具有鉛冷快速反應堆的反應堆系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及核技術，并且意圖用于具有利用主要采用熔化的鉛或其合金的形式的液態金屬冷卻劑進行冷卻的快速反應堆的發電系統中。本發明所解決的問題在于減少反應堆的每單位功率的鉛冷卻劑的體積度，以及提高反應堆的安全性。該系統包括帶上蓋(2)的反應堆空腔(1)、設置在空腔(1)中具有堆芯(4)的反應堆、蒸汽發生器(5)、循環泵(7)、循環導管(8)和(9)、用于起動、操作和停止反應堆系統的促動機構系統和裝置，其中蒸汽發生器(5)采用管式熱交換器的形式，其中鉛冷卻劑(10)在管道中流動，而水蒸汽在管道之間的空間中流動，蒸汽發生器(5)設置在單獨的箱(6)中，并通過用于升高(8)和排放(9)鉛冷卻劑(10)的循環導管而與反應堆空腔(1)相通，蒸汽發生器(5)和大部分循環導管(8)和(9)設置在比反應堆空腔(1)中的鉛冷卻劑(10)的液位更高處，并且循環泵(7)設置在反應堆空腔(1)中，位于循環導管(8)和(9)上，用于使“熱”的鉛冷卻劑升高，并且提供了一種用于當循環泵(7)關閉時確保鉛冷卻劑(10)自然循環穿過堆芯(4)的技術裝置(13)。
【專利說明】
具有鉛冷快速反應堆的反應堆系統
技術領域
[0001]本發明涉及核技術，并且意圖用于具有快速反應堆的發電系統，快速反應堆利用液態金屬冷卻劑進行冷卻，液態金屬冷卻劑主要采用熔化的鉛或其合金的形式。
【背景技術】
[0002]核動能學的長期研究涉及快速動力反應堆的生產，其可容許解決在關閉核燃料循環時的有效且安全的核燃料使用的關鍵問題并提供環境安全性。正在進行的努力包括新一代鉛冷快速反應堆的研究，其具有氮化物滲氮鈾-钚燃料。這種反應堆顯示了超越熱反應堆和鈉冷快速反應堆的基礎優勢，并可產生用于研究具有高水平可靠性、安全性和基本無限制燃料供應的發電廠的基礎。(下一代快速反應堆/ E.0.Adamov , V.V.0rlov, A.1.Filin , V.N.Leonov, A.G.Sila-Novitsky, V.S.Smirnov , V.S.Tsikunov E.0.Adamov, V.V.0rlov , A.1.Filin, V.N.Leonov , A.G.Si Ia-Novi tsky, V.S.Smirnov, V.S.Tsikunov//1997年核工程學和設計，第 173卷，Nol_3，第 143-150頁)。
[0003]在反應堆系統BREST-0D-300的實驗性的測試項目中描述了池反應堆系統的工程和設計詳盡說明，池反應堆系統具有基于液體鉛冷快速反應堆的集成環路類型的主設備(<〈
Koh CTp y ktmb h m e μ ko m no η οβοη η μ e penie η ηη oc η οβ η μ χ y 3J1B μ οδορy AOBa η μη peaKTopa B P E C T-O JX -300》.B.H.JI eo η οβ , Α.Α.Π MKa J1 B，A.Γ.CMJia-HoBMLiKMH μ AP.BAHTj cepMH: O 6ecneHe η He 6e3onac η octm A3C，B η π y CK 4，MocKBa，Γ Y Π HHK Η3Τ , 2004 r.，CTp.65-72) 0
[0004]該系統包括具有內鋼包的增強的鋼筋混凝土空腔、帶上蓋的反應堆容器單元、堆芯、控制堆芯反應度的促動機構系統、蒸汽發生器和主循環栗、用于凈化冷卻劑的質量傳遞裝置和過濾器的系統、用于堆芯構件的補注燃料系統、工藝參數監視系統以及其它輔助系統。BREST-0D-300反應堆系統的容器單元包括一個中心和四個外圍平底的管狀空腔，其與上蓋一起限定了反應堆系統的主回路邊界，其中冷卻劑的循環除去了來自堆芯的熱量，產生了覆蓋氣體的體積，并設置了反應堆內裝置和設備。堆芯設置在容器單元的中心空腔中，并且蒸汽發生器單元設置在四個外圍空腔中，外圍空腔通過上管道和下管道而連接在中心空腔上。各個蒸汽發生器具有用于加熱超臨界參數的水(蒸汽)的管式換熱器的形式，其浸入到鉛冷卻劑流中，鉛冷卻劑在蒸汽發生器殼的管道之間的空間中以頂部至底部的方向循環。在管道泄漏和蒸汽流入到鉛冷卻劑循環回路中的情況下，通過切斷二次回路中的供水和主蒸汽供給導管從而提供了蒸汽發生器的關閉。在反應堆BREST-0D-300中通過利用循環栗將所述冷卻劑抽送出蒸汽發生器空腔至反應堆壓力室的水平而提供鉛冷卻劑循環，從壓力室，所述冷卻劑下降至堆芯入口室，然后由于同燃料組件的燃料元件的接觸而升高并在堆芯中進行加熱，之后進入“熱”冷卻劑公共室中。此外，冷卻劑流入到入口室和蒸汽發生器的管道之間的空間中，被冷卻下來，并傳遞給循環栗入口中；在此之后將其再次供給到反應堆壓力室中。
[0005]公開的系統結構意圖用于提供試驗反應堆BREST-0D-300，并檢驗可用于研究新一代鉛冷快速動力反應堆中的技術方案。這種反應堆包括集成環路類型的主設備，其具有大的尺寸且每單位輸出功率具有高的所用鉛冷卻劑比重。例如，對于BREST-1200反應堆，這個因數是1.4 和更大，其依賴于主設備的單位功率和規劃布局。
[0006]作為最緊密的方案，選擇了一種池類型核動力系統，其具有基于鉛冷快速反應堆的集成環路類型的主設備(RU2247435)。該系統包括設置在中心箱中的反應堆、設置在外圍箱中的蒸汽發生器和循環栗、以及冷卻劑處理系統，其利用氣體混合物進行一氧化鉛回收。反應堆、蒸汽發生器和循環栗設置在無液體金屬冷卻劑液位之下。所述系統的蒸汽發生器以管式換熱器的形式制成，其具有供給水(蒸汽)的管道和在管道之間的空間，其中鉛冷卻劑在該空間以頂部至底部方向循環。在反應堆系統的內部，在無液體金屬冷卻劑液位和上蓋之間存在公共氣室，其與氣體循環和凈化系統相通。
[0007]這種技術方案的缺點是內部高壓力設備(蒸汽發生器)設置在填充了熔化鉛的外圍箱中。這增加了蒸汽發生器管道完整性損失和水(蒸汽)進浸到冷卻劑中的風險。此外，集成環路類型主設備的每單位反應堆功率具有高的所用鉛冷卻劑比重，其導致反應堆尺寸和這種反應堆生產成本的增加。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是改善現有鉛冷快速反應堆系統，以減少生產和操作成本，同時提供這種系統在其操作和緊急條件下的高安全水平。這個問題可通過在鉛冷卻劑外部設置高內部壓力蒸汽發生器并減少每單位反應堆功率的鉛冷卻劑體積度從而產生一種新的裝置來解決。
[0009]本發明反應堆系統(包括帶上蓋的反應堆空腔、設置在空腔中并具有堆芯的反應堆、蒸汽發生器、循環栗、循環導管、用于起動、操作和關閉反應堆系統的促動機構系統和裝置)包括管式熱交換器形式的蒸汽發生器，其中冷卻劑在管道中流動，并且水蒸汽在管道之間的空間中循環，其中所述蒸汽發生器設置在單獨的箱中，并通過循環導管與反應堆空腔相通，用于升高和排出鉛冷卻劑，并且所述蒸汽發生器和大部分循環導管設置在比反應堆空腔中的鉛冷卻劑液位更高處，循環栗安裝在反應堆空腔中，位于循環導管上，用于使“熱”的鉛冷卻劑升高，并且本發明反應堆系統包括技術裝置，其在循環栗關閉時使鉛冷卻劑自然循環穿過反應堆堆芯。
[0010]根據一個特定的實施例，當循環栗關閉時使鉛冷卻劑自然循環穿過反應堆堆芯的技術裝置采用制作于殼-環中的孔的形式，殼-環分隔了反應堆空腔中的冷卻劑循環回路的下降管部分和上升管部分。
[0011]根據另一特定的實施例，使鉛冷卻劑自然循環的裝置設有當反應堆在正常操作條件下操作時最大限度地減小通過殼-環中制成的通孔的冷卻劑流量的裝置。該裝置具有位于循環導管的上升管部分上的旁路形式，其與殼-環中制成的通孔相通，并與反應堆空腔中的冷卻劑循環回路的下降管部分相通。
[0012]根據另一特定的實施例，最大限度地減少冷卻劑流量的裝置具有輔助栗的形式，用于在反應堆空腔中將冷卻劑從冷卻劑循環回路的上升管部分抽送到下降管部分中。
[0013]根據本發明另一特定的實施例，各個蒸汽發生器設有當冷卻劑溫度升高至比可容許水平更高時進行操作的蒸汽排放裝置。
[0014]根據反應堆系統的另一特定的實施例，各個蒸汽發生器箱具有氣室，其設有緊急蒸汽排放裝置。
[0015]本發明所解決的問題是提供一種半集成的利用重冷卻劑的反應堆系統，其中:主設備與循環栗一起設置在反應堆空腔中，蒸汽發生器具有反向類型，并比反應堆空腔中的無鉛水平更高的水平分布在單獨的箱中。這種布置將容許增加反應堆系統在正常操作條件下以及在緊急情況下的可靠性和安全性，以及減少鉛冷卻劑體積并因而減少在發電單元構造期間的成本。
【附圖說明】
[0016]圖1是根據本發明的反應堆系統的示意圖。
[0017]圖2是在正常操作條件下最大限度地減小系統中的通過孔的冷卻劑流量的裝置的第一實施例的示意圖，提供的孔用于當循環栗關閉時自然的冷卻劑循環。
[0018]圖3是在正常操作條件下最大限度地減小系統中的通過孔的冷卻劑流量的裝置的第二實施例的示意圖，提供的孔用于當循環栗關閉時自然的冷卻劑循環。
【具體實施方式】
[0019]反應堆系統包括帶上蓋(2)的反應堆空腔(1)、設置在空腔(I)中具有堆芯(4)的反應堆(3)、設置在單獨的箱(6)中的蒸汽發生器(5)、循環栗(7)、循環導管(8)和(9)、以及用于起動、操作和緊急停止反應堆的促動機構系統和裝置(示意圖中未顯示)。采用管式換熱器形式制成的蒸汽發生器(5)通過用于升高(8)和排放(9)鉛冷卻劑(10)的循環導管而與反應堆空腔(I)相通，并且設置成高于冷卻劑的“冷”液位(U)。循環栗(7)的葉輪安裝在反應堆空腔(I)中，低于鉛冷卻劑(10)的“熱”液位(12)。
[0020]制成的蒸汽發生器(5)使得鉛冷卻劑在蒸汽發生器管道中從頂部流向底部。二次回路水通過下管道(27)流入到蒸汽發生器中，并且蒸汽通過上管道(28)排出。
[0021]根據特定的實施例，本系統包括一種用于當循環栗(7)關閉時使鉛冷卻劑自然循環穿過反應堆堆芯(4)的技術裝置。這種裝置可采用例如通孔(13)的形式來完成，通孔(13)制作于殼-環(14)中，殼-環(14)分隔了反應堆空腔(I)中的鉛冷卻劑循環回路的上升管部分(15)和下降管部分(16)。
[0022]根據另一特定的實施例，當反應堆在正常操作條件下操作時，這種技術裝置采用最大限度地減小通過制作于殼-環(14)中的通孔(13)的冷卻劑流量的裝置形式。該裝置可以旁路(17)的形式制成(圖2)，其通過孔(24)將循環導管(8)的上升管部分與循環回路的上升管部分(15)連接起來，并通過孔(13)與循環回路的下降管部分(16)連接起來。
[0023]最大限度地減小鉛冷卻劑流量的裝置還可制作成輔助栗(18)(圖3)，其在反應堆空腔(I)中將冷卻劑從冷卻劑循環回路的上升管部分(15)抽送到下降管部分(16)中。
[0024]各個蒸汽發生器(5)具有用于當冷卻劑溫度升高至比可容許的水平更高時排放蒸汽的蒸汽排放裝置(19)，以及用于將蒸汽從箱(6)排放到大氣中的蒸汽排放裝置(20)。反應堆空腔(I)的氣室(21)和蒸汽發生器(5)箱(6)的氣室(22)通過密封裝置(23)而彼此分隔開。
[0025]在反應堆系統的主回路中的鉛冷卻劑循環執行如下。冷卻劑通過循環栗(7)從反應堆上升管部分(15)經由升高循環導管(8)而抽送到蒸汽發生器(5)的頂部部分中，然后在反應堆空腔(I)中通過排放循環導管(9)而流入到鉛冷卻劑循環回路的下降管部分(16)中。這種冷卻劑從下降管循環部分(16)流入到堆芯(4)中，在此處其由于與燃料元件表面的接觸而被加熱。在此之后，冷卻劑被傳遞給循環栗(7)，因而在正常系統操作條件下關閉了循環回路。
[0026]在反應堆空腔(I)和蒸汽發生器(5)中的鉛冷卻劑的數量經過計算，使得在循環導管(8)和(9)降壓或蒸汽發生器緊密性故障的情況下，反應堆空腔(I)內部的鉛冷卻劑液位將仍然足以通過自然循環而冷卻堆芯(4)。
[0027]—旦循環栗(7)被關閉，冷卻劑從蒸汽發生器(5)完全排放到反應堆空腔(I)中的冷卻劑循環回路的下降管部分(16)中，流入到堆芯(4)，并接著流入到循環回路的上升管部分(15)中。另外，在“7令”冷卻劑液位(11)和“熱”冷卻劑液位(12)之間的差異被減少了，并且冷卻劑從循環回路的上升管部分(15)通過制作于殼-環(14)中的通孔(13)而流入到下降管部分(16)中，因而在緊急條件下關閉了鉛冷卻劑(10)自然循環回路。
[0028]為了在正常操作條件下補償冷卻劑通過孔(13)的流動，使用了采用旁路(17)形式的裝置(圖2)，其通過孔(24)將循環導管(8)的上升管部分與循環回路的上升管部分(15)連接起來，并通過孔(13)與循環回路的下降管部分(16)連接起來。當循環栗(7)處于操作時，冷卻劑流速的主要部分通過制作于旁路(17)導管中的孔(24)進入部分(15)中，并且這個流速的一小部分通過孔(13)而被分布到循環回路的下降管部分(16)中。當循環栗(7)被關閉并且“冷”液位(11)和“熱”液位(12)被平衡時，建立起了冷卻劑自然循環。
[0029]圖3中所示用于冷卻劑流量補償的裝置還可制作成輔助栗(18)和導管(25)，其通過孔(13)而將冷卻劑循環回路的上升管(15)和下降管(16)部分連接起來。當栗(18)處于操作時，導管(25)的內部壓力增加，因而防止冷卻劑從下降管部分(16)流入到循環回路的上升管部分(15)中。栗(18)可包括飛重，其在循環栗(7)關閉時有助于冷卻劑自然循環。
[0030]該系統的半集成結構和將反向蒸汽發生器(5)設置成高于空腔(I)中所存在的鉛冷卻劑液位容許鉛冷卻劑完全排出到反應堆中，因而在伴隨二次回路蒸汽導管破壞的事故情況下保護系統免于冷卻劑凝固，并且極大地有利于蒸汽發生器管道中的沉淀物沖洗。
[0031]反向蒸汽發生器(5)在反應堆系統中的使用可極大地提高其可靠性，因為在這種情況下，蒸汽發生器管道(26)會遇到二次回路冷卻劑(水-蒸汽)的外部壓力。同樣，在蒸汽發生器(5)上游的緊急鉛冷卻劑溫度升高的情況下，管道丟失其穩定性而非受損(這是針對直接換熱器的情況，它們塌縮)，因而僅僅完全防止活動的冷卻劑(10)流出回路邊界并使水蒸汽進入到鉛冷卻劑循環回路中。蒸汽發生器(5)設有主動和被動蒸汽排放裝置，其限制了事故影響，并消除了核物質的環境釋放的風險。
[0032]工業應用
這樣，反應堆系統的新穎設計的實際使用將顯著地減少鉛冷卻劑的數量，并提高了反應堆系統在正常操作條件下和緊急情況下的可靠性和安全性。
【主權項】
1.一種反應堆系統，包括帶上蓋(2)的空腔(I)、設置在所述空腔(I)中的具有堆芯(4)的反應堆(3)、蒸汽發生器(5)、主循環栗(7)、主循環導管(8)和(9)、用于起動、操作和緊急停止反應堆的促動機構系統和裝置，其特征在于，所選擇的蒸汽發生器(5)是反向類型，并且分布在單獨的箱(6)中，高于所述反應堆空腔(I)中所存在的鉛冷卻劑液位，所述蒸汽發生器(5)通過用于升高和排放鉛冷卻劑(10)的循環導管(8)和(9)而與所述反應堆空腔(I)相通，所述主循環栗(7)安裝在所述反應堆空腔(I)中，位于所述主循環導管(8)和(9)上，以用于升高熱的鉛冷卻劑(10)，并且提供了設置在所述反應堆空腔(I)中的用于當所述循環栗(7)關閉時使鉛冷卻劑(10)自然循環穿過所述堆芯(4)的裝置。2.根據權利要求1所述的反應堆系統，其特征在于，用于使鉛冷卻劑(10)自然循環的裝置具有制作于殼-環(14)中的孔(13)以及當所述系統在正常操作條件下操作時最大限度地減小通過所述孔(13)的冷卻劑流量(10)的裝置的形式，所述殼-環(14)分隔所述反應堆空腔(I)中的冷卻劑(10)循環回路的下降管部分(16)和上升管部分(15)。3.根據權利要求2所述的反應堆系統，其特征在于，最大限度地減小冷卻劑流量的裝置具有旁路(17)的形式，其位于所述循環導管(8)的上升管部分上，并且通過孔(24)與所述循環回路的上升管部分(15)連接起來，并通過所述孔(13)與所述冷卻劑循環回路的下降管部分(16)連接起來。4.根據權利要求2所述的反應堆系統，其特征在于，最大限度地減小冷卻劑流量的裝置具有帶導管(27)和(28)的輔助栗(18)的形式，所述導管通過制作于所述殼-環(14)中的孔(13)而將所述冷卻劑(10)循環回路的上升管部分(15)和下降管部分(16)連接起來。5.根據權利要求1所述的反應堆系統，其特征在于，各個蒸汽發生器(5)具有當所述冷卻劑(10)溫度上升至高于可容許的水平時用于排放蒸汽的蒸汽排放裝置(19)。6.根據權利要求1或5所述的反應堆系統，其特征在于，各個蒸汽發生器(5)箱(6)設有緊急蒸汽排放裝置(20)。
【文檔編號】G21C1/03GK106062883SQ201480074054
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年11月27日
【發明人】B.B.庫賓特塞夫, V.N.利奧諾夫, A.V.洛帕特金, Y.V.徹諾布羅維金
【申請人】俄羅斯聯邦諾薩頓國家原子能公司