CN117083682A - 具有液态金属冷却剂的核反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有重液态金属冷却剂的整体式核反应堆。反应堆包括具有下室、堆芯、热室、上室和热交换器的反应堆容器。热室的壳体包含内包壳和至少一个附加包壳，附加包壳以有间隙的方式安装在内包壳外部并与其同心，以形成热室的至少一个冷却管道。每个支管包含内包壳和至少一个附加包壳，附加包壳以有间隙的方式安装在内包壳外部并与其同心，以形成支管的至少一个冷却管道。热室的至少一个冷却管道和支管的至少一个冷却管道与热交换器的出口连通，从而将冷的冷却剂流引导到冷却管道中。技术成果是减少热室元件(主要是其整个壳体和用于移除热的冷却剂的支管)上的热负荷，并且尤其是使所述元件中的温度梯度平滑和降低，从而增加其使用寿命。

Description

具有液态金属冷却剂的核反应堆

技术领域

本发明涉及核电工程，特别涉及确保核反应堆(NR)，主要是具有基于铅或基于铅铋合金的重液态金属冷却剂(HLMC)的反应堆的安全。

当选择NR的热工程参数，特别是最高冷却剂温度时，限制因素主要是材料的耐腐蚀性以及与结构的负荷特征相关的强度特性。在这种情况下，通常在堆芯出口处达到液态金属冷却剂反应堆中冷却剂的最高温度。通常，由于沿堆芯半径的冷却剂流动不均匀以及整个堆芯空间的能量释放场不均匀，堆芯内的冷却剂受热不均匀。因此，位于堆芯冷却剂出口区域的结构元件受到具有最高温度的冷却剂和温度不均匀性的影响。

虽然采取了特殊措施来平衡堆芯中的冷却剂受热，但这些措施的效率有限，并且HLMC反应堆堆芯出口处的冷却剂温度的不均匀性可达几十度。根据NR的第二回路中的冷却剂类型以及堆芯上方的室中以及通往热交换器或蒸汽发生器的冷却剂循环模式，冷却剂被混合并且冷却剂温度逐渐平衡。通过使用特殊的设计解决方案来限制不利因素的影响，例如堆芯出口处的室中的局部高温或限制特定室的结构元件中的高温度梯度，有助于提高反应堆单元的可靠性和安全性。

背景技术

从专利RU2461085中已知一种池式HLMC反应堆。这种反应堆类型设计的缺点是温度对应于堆芯出口温度的热的冷却剂的体积大。结果，一些容器内元件、控制和保护***(CPS)元件的驱动器与反应性控制元件(CPS的杆或杆组件)之间的连接元件暴露于高温和/或高温度梯度。

从专利RU2153708中已知一种整体式HLMC反应堆。这种反应堆类型的主要优点是可以在单个NR容器中定位堆芯、泵(使冷却剂在主NR回路中循环)以及消除堆芯中产生的热量的热交换器(蒸汽发生器)。

在设计NR时，将具有堆芯出口温度的热的冷却剂与离开热交换器(蒸汽发生器)后的冷的冷却剂分开的结构元件中的温度梯度至关重要。考虑到现代HLMC NR设计中主回路中的最高温度和最低温度之间的差异通常在100至150℃范围内，因此需要开发特殊的设计方案以确保分离热的冷却剂流和冷的冷却剂流的容器内结构元件具有良好的运行条件。

已知的HLMC NR的一个重要特点是需要将氧浓度控制在一定范围内。冷却剂中氧的存在对于在钢表面上形成保护性氧化物涂层是必要的，以便防止由于优先在主回路的热部分中发生的腐蚀和侵蚀过程而导致金属杂质(主要是铁)进入冷却剂。当大量铁杂质进入主回路时，必须使用特殊***来捕获它们，这使得NR设计变得复杂。

因此，与热的冷却剂接触的表面面积的最大限制将显著降低容器内NR元件的热负荷，这是一个应该通过特殊设计解决方案来解决的问题。

俄罗斯专利RU2521863公开了一种具有液态金属冷却剂的核反应堆，包括容器，容器内安装有形成环形空间的分离壳，并且其中安装有至少一个蒸汽发生器和至少一个泵，每个都在其自己的壳内。在分离壳内，在其上部中有屏蔽塞，并且在其下部中有堆芯，堆芯上方有热集管，热集管通过入口连接管在蒸汽发生器的中部或上部竖直连接到蒸汽发生器，所述入口连接管用于将液态金属冷却剂流分成向上流和向下流，分别冲洗蒸汽发生器的上部和下部。

根据俄罗斯专利RU2408094的具有液态金属冷却剂的核反应堆包括由分离结构分隔开的在堆芯上方的热集管和围绕热集管的冷集管，主流体在其中循环以冷却堆芯。反应堆还包括至少一个集成的循环和热交换组件，该组件包括泵、至少一个热交换器和传送结构，主流体通过该传送结构从泵传送到热交换器，而后者彼此牢固地连接以形成单一结构。该集成组件完全位于冷集管内，并包括连接至热集管的入口孔和冷集管中的至少一个出口单元。

这些已知NR的缺点是在热的冷却剂流通过连接管进入蒸汽发生器或泵以进行后续冷却的连接管中存在显著的温差，这影响了该结构元件的设计寿命和可靠性。

与所要求保护的发明最接近的现有技术是根据俄罗斯专利RU2331939的NR。所述专利公开了一种主要使用液态金属冷却剂作为主回路冷却剂的核反应堆设计。反应堆容器的热防护包括堆芯篮、安装和固定在篮内的环形钢壳和固定在容器底部的分离壳。隔热罩包括碳化硼块；它们位于分离壳后面，沿堆芯的整个高度形成分层环形筛网。单层的所述块之间的间隙由下一层块填充。

该最接近的现有技术的缺点是反应堆容器中壳的刚性固定，当壳与离开堆芯的热的冷却剂流接触时，将在元件的接合点处产生显著的热负荷并可能导致冷却剂泄漏。与热的冷却剂流接触的壳的刚性固定也使日常维护和修理变得复杂。

发明内容

要求保护的发明要解决的技术问题是减小反应堆的与热的冷却剂流接触的容器内结构元件的体积和表面积，以保证热室的隔热并为容器内结构元件提供有利的温度条件，以便将温差限制在温度应力不超过屈服强度的值，以及确保易于组装和易于检查可拆卸接头中的冷却剂泄漏。

要求保护的发明的技术成果是减少了热室的元件(首先是热室本体和用于移除热的冷却剂的连接管)上的热负荷，包括使这些元件中出现的温度梯度平滑和降低，从而延长它们的设计寿命，以及一般NR的设计寿命。

通过以下事实解决了技术问题并实现了要求保护的技术成果：一种具有液态金属冷却剂的整体式核反应堆，包括具有下室、堆芯、热室、上室和热交换器的反应堆容器，其中热室位于堆芯上方并包括基本上圆柱形的热室本体，热室本体具有用于将来自堆芯的热的冷却剂移除到热交换器的连接管。热室本体包括热室的内壳和热室的至少一个附加壳，热室的至少一个附加壳在热室的内壳的外部以具有间隙的方式安装并且与热室的内壳同心，与来自外部的冷的冷却剂接触并形成至少一个与冷的冷却剂连通的通道。在这种情况下，每个连接管包括连接管的内壳和连接管的至少一个附加壳，连接管的至少一个附加壳在连接管的内壳的外部以具有间隙的方式安装并且与连接管的内壳同心，与来自外部的冷的冷却剂接触并形成至少一个与冷的冷却剂连通的通道。冷的冷却剂从热交换器的出口进入热室的至少一个所述通道和连接管的至少一个所述通道。

NR的热区的所描述的设计可以使温度均匀分布在热室本体和连接管上，并降低NR的这些结构元件上的热负荷，这对其可靠性和设计寿命产生积极影响。

本发明的具体实施例也是可能的，其中也解决了所设定的问题并且实现了要求保护的技术成果。

因此，为了另外确保热室本体和连接管上的均匀温度分布，在热室的至少一个附加壳中和/或连接管的至少一个附加壳中设有通孔。在具有冷的冷却剂的连接到室的通道的长度很大并阻止冷却剂流入其中的情况下，这些通孔确保额外的冷却剂流。冷却剂流尤其对于维持溶解在通道中的冷却剂中的氧的所需浓度是必要的。孔的形状可以是任意的并且仅由这些孔的功能决定。氧浓度要求由已知的比率确定。

通过壳之间的间隙的冷却剂流的强度尤其通过壳之间的间隙的宽度和附加壳中的孔来调节。选择所述强度以确保内壳和相应附加壳之间的温差的均匀分布，优选地根据线性定律。

为了确保装配的方便性和可靠性，元件温度变动的补偿，塞子、热室的内壳、连接管的内壳的配合，以及防止热的冷却剂进入附加壳和/或内壳与相应附加壳之间的空腔，热室设计可包括利用活塞环的密封件。特别地，优选的是，至少一个第一密封活塞环位于热室的内壳与塞子之间，至少一个第二密封活塞环位于热室的内壳与相邻的热室的附加壳之间，并且至少一个第三密封活塞环位于连接管的内壳与相邻的连接管的附加壳之间。

活塞环优选由高强度且耐腐蚀的材料制成，例如具有片状石墨的掺杂铬和硅的灰口铸铁。

在竖直方向上，在堆芯上方，热室由塞子限制。塞子的优选形状是圆锥梯形，这使得离开堆芯的热的冷却剂的流动方向变得平滑，并将流速转向约90°，以便于其从热室流至连接管以移除热的冷却剂，这对热室组件上热负荷的分布有积极的作用。特别地，塞子可以由至少两个盘元件制成，两个盘元件中的一个在另一个上方以具有间隙的方式安装，并且由钢制成。

此外，参考附图更详细地公开了本发明的可能的实施例。

附图说明

图1示出了根据本发明的整体式反应堆的3D视图。

图2示出了反应堆细节A的3D视图的细节。

图3示出了根据本发明的整体式反应堆的截面1-1。

图4示出了根据本发明的整体式反应堆的截面2-2。

图5示出了用于移除热的冷却剂流的连接管的截面。

图6示出了仅向上移除热的冷却剂的本发明的实施例。

图中的附图标记含义如下：

1-反应堆容器；

2-下室；

3-堆芯；

4-热室；

5-上室；

6-热交换器(蒸汽发生器)；

7-泵；

8-冷却剂供给通道；

9-连接管；

10-热室本体；

11-塞子；

12-热室的内壳；

13-热室的附加壳；

14-热室的冷却通道；

15-连接管的内壳；

16-连接管的附加壳；

17-连接管的冷却通道；

18-热交换器出口；

19-第一密封活塞环；

20-第三密封活塞环；

21-塞子盘元件。

具体实施方式

在一般情况下，核反应堆更简单地如图3所示，包括反应堆容器1，其容纳下室2、堆芯3、热室4、上室5和热交换器(蒸汽发生器)6。这些NR组件中的每一个的目的是本领域技术人员公知的并且不需要额外的解释；因此，将仅描述与本发明相关的各个NR组件的性能特征。

在图中，箭头示出了冷却剂流动方向。

冷的冷却剂由泵7供给至下室2，从此处其通过冷却剂供应通道8进入堆芯3的入口。在堆芯3中，冷却剂被加热并进入位于堆芯3上方的具有堆芯出口温度的热室4。接下来，热的冷却剂被引导至用于移除热的冷却剂的连接管9，其向热交换器(蒸汽发生器)6提供热的冷却剂流供应。

热室4(图2)包括基本上圆柱形的热室本体10和塞子11，热室本体10具有用于将来自堆芯的热的冷却剂移除至热交换器6的连接管9。

根据本发明，热室本体10包括热室的内壳12和热室的至少一个附加壳13。热室的附加壳13在热室的内壳12外部以具有间隙的方式安装并且与热室的内壳12同心，从而形成热室的至少一个冷却通道14。

根据本发明，每个连接管9还包括连接管的内壳15和连接管的至少一个附加壳16，连接管的附加壳16在连接管的内壳15外部以具有间隙的方式安装并且与连接管的内壳15同心，形成连接管的至少一个冷却通道17。

热室的冷却通道14和连接管的冷却通道17与热交换器的出口18(图3)连通，以将冷却的冷却剂流引导到所述冷却通道14、17中。

图3示出了在热交换器6的热的冷却剂入口的下游，流被分成两部分：向上移动的热的冷却剂流的第一部分被第二回路的冷却剂冷却并进入上室5。向下移动的热的冷却剂流的第二部分也被第二回路的冷却剂冷却并进入热交换器出口18，在那里它掉头并沿着冷却通道14、17向上移动。

冷却剂的这种移动，包括其通过冷却通道14、17的通道，有利于热室本体10和连接管的横截面上的温度平衡，并有利于减少其上的热负荷以及由此产生的热应力，从而影响这些结构NR元件的运行可靠性和设计寿命。

选择内壳12、15与相应的附加壳13、16之间的间隙以及相应的附加壳13、16之间的间隙的尺寸，使得造成结构NR元件的热膨胀和位移，这些壳之间不存在直接接触，使得在任何情况下都存在经确保的用于使冷却剂在所述壳之间的冷却通道14、17中循环的间隙。

计算供给到冷却通道14、17的冷却剂的流速，使得沿着冷却通道14、17的热传递显著小于内壳12、15与相应的附加壳13、16之间以及相应的附加壳13、16之间的热传递。

另外，根据本发明，可以在热室的至少一个附加壳13中和/或在连接管的至少一个附加壳16中设有通孔(图5b、5c)。所述通孔提供热的冷却剂流，如图中箭头所示。孔的形状可以是任意的并且仅由这些孔的功能决定。通过冷却通道14、17的冷却剂流的强度尤其利用附加壳中的所述通孔来调节。选择该强度以确保内壳12、15和对应的附加壳13、16之间的温差均匀分布，优选地根据线性定律。

为了避免在由于热膨胀的结构NR元件的运动期间出现高应力，在内壳12、15和相应的配合NR组件之间不存在牢固的连接。在这种情况下，应设置可活动密封件，其优选实施例是活塞环式密封件。

因此，至少一个第一密封活塞环19可以位于热室的内壳12和塞子11之间；至少一个第二密封活塞环(图中未示出)可以位于热室的内壳13和相邻的热室附加壳之间；至少一个第三密封活塞环20可以位于连接管的内壳16和相邻的连接管附加壳之间。

这些活塞环的最优选材料是高强度且耐腐蚀的材料，特别是具有片状石墨的与铬和硅合金化的灰口铸铁。

塞子11在竖直方向上限制堆芯上方的热室4。塞子11的优选形状是圆锥梯形，这使得能够使离开堆芯3的热的冷却剂的流动方向平滑并且将流速转向约90°，以利于其从热室4流至用于移除热的冷却剂的连接管9的通道，这对热室4的组件上热负荷的分布有积极的作用。具体地，塞子11可以由至少两个盘元件21制成，两个盘元件21中的一个在另一个上方以具有间隙的方式安装，并且由钢制成。

因此，本发明使得能够减小容器内结构核反应堆元件的与热的冷却剂流接触的体积和表面积，以确保热室的隔热以及这些元件的有利温度条件，并确保易于组装和易于检查可拆卸接头中的冷却剂泄漏。因此，这些元件中的温差被限制在温度应力不超过屈服强度的值，它们上(热主要是在热室本体和用于移除热的冷却剂的连接管上)的负荷减少，并且它们的设计寿命得到延长。

Claims (6)

1.一种具有液态金属冷却剂的整体式核反应堆，包括具有下室、堆芯、热室、上室和热交换器的反应堆容器，其中所述热室位于所述堆芯上方并且包括基本上圆柱形的热室本体和塞子，所述热室本体具有用于将从所述堆芯供应的热的冷却剂移除到所述热交换器的连接管，并且所述连接管被来自所述热交换器的出口的冷的冷却剂从外部冲洗，其特征在于，所述热室本体包括所述热室的内壳和所述热室的至少一个附加壳，所述热室的至少一个附加壳在所述热室的内壳的外部以具有间隙的方式安装并且与所述热室的内壳同心，形成所述热室的至少一个通道，并且每个连接管包括所述连接管的内壳和所述连接管的至少一个附加壳，所述连接管的至少一个附加壳在所述连接管的内壳的外部以具有间隙的方式安装并且与所述连接管的内壳同心，形成所述连接管的至少一个通道，所述热室的至少一个通道和所述连接管的至少一个通道与所述热交换器的出口连通，以将冷的冷却剂流引导至所述通道中。

2.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述热室的至少一个附加壳和/或所述连接管的至少一个附加壳上设有通孔。

3.根据权利要求1所述的核反应堆，其中至少一个第一密封活塞环位于所述热室的内壳与所述塞子之间，

至少一个第二密封活塞环位于所述热室的内壳和与其相邻的热室的附加壳之间，并且至少一个第三密封活塞环位于所述连接管的内壳与所述连接管的相邻的附加壳之间。

4.根据权利要求3所述的核反应堆，其中所述密封活塞环和/或塞子由高强度且耐腐蚀的材料制成。

5.根据权利要求4所述的核反应堆，其中所述特定材料是具有片状石墨的与铬和硅合金化的灰口铸铁。

6.根据前述权利要求中任一项所述的核反应堆，其中所述塞子包括至少两个盘元件。