冷卻劑喪失反應堆冷卻系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】冷卻劑喪失反應堆冷卻系統(tǒng)
[0001]相關專利申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年5月28日提交的序列號為N0.61/828，017美國臨時專利申請的權(quán)益，該申請的全文通過引用并入本文。
發(fā)明領域
[0003]本發(fā)明涉及核反應堆，特別涉及發(fā)生冷卻劑喪失和反應堆停堆時使用的無源式反應堆冷卻系統(tǒng)。
[0004]發(fā)明背景
[0005]核反應堆安全殼容器定義為向核電廠的核蒸汽供應系統(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。商用核反應堆要求封裝在一種保壓結(jié)構(gòu)(pressure retaining structure)中，這種結(jié)構(gòu)能夠承受假設電廠設施遭遇最嚴重事故后造成的溫度和壓力。反應堆及其安全殼容器假設最嚴重能量釋放事故通常有兩種。
[0006]對安全殼容器完整性具有潛在風險的一種熱事件是，核電站的核蒸汽供應系統(tǒng)(NSSS)的所有排熱路徑均喪失，迫使反應堆“緊急停堆”。全廠斷電(stat1n black-out)就是這樣的一種事故。反應堆內(nèi)產(chǎn)生的衰變熱必須排出，以保護反應堆，防止出現(xiàn)升壓失控。
[0007]另一種熱事件是冷卻劑喪失(L0CA)，在這種熱事件下，反應堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)的壓力安全邊界破裂，導致閃水(flashing water)迅速釋放到安全殼容器空間內(nèi)。反應堆冷卻劑(一次冷卻劑)在突然降壓后會出現(xiàn)爆閃(v1lently flash)，造成安全殼容器空間內(nèi)壓力和溫度的快速升高。安全殼容器內(nèi)空間成為空氣和蒸汽的混合區(qū)。通常，冷卻劑喪失(L0CA)的發(fā)生被推斷為是裝有一次冷卻劑水的反應堆冷卻劑系統(tǒng)管路破裂所致。冷卻劑喪失的直接后果是反應堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)的迅速降壓和大量一次冷卻劑水逸出直到RCS內(nèi)部壓力與安全殼容器內(nèi)壓力均衡為止。核電站設計成在出現(xiàn)RCS減壓事故后立即停堆，抑制反應堆的臨界性并停止鏈式反應。然而，從RCS逸入安全殼容器的一次冷卻劑的大量熱量和堆芯內(nèi)衰變熱的不斷產(chǎn)生都是會引起安全殼容器壓力出現(xiàn)劇增的能量來源，而安全殼容器壓力足夠高時會威脅其保壓能力。
[0008]最近，管理機構(gòu)也已經(jīng)對安全殼容器結(jié)構(gòu)提出要求能承受來自墜毀飛機的沖擊。安全殼容器結(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(L0CA)造成的內(nèi)部壓力。盡管其混凝土壁很厚可以承受飛機的撞擊，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)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的核反應堆安全殼容器系統(tǒng)。
[0009]需要的是一種有效的能量排出系統(tǒng)，將冷卻劑喪失(L0CA)發(fā)生后出現(xiàn)的安全殼容器的內(nèi)部壓力在盡可能短的時間內(nèi)恢復到正常狀態(tài)。為了確保這種系統(tǒng)能夠賦予其應有的功能而不會失效，人們進一步期望這種系統(tǒng)應該是依靠重力操作的(即，系統(tǒng)不依靠可用電源來驅(qū)動任何栗或電動機)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]提供了一種冷卻劑喪失(L0CA)發(fā)生后和整個反應堆停堆時使用的無源式核反應堆冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可克服上述缺陷。該冷卻系統(tǒng)配置成可形成一種完全無源式裝置來排出反應堆的衰變熱，無需依賴需要可用電源的栗和電動機，也不存在使用電動機和栗的缺陷。在一個實施方式中，冷卻系統(tǒng)完全依靠重力和不斷變化的流體密度來提取和引導冷卻水流過帶有熱交換器的系統(tǒng)。如果出現(xiàn)冷卻劑喪失引起全廠停電或另一種假設事故情況下，其中核燃料堆芯的正常排熱路徑失去時，諸如，因為一次冷卻劑管路管子斷裂或其它事件所致時，該冷卻系統(tǒng)設計成可無源地從反應堆中提取衰變熱量。
[0011]在一個配置中，無源式冷卻系統(tǒng)利用反應堆井中的儲備冷卻水作為一種載體，通過連接到反應堆安全殼容器壁上的熱交換器，提取和排出來自反應堆的衰變熱。冷卻水在反應堆井和熱交換器之間的閉式流動環(huán)路中通過重力流動，以便通過安全殼容器壁將熱量排放到外部散熱器(heat sink)中。在一個實施方式中，該散熱器可以是一種充有冷卻水的環(huán)形儲存器(annular reservoir)，冷卻水環(huán)繞安全殼容器。
[0012]在進一步實施方式中，如本文進一步描述，可提供一種冷卻水的安全殼容器內(nèi)輔助儲存器(例如，貯槽)，其與反應堆井流體連接，以便提供冷卻水補充源或儲備用水。冷卻系統(tǒng)的閉式流動環(huán)路可以在反應堆井與輔助儲存器熱交換器和熱交換器之間循環(huán)冷卻水。
[0013]在一個實施方式中，冷卻劑喪失后可使用的一種無源式反應堆冷卻系統(tǒng)包括與散熱器熱聯(lián)通的安全殼容器，位于安全殼容器內(nèi)的反應堆井，至少部分地位于反應堆井內(nèi)的反應堆容器，所述反應堆容器裝有可對反應堆容器中的一次冷卻劑進行加熱的核燃料堆芯，位于安全殼容器內(nèi)并與反應堆井流體相通的貯水槽，所述貯水槽裝有冷卻儲水，和位于安全殼容器內(nèi)的熱交換器，所述熱交換器通過閉式流動環(huán)路與反應堆井流體聯(lián)通。一次冷卻劑失水后，貯水槽配置成可操作地向反應堆井注入冷卻水，該冷卻水被來自燃料堆芯的熱量轉(zhuǎn)換成蒸汽并流過閉式流動環(huán)路到熱交換器。在一個實施方式中，蒸汽在熱交換器內(nèi)凝結(jié)形成冷凝液，以及冷凝液通過重力流回到反應堆井。
[0014]在一個實施方式中，熱交換器包括一排整體連接到安全殼容器上的散熱管道。
[0015]在另一個實施方式中，冷卻劑喪失后可使用的一種無源式反應堆冷卻系統(tǒng)包括與散熱器熱聯(lián)通的安全殼容器，位于安全殼容器內(nèi)的反應堆井，至少部分地位于反應堆井內(nèi)的反應堆容器，所述反應堆容器裝有核燃料堆芯和被核燃料堆芯加熱的一次冷卻劑，位于安全殼容器內(nèi)并與反應堆井流體相通的貯水槽，所述貯水槽裝有冷卻儲水，和位于安全殼容器內(nèi)的熱交換器，所述熱交換器通過大氣壓力閉式流動環(huán)路與反應堆井流體聯(lián)通。一次冷卻劑失水后，貯水槽配置成可操作地向反應堆井注入冷卻水。充水的反應堆井內(nèi)的冷卻水被燃料堆芯加熱并轉(zhuǎn)換成蒸汽，該蒸汽流過閉式流動環(huán)路到熱交換器并冷凝形成冷凝液，以及冷凝液流回到反應堆井。在一個實施方式中，該熱交換器包括一排整體連接到安全殼容器上的散熱管道。
[0016]提供了一種冷卻劑喪失后無源式冷卻核反應堆的方法。該方法包括:將位于安全殼容器內(nèi)部反應堆井內(nèi)裝有核燃料堆芯和一次冷卻劑的反應堆容器定位；至少部分地向與反應堆井流體連接的貯水槽內(nèi)注入冷卻水；將來自貯水槽的冷卻水排放到反應堆井內(nèi)；用燃料堆芯對所述冷卻水加熱；將所述冷卻水至少部分地轉(zhuǎn)換為蒸汽；將蒸汽積聚到所述反應堆井內(nèi)；使所述蒸汽流過熱交換器；在熱交換器內(nèi)凝結(jié)蒸汽以形成冷凝液；以及使冷凝液流到反應堆井中，其中，所述冷卻劑蒸汽和冷凝液在熱交換器和反應堆井之間通過閉式流動環(huán)路循環(huán)。在一個實施方式中，蒸汽在位于反應堆容器外表面上的隔熱襯里組件內(nèi)部生成，所述襯里組件通過流孔噴嘴(flow-hole nozzles)與反應堆井流體聯(lián)通，所述流孔噴嘴位于反應堆容器的底部和頂部。襯里組件可包括多個彼此隔開的襯里。冷凝步驟可進一步包括熱交換器，將蒸汽熱量排放到裝有水的環(huán)形儲存器中，而該水環(huán)繞在安全殼容器周圍。熱交換器可包括一排在環(huán)形儲存器附近整體連接到安全殼容器上的散熱管道。
[0017]根據(jù)本公開內(nèi)容的其它方面，本發(fā)明進一步提供了核反應堆安全殼容器系統(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容器內(nèi)。安全殼容器系統(tǒng)通常包括采用鋼或另一種韌性材料制成的內(nèi)部安全殼容器和外部安全殼容器外殼結(jié)構(gòu)(CES)，從而形成雙壁安全殼容器系統(tǒng)。在一個實施方式中，在安全殼容器和安全殼容器外殼結(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。安全殼容器可包括多個縱向傳熱翅片，這些翅片采用“鰭片”方式從安全殼容器處(大體)徑向向外延伸。為此，安全殼容器不僅用作反應堆的主要結(jié)構(gòu)保護層，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，如本文進一步所述，有利的是，在熱能釋放事故期間，諸如冷卻劑喪失或反應堆緊急停堆期間，當需要時，安全殼容器提供一種被動(非栗浦的)排熱系統(tǒng)，來散熱和冷卻反應堆。
[0018]在根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方式中，核反應堆安全殼容器系統(tǒng)包括一種安全殼容器，配置成可置放核反應堆，圍繞安全殼容器的安全殼容器外殼結(jié)構(gòu)(CES)，以及安全殼容器和安全殼容器外殼結(jié)構(gòu)(CES)之間形成的環(huán)形儲存器，用來從安全殼容器空間提取熱能。如果安全殼容器內(nèi)部出現(xiàn)熱能釋放事故時，安全殼容器產(chǎn)生的熱量會被傳輸?shù)江h(huán)形儲存器中，后者開始工作冷卻安全殼容器。在一個實施方式中，環(huán)形儲存器裝有用來冷卻安全殼容器的水。一部分安全殼容器可以包括大體徑向傳熱翅片，設在環(huán)形儲存器內(nèi)并在安全殼容器和安全殼容器外殼結(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)。當安全殼容器內(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容器外殼結(jié)構(gòu)(CBS)環(huán)形儲存器排放到大氣中。
[0019]該系統(tǒng)的實施方式進一步包括輔助空氣冷卻系統(tǒng)，其包括多個垂直進氣管道，沿周緣間隔配置在環(huán)形儲存器安全殼容器周圍?？諝夤艿琅c環(huán)形儲存器和安全殼容器外殼結(jié)構(gòu)(CES)外部的環(huán)境空氣形成流體相通。當安全殼容器內(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)境之間提供通風路徑而開始工作。于是，通風系統(tǒng)便可視為輔助系統(tǒng)，能夠繼續(xù)對安全殼容器進行無休止地冷卻。
[0020]根據(jù)另一個實施方式，核反應堆安全殼容器系統(tǒng)包括配置成可置放核反應堆的安全殼容器，環(huán)繞安全殼容器的安全殼容器外殼結(jié)構(gòu)(CES)，在安全殼容器和安全殼容器外殼結(jié)構(gòu)(CES)之間形成的用來冷卻安全殼容器的充水環(huán)形空間，以及從安全殼容器向外伸出并位于環(huán)形空間內(nèi)的多個大體徑向翅片。如果安全殼容器內(nèi)部出現(xiàn)熱能釋放事故時，通過與安全殼容器外表面和其大體徑向翅片的直接接觸，安全殼容器產(chǎn)生的熱量被傳輸?shù)江h(huán)形空間內(nèi)的充水儲存器中，從而冷卻安全殼容器。在一個實施方式中，當安全殼容器內(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容器內(nèi)產(chǎn)生的熱量進行冷卻(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容器，從而保持安全殼容器內(nèi)溫度分布一致，防止在熱能釋放事故或事件期間出現(xiàn)安全殼容器扭曲變形。
[0021]在另一個實施方式中，核反應堆安全殼容器系統(tǒng)包括帶有配置成置放核反應堆的圓筒形殼體的安全殼容器，環(huán)繞安全殼容器的安全殼容器外殼結(jié)構(gòu)(CES)，安全殼容器殼體和安全殼容器外殼結(jié)構(gòu)(CES)之間形成的用來冷卻安全殼容器的環(huán)形儲存器，從安全殼容器向外伸出進入環(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氣管道的空氣冷卻系統(tǒng)，所述進氣管道沿周緣間隔配置在環(huán)形儲存器內(nèi)安全殼容器周圍?？諝夤艿琅c環(huán)形儲存器和安全殼容器