阅读说明：本技术 一种两相自然循环一体化反应堆 (Two-phase natural circulation integrated reactor ) 是由 周喆 石雪垚 李精精 王辉 汪俊 孙婧 李汉辰 王贺南 雷宁博 蔡盟利 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：本发明属于核反应堆技术领域,具体涉及一种两相自然循环一体化反应堆,包括压力容器(1)和压力容器(1)内的吊篮(3),位于吊篮(3)底部之内的堆芯(2),吊篮(3)内部位于堆芯(2)上方的空间为一回路堆芯出口腔室(7),还包括吊篮(3)顶部外围的与二回路连通的热交换区(5)；堆芯(2)产生的第一蒸汽经过一回路堆芯出口腔室(7)进入热交换区(5)将二回路提供的冷却水加热为第二蒸汽后转换为冷凝水并回流到堆芯(2),第二蒸汽输送至二回路。本发明将反应堆和蒸汽发生器集合在压力容器1内,简化了设备,取消了主泵、一回路管道、稳压器等设计,减少发生能动设备故障和破口的风险,避免放射性产物对二回路设备的影响。(The invention belongs to the technical field of nuclear reactors, and particularly relates to a two-phase natural circulation integrated reactor which comprises a pressure vessel (1), a hanging basket (3) in the pressure vessel (1), a reactor core (2) positioned in the bottom of the hanging basket (3), a space above the reactor core (2) in the hanging basket (3) is a primary loop reactor core outlet chamber (7), and a heat exchange region (5) which is arranged on the periphery of the top of the hanging basket (3) and is communicated with a secondary loop; the first steam generated by the reactor core (2) enters the heat exchange region (5) through the outlet chamber (7) of the primary reactor core to heat the cooling water provided by the secondary circuit into second steam, and then the second steam is converted into condensed water and flows back to the reactor core (2), and the second steam is conveyed to the secondary circuit. According to the invention, the reactor and the steam generator are integrated in the pressure vessel 1, so that the equipment is simplified, the designs of a main pump, a loop pipeline, a voltage stabilizer and the like are omitted, the risks of active equipment failure and breakage are reduced, and the influence of radioactive products on the two-loop equipment is avoided.)

一种两相自然循环一体化反应堆

技术领域

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种两相自然循环一体化反应堆。

背景技术

在核反应堆系统中，一般都设有一回路系统和二回路系统，核反应堆的一回路的冷却水通过堆芯加热后，将热量传给二回路的水，二回路的水形成蒸汽推动汽轮发电机。这样的设计往往需要在反应堆外设置主泵、一回路管道、稳压器、蒸汽发生器等一系列配套设备用于一回路和二回路的换热，造成整个反应堆系统过于复杂。

自21世纪以来，小型反应堆由于初始投资少、建造周期短、设备制造和运输要求低以及应用灵活的优点吸引了世界各国的注意力。各种类型的小型反应堆被设计出来，如中国的ACP100为采用强迫循环的小型一体化反应堆，美国的NuScale为采用自然循环的小型一体化反应堆。尽管由于小型反应堆的一体化设计，减少了发生管道破口类事故的发生，提高了反应堆的安全性，但无论是采用强迫循环还是自然循环的反应堆，都仍有自己的局限性。采用强迫循环需要外部能源，会发生失流类事故，而类似NuScale采用的是单相的自然循环，密度差产生的驱动力有限，导致反应堆功率受到限制，影响了小堆的经济性。

申请号为201810522750.3的发明专利申请提出了一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，堆芯内冷却剂在接近饱和温度的条件下由于压力减小而发生闪蒸，从而实现两相自然循环。该设计由于冷却剂温度不会超过饱和温度，一二次侧温差相比目前的反应堆设计提高有限，并且闪蒸现象本身具有很大的局限性，因此在工程应用上受到较大限制。

发明内容

针对目前的小型反应堆设计中存在的强迫循环需要外部电源驱动，而单相自然循环的驱动力有限，反应堆功率受到限制的问题。本发明的目的是提出供一种两相自然循环一体化反应堆，采用2回路设计，一回路同时存在水与饱和蒸汽或过热蒸汽，利用水与蒸汽之间巨大的密度差获得的驱动力提高反应堆自然循环能力的同时，利用一回路饱和蒸汽或过热蒸汽与二回路之间更大的温度差提高一、二回路间的换热效率，使反应堆功率可以设计的更高。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种两相自然循环一体化反应堆，包括压力容器，其中，还包括设置在所述压力容器内的吊篮，位于所述吊篮底部之内的堆芯，所述吊篮内部位于所述堆芯上方的空间为一回路堆芯出口腔室，还包括位于所述吊篮顶部外围的与二回路连通的热交换区；所述堆芯产生的第一蒸汽经过所述一回路堆芯出口腔室进入所述热交换区将所述二回路提供的冷却水加热为第二蒸汽后转换为冷凝水并回流到所述堆芯，所述第二蒸汽输送至所述二回路。

进一步，所述堆芯由若干组事故容错燃料组件构成。

进一步，所述冷凝水汇集到所述压力容器底部并从所述吊篮的底部回流进入所述堆芯内。

进一步，所述吊篮的侧面为密封结构，所述吊篮具有隔热层。

进一步，所述热交换区设有与所述二回路联通的二回路给水入口，用于将所述二回路提供的所述冷却水输送至所述热交换区内。

进一步，还包括能够在事故导致的断电情况下自动插入所述堆芯，实现停堆操作的控制棒驱动机构。

进一步，所述压力容器内设有隔离层，将所述压力容器分为相互密封隔离的上容器体和下容器体两部分，所述一回路堆芯出口腔室从所述隔离层穿过；

所述下容器体的侧壁与所述吊篮之间的间隔构成一回路下降环腔，所述一回路下降环腔与所述吊篮的底部连通，所述冷凝水通过所述一回路下降环腔汇集到所述压力容器底部并从所述吊篮的底部回流进入所述堆芯内；

所述热交换区位于所述上容器体中，所述热交换区用于所述第一蒸汽与所述冷却水进行热交换，将所述冷却水加热为所述第二蒸汽，同时将所述第一蒸汽冷凝为所述冷凝水。

进一步，所述第二蒸汽通过所述热交换区的顶部进入所述上容器体中；所述冷凝水从所述热交换区的底部流入所述一回路下降环腔；

所述上容器体为压力容器上封头；在所述压力容器的顶部设有二回路蒸汽出口，所述二回路蒸汽出口与所述压力容器上封头连通，用于将所述第二蒸汽输送至所述二回路；

所述控制棒驱动机构位于所述堆芯下方，能够由下至上插入所述堆芯中。

进一步，所述吊篮的纵向截面的上下宽度一致，呈矩形；所述吊篮的顶部密封，所述吊篮的顶部的侧面设有与所述热交换区连通的通道，用于所述第一蒸汽从所述一回路堆芯出口腔室进入所述热交换区。

进一步，所述吊篮的纵向截面的上下宽度不一致，上部宽度小于下部宽度，所述纵向截面从所述堆芯顶端所在位置至所述隔离层之间的部分呈锥形，其余部分呈矩形；所述吊篮的顶部设有通气结构，通过所述通气结构与所述热交换区连通，用于所述第一蒸汽从所述一回路堆芯出口腔室进入所述热交换区。

进一步，所述吊篮的纵向截面的上下宽度一致，呈矩形；

所述上容器体为压力容器上封头；所述第一蒸汽从所述一回路堆芯出口腔室进入所述压力容器上封头后流入所述热交换区的顶部进行热交换；

所述热交换区设有与所述二回路连通的二回路蒸汽出口，所述第二蒸汽通过所述二回路蒸汽出口输送至所述二回路；所述冷凝水从所述热交换区的底部流入所述一回路下降环腔；

所述控制棒驱动机构位于所述堆芯上方，贯穿所述一回路堆芯出口腔室，能够由上至下插入所述堆芯中。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出的一种两相自然循环一体化反应堆，将反应堆和蒸汽发生器(即热交换区5)集合在压力容器1内，大大简化了设备，取消了主泵、一回路管道、稳压器等设计，减少发生能动设备故障和破口的风险，可以避免放射性产物对二回路设备的影响。

2.不仅实现了两相自然循环，而且具有更高的气相温度，从而能够获得更大的一二次侧温差。其中，一回路为两相自然循环(一回路完全包含在吊篮3和压力容器1的下容器体内)，利用水与蒸汽之间巨大的密度差来获得更大的驱动力，提高反应堆自然循环能力，从而提高反应堆功率水平。

3.堆芯2采用事故容错燃料(ATF)，可以承受更高温度，使得一回路堆芯出口腔室7内得到饱和蒸汽或过热蒸汽，增强了反应堆热效率，有利于增强一回路和二回路间热交换。

4.二回路供给的冷却水被加热到过热蒸汽，因而不需要汽水分离器和蒸汽干燥器，并且提高了热效率。

5.采用故障安全的控制棒驱动机构4，在失电时控制棒驱动机构4失去约束后能自动插入堆芯2，使反应堆停堆提高了反应堆固有安全性。

6.一回路作为反应堆的一道放射性屏障，因而常规岛不需要考虑更多的核辐射屏蔽问题。

附图说明

图1是本发明

具体实施方式

中所述的第一种两相自然循环一体化反应堆的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的第二种两相自然循环一体化反应堆的示意图；

图3是本发明具体实施方式中所述的第三种两相自然循环一体化反应堆的示意图；

图中：1-压力容器，2-堆芯，3-吊篮，4-控制棒驱动机构，5-热交换区，6-一回路下降环腔，7-一回路堆芯出口腔室，8-二回路给水入口，9-二回路蒸汽出口，10-压力容器上封头，11-隔离层，12-通道，13-通气结构；图中箭头为第一蒸汽、第二蒸汽、冷却水、冷凝水的流向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种两相自然循环一体化反应堆(第一种)，包括压力容器1，其中，还包括设置在压力容器1内的吊篮3，位于吊篮3底部之内的堆芯2(堆芯2位于压力容器1的底部)，吊篮3内部位于堆芯2上方的空间为一回路堆芯出口腔室7，还包括位于吊篮3顶部外围的与二回路连通的热交换区5；堆芯2产生的第一蒸汽(第一蒸汽为饱和蒸汽或者过热蒸汽，来自被堆芯2加热至沸腾的一回路中的冷却水)经过一回路堆芯出口腔室7进入热交换区5将二回路提供的冷却水加热为第二蒸汽(第二蒸汽为过热蒸汽)后转换为冷凝水并回流到堆芯2，第二蒸汽输送至二回路。

堆芯2由若干组事故容错燃料组件(即ATF燃料组件)构成。

第一蒸汽冷凝后的冷凝水汇集到压力容器1底部并从吊篮3的底部回流进入堆芯2内，继续作为冷却水参与第一蒸汽的生成。

吊篮3的侧面为密封结构，吊篮3具有隔热层，减少吊篮3内的高温气体与吊篮3外的低温液体之间的热交换。

热交换区5设有与二回路联通的二回路给水入口8，用于将二回路提供的冷却水输送至热交换区5内。

还包括能够在事故导致的断电情况下自动插入堆芯2，实现停堆操作的控制棒驱动机构4。

压力容器1内设有隔离层11，将压力容器1分为相互密封隔离的上容器体和下容器体两部分，一回路堆芯出口腔室7从隔离层11穿过；

下容器体的侧壁与吊篮3之间的间隔构成一回路下降环腔6，一回路下降环腔6与吊篮3的底部连通，第一蒸汽冷凝后的冷凝水通过一回路下降环腔6汇集到压力容器1底部并从吊篮3的底部回流进入堆芯2内；

热交换区5位于上容器体中，热交换区5用于第一蒸汽与冷却水进行热交换，将冷却水加热为第二蒸汽，同时将第一蒸汽冷凝为冷凝水，第一蒸汽与冷却水之间只发生热交换，不直接接触。

第二蒸汽通过热交换区5的顶部进入上容器体中；热交换区5的底部与一回路下降环腔6连通，冷凝水从热交换区5的底部流入一回路下降环腔6；

上容器体为压力容器上封头10，作为二回路气腔；在压力容器1的顶部设有二回路蒸汽出口9，二回路蒸汽出口9与压力容器上封头10连通，用于将第二蒸汽输送至二回路；

控制棒驱动机构4位于堆芯2下方，能够由下至上插入堆芯2中。

吊篮3的纵向截面的上下宽度一致，呈矩形；吊篮3的顶部密封，吊篮3的顶部的侧面设有与热交换区5连通的通道12，用于第一蒸汽从一回路堆芯出口腔室7进入热交换区5。

其中，堆芯2、一回路堆芯出口腔室7、通道12、热交换区5中用于通过并冷凝第一蒸汽的部分、一回路下降环腔6属于一回路。二回路给水入口8、热交换区5中用于通过冷却水并加热为第二蒸汽的部分、压力容器上封头10、二回路蒸汽出口9属于二回路。

冷却剂(一回路中的冷却水)在堆芯2内沸腾蒸发，变为第一蒸汽，经过一回路堆芯出口腔室7和热交换区5，在热交换区5与二回路提供的冷却水发生热交换，第一蒸汽被冷却为液态的冷凝水，进入一回路下降环腔6，从堆芯2底部进入堆芯2。二回路提供的冷却水从二回路给水入口8进入，在热交换区5被加热为第二蒸汽，第二蒸汽汇入压力容器上封头10，从二回路蒸汽出口9流出。由于压力容器上封头10位于二回路，故障安全的控制棒驱动机构4采用从下向上插入堆芯2的方式，在发生失电等事故时，控制棒驱动机构4可利用弹簧等机械设计复位，完全插入堆芯2中，实现反应堆安全停堆。

如图2所示，本发明还提供第二种两相自然循环一体化反应堆，与第一种两相自然循环一体化反应堆的区别如下：吊篮3的纵向截面的上下宽度不一致，上部宽度小于下部宽度，纵向截面从堆芯2顶端所在位置至隔离层11之间的部分呈锥形，其余部分呈矩形；吊篮3的顶部设有通气结构13，通过通气结构13与热交换区5连通，用于第一蒸汽从一回路堆芯出口腔室7进入热交换区5。

其中，堆芯2、一回路堆芯出口腔室7、通气结构13、热交换区5中用于通过并冷凝第一蒸汽的部分、一回路下降环腔6属于一回路。二回路给水入口8、热交换区5中用于通过冷却水并加热为第二蒸汽的部分、压力容器上封头10、二回路蒸汽出口9属于二回路。

图2中的方案是图1中的方案的一种可能的变形，主要考虑第一蒸汽从内部走，热交换区5中的传热管需要达到一定的数量才能更好的实现热交换。相比图1中的方案，图2的方案在热交换区5中能够放下更多的传热管。

如图3所示，本发明还提供第三种两相自然循环一体化反应堆，与第一种两相自然循环一体化反应堆的区别如下：

吊篮3的纵向截面的上下宽度一致，呈矩形；

上容器体为压力容器上封头10，作为一回路气腔；第一蒸汽从一回路堆芯出口腔室7进入压力容器上封头10后流入热交换区5的顶部进行热交换；

热交换区5设有与二回路连通的二回路蒸汽出口9，第二蒸汽通过二回路蒸汽出口9输送至二回路；热交换区5的底部与一回路下降环腔6连通，冷凝水从热交换区5的底部流入一回路下降环腔6；

控制棒驱动机构4位于堆芯2上方，贯穿一回路堆芯出口腔室7，能够由上至下插入堆芯2中。

其中，堆芯2、一回路堆芯出口腔室7、压力容器上封头10、热交换区5中用于通过并冷凝第一蒸汽的部分、一回路下降环腔6属于一回路。二回路给水入口8、热交换区5中用于通过冷却水并加热为第二蒸汽的部分、二回路蒸汽出口9属于二回路。

冷却剂(一回路中的冷却水)在堆芯2内沸腾蒸发，变为第一蒸汽，经过一回路堆芯出口腔室7，到达压力容器上封头10，然后穿过热交换区5，在热交换区5与二回路提供的冷却水发生热交换，第一蒸汽被冷却为液态的冷凝水，进入一回路下降环腔6，从堆芯2底部进入堆芯2。二回路提供的冷却水从二回路给水入口8进入，在热交换区5被加热为第二蒸汽，第二蒸汽从二回路蒸汽出口9流出。故障安全的控制棒驱动机构4采用从上向下插入堆芯2的方式，在发生失电等事故时，控制棒驱动机构4可利用弹簧复位、重力下落等方式，完全插入堆芯2中，实现反应堆安全停堆。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。