整合型核反应器(实施例)

摘要

一种整合型核反应器的主张权利的数个实施例涉及核工程，且可被用于有具一高沸点的数个不同类型的液态冷却剂，例如液态金属、熔盐等的反应器系统中。当中使用了沿一次级冷却剂回路分段的一螺旋热交换器的主张权利的本发明数个实施例的结构特征，通过减少所述反应器的金属消耗量而提供成本‑表现指标上的一增加；有效率地利用所述反应器的内部容积；提高了在所述热交换器的管道泄漏的事件中的安全性；且提供了在燃料被排出前将屏蔽塞移除之后的期间内去除余热的可能性。

说明书

技术领域

两个要求保护的发明实施例都涉及核科技并且可以用于有不同类型的具一高沸点的传热流体，例如液态金属、熔盐等，的反应器。

背景技术

先前技术公开了一种根据优先权日期为2006年6月20日的俄罗斯专利第2313143号的核电厂，所述核电厂包含一反应器，所述反应器具有放置在自由热载体水平下的一液态金属反应器活化剂或其合金，一活性区，蒸汽产生器(SG)及循环设备，例如，一轴流泵(axial pump)，以及一覆盖气体系统(blanket gas system)。作为要求保护的发明的一类似物的一核电厂的设计和运行原理如下。数个蒸汽产生器及泵被安装在反应器炉芯上方的环形管道中的自由热载体水平面的下方。所述环形管道的内径大于所述炉芯的外径。蒸汽产生器入口连接到所述炉芯上方的热载体容积(heatcarrier volume)。蒸汽产生器出口在所述环形管道中连接到所述泵的进口吸入腔室。所述泵的压力腔室是经由一下降管区域与所述核电厂炉芯相连。核电厂如下地运行。由于重核裂变期间被释放的热量，热载体在所述反应器炉芯中被加热。被加热的热载体通过所述泵的运行进入所述炉芯上方的容积。热载体离开此段落并进入数个蒸汽产生器段落的数个入口段落，冲刷在所述自由热载体水平下的数个蒸汽产生器管并将热量传递到工作介质回路(working medium circuit)。热载体离开所述数个蒸汽产生器的出口段落并进入所述泵的所述吸入腔室。所述泵将能量传递给热载体流，所述热载体流被消耗以克服所述下降管区域及所述炉芯的流体阻力(hydraulicresistance)，以及提高所述数个蒸气产生器的所述进口吸入腔室中的自由热载体水平，所述自由热载体水平等于所述数个蒸汽产生器的入口截面朝向所述泵的吸嘴(suctionnozzle)的流体阻力。被冷却的热载体流离开所述泵的压力腔室并通过所述下降管区域进入所述炉芯。此技术方案的缺点在于电厂的可靠性低，这在与共同下降管(commondowncomer duct)并联的所述数个泵之一发生故障的情况下显现出来，因为大量返回的热载体流将通过已关闭(shut down)的泵，这将显着减少热载体流通过所述炉芯的流量并导致需要显着降低所述反应器功率。此外，在由于所述数个管中的一个的围阻体(containment)丧失及所述SG关闭导致所述数个SG段落之一发生故障的情况下，一热的热载体流将通过已经由次级回路(secondary circuit)关闭的SG段落，当与流出仍在运行的所述SG段落的冷的热载体流混合时，此热的热载体流将导致到达所述炉芯的所述热载体的大的温度脉动，从而由于所述炉芯的结构材料的热循环疲劳(thermal cycle fatigue)而降低所述炉芯的性能。此技术方案的缺点还在于，如果燃料更换操作需要从所述反应器取下未在本专利的附图中展示的屏蔽塞，则在所述燃料更换操作的期间不可能去除余热。所述屏蔽塞在所述热载体水平可以下降到所述SG以下并且散热停止时，对降低向上方向的辐射剂量是必要的。

先前技术还公开了具有一液态金属热载体的一核反应器，所述核反应器配备有至少一个紧密型热交换器(compact heat exchanger)，特别是在反应器容器(reactorvessel)和同轴环形毂(coaxial annular hub)之间的环形腔室中垂直布置的一蒸汽产生器，在蒸汽产生器的底部段落有所述炉芯及主要回路的热的热载体(hot heat carrier)腔室(WO2009/024854)：也是要求保护的发明的一类似物。热交换器有许多扁平螺旋(flatspirals)形态的热交换管，一个位于另一个之上。一循环泵在所述热交换器(蒸汽产生器)内。热的热载体从下方被供给到所述泵入口，然后通过所述泵管在所述热交换器中向上移动，沿远离所述热交换器轴线而朝向所述热交换器的周边的径向方向进入热交换器管束(heat exchanger tube bundle)。此外，连接所述炉芯的热腔室与所述泵入口的数个喷嘴，具有改善所述热载体流的流体动力学的数个导向装置(guides)及数个机械挡板(mechanical dampers)，所述数个机械挡板当所述热载体流逆转时，在紧急关闭所述泵的事件中隔离流入所述热交换器的所述热载体。

根据要求保护的两个实施例的本发明的原型包括一个核反应器，具有类似的在所述反应器容器中的设备安排，就像在之前的专利中一样，所述热交换器(蒸汽产生器)的类似设计，主要及次级回路的相同热载体循环模式(WO2018/007961)，如在专利的附图中所示。此核反应器没有液压单元来平衡速度场(velocity field)及移动在连接所述炉芯的所述热腔室与所述泵入口的管道中的数个机械挡板，并且它在设计方面还有其他差异，不影响选择根据专利WO2018/007961的所述核反应器作为要求保护的发明的原型。

此反应器有一些缺点。泵叶轮(pump impeller)及轴承所在的所述泵的上部被所述主要回路的热的热载体冲刷，这由于所述泵叶轮材料的抗腐蚀(corrosion)性和抗侵蚀(erosion)性随热载体温度升高而降低，而令具有长使用寿命的泵的设计复杂化。所述原型的缺点还在于，在所述蒸汽产生器管发生一泄漏的情况下，蒸汽从所述热载体到所述反应器的气体腔室的逸出口(egress)，由于所述反应器的设计特征而受阻，因为当所述热载体离开所述蒸汽产生器时向下流动并携带蒸汽气泡。此外，所述原型中的泵数量总是等于所述热交换器的数量，这可能不是最佳的，且会导致技术和经济特征的劣化。由于所述原型的设计特点，如果燃料排出操作规定在所述燃料排出操作之前自所述反应器移除所述屏蔽塞，则在所述燃料排出操作期间不可能冷却所述炉芯，这导致所述反应器中的热载体水平降低及一潜在的循环回路中断。所述原型的使得制造具有尽可能少的金属消耗和更好的技术和经济特征的一核反应器成为不可能的主要缺点之一是，所述热交换器(蒸汽产生器)对所述反应器容器与所述同轴环形毂之间的所述围阻体间空间(inter-containment space)的使用效率低下。

发明揭示

要求保护的一组发明的创造所旨在解决的任务是改进一核反应器的设计，以减少金属消耗，提高技术及经济特性、其可靠性和安全性。

通过所主张权利的两个实施例的实施而达成的一般技术结果，具体而言，包括通过所述反应器的金属消耗的减少来改进所述技术和经济特征。金属消耗的所述减少是通过当所述热交换器(蒸汽产生器)被放置在所述反应器容器与所述同轴毂之间的环形空间中，有效利用所述反应器的所述内部空间来达成；当使用重液态金属(铅、铅-铋)作为通过所述热载体流回路的热载体时，在所述热交换器(蒸汽产生器)管泄漏的情况下的安全性更佳，在所述情况下，所述热交换器(蒸汽产生器)中的热载体速度矢量的方向与上升的蒸汽气泡的速度矢量的方向一致，从而确保它们有效率地重力分离进入于所述自由热载体水平的气体腔室中；如果燃料排出过程规定在燃料排出之前移除屏蔽塞(这导致反应器中的热载体水平降低，且循环回路断路)，则能够在于燃料排出之前移除屏蔽塞之后的一段时间内移除余热。

根据第一形式要求保护的发明的实质如下。

一种整合式核反应器，有具一高沸点的一循环传热液体，包含在上方及下方具有入口腔室及出口腔室的一炉芯，一屏蔽塞，及位于热载体水平下的一热交换器，所述热交换器位于在所述毂与在所述反应器容器内的一分离壳之间的环形空间中，所述炉芯、入口与出口腔室及数个屏蔽塞位于所述毂中，所述分离壳形成一下降环形管并将所述向下的冷的热载体流与热的向上的热载体流分开。所述热交换器是一盘管热交换器，沿次级回路热载体被分段，以便数个热交换器段落的管道被分组在反应器顶部的数个管道上的所述次级回路热载体的数个入口和出口腔室中。所述热交换器底部位于所述毂中的数个窗口上方，所述热的热载体从所述炉芯的所述出口腔室经过所述数个窗口流向所述热交换器入口。来自所述热交换器顶部的冷的热载体进入环形延迟槽，所述环形延迟槽具有低于所述热载体从其进入所述环形下降管然后流入所述炉芯的入口腔室的所述反应器顶部的热载体水平。

图1展示了对应于第一种形式的整合式核反应器的设计，它应用了主要热载体回路的自然循环的原理。

如图1所示，所述整合式核反应器包括容器1、在上方及下方具有出口腔室3及入口腔室4的一炉芯2、屏蔽塞5，以及热交换器6(蒸汽产生器)。要求保护的技术结果是通过以下事实达成的：在具有反应器的炉芯2、出口腔室3和入口腔室4以及屏蔽塞5的毂8与将通过反应器容器1及分离壳9之间的环形下降管10向下的热载体流与热的、向上的热载体流分开的分离壳9之间的环形空间7，具有沿次级热载体回路分段的盘管热交换器(蒸汽产生器)6，其轴线与反应器容器1的轴线重合。热载体通过重力对流循环。热的热载体通过毂8中的数个窗口11从炉芯2的出口向热交换器6的入口供应。热交换器6的底部位于数个窗口11的上方。环形空间7还具有数个辐射屏蔽单元12，所述数个辐射屏蔽单元12将所述反应器容器1上的中子辐射剂量降低到可允许值，并将所述次级回路热载体的诱发放射性(inducedradioactivity)降低到可允许值。下降管环形管道10从上方在热载体的水平14下方被连接到环形延迟槽13。自然循环的动态压力(dynamic pressure)是由当中所述热载体的温度依高度而言是固定的所述冷下降管环形管道10中的所述热载体的密度，及在由于炉芯2中的热载体的加热，温度首先升高的向上流动中，位于高度中部(mid-level)处的热载体的密度之间的差异所创造；在下游的是在所述炉芯2的热载体出口及进入热交换器6的入口之间的一段落，具有一致的热载体温度，等于在所述炉芯2的出口处的温度；在下游的是所述热交换器中的一个段落，在此段落中温度下降到在所述炉芯2的入口处的所述热载体的温度。冷的热载体直接离开热交换器6，进入具有热载体水平14的环形延迟槽13，有处于些微过压(overpressure)下的惰性气体在所述热载体水平14上方。热载体从环形延迟槽13通过所述分离壳9的顶部边缘进入下降环形管道10，然后进入炉芯2的入口腔室4，从而封闭所述自然循环回路。热交换器6沿所述次级热载体回路被分段，使得数个热交换器段落15的数个管道被分组在反应器顶部19上的数个管道18上的所述次级热载体回路的入口腔室16和出口腔室17中，以便在一关闭的情况下，其数个管道已失去围阻体的热交换器6的数个段落15中的一个的数个阀门，维持所述热载体在所述热交换器出口处的一均匀温度分布。为此目的，来自数个不同盘管排(coiling rows)的管道沿半径被安排在所述次级热载体回路的每个入口和出口腔室中。当热的及冷的热载体混合时，这可以防止所述热载体的任何显着的温度脉动到达炉芯2，提高所述反应器的存活性(survivability)。如果为燃料排出操作需要移除屏蔽塞5，并且所述热载体水平下降到低于所述热载体经由分离壳9溢流的水平，为了在燃料排出操作期间冷却炉芯2，分离壳9具有位于低于移除屏蔽塞5后的热载体水平的相应高度处的数个窗口20，在正常操作期间以下降环形管道10中的数个旁通阀21关闭，在反应器顶部19上具有数个致动器22，协助数个旁通阀21的开启，从而关闭自然循环回路，并在燃料排出操作时在移除屏蔽塞5后通过热交换器6的低于反应器中热载体水平面的部分去除余热。

通过根据要求保护的第二个形式实施本发明所达成的技术结果，除了上述以外，还包括在至少一个热交换器段落失灵的情况下，使核反应器能够以降低的容量运行；通过所述反应器中的热载体循环，其中冷的热载体被供应到具有一自由热载体水平的所述环形延迟槽，改进了所述反应器顶部上的泵和设备，例如CPS机构的可靠性，以及在SG管泄漏情况下，蒸汽气泡重力分离的最佳条件，因为所述热载体流和上升蒸汽泡的速度矢量是向上的。

根据第二形式要求保护的发明的实质如下。

整合式核反应器，有具一高沸点的一传热液体，具有在上方及下方具有入口腔室及出口腔室的一炉芯、一屏蔽塞、及位于所述热载体水平下，在有所述炉芯在其中，有所述入口和出口腔室及所述屏蔽塞的所述毂，及在所述反应器容器内的一分离壳之间的环形空间中的一热交换器，所述分离壳形成一环形下降管，并将所述向下的冷的热载体流与热的向上的热载体流分开，以及循环设备，例如：至少一个循环泵。热交换器是一盘管热交换器，沿所述次级回路热载体被分段，以便数个热交换器段落的管道被分组在反应器顶部上的所述数个管道上的所述次级回路热载体的所述数个入口和出口腔室中，热交换器底部在所述毂中的数个窗口上方，所述热的热载体经过所述数个窗口从所述出口腔室流向所述热交换器入口，且来自所述热交换器顶部的所述冷的热载体进入所述环形延迟槽，所述环形延迟槽具有低于所述反应器顶部的热载体水平。垂直循环泵被安排在所述反应器容器内，使得所述热载体直接从所述环形延迟槽自所述热载体水平下方经由泵壳体(pump shell)中的数个窗口及连接到所述反应器顶部的泵管道被供给至泵叶轮吸入口，且泵排放管(discharge pipe)分别经由所述分离壳或隔板中的数个窗口，通过所述分离壳，或通过覆盖所述环形下降管顶部的所述隔板而被连接到所述环形下降管。

图2展示了对应所述第二形式的所述整合式核反应器的设计，其中所述热载体藉所述泵或数个泵而循环。

图3展示了主张权利的反应器的一部分，详细展示了覆盖所述环形下降管顶部的隔板中的数个开口。

图4展示了主张权利的反应器的一部分，详细展示了所述环形下降管的设计，所述数个隔板对应于在所述反应器中的所述泵的数量。

如图2所示，所述整合式核反应器包含容器1、在炉芯2的上方和下方具有出口腔室3和入口腔室4的炉芯2、屏蔽塞5和热交换器6(蒸汽产生器)和(数个)循环泵23。要求保护的技术结果是通过以下事实达成的：在具有所述反应器的炉芯2、出口腔室3和入口腔室4以及屏蔽塞5的毂8与形成环形下降管10并将通过反应器容器1及分离壳9之间的环形下降管10的向下的热载体流和热的、向上的热载体流分开的分离壳9之间的环形空间7，具有沿次级热载体回路被分段的盘管热交换器6，其轴线与反应器容器1的轴线重合。热的热载体通过毂8中的数个窗口11从炉芯2的出口向所述热交换器6的入口供应。热交换器6的底部在窗口11的上方。在所述热交换器下方的环形空间7具有数个辐射屏蔽单元12，将反应器容器上的中子辐射剂量降低到可允许值，并将所述次级回路热载体的诱发放射性降低到可允许值。冷的热载体离开热交换器6直接进入具有所述热载体水平14的环形延迟槽13，惰性气体在所需的过压下确保在所述泵叶轮上所需的抗气蚀(anticavitation)压力头。热交换器6沿所述次级回路被分段，使得数个段落15的数个管道被分组在反应器顶部19上的管道18上的所述次级热载体回路的入口腔室16和出口腔室17中，以便在一关闭的情况下，其数个管道已失去围阻体的热交换器6的数个段落15中的一个的数个阀门，维持所述热载体在所述热交换器6出口处的一均匀温度分布。为此目的，来自数个不同盘管排的管沿半径被安排在所述次级热载体回路的每个入口和出口腔室中。当热的及冷的热载体在所述数个阀关闭所述数个热交换器段落当中的一个时混合，这可以防止所述热载体的任何显着温度脉动到达炉芯2，提高所述反应器的存活性。数个泵23被垂直地安装在管道24上，在反应器顶部19上，热交换器6上方。热载体直接自环形延迟槽13从热载体水平14下方通过在管道25中及在连接在反应器顶部19上的泵的外壳26中的数个窗口供应到泵吸入口。数个泵23的压力管27分别经由所述分离壳9或所述隔板28中的窗口，通过覆盖反应器容器1和分离壳9之间的环形下降管10顶部的所述分离壳或所述隔板28(见图3)连接到所述反应器的炉芯2的入口腔室4。隔板28低于环形延迟槽13中的热载体水平14。隔板28具有开口29(见图3)，用于在热交换器(蒸汽产生器)6管发生一泄漏的情况下所述反应器充满所述热载体或蒸汽气泡时释放气体。数个泵23的压力管27通过侧边的分离壳9或通过顶部的隔板28连接到环形下降管10。

此外，环形下降管10可以所述反应器的容器1与分离壳9之间的数个纵向隔板30(见图4)根据在所述反应器中连接炉芯2的入口腔室4(见图2)的所述数个泵23的数量分成数个相等的段落。

所需数量的止回阀(check valve)31也可以被安排在环形下降管10中，如果一个或多个泵关闭，则所述数个回止阀的相应部分由一反向压降(reverse pressure drop)关闭(见图2)。

代替所述止回阀，根据所述存在的泵23的数量的，在反应器顶部19上具有数个致动器的阀32可以被安排在环形下降管10中，以隔离来自运行中的泵，朝向已关闭的泵的压力管27的热载体回流。对所述阀门关闭时的密封的紧密性没有严格要求，有利于关闭时的可靠运动(见图2)。

就像所述要求保护的发明的第一个形式，如果燃料排出操作需要移除屏蔽塞5，并且所述热载体水平下降到来自环形延迟槽13的所述热载体由之被供给到所述泵叶轮的吸入口的所述管道25和数个泵的外壳26中的所述数个窗口(见图2)之下，为了在燃料排出操作期间冷却炉芯2，窗口20可以被安排在分离壳10中的低于所述屏蔽塞的移除后的所述热载体水平的适当高度(见图1)，在正常操作期间以在所述环形下降管中的数个旁通阀21关闭，所述数个旁通阀21具有在反应器顶部19上的致动器22，协助所述数个旁通阀的开启，从而确保在燃料排出操作期间移除所述屏蔽塞后，关闭所述自然循环回路并通过所述热交换器在所述热载体水平下方的段落去除余热。

如本文所述的核反应器设计增加了对返回的热载体流的液压阻力或在一个或多个泵关闭时完全阻止所述返回的热载体流，并使反应器能够以降低的容量运行。