專利名稱:蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于從核反應堆移除衰變熱的系統(tǒng)。
技術背景
在所設計的具有非能動運行系統(tǒng)(passive operating system)的核反應堆中，采用物理規(guī)律以確保在正常運行過程中維持核反應堆的安全運行，甚至在緊急狀況中在沒有操作者介入或者監(jiān)督的情況下維持核反應堆的安全運行，至少維持某一預定時間段。核反應堆5包括由反應堆容器2圍繞的反應堆芯6。反應堆容器2中的水10圍繞反應堆芯6。 反應堆芯6進一步位于管套122中，管套122圍繞在反應堆芯6的側部周圍。當由于核裂變事件導致水10被反應堆芯6加熱時，水10從管套122被引導出并流出提升管124。這導致另一些水10被吸入反應堆芯6并且被反應堆芯6加熱，所述反應堆芯6將更多的水吸入管套122中。自提升管124出現(xiàn)的水10被冷卻且被引導朝向環(huán)123，然后這些水通過自然循環(huán)返回至反應堆容器2的底部。隨著水10被加熱，在反應堆容器2中產生加壓蒸氣11。
熱交換器35使給水和蒸汽在二次冷卻系統(tǒng)30中循環(huán)，從而用渦輪32和發(fā)生器34 發(fā)電。給水經過熱交換器35并且變成超熱蒸汽。二次冷卻系統(tǒng)30包括冷凝器36和給水泵38。二次冷卻系統(tǒng)30中的蒸汽和給水與反應堆容器2中的水10隔離，使得不允許它們彼此混合或者彼此直接接觸。
反應堆容器2被安全殼(containment)容器4圍繞。安全殼容器4被設計為不允許來自反應堆容器2的水或蒸汽泄露進入周圍環(huán)境中。提供一個蒸汽閥8以將來自反應堆容器2的蒸汽11排放進入安全殼容器4的上半部14。提供一個水下泄壓閥18以將水10 釋放到包含次冷水的抑壓池12中。
在喪失給水流時，核反應堆5被設計成通過急停反應堆芯6、對安全殼容器4注水或對反應堆容器2降壓來響應。這些響應中的后兩者造成核反應堆5停堆并且長時間不能發(fā)電。此外，在冷卻劑被從反應堆容器2排出的失水狀況中，通過反應堆芯6的冷卻劑流減少。這增加了將反應堆芯溫度降低至期望水平所需要的時間。
本發(fā)明解決這些以及其他問題。


圖1示出了一種核電系統(tǒng)。
圖2示出了包括內部干燥的安全殼容器的動力模塊組件。
圖3示出了緊急運行時的圖2的動力模塊組件。
圖4示出了緊急運行時的包括蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的動力模塊的一個實施方案。
圖5示出了正常運行狀況時的包括蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的動力模塊的一個實施方案。
圖6A示出了正常運行狀況時的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的一個實施方案。[0013]圖6B示出了低功率運行時的圖6A的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的一個實施方案。
圖7示出了包括直通通道(through-passage)的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的一個實施方案。
圖8示出了包括閥的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的一個實施方案。
圖9示出了包括一個或多個擋板的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的一個實施方案。
圖10示出了包括溫度致動通道的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的一個實施方案。
圖11示出了包括球形止回閥的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的一個實施方案。
圖12示出了由控制棒致動的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的一個實施方案。
圖13示出了由控制棒致動的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的另一替代實施方案。
圖14示出了使用蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)的冷卻反應堆芯的一種新穎方法。

發(fā)明內容
公開了一種動力模塊組件，包括反應堆罩(housing)；反應堆芯，其位于反應堆罩的下部部分中；以及，熱交換器，其緊鄰在反應堆罩的上部部分周圍。主冷卻劑經由上部部分流出反應堆罩，以及主冷卻劑經由下部部分流入反應堆罩。所述動力模塊組件進一步包括設置在反應堆罩中在下部部分和上部部分中間的通道，其中所述通道被配置為將主冷卻劑的輔助流提供至反應堆芯，從而增大流出反應堆罩的上部部分以及進入下部部分的主冷卻劑的流量。
公開了一種核反應堆模塊，包括反應堆容器；以及，反應堆罩，其安裝在所述反應堆容器內部，其中所述反應堆罩包括管套和位于所述管套上方的提升管。熱交換器緊鄰在所述提升管周圍，以及反應堆芯位于所述管套中。所述核反應堆模塊進一步包括蒸汽發(fā)生器旁通系統(tǒng)，其被配置為將主冷卻劑的輔助流徑提供至所述反應堆芯，從而增大流出所述提升管以及進入所述管套的主冷卻劑的主流徑，其中主冷卻劑的輔助流徑離開所述反應堆罩而不經過所述熱交換器。
公開了一種冷卻核反應堆的方法。主冷卻劑循環(huán)通過包括上部提升管和下部管套的反應堆罩。主冷卻劑的主流徑流經緊鄰在所述提升管周圍的熱交換器，以及所述主冷卻劑進入所述下部管套。檢測到失水事故(LOCA)或者減壓事件，并且主冷卻劑的流體液位降低到提升管的頂部下方。主冷卻劑的主流徑作為蒸汽離開提升管。主冷卻劑的輔助流徑循環(huán)通過設置在反應堆罩中的輔助通道，其中主冷卻劑的輔助流徑流出反應堆罩而不經過所述熱交換器。來自輔助流徑的主冷卻劑與進入下部管套的來自主流徑的主冷卻劑相合并。
從下面參考附圖繼續(xù)進行的對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的詳細描述中，本發(fā)明將變得更加明了。
具體實施方式
本文公開或提及的各種實施方案可與在共同未決的美國申請第11/941，024號中獲得的特征相符合地運行或者與其相結合運行，所述美國申請全文以引用的方式納入本文。
圖2示出了包括內部干燥的安全殼容器M的動力模塊組件50。安全殼容器M是圓柱形形狀，并且具有球形、拱形或橢圓形的上部末端或下部末端。整個動力模塊組件50可被浸沒在水池16中，所述水池用作有效的熱阱。水池16和安全殼容器M可進一步位于地面9下方的反應堆艙(reactor bay) 7中。安全殼容器M可被焊接或者密封至環(huán)境，使得液體和氣體不能從動力模塊組件50逸出或者進入動力模塊組件50。安全殼容器M可在外表面受到支撐。
在一個實施方案中，安全殼容器M通過一個或多個安裝連接件80懸掛在水池16 中。反應堆容器52位于安全殼容器M內部或者被安裝在安全殼容器M內部。反應堆容器52的內表面可暴露在包括冷卻劑100或液體(例如，水)的潮濕環(huán)境中，以及外表面可暴露在干燥環(huán)境(例如，空氣)中。反應堆容器52可由不銹鋼或碳鋼制成，可包括包殼，以及可被支撐在安全殼容器M內部。
動力模塊組件50可具有這樣的尺寸，使得它可在軌道車輛上運輸。例如，安全殼容器M可被構造為直徑約4. 3米以及高度(長度)為17. 7米。可通過如下方式來執(zhí)行反應堆芯6的再加燃料例如，通過軌道車輛或經由海道來運輸整個動力模塊組件50，以及將其更換為具有全新供給的燃料棒的新的或者翻新的動力模塊組件。
安全殼容器M密封反應堆芯6，并且在一些情況下使反應堆芯6冷卻。該安全殼容器相對較小，具有高強度，并且部分由于其較小的總體尺寸，它能夠承受傳統(tǒng)安全殼設計的六倍或者七倍的壓力。假定動力模塊組件50的主冷卻系統(tǒng)破裂，不會有裂變產品被釋放進入環(huán)境中。可在緊急狀態(tài)下從動力模塊組件50中移除衰變熱。
反應堆芯6被示為浸沒或者浸入在主冷卻劑100(例如，水)中。反應堆容器52 封裝冷卻劑100和反應堆芯6。反應堆罩20包括管套22，其在反應堆罩20的下部部分； 以及，提升管對，其在反應堆罩20的上部部分。管套22圍繞在反應堆芯6的側部周圍，并且由于冷卻劑100的自然循環(huán)，管套22用于引導冷卻劑100(示出為冷卻劑流65、67)向上通過位于反應堆容器52的上半部的提升管M。在一個實施方案中，反應堆容器52的直徑為約2. 7米并且包括13. 7米的總體高度(長度)。反應堆容器52可包括具有橢圓形、拱形或球形的上部末端和下部末端的主體圓柱形形狀。反應堆容器52通常處于運行壓力和運行溫度。安全殼容器M是內部干燥的，并且可在大氣壓力下運行且具有處于或者接近于水池16的溫度的壁溫。
安全殼容器M基本上圍繞反應堆容器52，并且可提供干燥、空心或者氣體環(huán)境， 該環(huán)境被稱為安全殼區(qū)域44。安全殼區(qū)域44可包括一份空氣或者其他填充氣體，例如氬氣或者其他稀有氣體。安全殼容器M包括鄰接安全殼區(qū)域44的內表面55或內壁。安全殼區(qū)域44可包括代替空氣的一種氣體或多種氣體，或者除了空氣還包括一種氣體或多種氣體。在一個實施方案中，安全殼區(qū)域44被維持處于大氣壓力，或者被維持在大氣壓力以下， 例如為局部真空。安全殼容器中的一種氣體或多種氣體可被去除，使得反應堆容器52位于安全殼區(qū)域44的完全真空或局部真空中。
在正常運行時，來自反應堆芯6中的核裂變事件的熱能使得冷卻劑100加熱。隨著冷卻劑100升溫，冷卻劑100變得比較稀疏并且趨向于通過提升管M上升。隨著冷卻劑 100的溫度降低，冷卻劑100變得比受熱的冷卻劑相對更稠，并且圍繞環(huán)23的外部循環(huán)，向下流至反應堆容器52的底部，以及向上通過管套22，以再次被反應堆芯6加熱。所述自然循環(huán)導致冷卻劑100(示為冷卻劑流65)循環(huán)通過熱交換器35，該熱交換器將熱傳遞至二次冷卻劑(例如圖1的二次冷卻系統(tǒng)30)以發(fā)電。[0034]圖3示出了緊急運行時的圖2的動力模塊組件50。緊急運行可包括例如對反應堆芯6的過熱或者反應堆容器52的過度加壓事件的響應。在一些緊急運行時，反應堆容器6 可被配置以將冷卻劑100釋放進原本是干燥的安全殼容器M的安全殼區(qū)域44中。反應堆芯6的衰變熱可通過冷卻劑100在安全殼容器M的內表面55上的冷凝來去除。雖然安全殼容器M可被浸入水池16中，在緊急運行或過度加壓事件之前，安全殼容器M的內表面可以是完全干燥的。
流量限制器58或蒸汽排氣孔可安裝在反應堆容器52上，用于在緊急運行時將冷卻劑100排入安全殼容器M中。冷卻劑100可作為蒸氣41 (例如，蒸汽)被釋放進安全殼容器M中。流量限制器58可直接連接或者安裝至反應堆容器52的外壁，而沒有任何中間結構，例如管道系統(tǒng)或連接件。蒸氣41的冷凝可能以如下速率減小安全殼容器M中的壓力，該速率與所排放的蒸氣41向安全殼容器M增加壓力的速率近似相同。
被作為蒸氣41釋放進安全殼容器M中的冷卻劑100在安全殼容器M的內表面 55上冷凝為液體。蒸氣41的冷凝使得安全殼容器M中的壓力降低，因為蒸氣41被轉換為液態(tài)冷卻劑100。通過蒸氣41在安全殼容器的內表面55上的冷凝，可從動力模塊組件 50移除大量的熱，從而控制從反應堆芯6移除衰變熱。在一個實施方案中，甚至在緊急運行中，也不會從反應堆容器52中泄露液態(tài)冷卻劑100。冷凝的冷卻劑100降至安全殼容器M 的底部，并且聚集為一灘液體。隨著更多的蒸氣41在內表面55上冷凝，安全殼容器M的底部中的冷卻劑100的液位逐漸上升。蒸氣41中所存儲的熱通過安全殼容器M的壁被傳遞進入水池16中，所述水池用作最終的熱阱。存儲在位于安全殼容器M的底部的冷卻劑 100中的熱通過內表面55上的液體對流和傳導熱傳遞被傳遞。
通過在冷的安全殼容器M的內壁上的冷凝以及通過從熱的冷卻劑至內表面55的自然對流，從蒸汽或蒸氣41移除的熱可被傳遞至相對冷的內表面55。通過安全殼容器的壁的傳導和安全殼容器M的外表面上的自然對流，熱可被傳遞至水池16。在反應堆芯6變得過熱之后以及在緊急運行時，冷卻劑100仍被限定在動力模塊組件50中。傳遞至水池16 的熱可在三天或更多天內在沒有任何操作者介入的情況下提供足夠的非能動衰變熱移除。
安全殼容器M可被設計以承受在高壓流體從反應堆容器52瞬態(tài)釋放進入安全殼容器M中的情況下所產生的最大壓力。安全殼容器M內的壓力可被設計成和反應堆容器 52內部的壓力近似均衡，減少由壓力差所導致的噴發(fā)流，并且最終形成如圖3中示出的反應堆容器52中的冷卻劑液位100A以及安全殼容器M中的冷卻劑液位100B。由于流過下部閥57返回至反應堆容器52需要一定量的液壓驅動力，所示出的冷卻劑液位100B相對于冷卻劑液位100A被升高。由于蒸汽流量閥58的壓降而導致的反應堆容器52相對于安全殼容器討的壓力差，冷卻劑液位100A和100B之間的差值也可以存在。圖3示出了，由于冷卻劑液位的不平衡所產生的流體靜壓頭，冷卻劑液位100A和100B可均衡。反應堆容器 52中的冷卻劑液位100A仍在反應堆芯6的頂部上方，從而保持反應堆芯6始終覆蓋有冷卻劑100。冷卻劑液位100A被從提升管M排放的蒸汽或者蒸氣(示出為冷卻劑流42)維持，所述蒸汽或蒸氣在反應堆容器52的內表面55上冷凝后，在反應堆容器52的底部聚集以通過反應堆芯6進行再循環(huán)。
可提供流量閥57，以允許一旦實現(xiàn)冷卻劑液位100AU00B的合適或者預定條件時，冷卻劑100從安全殼容器M流動返回至反應堆容器52。允許通過流量閥57重新進入反應堆容器52的冷卻劑100補充通過流量限制器58作為蒸氣41排出的冷卻劑100。冷卻劑100流動通過流量閥57是通過由于如下原因導致的非能動系統(tǒng)的自然循環(huán)實現(xiàn)的，即， 由于容器52、54中的溫度差和閥冷卻劑流動所形成的不同的冷卻劑密度和冷卻劑液位。
雖然絕對真空或完全真空在商業(yè)上或技術上可能都是難以實現(xiàn)或維持的，可在安全殼容器M中產生局部真空。因而應理解，本文中涉及的真空是局部真空或者絕對真空。 在一個實施方案中，安全殼區(qū)域44被維持在如下真空壓力下，其顯著地減少了通過安全殼氣體進行的對流熱傳遞和傳導熱傳遞。通過大體上從安全殼區(qū)域44移除氣體，例如通過維持安全殼容器M的真空，增大了蒸氣41在內表面55上冷凝的初始速率以及隨后的速率。 增大冷凝速率增大了通過安全殼容器M的熱傳遞速率。
在安全殼區(qū)域44喪失真空的情況下，所引入的蒸氣或液體提供了另一非能動安全冷卻機制，以通過自然對流在反應堆容器52和安全殼容器M之間進行熱傳遞。例如，由于聚集在安全殼容器M的底部的冷凝的液態(tài)冷卻劑100，通過減小熱絕緣或者消除熱絕緣 (例如，由真空所提供)，可在緊急運行期間產生從反應堆容器52的更有效的熱傳遞。熱從反應堆容器52通過液態(tài)冷卻劑100傳遞至安全殼容器M。
圖4示出了動力模塊組件40的一個實施方案，包括在緊急運行(例如失水事故 (LOCA)或超壓事件)時的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)45。盡管動力模塊組件40是參考圖 2-圖3示出的實施方案被描述的，但應理解，許多特征或者全部特征也可被應用至關于圖1 所描述的核電系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)。
反應堆罩20被安裝在反應堆容器52內部，其中反應堆罩20包括管套22和位于管套20上方的提升管M。熱交換器35基本位于提升管M周圍。反應堆芯6位于管套22 中。所示出的提升管M被圖解為通過上部附接構件41附接至反應堆容器52，而所示出的管套被圖解為通過下部附接構件43附接至反應堆容器52。
蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)45被配置為將主冷卻劑的輔助流48提供至反應堆芯6， 從而增大流出提升管M以及進入管套22的主冷卻劑100的流量。主冷卻劑的輔助流48 不經過熱交換器35而離開反應堆罩20。蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)45可通過反應堆罩20 的一個或多個部件來提供液壓連接。在一個實施方案中，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)45通過位于提升管M和管套22中間的環(huán)(參考圖1中的12 提供液壓連接。
流出反應堆罩20的上部部分(例如，提升管24)的冷卻劑流42包括蒸汽，其中主冷卻劑的輔助流48包括兩相冷卻劑(例如，沸水)的混合物。與正常運行(例如，滿功率運行)時冷卻劑流67(圖幻相比較，離開提升管M的冷卻劑流42可包括較小質量流率的冷卻劑100。因而，輔助流48可用于補償一些損失的流率，使得進入管套22的冷卻劑流46 被增大至或增大到接近于與正常運行時圖2中的冷卻劑流65相同的流率。
與正常運行狀態(tài)時圖2中示出的冷卻劑液位100N位于提升管M的出口或頂部上方相比，在圖4示出的實施方案中，在緊急運行時冷卻劑液位100A被示為處于提升管M的頂部下方。雖然圖2中示出反應堆罩20被完全浸入主冷卻劑100中，但是圖4中示出的反應堆罩20僅局部浸入冷卻劑100中。在正常運行時，以及在非正常運行、停堆或緊急運行時(此時出現(xiàn)蒸汽發(fā)生器旁通)，主冷卻劑100的液位保持在通道45上方。
在正常運行狀態(tài)時，冷卻劑流65可主要或僅僅由單相冷卻劑組成，例如在壓水反應堆設計(PWR)中。因此，單相冷卻劑流以冷卻劑流65循環(huán)通過反應堆芯6，并以冷卻劑流67循環(huán)流出提升管24(參看圖2和圖幻。這在反應堆芯6中的燃料包殼的表面處提供了單相對流熱傳遞。
當如圖4所示，出現(xiàn)LOCA以及冷卻劑液位100A下降到提升管M的頂部以下時， 單相冷卻劑的流動可被中斷。當壓力或溫度變化提供了超過飽和條件的條件時，可發(fā)生相變熱傳遞。隨著冷卻劑經過反應堆芯6，可形成兩相冷卻劑，所述兩相冷卻劑可作為蒸汽經由冷卻劑流42離開反應堆罩20，所述蒸汽在反應堆容器52的內壁上冷凝。除了通過產生蒸汽進行的熱傳遞，通過包括經由蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)45的輔助流48，對流熱傳遞被提供至反應堆芯6。
在LOCA時，當動力模塊達到平穩(wěn)狀態(tài)條件時，提升管M內的冷卻劑100C的液位可降低至約等于反應堆罩20的外部(下降管)的冷凝劑液位100A的液位。當進入管套22 的冷卻劑流46等于離開提升管M的冷卻劑流以及離開蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)45的輔助流48的合并流率時，可出現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)條件。所述蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)45位于反應堆芯6的上方，以最優(yōu)化通過燃料棒的冷卻劑流。
在一個實施方案中，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)45包括設置在反應堆罩20中在下部部分(例如，管套2 和上部部分(例如，提升管中間的通道，其中所述通道被配置為將主冷卻劑的輔助流48提供至反應堆芯6，這增大了流出反應堆罩20的上部部分以及進入下部部分的主冷卻劑100的流量。相應地，主冷卻劑的輔助流48使熱交換器35旁通，所述熱交換器35接近于反應堆罩20的上部部分周圍。
在動力模塊組件40滿功率運行時通道45可被閉合，但是在緊急運行過程中通道 45被配置為打開。類似地，在停堆或者低功率運行(包括LOCA或超壓事件)時，通道45可被配置為打開。在一個實施方案中，通道在所有運行模式中都保持打開，但是在動力模塊組件40正常運行時，輔助流48基本上被最小化或者被減小至零。
圖5示出了在正常運行狀況時的包括蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)59的動力模塊的一種實施方案。蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)59包括穿過反應堆罩120的開口或通道。例如， 通道可位于提升管M的下部末端60和管套22的上部末端62之間，或者穿過提升管M的下部末端60和管套22的上部末端62。冷卻劑流65經過位于管套22中的反應堆芯6之后，作為冷卻劑流67離開提升管24。在正常運行時，很少的或者沒有冷卻劑流65通過蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)59逸出。通過禁止或減小穿過蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)59的流率， 最大流量的冷卻劑經過熱交換器35，以移去反應堆芯6中的熱。相應地，冷卻劑流65的質量流率近似等于冷卻劑流67的質量流率。
圖6A示出了正常運行條件時(例如，當動力模塊滿功率運行時)的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)69的一個實施方案。在正常運行時，動力模塊生成通常高于與反應堆啟動、反應堆停堆或者其他運行條件相關聯(lián)的溫度的運行溫度。由于與熱交換器35(圖4)的相互作用，可在冷卻劑100內的不同位置生成不同的溫度。在正常運行溫度時，冷卻劑流65和 67基本表現(xiàn)為關于圖2和圖5所描述的。由于運行溫度的不同，或者由于各種部件的熱性能的不同，反應堆罩20的不同部件可經受不同的熱膨脹量。例如，一些部件可由不同的材料、組分或者量(例如，厚度)制成，使得一個部件可比另一部件膨脹或收縮至更大程度。
在一個實施方案中，管套22和提升管M的膨脹或收縮的方向在相反方向上。例如，當提升管M朝向反應堆容器52 (圖幻的底部膨脹時，管套22朝向反應堆容器52的頂部膨脹。這種關系分別通過提升管M的下部末端60處朝向下的箭頭和管套22的上部末端62處朝向上的箭頭圖解示出。通過將提升管M附接至上部附接構件41以及相分離地將管套22附接至下部附接構件43(圖4)，可實現(xiàn)部件沿相反方向的膨脹。
管套22的上部末端62中的通道63被示為與提升管M的下部末端60中的通道 61錯位。管套22和提升管M在熱膨脹狀況中的情況下，錯位的通道61、63不對齊，使得很少或者沒有冷卻劑流65被允許經過蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)69。
圖6B示出了在低功率運行時的圖6A的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)69的一個實施方案。低功率運行可包括例如反應堆停堆、事故保護停堆或SCRAM、L0CA或者超壓事件。在低功率運行時，反應堆容器52 (圖2)中的溫度趨向于降低，這導致了各種反應堆部件收縮或回縮。例如，當提升管M朝向反應堆容器(圖2)的頂部收縮時，管套22朝向反應堆容器52的底部回縮。這種關系分別通過提升管M的下部末端60處的向上指引的箭頭和管套22的上部末端62處的向下指引的箭頭圖解示出。對于相同的溫度變化，提升管M和管套22可膨脹或收縮不同的量，在這種情況下，膨脹方向和收縮方向可能是相互相對的。
管套22的上部末端62中的通道63被示為與提升管M的下部末端60中的通道 61對準，允許冷卻劑的輔助流48穿過蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)69。管套22和提升管M在熱回縮狀態(tài)的情況下，協(xié)同定位的通道61、63對齊以形成直通通道，使得輔助流48與冷卻劑流42相合并。在一個實施方案中，通道61、63由于反應堆容器52(圖2)內的溫度變化而打開，其中管套22和提升管M之間的熱膨脹率的不同致使通道61、63打開。輔助流48 的流率可根據(jù)溫度的變化、通道61、63之間的對準程度或者設置在反應堆罩20中的通道數(shù)目而改變。冷卻劑的輔助流48不經過或穿過熱交換器35而離開反應堆罩20 (圖4)。
圖7示出了包括直通通道70的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)79的一個實施方案。直通通道70可在提升管M的下部末端60和管套22的上部末端62之間形成。下部末端60 和上部末端62被示為彼此重疊，使得輔助流48循環(huán)通過直通通道70。圖7可被理解為表示在停堆運行或低功率運行時的冷卻劑的流動，其中冷卻劑流42提供與圖5的冷卻劑流67 相比減小的流率。在圖5中，在動力模塊40正常運行時，冷卻劑流65、67可足夠強，使得很少或者沒有輔助流從蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)59逸出。通過提升管M的流徑可在正常運行時提供最少阻力的路徑。
在冷卻劑流42可能減少的停堆運行或LOCA時，隨著冷卻劑流46超過冷卻劑流 42的流速，可允許輔助流48通過自然對流離開直通通道70。在一個實施方案中，由于主冷卻劑的冷卻劑流42流出提升管M的流率的減少，主冷卻劑離開蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng) 79。流率的減少可相應地減少原本在正常運行狀態(tài)時在直通通道70中形成的漩渦的量，允許冷卻劑通過蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)79 “沸溢”。
在圖7中示出的實施方案以及本文所描述和示出的其他各種實施方案中，由于冷卻劑的自然對流或自然循環(huán)，主冷卻劑的輔助流48可離開反應堆罩20。冷卻劑的兩相態(tài)可促進冷卻劑的輔助流48通過蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)，而當冷卻劑在單相態(tài)時(例如，在正常運行狀態(tài)時)，大多數(shù)或者所有冷卻劑將以別的方式離開提升管對。非能動冷卻反應堆芯6(圖5)減少或消除了對于提供移動零件或機械零件(例如發(fā)動機)的需要。
在一個實施方案中，下部末端60和上部末端62的重疊部分之間的距離隨著動力模塊40的溫度的改變而增大或減小。在反應堆溫度減小時，力Fl和F2可作用在提升管M和管套22的末端60、62，以增大直通通道70的尺寸并且提供輔助流48的增加。然而，在反應堆溫度增大時，直通通道70的尺寸可隨著末端60、62的重疊部分之間距離的減小而減小，造成輔助流48減小或者停止流動。輔助冷卻劑48的流率可隨著反應堆溫度的改變、以及直通通道70的尺寸或流動面積的關聯(lián)改變而改變。
圖8示出了蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)89的一個實施方案，其包括位于提升管M 的下部末端60和管套22的上部末端62附近的閥80?？稍试S輔助流48與關于圖7的描述進行相似的流動，然而可提供閥80以將冷卻劑流48的方向限定在單一方向上。在一個實施方案中，閥80是單向閥，其將冷卻劑流48的方向限定為從反應堆罩20內部朝反應堆罩 20外部。在一個實施方案中，閥80始終打開，以及輔助流48的速度被冷卻劑流42、46或者冷卻劑流65、67(圖5)的流率控制。在另一實施方案中，例如一旦檢測到停堆運行或反應堆急停，閥80被致動(例如，打開)，閥80在正常反應堆運行(例如，滿功率)時原本閉合。
圖9示出了水蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)99的一個實施方案，其包括一個或多個擋板90。通過擋板90的輔助流48可與涉及上面圖4-圖8中示出的實施方案所描述的進行相似的操作或動作。例如，在動力模塊40正常運行時，很少或者沒有輔助流48被允許通過一個或多個擋板90離開。在停堆運行時，可允許或者增大通過擋板90的輔助流48。
在一個實施方案中，一個或多個擋板90圍繞樞軸旋轉以打開或閉合。擋板90A示出了閉合位置上的擋板，而擋板90B示出了打開位置上的擋板。取決于冷卻劑流42、46的流率，一個或多個擋板90可打開或閉合，因為這些流率可在一個或多個擋板90上施加壓力 P1、P2。如果流率或者壓力P1、P2之間的壓力差足夠大，則一個或多個擋板90可閉合，并且禁止冷卻劑流動通過蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)99。蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)99可進一步包括如下的復位機構(return mechanism)，例如彈簧，使得當流率降至某一預定閾值以下時，使得一個或多個擋板90返回至打開位置。在一個實施方案中，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)99包括具有微型遮板或擋板的屏，其允許沸騰冷卻劑通過，但是禁止或者限制單相冷卻劑通過。
圖10示出包括溫度致動通道100的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)109的一個實施方案。通道100可被配置為由于反應堆容器52 (圖4)內的溫度變化而打開。在一個實施方案中，蒸汽流動旁通系統(tǒng)109包括位于通道上方的雙金屬蓋，其中所述雙金屬蓋包括具有不同熱膨脹率或熱膨脹性能的材料。在一個實施方案中，通道形成在提升管M和管套22 之間。溫度致動通道100的第一末端可固定或者附接至反應堆罩20 (圖4)。由于不同的熱膨脹性能，隨著反應堆溫度減小，溫度致動通道100的第二末端可通過力彎曲遠離反應堆罩20。由此可形成穿過反應堆罩20的通道，其允許輔助流48離開蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)109。
隨著反應堆溫度的增加，溫度致動通道100可松弛或者彎曲回去以覆蓋通道(由參考數(shù)字100A示出)，從而減少或停止輔助流48離開反應堆罩20。
圖11示出了包括球形止回閥100的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)119的一個實施方案。球形止回閥Iio可在雙向上移動，使得在一個位置上它允許輔助流48經過蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)119，而在第二位置上(例如，如參考數(shù)字IlOA所示)它限制或禁止輔助流 48釋放出反應堆罩20。[0068]蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)119可包括復位彈簧115，其促使球形止回閥110朝向打開的第一位置。復位彈簧115所施加的力的大小可超出例如在停堆條件時由于冷卻劑流 48產生的力。在正常運行時，由于冷卻劑流65產生(圖5)的流率可克服由復位彈簧115 所施加的力，并且將球形止回閥110放在閉合的第二位置IlOA上。在另一實施方案中，球形止回閥中的球的重量提供球形止回閥110向下的力，取代了對復位彈簧115的需要。
在另一實施方案中，彈簧位于球形止回閥110的底部附近，沒有在圖11中示出。由于溫度增加，在正常運行時彈簧伸展，促使球形止回閥110朝向閉合的第二位置110A。在低功率狀態(tài)時，由于溫度減小，彈簧收縮，促使球形止回閥110朝向打開的第一位置。
圖12示出了由控制棒125A、125B致動的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)129的一個實施方案。蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)1 可包括附接至反應堆罩20的一個或多個排氣孔或閥120。在一個實施方案中，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)1 附接至反應堆罩20，位于管套22 和提升管M中間。
當控制棒(由參考數(shù)字125B標示)從反應堆芯6移除時，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)1 可被致動為閉合，使得允許很少或者沒有輔助流離開反應堆罩20。例如在動力模塊 40的正?；驖M功率運行時，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)1 可被閉合。當控制棒(由參考數(shù)字125A標示)插入反應堆芯6時，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)1 可被致動為打開，使得允許輔助流離開反應堆罩20。例如在動力模塊40停堆或低功率運行時，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)1 可被打開。一個或多個開關或傳感器可確定控制棒125A、125B何時被插入反應堆芯6或者從反應堆芯6移除，并且發(fā)出信號以致動蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)129。
圖13示出了由控制棒135A、135B致動的蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)139的一個替代實施方案。蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)139可包括一個或多個控制棒，所述控制棒被設計為在抽回(135A)操作時它們妨礙旁通系統(tǒng)的流徑，以及在低功率狀態(tài)下被插入(135B)時它們?yōu)檩o助冷卻劑旁通流48提供打開通道?？刂瓢舻奈恢?35A、135B允許或阻止主冷卻劑的輔助流經過外殼20。在一個實施方案中，蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)139附接至反應堆罩20，位于管套22和提升管M中間。
—個或多個開關或傳感器可確定控制棒何時插入(135B)反應堆芯6或何時從反應堆芯6移除(135A)。
圖14示出了使用蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)來冷卻反應堆芯的一種新穎方法。該方法可被理解為與本文中圖1-圖13所描述的各種實施方案一起操作，但是并不限于這些實施方案。
在操作140，主冷卻劑循環(huán)通過包括上部提升管和下部管套的反應堆罩，其中主冷卻劑的主流徑經過緊鄰在所述提升管周圍的熱交換器，以及其中主冷卻劑進入下部管套。
在操作150，檢測到失水事故(LOCA)或減壓事件。LOCA或減壓事件可表明在反應堆容器中存在減少量的冷卻劑或壓力。
在操作160，主冷卻劑的流體液位降低至提升管的頂部下方，其中主冷卻劑作為蒸汽離開提升管。在一個實施方案中，作為蒸汽離開提升管的所述主冷卻劑冷凝為液態(tài)冷卻劑之后，與循環(huán)通過所述反應堆罩中的輔助通道的主冷卻劑的輔助流徑相合并。
在操作170，主冷卻劑的輔助流徑循環(huán)通過設置在反應堆罩中的輔助通道，其中主冷卻劑的輔助流徑離開反應堆罩而不經過熱交換器。在一個實施方案中，由于通道任一側上的流體靜力差，主冷卻劑的輔助流徑循環(huán)通過輔助通道。
在操作180，來自輔助流徑的主冷卻劑與流入底部管套的來自主流徑的主冷卻劑相合并。
在一個實施方案中，可溶解在核反應堆的冷卻劑中的化學添加劑與核反應堆的主冷卻劑相合并，改變了冷卻劑的核特性和化學特性。檢測主冷卻劑總量的損失，以及降低主冷卻劑的流體液位使得標稱流徑被中斷或減少。蒸汽的生成發(fā)生在芯區(qū)域中，并且作為蒸汽離開提升管。主冷卻劑中的非揮發(fā)性添加劑集中在芯中，缺少非揮發(fā)性添加劑的冷卻劑聚集在進行冷凝的區(qū)域中。主冷卻劑循環(huán)通過設置在反應堆罩中的通道，其中缺少添加劑的冷卻劑與具有增大濃度添加劑的冷卻劑相合并，提供了冷卻劑蒸汽的混合以及減弱了濃縮過程。主冷卻劑的輔助流徑循環(huán)通過輔助通道減小了反應堆罩內的主冷卻劑中的非揮發(fā)性添加劑的濃度。
盡管本文提供的實施方案已經主要描述了壓水反應堆，但是對本領域普通技術人員應明了的是，所述實施方案可如所述地或者通過一些明顯的修改被應用至其他類型的核電力系統(tǒng)。例如，本發(fā)明的實施方案或其變體還可用于沸水反應堆，或者更一般地用于任何其他集成的非能動反應堆設計。
僅通過實施例的方式提供了冷卻劑釋放進入安全殼容器的速率、冷卻劑冷凝為液體的速率，和安全殼容器中的壓力增大的速率，以及本文所描述的其他速率和值。其他速率和值可通過例如構造全尺寸模型或比例模型的核反應堆的實驗來確定。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中描述和示出了本發(fā)明的原理，應明了的是，在不背離所述原理的前提下，可對本發(fā)明的布置和細節(jié)進行修改。我們要求享有在隨后的權利要求
的精神和范圍內的所有修改和變化。
權利要求
1.一種動力模塊組件，包括反應堆罩；反應堆芯，其位于所述反應堆罩的下部部分中；熱交換器，其緊鄰在所述反應堆罩的上部部分周圍，其中主冷卻劑經由所述上部部分流出所述反應堆罩，以及其中所述主冷卻劑經由所述下部部分流入所述反應堆罩；以及通道，其設置在所述反應堆罩中，位于所述下部部分和所述上部部分中間，其中所述通道被配置為將主冷卻劑的輔助流提供至所述反應堆芯，從而增大流出所述反應堆罩的上部部分以及流入所述下部部分的主冷卻劑的流量。
2.根據(jù)權利要求
1所述的動力模塊組件，其中所述主冷卻劑的輔助流繞開所述熱交換ο
3.根據(jù)權利要求
1所述的動力模塊組件，其中在失水事故時，流出所述反應堆罩的上部部分的主冷卻劑流包括蒸汽，以及其中所述主冷卻劑的輔助流包括兩相冷卻劑的混合物。
4.根據(jù)權利要求
1所述的動力模塊組件，其中在所述動力模塊組件滿功率運行時，所述通道被閉合或縮小。
5.根據(jù)權利要求
4所述的動力模塊組件，其中所述通道被配置為在停堆運行時是打開的。
6.根據(jù)權利要求
5所述的動力模塊組件，其中所述停堆運行包括失水事故或超壓事件。
7.根據(jù)權利要求
1所述的動力模塊組件，其中在滿功率運行時，所述主冷卻劑的液位在所述反應堆罩的上部部分的出口上方；以及，其中在停堆運行時，所述主冷卻劑的液位在所述出口下方。
8.根據(jù)權利要求
7所述的動力模塊組件，其中在停堆運行時，所述主冷卻劑的液位在通道上方。
9.一種核反應堆模塊，包括 反應堆容器；反應堆罩，其被安裝在所述反應堆容器內部，其中所述反應堆罩包括管套和位于所述管套上方的提升管；熱交換器，其緊鄰在所述管套周圍； 反應堆芯，其位于所述管套中；以及蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)，其被配置為將主冷卻劑的輔助流徑提供至所述反應堆芯， 從而增大流出所述提升管以及流進所述管套的主冷卻劑的主流徑，其中所述主冷卻劑的輔助流徑離開所述反應堆罩而不經過所述熱交換器。
10.根據(jù)權利要求
9所述的核反應堆模塊，其中由于所述輔助流徑的任一側上的流體靜力差，所述主冷卻劑的輔助流徑離開所述反應堆罩。
11.根據(jù)權利要求
10所述的核反應堆模塊，其中由于所述主冷卻劑的主流徑流出所述提升管的流速的降低，所述主冷卻劑流出所述反應堆罩。
12.根據(jù)權利要求
11所述的核反應堆模塊，其中所述蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)包括一個或多個擋板。
13.根據(jù)權利要求
12所述的核反應堆模塊，其中所述一個或多個擋板圍繞樞軸旋轉以打開或閉合。
14.根據(jù)權利要求
11所述的核反應堆模塊，其中所述蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)包括單向閥。
15.根據(jù)權利要求
9所述的核反應堆模塊，其中所述蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)形成一通道，以使冷卻劑在失水事故或超壓事件時離開所述反應堆罩。
16.根據(jù)權利要求
15所述的核反應堆模塊，其中所述通道由于所述反應堆容器內的溫度改變而打開。
17.根據(jù)權利要求
16所述的核反應堆模塊，其中所述蒸汽發(fā)生器流動旁通系統(tǒng)包括位于所述通道上方的雙金屬蓋，以及其中所述雙金屬蓋包括具有不同熱膨脹性能的材料。
18.根據(jù)權利要求
15所述的核反應堆模塊，其中所述管套和所述提升管之間的熱膨脹率的不同導致所述通道打開。
19.根據(jù)權利要求
18所述的核反應堆模塊，其中所述提升管和所述管套分離地附接至所述反應堆容器。
20.一種冷卻核反應堆的方法，包括使主冷卻劑循環(huán)通過包括上部提升管和下部管套的反應堆罩，其中所述主冷卻劑的主流徑經過緊鄰在所述提升管周圍的熱交換器，以及其中所述主冷卻劑進入所述下部管套；檢測到失水事故或超壓事件；將所述主冷卻劑的流體液位降低到所述提升管的頂部下方，其中所述主冷卻劑作為蒸汽離開所述提升管；使所述主冷卻劑的輔助流徑循環(huán)通過設置在所述反應堆罩中的輔助通道，其中所述主冷卻劑的輔助流徑離開所述反應堆罩而不經過所述熱交換器；以及將來自所述輔助流徑的主冷卻劑與進入所述下部管套的來自所述主流徑的主冷卻劑相合并合并。
21.根據(jù)權利要求
20所述的方法，其中作為蒸汽離開所述提升管的主冷卻劑冷凝為液體之后，與所述輔助流徑的主冷卻劑相合并合并。
22.根據(jù)權利要求
21所述的方法，其中由于在所述通道任一側上的流體靜力差，所述輔助流徑的主冷卻劑循環(huán)通過所述輔助通道。
23.根據(jù)權利要求
20所述的方法，其中使所述主冷卻劑的輔助流徑循環(huán)通過所述輔助通道，這降低了在所述反應堆罩內的所述主冷卻劑中的非揮發(fā)性添加劑的濃度。
專利摘要
一種核反應堆模塊，包括反應堆容器(52)和安裝在所述反應堆容器內的反應堆罩(20)，其中所述反應堆罩包括管套(22)和位于所述管套上方的提升管(24)。所述核反應堆模塊進一步包括熱交換器(35)，其緊鄰在所述提升管周圍；以及，反應堆芯(6)，其位于所述管套中。蒸汽發(fā)生器旁通系統(tǒng)被配置為將主冷卻劑的輔助流徑提供至所述反應堆芯，從而增大流出所述提升管以及進入所述管套的主冷卻劑的主流徑，其中所述主冷卻劑的輔助流徑離開所述反應堆罩而不經過所述熱交換器。
文檔編號G21C1/32GKCN102272856SQ200980153552
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月17日
發(fā)明者E·P·楊, J·T·格魯姆, J·N·雷耶斯 小 申請人:紐斯高動力有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan