卵石床核反应堆核电站

摘要

本发明涉及核电站(10)，所述核电站包括主发电系统(12)和燃料处理和存储系统(14)。系统(14)与多通道高温气冷卵石床反应堆(16)的球入口(22)和球出口(24)相连。系统(14)如此构造以致气体从系统(14)流出通过球入口(22)和球出口(24)进入反应堆(16)，因此阻止高温气体从反应堆进入系统(14)。限制分度器(66，68)允许球在反应堆(16)和系统(14)之间移动并且减弱从发电系统(12)到系统(14)的压力波动传递。

说明书

本发明涉及核能。更具体地，它涉及核电站。它还涉及运作核电 站的方法。

在高温气冷型核反应堆中，要使用燃料元件，并且经常使用减速 剂元件，这些元件呈球状。这些元件被称为“球”，并且这种反应堆 一般被称为卵石床反应堆。在卵石床反应堆中，运行多通路供应燃料 的方案是已知的，在此方案中燃料球要不止一次地通过堆芯以优化燃 料燃耗。同其他供应燃料的方案相比，认为多通路供应燃料的方案使 堆芯中燃耗的分布更均匀，并且因此扁平化轴向的中子通量轮廓以及 最大化堆芯的热能输出。部分靠重力但主要用气流，燃料球和减速剂 球(如果适用)可被输送到反应堆入口或者球流路存储容器入口。

虽然本发明特别可应用于燃料球，但如上所述本发明也可应用于 减速剂球。在本说明书的上下文中，“球”这个词被认为足够广泛， 以致既包括燃料球也在适当时包括减速剂球。

通过一个或一个以上处于反应堆顶部或邻近反应堆顶部的球入 口，球被送入反应堆，球从球入口落到床的上表面或者球落入反应堆 堆芯中。通过一个或一个以上处于反应堆底部或邻近反应堆底部的球 出口，球被排出反应堆容器。

通过一个燃料处理和存储系统，球在一个或每个球出口和一个或 每个球入口之间传递。除别的以外，燃料处理和存储系统还包括通畅 连接球出口和球入口的管网以及产生贯穿管网气流的风机，所述气流 能够携带球并运送它们穿过管道。在申请人在先的申请US 2003/0227994中公开了这类燃料处理和存储系统的一个实施例，该申 请通过引证的方式纳入本说明书。

在采用闭环布雷顿循环作为热力学循环的电站中，反应堆冷却剂， 典型地是氦，也用作工作流体。为了控制主发电系统的功率输出，可 以改变主发电系统中工作流体的量。通过使用一个氦量控制系统实现 这个目的。该系统包括一个或一个以上氦存储罐，该氦存储罐与主发 电系统流体连接，为了把氦引入主发电系统以增加主发电系统产生的 功率或者为了把氦从主发电系统排出以减小主发电系统产生的功率。 这种布置产生快速的压力波动。快速的压力波动也能出现在主发电系 统异常运行期间，例如由于涡轮机停机或故障。

在燃料处理和存储系统中冷却气体也用作传递介质。另外，虽然 为了允许把球从反应堆出口传递到反应堆入口，燃料处理和存储系统 必须与反应堆连接，但是让燃料处理和存储系统的部件置于主发电系 统的高温和压力波动之下，这是不可取的。

根据本发明的一个方面，提供一种核电站，其包括

一个卵石床反应堆，具有至少一个处于或朝向其上端的球入口和 至少一个处于或朝向其下端的球出口；和

一个燃料处理和存储系统，其包括

球流路限定装置，限定具有与反应堆球出口连接的球入口以 及与反应堆球入口连接的球出口的球流路；和

球流路加压装置，被构造以产生沿至少部分球流路的气流来 沿该至少部分球流路传递球，以及给球流路加压以使球流路 的球入口处压力高于反应堆的球出口处压力并且球流路的球 出口处压力高于反应堆的球入口处压力以使气体从燃料处理 和存储系统流入反应堆。

这种布置导致从燃料处理和存储系统到反应堆的气体漏流，从而 阻止热气从反应堆进入燃料处理和存储系统。

该电站可以包括阻尼装置，被构造以允许球在反应堆和燃料处理 和存储系统之间移动并且阻止反应堆冷却剂的压力波动传递到燃料处 理和存储系统。

球流路加压装置可包括一个带入口和出口的风机，风机出口在气 体入口连接球流路，风机入口在气体出口连接球流路，气体入口的高 度低于球流路的球入口的高度以致从反应堆进入球流路的球在重力作 用下移动到气体入口，在气体入口处球被带入流过球流路的气流中并 从气体入口被带走。

发电站可包括一个相对球运动方向位于反应堆球入口上游的顶部 流量限制分度器，和一个位于反应堆球出口下游的底部流量限制分度 器。流量限制分度器起阻尼装置的作用。

顶部流量限制分度器可位于球流路气体出口和反应堆球入口之间 以及底部流量限制分度器可位于反应堆球出口和球流路气体入口之 间。

发电站可包括

一个闭环主发电系统，其除核反应堆以外包括串联起来的至少一 个涡轮机以及至少一个压缩机；和

一根进给线，用来把气体从主发电系统供应到燃料处理和存储系 统以替代从燃料处理和存储系统流入反应堆的气体。

主发电系统还可包括一个换热器，其包括一个连接在所述至少一 个涡轮机和至少一个压缩机之间的高温或低压端，以及一个连接在所 述至少一个压缩机和反应堆的一个气体或工作流体入口之间的低温或 高压端，所述进给线从主发电系统位于所述至少一个压缩机和换热器 低温端之间的位置引出并且连接到燃料处理和存储系统位于气体出口 和风机入口之间的位置。

根据本发明的另一个方面，提供一种核电站，其包括

一个卵石床核反应堆，其具有至少一个处于或朝向其上端的球入 口以及至少一个处于或朝向其下端的球出口；和

一个燃料处理和存储系统，其包括

球流路限定装置，限定一个具有与反应堆球出口连接的球入 口以及与反应堆球入口连接的球出口的球流路；和

阻尼装置，被构造以允许球在反应堆和燃料处理和存储系统 之间移动并且阻止反应堆气体的冷却剂的压力波动传递到燃 料处理和存储系统。

阻尼装置可包括一个相对球运动方向位于反应堆球入口上游的顶 部流量限制分度器，和一个位于反应堆球出口下游的底部流量限制分 度器。

根据本发明的另一个方面，提供一种核电站的运行方法，所述核 电站包括卵石床核反应堆，所述卵石床核反应堆具有球入口和球出口 以及把球从反应堆的球出口输送到反应堆的球入口的燃料处理和存储 系统，该方法包括给燃料处理和存储系统加压以产生从燃料处理和存 储系统到反应堆的漏流。

从燃料处理和存储系统到反应堆的漏流可通过反应堆球出口和反 应堆球入口。

核电站可包括一个反应堆是其组成部分的闭环主发电系统，以及 该方法可包括把气体从主发电系统供应到燃料处理和存储系统以替代 从燃料处理和存储系统泄漏到反应堆的气体。气体可从主发电系统中 具有最高压力的气体的位置供给。

现在通过实例并参照附随的简图，介绍本发明。该附图示意地表 示出根据本发明的一个核电站。

在图中，参考号10总体指示根据本发明的核电站。电站10包括 一个总体用参考号12指示的闭环主发电系统以及一个总体用参考号 14指示的燃料处理和存贮系统。

主发电系统12包括高温气冷卵石床核反应堆16，该反应堆具有 工作流体或冷却剂入口18和出口20以及球入口22和球出口24。电 站10还包括涡轮机26，换热器28，前冷却器30，低压压缩机32，中 冷却器34，高压压缩机36以及发电机38。发电机38和压缩机32， 36安装在由涡轮机26驱动连接的共同的轴40上。

涡轮机26包括入口26.1和出口26.2。入口26.1与出口20流体 连接。

换热器28包括高温或低压端42和低温或高压端44。低压端42 包括入口42.1和出口42.2。入口42.1与出口26.2流体连接。

前冷却器30包括入口30.1和出口30.2。出口42.2与入口30.1 流体连接。

低压压缩机32包括入口32.1和出口32.2。出口30.2与入口32.1 流体连接。

中冷却器34包括入口34.1和出口34.2。出口32.2与入口34.1 流体连接。

高压压缩机36包括入口36.1和出口36.2。中冷却器34的出口 34.2与入口36.1流体连接。

换热器28的高压端44包括入口44.1和出口44.2。高压压缩机 36的出口36.2与换热器高压端44的入口44.1连接。换热器的高压 端44的出口44.2连接入口18。

燃料处理和存储系统14包括球流路限定装置，其限定了包括连接 反应堆16的球出口24的入口和连接反应堆16的球入口22的出口的 球流路50。系统14还包括风机52，所述风机包括入口54和出口56。 出口56与球流路50在参考号58指示的气体入口处流体连接。风机 52的入口54与球流路50在气体出口60处流体连接。热交换器62和 过滤器64与风机52串联。

气体入口58位于比球出口24更低的高度。底部流量限制分度器 66安装于球流路50中球出口24和气体入口58之间的位置。相似地， 顶部流量限制分度器68安装于球流路50中气体出口60和球入口22 之间的位置。

进给线70从主发电系统12的位于高压压缩机36的出口36.2和 换热器28高压端44的入口44.1之间位置的高压点伸出。总体由参考 号72指示的阀装置安装在进给线70中。阀装置72包括一个止回阀。

使用过程中，工作流体或冷却剂，典型地是氦，通过入口18被送 入反应堆16。热的工作流体通过出口20排出反应堆并且驱动涡轮机 26，涡轮机26依次驱动压缩机32，36以及发电机38。工作流体在换 热器28和前冷却器30中冷却之后，进入低压压缩机32，在低压压缩 机中工作流体受到压缩。工作流体然后在中冷却器34里冷却之后，进 入高压压缩机36，工作流体从高压压缩机流到换热器28的低压端并 且在返回到反应堆16之前，受通过换热器低压端42的气体加热。除 其他手段外，尤其通过使用控制主发电系统12中工作流体量的氦量控 制系统，实现主发电系统12发电功率的控制。

在燃料处理和存储系统14中，风机52产生流过位于气体入口58 和气体出口60间球流路50的气流。燃料处理和存贮系统如此设置以 致球流路50中的压力高于球入口22及球出口24处的压力。因而，存 在从球流路50通过球入口22和球出口24进入反应堆16的气体漏流。 应当理解，氦从燃料处理和存储系统14连续地流失入反应堆16。氦 损失由通过进给线70流入燃料处理和存储系统14的氦补充。应当理 解，氦从主发电系统12中与主发电系统最高压力相对应的位置流出， 即该处的压力高于球入口22和球出口24，也从氦处于相对低的温度 的位置流出，典型地约100摄氏度。

随着球74从球出口24离开反应堆16，它们在重力作用下、逆球 流路50到反应堆16的漏流方向、沿球流路50向下移动。安装底部流 量限制分度器66以允许氦漏流进入反应堆而同时允许球74朝相反的 方向移动通过球流路50。当球到达气体入口58时，它们被带进流经 气体入口58和气体出口60之间的球流路部分的气流并被沿该球流路 部分运输。

一条可能的球路线是球74然后被运送通过顶部流量限制分度器 68和球入口22进入反应堆。

燃料处理和存储系统14一般会包含分拣和管理功能，例如检查燃 料元件的完整性和去除受损的燃料元件。另外，燃料处理和存储系统 一般会包含确定燃料元件是否适合再一次通过反应堆并因此分离乏燃 料元件和仍能产生有用能量的旧的燃料元件的装置。燃料处理和存储 系统的详细内容对于理解本发明的原理并无必要，因此不作详细介绍。

发明者认为，根据本发明的电站有此优点，从燃料处理和存储系 统14进入核反应堆的氦漏流会阻止高温气体从反应堆进入燃料处理 和存储系统。另外，底部流量限制分度器66和顶部流量限制分度器 68的安装允许燃料处理和存储系统在相对比较低的温度下运行，因此 避免设计在高温下运行的燃料处理和存储系统部件的需要从而节约大 量成本并且增加可靠性。另外，燃料处理和存储系统中氦的压力会保 持相对稳定或变化缓慢因此减小了由于主发电系统中压力波动而对燃 料处理和存储系统部件产生损伤的危险。

通过缓冲燃料处理和存储系统中的压力波动，减小了燃料处理和 存储系统风机52触及限制器轴承的危险。另外，减小了球流路中过度 的球速波动，因而避免或至少限制了燃料元件的损伤。另外，减小了 过滤器64的滤筒受损的危险。另外，风机52的设计要求变得不太苛 刻，因此减少了风机52相关的成本。另外，减小或阻止了小直径管道 系统中的阀效应和声震波。另外，通过阻止热气从主发电系统进入燃 料处理和存储系统，燃料处理和存储系统的各种部件可被设计在更低 的温度下运行，因此减少了与此相关的成本。另外，通过接收相对少 量的来自主发电系统的相对凉快的补充气，能减少燃料处理和存储系 统中放射性核素的淀积。