CN104321825A - 压水反应堆的紧凑型蒸气发生器 - Google Patents

Abstract

一种用于压水反应堆的蒸气发生器***，所述蒸气发生器***采用在安全壳外部的蒸气鼓和再循环环路管道。蒸气发生器***通过将蒸气分离和给水预热的功能重新定位在反应堆冷却剂***外侧而改变典型压水反应堆的再循环蒸气发生器的构造。蒸气发生器***和热工水力条件被选定为最小化在安全壳内侧的蒸气发生器的换热器部件体积的尺寸。外部蒸气鼓部件可以在事故状况中按需被隔离，并且被用作用于提高衰变热量移除能力和对给水损失事件的容忍度的次级流体存量源。从而，在安全壳内侧的蒸气发生器部件体积被减小，并且反应堆冷却剂***部件所需的维护量被类似地降低。

Description

压水反应堆的紧凑型蒸气发生器

技术领域

本发明大体涉及压水核反应堆，并且更具体地涉及用于压水反应堆的蒸气发生器。

背景技术

在用于发电的核反应堆(诸如压水反应堆)中，热量由核燃料(诸如浓缩铀)的裂变产生，并且被传递到流过反应堆堆芯的冷却剂中。堆芯包含在燃料组件结构中彼此接近安装的细长核燃料杆，冷却剂流经所述燃料杆。燃料杆以共同延伸的平行阵列相互隔开。在给定燃料杆中的燃料原子的核衰变期间释放的一些中子和其他原子微粒穿过燃料杆之间的空间并且撞击在相邻燃料杆中的可裂变材料上，从而促成核反应以及由堆芯产生的热量。

可移动控制杆分散遍及核堆芯，以使得能够通过吸收在燃料杆之间穿过的中子的一部分而控制裂变反应的总速率，否则所述中子将促成裂变反应。控制杆大体包括中子吸收材料的细长杆，并且装配到在燃料组件中的平行于燃料杆并且在燃料杆之间延伸的纵向开口或导向套管中。将控制杆进一步***堆芯中引起更多中子被吸收而不会促成相邻燃料杆中的裂变；撤回控制杆降低中子吸收的程度并且增加核反应率以及堆芯的功率输出。

图1示出简化的传统核反应堆初级***，其包括大体柱形的压力容器10，所述压力容器具有将核堆芯14闭合的闭合压头12，所述核堆芯支撑包含可裂变材料的燃料杆。液体冷却剂(诸如，水)被泵16泵送到容器10中穿过堆芯14，并且被排放到典型地称为蒸气发生器的换热器18，在堆芯14处热能被吸收，热量在所述蒸气发生器中被传递到应用回路(未示出)，诸如蒸气驱动式涡轮发电机或工业处理蒸气应用。增压器22被包括以维持***压力，从而确保冷却剂不会大量沸腾。反应堆冷却剂然后回到泵16，从而完成初级环路。典型地，多个上述环路被反应堆冷却剂管道20连接到单一反应堆容器10。

采用这种设计的商用发电厂典型地输出大约1,100兆瓦电或更多。最近以来，西屋电气有限公司已经提出电输出级别为200-300兆瓦的小型模块化反应堆。小型模块化反应堆是一体的压水反应堆，其中所有初级部件定位在反应堆容器内侧。所需部件尺寸和制造方法使得蒸气发生器典型地成为较大的初级***部件之一；因此，将蒸气发生器结合在反应堆容器内将使得容器从制造角度以及从服务角度都变得笨重。从而，需要新的蒸气发生器设计，所述蒸气发生器设计会降低将受益于容置在反应堆容器内的蒸气发生器部件的尺寸。

因此，期望新的紧凑型蒸气发生器设计，其将在不牺牲安全性的情况下维持传统压水反应堆的蒸气发生器的效率。

此外，期望新的紧凑型蒸气发生器设计，其将降低需要存储在反应堆安全壳内的部件的整体尺寸。

发明内容

这些和其他目的通过用于压水核反应堆***的紧凑型蒸气发生器设计实现，所述压水核反应堆***包括容置核堆芯的反应堆压力容器。紧凑型蒸气发生器包括容置在第一压力容器内的换热器，所述换热器具有初级侧和次级侧，所述初级侧和次级侧用于分别将初级流体介质与次级流体介质隔离，同时至少部分地维持次级流体介质与初级流体介质的热交换关系。换热器的初级侧配置成与核堆芯流体连通。蒸气发生器还包括蒸气鼓，所述蒸气鼓包括第二压力容器，所述第二压力容器配置成与换热器的次级侧流体连通，其中，第一压力容器在操作中维持在比第二压力容器的次级压力更高的初级压力。

优选地，第一压力容器被容置在容置压水核反应堆***的初级环路的反应堆安全壳建筑物内，而次级压力容器被容置在反应堆安全壳外侧。更优选地，第一压力容器是容置堆芯、换热器以及初级冷却剂环路的反应堆压力容器，而初级流体介质是反应堆冷却剂。在一个实施方式中，蒸气鼓包括被额定用于次级设计压力的第二压力容器、容置在次级压力容器内的湿气分离设备、给水分配装置以及分别用于湿蒸气、给水、再循环液体以及干蒸气的流动喷嘴。蒸气鼓也可包括次级排放装置、污泥收集器和/或松动部件捕获器中的一个或多个。

蒸气鼓通过再循环环路期望地连接到换热器，所述再循环环路包括将在换热器上的湿蒸气出口连接到第二压力容器的湿蒸气喷嘴入口的湿蒸气管道区段、和将在第二压力容器上的再循环液体出口喷嘴与在换热器上的过冷再循环输入口连接的再循环液体管道区段。优选地，再循环液体管道区段包括再循环泵。附加地，湿蒸气管道区段和再循环液体管道区段分别包括用于将换热器与蒸气鼓隔离的隔离阀，并且再循环环路被额定用于换热器和隔离阀之间的初级压力、以及隔离阀和蒸气鼓之间的次级压力。

在另一实施方式中，蒸气鼓被支撑在比换热器更高的高度处，以协助再循环液体的自然再循环。此外，在另一实施方式中，换热器包括在一个或多个管板之间延伸的多个换热管，初级流体和次级流体介质中的一个或多个流过所述多个换热管。期望地，初级流体介质和次级流体介质以逆流关系流过换热管或围绕换热管流动。

附图说明

通过结合附图阅读以下对优选实施方式的说明可以得到对此后要求保护的本发明的进一步的理解，在附图中：

图1是本发明可以被应用的核反应堆***的简化示意图；

图2是被部分地切除的透视图，示出可以结合本发明的益处的小型模块化一体反应堆***；

图3是图2中示出的反应堆的放大图；并且

图4是本发明的蒸气发生器的一个实施方式的更加详细的透视图，所述蒸气发生器可以被应用到模块化压水反应堆。

具体实施方式

在图2-4中示出的此后要求保护的本发明的实施方式描述了用于压水核反应堆的蒸气发生器***，所述蒸气发生器***采用在反应堆安全壳外部的蒸气鼓和再循环环路管道。本发明通过将蒸气分离和给水预热的功能重新定位在安全壳外侧而改变典型压水核反应堆的再循环蒸气发生器的布置方式。类似的附图标记被用在数个附图中以指代相应的部件。蒸气发生器***设计和热工水力条件被选定为最小化在安全壳内侧的蒸气发生器部件体积的尺寸。外部蒸气鼓部件可以在事故状况中被按需隔离，并且被用作次级流体存量源，以用于提高衰变热量移除能力和对损失给水事件的容忍度。本发明显著减小了在安全壳内侧的蒸气发生器部件的体积，并且减少反应堆冷却剂***部件所需的维护量。

典型地，在压水反应堆***中使用两种类型的蒸气发生器中的一种，一次通过性蒸气发生器和再循环蒸气发生器。大体上，一次通过性蒸气发生器产生超热蒸气，所述超热蒸气需要穿过膜沸腾和单相蒸气超热的传热机制。这些传热机制需要在安全壳内侧的附加表面区域和蒸气发生器体积。附加地，一次通过性设计在考虑到给水瞬变的损失时受到次级存量缺乏的不利影响，因为次级存量提供用于衰变热量移除的机构。然而，这种小次级存量在考虑到蒸气线路断裂和给水线路断裂而对于安全壳释放的质量和能量的事故分析时是有利的。

典型地，再循环蒸气发生器产生干饱和蒸气并且被设计成主要在过冷和泡核沸腾的高效传热机制内操作。然而，这些设计需要在安全壳内侧的显著空间以用于湿气分离设备。大次级存量在考虑到给水瞬变的损失时是有利的，但在考虑到蒸气线路断裂和给水线路断裂而对于安全壳释放的质量和能量的事故分析时是有害的。

本发明提供这样一种设计，所述设计用于在安全壳内的紧凑型蒸气发生器，以及用于改进给水瞬变的损失、供给水线路断裂和蒸气线路断裂而释放到安全壳的质量和能量的事故分析。采用一次通过性或再循环蒸气发生器在某些反应堆设计中由于如在小型模块化反应堆中发现的配置方式、空间和访问要求而可能无法实践。

图2和3示出可以从本发明的紧凑型蒸气发生器设计中受益的小型模块化反应堆。图2示出部分切除的透视图以示出安全壳、反应堆容器及其内部。图3是图2中示出的反应堆容器的放大图。增压器22被集成到反应堆容器压头12的较高部分中，并且消除对单独部件的需要。形成反应堆冷却剂初级环路的热段的一部分的热段立管24将初级冷却剂从堆芯14指引到围绕热段立管24的换热器26。多个反应堆冷却剂泵28(在这个示例性实施方式中是六个到八个)在与较高内构件30的上端接近的高度处围绕反应堆容器周向隔开。反应堆冷却剂泵是水平安装的轴向流动封闭式马达泵。反应堆堆芯14和较高内构件30除了它们的尺寸之外与在由宾夕法尼亚州州、匹兹堡市的西屋电气有限公司提供的传统反应堆中的相应部件基本相同。

图4示出反应堆容器10的上压头12的更多细节图，所述上压头结合有应用于小型模块化反应堆的本发明的一个优选实施方式的换热器26和蒸气鼓32。在诸如图2-4中示出的一体压水反应堆中，与核蒸气供应***的初级侧典型地关联的所有部件被容纳在典型地容置在安全壳34内的单一压力容器10中。容置在压力容器10内的初级部件包括蒸气发生器的初级侧、反应堆冷却剂泵、增压器以及核反应堆自身。依据在此描述的实施方式的蒸气发生器***包括一体蒸气发生器换热器26、安全壳蒸气鼓32的外构件、再循环泵36以及再循环管道38。再循环管道38包括湿蒸气管道区段40，所述湿蒸气管道区段将换热器26的湿蒸气出口喷嘴44连接到在蒸气鼓压力容器52上的湿蒸气喷嘴入口46。再循环管道38还包括再循环液体管道区段42，所述再循环液体管道区段将在蒸气鼓压力容器52上的再循环液体出口喷嘴48与在换热器26上的过冷再循环入口喷嘴50连接。蒸气发生器换热器26包括压力容器12，所述压力容器被额定用于由反应堆10和其他一体部件分担的初级设计压力，所述其他一体部件为两个管板54和56、热段管道24(也称为热段立管)、在较低管板54和较高管板56之间延伸的传热管58、管支撑物60、用于指引次级流体介质在传热管58之间流动的次级流动挡板76。

换热器压力容器12被维持在安全壳内并且通过反应堆安全壳壁34与蒸气鼓压力容器52分开。安全壳蒸气鼓32的外构件包括被额定用于次级设计压力的压力容器52、分别为离心类型和V字类型的湿气分离设备62和64、给水分配装置66以及用于湿蒸气46、给水68、再循环液体48和干蒸气70的流动喷嘴。再循环泵36定位在再循环液体管道区段42上。附加地，隔离阀在换热器湿蒸气出口44和过冷再循环输入口50的附近定位在湿蒸气管道区段40和再循环液体管道区段42上。再循环环路管道38被额定用于换热器26和隔离阀72之间的初级压力(即，反应堆压力)、以及隔离阀72和蒸气鼓32之间的次级压力。

图4的左侧上的箭头示出初级反应堆冷却剂流过在反应堆容器10的压头12中的换热器26，图4的换热器26的右侧的箭头示出再循环液体的流动并且将换热器26连接到蒸气鼓32。从而，如图4所示，离开反应堆堆芯14的加热的反应堆冷却剂向上行进，穿过热段立管24，并且穿过较高管板56的中心，加热的冷却剂在所述较高管板的中心处进入热侧腔室74，加热的冷却剂在所述热侧腔室处进行180°转弯并且进入延伸穿过较高管板56的传热管58。反应堆冷却剂然后向下行进穿过延伸穿过管板56的传热管58，从而将反应堆冷却剂的热量传递给再循环液体和给水的混合物，所述混合物呈逆向流动配置通过过冷再循环入口喷嘴50进入换热器。通过过冷再循环入口喷嘴50进入换热器26的过冷再循环液体和给水被次级流动挡板向下指引到换热器的底部、向上围绕换热管件58，并且在较高管板正下方56转入由次级流动挡板限定的出口通路76，在所述出口通道被汇集到湿蒸气出口喷嘴44。湿饱和蒸气然后通过湿蒸气管道区段40传送到蒸气鼓的湿蒸气喷嘴入口46，在该湿蒸气喷嘴入口处被传送穿过离心湿气分离器62而后连续地穿过V字型分离器64。干蒸气然后在蒸气喷嘴70处离开蒸气鼓，在蒸气喷嘴处通过次级管道传送到蒸气涡轮发电机以产生有用功。通过离心分离器62和V字型分离器64与蒸气分离的湿气向下通过蒸气鼓的底部排放，在蒸气鼓的底部处与通过给水入口喷嘴68进入的给水结合，所述给水被在给水分配装置66的顶部上的给水喷嘴分散。被结合的再循环液体和给水然后被传送穿过再循环液体出口喷嘴，穿过再循环液体管道区段42并且进入过冷再循环输入喷嘴50，以重复循环。

从而，在这个实施方式中，蒸气发生器的换热器26位于反应堆的上方。在这种配置方式中，初级反应堆冷却剂流动被竖直向上指引穿过热段管道24，然后在蒸气发生器管板56和增压器22之间的腔室74中转弯，而后被竖直向下指引穿过传热管58的内侧，热量在传热管内侧被传递到呈逆向流动配置的次级流体。次级流动作为过冷液体进入蒸气发生器的换热器壳并且作为饱和蒸气混合物(质量30-60％)离开，在该处被指引到蒸气鼓32以进行湿气分离。鼓中的湿气分离设备优选地选定并且尺寸定为产生质量大于或等于99.9％的干饱和蒸气状况，以输入涡轮用于发电。次级操作条件(压力和质量)被选定为确保所述设计将主要在高效泡核沸腾传热机制内操作。例如，蒸气鼓提供混合体积，再循环液体在所述混合体积处预热给水，以减小使泡核沸腾开始所需的显热添加，从而导致更紧凑型设计。在正常全功率条件期间，次级流体再循环泵36被用于压头添加以抵消管道损失；在较低功率条件期间，再循环泵36可以被绕过并且蒸气鼓高度足以确保次级流体的自然循环。

这个实施方式的蒸气发生器的换热器部件的其他选择包括传热管58的各种配置方式，包括但不限于初级冷却剂在传热管的外侧上，其中再循环液体被指引穿过传热管、螺旋形线圈管以及U型管。在此描述的构造也可以被应用在非一体压水反应堆设计中。

大体上，再循环蒸气产生过程要求满足以下功能：

1.次级冷却剂通过自然循环或强制循环流经传热表面区域。

2.从初级冷却剂(即，反应堆冷却剂)传热到次级冷却剂。这种传热导致形成低质量饱和混合物流动。

3.通过使用各种技术将饱和混合物与蒸气分离，包括：离心类型、V字类型以及重力蒸气分离技术。

4.利用来自蒸气分离器的饱和液体再循环流动来预热/混合供给水。

本发明通过移除蒸气分离和给水预热的功能并且将它们重新定位到反应堆冷却剂***的外侧而改变典型压水反应堆的蒸气发生器的构造。这种改变是可能的，因为小型一体模块化反应堆与使用一体蒸气发生器的传统大型压水反应堆设施相比时需要较小的再循环水流动。由于这种改变，在一体反应堆冷却剂***内的空间需求被显著减小。

在正常工厂操作期间，工厂发电***利用来自蒸气鼓的初级蒸气出口流动操作。被持续的蒸气鼓操作由给水的注射支持，所述给水的注射抵消蒸气流动的质量损失并且使从蒸气分离设备排放的饱和液体过冷。需要给水使饱和液体过冷以及由蒸气鼓中的液体柱提供的高程压头，因为它们将所需的净正吸入压头提供给再循环泵，以防止泵气穴现象。这种混合也减少了使在蒸气发生器的换热器中的次级流体沸腾所需的显热添加。

再循环泵提供次级冷却剂通过蒸气发生器的壳侧的连续强制循环。经由蒸气发生器的换热器从初级冷却剂的传热提供了在次级流体中增加的显热和潜热，从而导致在蒸气发生器的换热器出口44处的两相饱和混合物流动。这种流动的质量是蒸气发生器表面面积、再循环泵流量以及反应堆功率的函数。

在给水损失的情况下，作为保护措施反应堆将被停堆。蒸气鼓的使用将利用穿过蒸气发生器的换热器的强制循环(如果可用)或自然循环提供用于移除残余热量的大量热质量。类似于当前压水反应堆设计原理，通过排放蒸气到冷凝器或大气以移除热量是可以接受的，因为次级冷却剂通常不会被弄脏。

在发生蒸气发生器的管破裂/倒塌事件的情况下，次级流体冷却环路38将利用隔离阀72被隔离。因为在安全壳包壳34内侧的蒸气发生器的换热器和管道具有与反应堆容器10相同的设计压力，所以由反应堆冷却剂***提供过压防护。残余热量将最终从非能动工厂安全***移除。

从而，这种构造由蒸气发生器通过最大化整体传热系数和对数平均温差而增强传热性能。

虽然已经详细描述本发明的特定实施方式，将被本领域技术人员理解的是，对这些细节的各种修改和替换可以依据公开内容的全部教导形成。因此，所公开的具体实施方式仅意味着示意性而非限制由所附权利要求的全部宽度给出的本发明的范围及其任何以及所有等价方案。

Claims (11)

1.一种用于压水核反应堆***的蒸气发生器(18)，所述压水核反应堆***包括容置核堆芯(14)的反应堆压力容器(10)，所述蒸气发生器包括：

容置在第一压力容器(10)内的换热器(26)，换热器具有初级侧和次级侧，所述初级侧和次级侧用于分别将初级流体介质与次级流体介质隔离，同时至少部分地维持次级流体介质与初级流体介质的热交换关系，所述初级侧配置成与核堆芯流体连通；和

包括第二压力容器(52)的蒸气鼓(32)，所述第二压力容器配置成与换热器(26)的次级侧流体连通，其中，在操作中第一压力容器(10)维持处于比第二压力容器的次级压力更高的初级压力。

2.如权利要求1所述的蒸气发生器(18)，其中，第一压力容器(10)被容置在容纳压水核反应堆***的初级冷却剂环路的反应堆安全壳(34)内，而第二压力容器(52)被容置在反应堆安全壳外侧。

3.如权利要求2所述的蒸气发生器(18)，其中，第一压力容器(10)是容置堆芯(14)、换热器(26)以及初级冷却剂环路的反应堆压力容器，而初级流体介质是反应堆冷却剂。

4.如权利要求1所述的蒸气发生器(18)，其中，蒸气鼓(32)包括被额定用于次级设计压力的第二压力容器(52)、容置在第二压力容器内的湿气分离设备(62，64)、给水分配装置(66)以及分别用于湿蒸气、给水、再循环液体以及干蒸气的流动喷嘴(46，68，48，70)。

5.如权利要求4所述的蒸气发生器(18)，其中，蒸气鼓(32)包括次级排放装置、污泥收集器以及松动部件捕获器中的一个或多个。

6.如权利要求1所述的蒸气发生器(18)，其中，蒸气鼓(32)通过再循环环路连接到换热器(26)，所述再循环环路包括将换热器的湿蒸气出口(44)连接到第二压力容器(52)的湿蒸气喷嘴入口(46)的湿蒸气管道区段(40)、将第二压力容器(52)上的再循环液体出口喷嘴(46)与换热器上的过冷再循环输入口(50)连接的再循环液体管道区段(42)。

7.如权利要求6所述的蒸气发生器(18)，其中，再循环液体管道(40，42)包括再循环泵(36)。

8.如权利要求6所述的蒸气发生器(18)，其中，湿蒸气管道区段(40)和再循环液体管道区段(42)分别包括用于将换热器(26)与蒸气鼓(32)隔离的隔离阀(72)，并且再循环环路被额定用于换热器和隔离阀之间的初级压力、以及隔离阀和蒸气鼓之间的次级压力。

9.如权利要求1所述的蒸气发生器(18)，其中，蒸气鼓(32)被支撑在比换热器(26)更高的高度处。

10.如权利要求1所述的蒸气发生器(18)，其中，换热器(26)包括在一个或多个管板(54，56)之间延伸的多个换热管(58)和热段，初级流体和次级流体介质中的一个或多个流过所述多个换热管件和热段。

11.如权利要求10所述的蒸气发生器(18)，其中，初级流体介质和次级流体介质以逆流关系流动。