CN108766592A - 一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，包括反应堆压力容器、置于压力容器内部的直流蒸汽发生器、控制棒驱动机构和反应堆堆芯，压力容器内部被堆芯吊篮筒体分割为圆柱形上升通道和环形下降通道，所述的反应堆压力容器内不设置主泵，冷却剂依靠闪蒸驱动的两相自然循环在上升通道和下降通道中流动，并将反应堆堆芯的热量传递到直流蒸汽发生器。本发明的闪蒸驱动的一体化反应堆运行时，反应堆堆芯出口冷却剂的温度接近相应压力下的饱和温度，冷却剂在上升段内因压力减小而闪蒸产生气泡，利用气泡对冷却剂主流的曳力作用提升反应堆自然循环能力。闪蒸驱动的一体化反应堆具有良好的自稳自调特性，能有效适应无人值守以及远程控制的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，属于核反应堆工程技术领域。
背景技术
浮动核电站能为海上油气田开采、海岛开发等领域的供电、供热和海水淡化提供可靠、稳定的电力，其研发技术的提高对国民经济的发展和国防事业的进步有着极其重要的意义。由于浮动核电站远离本土，缺少陆地的后勤保障，而现有的核电站反应堆自然循环能力较弱，在发生全船断电事故时，堆芯燃料衰变热持续累积可能导致堆芯熔化，造成大量放射性物质泄漏的严重事故。因而探索改善和提高反应堆自然循环能力是必须要解决的关键技术问题。虽然我国已有的核动力装置反应堆可以在低负荷工况下实现冷却剂自然循环运行，但是受单相自然循环驱动力的限制，往往无法满足全工况自然循环运行的需求。
由于自然循环提供的驱动力有限，在反应堆正常运行时仅依靠自然循环带出堆芯产热存在一定难度。在已有的全自然循环反应堆的设计方案中，多采用降低反应堆功率或提升反应堆内冷热段高度差的方法来提高反应堆自然循环能力。这些方法一方面限制了反应堆功率水平，局限了反应堆的应用需求；另一方面增加了反应堆的结构尺寸，不利于反应堆的小型化。而两相自然循环虽然可以提高反应堆的自然循环流量，但是由于在加热段内存在的沸腾传热现象，会造成临界热流密度增大以及多种类型的两相流动不稳定现象，这些因素对浮动核电站反应堆来说都是不利的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，是一种适用于浮动核电站的以闪蒸驱动的全自然循环一体化小型压水堆。
本发明的目的是这样实现的：包括反应堆压力容器、设置在反应堆压力容器内的蒸汽发生器和反应堆堆芯，在反应堆压力容器内表面设置有上下布置的蒸汽发生器进口环形隔板和蒸汽发生器出口环形隔板，且蒸汽发生器进口环形隔板和蒸汽发生器出口环形隔板上分别均匀设置有与蒸汽发生器个数相对应的圆孔，在蒸汽发生器进口环形隔板和蒸汽发生器出口环形隔板的端部设置有堆芯吊篮筒体，堆芯吊篮筒体将反应堆压力容器内部分割为位于中间的圆柱形上升通道和环形下降通道，所述反应堆堆芯位于圆柱形上升通道中，所述蒸汽发生器位于环形下降通道中的蒸汽发生器进口环形隔板和蒸汽发生器出口环形隔板之间，所述反应堆堆芯上设置有控制棒和控制棒驱动机构，所述堆芯吊篮筒体下端设置有堆芯流量分配孔板，所述压力堆反应容器顶端设置有喷淋管。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述压力堆反应容器包括中间的圆柱形筒体、设置在圆柱形筒体上端的半椭圆形密封端盖、设置在圆柱形筒体下端的半椭圆型密封结构，且压力堆反应容器上端构成稳压空间、下端构成堆芯下腔室。
2.在反应堆压力容器内底上对称设置有四个用于支撑的扇形的堆芯支撑部件。
3.所述蒸汽发生器的位置高于反应堆堆芯的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明提供的一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，具有良好的自稳自调特性，能有效适应无人值守以及远程控制的需求，适合在边远地区、岛屿以及深海工作站等人员难以长期驻守的区域部署。2.本发明提供的一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，取消了主泵、常规稳压器及其附属管线，能有效避免以上能动设备故障引发的事故；设计中采用内置式控制棒驱动机构，可大幅减少反应堆压力容器开口数量，进一步避免破口事故的发生，具有极高的固有安全性。3.本发明提供的一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，冷却剂可以在更高的温度下运行，因此可以提供更高参数的蒸汽，提高整套核动力装置的热效率，同时一体化布置方案可以使整套核动力装置尺寸更小，提高了经济性和灵活性。
附图说明
图1是本发明闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆结构示意图；
图2是扇形支撑部件俯视图；
图3是环形隔板横截面示意图；
图4是沿冷却剂流动路径的密度，温度和空泡份额分布；
附图标记说明：1.稳压空间，2.蒸汽发生器进口环形隔板，3.蒸汽发生器，4.下降段，5. 堆芯吊篮筒体，6.堆芯流量分配孔板，7.堆芯下腔室，8.堆芯支撑部件，9.反应堆堆芯，10.上升段，11.蒸汽发生器出口环形隔板，12.反应堆压力容器，13.控制棒驱动机构，14.控制棒， 15.喷淋管。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，本发明的闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆包括：反应堆压力容器 12以及置于压力容器12内部的直流蒸汽发生器3、控制棒驱动机构13和反应堆堆芯9，所述压力容器12为圆柱形筒体，内部被堆芯吊篮筒体5分割为圆柱形上升通道10和环形下降通道4，所述的反应堆压力容器12内不设置主泵，冷却剂依靠闪蒸驱动的两相自然循环在上升通道10和下降通道4中流动，并将反应堆堆芯9的热量传递到直流蒸汽发生器3。
所述的压力容器12为圆柱形筒体，底部为半椭圆形密封结构，形成反应堆堆芯下腔室7。压力容器12顶部为半椭圆形端盖与筒体之间通过法兰连接，所述直流蒸汽发生器3、控制棒驱动机构13和反应堆堆芯9都置于反应堆压力容器12的内部。这种紧凑的布置方式可以减小反应堆的体积，减小占用空间，方便在浮动平台上的布置。
所述的压力容器12内表面焊接有环形隔板2和环形隔板11，所述的反应堆堆芯9位于所述的压力容器12的底部，通过所述的堆芯吊篮筒体5吊挂在所述的环形隔板2的法兰上，所述的环形隔板11对堆芯吊篮5起到固定和保护作用。所述的反应堆堆芯9置于压力容器 12的底部，通过吊篮底部流量分配孔板6上的开孔与下腔室7相连，每一个堆芯组件对应一个或多个均匀布置的流量分配孔，以保证冷却剂在下腔室处的均匀分配。
所述的堆芯吊篮筒体5将压力容器12内部分为中心部位的圆柱形上升通道10和环形的下降通道4两部分。反应堆9位于圆柱形上升通道的底部，而直流蒸汽发生器3则位于环形下降通道的顶部，这样的布置方式保证了最大的冷热源位差，以提高反应堆自然循环的能力。
如图2所示，所述压力容器12内部对称布置有四个扇形支撑部件8，支撑部件8的结构与堆芯吊篮5底部的结构相对应，分担部分固定支撑作用。反应堆堆芯9底部固定四个扇形支撑部件8上，冷却剂可以由扇形支撑部件8之间的区域内由下降段4流入下腔室7。也即所述的反应堆堆芯9底部依靠所述压力容器12下封头内表面对称布置的四个支撑部件8分担部分固定支撑作用。
所述的反应堆堆芯9采用多个六边形燃料组件构成，燃料组件使用板型燃料元件以减小自然循环流动阻力。六角形的燃料组件能够减小堆芯直径，尽可能的减小反应堆体积。燃料组件使用板型燃料元件，闭式燃料元件构成的加热通道可以减小冷却剂自然循环流动阻力，使各个并联通道内的冷却剂获得更大的自然循环驱动力。板型燃料元件中央预留“Y”型水隙，作为控制棒14通道。所述的控制棒驱动机构13为内置式控制棒驱动机构，各组控制棒 14及控制棒驱动机构13均设置于压力容器12内部空间中。
所述的控制棒14及控制棒驱动机构13均置于上升通道10内部空间中。
所述的直流蒸汽发生器3对称布置在反应堆压力容器12筒体与堆芯吊篮5之间的环形封闭空间内，所述直流蒸汽发生器3一次侧进口接管嘴通过环形隔板2上的开孔与所述稳压空间1直接连通，所述直流蒸汽发生器3一次侧出口接管嘴通过环形隔板11上的开孔与所述环形下降通道4直接连通。
所述的直流蒸汽发生器3可以为套管式直流蒸汽发生器，螺旋管式直流蒸汽发生器或直管式直流蒸汽发生器中的任一种，所述直流蒸汽发生器3内传热管布置可以根据环形空间的内、外径进行调整。
所述的闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆还包括稳压空间1，所述的稳压空间1由所述的环形隔板2与上封头之间的空间组成，所述的稳压空间1与所述上升通道10直接相连。
所述的稳压空间1顶部有一个喷淋接管15，提供持续的冷水用来冷却上升段10内冷却剂闪蒸产生的蒸汽。
所述直流蒸汽发生器3的位置高于所述反应堆堆芯9的位置，冷却剂完全依靠上升段10 内热流体与下降段4内冷流体之间的密度差产生的驱动力以自然循环方式运行。
所述的自然循环为闪蒸驱动的两相自然循环，反应堆运行时，所述反应堆堆芯9出口冷却剂的温度接近相应压力下的饱和温度，冷却剂在上升段10内因压力减小而闪蒸产生气泡，利用气泡对冷却剂主流的曳力作用提升反应堆自然循环能力。
如图3所示，环形隔板2的外侧固定在压力容器12筒体内壁上，强度足够支撑堆内构件的重量，堆芯吊篮筒体5吊挂在环形隔板2的法兰上，环形隔板11的外侧同样固定在压力容器12筒体内壁上，两个环形隔板对堆芯吊篮筒体5起到支撑和固定作用，防止浮动核电站由于受海洋条件附加力的影响而造成堆芯吊篮筒体5在压力容器12内部的摇晃而造成堆内构件的损坏。所述环形隔板2以及环形隔板11上均匀对称布置的圆孔个数与直流蒸汽发生器3个数对应，直流蒸汽发生器3对称布置在反应堆压力容器12筒体与堆芯吊篮5之间的环形封闭空间内。直流蒸汽发生器3一侧进口接管嘴通过布置在圆孔周围的法兰固定在环形隔板2，直流蒸汽发生器3一侧出口接管嘴通过布置在圆孔周围的法兰固定在环形隔板11。直流蒸汽发生器3一侧进口与稳压空间1直接连通，直流蒸汽发生器3一侧出口与环形下降通道4直接连通。稳压空间1底部的高温一回路冷却剂经过在直流蒸汽发生器3内的换热后竖直向下流入环形下降通道4内。
所述的直流蒸汽发生器3可以采用不同形式，可以是套管式直流蒸汽发生器，螺旋管式直流蒸汽发生器或直管式直流蒸汽发生器中的任一种，所述直流蒸汽发生器3内传热管布置为圆形，扇形等不同的型式，也可以根据压力容器12筒体与堆芯吊篮筒体5之间的环形空间的内、外径进行调整。但是直流蒸汽发生器3一侧进出口的型式必须与环形隔板2以及环形隔板11上的开孔形状对应，也必须满足在环形隔板2以及环形隔板11上固定的要求。
闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆还包括一个稳压空间1，用于调节反应堆主冷却系统的压力。
所述的稳压空间1由压力容器12筒体内部环形隔板2与压力容器12顶盖之间的空间组成，而且稳压空间1与上升通道10直接相连。稳压空间底部为高温高压冷却剂，顶部积聚大量蒸汽，其工作原理类似电加热式稳压器的工作原理。由于上升段10内冷却剂不断闪蒸产生蒸汽，大量蒸汽进入稳压空间的顶部会造成压力的不断升高，因此，稳压空间1顶部有一个喷淋接管15，喷淋接管可以提供足够的冷水对稳压空间1内的蒸汽进行冷却，并实现系统压力的自动调节功能。
所述的反应堆压力容器12内不设置主泵，直流蒸汽发生器3的位置高于反应堆堆芯9的位置，冷却剂完全依靠上升段10内热流体与下降段4内冷流体之间的密度差产生的驱动力以自然循环方式运行。冷却剂的自然循环流动与换热方式大体为：冷却剂在反应堆堆芯9中被加热至饱和或接近饱和状态，在自然循环驱动力作用下进入上升段10，随着高度增加，因冷却剂静压下降而闪蒸产生蒸汽，气泡沿上升段10流动并进入上部稳压空间1，冷却剂则进入蒸汽发生器3，被二回路给水冷却之后通过下降段的环腔4进入下腔室7，最后回流至反应堆堆芯9进行下次循环，冷却剂在重复上述的自然循环流动过程中实现堆芯热量由堆芯9向直流蒸汽发生器3的转移。
一体化反应堆内沿冷却剂流道的密度、温度和空泡份额的变化如图4所示。在反应堆堆芯9内，随着冷却剂的不断吸热，冷却剂温度逐渐升高，冷却剂密度相应减小，堆芯9出口处冷却剂的温度接近饱和温度615K。随着冷却剂绝热地沿上升段10向上流动，局部压力下降，饱和温度随之减小，当冷却剂达到对应压力下的饱和温度时持续出现闪蒸，上升通道10 内的冷却剂空泡份额增大，冷却剂密度减小，依靠气泡对冷却剂主流的曳力作用提升反应堆自然循环能力。闪蒸持续发生使得空泡份额不断增大，在上升段10出口处达到0.056，气泡持续进入顶部的稳压空间1，同时喷淋管15持续向稳压空间1的汽空间内喷淋冷水，对闪蒸产生的蒸汽进行冷凝。反应堆的压力依靠稳压空间1内的汽液两相动态平衡维持恒定，正常运行时不需要进行人为干预。由于气泡进入稳压空间1的蒸汽区，几乎没有蒸汽夹带到蒸汽发生器3的一次侧，所以蒸汽发生器一次侧冷却剂空泡份额为0，而且随着热量的不断导出，冷却剂的密度不断减小，达到下降段4时冷却剂密度达到最低值。
综上，本发明提供一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，包括反应堆压力容器12以及置于压力容器12内部的直流蒸汽发生器3、控制棒驱动机构13和反应堆堆芯9，所述压力容器12为圆柱形筒体，内部被堆芯吊篮筒体5分割为圆柱形上升通道10和环形下降通道4，所述的反应堆压力容器12内不设置主泵，冷却剂依靠闪蒸驱动的两相自然循环在上升通道 10和下降通道4中流动，并将反应堆堆芯9的热量传递到直流蒸汽发生器3。本发明的闪蒸驱动的一体化反应堆运行时，反应堆堆芯9出口冷却剂的温度接近相应压力下的饱和温度，冷却剂在上升段10内因压力减小而闪蒸产生气泡，利用气泡对冷却剂主流的曳力作用提升反应堆自然循环能力。闪蒸驱动的一体化反应堆具有良好的自稳自调特性，能有效适应无人值守以及远程控制的需求。
Claims (5)
1.一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，其特征在于：包括反应堆压力容器、设置在反应堆压力容器内的蒸汽发生器和反应堆堆芯，在反应堆压力容器内表面设置有上下布置的蒸汽发生器进口环形隔板和蒸汽发生器出口环形隔板，且蒸汽发生器进口环形隔板和蒸汽发生器出口环形隔板上分别均匀设置有与蒸汽发生器个数相对应的圆孔，在蒸汽发生器进口环形隔板和蒸汽发生器出口环形隔板的端部设置有堆芯吊篮筒体，堆芯吊篮筒体将反应堆压力容器内部分割为位于中间的圆柱形上升通道和环形下降通道，所述反应堆堆芯位于圆柱形上升通道中，所述蒸汽发生器位于环形下降通道中的蒸汽发生器进口环形隔板和蒸汽发生器出口环形隔板之间，所述反应堆堆芯上设置有控制棒和控制棒驱动机构，所述堆芯吊篮筒体下端设置有堆芯流量分配孔板，所述压力堆反应容器顶端设置有喷淋管。
2.根据权利要求1所述的一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，其特征在于：所述压力堆反应容器包括中间的圆柱形筒体、设置在圆柱形筒体上端的半椭圆形密封端盖、设置在圆柱形筒体下端的半椭圆型密封结构，且压力堆反应容器上端构成稳压空间、下端构成堆芯下腔室。
3.根据权利要求1所述的一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，其特征在于：在反应堆压力容器内底上对称设置有四个用于支撑的扇形的堆芯支撑部件。
4.根据权利要求1或2所述的一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，其特征在于：所述蒸汽发生器的位置高于反应堆堆芯的位置。
5.根据权利要求3所述的一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，其特征在于：所述蒸汽发生器的位置高于反应堆堆芯的位置。
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