核蒸汽供给系统的制作方法
【专利说明】核蒸汽供给系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年8月14日提交的美国临时申请序列号为No，61/683，021的权益，该申请的全文通过引用并入本文。
发明领域
[0003]本发明涉及核蒸汽供给系统，特别涉及到用来加热蒸汽供给系统中一次冷却剂的启动子系统。
[0004]发明背景
[0005]为了启动典型压水堆中核蒸汽供给系统，必须将反应堆的冷却水加热到工作温度，在所属领域，人们将这种温度称之为反应堆冷却水的空载工作温度。此外，在传统的核蒸汽供给系统中，必须确保完全流过冷却剂回路和堆芯。必须确保在控制棒抽出时完全湍流流过燃料芯，以避免局部加热和沸腾，并确保水的反应性在启动和正常运行期间在理想范围内。
[0006]在现有技术中，采用反应堆冷却剂泵来完成期望的启动条件，泵的主要作用是在正常使用条件下使冷却剂在反应堆芯中循环，在正常使用时，反应堆冷却剂泵所产生的大量摩擦热量通过外部冷却设备(热交换器)排放以保持安全工作温度。然而，在启动期间，外部冷却是不起作用的，结果，摩擦热量被直接传输到反应堆冷却水中，使其达到空载工作温度。在反应堆冷却剂水被加热时，反应堆冷却剂回路中的压力因为使用了一排内部加热器而升高，通过保持两相平衡，这些加热器蒸发部分反应堆冷却剂水并增加了反应堆冷却剂系统中的压力。
[0007]在无源(passively)安全核蒸汽供给系统中，启动期间对反应堆存量水加热的上述过程是不存在的。这是因为这种无源安全核蒸汽供给系统并不包括或不要求使用任何泵，为此，使用摩擦热量来加热反应堆存量水是不存在的。于是，在无源安全核蒸汽供给系统中，就需要一种可加热反应堆存量水的启动系统。
【发明内容】
[0008]本发明提出了一种改进的核蒸汽供给系统和由此克服了上述现有装置中的缺陷的启动子系统。本发明还提供了一种加热核蒸汽供给系统中一次冷却剂至空载运行温度的改进方法。
[0009]在一个方面，本发明可以是一种核蒸汽供给系统，包括:带有内腔的反应堆容器，由位于内腔内的核燃料组成的反应堆芯，流体连接到反应堆容器上的蒸汽发生容器；位于蒸汽发生容器内并流体连接到反应堆容器上的立管；一次冷却剂至少部分地填充位于反应堆容器和蒸汽发生容器内形成的一次冷却剂回路；以及启动子系统，包括:带有位于一次冷却剂回路上的入口的进口管道；与进口管道流体连接的泵，用来将来自一次冷却剂回路的一部分一次冷却剂通过进口管道而泵入到注入管道内；至少一个加热元件，用来对所述部分的一次冷却剂进行加热以形成一次冷却剂的已加热部分；以及流体连接到注入管道上并位于立管内的喷嘴，以便将所述一次冷却剂的已加热部分注入到立管内。
[0010]在另一个方面，本发明可以是一种核蒸汽供给系统，包括:带有内腔的反应堆容器，位于内腔内的核燃料组成的反应堆芯，流体连接到反应堆容器上的蒸汽发生容器；在反应堆容器和蒸汽发生容器内形成的一次冷却剂回路，一次冷却剂回路内的一次冷却剂；以及流体连接到一次冷却剂回路上的启动子系统，所述启动子系统配置成:(I)接收一部分来自一次冷却剂回路的一次冷却剂；(2)对所述的一次冷却剂部分进行加热以形成一次冷却剂的已加热部分；以及(3)将所述一次冷却剂的已加热部分注入到一次冷却剂回路中。
[0011]再一个方面，本发明是提出一种在核蒸汽供给系统内加热一次冷却剂至空载使用温度的方法，所述方法包括:a)填充反应堆容器和蒸汽发生容器内的一次冷却剂回路，反应堆容器与蒸汽发生容器通过一次冷却剂而流体连接到一起；b)从一次冷却剂回路中抽出一部分一次冷却剂并注入到启动子系统内；c)对启动子系统内的这部分一次冷却剂进行加热以形成一次冷却剂的已加热部分；以及d)将一次冷却剂的已加热部分注入到一次冷却剂回路中。
[0012]再一个方面，本发明提供了一种启动核蒸汽供给系统的方法，所述方法包括:a)至少部分地填充经由一次冷却剂而流体连接到一起的反应堆容器和蒸汽发生容器内的一次冷却剂回路，其中，一次冷却剂回路包括蒸汽发生容器内的立管山)从一次冷却剂回路中抽出一部分一次冷却剂并注入到启动子系统内；c)对启动子系统内的这部分一次冷却剂进行加热以形成一次冷却剂的已加热部分；以及d)将所述一次冷却剂的已加热部分引入蒸汽发生容器的立管中。
[0013]通过如下给出的详细说明，本发明的进一步应用领域会显现出来。应该了解的是，尽管给出了本发明的优选实施方式，但详细说明和具体示例都仅作为示例说明，并不是对本发明的范围的限制。
[0014]附图简要说明
[0015]下面参照附图，介绍本发明示例性实施方式的特性，附图中相同的部件标以相同符号，附图如下:
[0016]图1为根据本发明实施方式的核蒸汽供给系统的主视图，包括反应堆容器、蒸汽发生容器和启动子系统；
[0017]图2为图1所示反应堆容器的立视剖面图；
[0018]图3为图1所示蒸汽发生容器的底部的立视剖面图；
[0019]图4为图1所示蒸汽发生容器的顶部的立视剖面图；
[0020]图5A为图1所示反应堆容器的和一部分蒸汽发生容器的特写图，示出了根据本发明第一个实施方式的启动子系统的进口管道的部位；
[0021]图5B为图5A的特写图，示出了根据本发明第二个实施方式的启动子系统的进口管道的部位；
[0022]图5C为图5A的特写图，示出了根据本发明第三个实施方式的启动子系统的进口管道的部位；
[0023]图6为图1所示VI区域的特写图；
[0024]图7示出了启动子系统和反应堆容器之间连接示意图；以及
[0025]图8为一次冷却剂压力与一次冷却剂温度的关系曲线图。
[0026]所有附图都是示意性的，并不一定按规定比例。
[0027]发明的具体说明
[0028]下面参照示例性实施方式介绍并描述本发明的特征和益处。示例性实施方式的如下描述旨在结合附图一起阅读，这些附图被认为是整个书面描述的组成部分。在本文所公开的实施方式的描述中，有关方向或方位的任何参照都仅在便于介绍，决不是限定本发明的范围。相关术语，诸如“下方的”、“上方的”、“水平的”、“垂直的”、“在…正上方”、“在…正下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及这些术语的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)，都应被解释为是指当时所描述的或所述图所示的方位。这些相对术语都仅仅是为了描述方便，并不要求装置按特定方位来建造或操作使用。术语，诸如“附着”、“固定”、“连接”、“耦合”、“互连”，以及类似术语，都是指一种关系，其中各个构件通过中间结构件以及活动或刚性固定件或连接关系而直接地或间接地相互固定或连接在一起，除非另有明确说明。为此，很显然，本发明公开内容应不限定在这些示例性实施方式上，这些实施方式说明了发明特征的一些可能的非限定性结合形式，这些特性可以独立存在，也可以以其它结合形式存在。
[0029]首先参照图1，附图示出了根据本发明的核蒸汽供应系统100。尽管此处所述的是一种核蒸汽供给系统，在某些实施方式中，该系统在本文中一般可指一种蒸汽供给系统。本发明的核蒸汽供给系统100 —般用在核压水堆中，通常包括反应堆容器200、蒸汽发生容器300和启动子系统500。当然，应当理解，该核蒸汽供给系统100可使用在除核压水堆之外的其它用途中。
[0030]在核蒸汽供给系统100正常使用期间，一次冷却剂流过反应堆容器200和蒸汽发生容器300内的一次冷却剂回路190。该一次冷却剂回路190如图1中箭头所示。特别是，一次冷却剂向上流过反应堆容器200内的提升管柱(risercolumn)224，经过流体接头270，从反应堆容器200流到蒸汽发生容器300，向上流过蒸汽发生容器300内的立管337到达蒸汽发生容器300的顶部(S卩，到达稳压器380)，然后，向下流过蒸汽发生容器300管子304侧边的管子332 (见图3和图4)，从蒸汽发生容器300经过流体接头270到反应堆容器200，向下流过反应堆容器200的溢流管(downcorner) 222，然后，从反应堆容器200的溢流管222流回到反应堆容器200的提升管柱224。根据需要，在核蒸汽供给系统100的正常使用期间，一次冷却剂继续沿该一次冷却剂回路流动，不需要使用任何泵。
[0031]应该清楚的是，在某些实施方式中，一次冷却剂回路190在核蒸汽供给系统100关闭和不工作时会填充或局部填充一次冷却剂。因为填充冷却剂，这意味着整个一次冷却剂回路190被完全充满了一次冷却剂，或者说，一次冷却剂回路190几乎完全充满了一次冷却剂，而留出一些空气空间，以便在空气排出后可根据需要再补充一次冷却剂，或用于下述的启动程序期间由于一次冷却剂受热而膨胀。在某些实施方式中，在启动前，一次冷却剂在一次冷却剂回路190中是静止的，这是因为一次冷却剂并没有沿一次冷却剂回路流动。然而，在下面详细讨论的利用启动子系统500进行启动期间，因为热虹吸(thermosiphon flow)的物理原理，一次冷却剂被加热且被迫流过一次冷却剂回路190，最终，在未借助任何泵的情况下，能够无源地流过一次冷却剂回路190。
[0032]在反应堆芯内的核燃料开始裂变链式反应产生热量前，使用启动子系统500的启动程序开始将一次冷却剂加热到空载运行温度，如下将详细介绍。在核蒸汽供给系统100正常运行期间，一次冷却剂因为其流过反应堆芯而具有极高的温度。特别是，反应堆容器200内的核燃料开始裂变链式反应，这会产生热量，当一次冷却剂流过反应堆容器200反应堆芯时，对一次冷却剂进行加热。如下所述，这种经过加热的一次冷却剂用来对二次冷却剂进行相变，使其从液相改变为蒸汽相。
[0033]在正常运行期间，在一次冷却剂流过一次冷却剂回路190的同时，二次冷却剂流过二次冷却剂回路。特别是，在图1所示的二次冷却剂部位处，二次冷却剂被引入蒸汽发生容器300的壳体侧305 (图3和图4)。然后，二次冷却剂流