一種具有非能動堆芯余熱排出的反應堆的制作方法

本發明涉及核反應堆技術領域，尤其涉及一種具有非能動堆芯余熱排出的反應堆。

背景技術：

核電的使用是人類在能源利用史上的一個重大突破，利用原子核的裂變反應，核電廠能夠產生其他所有傳統化石能源所無法比擬的高能量輸出，并且這些高能量輸出往往只需要耗費少量的核燃料。這種低投入高產出的特性，使得核能已經成為世界上許多國家的重要能源組成部分，然而核電在具有極高利用價值的同時，其所可能帶來的危害也令人們談核色變。

在使用核電的過程中，一旦壓水堆中反應堆容器溫度迅速上升，若不及時冷卻并將反應堆容器的熱量導出，就可能使安全殼的溫度及壓力升高，從而引發嚴重的安全事故，將會對核電廠周邊的環境乃至全人類帶來及其嚴重的核污染災害，因此需要對安全殼進一步設置安全保障措施。

為了解決上述問題，現有技術中公開了申請號為201410539275.2，名稱為一種溫度觸發的池式反應堆非能動事故余熱排出系統的發明專利，它由反應堆堆芯直接冷卻系統和反應堆安全容器輔助冷卻系統組成，雖然堆芯直接冷卻系統和反應堆安全容器輔助冷卻系統共用一套空氣冷卻系統，具有非能動特點，大大簡化了反應堆的系統設計，節省了建造成本。但只適用于池式，功率較小的反應堆；又公開了申請號為201310328514.5，名稱為非能動安全殼冷卻系統的發明專利，雖然該系統不依賴于外部電源便可實現事故下安全殼的余熱導出功能，提高了系統的穩定性，同時提高了核電廠的安全性，但需要在堆內布置水池、并需要在堆坑處布置熱交換器。

因此，發明人發現上述冷卻系統均會在安全殼內采用液態冷卻介質進行中間換熱，由于液態冷卻介質受熱易蒸發，熱量易在安全殼內滯留，導致安全殼內壓力升高，然而為了避免安全殼內高壓現象，需設置大面積冷凝器及回流裝置，因此使得系統體積大，且建設成本高。

技術實現要素：

本發明實施例所要解決的技術問題在于，提供一種具有非能動堆芯余熱排出的反應堆，采用固體冷卻介質來避免安全殼內超壓風險，節省系統安裝空間，降低建設成本。

為了解決上述技術問題，本發明實施例提供了一種具有非能動堆芯余熱排出的反應堆，所述具有非能動堆芯余熱排出的反應堆包括全封閉式的安全殼；其中，

所述安全殼的內部設有反應堆容器、至少一用于存儲固體熱傳導介質的存儲罐和保溫層；其中，所述保溫層為全封閉式結構，內部充滿惰性氣體，且所述保溫層上形成有至少一與所述安全殼內壁相連的第一外側壁、至少一與所述反應堆容器外壁相連的第二外側壁以及至少一設有一個或多個導通閥的第三外側壁；所述每一存儲罐上均延伸出一導管與所述保溫層上相應的導通閥相連，且所述每一存儲罐均待相應的導通閥滿足一定溫度或信號開啟后，實現與所述保溫層導通；

所述安全殼的外部設有用于給所述安全殼殼體外壁降溫的冷卻循環系統。

其中，所述固體熱傳導介質為固體顆粒狀且具有高導熱性的石墨或碳化硅。

其中，所述惰性氣體為氬氣。

其中，所述安全殼由具有良好導熱性的不銹鋼材料制作而成，且所述安全殼的外壁上設有至少一用于散熱的翅片。

其中，所述冷卻循環系統包括第一通道、第二通道以及用于存儲冷卻水的水池；其中，

所述第一通道的一側貼附于所述安全殼的外壁上，另一側與所述第二通道的一端相連；

所述第二通道的另一端與所述水池相連，使得所述水池與所述第一通道之間相導通。

其中，所述冷卻循環系統還包括用于引入冷卻氣體或空氣的第三通道，所述第三通道的一端與所述第一通道背離所述安全殼的一側相連，另一端與外設的冷卻氣體制冷裝置相連或直接導通空氣。

其中，所述第一通道、第二通道及第三通道上均設有隔離閥。

其中，所述冷卻循環系統的水池和所述外設的冷卻氣體制冷裝置均設置于一凹坑的外部，且所述安全殼內的反應堆容器和保溫層以及所述安全殼外的翅片均位于所述凹坑內；

其中，所述第二通道與所述第一通道導通的一端以及所述第三通道與所述第一通道導通的一端均位于所述凹坑內。

其中，所述凹坑由絕熱混凝土澆筑而成，且所述凹坑與所述安全殼之間設置有減震機構。

其中，所述反應堆容器內部設有堆芯、冷卻劑和至少兩個換熱器；其中，

每一換熱器均位于所述堆芯上方的冷卻池區內，且所述每一換熱器上均設有多個用于所述冷卻劑流通的孔道；所述冷卻劑在所述堆芯外壁預留的空間及所述每一換熱器的孔道中循環流動實現換熱。

其中，所述堆芯由多個燃料組件形成，且每一燃料組件之間均預留有所述冷卻劑流經的第一間隙；其中，所述每一燃料組件均由多個燃料棒形成，且每一燃料棒均包括燃料包殼以及填充在所述燃料包殼內的燃料，且所述每一燃料棒之間均預留有所述冷卻劑自然循環流經的第二間隙。

其中，所述每一燃料組件均由多個燃料棒呈四邊形排列分布而形成，且沿所述堆芯的中心位置向四周方向呈遞增擴散分布。

其中，所述堆芯內燃料組件之中一個或多個設置為控制棒組件，且所述每一控制棒組件均通過將燃料組件中心位置的一個或多個燃料棒均替換成由中子吸收材料制作而成的控制棒實現。

其中，所述燃料棒的燃料包殼由碳化硅陶瓷或包含鐵鉻鋁涂層的T91鋼制作而成，且所述燃料棒的燃料為氮化鈾燃料。

其中，所述每一換熱器均為管殼式微孔道換熱器或印刷電路板式微孔道換熱器。

其中，所述冷卻劑采用液態金屬鉛。

實施本發明實施例，具有如下有益效果：

1、本發明使得堆芯熱量以熱傳導的形式依次通過反應堆容器、保溫層的固體熱傳導介質以及安全殼的壁面向安全殼外導出，從而不需要液態冷卻介質進行中間換熱，避免安全殼內液態冷卻介質的蒸發，使得熱量不在安全殼內發生滯留，降低了安全殼內超壓的風險；

2、本發明由于不需要在安全殼內設置換熱器等情況，從設計上對系統進行了簡化，節省建造成本，同時最終熱阱設置在安全殼外，通過冷卻循環系統的多種手段進行控制，實現降溫緩解手段的多樣性，從而提高了安全性；

3、本發明的包殼采用碳化硅陶瓷或包含鐵鉻鋁涂層的T91鋼材料，提高了燃料包殼熔化溫度；

4、本發明的燃料組件采用四邊形布置方式，減小了燃料組件的流動阻力，增強了堆芯自然循環能力；

5、本發明通過采用氮化鈾燃料組件，在不改變自然循環能力的前提下，提高了堆芯的增殖能力，實現長周期換料；

6、本發明采用自然循環，不需要采用主泵設備，節省建造成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，根據這些附圖獲得其他的附圖仍屬于本發明的范疇。

圖1為本發明實施例提供的具有非能動堆芯余熱排出的反應堆的局部平面結構示意圖；

圖2為圖1中A-A向剖視圖；

圖3為圖2中反應堆容器堆芯冷卻的應用場景圖；

圖4為圖2 中堆芯布置燃料組件的平面結構示意圖；

圖5為圖4中燃料組件的平面結構示意圖；

圖6為圖5中控制棒組件的平面結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。

如圖1和圖2所示，為本發明實施例中，提供的一種具有非能動堆芯余熱排出的反應堆，該具有非能動堆芯余熱排出的反應堆包括全封閉式的安全殼1；其中，

安全殼1的內部設有反應堆容器11、至少一用于存儲固體熱傳導介質的存儲罐12和保溫層13；其中，保溫層13為全封閉式結構，內部充滿惰性氣體，且保溫層13上形成有至少一與安全殼1內壁相連的第一外側壁131、至少一與反應堆容器11外壁相連的第二外側壁132以及至少一設有一個或多個導通閥134的第三外側壁133；每一存儲罐12上均延伸出一導管121與保溫層13上相應的導通閥134相連，且每一存儲罐12均待相應的導通閥134滿足一定溫度或信號開啟后，實現與保溫層13導通，這樣有利于固體熱傳導介質更容易汲取反應堆容器11的溫度，以便快速建立熱量從反應堆容器11到安全殼1外的傳導渠道，使得反應堆的最終熱阱是外部環境；

安全殼1的外部設有用于給安全殼1殼體外壁降溫的冷卻循環系統，該冷卻循環系統可以通過多種手段（如水冷、風冷等）進行控制，實現降溫緩解手段的多樣性，提高安全性。

應當說明的是，當發生事故時，安全殼1內反應堆容器11出現堆芯溫度異常升高以及壓力異常升高等情況，使得保溫層13上設置的導通閥134在預設的一定溫度或信號達到后被觸發打開（即非能動性），自動實現每一存儲罐12罐內固體熱傳導介質沿相應的導管121流入保溫層13中，形成堆芯熱量以熱傳導的形式依次通過反應堆容器11、保溫層13內的固體熱傳導介質以及安全殼1的壁面向安全殼1外導出的熱量導出渠道，從而替代了液態冷卻介質進行中間換熱的過程，避免了安全殼1內液態冷卻介質的蒸發而熱量滯留安全殼1內，達到降低安全殼1內超壓風險的目的，簡化了安全殼1內系統設備及安全體積，并降低了建設成本。

在本發明實施例中，固體熱傳導介質采用固體顆粒狀且具有高導熱性的石墨，該固體石墨顆粒具有較高的導熱系數（在0℃時約為151w/mK），熱容較大（720 J/kg·℃），或者采用固體顆粒狀且具有高導熱性的碳化硅；惰性氣體采用氬氣，且使得保溫層13通常維持在負壓狀態；安全殼1由具有良好導熱性的不銹鋼材料制作而成，且安全殼1的外壁上設有至少一用于散熱的翅片，增加散熱面積及效率。

在本發明實施例中，冷卻循環系統包括第一通道31、第二通道32以及用于存儲冷卻水的水池4；其中，第一通道31的一側貼附于安全殼1的外壁上，另一側與第二通道32的一端相連；第二通道32的另一端與水池4相連，使得水池4與第一通道31之間相導通，這樣就使得水池4內的冷卻水通過第二通道32流入第一通道31，直接對安全殼1進行降溫，從安全殼1外壁上快速帶走該安全殼1產生的熱量。

為了提高外部冷卻循環系統降溫緩解手段的多樣性，可以通過增加冷卻氣體或自然空氣來降低安全殼1的溫度，因此冷卻循環系統還包括用于引入冷卻氣體或空氣的第三通道33，第三通道33的一端與第一通道31背離安全殼1的一側相連，另一端與外設的冷卻氣體制冷裝置相連或直接導通空氣，這樣也使得外設的冷卻氣體制冷裝置產生的冷卻氣體或自然形成的空氣通過第三通道33進入第一通道31，直接對安全殼1進行降溫，從安全殼1外壁上快速帶走該安全殼1產生的熱量。

為了控制上述冷卻水和/或冷卻氣體對安全殼1降溫的時間長短，因此第一通道31、第二通道32及第三通道33上均設有隔離閥5，用來調整冷卻水和/或冷卻氣體在各個通道滯留的時間。

在一個實施例中，為了便于更好的提高安全殼1的降溫性能，冷卻循環系統的水池4和外設的冷卻氣體制冷裝置均設置于一凹坑2的外部，且安全殼1內的反應堆容器11以及安全殼1外的翅片均位于凹坑2內；其中，第二通道32與第一通道31導通的一端以及第三通道33與第一通道31導通的一端均位于凹坑2內，這樣即能夠使得安全殼1的熱量集中在靠近凹坑2的一側，又增加了冷卻水和/或冷卻氣體流經的長度和時間，以及安全殼1散熱的面積，有利于帶走安全殼1更多的熱量。由于凹坑2由混凝土澆筑成絕熱混凝土層，使得凹坑2的熱導率較低（0.5w/m C）并盡可能保持較高的抗拉強度，且凹坑2與安全殼1之間設置有減震機構，從而保證了安全殼1的安全性，降低輻射物質泄漏。

在本發明實施例中，反應堆容器11內部設有堆芯111、冷卻劑和至少兩個換熱器112；其中，每一換熱器112均位于堆芯111上方的冷卻池區內，且每一換熱器112上均設有多個用于冷卻劑流通的孔道；冷卻劑在堆芯111外壁預留的空間及每一換熱器112的孔道中循環流動實現換熱，使得堆芯111的熱量能夠快速被冷卻劑帶走，且冷卻劑不會從池式主容器11內部泄漏出去；

應當說明的是，換熱器112可以為管殼式微孔道換熱器，也可以為印刷電路板式微孔道換熱器，或者采用上述兩種換熱器混合搭配；冷卻劑采用液態金屬鉛作為冷卻劑。當然為了給換熱器112散熱，可以通過伸入反應堆容器11內部由充滿二次側工質氣體形成的循環系統（未圖示）對換熱器112進行散熱冷卻，該二次側工質氣體由超臨界二氧化碳形成，且換熱器112預留有專門給二次側工質氣體流經的微孔道。

在一個實施例中，如圖3所示，換熱器112有兩個，均為管殼式微孔道換熱器，同時采用液態金屬鉛及超臨界二氧化碳作為冷卻劑對堆芯111進行冷卻。液態金屬鉛從堆芯111底部流入，從堆芯111上部流出，進入位于兩個換熱器112上部的孔道，經過兩個換熱器112流動，到達兩個換熱器112出口，實現循環流動帶走堆芯111熱量；同時通過由超臨界二氧化碳形成的二次側工質氣體從兩個換熱器112底部專門預留的微孔道進入，經過兩個換熱器112專門預留的微孔道，從兩個換熱器112上方集管流出，實現循環流動帶走兩個換熱器112的熱量。

在本發明實施例中，如圖4和圖5所示，堆芯111由多個燃料組件形成，且每一燃料組件之間均預留有冷卻劑流經的第一間隙；其中，每一燃料組件均由多個燃料棒形成，且每一燃料棒均包括由碳化硅陶瓷或包含鐵鉻鋁涂層的T91鋼制作而成的燃料包殼以及填充在燃料包殼內的氮化鈾燃料，且每一燃料棒之間均預留有冷卻劑自然循環流經的第二間隙。

在本發明實施例中，每一燃料組件均由多個燃料棒呈四邊形排列分布而形成（如圖5所示），且沿堆芯111的中心位置向四周方向呈遞增擴散分布（如圖4所示）。

為了控制堆芯111反應性，如圖6所示，將堆芯111內燃料組件之中一個或多個設置為控制棒組件，且每一控制棒組件均通過將燃料組件中心位置的一個或多個燃料棒均替換成由中子吸收材料制作而成的控制棒實現。

本發明實施例中的具有非能動堆芯余熱排出的反應堆的工作原理為：事故工況下，反應堆容器11溫度上升或壓力上升，通過事故發生的信號或采用溫度敏感等能動或非能動方式觸發保溫層13上設置的導通閥134打開，使得每一存儲罐12罐內固體熱傳導介質通過重力、壓差或其他非能動驅動方式進入保溫層13之間中，由于保溫層13內已有負壓的惰性氣體（如氬氣），使得安全殼1內無超壓風險。此時建立了反應堆容器11—>固體熱傳導介質—>安全殼1內壁—>安全殼1外部環境的傳熱方式。

同時，可將安全殼1外部水池4與安全殼1外部流道（如第一通道31和第二通道32）連接的隔離閥5打開，讓外部冷卻水將安全殼1下部淹沒，通過水分蒸發將安全殼1內熱量導出，具體水流方向如圖5中箭頭所指方向。如果水量不足，可以對水池4進行各種形式的外部補水從而帶走安全殼1的熱量，實現反應堆降溫的目的。

當安全殼1內熱量相對較低時，流道（如第一通道31和第三通道33）內也可以形成空氣自然循環或通過外設的冷卻氣體制冷裝置產生的冷卻氣體，帶走安全殼1的熱量，實現反應堆降溫的目的。

同時，在反應堆容器11內對堆芯111采用液態金屬鉛作為冷卻劑，帶走堆芯111的熱量，從而進一步實現反應堆降溫的目的。

實施本發明實施例，具有如下有益效果：

1、本發明使得堆芯熱量以熱傳導的形式依次通過反應堆容器、保溫層的固體熱傳導介質以及安全殼的壁面向安全殼外導出，從而不需要液態冷卻介質進行中間換熱，避免安全殼內液態冷卻介質的蒸發，使得熱量不在安全殼內發生滯留，降低了安全殼內超壓的風險；

2、本發明由于不需要在安全殼內設置換熱器等情況，從設計上對系統進行了簡化，節省建造成本，同時最終熱阱設置在安全殼外，通過冷卻循環系統的多種手段進行控制，實現降溫緩解手段的多樣性，從而提高了安全性；

3、本發明的包殼采用碳化硅陶瓷或包含鐵鉻鋁涂層的T91鋼材料，提高了燃料包殼熔化溫度；

4、本發明的燃料組件采用四邊形布置方式，減小了燃料組件的流動阻力，增強了堆芯自然循環能力；

5、本發明通過采用氮化鈾燃料組件，在不改變自然循環能力的前提下，提高了堆芯的增殖能力，實現長周期換料；

6、本發明采用自然循環，不需要采用主泵設備，節省建造成本。

以上所揭露的僅為本發明一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。