[发明专利]用于发电的可运输亚临界模块及相关方法

说明书

相关申请

本申请要求于2015年10月7日提交的题为“Holos Rapidly Deployable High-Integrated Micro Modular Reactor(Hl-MMR)(Holos快速部署的高集成微模块化反应堆)”的美国临时专利申请No.62/284,707以及题为“Transportable Sub-critical Modules for Power Generation&Related Methods(用于发电的可运输次临界模块及相关方法)”的美国临时专利申请No.62/178,400的优先权，两个专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明通常涉及通过在反应堆关闭的几个小时内可部署且可回收的微模块化、紧凑、可移动、固有安全的核发生器，产生可移动且可分配的电力和过程热，其包括电力转换并且用于调节经由组合的Brayton和Rankine电力循环进行的远程发电。

背景技术

核发电机包括关闭后自然产生衰变热能的核芯。在几个因素中，关闭后产生的能量核燃料的量与其发电历史和电力密度成正比。为了避免核燃料过热，衰变热能必须借助于通常由核芯外部的系统支持的冗余热传递机构从核芯转移。这些系统需要复杂的管道网络，将核芯与热交换器热液压连接，其中，热交换器通常位于距离包含核芯的容器一定距离的设施内并用于将热能传递到环境(即极限散热器)。通过该核芯冷却热交换器的冷却液可以借助于电驱动再循环器(即，泵、鼓风机)主动地循环。或者，冷却剂可以通过基于冷却剂密度变化的重力驱动自然循环机构被动地循环穿过该核芯。现代核反应堆——独立于其大小——依赖于冗余的核芯衰变除热系统，其可以被动地、主动地操作或以两者组合的方式操作并被构造成在包含核燃料的压力容器外部进行操作。

为了消除核芯的衰变热能，采用“主动”安全功能的设计广泛地依靠电源，以将核芯保持在所有运行条件下以及核芯关闭期间的安全温度内。为了确保安全操作，依靠主动安全系统的设计需要通过专用的冗余现场应急柴油发电机(EDG)和任何时候至场外的多个电网进行电力供应。

另一方面，依赖于被动安全特征的设计依赖于重力和大量库存的冷却剂(即，水)，所述大量库存的冷却剂通常存储在相对于核芯定位在相对较高高度的罐或储水结构(即，衬里的混凝土池)中。要确保所述核芯与冷却液储罐或冷却液存储结构之间的高度差，以确保冷却剂经受自然循环虹吸，并有效地从核芯中去除腐蚀热能。对于基于大量冷却剂库存的被动安全特征，充分提供长期的衰变除热很大程度上取决于在相对较短的时间内补充冷却剂库存的能力。基于被动再循环系统的核芯冷却效果强烈依赖于极限散热器所代表的环境温度和湿度条件。一般来说，随着环境温度的升高，被动地且有效地执行自然对流冷却的能力逐渐受到损害。因此，基于重力驱动冷却剂再循环的被动衰变除热最适合于在温和气候条件下工作的核发电机。

被动和主动的安全系统由通常在容纳核芯的压力容器外部开发的一系列部件组成。该结果是冗余管道、阀门以及用于被动系统的热交换器的复杂系统，添加了泵/鼓风机以及由控制布线管理和监控的动力。

商业运行反应器的核芯以及水缓和的小型模块化反应器(SMR)设计的核芯通常通过核燃料，利用在高温水/蒸汽存在下氧化的材料覆盖的元件进行加载。由于例如由于冷却剂的损失或者主动或被动核芯衰变除热系统的故障而导致的核芯经历过热，包层材料与水/蒸汽之间的化学反应导致氢气的产生。随后，氢气积聚并自燃，从而构成严重的安全挑战。为了解决核事故造成的氢气生产，核电厂采用冗余氢管理设备，例如执行可控制的点火，并防止大量氢气的积聚。这些安全系统确实需要电力以运行，并且进一步增加了工厂总体平衡的复杂性，同时增加了运营成本。冗余通常是概率风险评估和假设设计基准事故的结果。尽管由多个电力可及性、多个紧急柴油发电机组成的冗余以及由能提供控制和几个小时紧急动力的电池提供的现场电网的可用性，整个核电的历史上已经发生了核芯熔断和氢气爆炸(即，参见福岛第一电站代表的事故情况和后果)。这表明，由于超出设计基准事故引发的灾难性事故——例如由极端地震、海啸代表——与电网事故的损失结合，都引起了不可接受的安全和经济影响，即使它们的发生概率非常低，如由概率风险评估预测的。