包含自然循环的强迫循环冷却深水池核供热反应堆

1、一种包含自然循环的强迫循环冷却深水池核供热反应堆，包括水池、堆芯、控 制棒、热交换器，堆芯置于水池底部，控制棒置于堆芯中，热交换器的出水端通过循环 泵与池水相联通，热交换器的入水端与堆芯相联通，其特征在于所述的热交换器和循环 泵置于水池外，水池中池水深度为10-60米；所述的循环泵为高转数比叶轮循环泵。
2、如权利要求1所述的核供热反应堆，其特征在于，惯性水箱设在堆芯冷却循环 回路上。
3、如权利要求2所述的核供热反应堆，其特征在于，该反应堆还包括水下隔层， 水下隔层置于水面下。

技术领域：\n本发明涉及一种包含自然循环的强迫循环冷却深水池核供热反应堆，属于核反应堆\n技术领域。\n背景技术：\n深水池核供热反应堆是一种低温供热反应堆，这种反应堆工作在较低的温度下，将 核裂变产生的热能直接供给低温用户，它的结构简单，建造容易，但需要有较高的安全 性和可靠性。目前有多种设计，与本发明最为接近的是中国发明专利CN85100044，它 的特点是利用较深水池的水静压力提高堆芯出口水温，并在池内设置热交换器，由温差 驱动自然循环载出反应堆的全部输出功率。其中也提到可在自然循环基础上增设循环 泵，并在停堆停泵的条件下，仍可保持自然循环冷却堆芯余热的能力。这项设计的特点 是热交换器(有时有循环泵)等设备都置于池内，减小了冷却系统的流动阻力，使全部 功率冷却完全依靠自然循环。由于自然循环载带能力有限，这种设计仅适用于较小功率 的低温供热反应堆，而且池内设备不宜采用常规设备，运行中也不便维修。\n与本发明最为接近的另一种设计为中国发明专利，申请号为90108540.5，其特点是 热交换器及循环泵安装在池外，为回路循环型冷却，在池内管路上装设气塞。其功率冷 却依靠强迫循环，当循环泵停转时，气塞自动打开，冷却方式转换成池水直接冷却堆芯 余热的自然循环。其停堆是依靠控制信号或液面变化引发控制棒下落实现的。在这种设 计中，需要实验验证气塞性能，并需要在反应堆运行过程中监测气塞工况。\n发明内容\n本发明的目的在于设计一种包含自然循环的强迫循环冷却深水池核供热反应堆，对 已有技术结构做出改进，采用常规的循环泵、热交换器、金属衬里混凝土水池、控制棒 驱动机构等设备，提高反应堆安全性及可靠性，达到简单安全供热的目的。\n本发明设计的包含自然循环的强迫循环冷却深水池核供热反应堆，包括水池、堆芯、 控制棒、热交换器，堆芯置于水池底部，控制棒置于堆芯中，热交换器的出水端通过循 环泵与池水相联通，热交换器的入水端与堆芯相联通，其特征在于所述的热交换器和循 环泵置于水池外，水池中池水深度为10-60米。循环泵为高转数比叶轮循环泵。\n上述反应堆还可以还包括惯性水箱，惯性水箱设在堆芯冷却循环回路上。惯性水箱 可以由水箱体和回水弯二部分组成，回水弯设于箱体的底部，惯性水箱通过回水弯与循 环泵和堆芯之间的联通管相通，水箱体内设有节流孔板，将水箱分成内箱和外箱，外箱 与内箱在其顶部与水箱出口相通。\n上述反应堆还可以包括水下隔层，水下隔层置于水面下。\n本发明在水池底部安装堆芯，池水深度为10～60米，热交换器及循环泵安装在池 外，反应堆回路型冷却采用包含自然循环的强迫循环方式。在强迫循环向自然循环过渡 时，能够在反应堆水温等参数不会瞬间过高又能连续变化的条件下，实现非能动转换。 转换的同时不借助其它停堆措施，也可直接导致反应堆功率下降和停堆。\n本发明的特点是：\n1.反应堆水池表面为常压，堆芯出口水管在水下一定深度穿出水池，在池外设置 循环泵及热交换器，由回路型强迫循环来冷却反应堆功率。\n2.为在循环泵停转情况下具有自然循环能力，改变回路型强迫循环一般采用离心 泵的办法，经过计算分析和对多种泵叶轮渗流阻力特性的测量，选择高转数比叶轮循环 泵，即达到混流泵的转数比(有时也可以采用转数比更高的轴流泵)。再利用深水池堆 的特点，使循环泵及热交换器处在堆芯以上足够高的位置，并选择堆芯、热交换器及冷 却回路的设计参数满足高转数比循环泵的设计要求，就可以实现包含自然循环的强迫循 环冷却设计特性。这时对于功率超过100兆瓦的反应堆，循环泵采用混流泵时，在10 米以上的冷热源高度差的作用下，设计出的反应堆可维持反应堆功率10％左右的自然 循环余热冷却能力。\n3.在池内循环回路上，设置惯性水箱。当循环泵启动运行时，惯性水箱自动失水 (当循环泵的位置设置不同时也可以是充水)。当循环泵停转的瞬间，水箱通过出口节 流孔自动充水(或失水)，用以补充瞬间经过堆芯的流量。保证在事故停泵随即引发停 堆后的10多秒内，经过堆芯流量的衰减缓于反应堆功率的衰减，在水温等参数不会瞬 间过高又能连续变化的情况下，实现强迫循环向自然循环的非能动转换。\n4.这种强迫循环向自然循环的转换方式，当发生断电事故时，即使没有任何停堆 措施(控制棒下落或注入硼水)，瞬态过程计算分析表明，反应堆也可以自动下降功率 并转入热停堆状态，这在很大程度上提高了水冷反应堆的安全性。\n5.反应堆水池表面水温较高，水汽大量蒸发会给池顶设备(如：控制棒驱动机构等) 的安置带来困难，也会加重池顶通风系统的负担。为此，在池水液面以下，设有隔层， 在隔层上部注入低温水(可以是来自水循环净化处理系统的低温水)，并经隔层缝隙渗 入下层，使隔层上部水温低于40～50℃，形成“水封结构”，避免水汽大量蒸发。\n本发明与原有深水池池内冷却循环供热堆相比，具有优点如下：\n1.热交换器、循环泵等冷却设备在池外安装，可以选用常规设备，易于检修和维 护，使用可靠性较高，设备成本也较低；\n2.强迫循环冷却与池内全自然循环冷却相比，不受自然循环能力的限制，可以设 计更大功率规模的反应堆，达到更好的经济性；\n3.强迫循环冷却反应堆，循环流量较大，堆芯出入口温差较小，同样的水池深度 可以有较高的供水温度和较少的核燃料装载量；\n4.本发明的冷却方式与池内全自然循环冷却相比，在发生断电等事故时，由于循 环方式的转换有能力使反应堆功率下降和停堆，而全自然循环冷却方式也需要停堆，但 必需依靠其它措施实现停堆。\n本发明与原有深水池装有气塞的池外强迫循环供热堆相比，具有如下优点：\n1.不需要研制新的气塞装置，反应堆运行过程中也不需要时时监督气塞运行状态， 使反应堆的运行更简单可靠；\n2.当发生外电源断电等事故时，由强迫循环向自然循环的过渡，不依靠气塞的自 动转换，在反应堆水温等参数连续变化的情况下，即可更简单地完成非能动转换；\n3.深水池装有气塞的池外强迫循环方案，在发生断电事故时，是依靠控制信号或 液面变化引发控制棒下落来实现停堆的。本发明的强迫循坏向自然循环转换方式，即使 没有任何停堆措施(控制棒下落或注入硼水)，反应堆也可以自动下降功率并转入热停 堆状态。\n本发明与其它非深水池式供热堆相比，具有优点如下：\n1.其它非深水池式供热堆一般采用加压容器，反应堆堆芯置于密封加压的容器内。 与其相比设备简化、建造容易；\n2.与加压供热堆相比，在发生断电事故时，反应堆可以不借助任何停堆措施(如 控制棒动作或注入硼溶液)，而自动下降功率并转入热停堆状态，使反应堆安全性大为 提高；\n3.与加压供热堆相比，可大幅度地减少建造费用；\n4.与加压供热堆相比，运行维护简单容易，使用可靠性增加；\n5.与加压供热堆相比，反应堆堆芯易于接近，可以利用堆芯的辐照条件，生产辐 照产品，辐照与供热综合利用，增加经济效益。\n附图说明：\n图1为本发明设计的包含自然循环的强迫循环冷却深水池堆结构示意图\n图2为本发明设计的具有惯性水箱包含自然循环的强迫循环冷却深水池堆结构示意 图\n图3为本发明设计的惯性水箱结构示意图\n图4为本发明设计的具有水下隔层惯性水箱并包含自然循环的强迫循环冷却深水池 堆结构示意图\n在图1～图4中：\n1是混凝土水池，2是堆芯，3是控制棒，4是衰减筒，5是热交换器，6是循环泵， 7是放射性衰减筒出口循环管路，8是池顶空间，9是控制棒驱动机构，10是池水冷却 塔，11是水池顶盖，12是池水，13是池水冷却热交换器，14是水下检修平台，15是 惯性水箱，16是水下隔层，17是惯性水箱入口处的回水弯内腔，18是惯性水箱入口处 的回水弯外腔，19是惯性水箱内隔板上的节流孔板，20是惯性水箱外箱，21是惯性水 箱内箱，22是惯性水箱至池顶空间出口，23是池水液面，24是惯性水箱液面。\n具体实施方式：\n图1为本发明设计的包含自然循环的强迫循环冷却深水池堆结构示意图\n由图1可见，反应堆水池[1]由钢筋混凝土制成，内壁敷有金属衬里，池内盛满去 离子水[12]，水池有顶盖[11]，池顶空间[8]为常压。在水池底部安装堆芯[2]，池水 从底部进入堆芯，被加热以后由堆芯顶部流出，经放射性衰减筒[4]及放射性衰减筒出 口循环管路[7]流出水池，在热交换器[5]中降温后进入循环泵[6]，然后返回水池。在 反应堆正常运行时，控制棒[3]由驱动机构[9]牵引控制反应堆工作在额定工况，循环 泵[6]驱动回路流量满足载带反应堆功率的需要。\n当反应堆停堆以后，可以停止循环泵，池水在冷热水温差的驱动下，会使部分流量 穿过堆芯、回路管道、热交换器及循环泵叶轮继续流动，并冷却反应堆的剩余发热。池 水冷却系统通过池水冷却热交换器[13]及池水冷却塔[10]，由管内水的自然循环长期 维持池水温度。当反应堆需要更换燃料时，将部分池水排至其它水池，利用检修平台[14] 进行操作。\n图2为本发明设计的具有惯性水箱包含自然循环的强迫循环冷却深水池堆结构示意 图。由图2可见，在本发明设计图1的放射性衰减筒出口循环管路[7]上，安装惯性水 箱[15]。本发明设计的惯性水箱结构示意图见图3。\n由图2及图3可见，在放射性衰减筒出口循环管路[7]上，连接惯性水箱[20]和 [21]。由于惯性水箱内水温较低(与池水[12]相同)，而放射性衰减筒出口循环管路[7] 内水温较高，因此，在惯性水箱入口处设置回水弯，回水弯内腔[17]与放射性衰减筒 出口循环管路[7]连接，其中水温较高；而回水弯外腔[18]与惯性水箱连接，其中水温 较低。在回水弯中允许存有气体，不影响惯性水箱的作用。惯性水箱由内隔板分为内箱 [21]及外箱[20]，惯性水箱内箱及外箱顶部相通，并通过出口[22]与池顶空间[8]相 通。\n在循环泵[6]停运期间，惯性水箱[15]内外液面持平。当循环泵启动运行时，惯性 水箱内液面逐渐下降，因为放射性衰减筒出口循环管路[7]处于堆芯[2]和循环泵[6]入 口之间，该处压力低于惯性水箱外的池水压力。当循环泵正常运行时，池水液面如[23] 所示位置，惯性水箱液面稳定在如[24]所示位置。\n当发生外电源断电等事故时，全部循环泵[6]同时停转，回路流量依其惯性逐渐衰 减。在断电的同时控制系统会使控制棒[3]下落，引发停堆，但在10多秒的时间内， 反应堆功率的衰减往往缓于流量的衰减，会使堆芯出口水温升高，这在设计中是不希望 出现的瞬态情况。在本发明中，停泵后惯性水箱[20]及[21]液面上升，池水经过堆芯[2] 向惯性水箱充水，其充水速度由水箱横截面和隔板上节流孔[19]的大小来决定。选择 水箱[21]和节流孔[19]的尺寸，使其在停泵停堆后10余秒内，经过堆芯[2]流量的衰 减缓于反应堆功率的衰减。直至10余秒后，惯性水箱[21]及[20]内液面与池水液面[23] 趋平，这时在本发明设计的回路中，由温差驱动的自然循环流量已足够冷却反应堆的剩 余发热，并保持反应堆处于长期冷却状态。\n图4为本发明设计的具有水下隔层惯性水箱并包含自然循环的强迫循环冷却深水池 堆结构示意图\n由图4可见，在本发明设计图1的反应堆水池的池水液面以下，设置水下隔层[16]， 在隔层上部为40～50℃的低温水。低温水可以是来自水循环净化处理系统的回水，也 可以专设冷却器，来冷却少量池水，注入上层。隔层上部的低温水，经隔层缝隙渗入下 层，防止下层较高温度的池水上升到表面，起到“水封”的作用，避免水汽大量蒸发。