技術(shù)領(lǐng)域

以下涉及核反應(yīng)堆技術(shù)、蒸汽發(fā)生器和蒸汽發(fā)生技術(shù)、發(fā)電技術(shù)和相關(guān)技術(shù)。

背景技術(shù)：

眾所周知，緊湊型的核反應(yīng)堆用于海上和陸上的發(fā)電應(yīng)用以及其它的應(yīng)用中。在某些如此的核反應(yīng)堆中，一體化的蒸汽發(fā)生器位于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，其具有如下的優(yōu)點：緊湊性；由于壓力容器貫穿件的數(shù)量和/大小減小，嚴(yán)重的冷卻劑喪失事故(LOCA)發(fā)生的可能性降低；將放射性的一次冷卻劑完全保持在反應(yīng)堆壓力容器之內(nèi)等。

在此披露的是進一步的改進，這些改進提供了成本降低、制造簡化、以及技術(shù)人員在閱讀以下介紹后將會明白的其它益處。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在本發(fā)明的一個方面，一種裝置包括：大致圓柱形的的壓力容器，該壓力容器限定有圓柱軸線；設(shè)置在大致圓柱形壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯；同軸地設(shè)置在大致圓柱形壓力容器內(nèi)的中心上升管，該中心上升管為中空的并具有靠近核反應(yīng)堆堆芯的底部端，以接納由核反應(yīng)堆堆芯加熱的一次冷卻劑，該中心上升管具有遠(yuǎn)離核反應(yīng)堆堆芯的頂端；以及直流蒸汽發(fā)生器(OTSG)，該直流蒸汽發(fā)生器包括多個平行于圓柱軸線布置的管子，布置在中心上升管和大致圓柱形壓力容器之間形成的環(huán)形容積內(nèi)，從中心上升管頂端排出的一次冷卻劑在管子內(nèi)流向核反應(yīng)堆堆芯，OTSG還包括具有給水入口和蒸汽出口的流體流動容積，其中，在給水入口處被注入流體流動容積內(nèi)并在蒸汽出口處從流體流動容積中排出的流體在管子外沿著大致與管子內(nèi)一次冷卻劑的流動相反的方向流動。

在本發(fā)明的另一個方面，裝置包括：壓水反應(yīng)堆(PWR)，該核反應(yīng)堆包括壓力容器、設(shè)置在壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯，以及設(shè)置在壓力容器內(nèi)核反應(yīng)堆堆芯上方的垂直定向的中空中心上升管；以及設(shè)置在PWR壓力容器內(nèi)的直流蒸汽發(fā)生器(OTSG)，該OTSG包括布置在以下所述之一中的垂直管：(i)中心上升管，和(ii)由中心上升管和壓力容器形成的環(huán)形容積，OTSG還包括包圍垂直管的流體流動容積；其中，PWR具有運行狀態(tài)，在該運行狀態(tài)中，在給水入口處被注入流體流動容積內(nèi)的給水通過在OTSG管內(nèi)流動的一次冷卻劑所發(fā)出的熱量而轉(zhuǎn)化為蒸汽，蒸汽在蒸汽出口處從流體流動容積排出。

在本發(fā)明的另一個方面，一種方法包括：構(gòu)造直流蒸汽發(fā)生器(OTSG)，該構(gòu)造包括在軸向張力下安裝OTSG的管子；以及在管子處于軸向壓縮下的升高了的溫度下運行OTSG。

附圖說明

本發(fā)明可采取不同部件和部件布置的形式，并為各種工藝運行和工藝運行布置。附圖只是為了說明優(yōu)選的實施例并不可認(rèn)為限制本發(fā)明。

圖1示意性地示出包括如文中披露的一體化蒸汽發(fā)生器的核反應(yīng)堆的局部剖視立體圖。

圖2示意性地示出圖1核反應(yīng)堆的容器上部的側(cè)視剖視圖，略去蒸汽發(fā)生器的管子以強調(diào)下降管容積。

圖3示意性地示出圖2中所示的截面D-D。

圖4示意性地示出一次冷卻劑流體和二次冷卻劑流體在圖1的一體化蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流動。

圖5示意性地示出制造和配置圖1的一體化蒸汽發(fā)生器的說明性工藝。

圖6示意性地示出一變體實施例的壓力容器的上部。

具體實施方式

參照圖1，局部剖視立體圖示出了說明性的核反應(yīng)。核反應(yīng)堆堆芯10設(shè)置在大致圓柱形壓力容器內(nèi)。在所示的實施例中，壓力容器包括容納核反應(yīng)堆堆芯10的壓力容器下部或下段12、容器上部或上段14以及中間法蘭區(qū)域16。這僅是一個說明性的構(gòu)造，壓力容器總體上可構(gòu)造成少至單個部分或段，或兩個部分或段、三個部分或段(如圖所示)、四個部分或段(例如，包括與上部或段分開的第四上部“帽”部分或段)等。壓力容器12、14、16包含一次冷卻劑，其在輕水反應(yīng)堆的說明性情形中為水(H₂O)，可供選擇地可包括諸如硼化合物(例如，“硼水”)那樣用于反應(yīng)性控制的其它添加劑。在其它考慮的實施例中，一次冷卻劑可以是諸如重水(D₂O)那樣的另一種流體。一次冷卻劑填滿壓力容器12、14、16的大部分或全部的容積。反應(yīng)堆入口環(huán)腔18包圍反應(yīng)堆堆芯10，以使一次冷卻劑流到反應(yīng)堆堆芯10。設(shè)置在反應(yīng)堆入口環(huán)腔18內(nèi)的可供選擇的屏蔽或圍板20提供對反應(yīng)堆堆芯10額外的輻照屏蔽。所示反應(yīng)堆是壓水反應(yīng)堆(PWR)，其中，一次冷卻劑是欠熱的輕水，其保持在升高的壓力和低于運行壓力下沸點的溫度(飽和溫度)下；然而，也可考慮沸水反應(yīng)堆(BWR)，其中，一次冷卻劑在飽和溫度和升高的壓力下運行，或可考慮諸如采用重水的構(gòu)造的其它反應(yīng)堆構(gòu)造。

反應(yīng)堆控制由上部的吸收中子的內(nèi)部控制棒22以及控制棒驅(qū)動機構(gòu)(CRAM)24提供，控制棒驅(qū)動機構(gòu)(CRAM)構(gòu)造成可控制地將控制棒插入和拔出核反應(yīng)堆堆芯10。示意的圖1僅指出兩個圖示的控制棒22；然而，在某些實施例中，控制棒數(shù)量可以是幾打或幾百個，其插入點在空間上橫貫反應(yīng)堆堆芯區(qū)域分布，以便共同地提供均勻的反應(yīng)控制。CRDM24可分為多個單元(細(xì)節(jié)未示出)，每個單元控制著一個或多個控制棒。例如，多個控制棒可通過連接桿/蛛狀結(jié)構(gòu)組件或其它合適的聯(lián)接件(細(xì)節(jié)未示出)可操作地與單一的CRDM聯(lián)接。在某些圖示的實施例中，CRDM單元包括驅(qū)動導(dǎo)螺桿的電動機，導(dǎo)螺桿通過連接桿/蛛狀結(jié)構(gòu)組件可操作地連接到控制棒，這樣，電動機的運行致使包括導(dǎo)螺桿、連接桿、蛛狀結(jié)構(gòu)和控制棒的組件線性平移。如此的CRDM單元提供通過導(dǎo)螺桿的對控制棒精確地插入反應(yīng)堆堆芯10內(nèi)的精細(xì)控制，因此，適于“灰棒”的操作，其提供精細(xì)的增量反應(yīng)控制。在某些圖示的實施例中，CRDM單元可包括提升活塞，該活塞將包括連接桿、蛛狀結(jié)構(gòu)和控制棒的組件提出反應(yīng)堆堆芯10之外，在SCRAM(緊急停堆)過程中，移去提升力以使控制棒通過重力和可供選擇的水壓力而下落到反應(yīng)堆堆芯10內(nèi)。如此的CRDM單元適用于“停堆棒”的操作，其作為反應(yīng)堆安全系統(tǒng)的一部分。在還有的其它圖示實施例中，灰棒和停堆棒功能集成在單個CRDM單元中，例如，使用與導(dǎo)螺桿聯(lián)接的可分開的球螺母，使得CRDM單元在正常情況下提供灰棒功能，但在SCRAM過程中，球螺母分開而將控制棒釋放到反應(yīng)堆堆芯10內(nèi)。CRDM單元的某些其它圖示的實施例在以下的專利申請中有闡述：2010年3月12日提交的申請系列號12/722,662，其題為“用于核反應(yīng)堆的控制棒驅(qū)動機構(gòu)”，以及2010年3月12日提交的相關(guān)的申請系列號12/722,696，其題為“用于核反應(yīng)堆的控制棒驅(qū)動機構(gòu)”，本文以參見方式引入該兩個專利的全部內(nèi)容。這些申請披露了提供灰棒/停堆棒功能的CRDM單元，其中，電動機和導(dǎo)螺桿之間的連接不可釋放，但在導(dǎo)螺桿和連接桿之間設(shè)置分離的鎖閂，以實現(xiàn)SCRAM。在這些替代的結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)螺桿不進行SCRAM，但僅解除鎖定的連接桿和控制棒朝向反應(yīng)堆堆芯一起進行SCRAM，同時導(dǎo)螺桿保持與電動機嚙合。

示意性的CRDM 24可包括一個或多個CRDM單元，CRDM單元為所述類型的CRDM單元的各種組合，或是提供灰棒和/或停堆棒功能的其它CRDM單元的各種組合。圖示的CRDM 24是一體的CRDM，其中，包括電動機、導(dǎo)螺桿、連接桿等的所有機械的和電磁驅(qū)動的部件都設(shè)置在壓力容器12、14、16內(nèi)，只有電線、液力管線或其它動力線或控制引線與這些部件連接。在其它構(gòu)思的實施例中，CRDM可采用外部的CRDM單元，其中，電動機安裝在壓力容器外面，例如在壓力容器上方或下方。

繼續(xù)參照圖1，由于因一次冷卻劑在運行的核反應(yīng)堆堆芯10附近加熱而形成的自然對流，所以一次冷卻劑可以自然地循環(huán)。附加地或替代地，一次冷卻劑循環(huán)可由可選的反應(yīng)堆冷卻劑泵26驅(qū)動或輔助。示意地圖示的冷卻劑泵26是內(nèi)部泵，其具有位于壓力容器12、14、16內(nèi)的轉(zhuǎn)子和定子元件。替代地，也可采用外部泵，例如，具有外部定子和轉(zhuǎn)子，泵通過合適的導(dǎo)管或管子而聯(lián)接到壓力容器容積，或者可完全省略循環(huán)泵，就如自然對流的反應(yīng)堆實施例那樣。

繼續(xù)參照圖1并還參照圖2和3來進一步描述核反應(yīng)堆。圖2示出上部容器14和其中選定的部件的側(cè)視剖視圖，而圖3示出圖2中所指出的截面D-D。如圖1所示，所示的核反應(yīng)堆是一體化的核反應(yīng)堆，所謂一體化核反應(yīng)堆是指蒸汽發(fā)生器30集成在壓力容器12、14、16內(nèi)。在所示的實例中，壓力容器12、14、16大致為圓柱形，并限定出圓柱軸線A(僅在圖2中標(biāo)示)。蒸汽發(fā)生器30是設(shè)置在上部容器14內(nèi)的直管直流蒸汽發(fā)生器(OTSG)30。該OTSG 30包括垂直地平行于圓柱軸線A布置在環(huán)形“下降管”容積34內(nèi)的直管32，所述“下降管”容積34形成在以下兩者之間：(i)同軸地設(shè)置在大致圓柱形壓力容器的上部14內(nèi)的中空中心上升管36，以及(ii)大致圓柱形壓力容器的上部14。中空的中心上升管36形成中心上升管36內(nèi)的中心上升管流道38。OTSG 30還包括包圍設(shè)置在下水容積34內(nèi)的管子32的外圍板40，以及設(shè)置在中心上升管36和管子32之間的內(nèi)圍板42(注意，在圖2和3中，顯示和標(biāo)示了OTSG的圍板40、42，但管子32被略去，以便更清楚地顯示圖2和3中的環(huán)形下降管容積34)。

所示反應(yīng)堆內(nèi)的一次冷卻劑流道如下。中心上升管36具有靠近核反應(yīng)堆堆芯10的底部端，以接納被核反應(yīng)堆堆芯10加熱的一次冷卻劑，并具有遠(yuǎn)離核反應(yīng)堆堆芯10的頂部端。由核反應(yīng)堆堆芯10加熱的一次冷卻劑向上流過中心上升管36內(nèi)的中心上升管流道38。在中心上升管36的頂部處，一次冷卻劑流動轉(zhuǎn)過180°(即，從大致向上的流動變化到大致向下的流動)。一次冷卻劑進入OTSG 30的管子32內(nèi)，并向下流過管子32。一次冷卻劑從管子32的下端排入一次出口腔室44內(nèi)，其將一次冷卻劑流送回到反應(yīng)堆入口環(huán)腔18并回到反應(yīng)堆堆芯10。

繼續(xù)參照圖1-3，并還參照圖4，OTSG 30的外和內(nèi)圍板40、42形成圍板40、42之間的OTSG 30流體流動容積。該流體流動容積包圍管子32，并具有給水入口50和蒸汽出口52。應(yīng)注意到，盡管示出的是單個入口50和單個出口52，但在其它的實施例中，可有多個入口和/或多個出口，以提供冗余性和/或在橫向于軸線A的平面內(nèi)的改進的徑向?qū)ΨQ性。流體(例如，給水)在給水入口50處被注入到流體流動容積內(nèi)，并在蒸汽出口52處從流體流動容積中(例如，作為蒸汽)排出。而在流體流動容積中，流體在OTSG 30的管子32外面沿大致向上的方向流動，基本上與管子32內(nèi)的一次冷卻劑流動相反。

繼續(xù)參照圖1-3并還參照圖4，在圖示的PWR的運行狀態(tài)中，在給水入口50處注入到OTSG 30的流體流動容積內(nèi)的給水通過從OTSG 30的管子32內(nèi)流動的一次冷卻劑所發(fā)出的熱量轉(zhuǎn)換為蒸汽，該蒸汽在蒸汽出口52處從流體流動容積中排出。這示意地顯示在圖4中，該圖示出攜帶向下的一次冷卻劑流(F_一次)的三個圖示管子32的一部分。通過指示出形成OTSG 30的流體流動容積的外和內(nèi)圍板40、42的一部分，圖4中示意地示出了OTSG 30的流體流動容積。為了便于與圖1-3相關(guān)聯(lián)，對應(yīng)于大致圓柱形壓力容器軸線A的軸向也圖示在圖4中。在OTSG 30的流體流動容積中流動的流體有時在文中被稱為“二次”冷卻劑，而二次冷卻劑在OTSG 30的流體流動容積中大致向上的“逆”流動在示意的圖4中標(biāo)示為二次冷卻劑流(F_二次)。在向上的流動，從一次冷卻劑流F_一次中發(fā)出的熱傳遞到二次冷卻劑流F_二次，致使二次冷卻劑加熱，直到它轉(zhuǎn)換為具有蒸汽流(S_二次)形式的二次冷卻劑流。(蒸汽流S_二次也在圖4中使用虛線箭頭示意地表示)。盡管未予示出，從蒸汽出口52流出的蒸汽流S_二次合適地起作工作蒸汽，其流入和運行汽輪機或其它用蒸汽運行的裝置。

在所示的實施例中，OTSG 30的流體流動容積由外和內(nèi)圍板40、42形成，圍板40、42與中心上升管36和壓力容器的上部14分離開。有利的是，這使OTSG 30構(gòu)造為包括管子32并包圍圍板40、42的單元，然后作為一個單元安裝在壓力容器的上部14內(nèi)。然而，還可考慮內(nèi)圍板實施為中心上升管36的外表面，和/或外圍板實施為壓力容器上部14的內(nèi)表面。

在包括與壓力容器上部14相分離的外圍板40的實施例(如所示的實施例)中，外圍板40和壓力容器上部14之間的環(huán)形空間可選地被用作有用的用途。在所示的實例中，外圍板40和壓力容器上部14之間的環(huán)形空間形成了OTSG 30的外圍板40和壓力容器(上部14)之間的給水環(huán)腔60，緩沖在給水入口50處注入流體流動容積內(nèi)的給水。同樣地，在OTSG 30的外圍板40和壓力容器(上部14)之間的蒸汽環(huán)腔62緩沖在蒸汽出口52處從流體流動容積中排出的蒸汽。

在某些實施例中，給水環(huán)腔和蒸汽環(huán)腔具有相同的內(nèi)直徑和相同的外直徑。在如此的實施例中，外圍板和相關(guān)的壓力容器部分具有在環(huán)腔軸向長度上的恒定直徑。然而，在所示實施例中，給水環(huán)腔60具有比蒸汽環(huán)腔62大的外直徑。這一點可通過相對于包圍蒸汽環(huán)腔62的壓力容器上部14的直徑來增加包圍給水環(huán)腔60的壓力容器上部14的直徑來獲得。在所示實施例中，外圍板40的直徑在環(huán)腔60、62的軸向長度上保持恒定。該結(jié)構(gòu)允許水有較大的局部存量，這樣，在給水喪失(LOFW)事故的事件中提供給蒸汽發(fā)生器汽化的時間相對較長。

參照圖1和2，如上所述，一次冷卻劑的流動回路包括當(dāng)一次冷卻劑從中心上升管36內(nèi)的中心上升管流道38中排出并流入OTSG 30的管子32頂端內(nèi)時作的180°流動反向?？蛇x地，提供流動轉(zhuǎn)向器70來促使流動反向。圖示的流動轉(zhuǎn)向器70設(shè)置在大致圓柱形的壓力容器14內(nèi)，并具有面向中心上升管頂端的流動轉(zhuǎn)向表面72，其呈斜坡或(如圖所示)呈弧形，以將從中心上升管36頂端排出的一次冷卻劑朝向OTSG 30的管子32的入口再導(dǎo)向。流動轉(zhuǎn)向器70通過一次入口環(huán)腔74與中心上升管36的頂部間隔開。

如上所述，圖示的核反應(yīng)堆是壓水反應(yīng)堆(PWR)，其中，一次冷卻劑是欠熱的并保持在正壓之下。在某些實施例中，對一次冷卻劑的加壓是由外部穩(wěn)壓器提供。然而，在所示的實施例中，對一次冷卻劑的加壓是由內(nèi)部穩(wěn)壓器提供。在該構(gòu)造中，流動轉(zhuǎn)向器70還起作分隔板70的一部分，該分隔板通過上述一次入口環(huán)腔74與中心上升管36頂部間隔開。大致圓柱形的壓力容器12、14、16(更準(zhǔn)確地說，壓力容器上部14)包括密封的頂部78，其與分隔板70合作而形成一體的穩(wěn)壓器容積80，其通過分隔板70與大致圓柱形的壓力容器12、14、16的其余內(nèi)部容積分離開。在PWR的運行狀態(tài)中，一體的穩(wěn)壓器容積80包含流體(飽和的一次冷卻劑液體和蒸汽)，其溫度高于大致圓柱形的壓力容器12、14、16的其余內(nèi)部容積內(nèi)的一次冷卻劑的溫度。在該實施例中，飽和溫度由穩(wěn)壓器的加熱元件82(僅在圖1中示出)保持，而穩(wěn)壓器的噴霧嘴84提供降壓的機構(gòu)，通過冷凝容積80內(nèi)的一些蒸汽來達(dá)到降壓。分隔板70合適地包括開口(未示出)，開口在一體的穩(wěn)壓器容積80和大致圓柱形的壓力容器12、14、16的其余內(nèi)部容積之間提供液力流體連通。該液力流體連通在大致圓柱形的壓力容器12、14、16的其余內(nèi)部容積內(nèi)建立起壓力水平。由于橫貫分隔板70而在穩(wěn)壓器容積80和一次入口環(huán)腔74之間存在有溫差，所以大致圓柱形的壓力容器12、14、16的內(nèi)部容積內(nèi)的其余一次流體保持在欠熱的液態(tài)中，其溫度近似為11℃(20°F)，低于穩(wěn)壓器容積80內(nèi)的飽和溫度。這一水平的欠熱液體防止反應(yīng)堆堆芯10內(nèi)的一次流體經(jīng)受飽和的容積沸騰，該種沸騰是比通常存在于壓水反應(yīng)堆堆芯內(nèi)的欠熱泡核沸騰高得多的蒸汽容積量。穩(wěn)壓器(80、82、84、78和70)有可能阻止PWR堆芯內(nèi)的該種容積沸騰，遠(yuǎn)離泡核沸騰(DNB)會增加燃料芯塊和燃料包殼的溫度，通過使遠(yuǎn)離泡核沸騰(DNB)的可能性為最小對于核反應(yīng)堆燃料棒的完整性是有利的。

闡述了如圖1-4中所示實例的說明性的一體化PWR后，下面將闡述某些其它附加的方面和變體。

在一個圖示的定量的實例中，運行狀態(tài)中的反應(yīng)堆堆芯10在425MW熱功率下運行。反應(yīng)堆的熱冷卻劑水在被稱之為“熱段”的回路內(nèi)流動，熱段包括堆芯上方圍繞CRDM 24流動的空間。熱段向上沿中心上升管36延伸到入口環(huán)腔74，其中，反應(yīng)堆冷卻劑其后經(jīng)中心上升管流道38進入直管型OTSG 30的管子32內(nèi)。直管型OTSG 30環(huán)繞中心上升管36，并包括介于中心上升管36和OTSG 30的外圍板40之間設(shè)置在環(huán)腔內(nèi)的蒸汽發(fā)生器管子32環(huán)形陣列。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，中心上升管36是高壓部件，該部件使1900psia(在該說明性的定量實施例中)的高壓反應(yīng)堆一次冷卻劑與該實例中825psia的低壓二次冷卻劑分開。通過中心上升管36來對內(nèi)壓部分的使用可達(dá)到緊湊和有效的設(shè)計，因為一次壓力邊界在蒸汽發(fā)生器30的內(nèi)部，并起作形成用于熱段的流道38的上升管的雙重用途。一種設(shè)計考慮是，中心上升管38、管子32和上部容器14之間存在著不同的熱膨脹。不同的熱膨脹還因給水環(huán)腔60變得復(fù)雜，該給水環(huán)腔60含有比蒸汽環(huán)腔62內(nèi)的蒸汽溫度低得多的溫度的給水，這導(dǎo)致上部容器14內(nèi)的一個溫度范圍，致使產(chǎn)生附加的熱應(yīng)力。

一種減輕這些不同應(yīng)力效應(yīng)的方法是，平衡蒸汽發(fā)生器運行和非運行范圍的工況上的應(yīng)力。在一個圖示的實例中，管子32用奧氏體鎳-鉻基合金制造，諸如Inconel^TM 690合金，管子32固定在鋼制的支撐件上。該支撐件包括上管板90和下管板92(示意地顯示在圖2中)。通常，奧氏體鎳-鉻基合金具有比鋼高的熱膨脹系數(shù)。通過使管子32脹管到上和下管板90、92的匹配孔中，使Inconel^TM 690的蒸汽發(fā)生器管子32產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，就可在運行和非運行范圍的工況上合適地達(dá)到應(yīng)力平衡。這一脹管通過泊松效應(yīng)(Poisson effect)曳拉管子而實現(xiàn)張緊。一般地，該概念在于，在核反應(yīng)堆的運行狀態(tài)中，在OTSG 30管子32內(nèi)流動的一次冷卻劑處于相對高的溫度下，例如至少為500℃的溫度，OTSG 30的管子32設(shè)計為在高溫下在該運行狀態(tài)中處于軸向壓縮作用之下。另一方面，OTSG 30的管子32設(shè)計為在核反應(yīng)堆的非運行狀態(tài)中處于軸向張緊狀態(tài)之下，其中，管子32處于諸如室溫那樣的低溫，例如，合適地量化為低于100℃的溫度。通過在室溫下(例如，在某些實施例中，低于100℃)對管子32施加預(yù)應(yīng)力來達(dá)到軸向張緊，從而隨著溫度上升到運行溫度、例如在某些實施例中上升到至少為500℃，Inconel^TM 690的蒸汽發(fā)生器管子32和中心上升管36和容器14的鋼材之間的熱膨脹差造成管子從軸向張緊過渡到軸向壓縮。通過管板支承90、92處的部件14、32和36共同連接而在這些部件中形成這些不同的熱應(yīng)力，通過讓給水管嘴50定位在壓力容器下部而留下較長的蒸汽出口環(huán)腔62，以用高溫的出口蒸汽圍住容器，并通過使給水環(huán)腔60采用較大的半徑來減小給水環(huán)腔60的軸向長度，由此也可選地減小上述不同的熱應(yīng)力。

簡要地參照圖5，進一步來描述對管子32施加預(yù)應(yīng)力的制造順序，以使管子達(dá)到軸向張緊。在操作100中，膨脹管端以使它們固定到管板90、92上，由此將管子32安裝在OTSG框架或支撐件的管板90、92中。其后的操作102是這對管子32施加軸向張緊。在操作104中，將包括預(yù)應(yīng)力管子32的OTSG 30安裝到壓力容器12、14、16上，以構(gòu)成圖1-4的一體化PWR。在操作106中，一體化的PWR啟動和進入運行狀態(tài)，其效果是將OTSG 30管子32內(nèi)流動的一次冷卻劑的溫度提升到至少為500℃的運行溫度(在所示實例中)。其后的操作108是這對管子32施加軸向壓縮，這是因為與通過管板90、92相連接的中心上升管36和容器14的鋼材相比，管子32的奧氏體鎳-鉻基合金有相對較高的熱膨脹系數(shù)。

在某些實施例中，在運行狀態(tài)中，OTSG 30形成一體的節(jié)能器，該節(jié)能器將給水入口50處注入到流體流動容積內(nèi)的給水加熱到等于或低于給水沸點的溫度。在如此的實施例中，直管型的OTSG 30是一體化的節(jié)能器(IEOTSG)設(shè)計，因為給水由管子32外面的流動所加熱。給水通過給水管嘴50而進入，分布到整個給水環(huán)腔60內(nèi)分布，并通過管束圍板40和下管板92之間的間隙或其它通道(未示出)進入管子32。在運行模式中，給水在管子32外面流動，并且存在從一次冷卻劑流到給水流強制對流傳熱，其后是欠熱和飽和沸騰，以形成蒸汽流。一旦臨界熱流量達(dá)到近似95％的蒸汽質(zhì)量，蒸汽通過過渡進入穩(wěn)定的膜沸騰，其后是干燥到100％蒸汽質(zhì)量。此后，在管束中，對蒸汽的強制對流將溫度提升到過熱狀態(tài)，在該過熱狀態(tài)中，蒸汽通過蒸汽出口環(huán)腔62和蒸汽出口管嘴5流出蒸汽發(fā)生器。在將蒸汽遞送到汽輪機之前，過熱蒸汽不需要汽水分離器(雖然在某些實施例中可考慮包括汽水分離器)。

下面描述一體化穩(wěn)壓器的某些進一步的方面。穩(wěn)壓器通過穩(wěn)壓器加熱元件82和穩(wěn)壓器噴霧管嘴84來控制一次冷卻劑的壓力。為了提高系統(tǒng)壓力，反應(yīng)堆控制系統(tǒng)(未示出)對加熱元件82通電。為了降低壓力，噴霧管嘴84通過較小的外部管線(未示出)從反應(yīng)堆冷卻劑泵26排出側(cè)上的反應(yīng)堆入口環(huán)腔18頂部噴注冷段的水。穩(wěn)壓器容積80由分隔板70形成，分隔板分隔一次入口環(huán)腔74和穩(wěn)壓器容積80之間的空間。通過包括有孔圓柱體124(圖6，分隔板頂部未示出)或錐形的流動轉(zhuǎn)向器表面72(圖2)或其它弧形或傾斜的表面，分隔板70還可選地起作流動轉(zhuǎn)向器，這些有孔圓柱體或表面在一次冷卻劑進入OTSG 30的管子32的上端之前，幫助入口環(huán)腔74內(nèi)的一次冷卻劑流動轉(zhuǎn)向，建立管子30內(nèi)的向下流動。所示的包括穩(wěn)壓器容積80和壓力控制結(jié)構(gòu)82、84的穩(wěn)壓器有利地是完全一體化的穩(wěn)壓器(即，它是壓力容器12、14、16的一部分)，并有利地沒有用于外部CRDM或其它部件的貫通件。

中心上升管36形成用于使一次冷卻劑流離開反應(yīng)堆堆芯10而到達(dá)蒸汽發(fā)生器30的一次入口環(huán)腔74的通道38。在該實施例中，為此目的沒有設(shè)水平走向的管道。結(jié)果，如果反應(yīng)堆在反應(yīng)堆冷卻劑泵26關(guān)閉的自然循環(huán)模式中運行(如在致使泵26停止運行的故障或失電期間可能發(fā)生的)，則熱的且上升的一次冷卻劑僅受上部堆內(nèi)構(gòu)件(例如，CRDM24)的阻礙。與堆芯10和蒸汽發(fā)生器管子32的流動阻力相比，該流動阻力不大，因為流動面積相對較大。中心上升管36的流動阻力也是總阻力的相對小的百分?jǐn)?shù)，因為通道38的直徑較大。

在某些現(xiàn)有的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)中，在冷卻劑喪失事故(LOCA)之后，蒸汽和不可冷凝的氣體會集中在反應(yīng)堆冷卻劑管道的高點處，并會阻礙反應(yīng)堆堆芯和蒸汽發(fā)生器之間的自然循環(huán)回路。有利的是，帶有本文披露的一體化的穩(wěn)壓器容積80的直管型OTSG 30會從一次冷卻劑循環(huán)回路中自動地除去不可冷凝的氣體，因為在穩(wěn)壓器容積80僅有在頂部處的一個高點。浮力致使不可冷凝氣體和蒸汽進入到穩(wěn)壓器容積80的頂部，在那里，這些氣體和蒸汽干擾自然循環(huán)的回路。

所披露的直管型OTSG 30的另一優(yōu)點在于，它可選地在多個模式中運行，以從反應(yīng)堆堆芯10中移去衰變熱。從正常運行狀態(tài)開始，如果反應(yīng)堆冷卻劑泵26停止運行，則一次冷卻劑水繼續(xù)循環(huán)，不過現(xiàn)在是通過自然循環(huán)，以通過堆芯10和通過蒸汽發(fā)生器管子32。只要存在對蒸汽發(fā)生器30的入口50的給水供應(yīng)，就有大的管子表面積來從堆芯10除去放射性裂變產(chǎn)物的熱量。如果在LOCA期間一次冷卻劑液位下落到低于一次入口環(huán)腔74的液位，那么直管型OTSG 30可作為冷凝器運行。在該模式中，來自反應(yīng)堆堆芯10內(nèi)沸水的蒸汽上升而填充一次入口環(huán)腔74和穩(wěn)壓器容積80。二次側(cè)上(即，由圍板40、42在管子32外形成的流體流動容積內(nèi))的低溫水和蒸汽致使蒸汽發(fā)生器管子30內(nèi)發(fā)生冷凝。僅通過重力，冷凝物流出蒸汽發(fā)生器管子32，流入一次出口環(huán)腔44內(nèi)，在那里，冷凝物返回到堆芯10。

在直管型OTSG 30中，一次冷卻劑壓力是在管子32內(nèi)。一次冷卻劑處于比流過由圍板40、42而形成在管子32外面的流體流動容積的二次冷卻劑的壓力高得多的壓力下。在某些實施例中，在核反應(yīng)堆運行狀態(tài)中，在管子32內(nèi)流動的一次冷卻劑處于至少是流體流動容積內(nèi)二次冷卻劑(給水或蒸汽)壓力的兩倍的壓力之下。這使得在張緊情況下能夠使用較薄的管壁。相比之下，如果一次冷卻劑在管子外面流動，則管子受壓縮，因此通常需要較厚的管壁。有些分析已經(jīng)指出，本OTSG實施例的張緊設(shè)計中的管壁可做得大約是處于壓縮下的管子所需管子壁厚的一半厚度(對于可比的管子直徑來說)。

使用較薄的管壁使得OTSG 30輕得多，并包括用于管子32的Inconel^TM 690或其它鎳-鉻基的合金材料要少得多。對于一體化的核反應(yīng)堆來說，對直管型OTSG 30重量的減輕是有利的。例如，在圖1-3所示的實施例中，在換料期間，移去蒸汽發(fā)生器30就可進入堆芯10。這通過中間法蘭16可使OTSG 30脫開與壓力容器下部12的連接。重量輕的直管型OTSG 30有利地減小了安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)吊車所需的尺寸大小，該吊車在換料期間用來提升蒸汽發(fā)生器30而將其吊到一邊。

直管型OTSG 30還具有保養(yǎng)和維護的優(yōu)點。人孔方便地靠近穩(wěn)壓器容積80和一次入口環(huán)腔74設(shè)置，以提供進行保養(yǎng)的入口。在核電廠停運期間，通過一次入口環(huán)腔74就可進行對管子32的檢查，無需從壓力容器移去蒸汽發(fā)生器30。由此進行渦流檢查可發(fā)現(xiàn)管子的減薄和管子裂縫。如果如此的檢查表明需要堵管，則在核電廠停運期間可移去蒸汽發(fā)生器30，可將管塞安裝在下管板92和上管板90上。在另一種方法中，在換料期間，當(dāng)蒸汽發(fā)生器30取下放置在反應(yīng)堆旁邊上時，可同時進行管子檢查和堵管。在此情形中，從底部有一個容易進入的入口來進行管子檢查和堵管。

參照圖6，描述變體的實施例。該變體實施例包括IEOTSG 30，它的管子32安裝在上和下管板90、92上。在該變體實施例中，修改的壓力容器上部14’與壓力容器上部14的不同之處在于，它不具有比蒸汽環(huán)腔大的直徑以提供有較大外直徑的給水環(huán)腔。相反，在圖6的變體實施例中，與給水入口50相連的給水環(huán)腔60’具有與連接到蒸汽出口52的蒸汽環(huán)腔62相同的外直徑。修改的壓力容器上部14’與壓力容器上部14的不同之處還在于，它不包括一體的密封頂部78。相反，提供一分開的密封頂部78’，其通過上法蘭120固定到修改的壓力容器上部14’。還有，變體的實施例還不包括一體的穩(wěn)壓器容積或轉(zhuǎn)向板70。相反，密封的頂部78’形成修改的一次入口環(huán)腔74’(但不形成穩(wěn)壓器容積)，密封的頂部78’包括弧形表面122，其與中心上升管36的頂部處的圓柱形開口124合作，以執(zhí)行一次冷卻劑流的轉(zhuǎn)向功能。

由于在圖6的變體實施例中省略了圖1-3實施例的穩(wěn)壓器容積80，所以，合適地由自行加壓來提供對圖6的實施例的一次冷卻劑加壓。在該方法中，來自反應(yīng)堆堆芯的蒸汽集中在蒸汽發(fā)生器容器的頂部，即，集中在一次入口環(huán)腔74’內(nèi)。充滿在穹頂容積74’內(nèi)蒸汽的可壓縮性調(diào)節(jié)著一次冷卻劑的壓力。為了提升功率，增加流入給水入口50的給水流，這增長了管子32內(nèi)沸騰的長度。反應(yīng)堆堆芯10通過負(fù)的慢化劑反應(yīng)性系數(shù)來提高功率以跟從載荷的要求，因為此時來自蒸汽發(fā)生器30的堆芯入口溫度下降。堆芯出口溫度保持在接近恒定的溫度，該溫度由蒸汽穹頂容積74’的壓力和飽和溫度進行調(diào)節(jié)。因此，對于功率的提高，橫貫反應(yīng)堆堆芯10的溫升增大，而反應(yīng)堆流量保持恒定，該流量由反應(yīng)堆冷卻劑泵26確定。功率的下降可采用相類似的過程。

作為另一說明性的變體(未示出)，OTSG的管子可放置在壓力容器內(nèi)的不同部位。在圖1-3和6所示的實施例中，包括管子32的OTSG 30完全設(shè)置在下降管的容積34內(nèi)。然而，更一般地說，管子可設(shè)置在下降管容積(如圖所示)內(nèi)，或設(shè)置在中心上升管36內(nèi)的中心上升管流道38內(nèi)，或設(shè)置在該兩個容積34、36內(nèi)。

就其它說明性的變化來說，業(yè)已指出，分開的內(nèi)圍板42可替代地實施為中心上升管36的外表面，和/或分開的外圍板40可替代地實施為壓力容器上部14的內(nèi)表面。此外，可考慮下管板92與中間法蘭16集成在一起。

已經(jīng)圖示和描述了多個優(yōu)選實施例。顯然，其它技術(shù)人員在閱讀和理解以上詳細(xì)描述后將會想到各種修改和替代方案。本發(fā)明應(yīng)被認(rèn)為包括所有如此的修改和替代，只要它們落入附后權(quán)利要求書或其等價物的范圍之內(nèi)。