用于小模塊壓水反應(yīng)堆的組合的堆芯補(bǔ)給箱和熱量移除系統(tǒng)的制作方法與工藝

用于小模塊壓水反應(yīng)堆的組合的堆芯補(bǔ)給箱和熱量移除系統(tǒng)相關(guān)申請(qǐng)交叉參考本發(fā)明涉及與本文同時(shí)提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No.__(代理檔RTU2011-011)。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明通常涉及小模塊壓水反應(yīng)堆，并且更具體地涉及用于該反應(yīng)堆的組合的堆芯補(bǔ)給箱和熱量移除系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
在諸如壓水反應(yīng)堆的發(fā)電核反應(yīng)堆中，通過(guò)諸如濃縮鈾的核燃料的裂變產(chǎn)生熱量并且將所述熱量傳遞到流經(jīng)反應(yīng)堆堆芯的冷卻劑。堆芯包括細(xì)長(zhǎng)的核燃料棒，所述細(xì)長(zhǎng)的核燃料棒彼此相鄰安裝在核燃料組件結(jié)構(gòu)中，冷卻劑流經(jīng)所述核燃料棒并且到達(dá)所述核燃料棒上方。在共同延伸的平行陣列中燃料棒相互間隔開(kāi)。在給定燃料棒的燃料原子的核衰變期間釋放的中子和其它原子粒子中的一些通過(guò)燃料棒之間的空間，并且撞擊毗鄰燃料棒中的可裂變材料，從而促進(jìn)核反應(yīng)并且有助于堆芯產(chǎn)生的熱量?？蓜?dòng)控制棒分散在整個(gè)反應(yīng)堆堆芯中，以便能夠憑借吸收中子的一部分而控制裂變反應(yīng)的整體速率，否則它們將促進(jìn)裂變反應(yīng)?？刂瓢敉ǔ０ㄖ凶游詹牧系募?xì)長(zhǎng)棒并且裝配到燃料組件中的縱向開(kāi)口或者導(dǎo)向套管中，所述控制棒平行于燃料棒并且在燃料棒之間行進(jìn)。將控制棒更深入地插入到反應(yīng)堆堆芯中還致使吸收更多的中子而同時(shí)又不會(huì)促進(jìn)在毗鄰燃料棒中發(fā)生裂變；收回控制棒減小了中子吸收的程度而增加了核反應(yīng)速率以及提高了反應(yīng)堆堆芯的功率輸出。圖1示出了簡(jiǎn)化的傳統(tǒng)核反應(yīng)堆一級(jí)系統(tǒng)，其包括大體圓筒形的壓力容器10，所述壓力容器10具有包封堆芯14的堆芯封頭12，所述堆芯14支撐包含可裂變材料的燃料棒。諸如水或者含硼水的液體冷卻劑由泵16泵入到容器10中通過(guò)堆芯14，在所述堆芯14處熱能被吸收并且被排放到通常稱作蒸汽發(fā)生器的換熱器18中，在所述換熱器18中，熱量被傳遞到諸如蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪發(fā)電機(jī)的利用電路(未示出)。然后反應(yīng)堆冷卻劑返回到泵16，從而完成一級(jí)回路。通常，多條上述回路通過(guò)反應(yīng)堆冷卻劑管道20連接到單個(gè)反應(yīng)堆容器10。采用這個(gè)設(shè)計(jì)的商用發(fā)電廠一般為1,100兆瓦或更大數(shù)量級(jí)的。最近，WestinghouseElectricCompanyLLC已經(jīng)提出了200兆瓦級(jí)別的小模塊反應(yīng)堆。小模塊反應(yīng)堆為全部主要環(huán)路部件均定位于反應(yīng)堆容器內(nèi)的一體化壓水反應(yīng)堆。反應(yīng)堆容器被緊湊的高壓安全殼包圍。由于安全殼內(nèi)的受限空間以及一體化加壓輕水反應(yīng)堆對(duì)低成本的需要，需要最小化輔助系統(tǒng)的總體數(shù)量而不損害安全性或功能性。為此，理想的是維持所有的部件與在緊湊高壓安全殼內(nèi)的反應(yīng)堆系統(tǒng)的主要環(huán)路流體連通。一個(gè)這樣的輔助系統(tǒng)為堆芯補(bǔ)給箱，并且另一個(gè)這樣的系統(tǒng)為被動(dòng)殘余熱量移除系統(tǒng)。然而，在安全殼內(nèi)只有受限的空間以容納這些若干系統(tǒng)。因此，本發(fā)明的目的為簡(jiǎn)化堆芯補(bǔ)給箱系統(tǒng)和被動(dòng)殘余熱量移除系統(tǒng)，以使得其與主要反應(yīng)堆環(huán)路交界的部件能夠被支承于小模塊壓水反應(yīng)堆的高壓緊湊安全殼內(nèi)。額外地，本發(fā)明的進(jìn)一步的目的為組合堆芯補(bǔ)給箱系統(tǒng)和被動(dòng)殘余熱量移除系統(tǒng)的特征，以降低這些系統(tǒng)在高壓緊湊安全殼內(nèi)的空間需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
通過(guò)具有一級(jí)回路的小模塊壓水反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)這些和其他目的，所述一級(jí)回路包括反應(yīng)堆芯、上部堆內(nèi)構(gòu)件、蒸汽發(fā)生器換熱器以及容納于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的加壓器，所述反應(yīng)堆加壓容器被封閉于基本緊密裝配的安全殼內(nèi)。所述小模塊壓水反應(yīng)堆包括：在流出堆芯的冷卻劑流動(dòng)出口和蒸汽發(fā)生器換熱器的上游側(cè)之間的一級(jí)冷卻劑熱段、以及在蒸汽發(fā)生器換熱器的下游側(cè)和流入堆芯的冷卻劑流動(dòng)入口之間的一級(jí)冷卻劑冷段，熱段和冷段容納于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)。小模塊壓水反應(yīng)堆還包括組合的被動(dòng)熱量移除系統(tǒng)和高壓頭水注入系統(tǒng)，所述組合的被動(dòng)熱量移除系統(tǒng)和高壓頭水注入系統(tǒng)采用被包封在緊密裝配的安全殼內(nèi)的堆芯補(bǔ)給箱。所述堆芯補(bǔ)給箱包括：具有一級(jí)側(cè)和二級(jí)側(cè)的換熱組件。一級(jí)側(cè)具有在換熱組件內(nèi)帶有一級(jí)側(cè)入口和一級(jí)側(cè)出口的內(nèi)部流動(dòng)路徑。一級(jí)側(cè)入口腔室與換熱器組件的內(nèi)部流動(dòng)路徑的入口和離開(kāi)堆芯的熱段流體連通。一級(jí)側(cè)出口腔室與換熱組件的內(nèi)部流動(dòng)路徑的出口以及在蒸汽發(fā)生器換熱器的下游側(cè)和進(jìn)入堆芯的冷卻劑流動(dòng)入口之間的冷段流體連通。在換熱組件的二級(jí)側(cè)內(nèi)的二級(jí)側(cè)腔室具有入口端部和出口端部以及在換熱組件(42)的內(nèi)部流動(dòng)路徑的外部上的二級(jí)側(cè)流動(dòng)路徑，所述二級(jí)側(cè)流動(dòng)路徑將二級(jí)側(cè)腔室的入口端部連接至出口端部。最終的熱量槽換熱器在二級(jí)側(cè)腔室的入口端部和出口端部之間連接至堆芯補(bǔ)給箱。所述組合的被動(dòng)熱量移除系統(tǒng)和高壓頭水注入系統(tǒng)還包括用于將換熱組件的一級(jí)側(cè)與堆芯隔離的裝置。優(yōu)選地，堆芯補(bǔ)給箱定位于在堆芯高度上方的高度處，并且最終的熱量槽換熱器位于在堆芯補(bǔ)給箱高度上方的高度處。優(yōu)選地，雖然堆芯補(bǔ)給箱被支承于反應(yīng)堆壓力容器的外側(cè)，但是被包封于安全殼內(nèi)，且最終的熱量槽定位于安全殼的外側(cè)。理想地，換熱組件的一級(jí)側(cè)被加壓至至少與堆芯相同的壓力，并且優(yōu)選地被加壓至與堆芯基本相同的壓力。在一個(gè)實(shí)施例中，換熱組件為管子和殼體換熱器，理想地一級(jí)側(cè)入口腔室在堆芯補(bǔ)給箱的頂部處，并且一級(jí)側(cè)出口腔室在堆芯補(bǔ)給箱的底部處。理想地，用于將換熱組件的一級(jí)側(cè)與堆芯隔離的裝置為與在一級(jí)側(cè)出口腔室和冷段之間的一級(jí)側(cè)出口流體連通的閥。在另一個(gè)實(shí)施例中，二級(jí)側(cè)面腔室被加壓以防止沸騰，并且理想地最終的熱量槽包括熱量槽換熱器，所述熱量槽換熱器具有連接至堆芯補(bǔ)給箱換熱組件的二級(jí)側(cè)的一級(jí)側(cè)，并且熱量槽換熱器具有與冷卻劑池進(jìn)行換熱的二級(jí)側(cè)。在另一個(gè)實(shí)施例中，小模塊反應(yīng)堆包括多個(gè)這樣的堆芯補(bǔ)給箱。附圖說(shuō)明當(dāng)接合附圖閱讀時(shí)能夠從以下優(yōu)選實(shí)施例的描述中獲得在下文中聲明的本本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，其中：圖1為常規(guī)的核反應(yīng)堆系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；圖2為示出納入本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的小模塊一體化反應(yīng)堆系統(tǒng)的部分剖視立體圖；圖3為在圖2中示出的反應(yīng)堆的放大圖；以及圖4為在圖2中示出的反應(yīng)堆安全殼的示意圖，包括本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的組合的被動(dòng)熱量移除系統(tǒng)和高壓頭水注入系統(tǒng)的反應(yīng)堆外側(cè)容器部件以及蒸汽發(fā)生器的安全殼外側(cè)蒸汽包部分。具體實(shí)施方式圖2、3和4說(shuō)明了小模塊反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，所述小模塊反應(yīng)堆設(shè)計(jì)能夠從在下文中聲明的組合的被動(dòng)熱量移除系統(tǒng)和高壓頭水注入系統(tǒng)獲益。圖2示出部分切除的反應(yīng)堆安全殼的立體圖，以示出壓力容器及其一體化的內(nèi)部部件。圖3為在圖2中示出的壓力容器的放大圖，并且圖4為反應(yīng)堆以及反應(yīng)堆輔助系統(tǒng)中的一些的示意圖，包括本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的組合的被動(dòng)熱量移除系統(tǒng)和高壓頭水注入系統(tǒng)的最終的熱量槽和二級(jí)換熱環(huán)路。類似的參考標(biāo)記被用于若干附圖中以識(shí)別相對(duì)應(yīng)的部件。在諸如圖2、3和4中圖解的一體化壓水反應(yīng)堆中，在單個(gè)壓力容器10中包含通常與核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的一級(jí)側(cè)相關(guān)聯(lián)的所有部件，所述單個(gè)壓力容器10通常容納在高壓安全殼結(jié)構(gòu)34中。容納在壓力容器10內(nèi)的一級(jí)部件包括蒸汽發(fā)生器的一級(jí)側(cè)、反應(yīng)堆冷卻劑泵、穩(wěn)壓器和反應(yīng)堆自身。在這個(gè)一體化反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)反應(yīng)堆的蒸汽發(fā)生器18被分解成兩個(gè)部件：換熱器26，所述換熱器26位于上部堆內(nèi)構(gòu)件30的上方；和汽包，所述汽包保持在安全殼34的外部，如圖4所示。蒸汽發(fā)生器換熱器26包括額定用于一級(jí)設(shè)計(jì)壓力、并且由反應(yīng)堆堆芯14和其它傳統(tǒng)反應(yīng)堆內(nèi)部部件、兩塊管板54和56、熱段管道24(也稱作熱段立管)、在下管板54和上管板56之間延伸的傳熱管58、管支撐件60、二級(jí)流擋板36所共用的壓力容器10/12，所述二級(jí)流擋板用于引導(dǎo)二級(jí)流體介質(zhì)在傳熱管58和二級(jí)流噴嘴44和50之間流動(dòng)。換熱器26/壓力容器封頭12組件被保持在安全殼34內(nèi)。安全殼外部的汽包32由額定用于二級(jí)設(shè)計(jì)壓力的壓力容器38構(gòu)成。如在傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)18中發(fā)現(xiàn)的那樣，安全殼外部的汽包34包括離心式和人字型汽水分離設(shè)備、給水分布裝置和用于濕蒸汽、給水、再循環(huán)液體和干蒸汽的流量噴嘴。圖3中的上部分中的箭頭示出了在反應(yīng)堆容器10的封頭12中一級(jí)反應(yīng)堆冷卻劑流經(jīng)換熱器26的流動(dòng)。如圖所示，離開(kāi)反應(yīng)堆堆芯14的加熱的反應(yīng)堆冷卻劑向上行進(jìn)通過(guò)熱段立管24，通過(guò)上管板56的中心，在所述中心處，反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)入熱段歧管74，在所述熱段歧管74處，加熱的冷卻劑轉(zhuǎn)向180°并且進(jìn)入延伸通過(guò)上管板56的傳熱管58。反應(yīng)堆冷卻劑然后向下行進(jìn)通過(guò)延伸通過(guò)管板56的傳熱管58，從而將其熱量傳遞到再循環(huán)液體和給水的混合物，所述混合物以逆流的關(guān)系從外部汽包32經(jīng)由過(guò)冷的再循環(huán)輸入噴嘴50進(jìn)入到換熱器中。通過(guò)過(guò)冷再循環(huán)輸入噴嘴50進(jìn)入到換熱器56中的過(guò)冷的再循環(huán)液體和給水被二級(jí)流擋板36向下引導(dǎo)至換熱器的底部，并向上以及環(huán)繞換熱器管58，且在上管板56的正下方轉(zhuǎn)向進(jìn)入到輸出通道76，在所述輸入通道76處，含水蒸汽被匯集到濕蒸汽輸出噴嘴44。隨后濕飽和蒸汽被運(yùn)送到外部汽包32，在所述外部汽包處，其被運(yùn)送通過(guò)汽水分離器，所述汽水分離器使得蒸汽與水分分離開(kāi)。分離的水分形成再循環(huán)液體，所述再循環(huán)液體與給水組合并且被運(yùn)送回到過(guò)冷再循環(huán)輸入噴嘴50，以重復(fù)循環(huán)。一般壓水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和高級(jí)壓水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)(諸如由WestinghouseElectricCompanyLLC,CranberryTownship,Pennsylvania提供的AP)均利用衰變熱移除系統(tǒng)和高壓頭注入系統(tǒng)以防止意外事件過(guò)程中的堆芯損壞。在圖2、3和4中說(shuō)明的Westinghouse小模塊反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，成本和空間約束條件限制了如當(dāng)前在較大壓水反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)的這些系統(tǒng)的能力。本發(fā)明提供了用于將被動(dòng)衰變熱移除功能和高壓頭水注入功能組合為單一的、簡(jiǎn)化的、一體化的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這個(gè)組合的安全系統(tǒng)與較大的壓水反應(yīng)堆安全系統(tǒng)相比極大地簡(jiǎn)化了一體化反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，并且在意外事件過(guò)程中容許在較小的成本以及較小的空間需求條件下具有可比性的反應(yīng)堆保護(hù)能力。本文描述的下文所聲明的本發(fā)明實(shí)施例包括新穎的堆芯補(bǔ)給箱設(shè)計(jì)，所述新穎的堆芯補(bǔ)給箱設(shè)計(jì)帶有直接地連接至反應(yīng)堆容器的內(nèi)被動(dòng)殘余熱量移除換熱器以及在最終的熱量槽池中的換熱器。正如能夠從圖2和4中見(jiàn)到的，組合的堆芯補(bǔ)給箱/被動(dòng)殘余熱量移除換熱器40定位于安全殼容器34內(nèi)。被動(dòng)殘余熱量移除換熱器42定位于堆芯補(bǔ)給箱40內(nèi)。被動(dòng)殘余熱量移除換熱器42包括在堆芯補(bǔ)給箱的頂部端部處的入口腔室44和在堆芯補(bǔ)給箱的下端部處的出口腔室46。上管板48將上腔室44與二級(jí)流體腔室64分離，并且下管板52將下腔室46與二級(jí)流體腔室64分離。換熱管的管束62在上管板48和下管板52之間延伸。因此，來(lái)自堆芯熱段24的被供給通過(guò)入口管路84的一級(jí)流體進(jìn)入入口腔室44，通過(guò)管束64被傳送至出口腔室46，并且通過(guò)出口管路88被返回至堆芯14的冷段78。穿過(guò)管束64的冷卻劑將其熱量轉(zhuǎn)移至在管板48和52之間的二級(jí)流體腔室64中的二級(jí)流體。二級(jí)流體通過(guò)二級(jí)流體入口管路66進(jìn)入二級(jí)流體腔室64，吸收自管束64傳遞的熱量，并且通過(guò)二級(jí)流體出口管路68離開(kāi)。堆芯補(bǔ)給箱40的高度(即補(bǔ)給箱被支承于的高度)被最大化以有助于較高的自然循環(huán)流動(dòng)。在穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程中，堆芯補(bǔ)給箱40和被動(dòng)殘余熱量移除換熱器42的管側(cè)被填充有與反應(yīng)堆冷卻劑的壓力相同的冷含硼水。通過(guò)在堆芯補(bǔ)給箱的底部上的出口管路88上的閥80而防止該水流動(dòng)至反應(yīng)堆壓力容器10內(nèi)。在意外事件狀態(tài)過(guò)程中，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)向閥80的開(kāi)口發(fā)出信號(hào)，從而容許冷的含硼堆芯補(bǔ)給箱水向下流動(dòng)穿過(guò)出口管路88至反應(yīng)堆壓力容器10的冷段區(qū)域78內(nèi)。同時(shí)，熱反應(yīng)堆冷卻劑隨后通過(guò)入口管路84從堆芯出口區(qū)域82流動(dòng)至堆芯補(bǔ)給箱40內(nèi)，并且隨后流動(dòng)至堆芯補(bǔ)給箱40入口腔室44內(nèi)。熱反應(yīng)堆水隨后向下流動(dòng)穿過(guò)在被動(dòng)殘余熱量移除換熱器42的管束64內(nèi)的管子，并且被流動(dòng)穿過(guò)二級(jí)流體腔室64中的被動(dòng)殘余熱量移除換熱器的殼體側(cè)的冷的二級(jí)水冷卻。被加壓以防止沸騰的二級(jí)水隨后向上流動(dòng)穿過(guò)管路68至在最終的熱量槽箱70中的第二換熱器72，在所述第二換熱器72處其將熱量轉(zhuǎn)移至在箱70中的冷水。當(dāng)前冷卻的二級(jí)水向下流動(dòng)穿過(guò)返回管路66，并且流動(dòng)至換熱器42的堆芯補(bǔ)給箱殼體側(cè)64內(nèi)，以重復(fù)過(guò)程。這個(gè)最終的熱量槽環(huán)路和堆芯補(bǔ)給箱一級(jí)環(huán)路由自然循環(huán)流所驅(qū)動(dòng)。即使在蒸汽進(jìn)入堆芯補(bǔ)給箱入口管路84之后，堆芯補(bǔ)給箱一級(jí)環(huán)路流也繼續(xù)移除來(lái)自反應(yīng)堆的衰變熱。在冷卻劑從反應(yīng)堆壓力容器10缺失的意外事件過(guò)程中，當(dāng)被動(dòng)殘余熱量移除換熱器42從反應(yīng)堆10移除衰變熱時(shí)，反應(yīng)堆容器中的水位下降。當(dāng)水位下降至堆芯補(bǔ)給箱入口管路入口82之下時(shí)，蒸汽進(jìn)入入口管路并且打破自然循環(huán)周期。在此點(diǎn)處，堆芯補(bǔ)給箱的存量(inventory)(除了被動(dòng)殘余熱量移除換熱器的二級(jí)殼體側(cè)64之外)在蒸汽壓力作用下向下流動(dòng)穿過(guò)出口管路并且流動(dòng)至反應(yīng)堆壓力容器冷段78內(nèi)，從而有效地用作高壓頭注入。在燃料補(bǔ)給和斷供過(guò)程中，堆芯補(bǔ)給箱/被動(dòng)殘余熱量移除系統(tǒng)冷卻了反應(yīng)堆和內(nèi)部構(gòu)件。如果在安全殼34中存在空間的話，那么任何數(shù)量的所述堆芯補(bǔ)給箱能夠被納入小模塊反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中以提供衰變熱移除能力。因此，本發(fā)明的組合的堆芯補(bǔ)給箱/被動(dòng)殘余熱量移除系統(tǒng)將移除等于或大于在意外事件和停機(jī)狀態(tài)過(guò)程中由堆芯放出的衰變熱。額外地，這個(gè)系統(tǒng)將向反應(yīng)堆壓力容器提供足夠的含硼水，以在所有意外事件過(guò)程中維持堆芯的安全停機(jī)，并且在冷卻劑意外缺失狀態(tài)過(guò)程中將提供足夠的補(bǔ)給水以將水位維持在堆芯頂部上方。此外，通過(guò)將兩個(gè)安全功能組合為單個(gè)的有效系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)占據(jù)最少的安全殼內(nèi)空間。雖然已經(jīng)詳細(xì)地描述本發(fā)明的特定的實(shí)施例，但是將被本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的是能夠在本發(fā)明的一體化指導(dǎo)下研發(fā)對(duì)那些細(xì)節(jié)的多種修改和替換。因此，公開(kāi)的具體的實(shí)施例僅意為說(shuō)明性的并且非限制性的，正如將給出附屬權(quán)利要求及其等價(jià)物中的任一和全部的全部范圍的本發(fā)明的領(lǐng)域。