板，及/或用於將被具體化為該壓力容器的上部14的內部表面的外部圍板。
於包含與該壓力容器上部14分開的外部圍板40之實施例中(如於該說明性實施例中)，為一有用之目的，該外部圍板40及該壓力容器14間之環狀空間可被選擇性地採用。於該說明性範例中，於該OTSG 30的外部圍板40及該壓力容器(上部14)之間，該外部圍板40及該壓力容器14間之環狀空間界定一給水環帶60，並在該給水入口50緩和被注射進入該液體流量體積之給水。相同地，該OTSG 30的外部圍板40及該壓力容器(上部14)間之蒸汽環帶62在該蒸汽出口52緩和由該液體流量體積所排放之蒸汽。
於一些實施例中，該給水環帶及該蒸汽環帶具有相等的內徑及相等的外徑。於此等實施例中，該外部圍板及該有關之壓力容器部份遍及該等環帶的軸向長度具有恆定之直徑。然而，於該說明性實施例中，該給水環帶60具有比該蒸汽環帶62較大的外徑。如與環繞該蒸汽環帶62的壓力容器上部14之直徑相比較，這是藉由增加環繞該給水環帶60的壓力容器上部14之直徑所獲得。於該說明性實施例中，遍及該等環帶60,62之軸向長度，該外部圍板40之直徑保持恆定的。此組構允許水之較大的局部存量，以致在給水之損失(LOFW)的意外事件中，可用於蒸汽產生器沸騰之時間係相對較長的。
參考圖1及2，如業已論及，當該主要冷卻劑在該中心升流管36內側由該中心升流管流動路徑38排出、及流入該OTSG 30的管道32之頂端時，用於該主要冷卻劑之流動環路包含180度流動反轉。選擇性地，偏流器70被提供，以有利於此流動反轉。該說明性偏流器70被設置在該大致上圓柱形壓力容器14中，且具有一面朝該中心升流管之頂端的偏流表面72，該頂端係傾斜或(如所說明)彎曲至重新導向由該中心升流管36之頂端所排放的主要冷卻劑朝向該OTSG 30的管道32之入口。該偏流器70係藉由主要入口充氣部74來與該中心升流管36之頂端隔開。
如先前所論及，該說明性核子反應器係加壓水反應器(PWR)，其中該主要冷卻劑被過冷及維持在正壓力之下。於一些實施例中，該主要冷卻劑之加壓係藉由外部加壓器所提供。然而，於該說明性實施例中，該主要冷卻劑之加壓係藉由內部加壓器所提供。於此組構中，該偏流器72亦用作該分隔板70的一部份70，其藉由該前述之主要入口充氣部74與該中心升流管36之頂端隔開。該大致上圓柱形壓力容器12,14,16(及更精確地是，該壓力容器上部14)包含一與該分隔板70配合之密封頂部78，以界定一體結構加壓器體積80，其係藉由該分隔板70與該大致上圓柱形壓力容器12,14,16之其餘內部體積分開。於該PWR之操作狀態中，該一體結構加壓器體積80含有在一溫度之流體(飽和之主要冷卻劑液體與蒸汽)，該溫度係大於設置在該大致上圓柱形壓力容器12,14,16的其餘內部體積中之主要冷卻劑的溫度。於此實施例中，該飽和溫度係藉由加壓器加熱器82(僅只顯未在圖1中)所維持，同時加壓器噴灑噴嘴84提供一用於藉由在體積80中冷凝部份該蒸汽來減少該壓力之機構。該分隔板70適當地包含開口(未示出)，其在該一體結構加壓器體積80及該大致上圓柱形壓力容器12,14,16的其餘內部體積之間提供液壓液體相通。此液壓液體相通在該大致上圓柱形壓力容器12,14,16的其餘內部體積中建立該壓力位準。既然越過分隔板70於該加壓器體積80及主要入口充氣部74之間有一溫差，該大致上圓柱形壓力容器12,14,16的內部體積中之其餘主要液體在大約攝氏11度(華氏20度)的溫度被維持在過冷液體條件，該溫度小於該加壓器體積80中之飽和溫度。過冷液體之此位準防止反應器核心10中之主要液體經歷飽和之整體沸騰，其比典型存在於加壓水核子反應器核心中之過冷核態沸騰具有顯著較高的蒸汽體積分數。PWR核心中之整體沸騰的此預防係藉由該加壓器(80,82,84,78與70)而成為可能的，且藉由使與核態沸騰分離(DNB)之可能性減至最小，用於該等核子反應器燃料棒之完整性係有益的，該DNB增加燃料球芯塊與燃料-包殼溫度。
已於圖1-4中提出說明性的一體結構PWR當作說明性範例，其次提出一些進一步之額外態樣及變型。
於一說明性之定量型範例中，於該操作狀態中之反應器核心10在425 MW熱流下操作。該熱反應器冷卻劑水在被稱為該熱柱之環路中流動，其包含流動環繞著該CRDM之24的核心上方之空間。該熱柱向上沿著該中心升流管36延伸至該入口充氣部74，其中該反應器冷卻劑隨後經由該中心升流管流動路徑38進入該直管OTSG 30之管道32。該直管OTSG 30圍繞該中心升流管36，且包含蒸汽產生器管道32之環狀列陣，該環狀列陣設置在該中心升流管36及該OTSG 30的外部圍板40間之環帶中。此組構的一優點係該中心升流管36為在1900 psia(於此說明性之定量型實施例中)分開該高壓反應器主要冷卻劑之高壓零組件與該較低壓力之次要冷卻劑，該次要冷卻劑於此範例中為在825 psia。經由該中心升流管36，內部壓力零件之使用產生小型及有效率之設計，因為該主要壓力邊界係在該蒸汽產生器30內部，且用作該雙重應用，當作一界定用於該熱柱之流動路徑38的升流管。一設計考量係於中心升流管36、該等管道32、及該上方容器14之間有不均勻熱膨脹。在一大體上比該蒸汽環帶62中之蒸汽較低的溫度，該不均勻熱膨脹係藉由含有給水之給水環帶60而進一步複雜化，這於該上方容器14中導致在造成額外之熱應力的溫度之範圍中。
用於減輕這些應力差之效應的一方法係遍及該蒸汽產生器之諸條件的操作及非操作範圍來平衡該等應力。於一說明性範例中，該等管道32係由沃斯田鎳-鉻基合金、諸如InconelTM 690所製成，且該等管道32被鎖固至於由鋼所製成之支撐件中。該支撐件包含上管板90及下管板92(在圖2中樣地指示)。大致上，該沃斯田鎳-鉻基合金將具有比該鋼鐵較高的熱膨脹係數。藉由將該等管道32膨脹進入該上及下管板90,92之咬合孔洞，遍及該等條件之操作及非操作範圍的平衡係藉由預應力該InconelTM 690蒸汽產生器管道32而適當地完成。此膨脹經由該泊松(Poisson)效應將該等管道拉成張緊。大致上，該概念係於該核子反應器之操作狀態中，流動於該OTSG 30的管道32中之主要冷卻劑係在相當高之溫度，譬如至少攝氏500度之溫度，且該OTSG 30的管道32被設計成在此操作狀態中於高溫在軸向壓縮之下。在另一方面，於該核子反應器之非操作狀態中，該OTSG 30之管道32被設計成在軸向張力之下，其中該等管道32係在一大體上較低之溫度、諸如室溫下，譬如適當地量化當作少於攝氏100度之溫度。遍及該操作及非操作範圍之應力的平衡係藉由預應力該等管道32成為在軸向張力中所達成在室溫(於一些實施例中，例如在少於攝氏100度)，以致當該溫度係升高至該操作溫度時、例如於一些實施例中之至少攝氏500度，該InconelTM 690蒸汽產生器管道32與該中心升流管36及容器14的鋼鐵間之不均勻熱膨脹造成該等管道由軸向張力過渡至軸向壓縮。在零組件14,32及36之中的這些不均勻之熱應力係藉由該等零組件在該管板支撐件90,92之共同連接所建立，而亦藉由使該給水噴嘴50於該壓力容器中定位為低的所選擇性地減少，留下一較長的蒸汽出口環帶62，以用高溫度出口蒸汽圍包該容器，及藉由對於該給水環帶60採用較大半徑來減少該給水環帶60之軸向長度。
簡短地參考圖5，預應力該等管道32以將它們放置成軸向張力之製造順序被進一步敘述。於操作100中，該等管道32藉由膨脹該等管道端部而被安裝在該OTSG機架或支撐件的管板90,92中，以將它們鎖固至該等管板90,92。相因而生之操作102係這將軸向張力賦予至該等管道32。於操作104中，包含該等被預應力管道32之OTSG 30係安裝在該壓力容器12,14,16中，以製成圖1-4的一體結構PWR。於操作106中，該一體結構PWR被開動及帶至其具有將流動於該OTSG 30的管道32中之主要冷卻劑的溫度升高到(於該說明性範例中)至少攝氏500度之操作溫度的效應之操作狀態。由於該等管道32之沃斯田鎳-鉻基合金的相對較高之熱膨脹係數，如與經由管板90,92所連接之中心升流管36及容器14的鋼鐵相比較，相因而生之操作108係這將對該等管道32賦予軸向壓縮。
於一些實施例中，在該操作狀態中，該OTSG 30界定一體結構節熱器，其將在該給水入口50注射進入該液體流量體積之給水加熱至在或低於該給水之沸點的溫度。於此等實施例中，該直管OTSG 30係一體結構節熱器(IEOTSG)設計，因為該給水係藉由該等管道32外面之流動所加熱。給水經過該等給水噴嘴50進入，分佈遍及該給水環帶60，及經由該捆束圍板40及該下管板92間之間隙或另一通道(未示出)進入該等管道32。於該操作模式中，給水流動在該等管道32的外面，且在此由該主要冷卻劑流動至該給水流動有強制對流之熱傳送，隨後被過冷及飽和沸騰，以形成該蒸汽流動。一旦該臨界之熱通量係抵達在大約95%之蒸汽品質，該蒸汽通過一過渡區域，以穩定薄膜沸騰，隨後在100%蒸汽品質變乾硬。其後於該管道捆束中，對蒸汽之強制對流將該溫度升高至過熱條件，在此該蒸汽經由該蒸汽出口環帶62及該蒸汽出口噴嘴52離開該蒸汽產生器。在該蒸汽被傳送至該汽輪機之前，該過熱蒸汽不需要濕氣分離器(雖然在一些實施例中考慮包含濕氣分離器)。
其次敘述該一體結構加壓器的一些進一步態樣。該加壓器經由該加壓器加熱器82及該加壓器噴灑噴嘴84控制該主要冷卻劑之壓力。為增加系統壓力，該等加熱器82被反應器控制系統(未示出)所打開。為減少壓力，在該反應器冷卻劑幫浦26之排出側面上經由小外部管線(未示出)，該等噴灑噴嘴84由該反應器入口環帶18之頂部注射冷段水。該加壓器體積80係藉由分開該主要入口充氣部74及該加壓器體積80間之空間的分隔板70所形成。藉由包含多孔式圓柱體124(圖6，分隔板之頂部未示出)、或圓錐形偏流器表面72(圖2)、或有助於該入口充氣部74中之主要冷卻劑的流動之轉彎的其他彎曲或傾斜表面，該分隔板70選擇性地亦用作偏流器，而在該主要冷卻劑進入該OTSG 30之管道32的頂端之前，並在該等管道30內側建立往下流動。包含該加壓器體積80及壓力控制結構82，84之說明性加壓器有利地為完全一體結構加壓器(亦即，為該壓力容器12,14,16的一部份)，且有利地係沒有用於外部CRDM之零組件或其他零組件的傳遞口。
該中心升流管36形成一用於該主要冷卻劑流動離開該反應器核心10之路徑38，以抵達該蒸汽產生器30之主要入口充氣部74。於此實施例中，用於此目的，沒有管道之水平管段。其結果是，如果該反應器係在自然循環模式中操作，使該反應器冷卻劑幫浦26關掉(如可在造成該等幫浦26停止操作之故障或電力損失期間發生)，該熱上升之主要冷卻劑僅只被該等上內部零件(例如該CRDM之24)所妨礙。比較於該核心10及該蒸汽產生器管道32之流動阻抗，此流動阻抗係不大的，因為該流動面積係相當大的。因為該路徑38之大直徑，該中心升流管36之流動阻抗係亦該總數之相當小的百分比。
於一些目前核子蒸汽供給系統中，在冷卻劑意外的損失(LOCA)之後，蒸汽及不能冷凝的氣體能在該等反應器冷卻劑管子之高點收集，且能禁止該反應器核心及該等蒸汽產生器間之自然循環迴圈。有利地係；具有在其中所揭示之一體結構加壓器體積80的直管OTSG 30自動地由該主要冷卻劑循環迴圈移去不能冷凝的氣體，因為在該加壓器體積80之頂部僅只有一高點。浮力造成該不能冷凝的氣體及蒸汽到達該加壓器體積80之頂部，在此這些氣體及蒸汽不妨礙該自然之循環迴圈。
所揭示之直管OTSG 30的另一優點係其可在多數模式中選擇性地操作，以由該反應器核心10移去衰變熱。以該正常之操作狀態開始，如果該等反應器冷卻劑幫浦26停止操作，則該主要冷卻劑水持續循環，儘管現在經由自然之循環，經過該核心10及經過該蒸汽產生器管道32。只要有供給至該蒸汽產生器30的入口50之給水，在此有一大管道面積，以由該核心10移去放射性裂變產物熱。如果該主要冷卻劑位準於LOCA期間掉落至低於該主要入口充氣部74之位準，則該直管OTSG 30能操作為冷凝器。於此模式中，來自該反應器核心10中之沸水的蒸汽上昇，以充填該主要入口充氣部74及該加壓器體積80。該第二側面(亦即，於該等管道32的外側藉由該等圍板40,42所界定之液體流量體積中)上之較低溫度水及蒸汽造成該等蒸汽產生器管道30內側之冷凝。僅只藉由重力，該冷凝物流出該蒸汽產生器管道32進入該主要出口充氣部44，在此其係返回至該核心10。
於該直管OTSG 30中，該主要冷卻劑壓力係在該等管道32內側。該主要冷卻劑係在一大體上比流經藉由該等圍板40,42在該等管道32外側所界定的液體流量體積之次要冷卻劑較高的壓力。於一些實施例中，在該核子反應器之操作狀態中，流動在該等管道32內側之主要冷卻劑係在一壓力，該壓力係該液體流量體積中之第二液體(給水或蒸汽)的壓力之至少兩倍。這能夠於張力中使用較薄的管道壁面。於對比下，如果該主要冷卻劑在該等管道外側流動，則該管道係於壓縮中，且更厚之管道壁面大致上被需要。於本OTSG實施例之張力設計中，一些分析已指示該管道壁面可被製成為用在放置於壓縮中之管道所需要的管道壁面厚度之大約一半厚(用於可比較的管道直徑)。
較薄管道壁面之使用可轉變成大體上較輕及包含大體上用於該等管道32的更少之InconelTM 690或另一鎳-鉻基合金材料的OTSG 30。用於一體結構核子反應器，該直管OTSG 30之重量節省係有利的。譬如，於圖1-3之說明性實施例中，在補給燃料期間，該核心10係藉由移去該蒸汽產生器30來接近。這導致經由該中間凸緣16從該壓力容器下部12分開該OTSG 30。該重量輕之直管OTSG 30有利地減少圍阻結構起重機之需要尺寸，在補給燃料期間，該起重機被使用於將該蒸汽產生器30舉離至側面。
該直管OTSG 30亦具有維護及保養優點。人孔蓋輕易地被提供鄰近至該加壓器體積80及該主要入口充氣部74，以提供維護出入口。於工廠停用期間，該等管道32之檢查能經由該主要入口充氣部74被施行，而不會由該壓力容器移去該蒸汽產生器30。如此施行之渦電流檢查能顯露管道薄化及管道裂縫。如果管道塞住係藉由此檢查所指示，該蒸汽產生器30能於該停用期間被移去，且管道插塞能被安裝在該下管板92及該上管板90。於另一方法中，當該蒸汽產生器30被放置離開該反應器之側面時，管道檢查及管道塞住能於補給燃料期間被做成。於此案例中，有由該底部之輕易出入，用於管道檢查及塞住。
參考圖6，一變型實施例被敘述。此變型實施例包含具有安裝於上及下管板90,92中之管道32的IEOTSG 30。於此變型實施例中，修改之壓力容器上部14'與該壓力容器上部14不同，其中該上部14'不具有較大的直徑，以提供具有較大外徑的給水環帶，如比與該蒸汽環帶較。反之，與圖6的變型實施例中之給水入口50連接的給水環帶60'具有與該蒸汽環帶62相同的外徑，而該蒸汽環帶62係與該蒸汽出口52連接。該修改之壓力容器上部14'亦與該壓力容器上部14不同，其中該上部14'不包含該一體結構之密封頂部78。反之，分開之密封頂部78'被提供，其藉由上凸緣120被鎖固至該修改之壓力容器上部14'。又再者，該變型實施例亦不包含一體結構之加壓器體積或該偏流板70。反之，該密封頂部78'界定一修改之主要入口充氣部74'(但未界定一加壓器體積)，且該密封頂部78'包含一彎曲之表面122，其在該中心升流管36之頂部與圓柱體開口124配合，以施行該主要冷卻劑流動轉向功能性。
因圖1-3之實施例的加壓器體積80係在圖6的變型實施例中被省略，用於圖6之實施例的主要冷卻劑加壓係藉由自行加壓所適當地提供。以此方法，來自該反應器核心之蒸汽收集在該蒸汽產生器容器之頂部、亦即於該主要入口充氣部74'中。該蒸汽充填式圓頂體積74'之可壓縮性調節該主要冷卻劑壓力。為增加動力，流入該給水入口50之給水流量係增加，這增加該等管道32中之沸騰長度。經由反應度之負緩和劑係數，由於離該蒸汽產生器30的核心入口溫度中之減少，該反應器核心10藉由增加動力而遵循該負載需求。該核心出口溫度被維持在接近恆定之溫度，並藉由該蒸汽圓頂體積74'之壓力及飽和溫度所調節。據此，用於動力中之增強，越過該反應器核心10之溫度上昇增加，同時該反應器流量率維持恆定，如藉由該反應器冷卻劑幫浦26所決定。減少動力採用類似之製程。
當作另一說明性變化(未示出)，該OTSG之管道能被放置於該壓力容器內之不同位置。於圖1-3及6之說明性實施例中，包含管道32之OTSG 30被整個設置在該降流管體積34中。然而，更大致上，管道可被設置在該降流管體積(如所說明)中、或於該中心升流管36內側的中心升流管流動路徑38中、或於兩體積34,36中。
當作其他說明性變化，其業已注意到該分開的內部圍板42可替代地被具體化為該中心升流管36的外部表面，及/或用於該分開的外部圍板40可替代地被具體化為該壓力容器之上部14的內部表面。另外，其被考慮整合該下管板92與該中間凸緣16。
該等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前述之詳細敘述時，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，只要它們來至所附申請專利或其同等項之範圍內。
10．．．核子反應器核心
12．．．壓力容器
14．．．壓力容器
14'．．．壓力容器上部
16．．．壓力容器
18．．．環帶
20．．．圍板
22．．．控制棒
24．．．控制棒驅動機構
26．．．冷卻劑幫浦
30．．．蒸汽產生器
32．．．直管
34．．．降流管體積
36．．．中心升流管
38．．．流動路徑
40．．．外部圍板
42．．．內部圍板
44．．．充氣部
50‧‧‧入口
52‧‧‧出口
60‧‧‧環帶(環狀空間)
60'‧‧‧環帶
62‧‧‧環帶(環狀空間)
70‧‧‧偏流器
72‧‧‧偏流表面
74‧‧‧充氣部
74'‧‧‧充氣部
78‧‧‧頂部
78'‧‧‧頂部
80‧‧‧加壓器體積
82‧‧‧加壓器加熱器
84‧‧‧噴嘴
90‧‧‧管板
92‧‧‧管板
120‧‧‧上凸緣
122‧‧‧彎曲之表面
124‧‧‧圓柱體
本發明可採取各種零組件及零組件之配置、及各種製程操作及製程操作之配置的形式。該等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圖樣地顯示包含如在此中所揭示的一體結構蒸汽產生器之核子反應器的立體局部剖視圖。
圖2圖樣地顯示圖1之核子反應器的上容器區段之側面剖視圖，並省略該蒸汽產生器之管道，以強調該降流管體積。
圖3圖樣地顯示圖2中所指示之剖面D-D。
圖4圖樣地顯示圖1的一體結構蒸汽產生器中之主要及第二冷卻劑液體的流動。
圖5圖樣地顯示一說明性製程，用於製造及部署圖1的一體結構蒸汽產生器。
圖6圖樣地說明一變型實施例的上壓力容器部份。
10‧‧‧核子反應器核心
12‧‧‧壓力容器
14‧‧‧壓力容器
16‧‧‧壓力容器
18‧‧‧環帶
20‧‧‧圍板
22‧‧‧控制棒
24‧‧‧控制棒驅動機構
26‧‧‧冷卻劑幫浦
30‧‧‧蒸汽產生器
32‧‧‧直管
38‧‧‧流動路徑
40‧‧‧外部圍板
44‧‧‧充氣部
50‧‧‧入口
52‧‧‧出口
60‧‧‧環帶(環狀空間)
62‧‧‧環帶(環狀空間)
70‧‧‧偏流器
74‧‧‧充氣部
78‧‧‧頂部
80‧‧‧加壓器體積
82‧‧‧加壓器加熱器
84‧‧‧噴嘴

Claims (15)

  1. 一種核子反應器，包括：大致上圓柱形之壓力容器，界定一圓柱體軸線；核子反應器核心，設置在該大致上圓柱形壓力容器中；中心升流管，同軸向地設置在該大致上圓柱形壓力容器內側，該中心升流管為中空的及具有鄰近該核子反應器核心之底端，以承接藉由該核子反應器核心所加熱之主要冷卻劑，該中心升流管具有遠離該核子反應器核心之頂端；給水入口，對大致上圓柱形之該壓力容器提供容器滲透；蒸汽出口，對大致上圓柱形之該壓力容器提供容器滲透；及OTSG(單流蒸汽產生器)，包括在界定於該中心升流管及該大致上圓柱形壓力容器間之環狀體積中與該圓柱體軸線平行配置的管道，由該中心升流管之頂端排出的主要冷卻劑在該等管道內側流向該核子反應器核心，該OTSG另包含具有與該給水入口及該蒸汽出口形成流體相通之液體流量體積，其中在該給水入口被注射進入該液體流量體積與在該蒸汽出口由該液體流量體積排出的液體於一方向中在該等管道外側流動，該方向大致上與主要冷卻劑在該等管道內側流動之方向相反； 其中該OTSG的外部圍板及該壓力容器間界定出給水環狀空間，透過該給水環狀空間該液體流量體積與該給水入口形成流體相通；其中該OTSG的外部圍板及該壓力容器間界定出蒸汽環狀空間，透過該蒸汽環狀空間該液體流量體積與該蒸汽出口形成流體相通；且其中該給水環狀空間具有比該蒸汽環狀空間較大的外徑。
  2. 如申請專利範圍第1項之核子反應器，其中該OTSG的外部圍板包括具有恆定的外徑之圓柱形外部圍板，該給水環狀空間及該蒸汽環狀空間具有藉由該OTSG之圓柱形外部圍板的恆定外徑所界定之相同的內徑。
  3. 如申請專利範圍第1項之核子反應器，其中該核子反應器包括具有一操作狀態的核子反應器，在該操作狀態中，包括在該給水入口注射進入該液體流量體積之給水的液體通過該給水環狀空間進入該液體流量體積，其中該給水係藉由來自流動在該等管道內側之主要冷卻劑的熱傳轉換成蒸汽，該蒸汽係通過該蒸汽環狀空間之後在該蒸汽出口由該液體流量體積排出。
  4. 如申請專利範圍第3項之核子反應器，其中於該操作狀態中，該OTSG界定一體結構節熱器，該節熱器將在該給水入口注射進入該液體流量體積之給水加熱至在給水之沸點或低於該給水的沸點之溫度。
  5. 如申請專利範圍第3項之核子反應器，另包括： 偏流器，設置在該大致上圓柱形之壓力容器中，該偏流器具有面向該中心升流管之頂端的偏流表面，其係傾斜及彎曲表面中至少一者，以將由該中心升流管之頂端所排出的主要冷卻劑重新導向該OTSG的管道之入口。
  6. 如申請專利範圍第3項之核子反應器，另包括：多孔式圓柱體偏流器，設置在該大致上圓柱形之壓力容器中，其中該多孔式圓柱體偏流器由該中心升流管的上部直立地延伸。
  7. 如申請專利範圍第3項之核子反應器，另包括：分隔板，其與該中心升流管之頂端隔開；其中該大致上圓柱形之壓力容器包含密封頂部，其與該分隔板共同界定出一體結構加壓器體積，該體積係藉由該分隔板與該大致上圓柱形之壓力容器的其餘內部體積分開；及其中於該操作狀態中，該核子反應器包括加壓水反應器，且該一體結構加壓器體積包含在一溫度之液體，該溫度大於被設置在該大致上圓柱形之壓力容器的其餘內部體積中之主要冷卻劑的溫度。
  8. 如申請專利範圍第7項之核子反應器，其中該分隔板包括：偏流器，具有面向該中心升流管之頂端的偏流表面，其係傾斜及彎曲表面之至少一種，以將由該中心升流管之頂端所排出的主要冷卻劑重新導向該OTSG的管道之入口。
  9. 如申請專利範圍第7項之核子反應器，另包括：中子吸附控制棒；及CRDM(控制棒驅動機構)，被建構成可控制地將該控制棒插入該核子反應器核心及自該核子反應器核心縮回該控制棒；其中沒有該CRDM之任一部份被設置於該一體結構加壓器體積中或通過該一體結構加壓器體積。
  10. 如申請專利範圍第3項之核子反應器，其中：於該核子反應器之操作狀態中，在該等管道內側流動的主要冷卻劑係在比該液體流量體積中之液體高的壓力。
  11. 如申請專利範圍第3項之核子反應器，其中：於該核子反應器之操作狀態中，在該等管道內側流動的主要冷卻劑係在一壓力，該壓力為該液體流量體積中之液體的壓力之至少兩倍。
  12. 一種加壓水核子反應器，包括：壓力容器，核子反應器核心被設置在該壓力容器中，且直立地導向之中空中心升流管設置在該壓力容器內側的核子反應器核心上方；及OTSG(單流蒸汽產生器)，設置在該加壓水核子反應器之壓力容器中，該OTSG包含配置在以下的至少一者中之直立管道(i)該中心升流管及(ii)藉由該中心升流管及該壓力容器所界定之環狀體積，該OTSG另包含包圍該等直立管道之液體流量體積，且該OTSG另包含包圍該等直立管道之外部圍板，設置在藉由該中心升流管及該壓 力容器所界定之該環狀體積中；給水入口，對大致上圓柱形之該壓力容器提供容器滲透；蒸汽出口，對大致上圓柱形之該壓力容器提供容器滲透；其中該OTSG的外部圍板及該壓力容器間界定出給水環狀空間，透過該給水環狀空間該液體流量體積與該給水入口形成流體相通；其中該OTSG的外部圍板及該壓力容器間界定出蒸汽環狀空間，且由該液體流量體積排放的蒸汽通過該環狀空間並在該蒸汽出口離開；且其中該給水環狀空間具有比該蒸汽環狀空間較大的外徑。
  13. 一種製造用於如申請專利範圍第1項之核子反應器的OTSG(單流蒸汽產生器)之方法，該方法包括下列步驟：在軸向張力之下安裝該OTSG之管道；及在升高之溫度下操作該OTSG，該等管道在該溫度係於軸向壓縮之下。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該等管道之安裝包括擴展該等管道的端部，以將該端部鎖固於管板中，該擴展步驟在該等管道上賦予軸向張力。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，另包括：將該OTSG安裝於該核子反應器中，以形成一體結構 核子反應器，該操作步驟包括操作該一體結構核子反應器。
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