用於小模塊壓水反應堆的組合的堆芯補給箱和熱量移除系統的製作方法與工藝

2023-12-11 01:26:57

用於小模塊壓水反應堆的組合的堆芯補給箱和熱量移除系統相關申請交叉參考本發明涉及與本文同時提交的美國專利申請序列號No.__(代理檔RTU2011-011)。技術領域本發明通常涉及小模塊壓水反應堆，並且更具體地涉及用於該反應堆的組合的堆芯補給箱和熱量移除系統。

背景技術：
在諸如壓水反應堆的發電核反應堆中，通過諸如濃縮鈾的核燃料的裂變產生熱量並且將所述熱量傳遞到流經反應堆堆芯的冷卻劑。堆芯包括細長的核燃料棒，所述細長的核燃料棒彼此相鄰安裝在核燃料組件結構中，冷卻劑流經所述核燃料棒並且到達所述核燃料棒上方。在共同延伸的平行陣列中燃料棒相互間隔開。在給定燃料棒的燃料原子的核衰變期間釋放的中子和其它原子粒子中的一些通過燃料棒之間的空間，並且撞擊毗鄰燃料棒中的可裂變材料，從而促進核反應並且有助於堆芯產生的熱量。可動控制棒分散在整個反應堆堆芯中，以便能夠憑藉吸收中子的一部分而控制裂變反應的整體速率，否則它們將促進裂變反應。控制棒通常包括中子吸收材料的細長棒並且裝配到燃料組件中的縱向開口或者導向套管中，所述控制棒平行於燃料棒並且在燃料棒之間行進。將控制棒更深入地插入到反應堆堆芯中還致使吸收更多的中子而同時又不會促進在毗鄰燃料棒中發生裂變；收回控制棒減小了中子吸收的程度而增加了核反應速率以及提高了反應堆堆芯的功率輸出。圖1示出了簡化的傳統核反應堆一級系統，其包括大體圓筒形的壓力容器10，所述壓力容器10具有包封堆芯14的堆芯封頭12，所述堆芯14支撐包含可裂變材料的燃料棒。諸如水或者含硼水的液體冷卻劑由泵16泵入到容器10中通過堆芯14，在所述堆芯14處熱能被吸收並且被排放到通常稱作蒸汽發生器的換熱器18中，在所述換熱器18中，熱量被傳遞到諸如蒸汽驅動的渦輪發電機的利用電路(未示出)。然後反應堆冷卻劑返回到泵16，從而完成一級迴路。通常，多條上述迴路通過反應堆冷卻劑管道20連接到單個反應堆容器10。採用這個設計的商用發電廠一般為1,100兆瓦或更大數量級的。最近，WestinghouseElectricCompanyLLC已經提出了200兆瓦級別的小模塊反應堆。小模塊反應堆為全部主要環路部件均定位於反應堆容器內的一體化壓水反應堆。反應堆容器被緊湊的高壓安全殼包圍。由於安全殼內的受限空間以及一體化加壓輕水反應堆對低成本的需要，需要最小化輔助系統的總體數量而不損害安全性或功能性。為此，理想的是維持所有的部件與在緊湊高壓安全殼內的反應堆系統的主要環路流體連通。一個這樣的輔助系統為堆芯補給箱，並且另一個這樣的系統為被動殘餘熱量移除系統。然而，在安全殼內只有受限的空間以容納這些若干系統。因此，本發明的目的為簡化堆芯補給箱系統和被動殘餘熱量移除系統，以使得其與主要反應堆環路交界的部件能夠被支承於小模塊壓水反應堆的高壓緊湊安全殼內。額外地，本發明的進一步的目的為組合堆芯補給箱系統和被動殘餘熱量移除系統的特徵，以降低這些系統在高壓緊湊安全殼內的空間需要。

技術實現要素：
通過具有一級迴路的小模塊壓水反應堆實現這些和其他目的，所述一級迴路包括反應堆芯、上部堆內構件、蒸汽發生器換熱器以及容納於反應堆壓力容器內的加壓器，所述反應堆加壓容器被封閉於基本緊密裝配的安全殼內。所述小模塊壓水反應堆包括：在流出堆芯的冷卻劑流動出口和蒸汽發生器換熱器的上遊側之間的一級冷卻劑熱段、以及在蒸汽發生器換熱器的下遊側和流入堆芯的冷卻劑流動入口之間的一級冷卻劑冷段，熱段和冷段容納於反應堆壓力容器內。小模塊壓水反應堆還包括組合的被動熱量移除系統和高壓頭水注入系統，所述組合的被動熱量移除系統和高壓頭水注入系統採用被包封在緊密裝配的安全殼內的堆芯補給箱。所述堆芯補給箱包括：具有一級側和二級側的換熱組件。一級側具有在換熱組件內帶有一級側入口和一級側出口的內部流動路徑。一級側入口腔室與換熱器組件的內部流動路徑的入口和離開堆芯的熱段流體連通。一級側出口腔室與換熱組件的內部流動路徑的出口以及在蒸汽發生器換熱器的下遊側和進入堆芯的冷卻劑流動入口之間的冷段流體連通。在換熱組件的二級側內的二級側腔室具有入口端部和出口端部以及在換熱組件(42)的內部流動路徑的外部上的二級側流動路徑，所述二級側流動路徑將二級側腔室的入口端部連接至出口端部。最終的熱量槽換熱器在二級側腔室的入口端部和出口端部之間連接至堆芯補給箱。所述組合的被動熱量移除系統和高壓頭水注入系統還包括用於將換熱組件的一級側與堆芯隔離的裝置。優選地，堆芯補給箱定位於在堆芯高度上方的高度處，並且最終的熱量槽換熱器位於在堆芯補給箱高度上方的高度處。優選地，雖然堆芯補給箱被支承於反應堆壓力容器的外側，但是被包封於安全殼內，且最終的熱量槽定位於安全殼的外側。理想地，換熱組件的一級側被加壓至至少與堆芯相同的壓力，並且優選地被加壓至與堆芯基本相同的壓力。在一個實施例中，換熱組件為管子和殼體換熱器，理想地一級側入口腔室在堆芯補給箱的頂部處，並且一級側出口腔室在堆芯補給箱的底部處。理想地，用於將換熱組件的一級側與堆芯隔離的裝置為與在一級側出口腔室和冷段之間的一級側出口流體連通的閥。在另一個實施例中，二級側面腔室被加壓以防止沸騰，並且理想地最終的熱量槽包括熱量槽換熱器，所述熱量槽換熱器具有連接至堆芯補給箱換熱組件的二級側的一級側，並且熱量槽換熱器具有與冷卻劑池進行換熱的二級側。在另一個實施例中，小模塊反應堆包括多個這樣的堆芯補給箱。附圖說明當接合附圖閱讀時能夠從以下優選實施例的描述中獲得在下文中聲明的本本發明的進一步的理解，其中：圖1為常規的核反應堆系統的簡化示意圖；圖2為示出納入本發明一個實施例的小模塊一體化反應堆系統的部分剖視立體圖；圖3為在圖2中示出的反應堆的放大圖；以及圖4為在圖2中示出的反應堆安全殼的示意圖，包括本發明的一個實施例的組合的被動熱量移除系統和高壓頭水注入系統的反應堆外側容器部件以及蒸汽發生器的安全殼外側蒸汽包部分。具體實施方式圖2、3和4說明了小模塊反應堆設計，所述小模塊反應堆設計能夠從在下文中聲明的組合的被動熱量移除系統和高壓頭水注入系統獲益。圖2示出部分切除的反應堆安全殼的立體圖，以示出壓力容器及其一體化的內部部件。圖3為在圖2中示出的壓力容器的放大圖，並且圖4為反應堆以及反應堆輔助系統中的一些的示意圖，包括本發明的一個實施例的組合的被動熱量移除系統和高壓頭水注入系統的最終的熱量槽和二級換熱環路。類似的參考標記被用於若干附圖中以識別相對應的部件。在諸如圖2、3和4中圖解的一體化壓水反應堆中，在單個壓力容器10中包含通常與核蒸汽供應系統的一級側相關聯的所有部件，所述單個壓力容器10通常容納在高壓安全殼結構34中。容納在壓力容器10內的一級部件包括蒸汽發生器的一級側、反應堆冷卻劑泵、穩壓器和反應堆自身。在這個一體化反應堆設計中，傳統反應堆的蒸汽發生器18被分解成兩個部件：換熱器26，所述換熱器26位於上部堆內構件30的上方；和汽包，所述汽包保持在安全殼34的外部，如圖4所示。蒸汽發生器換熱器26包括額定用於一級設計壓力、並且由反應堆堆芯14和其它傳統反應堆內部部件、兩塊管板54和56、熱段管道24(也稱作熱段立管)、在下管板54和上管板56之間延伸的傳熱管58、管支撐件60、二級流擋板36所共用的壓力容器10/12，所述二級流擋板用於引導二級流體介質在傳熱管58和二級流噴嘴44和50之間流動。換熱器26/壓力容器封頭12組件被保持在安全殼34內。安全殼外部的汽包32由額定用於二級設計壓力的壓力容器38構成。如在傳統蒸汽發生器設計18中發現的那樣，安全殼外部的汽包34包括離心式和人字型汽水分離設備、給水分布裝置和用於溼蒸汽、給水、再循環液體和幹蒸汽的流量噴嘴。圖3中的上部分中的箭頭示出了在反應堆容器10的封頭12中一級反應堆冷卻劑流經換熱器26的流動。如圖所示，離開反應堆堆芯14的加熱的反應堆冷卻劑向上行進通過熱段立管24，通過上管板56的中心，在所述中心處，反應堆冷卻劑進入熱段歧管74，在所述熱段歧管74處，加熱的冷卻劑轉向180°並且進入延伸通過上管板56的傳熱管58。反應堆冷卻劑然後向下行進通過延伸通過管板56的傳熱管58，從而將其熱量傳遞到再循環液體和給水的混合物，所述混合物以逆流的關係從外部汽包32經由過冷的再循環輸入噴嘴50進入到換熱器中。通過過冷再循環輸入噴嘴50進入到換熱器56中的過冷的再循環液體和給水被二級流擋板36向下引導至換熱器的底部，並向上以及環繞換熱器管58，且在上管板56的正下方轉向進入到輸出通道76，在所述輸入通道76處，含水蒸汽被匯集到溼蒸汽輸出噴嘴44。隨後溼飽和蒸汽被運送到外部汽包32，在所述外部汽包處，其被運送通過汽水分離器，所述汽水分離器使得蒸汽與水分分離開。分離的水分形成再循環液體，所述再循環液體與給水組合併且被運送回到過冷再循環輸入噴嘴50，以重複循環。一般壓水反應堆設計和高級壓水反應堆設計(諸如由WestinghouseElectricCompanyLLC,CranberryTownship,Pennsylvania提供的AP)均利用衰變熱移除系統和高壓頭注入系統以防止意外事件過程中的堆芯損壞。在圖2、3和4中說明的Westinghouse小模塊反應堆設計中，成本和空間約束條件限制了如當前在較大壓水反應堆中實現的這些系統的能力。本發明提供了用於將被動衰變熱移除功能和高壓頭水注入功能組合為單一的、簡化的、一體化的系統的設計。這個組合的安全系統與較大的壓水反應堆安全系統相比極大地簡化了一體化反應堆設計，並且在意外事件過程中容許在較小的成本以及較小的空間需求條件下具有可比性的反應堆保護能力。本文描述的下文所聲明的本發明實施例包括新穎的堆芯補給箱設計，所述新穎的堆芯補給箱設計帶有直接地連接至反應堆容器的內被動殘餘熱量移除換熱器以及在最終的熱量槽池中的換熱器。正如能夠從圖2和4中見到的，組合的堆芯補給箱/被動殘餘熱量移除換熱器40定位於安全殼容器34內。被動殘餘熱量移除換熱器42定位於堆芯補給箱40內。被動殘餘熱量移除換熱器42包括在堆芯補給箱的頂部端部處的入口腔室44和在堆芯補給箱的下端部處的出口腔室46。上管板48將上腔室44與二級流體腔室64分離，並且下管板52將下腔室46與二級流體腔室64分離。換熱管的管束62在上管板48和下管板52之間延伸。因此，來自堆芯熱段24的被供給通過入口管路84的一級流體進入入口腔室44，通過管束64被傳送至出口腔室46，並且通過出口管路88被返回至堆芯14的冷段78。穿過管束64的冷卻劑將其熱量轉移至在管板48和52之間的二級流體腔室64中的二級流體。二級流體通過二級流體入口管路66進入二級流體腔室64，吸收自管束64傳遞的熱量，並且通過二級流體出口管路68離開。堆芯補給箱40的高度(即補給箱被支承於的高度)被最大化以有助於較高的自然循環流動。在穩定狀態操作過程中，堆芯補給箱40和被動殘餘熱量移除換熱器42的管側被填充有與反應堆冷卻劑的壓力相同的冷含硼水。通過在堆芯補給箱的底部上的出口管路88上的閥80而防止該水流動至反應堆壓力容器10內。在意外事件狀態過程中，反應堆保護系統向閥80的開口發出信號，從而容許冷的含硼堆芯補給箱水向下流動穿過出口管路88至反應堆壓力容器10的冷段區域78內。同時，熱反應堆冷卻劑隨後通過入口管路84從堆芯出口區域82流動至堆芯補給箱40內，並且隨後流動至堆芯補給箱40入口腔室44內。熱反應堆水隨後向下流動穿過在被動殘餘熱量移除換熱器42的管束64內的管子，並且被流動穿過二級流體腔室64中的被動殘餘熱量移除換熱器的殼體側的冷的二級水冷卻。被加壓以防止沸騰的二級水隨後向上流動穿過管路68至在最終的熱量槽箱70中的第二換熱器72，在所述第二換熱器72處其將熱量轉移至在箱70中的冷水。當前冷卻的二級水向下流動穿過返回管路66，並且流動至換熱器42的堆芯補給箱殼體側64內，以重複過程。這個最終的熱量槽環路和堆芯補給箱一級環路由自然循環流所驅動。即使在蒸汽進入堆芯補給箱入口管路84之後，堆芯補給箱一級環路流也繼續移除來自反應堆的衰變熱。在冷卻劑從反應堆壓力容器10缺失的意外事件過程中，當被動殘餘熱量移除換熱器42從反應堆10移除衰變熱時，反應堆容器中的水位下降。當水位下降至堆芯補給箱入口管路入口82之下時，蒸汽進入入口管路並且打破自然循環周期。在此點處，堆芯補給箱的存量(inventory)(除了被動殘餘熱量移除換熱器的二級殼體側64之外)在蒸汽壓力作用下向下流動穿過出口管路並且流動至反應堆壓力容器冷段78內，從而有效地用作高壓頭注入。在燃料補給和斷供過程中，堆芯補給箱/被動殘餘熱量移除系統冷卻了反應堆和內部構件。如果在安全殼34中存在空間的話，那麼任何數量的所述堆芯補給箱能夠被納入小模塊反應堆設計中以提供衰變熱移除能力。因此，本發明的組合的堆芯補給箱/被動殘餘熱量移除系統將移除等於或大於在意外事件和停機狀態過程中由堆芯放出的衰變熱。額外地，這個系統將向反應堆壓力容器提供足夠的含硼水，以在所有意外事件過程中維持堆芯的安全停機，並且在冷卻劑意外缺失狀態過程中將提供足夠的補給水以將水位維持在堆芯頂部上方。此外，通過將兩個安全功能組合為單個的有效系統，這個系統佔據最少的安全殼內空間。雖然已經詳細地描述本發明的特定的實施例，但是將被本領域的技術人員理解的是能夠在本發明的一體化指導下研發對那些細節的多種修改和替換。因此，公開的具體的實施例僅意為說明性的並且非限制性的，正如將給出附屬權利要求及其等價物中的任一和全部的全部範圍的本發明的領域。