無源式反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】無源式反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)專利申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年5月28日提交的美國臨時專利申請序列號為61/827, 943的 權(quán)益，該申請的全文通過引用并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆，特別涉及反應(yīng)堆和反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)，所述安全殼系統(tǒng)帶 有反應(yīng)堆停堆時使用的無源式反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 核反應(yīng)堆安全殼定義為向核電廠的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS)提供環(huán)境隔離的外殼 (enclosure)，在這種系統(tǒng)中，利用核裂變來產(chǎn)生增壓蒸汽。商用核反應(yīng)堆要求被封裝在一 種保壓結(jié)構(gòu)（pressure retaining structure)中，這種結(jié)構(gòu)能夠承受電廠設(shè)施假設(shè)遭遇最 嚴(yán)重事故后造成的溫度和壓力。反應(yīng)堆及其安全殼所能假設(shè)的最嚴(yán)重能量釋放事故有兩 種。
[0006] 首先，冷卻劑喪失事故（L0CA)之后發(fā)生的事件，包括核電廠核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng) (NSSS)迅速釋放的大量熱能，這是安全殼空間內(nèi)反應(yīng)堆冷卻劑突然釋放所致。反應(yīng)堆冷卻 劑在突然降壓后會出現(xiàn)爆閃（violently flash)，造成安全殼空間內(nèi)壓力和溫度的快速升 高。安全殼內(nèi)空間成為空氣和蒸汽的混合區(qū)，通過認(rèn)定反應(yīng)堆冷卻劑輸送管突然破裂而可 肯定地推斷出這是冷卻劑喪失事故（L0CA)。
[0007] 對安全殼完整性具有潛在風(fēng)險的另一個熱事件情況是，其中，核電廠的核蒸汽 供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS)的所有排熱路徑均喪失，迫使反應(yīng)堆"緊急停堆（scram)"。全廠斷電 (station black-out)就是這樣的一種事故。反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的衰變熱必須被排出，以保護(hù)反 應(yīng)堆防止出現(xiàn)升壓失控。
[0008] 最近，管理機(jī)構(gòu)也已經(jīng)對安全殼結(jié)構(gòu)提出要求能承受來自撞擊飛機(jī)的碰撞。安全 殼結(jié)構(gòu)通常都是建造成巨大的鋼筋混凝土穹頂來承受冷卻劑喪失事故造成的內(nèi)部壓力。盡 管其混凝土壁很厚可以承受飛機(jī)的撞擊，但遺憾的是，它還是一個良好的隔熱器，需要栗浦 的排熱系統(tǒng)（采用熱交換器和栗）來將其不需要的熱量排放到外部環(huán)境中（將升壓降到最 小或排除衰變熱）。然而，這種排熱系統(tǒng)依靠一種結(jié)實耐用的動力源（例如，廠外或本地柴 油發(fā)電機(jī)）來為這些栗提供動力。日本福島在海嘯之后隨即出現(xiàn)全廠斷電事故，這清醒地 提醒人們用栗是多么的愚蠢?，F(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷要求提供一種改進(jìn)的核反應(yīng)堆安全殼 系統(tǒng)。
[0009] 除了上述安全殼冷卻問題外，核反應(yīng)堆在其停堆后繼續(xù)產(chǎn)生相當(dāng)大量的熱能。圖 20所示為輕水反應(yīng)堆在緊急停堆（即在迅速插入控制棒或其它裝置后出現(xiàn)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的 突然停止）后出現(xiàn)的典型的熱生成曲線。如上所述，在當(dāng)今反應(yīng)堆設(shè)計中，反應(yīng)堆衰變熱是 通過裝置的剩余熱排除（RHR)系統(tǒng)來排除的，這種系統(tǒng)利用了一系列栗和熱交換器來將熱 能輸送到由裝置所保持的合適的冷卻水源上。從圖20中可以看出，反應(yīng)堆衰變熱開始隨著 時間而成倍衰減，但是，如果所產(chǎn)生的熱量不排除的話，其依然對反應(yīng)堆的安全有著相當(dāng)大 的威脅（正如福島情況那樣，為提取反應(yīng)堆熱量而需要的栗失效了，因為在海嘯推動的洶 涌海浪中栗電動機(jī)被淹沒）。福島災(zāi)難的鮮明教訓(xùn)是強(qiáng)制流動（依靠栗）系統(tǒng)在極端環(huán)境 條件下的致命弱點。
[0010] 人們希望能有一種改進(jìn)的反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 根據(jù)本公開內(nèi)容的反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)提供了一種完全無源式裝置，用來排除反應(yīng)堆 衰變熱，無需依賴?yán)鹾碗妱訖C(jī)，也不會出現(xiàn)所述的電動機(jī)和栗需要可利用電源的缺陷。在一 個實施方式中，冷卻系統(tǒng)完全依靠重力和流體的不同密度來引導(dǎo)流過冷卻系統(tǒng)。在一個實 施方式中，這種重力驅(qū)動系統(tǒng)可以配置成并稱之為浸沒式管束冷卻系統(tǒng)（SBCS)，方便使用 (在任何方面，這種任意稱謂都不是表示限定意義）。在全廠停電或另一種假設(shè)事故情況 下，其中經(jīng)由電站蘭金循環(huán)的核燃料堆芯的正常排熱路徑失去時，該冷卻系統(tǒng)設(shè)計成可無 源地從反應(yīng)堆一次冷卻劑中提取熱量。
[0012] 在一個實施方式中，無源式核反應(yīng)堆停堆冷卻系統(tǒng)包括反應(yīng)堆容器和蒸汽發(fā)生 器，反應(yīng)堆容器內(nèi)裝核燃料堆芯并容納核燃料堆芯加熱的一次冷卻劑，蒸汽發(fā)生器流體連 接到反應(yīng)堆容器上并容納液態(tài)的二次冷卻劑。一次冷卻劑在反應(yīng)堆容器和蒸汽發(fā)生器之間 的第一閉式流動環(huán)路中循環(huán)，一次冷卻劑將熱量傳輸?shù)秸羝l(fā)生器內(nèi)的二次冷卻劑并產(chǎn)生 二次冷卻劑蒸汽。熱交換器包括液態(tài)三次冷卻劑（liquid third coolant)儲水和管束，該 管束浸沒在三次冷卻劑中。二次冷卻劑在浸沒式管束和蒸汽發(fā)生器之間的第二閉式流動環(huán) 路中通過重力流來循環(huán)。二次冷卻劑蒸汽從蒸汽發(fā)生器中提取并在第二閉式流動環(huán)路中流 到管束，冷凝形成冷凝液，冷凝液流回到蒸汽發(fā)生器。
[0013] 在另一個實施方式中，無源式核反應(yīng)堆停堆冷卻系統(tǒng)包括反應(yīng)堆容器和熱交換 器，反應(yīng)堆容器內(nèi)裝核燃料堆芯并容納核燃料堆芯加熱的一次冷卻劑，熱交換器則包括冷 卻水和管束，該管束浸入在冷卻水中。一次冷卻劑經(jīng)由重力流在浸沒式管束和反應(yīng)堆容器 之間的第一閉式流動環(huán)路中循環(huán)，其中，一次冷卻劑將熱量傳輸?shù)綗峤粨Q器的冷卻水中，并 在流回到反應(yīng)堆容器前被冷卻。
[0014] 在另一個實施方式中，提供了一種在停堆后無源冷卻核反應(yīng)堆的方法。該方法包 括：利用核燃料堆芯對反應(yīng)堆容器中的一次冷卻劑進(jìn)行加熱；用加熱的一次冷卻劑對蒸汽 發(fā)生器中的二次冷卻劑進(jìn)行加熱以產(chǎn)生二次冷卻劑蒸汽；從蒸汽發(fā)生器中提取二次冷卻劑 蒸汽；使被提取的二次冷卻劑蒸汽流過浸沒在壓力容器內(nèi)冷卻水中的管束；冷凝二次冷卻 劑蒸汽形成二次冷卻劑冷凝液；以及將二次冷卻劑冷凝液返回到蒸汽發(fā)生器，其中，二次冷 卻劑蒸汽和冷凝液在管束和蒸汽發(fā)生器之間的第一閉式流動環(huán)路中循環(huán)。在一個實施方式 中，所述方法進(jìn)一步包括：通過二次冷卻劑蒸汽對壓力容器中的冷卻水進(jìn)行加熱；將一部 分冷卻水轉(zhuǎn)換成蒸汽相；從壓力容器中提取冷卻水蒸汽；使提取的冷卻水蒸汽流過連接到 反應(yīng)堆安全殼上的散熱管道，散熱管道與散熱器（heat sink)之間為熱聯(lián)通；對冷卻水蒸 汽進(jìn)行冷凝；以及將冷凝的冷卻水返回到壓力容器以補(bǔ)充冷卻儲水。
[0015] 提供了停堆后無源冷卻核反應(yīng)堆的另一種方法。該方法包括：利用核燃料堆芯對 反應(yīng)堆容器中的一次冷卻劑進(jìn)行加熱；從反應(yīng)堆容器中提取經(jīng)加熱的一次冷卻劑；使經(jīng)過 加熱的一次冷卻劑流過浸沒在壓力容器內(nèi)冷卻水中的管束；對經(jīng)加熱的一次冷卻劑進(jìn)行冷 卻以降低其溫度；以及將冷卻的一次冷卻劑返回到反應(yīng)堆容器中，其中，一次冷卻劑在管束 和反應(yīng)堆容器之間的第一閉式流動環(huán)路中循環(huán)。在一個實施方式中，所述方法進(jìn)一步包括： 利用二次冷卻劑蒸汽對壓力容器中的冷卻水進(jìn)行加熱；將一部分冷卻水轉(zhuǎn)換成蒸汽相；從 壓力容器中提取冷卻水蒸汽；使提取的冷卻水蒸汽流過連接到反應(yīng)堆安全殼上的散熱管 道，散熱管道與散熱器之間為熱聯(lián)通；對冷卻水蒸汽進(jìn)行冷凝；以及將冷凝的冷卻水返回 到壓力容器以補(bǔ)充冷卻水量。
[0016] 根據(jù)其它方面，本發(fā)明進(jìn)一步提供了核反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了上述裝 置中的缺陷，用來將因為熱事件而釋放到環(huán)境中的熱量排放到安全殼內(nèi)。安全殼系統(tǒng)通常 包括采用鋼或另一種韌性材料制成的內(nèi)部安全殼和外部的安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES)，從而形 成雙壁安全殼系統(tǒng)。在一個實施方式中，在安全殼和安全殼外殼結(jié)構(gòu)之間提供一種充水環(huán) 形空間（annulus)，提供環(huán)形冷卻儲存器。安全殼可包括多個縱向傳熱翅片，這些翅片采用 "鰭片"方式從安全殼處（大體）徑向向外延伸。為此，安全殼不僅用作反應(yīng)堆的主要結(jié)構(gòu) 保護(hù)層，而且配置成可起熱交換器作用，與起散熱器作用的環(huán)形儲存器一起使用。為此，如 本文進(jìn)一步所述，有利的是，在熱能釋放事故期間，諸如冷卻劑喪失事故或反應(yīng)堆緊急停堆 期間，當(dāng)需要時，安全殼提供一種無源（非栗浦的）排熱系統(tǒng)，來散熱和冷卻反應(yīng)堆。
[0017] 在根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方式中，核反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)包括一種安全殼，配 置成可置放核反應(yīng)堆，圍繞安全殼的安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES)，以及安全殼和安全殼外殼結(jié)構(gòu) (CES)之間形成的環(huán)形儲存器，用來從安全殼空間提取熱能。如果安全殼內(nèi)部出現(xiàn)熱能釋放 事故時，安全殼產(chǎn)生的熱量會被傳輸?shù)江h(huán)形池中，后者開始工作冷卻安全殼。在一個實施方 式中，環(huán)形儲存器裝有用來冷卻安全殼的水。一部分安全殼可以包括大體徑向傳熱翅片，設(shè) 在環(huán)形儲存器內(nèi)并在安全殼和安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES)之間延伸，以提高將熱量散到充水的 環(huán)形儲存器內(nèi)。當(dāng)安全殼內(nèi)部發(fā)生熱能釋放事故時，環(huán)形空間內(nèi)的一部分水會蒸發(fā)并以水 蒸氣的形式通過安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES)環(huán)形儲存器排放到大氣中。
[0018] 該系統(tǒng)的實施方式進(jìn)一步包括輔助空氣冷卻系統(tǒng)，其包括多個垂直進(jìn)氣管道，沿 周緣間隔布置在環(huán)形儲存器安全殼周圍。空氣管道與環(huán)形儲存器和安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES) 外部的環(huán)境空氣形成流體相通。當(dāng)安全殼內(nèi)部發(fā)生了熱能釋放事故且環(huán)形儲存器中的水通 過蒸發(fā)而基本排空時，空氣冷卻系統(tǒng)可通過在儲存器空間到外部環(huán)境之間提供通風(fēng)路徑而 開始工作。于是，通風(fēng)系統(tǒng)便可視為輔助系統(tǒng)，能夠繼續(xù)對安全殼進(jìn)行無休止地冷卻。
[0019] 根據(jù)另一個實施方式，核反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)包括配置成可置放核反應(yīng)堆的安全 殼，環(huán)繞安全殼的安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES)，在安全殼和安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES)之間形成的用 來冷卻安全殼的充水環(huán)形空間，以及從安全殼向外伸出并位于環(huán)形空間內(nèi)的多個大體徑向 翅片。如果安全殼內(nèi)部出現(xiàn)熱能釋放事故時，通過與安全殼外表面和其大體徑向翅片的直 接接觸，安全殼產(chǎn)生的熱量被傳輸?shù)江h(huán)形空間內(nèi)的充水儲存器中，從而冷卻了安全殼。在一 個實施方式中，當(dāng)安全殼內(nèi)部發(fā)生熱能釋放事故以及環(huán)形空間內(nèi)的水因為蒸發(fā)而基本排盡 時，空氣冷卻系統(tǒng)開始工作通過空氣管道將外部環(huán)境空氣抽入環(huán)形空間內(nèi)，以自然對流形 式對安全殼內(nèi)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻（其會隨著時間而成倍下降）。環(huán)形區(qū)域內(nèi)的水的存在 完全包圍了安全殼，從而保持安全殼內(nèi)溫度分布一致，防止在熱能釋放事故或事件期間出 現(xiàn)安全殼扭曲變形。
[0020] 在另一個實施方式中，核反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)包括帶有配置成置放核反應(yīng)堆的圓 筒形殼體的安全殼，環(huán)繞安全殼的安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES)，安全殼殼體和安全殼外殼結(jié)構(gòu) (CES)之間形成的用來冷卻安全殼的環(huán)形儲存器，從安全殼向外伸出進(jìn)入環(huán)形空間內(nèi)的多 個外部（大體）徑向翅片，以及包括多個垂直進(jìn)氣管道的空氣冷卻系統(tǒng)，所述進(jìn)氣管道沿周 緣間隔布置在環(huán)形儲存器內(nèi)安全殼周圍?？諝夤艿琅c環(huán)形儲存器和安全殼外殼結(jié)構(gòu)（CES) 外部環(huán)境空氣形成流體相通。在安全殼內(nèi)部發(fā)生熱能釋放事故的情況下，安全殼產(chǎn)生的熱 量經(jīng)由（大體）徑向安全殼壁與其內(nèi)部和外部翅片一起傳輸?shù)江h(huán)形儲存器中，環(huán)形儲存器 開始工作冷卻安全殼。
[0021] 根據(jù)本公開內(nèi)容的核反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)的優(yōu)點和方面包括如下：
[0022] 安全殼結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，配置成可無源地（例如，不依靠有源部件，諸如栗、閥門、熱交 換器和電動機(jī)）遏制上述嚴(yán)重能量釋放事件；
[0023] 安全殼結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，繼續(xù)自主無限期地工作（例如，人工干預(yù)不受時間限制）；
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