[发明专利]紧凑的一体式压水核反应堆

说明书

背景技术

以下涉及核反应堆领域、发电领域和相关领域。

核反应堆器采用反应堆芯，该反应堆芯包括如含有在裂变的铀-235同位素浓缩的氧化铀(UO₂)的材料之类的裂变材料的材料块。诸如轻水(H₂O)或重水(D₂O)或其某些混合物的一级冷却水流过反应堆芯以提取热量用于加热二级冷却水以产生然后用于某些其它有用目的的蒸汽。对于发电来说，该蒸汽用于驱动发电机涡轮。在热力核反应堆中，水还用作热能化中子的中子慢化剂，这加强裂变材料的反应。采用各种活性控制机构，诸如机械操作的控制棒、用可溶性中子毒物对一级冷却剂进行化学处理等等来调节反应和造成的热量产生。

在压水反应堆(PWR)中，一级冷却水在也包含反应堆芯的密封压力容器中保持在过冷状态。在PWR中，一级冷却水的压力和温度都受到控制。PWR方法的一个优点在于浸有放射性反应堆芯的一级冷却水容纳在压力容器中。

对于发电来说，二级冷却水与一级冷却水热连通地流动。热量(即能量)从反应堆芯经由一级冷却水的媒介传递到二级冷却水。该热量将二级冷却水从液态水转换成蒸汽。该蒸汽通常流入涡轮或实际使用蒸汽能的其他功率转换设备。

提供一级冷却水与二级冷却水之间热连通的设备称为蒸汽发生器。在外部蒸汽发生器设计中，大直径压力容器穿孔将一级冷却剂带出压力容器进入外部蒸汽发生器，在外部蒸汽发生器中一级冷却剂靠近二级冷却水回路流动。该方法的缺点在于将一级冷却水带出压力容器且为此目的形成大直径容器穿孔。

在内部蒸汽发生器设计中，蒸汽发生器位于压力容器内部(或“一体式”)。在这些“一体式PWR”设计中，二级冷却水流入内部蒸汽发生器(且因此流入压力容器)并被加热以产生蒸汽，蒸汽流出压力容器。优点包括通常较小的压力容器穿孔，并避免一级冷却水流出压力容器。

但是，一体式PWR方法具有一些缺点。将蒸汽发生器放置在压力容器内部增加压力容器的尺寸，具有制造成本方面、运输成本(例如更大的轨道运输车辆和/或专用轨道系统)、位置考虑(例如更深的地下容纳结构)以及安全性(例如当压力容器的尺寸增加时更难保持密封整体性)方面的缺点。出于包括安全性和一级冷却剂流动回路设计在内的各种原因，通常将核反应堆芯放置在压力容器底部或底部附近。被反应堆芯加热的一级冷却水在其冷却时自然地趋于上升穿过压力容器(一级回路的“热分支”)，冷却的一级冷却剂然后向下流动以返回反应堆芯(一级回路的“冷分支”)。在辅助回路设计中，通过一级冷却剂泵来增强自然循环。内部蒸汽发生器放置在反应堆芯上方，通常在冷分支内。

这种一体式PWR的说明性示例在Thome等人的2010年12月16日公开的美国公开第2010/0316181号“Integral Helical Coil Pressurized Water Nuclear Reactor”中示出，该公开全文以参见的方式纳入本文。该公开揭示来采用螺旋蒸汽发生器管道的蒸汽发生器；但包括直(例如垂向)蒸汽发生器管但其它盘管几何形状也是已知的。该公开还揭示了一体式PWR，其中控制棒驱动机构(CRDM)也在压力容器内部；但是外部CRDM设计也是已知的。内部CRDM设计的某些说明性实例包括Stambaugh等人的2010年12月16日公开的美国公开第2010/0316177A1号“Control Rod Drive Mechanism for Nuclear Reactor”，该公开全文以参见的方式纳入本文；以及Stambaugh等人的2010年12月16日公开的国际公开第WO2010/144563A1号“Control Rod Drive Mechanism for Nuclear Reactor，该公开全文以参见的方式纳入本文。”

本文揭示了提供各种优点的改进，这些优点对于本领域的技术人员来说阅读下文时会显而易见。

发明内容