阅读说明：本技术 核电厂 (Nuclear power plant ) 是由 S.J.贝克特 于 2019-07-04 设计创作，主要内容包括：核电厂(10)包括：核反应堆(12),核反应堆包括反应堆燃料元件(14),围绕核反应堆(12)的反应堆壳(16)和围绕反应堆壳(16)的主屏蔽层(18)。反应堆燃料元件(14)布置在第一高度(H1)与高于第一高度(H1)的第二高度(H2)之间。主屏蔽层(18)包括基部部分(30)、中间部分(32)和顶部部分(34)。基部部分(30)具有在第一高度(H1)以下的上部高度(H3),并且基部部分(30)包括混凝土。顶部部分(34)具有在第二高度(H2)以上的下部高度(H4),并且顶部部分(34)包括混凝土。中间部分(32)垂直布置在主屏蔽层(18)的基部部分(30)与顶部部分(34)之间。中间部分(32)包括至少一个支撑结构(36,36A,36B,36C)和含有钨或硼的基体材料(32A,32B),并且至少一个支撑结构(36,36A,36B,36C)在主屏蔽层(18)的顶部部分(34)与底部部分(30)之间延伸。(A nuclear power plant (10) comprises: a nuclear reactor (12) includes a reactor fuel element (14), a reactor shell (16) surrounding the nuclear reactor (12), and a primary shield (18) surrounding the reactor shell (16). The reactor fuel element (14) is disposed between a first height (H1) and a second height (H2) that is higher than the first height (H1). The primary shield (18) includes a base portion (30), a middle portion (32), and a top portion (34). The base portion (30) has an upper height (H3) below the first height (H1), and the base portion (30) comprises concrete. The top portion (34) has a lower height (H4) above the second height (H2), and the top portion (34) comprises concrete. The intermediate portion (32) is vertically disposed between the base portion (30) and the top portion (34) of the primary shield (18). The intermediate portion (32) includes at least one support structure (36, 36A,36B, 36C) and a base material (32A, 32B) comprising tungsten or boron, and the at least one support structure (36, 36A,36B, 36C) extends between the top portion (34) and the bottom portion (30) of the primary shield layer (18).)

核电厂

技术领域

本公开涉及核电厂。

背景技术

核电厂包括：包括反应堆燃料元件的核反应堆，围绕反应堆燃料元件的反应堆壳，围绕反应堆壳的主屏蔽层，围绕主屏蔽层的较远的墙，围绕较远的墙的安全壳（containment vessel），以及围绕安全壳的建筑墙。反应堆壳典型地包括具有4至8英寸，10至20 cm的厚度的钢。主屏蔽层典型地包括4英尺，1.22 m的含铅（leaded）混凝土墙，厚度具有各自具有1.5英寸，3.8 mm的厚度内部和外部钢衬。较远的墙典型地包括具有5英尺，1.52m的厚度的增强混凝土。安全壳典型地包括具有1.5英寸，3.8 mm的厚度的钢，并且建筑墙典型地包括具有3英尺，0.91 m的厚度的增强混凝土。

主屏蔽层，有时称为生物屏蔽层，被布置成当反应堆运行时防止中子通量从反应堆离开到周围环境，并且当反应堆关闭时阻挡来自辐照压力/反应堆壳的伽马射线。其被设计成防止当反应堆关闭进行检查时对人体的辐射剂量，且还防止当反应堆运行时辐照附近的结构材料和核电厂的其他组件。

主屏蔽层主要包括混凝土，但混凝土不提供高水平的中子屏蔽，且因此主屏蔽层需要相对大量的混凝土，且因此混凝土必须相对地厚。混凝土的优点在于混凝土相对便宜。主屏蔽层不是优化成最大化中子屏蔽的程度，而是最小化用于中子屏蔽的材料的量。

因此，本公开寻求提供具有主屏蔽层的核反应堆，其减少或克服上述问题。

发明内容

根据第一方面，提供有一种核电厂，包括：核反应堆，所述核反应堆包括反应堆燃料元件，围绕核反应堆的反应堆壳和围绕反应堆壳的主屏蔽层，反应堆燃料元件布置在第一高度与高于第一高度的第二高度之间，主屏蔽层至少形成在反应堆壳周围的环，主屏蔽层包括基部部分、中间部分和顶部部分，基部部分、中间部分和顶部部分各自在反应堆壳周围在圆周上连续延伸，主屏蔽层的基部部分在第一高度处或以下具有上部高度，并且基部部分包括混凝土，主屏蔽层的顶部部分在第二高度处或以上具有下部高度，并且顶部部分包括混凝土，主屏蔽层的中间部分垂直布置在底部部分与顶部部分之间，中间部分包括至少一个支撑结构和含有钨、硼、银、铟、铪或镉的基体材料，并且至少一个支撑结构在主屏蔽层的顶部部分与底部部分之间延伸。

至少一个支撑结构可以包括内部混凝土构件和外部混凝土构件，含有钨或硼的基体材料的单层布置在内部混凝土构件与外部混凝土构件之间。

至少一个支撑结构可以包括内部钢构件和外部钢构件，含有钨或硼的基体材料的单层布置在内部钢构件与外部钢构件之间。

至少一个支撑构件可以包括内部钢增强混凝土构件和外部钢增强混凝土构件，含有钨或硼的基体材料的单层布置在内部钢增强混凝土构件与外部钢增强混凝土构件之间。

至少一个支撑构件可以包括内部混凝土构件、中间混凝土构件和外部混凝土构件，含有钨或硼的基体材料的第一层布置在内部混凝土构件与中间混凝土构件之间，并且含有钨或硼的基体材料的第二层布置在中间混凝土构件与外部混凝土构件之间。

至少一个支撑构件可以包括内部钢构件、中间钢构件和外部钢构件，含有钨或硼的基体材料的第一层布置在内部钢构件与中间钢构件之间，并且含有钨或硼的基体材料的第二层布置在中间钢构件与外部钢构件之间。

至少一个支撑构件可以包括内部钢增强混凝土构件、中间钢增强混凝土构件和外部钢增强混凝土构件，含有钨或硼的基体材料的第一层布置在内部钢增强混凝土构件与中间钢增强混凝土构件之间，并且含有钨或硼的基体材料的第二层布置在中间钢增强混凝土构件与外部钢增强混凝土构件之间。

基体材料可以包括聚合物材料。聚合物材料可以包括聚丙烯或聚乙烯。钨或硼可以作为粉末或作为颗粒分布遍及基体材料，例如，聚合物材料。基体材料可以含有钨和硼二者。基体材料可以含有碳化钨、碳化硼、氮化硼或碳氮化硼。基体材料可以含有钨和/或硼作为其他合适的化合物。

主屏蔽层可以包括内部钢衬和外部钢衬，基部部分、中间部分和顶部部分夹在内部钢衬与外部钢衬之间。

中间部分可以具有径向内表面和径向外表面，中间部分在径向外表面处具有与径向内表面相同的垂直高度。

中间部分可以具有径向内表面和径向外表面，中间部分在径向外表面处具有比径向内表面更大的垂直高度。

中间部分可以具有径向内表面和径向外表面，中间部分在径向内表面处具有比径向外表面更大的垂直高度。

较远的墙可以围绕主屏蔽层，安全壳围绕较远的墙，并且建筑墙围绕安全壳。

核反应堆可以是加压水反应堆或沸水反应堆。

核反应堆可以是小型模块化反应堆。

小型模块化核反应堆可以生产高达500 MWe。

小型模块化核反应堆可以生产220至440 MWe。

本领域技术人员将理解，除非其中相互排斥，否则关于上述方面中的任何一个方面描述的特征经适当修改后可以应用于任何其他方面。此外，除非其中相互排斥，否则本文所述的任何特征可以应用于任何方面和/或与本文所述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图，仅通过实例的方式来描述实施例，其中：

图1是根据本公开的核电厂的截面侧视图。

图2是图1中所示的核电厂的一部分的放大截面侧视图。

图3是图1中所示的核电厂的一部分的替代放大截面侧视图。

图4是图1中所示的核电厂的一部分的另一个替代放大截面侧视图。

图5是图1中所示的核电厂的一部分的又一个替代放大截面侧视图。

具体实施方式

图1示出了核电厂10，其包括核反应堆12、围绕核反应堆12的反应堆壳16和围绕反应堆壳16的主屏蔽层18。核反应堆12包括反应堆燃料元件14。较远的墙20围绕主屏蔽层18，安全壳22围绕较远的墙20，并且建筑墙24围绕安全壳22。主屏蔽层18至少在反应堆壳16周围形成环。反应堆壳16包括主要部分17和盖19。核电厂10还包括主回路25、热交换器26、次级回路27、涡轮机28和发电机29。主回路25中的主流体通过核反应堆12加热。主流体从核反应堆12流动通过管道25A到热交换器26，其中其加热次级回路27中的次级流体。主回路25中的主流体从热交换器26流动通过管道25B回到核反应堆12。次级回路27中的加热的次级流体流动通过管道27A，到涡轮机28并驱动涡轮机28，所述涡轮机进而驱动发电机29产生电力。例如，次级流体是水，加热的次级流体是蒸汽，并且涡轮机28是蒸汽涡轮机28。替代地，涡轮机28可以为其他目的提供驱动。核反应堆12可以是沸水反应堆（BWR）或加压水反应堆（PWR）。如果核电厂10包括加压水反应堆，则可以有加压器。核反应堆12可以是小型模块化反应堆（SMR），例如，用于生产高达500 MWe，例如，220至440MWe。

图2更详细地示出了主屏蔽层18的第一布置。反应堆燃料元件14布置在第一高度H1与高于第一高度H1的第二高度H2之间。第一和第二高度H1和H2是相对于基部水平或基部高度B测量的。主屏蔽层18包括基部部分30、中间部分32和顶部部分34。基部部分30、中间部分32和顶部部分34各自在反应堆壳16周围在圆周上连续延伸。主屏蔽层18的基部部分30具有布置在第一高度H1之下的上部高度H3。基部部分30包括混凝土。主屏蔽层18的顶部部分34具有布置在第二高度H2之上的下部高度H4。高度H3和H4也是相对于基部水平或基部高度B测量的。顶部部分34包括混凝土。主屏蔽层18的中间部分32垂直地布置在基部部分30与顶部部分34之间。中间部分32包括含有钨或硼的基体材料和至少一个支撑结构36。至少一个支撑结构36在主屏蔽层18的顶部部分34与底部部分30之间延伸。至少一个支撑结构36支撑主屏蔽层18的中间部分32和顶部部分34。主屏蔽层18具有厚度T。

在该实例中，至少一个支撑结构36包括径向内支撑结构36A、径向中间支撑结构36B和径向外支撑结构36C。含有钨或硼的基体材料的第一层32A布置在径向内支撑结构36A与径向中间支撑结构36B之间，并且含有钨或硼的基体材料的第二层32B布置在径向中间支撑结构36B与径向外支撑结构36C之间。径向内支撑结构36A、径向中间支撑结构36B和径向外支撑结构36C包括混凝土和/或钢。径向内支撑结构36A、径向中间支撑结构36B和径向外支撑结构36C可以各自包括混凝土、钢、钢增强混凝土或具有钢衬的混凝土。基体材料可以包括聚合物材料。聚合物材料可以包括聚丙烯或聚乙烯。聚合物材料还可以包括可注射成型并且它们的热性能和它们的中子吸收性能的任何聚合物。钨或硼可以作为粉末或作为颗粒分布遍及基体材料，例如，聚合物材料。基体材料可以含有钨和硼二者。基体材料可以含有钨和/或硼，如碳化钨、碳化硼、氮化硼、碳氮化硼或如其他合适的化合物，只要它们不以此种方式负面影响主屏蔽层18的中间部分32的材料性能，以便使其不可能制造第一层32A和/或第二层32B。

应当注意，中间部分32具有径向内表面和径向外表面，中间部分32在中间部分32的径向内表面处具有垂直高度L1，并且在径向外表面处具有垂直高度L2，且在径向外表面处的垂直高度L2大于在径向内表面处的垂直高度L1。特别应当注意，含有钨或硼的基体材料的第二层32B具有比含有钨或硼的基体材料的第一层32A更大的垂直高度。因此，中间部分32是沿等高线（contoured）的。还应当注意，垂直高度L1=高度H4-高度H3。

在第一实例中，径向内支撑结构36A包括内部混凝土构件，径向中间支撑结构36B包括中间混凝土构件，径向外支撑结构36C包括外部混凝土构件，含有钨或硼的聚合物基体的第一层32A夹在内部混凝土构件与中间混凝土构件之间，并且含有钨或硼的聚合物基体的第二层32B夹在中间混凝土构件与外部混凝土构件之间。此外，内钢衬可以设置在主屏蔽层18的内表面上，并且外钢衬可以设置在主屏蔽层18的外表面上。

在第二实例中，径向内支撑结构36A包括内部钢增强混凝土构件，径向中间支撑结构36B包括中间钢增强混凝土构件，径向外支撑结构36C包括外部钢增强混凝土构件，含有钨或硼的聚合物基体的第一层32A夹在内部钢增强混凝土构件与中间钢增强混凝土构件之间，并且含有钨或硼的聚合物基体的第二层32B夹在中间钢增强混凝土构件与外部钢增强混凝土构件之间。此外，内钢衬可以设置在主屏蔽层18的内表面上，并且外钢衬可以设置在主屏蔽层18的外表面上。

因此，主屏蔽层18包括含有钨或硼的基体材料，以屏蔽其中中子通量最高的反应堆壳16的区域周围。在该区域中对主屏蔽层18的结构要求由混凝土和/或钢支撑结构36A、36B和36C提供，同时含有钨或硼的基体材料的第一和第二层32A和32B用于组成在该区域中的主屏蔽层18的大部分厚度，并当核反应堆12运行时防止中子通量从核反应堆12离开到周围环境，并且当核反应堆12关闭时阻挡来自辐照压力/反应堆壳16的伽马射线。含有钨或硼的基体材料的第一和第二层32A和32B还防止当核反应堆12关闭进行检查时对人体的辐射剂量，且也防止当核反应堆12运行时辐照附近的结构材料和核电厂10的其他组件。

主屏蔽层18利用基体材料中的钨与混凝土相比优越的屏蔽性能，将主屏蔽层18的厚度减少高达50%。例如，主屏蔽层18具有2至3英尺的厚度T。这提供了由主屏蔽层18所占空间上的显著减少，允许围绕核反应堆12的组件，例如，热交换器26、加压器被放置得更靠近核反应堆12。这减少了管道工作的长度，降低了管道破裂的可能性，并减少了在核反应堆12和核电厂10的工作寿命结束时要处理的放射性废物的数量。主屏蔽层18使用混凝土和/或钢支撑结构32A、32B和32C的优越的结构性能的优点，以在万一发生事故时保护含有钨或硼的基体材料的第一和第二层32A和32B。其还减少了所需的钨或硼的数量，从而显著降低了成本，同时保留了含有钨或硼的基体材料的屏蔽优势。主屏蔽层18的沿等高线的中间部分32与从核反应堆12发射的最大中子通量匹配，并且设计为使得例如在第一和第二层32A和32B中使用钨或硼基基体材料的最小数量。

图3更详细地示出了主屏蔽层18A的第二布置。主屏蔽层18A的第二布置与图2所示的主屏蔽层18基本相同，并且由相同符号表示相同部件。主屏蔽层18A的不同之处在于，至少一个支撑结构36仅包括径向内支撑结构36A和径向外支撑结构36C。含有钨或硼的基体材料的单层32C布置在径向内支撑结构36A与径向外支撑结构36C之间。径向内支撑结构36A和径向外支撑结构36C包括混凝土和/或钢。径向内支撑结构36A和径向外支撑结构36C可以各自包括混凝土、钢、钢增强混凝土或具有钢衬的混凝土。基体材料可以包括聚合物材料。聚合物材料可以包括聚丙烯或聚乙烯。聚合物材料还可以包括可注射成型并且它们的热性能和它们的中子吸收性能的任何聚合物。钨或硼可以作为粉末或作为颗粒分布遍及基体材料，例如，聚合物材料。基体材料可以含有钨和硼二者。基体材料可以含有钨和/或硼，如碳化钨、碳化硼、氮化硼、碳氮化硼或如其他合适的化合物，只要它们不以此方式负面影响主屏蔽层18的中间部分32的材料性能，以便使其不可能制造单层32C。

同样，应当注意，中间部分32具有径向内表面和径向外表面，中间部分32在中间部分32的径向内表面处具有垂直高度L1，并且在径向外表面处具有垂直高度L2，且在径向外表面处的垂直高度L2大于在径向内表面处的垂直高度L1。特别应当注意，含有钨或硼的基体材料的单层32C具有在更靠近径向外表面处比更靠近径向内表面处更大的垂直高度。因此，中间部分32是沿等高线的。还应当注意，垂直高度L1=高度H4-高度H3。

图4更详细地示出了主屏蔽层18B的第三布置。主屏蔽层18B的第三布置与图2中所示的主屏蔽层18基本相同，并且由相同符号表示相同部件。主屏蔽层18B的不同之处在于，中间部分32具有径向内表面和径向外表面，中间部分32在中间部分32的径向内表面处具有垂直高度L1，并且在径向外表面处具有垂直高度L2，且在径向外表面处的垂直高度L2与在径向内表面处的垂直高度L1相同。还应当注意，垂直高度L1=垂直高度L2=高度H4-高度H3。特别应当注意，含有钨或硼的基体材料的第一层32A具有与含有钨或硼的基体材料的第二层32B相同的垂直高度。替代地，在不具有径向中间支撑结构的布置中，含有钨或硼的基体材料的单层可以设置在径向内支撑结构与径向外支撑结构之间。

图5更详细地示出了主屏蔽层18C的第四布置。主屏蔽层18C的第四布置与图2中所示的主屏蔽层18基本相同，并且由相同符号表示相同部件。主屏蔽层18C的不同之处在于，中间部分32具有径向内表面和径向外表面，中间部分32在中间部分32的径向内表面处具有垂直高度L1，并且在径向外表面处具有垂直高度L2，且在径向内表面处的垂直高度L1大于在径向外表面处的垂直高度L2。还应当注意，垂直高度L2=高度H4-高度H3。

特别应当注意，含有钨或硼的基体材料的第一层32A具有比含有钨或硼的基体材料的第二层32B更大的垂直高度。因此，中间部分32是沿等高线的。替代地，在不具有径向中间支撑结构的布置中，含有钨或硼的基体材料的单层可以设置在径向内支撑结构与径向外支撑结构之间。

含有钨或硼的基体材料的第一层可以布置在内部钢构件与中间钢构件之间，且含有钨或硼的基体材料的第二层可以布置在中间钢构件与外部钢构件之间。含有钨或硼的基体材料的第一层可以布置在内部混凝土构件与中间混凝土构件之间，且含有钨或硼的基体材料的第二层可以布置在中间混凝土构件与外部混凝土构件之间。含有钨或硼的基体材料的第一层可以布置在内部钢增强混凝土构件与中间钢增强混凝土构件之间，且含有钨或硼的基体材料的第二层可以布置在中间钢增强混凝土构件与外部钢增强混凝土构件之间。

含有钨或硼的基体材料的单层可以布置在内部钢构件与外部钢构件之间。含有钨或硼的基体材料的单层可以布置在内部混凝土构件与外部混凝土构件之间。含有钨或硼的基体材料的单层可以布置在内部钢增强混凝土构件与外部钢增强混凝土构件之间。

主屏蔽层可以包括内部钢衬和外部钢衬，基部部分、中间部分和顶部部分夹在内部钢衬与外部钢衬之间。

尽管本公开已提到对支撑结构使用钢，但使用任何其他合适的金属可以是同样可能的，例如，镍、铝、铅、钛等。

钢或金属支撑结构可以在合适的情况下包括框架，例如，中间支撑结构。

尽管本公开已提到夹在内部与外部支撑结构之间的含有钨和/或硼的基体材料，但其可以是可能的来将含有钨和/或硼的基体材料的层被固定到中间区域中的主屏蔽层的内部表面上，或将含有钨和/或硼的基体材料的层固定到中间区域中的主屏蔽层的外部表面上，或将含有钨和/或硼的基体材料的层固定到中间区域中的主屏蔽层的内部表面上并将含有钨和/或硼的基体材料的层固定到中间区域中的主屏蔽层的外部表面上。

含有钨或硼的基体材料完全包裹在主屏蔽层的中间部分的支撑结构之内，并且不可见，例如，可直接接近的，且因此由主屏蔽层的中间部分的支撑结构保护。

其可以是可能的来在基体材料中使用一种或多种其他合适的中子吸收材料，例如，银、铟、铪、镉，但是要考虑这些材料的成本以及它们是否影响聚合物材料的可制造性。

其可以是可能的来使用其他基体材料，如金属。合适的金属基体材料例如是钢、不锈钢、低碳钢、钛或铝。

尽管本公开已提到热交换器26、涡轮机28和发电机29布置在建筑墙24外侧，但其可以是可能的来将它们中的一个或多个布置在建筑墙24之内，并且它们可以布置在较远的墙20之内并由较远的墙20围绕。

将理解的是，本发明不限于上述实施例，并且在不偏离本文所述概念的情况下可做出各种修改和改进。除其中相互排斥的情况外，任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文所述的一个或多个特征的所有组合和子组合。