專利名稱:具有緊湊的非能動安全系統(tǒng)的壓水反應(yīng)堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆技術(shù)、核發(fā)電技術(shù)、核安全技術(shù)和相關(guān)技術(shù)。
背景技術(shù)：
核反應(yīng)堆安全的中心問題是將放射性堆芯保持在浸沒狀態(tài)下，并將足夠的熱量移去。在正常運行過程中，反應(yīng)堆堆芯設(shè)置在充滿(或大部分填充)一次冷卻劑(例如，在輕水反應(yīng)堆情形中的輕水)的密封反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)。通過一次冷卻劑循環(huán)通過“熱阱”來移走熱量。在核電廠的情形中，“熱阱”通常采取蒸汽發(fā)生器或渦輪機的形式。例如，在沸水反應(yīng)堆(BWR)中，一次冷卻劑在壓力容器內(nèi)沸騰，被汽水分離器/干燥器組件隔開的一次冷卻劑蒸汽被送到渦輪機中，在那里，在渦輪機上作有用功的動作使蒸汽冷卻下來。冷凝的蒸汽流 回到BWR的壓力容器內(nèi)而完成一次冷卻劑循環(huán)。渦輪機又驅(qū)動發(fā)電機，產(chǎn)生BWR電廠的電力輸出。
在壓水反應(yīng)堆(PWR)的情形中，一次冷卻劑保持在欠熱液相中(可能壓力容器頂部處的蒸汽氣泡除外)。將欠熱液態(tài)的一次冷卻劑泵送通過位于壓力容器外面的蒸汽發(fā)生器，在蒸汽發(fā)生器處，將熱量傳遞給二次冷卻劑，二次冷卻劑又驅(qū)動渦輪機。離開蒸汽發(fā)生器的一次冷卻劑流回到壓力容器內(nèi)而完成一次冷卻劑的循環(huán)。
在一種變體的“一體化”PWR設(shè)計中，蒸汽發(fā)生器位于壓力容器內(nèi)部。在典型的一體化PWR設(shè)計中，環(huán)形上升管設(shè)置在壓力容器內(nèi)而形成內(nèi)部“上升管”和外部環(huán)形的“下降管”區(qū)域。一次冷卻劑在上升管區(qū)域內(nèi)向上(遠離反應(yīng)堆堆芯)流動，并在外部環(huán)形的下降管區(qū)域中向下流而完成一次冷卻劑流動循環(huán)。內(nèi)部蒸汽發(fā)生器通常設(shè)置在下降管區(qū)域內(nèi)，并包括許多管子，一次冷卻劑在管內(nèi)向下流動，而二次冷卻劑在管外向上流動(或替代地，二次冷卻劑在管內(nèi)向上流動，一次冷卻劑在管外向下流動)。
設(shè)計出各種安全系統(tǒng)來補救各種可能的事件，這些事件可能危及將反應(yīng)堆堆芯保持浸沒在一次冷卻劑中并充分冷卻的目標。由安全系統(tǒng)解決的兩種可能事件是冷卻劑喪失事故(LOCA)以及熱阱喪失事故。傳統(tǒng)上，安全系統(tǒng)包括鋼制安全殼結(jié)構(gòu)，安全殼結(jié)構(gòu)包圍壓力容器并具有足夠結(jié)構(gòu)強度來包含釋放出的一次冷卻劑蒸汽。在安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置冷凝器，以冷凝一次冷卻劑蒸汽，從而降低安全殼內(nèi)的壓力。位于安全殼結(jié)構(gòu)外面的包括很大水體的最終熱阱提供用于冷凝器所捕獲的熱量的熱阱。位于安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的換料水儲存箱(RWST)在換料操作過程中提供水，并還用作緊急情況下的水源。
在LOCA事故中，壓力容器或連接管道(例如，將一次冷卻劑傳送到外部渦輪機或蒸汽發(fā)生器或從外部渦輪機或蒸汽發(fā)生器中傳出一次冷卻劑的管道)的破裂造成壓力容器減壓和可能的一次冷卻劑泄漏。LOCA的補救措施包括(I)容納和冷凝一次冷卻劑以使該系統(tǒng)減壓；以及(2)向壓力容器補水以使反應(yīng)堆堆芯保持被浸沒。RWST提供補水，而位于安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷凝器提供對逸出的一次冷卻劑蒸汽進行再冷凝的機構(gòu)。
在熱阱喪失的事件中，喪失“熱阱”。在BWR中，如果一次冷卻劑蒸汽向渦輪機的流動中斷(例如，因為渦輪機必須非預(yù)期地停機或突然地發(fā)生故障)，就可發(fā)生熱阱的喪失。在PWR中，相應(yīng)的事件是流經(jīng)外部蒸汽發(fā)生器的欠熱一次冷卻劑流動的中斷。在一體化的PWR中，對應(yīng)的事件是喪失流過內(nèi)部蒸汽發(fā)生器的二次冷卻劑。在任何的熱阱喪失事件中，所作的響應(yīng)包括將蒸汽從壓力容器排到位于安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷凝器，以移去熱量和有控制地使壓力容器減壓。理想地是，這將使用閉合的系統(tǒng)來完成，在閉合系統(tǒng)中，來自壓力容器的蒸汽排放到冷凝器內(nèi)。然而，如果由于熱阱喪失而使壓力上升過快，則有必要將蒸汽排放到安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)(實際上，將熱阱喪失事件轉(zhuǎn)化為有控制的LOCA)。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面，一種裝置包括包括壓力容器和設(shè)置在壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯的核反應(yīng)堆；含有核反應(yīng)堆的地下安全殼結(jié)構(gòu)；以及設(shè)置在地面線的最終熱阱池，其中，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部形成最終熱阱池底部的至少一部分。在某些實施例中，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部包括上部穹頂。在某些實施例中，該裝置還包括包括熱交換器的冷凝器，熱交換器包括設(shè)置在地下安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷、熱流動路徑；以及可操作地將冷凝器與最終熱阱池相連接的冷卻水管線?！0009]在本發(fā)明的另一個方面，一種裝置包括包括壓力容器和設(shè)置在壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯的壓水反應(yīng)堆(PWR);含有核反應(yīng)堆的地下安全殼結(jié)構(gòu)；以及最終熱阱池，其具有至少部分地由地下安全殼結(jié)構(gòu)上部所形成的底部。在某些實施例中，地下安全殼結(jié)構(gòu)上部包括上部穹頂。在某些如此的實施例中，上部穹頂突出到最終熱阱池表面上方，以形成由最終熱阱池包圍的島。
在本發(fā)明的另一個方面，一種裝置包括包括壓力容器和設(shè)置在壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯的核反應(yīng)堆；含有核反應(yīng)堆的地下安全殼結(jié)構(gòu)；設(shè)置在安全殼結(jié)構(gòu)頂上的最終熱阱池，其中，安全殼結(jié)構(gòu)形成最終熱阱池的底部；包括熱交換器的冷凝器，熱交換器包括設(shè)置在安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷、熱流動路徑；以及可操作地將冷凝器與最終熱阱水池相連接的冷卻水管線。


本發(fā)明可采取各種部件和部件布置的形式，并為各種運行工藝和運行工藝布置。附圖只是為了說明優(yōu)選的實施例并不可認為限制本發(fā)明。
圖I示意性地示出包括如文中披露的緊急安全系統(tǒng)的核反應(yīng)堆設(shè)施的側(cè)剖視圖。
圖2示意性地示出圖I的安全殼結(jié)構(gòu)實施例的俯視圖,其包括增大表面積的槽或波紋。
圖3和4用圖示方式示出圖2的增大表面積的槽或波紋的兩個實施例的側(cè)視圖。
具體實施方式
這里披露的是改進的緊急安全系統(tǒng)，其具有非能動操作和減少易受諸如淹沒、地震、敵對攻擊等的外部影響危害的優(yōu)點。
參照圖1，所示的壓水反應(yīng)堆(PWR)型的核反應(yīng)堆10包括壓力容器12，其在所示實施例中為圓柱形的垂直安裝容器。核反應(yīng)堆堆芯14設(shè)置在壓力容器12下部。(注意，在所示的圖I中，反應(yīng)堆堆芯14通過壓力容器12中切去部分16而露出)。反應(yīng)堆堆芯14包括大量裂變材料，例如，含有二氧化鈾(UO2)的材料，它是合適基材內(nèi)裂變的235U同位素濃縮產(chǎn)物。在典型結(jié)構(gòu)中，裂變材料布置為放置在籠形燃料元件架內(nèi)的“燃料棒”。壓力容器12包括處于欠熱狀態(tài)下的一次冷卻劑水(通常為輕水，即，H2O,但也可考慮重水，即，D2O).
壓水反應(yīng)堆10包括未予示出的行內(nèi)公知的其它部件，例如，支承壓力容器12內(nèi)反應(yīng)堆堆芯14的“架子”或其它結(jié)構(gòu)；由控制棒驅(qū)動機構(gòu)(CRDM)選擇性地插入到反應(yīng)堆堆芯14內(nèi)的吸收中子的控制棒，用來控制核鏈式反應(yīng)；以及形成壓力容器12內(nèi)一次冷卻劑循環(huán)路徑的中央上升管，一次冷卻劑泵等。這些各種部件可不同地設(shè)置在壓力容器內(nèi)或外。例如，CRDM可以是外部的，就如傳統(tǒng)的情形那樣，或可位于壓力容器內(nèi)部，就如以下專利中所描述的那樣2010年12月16日出版的Stambaugh等人的題為“用于核反應(yīng)堆的控制棒驅(qū)動機構(gòu)”的U. S. Pub. No. 2010/0316177A1，本文以參見方式引入其全部內(nèi)容；以及2010年12月16日出版的Stambaugh等人的題為“用于核反應(yīng)堆的控制棒驅(qū)動機構(gòu)”的國際公開W02010/144563A1，本文以參見方式引入其全部內(nèi)容。反應(yīng)堆冷卻劑泵可以是內(nèi)部的或外部的，在某些實施例中，可以完全省略，在此情形中，通過自然循環(huán)由反應(yīng)堆堆芯14產(chǎn)生的熱 量驅(qū)動一次冷卻劑流動。
所示的PWRlO是一體化的PWR設(shè)計，由此意味著內(nèi)部蒸汽發(fā)生器設(shè)置在壓力容器12內(nèi)。所安裝的蒸汽發(fā)生器未予示出；然而，圖I示意地示出移去的內(nèi)部蒸汽發(fā)生器20，為了維護保養(yǎng)，蒸汽發(fā)生器已從壓力容器12移出，或在安裝到壓力容器12內(nèi)之前如圖所示地定位，或類似地定位等。另外，傳統(tǒng)的部件未予示出，例如，用來提起壓力容器上部以便打開壓力容器12以及用來移動蒸汽發(fā)生器20的吊車；各種腳手架、用于人員走動的走道或諸如此類的人行道、各種輔助設(shè)備和電子設(shè)備等。
PWRlO容納在安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)。安全殼結(jié)構(gòu)22通常是鋼結(jié)構(gòu)，以提供結(jié)構(gòu)強度和高的熱導(dǎo)率(以便于如文中披露的熱量移去技術(shù)的實施)。附加地或替代地，部分的或全部的安全殼結(jié)構(gòu)22可用鋼筋混凝土、諸如帶有嵌入的微粒以提高熱導(dǎo)率的鋼基質(zhì)復(fù)合材料等制成。
所示的安全殼結(jié)構(gòu)22通常為圓柱形的，并還包括下部淹沒井24和上部穹頂26。下部淹沒井含有包括反應(yīng)堆堆芯14的壓力容器12下部。該淹沒井能在某些緊急情況下用水淹沒下部區(qū)域，以便幫助冷卻反應(yīng)堆堆芯14。如這里所披露的，上部穹頂26提供加強的結(jié)構(gòu)強度并在某些緊急情況下用作為蒸汽冷凝表面。安全殼結(jié)構(gòu)22大到足以容納PWR10，并在安裝和/或維護期間為諸如移去蒸汽發(fā)生器20之類的操作額外地提供空間。
安全殼結(jié)構(gòu)22位于地下，由此意味著安全殼結(jié)構(gòu)22位于地面之下，即，低于地平線30 (對于上部穹頂26的最上端部分可能除外)。二次安全殼結(jié)構(gòu)32包含(主)安全殼結(jié)構(gòu)22。二次安全殼結(jié)構(gòu)32通常用混凝土、鋼筋混凝土或其它合適的結(jié)實的建造材料制成。在這里披露的實施例中，二次安全殼結(jié)構(gòu)32不是熱通道，因此構(gòu)成二次安全殼結(jié)構(gòu)32的材料熱導(dǎo)率不是設(shè)計所要考慮的(因此，使得混凝土是合適的材料)。二次安全殼結(jié)構(gòu)32大部分在地下，以便“包含”地下的主安全殼結(jié)構(gòu)22 ;然而，二次安全殼結(jié)構(gòu)32的上部“屋頂”34是在地面以上的。
安全殼結(jié)構(gòu)22的地下布置以及其相對大的尺寸便于使用非能動的緊急冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括地面的(即，地平線處)最終熱阱(UHS)池40，其與安全殼結(jié)構(gòu)22的上部穹頂26熱連通。上部穹頂26具有用作為UHS池40至少一部分“底部”的外表面42以及用作為被UHS池40冷卻的冷凝表面的內(nèi)表面44。UHS池40由形成池40至少一部分“底部”的上部穹頂26連同側(cè)壁46以及在所示實施例中焊接(或其它方式密封地連接)到上部穹頂26的附加的底部部分48 —起包含。在某些實施例中，該附加的底部部分48可被省略，代之以將側(cè)壁直接焊接(或其它方式直接密封地連接)到上部穹頂26。
“地面”或“地平線處”意味著UHS水池40內(nèi)的水大部分或全部在地平線之下，且當UHS池40處于其最大容量時，水表面大約就在地平線處。水表面可略微低于地平線，但不應(yīng)太低于地平線而使地震、爆炸或其它的破壞會造成周圍地面坍倒到UHS池40內(nèi)和湮沒該池。同樣地，水表面可略微高于地面線(例如，構(gòu)造側(cè)壁來延伸到高于地面)，但不應(yīng)太高于地面線而使地面上方的泄漏會導(dǎo)致UHS池干涸。
二次安全殼結(jié)構(gòu)32的上部(即，屋頂34)可選擇性地省略掉。包括有屋頂34能更·好地控制UHS池40內(nèi)組成成分(例如，化學(xué)成分)，并防止碎片落入UHS池40內(nèi)。在某些實施例中，UHS池40設(shè)置有蓋子，其與二次安全殼結(jié)構(gòu)分開。另一方面，在某些實施例中，UHS池的側(cè)壁46和選擇性的底部48可形成二次安全殼結(jié)構(gòu)的一部分。具體來說，可考慮UHS池40壁和底部這一方與二次安全殼結(jié)構(gòu)32這另一方之間的各種集成和/或分離的水平和程度。如果省略二次安全殼結(jié)構(gòu)32不危及到安全且不違反適用的核管理標準，則還可考慮完全省略二次安全殼結(jié)構(gòu)32。
UHS池40如下地提供非能動的排熱。從壓力容器12中釋放出的一次冷卻劑(不管是失控的LOCA還是諸如在熱阱喪失事件中所進行的有控制的L0CA)自然地上升并接觸穹頂26的內(nèi)表面44。與穹頂26外表面42接觸的UHS池40使穹頂26保持在外部的環(huán)境溫度下(或者更精確地說是在UHS池40水溫左右，該水溫處于或接近于外部的環(huán)境溫度)。穹頂26的鋼材(或其它合適選擇的材料)的高熱導(dǎo)率保證外表面和內(nèi)表面42、44處于大致相同的溫度。因此，與蒸汽(其為100°C或高于IO(TC)相比，內(nèi)表面44是冷的(例如，在大多數(shù)氣候條件下為40°C或低于40°C)。一次冷卻劑蒸汽因此冷凝到穹頂26的內(nèi)表面44上，它的潛熱和任何附加的動能通過(高熱導(dǎo)率的)穹頂26傳遞到UHS池40。
冷凝的一次冷卻劑呈粘附在穹頂26內(nèi)表面44上的水(或水滴)形式。在某些實施例中，這樣的水就讓其在重力作用下落下或沿著表面流下。有利地是，這會導(dǎo)致大量冷凝水流入淹沒井24內(nèi)以為對淹沒井24的淹沒作出貢獻。替代地，設(shè)置折流板50來導(dǎo)向冷凝水的流動。在圖示的實施例中，折流板50布置成將冷凝水導(dǎo)向到換料水儲存箱(RWST)52內(nèi)，該換料水儲存箱(RWST) 52在某些緊急工況(諸如某些LOCA事件)下用于對壓力容器12補水。
在某些實施例中，UHS水池40也用作為設(shè)置在二次安全殼結(jié)構(gòu)32內(nèi)的冷凝器60的冷卻水。冷凝器60為冷凝一次冷卻劑蒸汽而提供附加的機構(gòu)。在某些實施例中以及在某些緊急工況下，冷凝器60入口直接連接到安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)部，以便冷凝已經(jīng)釋放到安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)的一次冷卻劑蒸汽。在某些實施例中以及在某些緊急工況下，冷凝器60可連接到壓力容器12 (連接未予示出)，以便冷凝壓力容器12內(nèi)的一次冷卻劑蒸汽。這后一種方法例如在熱阱喪失事件的情形中是有用的，在熱阱喪失事件中，壓力容器12的密封完整性尚未受到危及，但由于熱阱的失去，壓力容器12內(nèi)的壓力在上升(一次冷卻劑轉(zhuǎn)換為蒸汽)。冷凝器60包括熱交換器61，熱交換器包括冷、熱流動路徑(圖I中示意地示出)。一次冷卻劑蒸汽在熱路徑中流動，而冷卻水流過冷路徑。冷、熱流動路徑彼此流體隔絕，但彼此熱力連通。例如，冷凝器60可包括在集管中的管子，其中，管子形成一個流動路徑，而集管形成另一流動路徑。在另一構(gòu)思的結(jié)構(gòu)中，冷、熱流動路徑可以是兩個互相盤繞的管子。
冷卻水通過入口管道62從UHS 池40流入冷凝器60內(nèi)，而被加熱的冷卻水(其可以仍是水，或可以是蒸汽，或可以是某種蒸汽/水的混合態(tài))通過出口管道64流回到UHS池40。所示的管道62、64具有與UHS池40流體連通的開口端；替代地，這些端部可與設(shè)置在UHS池40內(nèi)的熱交換器盤管66 (圖I中用虛線示出)連接，以使冷卻水與一次冷卻劑蒸汽和UHS池40都流體隔絕。圖I的實施例包括冷凝器60，冷凝器包括熱交換器61，熱交換器包括設(shè)置在地下安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)的冷、熱流動路徑，冷卻水管線62、64將冷凝器60與UHS池40可操作地連接。盡管示出了單個冷凝器60，但可以理解，一個、兩個、三個、四個或更多個冷凝器60可設(shè)置在地下的安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)，并帶有合適的連接冷卻水管線62、64。使用多個冷凝器60可提供冗余性，并會是適用的核管理法規(guī)所要求的。此外，當設(shè)置多個冷凝器60時，熱流動路徑可連接到不同的部位。例如，一個或多個冷凝器可連接到壓力容器12，以對包含在壓力容器12內(nèi)的一次冷卻劑蒸汽提供冷凝作用，一個或多個冷凝器可布置成在地下安全殼結(jié)構(gòu)22的內(nèi)部容積上運行，以對LOCA期間從壓力容器12中逸出的一次冷卻劑蒸汽提供冷凝作用。
還可理解到，在某些實施例中，可省略掉冷凝器，或可讓它們的冷流動路徑連接到除UHS池40之外的冷卻水源。在某些如此的實施例中，從地下安全殼結(jié)構(gòu)22的內(nèi)部到UHS池40的唯一傳熱路徑是通過安全殼結(jié)構(gòu)22的上部穹頂26。
如所示的上部穹頂26那樣的安全殼結(jié)構(gòu)22上部的結(jié)構(gòu)具有某些優(yōu)點。穹頂形狀具有有利的結(jié)構(gòu)強度，由于上部穹頂26用作UHS池40底部的至少一部分，所以，其可用來支承UHS池40的重量。穹頂形狀還提供比平屋頂大的表面面積。然而，也可考慮支承UHS池的安全殼結(jié)構(gòu)的上部具有不同于穹頂形狀的結(jié)構(gòu)，例如平屋頂、斜屋頂?shù)取?br>簡要地參照圖2-4，所示的上部穹頂26可選擇性地包括槽或波紋70，其增加冷凝表面面積。圖2提供示出有利構(gòu)造的上部穹頂26的俯視圖，其中，槽或波紋沿著冷凝液預(yù)期流動的大致方向“向下”延伸。圖3和4示出槽或波紋70的兩個合適的構(gòu)造。圖3和4示出通過上部穹頂26—小部分的剖視圖，截面橫向于槽或波紋70的方向定向。在圖3的實施例中，槽或波紋70形成在上部穹頂26的外表面42和內(nèi)表面44上。該構(gòu)造可具有如下制造優(yōu)勢，即，上部穹頂26的厚度為恒定的(雖然是波紋或包括槽)。在圖4的實施例中，槽或波紋70僅形成在上部穹頂26的內(nèi)表面44上(因此在圖2的俯視圖中實際上看不到)。從該構(gòu)造可認識到，要做得盡可能大的用于冷凝的表面面積是內(nèi)表面44，而上表面42則可以是較小的面積。由于在外表面42上不包括槽或波紋而留下的附加材料，所以圖4的構(gòu)造可提供改進的結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)實度。
回過來參照圖1，在LOCA過程中，將一次冷卻劑蒸汽釋放到地下安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)。一次冷卻劑蒸汽在上部穹頂26內(nèi)表面44上冷凝，其潛熱和任何附加的動能通過(高熱導(dǎo)率的)穹頂26傳遞到UHS池40。這使包括UHS池40在內(nèi)的水的溫度升高，造成從UHS池40水面上更多的蒸發(fā)。如果傳熱速率和大小足夠大的話，則包括UHS池40在內(nèi)的水實際上可沸騰，而提供從UHS池40水面上散發(fā)出的蒸汽。包含地下安全殼結(jié)構(gòu)22和UHS池40的二次安全殼結(jié)構(gòu)32具有排氣口 80，它們布置成允許從UHS池40蒸發(fā)或沸騰出的水從二次安全殼結(jié)構(gòu)32逸出。UHS池40應(yīng)具有足夠的水量，以在設(shè)計時間內(nèi)維持冷卻而無需對UHS池40進行任何的補水，例如，根據(jù)某些核管理法規(guī)的范例，所述設(shè)計時間至少為三天，或在某些更嚴格的核管理法規(guī)范例中，設(shè)計時間高達14天。在某些實施例中，可構(gòu)思UHS池40含有幾十萬加侖或幾十萬加侖以上的水。然而，對于給定運行時間預(yù)期所需要的足夠的水量取決于諸如熱功率、設(shè)計壓力等的各種因素，因此，這個水量應(yīng)該理解為僅是一個說明性的例子而已。
具體來說，從安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)部到UHS池40的傳熱是通過UHS池40底部的面積進行的，該底部面積是由地下安全殼結(jié)構(gòu)22的上部穹頂26所限定的(并因此與上部穹頂26相接觸)。濕的面積和水箱容積應(yīng)足以移去由反應(yīng)堆堆芯14產(chǎn)生的衰變熱，并由此在安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)保持合適低的壓力和溫度條件。從安全殼結(jié)構(gòu)22到UHS池40的傳熱q由下式給出q = U · Awec · AT，其中，Awet表示濕的面積，U表示從安全殼結(jié)構(gòu)22到UHS池40的傳熱的總傳熱系數(shù)，而Λ T表示安全殼結(jié)構(gòu)22和UHS池40之間的溫差。為了提供足夠的冷卻，應(yīng)保持q ^ Qdecay teat，其中，Qd_y heat表示反應(yīng)堆停堆后由裂變產(chǎn)物衰變而引起的 由反應(yīng)堆堆芯14產(chǎn)生的熱量。對濕面積Awet (即UHS池40底部的面積，該面積由地下安全殼結(jié)構(gòu)22的上部穹頂26定義，并因此接觸安全殼結(jié)構(gòu)22的上部穹頂26)求解不等式U · Awet · Λ T 彡 Qdecay heat，可得出
Awet ^ Qdecay heat/ [U · (Tmax_TUHS) ]( I )
在上述標準式(I)中，Awet表示濕的面積，Tfflax表示安全殼內(nèi)最大許可溫度，Tuhs表示UHS池40的最大許可溫度，Qdecay heat表示反應(yīng)堆停堆后由裂變產(chǎn)物衰變而引起的由反應(yīng)堆堆芯14產(chǎn)生的最高假設(shè)熱值，以及U表示從安全殼結(jié)構(gòu)22到UHS池40的傳熱的總傳熱系數(shù)。更具體來說，有利于總傳熱系數(shù)U的分量包括從安全殼結(jié)構(gòu)22的內(nèi)部到安全殼結(jié)構(gòu)22上部26內(nèi)表面的冷凝和對流進行的傳熱；通過安全殼的傳導(dǎo)；以及通過UHS池40內(nèi)水的沸騰和/或?qū)α?，從安全殼結(jié)構(gòu)22上部26的外表面到UHS水池40的傳熱。所產(chǎn)生的衰變熱Qtteay heat在反應(yīng)堆停堆后隨時間而減小，并取決于反應(yīng)堆運行功率歷史記錄(即，根據(jù)停堆之前的時間的運行功率的歷史記錄)。如公式(I)所示，最小允許的濕的面積應(yīng)根據(jù)要耗散掉的衰變熱量來估計。為保守起見，UHS池40應(yīng)為最大的Qdeeay heat值而設(shè)計，該值對所考慮的任何事故情形作出假設(shè)。最大許可溫度Tmax是安全殼結(jié)構(gòu)22所要求的最高長時間溫度。冷卻劑喪失事故(LOCA)引起的最初能量釋放會導(dǎo)致短暫的溫度瞬態(tài)，在該瞬態(tài)期間安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)的溫度短暫地超過Tmax。最大溫度Tmax應(yīng)保持足夠低，以確保安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)的電線、閥門致動器、儀表和其它關(guān)鍵裝置繼續(xù)運行。溫度Trais是UHS池40內(nèi)水的最高允許溫度。當熱量通過安全殼結(jié)構(gòu)22上部26傳遞到UHS池40內(nèi)時，UHS池40內(nèi)水的溫度有望在反應(yīng)堆停堆之后隨時間而變化。TraisS 100°C是由大氣壓下水的沸點所施加的限定。當傳熱隨著UHS池40溫度Tuhs升高而下降時，保守值是TUHS=100°C。設(shè)計中另一要考慮的是，當水沸騰或從UHS池40蒸發(fā)時，濕面積Awet會在反應(yīng)堆停堆之后隨時間而減小。在某些情形中，鑒于這樣的事實在反應(yīng)堆剛停堆之后，衰變熱輸出為最高，此時，UHS池40的水位還未耗盡，所以上述問題可以避免。還有，對于L0CA，為了在能量釋放之后立即降低壓力和溫度，安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)設(shè)備的熱容量以及安全殼結(jié)構(gòu)22本身的熱容量有很重要的作用。
當標準式(I)得到滿足，則UHS池40可降低或穩(wěn)定安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)的壓力。根據(jù)標準式(I)而作的設(shè)計中所用到的參數(shù)Awrt、U、Qd_y teat、Tmax和Trais可以各種方法來估計。在一種方法中，Qd_y heat設(shè)定到其初始最高值(即，剛好在伴隨LOCA或其它停堆事件的任何短暫瞬態(tài)之后的值)。最大許可溫度Tmax應(yīng)設(shè)定到保守的低值(注意，Tmax的低值驅(qū)使最小許可濕面積變大)。同樣地，應(yīng)采用Uuhs的保守的高值(較高的值減小AT，并因此驅(qū)使最小許可濕面積變大)。保守的方法是設(shè)定Tras=10(rC。通過控制諸如安全殼結(jié)構(gòu)22上部26的壁厚(但該安全殼壁承受來自UHS池40重量，這限制了壁可做到多么薄)之類的參數(shù)，可將總傳熱系數(shù)U調(diào)整到一定的程度。同樣地，濕面積Awet可根據(jù)總的結(jié)構(gòu)設(shè)計幾何形狀或布置進行調(diào)整。應(yīng)注意，標準式(I)的替代公式是U · Awert · ΔΤ彡Qtteay heat,其中，ATmin表示安全殼結(jié)構(gòu)22和UHS池40之間的最小溫差，其對所考慮的任何事故情形作出假設(shè)。
盡管未予示出，但可以構(gòu)想使排氣管80包括篩網(wǎng)、彎頭或其它構(gòu)件來降低被碎片堵塞的可能性。還可以構(gòu)思一個或多個排氣管80采取一節(jié)或多節(jié)煙 疊置的形式，同時其它的開口用作空氣入口，以在UHS池40的水面和二次安全殼結(jié)構(gòu)32屋頂34之間形成的容積內(nèi)形成拔風(fēng)。
圖I所示的安全系統(tǒng)的操作如下。在LOCA事故中，壓力容器12壓力邊界內(nèi)的破裂造成一次冷卻劑水從容器中逸出。用一個或多個冷凝器60以及由UHS池40提供的冷卻穹頂26造成的附加冷凝，由此反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)通過對壓力容器12和安全殼22減壓而作出響應(yīng)。一旦減壓使壓力降低到足夠低的水平，從位于安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)的換料水存儲箱(RWST)52向壓力容器12內(nèi)注入附加的水。來自反應(yīng)堆堆芯14的衰變熱使該水沸騰，并繼續(xù)將水釋放到安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)，直到主動系統(tǒng)(未示出)投入而提供正常冷卻為止。非能動冷卻系統(tǒng)26、40、60設(shè)計成至少在72小時(根據(jù)美國核管理委員會NRC的規(guī)定)內(nèi)移去許多如此的能量，以防止安全殼內(nèi)過高的壓力。儲存在安全殼穹頂26上方的UHS池40內(nèi)的水直接與鋼安全殼表面接觸，以提供大的傳熱表面。安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)的能量加熱UHS池40內(nèi)的水，可能加熱到沸騰溫度，從而使UHS池40的水沸騰。產(chǎn)生的蒸汽通過排氣管80排放到大氣中。因為UHS池40內(nèi)的水未遭污染，所以該排放沒有釋放出任何放射性。
在熱阱喪失事件中，RCS加壓，啟動緊急堆芯冷卻系統(tǒng)(ECCS)的緊急冷凝器60。一次冷卻劑蒸汽排放到冷凝器60的入口，冷卻液返回到反應(yīng)堆壓力容器12(未示出管道系統(tǒng))。冷凝器60被來自UHS池40的低壓水冷卻。
所示的安全系統(tǒng)具有許多優(yōu)點。與升高的最終熱阱水池(例如，安裝在傳統(tǒng)反應(yīng)堆廠房頂上)相比，UHS池40在地平線處的放置比降低損壞的可能性。此外，即使UHS池40的安全殼結(jié)構(gòu)26、46、48會破裂，其結(jié)果是包括UHS池40的水會向下流入(主)安全殼結(jié)構(gòu)22內(nèi)(在上部穹頂26破損的情形中)或流入二次安全殼結(jié)構(gòu)32內(nèi)(在側(cè)壁46或附加的底部部分48破損的情形中)。在前一情形中，水有利于填充淹沒井24，而在后一情形中，水關(guān)于繼續(xù)包圍主安全殼結(jié)構(gòu)22，因此會繼續(xù)起作冷凝機構(gòu)(至少在某種程度上)的作用。
另一優(yōu)點在于，可對UHS池40補水，而無需將補充水升高到地平線30上方。圖I示出通過二次安全殼結(jié)構(gòu)32和側(cè)壁46的說明性補水入口 82。這些入口 82可與各種補水供應(yīng)源連接。例如，水平線比核設(shè)施的地平線30高的天然湖或人工湖可由帶有合適并聯(lián)的手動/電子控制閥的管道而連接到入口 82，以便能通過自動化系統(tǒng)或手工操作(例如，倘若電力長時間失電)打開補水管線。的確，UHS池40甚至可用雨水、洪水或其它自然發(fā)生的地表水進行補充，例如，通過將入口 82構(gòu)造成排水溝(最好包括有合適的篩網(wǎng)或諸如此類過濾件以避免被碎片堵塞)。[0042]地下安全殼結(jié)構(gòu)22和設(shè)置在安全殼結(jié)構(gòu)22上方并被安全殼結(jié)構(gòu)22支承的UHS池40的組合還具有大大減小易受敵人攻擊而破壞的可能性的優(yōu)點。安全殼結(jié)構(gòu)22的地下布置是防攻擊的主要屏障，UHS池40提供安全殼結(jié)構(gòu)22屏蔽飛射物、爆炸或其它攻擊機理的附加的表面屏障。
由于UHS池40緣故減少了進入地下安全殼結(jié)構(gòu)22的通路，而這一減少在諸如換料之類的維護操作過程中會造成某些困難。在所示的實施例中，這通過構(gòu)造地下安全殼結(jié)構(gòu)22的上部穹頂26來解決，該穹頂26具有足夠的高度，從而突出到UHS池40水面的上方，以使穹頂26的頂部形成被UHS池40包圍的島。艙口或其它的入口可設(shè)置在該“島”上，以用于提供新燃料或其它部件。替代地，如果上部穹頂?shù)捻斣赨HS池水位的下放，則可部分地排水UHS池，以便露出穹頂?shù)捻斠蕴峁┚S護之用的入口。
所示的核反應(yīng)堆10是帶有一體化蒸汽發(fā)生器的壓水反應(yīng)堆(PWR)(即為一體化PWR)。然而，所披露的安全系統(tǒng)也適用于其它類型的反應(yīng)堆，諸如帶外部蒸汽發(fā)生器的PWR，或沸水反應(yīng)堆(BWR)。在后一情形中，BWR傳統(tǒng)地被容納在比PWR設(shè)計所用的安全殼更加緊 湊的安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)，該緊湊的傳統(tǒng)的BWR安全殼對于UHS池和安全殼結(jié)構(gòu)之間的接觸可能沒有提供足夠的表面面積。通過使用用于BWR反應(yīng)堆的較大安全殼結(jié)構(gòu)和/或包括BWR安全殼的穹頂內(nèi)增大表面面積的槽或波紋70，就可彌補上述的不足。
已經(jīng)圖示和描述了多個優(yōu)選實施例。顯然，其它技術(shù)人員在閱讀和理解以上詳細描述后將會想到各種修改和替代方案。本發(fā)明應(yīng)被認為包括所有此類修改和替代，只要它們落入附后權(quán)利要求
書或其等價物的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種裝置包括 包括壓力容器和設(shè)置在壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯的核反應(yīng)堆； 含有核反應(yīng)堆的地下安全殼結(jié)構(gòu)；以及 設(shè)置在地平線處的最終熱阱池，其中，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部形成最終熱阱池底部的至少一部分。
2.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部包括上部穹頂，該上部穹頂形成最終熱阱池底部的至少一部分。
3.如權(quán)利要求
2所述的裝置，其特征在于，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部穹頂?shù)淖钌隙搜由斓阶罱K熱阱池水面上方，以形成被最終熱阱池所包圍的島。
4.如權(quán)利要求
2所述的裝置，其特征在于，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部穹頂包括槽或波紋。
5.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，地下安全殼結(jié)構(gòu)包括鋼材。
6.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，還包括 含有地下安全殼結(jié)構(gòu)和最終熱阱池的二次安全殼結(jié)構(gòu)，二次安全殼結(jié)構(gòu)具有排氣管，排氣管布置成允許從最終熱阱池蒸發(fā)或沸騰出的水從二次安全殼結(jié)構(gòu)逸出。
7.如權(quán)利要求
6所述的裝置，其特征在于，還包括 在二次安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置排水溝，以使地表水從二次安全殼結(jié)構(gòu)外面流入最終熱阱池內(nèi)。
8.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，由地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部形成的最終熱阱池底部部分具有至少為Qd_y heat/[U · (Tmax-Trais)]的面積，其中，Tmax表示地下安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大許可溫度，Tuhs表示最終熱阱池的最大許可溫度，Qdecay heat表示反應(yīng)堆停堆后由裂變產(chǎn)物衰變所產(chǎn)生的最高假設(shè)熱值，以及U表示從地下安全殼結(jié)構(gòu)到最終熱阱池的傳熱的總傳熱系數(shù)。
9.如權(quán)利要求
8所述的裝置，其特征在于，最終熱阱池具有至少300，000加侖的容量。
10.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，核反應(yīng)堆包括壓水反應(yīng)堆(PWR)，而地下安全殼結(jié)構(gòu)足夠大以同時容納PWR和至少一個蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器設(shè)計成在PWR內(nèi)或與PWR —起運行。
11.如權(quán)利要求
10所述的裝置，其特征在于，PWR是一體化的PWR，而地下安全殼結(jié)構(gòu)足夠大以同時容納PWR和設(shè)置在PWR外面的內(nèi)部蒸汽發(fā)生器，但該蒸汽發(fā)生器設(shè)計成在一體化PWR內(nèi)運行。
12.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，還包括 包括熱交換器的冷凝器，熱交換器包括設(shè)置在地下安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷、熱流動路徑；以及 冷卻水管線，冷卻水管線可操作地將冷凝器與最終熱阱池相連接。
13.如權(quán)利要求
12所述的裝置，其特征在于，設(shè)置在最終熱阱池內(nèi)的冷卻水管線終止在以下中的一個(i)開口端部，以及(ii)與設(shè)置在最終熱阱池內(nèi)的熱交換器連接處。
14.一種裝置包括 包括壓力容器和設(shè)置在壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯的壓水反應(yīng)堆(PWR); 含有核反應(yīng)堆的地下安全殼結(jié)構(gòu)；以及 最終熱阱池，最終熱阱池具有至少部分地由地下安全殼結(jié)構(gòu)上部所形成的底部。
15.如權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于，地下安全殼結(jié)構(gòu)上部包括上部穹頂。
16.如權(quán)利要求
15所述的裝置，其特征在于，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部穹頂突出到最終熱阱池表面上方，以形成由最終熱阱池包圍的島。
17.如權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部包括槽或波紋。
18.如權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于，地下安全殼結(jié)構(gòu)包括鋼材。
19.如權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于，最終熱阱池和地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部之間的接觸面積Awrt滿足標準式U · Awet · Λ T > Qdecay heat，其中，Qdecay heat表示反應(yīng)堆停堆后由裂變產(chǎn)物衰變所產(chǎn)生的最高假設(shè)熱值，以及U表示從地下安全殼結(jié)構(gòu)到最終熱阱池的傳熱的總傳熱系數(shù)，且ATmin表示假設(shè)在所考慮的任何事故情形中出現(xiàn)的地下安全殼結(jié)構(gòu)和最終熱阱池之間的最小溫差。
20.如權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于，還包括 包括熱交換器的冷凝器，熱交換器包括設(shè)置在地下安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷、熱流動路徑；以及 冷卻水管線，冷卻水管線可操作地將冷凝器與最終熱阱池相連接。
21.一種裝置包括 核反應(yīng)堆，核反應(yīng)堆包括壓力容器和設(shè)置在壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯； 含有核反應(yīng)堆的地下安全殼結(jié)構(gòu)； 設(shè)置在安全殼結(jié)構(gòu)頂上的最終熱阱池，其中，安全殼結(jié)構(gòu)形成最終熱阱池的底部； 包括熱交換器的冷凝器，熱交換器包括設(shè)置在安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷、熱流動路徑；以及 冷卻水管線，冷卻水管線可操作地將冷凝器與最終熱阱池相連接。
專利摘要
核反應(yīng)堆包括壓力容器和設(shè)置在壓力容器內(nèi)的核反應(yīng)堆堆芯。地下安全殼結(jié)構(gòu)包含核反應(yīng)堆。最終熱阱(UHS)池設(shè)置在地平線處，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部形成UHS池底部的至少一部分。在某些實施例中，地下安全殼結(jié)構(gòu)的上部包括上部穹頂，該上部穹頂可突出在UHS池水面上方以形成由UHS池包圍的島。在某些實施例中，包括熱交換器的冷凝器設(shè)置在地下安全殼結(jié)構(gòu)內(nèi)，熱交換器包括冷、熱流動路徑；以及冷卻水管線可操作地將冷凝器與UHS水池相連接。
文檔編號G21C15/12GKCN102956275SQ201210136259
公開日2013年3月6日 申請日期2012年5月2日
發(fā)明者R·C·沃特森, J·D·馬洛伊三世, M·J·愛德華茲 申請人:巴布科克和威爾科克斯核能股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan