低压水反应堆和控制低压水反应堆的方法与流程

本发明一般涉及核反应堆领域。具体而言，本发明涉及低压水反应堆(lpwr)和用于控制lpwr的方法。

背景技术：

1、自从电作为一种能源出现以来，人类受益于生活质量的显著提高。除了食物和水之外，获得电力通常被视为一种基本需求，人们发现电力与经济增长直接相关。从2011年到2035年，世界能源需求预计将以每年2.5％的速度增长[1]。占世界能源组合约87％的化石燃料预计将在未来80年内耗尽，但如果整个世界达到美国的生活水平，那么这种生活方式只能维持到2035年[2]。

2、目前最常见的发电方法是将化石燃料中贮存的能量转化为电能。然而，将化石燃料转化为可用电力可能会引起争议，原因包括自然资源的有限可用性、有害排放以及因化石燃料资源依赖外国而产生的国家安全问题。另一方面，在提供化石燃料发电的可行替代方案方面，可再生资源发电面临着规模经济、技术成熟度和资源可靠性/可用性方面的挑战，更不用说在水力发电站建设大型水坝所涉及的政治争议了。此外，能够提供水力发电站所需能量的大型湖泊或河流并不普遍。风能已成为能源组合中的有力竞争者，以每年发电量(kwh)为单位衡量时，风能有可能取代许多基载发电站；然而，自然风力的间歇性使这项技术无法可靠地提供大规模按需发电(kw)，除非它与电池组或抽水蓄能系统等可能负担不起的储能解决方案相结合。另一种选择是使用核电站发电，但这面临着与可再生能源项目类似的政治和环境挑战，以及对事故和废物处理的担忧。然而，众所周知，核电站具有燃料获取方便的优势，可获得高能量密度的裂变燃料材料，从而能够可靠、连续地运行。与可再生能源发电一样，核电站也具有不向生物圈排放温室气体或有毒工业废物的优势。

3、核电站通过受控链式反应中的核裂变从铀或钚等裂变材料中释放能量来产生热量。该热量通常被传递给反应堆冷却剂，该冷却剂要么变成工作流体，要么将热量传递给第二工作流体。工作流体驱动产生电能的涡轮发电机叶片。

4、核电站依赖于复杂的现代技术，这导致了安全问题，因为设备故障可能导致事故发生，导致公众暴露于电离辐射，从而导致死亡或大规模土地污染。事实上，核能技术是唯一有可能对大片土地甚至跨国界造成严重环境损害的发电技术。

5、反应堆设计者和监管机构假设了一系列可能导致核电站事故的事件。特别是对于水冷反应堆，核反应堆冷却剂意外泄漏(loca)的潜在后果可能导致堆芯熔毁和放射性物质释放[3][4]。大多数核电技术都依赖电力来驱动电泵和控制装置，这也是一个令人关切的问题，2011年日本福岛核电站事故就证明了这一点，当时一个反应堆场地被洪水淹没，导致所有电源中断，导致三个反应堆发生堆芯熔毁。依赖高技能人员操作发电站安全系统是另一个潜在的缺点，导致容易出现人为错误，就像1979年美国三里岛发电站事故中发生的那样。

6、为了解决上面讨论的安全问题，反应堆设计者提出了改进的反应堆设计概念，允许更高水平的安全性和脱离可靠性。这些新设计在安全性和可靠性方面取得了进步，旨在重建公众对核能的信心，同时通过提供有竞争力的生命周期成本和降低财务风险来确保核电站所有者的投资保护。如凯赛德[5]所提出的，新的反应堆技术可以分为两大类：被作为第3代和第3+代反应堆已知的“进化设计”；以及被称为第4代反应堆的“革命性设计”。

7、第3/3+代设计基于对现有第2代反应堆的进化改进，强调保持成熟的设计特征以最大限度地降低工程风险，并在下一次迭代中逐步进行变更[6]。据称，这些设计与之前的第2代设计相比具有多项优势，其中包括：

8、·财务/项目管理：加快许可证发放、缩短建造时间、降低资本成本和降低运营混乱的风险。

9、·就更少的关机和更长的运行寿命(通常为60年以上)而言，公用事业的可用性更高。

10、·通过增加裂变同位素的燃耗、更多地使用可燃吸收剂和提高热效率来提高燃料效率。

11、·降低堆芯熔毁的可能性：与现有的第2代核电站相比，堆芯损坏频率(cdf)据称通常降低了一个数量级。

12、·提高对飞机撞击或地震造成的结构损坏的抵抗力。

13、然而，过去20年内建成的第3/3+代反应堆一直受到一系列问题的困扰，最显著的是预计资本成本大幅上升和项目延期时间过长。目前正在建造的两个欧洲加压反应堆(epr)设计(位于芬兰的奥尔基卢奥托(olkiluoto)和法国的弗拉芒维尔(flamanville))正面临成本超支，预计项目完工日期已推迟多年。[7]包含了截至2014年全球核电建设成本的回顾，其结论是几乎所有项目的成本和进度都大幅上升；确定的原因是：1)需要部署过多的资源来加快建设进度；2)使用根本不经济的设计；3)加强安全性的监管需求增加；4)连续几代工厂设计的复杂性增加，妨碍了从经验中学习；5)缺乏标准化设计。在[8][9][10][11]的研究中得到了类似的成本趋势。

14、主要由于高昂的资本成本和相关的成本不确定性，西方国家的核电站的电价高于当前的批发电价，与燃气发电站和风能、太阳能光伏等可再生能源的电价相比也很高，而后者的成本不确定性往往较小。

15、为了克服与当前一代大型反应堆(其输出通常在≈600-1600mw(e)范围内)相关的经济缺陷，已经提出了几种输出低于≈300mw(e)的较小反应堆设计。这些设计中有许多以模块化工厂建造设备为特色，与较大的传统反应堆相比，模块化工厂建造设备可以实现组件和工艺的更大标准化，因此具有更大的成本确定性。较小的尺寸还提供了整体简单性、建造速度和降低财务风险方面的潜在优势。

16、小型模块化反应堆具有许多具有潜在吸引力的设计特征：

17、·可扩展性：由于大型核电站通常需要5-10年的时间才能从售电中获得收入，因此许多公用事业公司不愿意做出高风险的大额财务承诺。小型模块化发电站的可扩展性潜在地允许公用事业公司在第一个模块启动并运行后立即开始发电并获得收入。这些收益可以让公用事业公司开始投资新的模块和其他发电站扩建。

18、·模块化：与过去在现场建造的大型核电站不同，模块化建造允许在工厂建造单个核电站部件并运输到现场。受控环境下的建造应提高建造质量，并允许更精确的制造和加强的质量检查。模块化建造的另一个优点是可以在世界各地同时建造不同的组件，并在预定的时间运输到指定的地点。其他工程领域中模块化结构的发展已经允许在不影响质量的情况下显著缩短建造时间。

19、·简单性：更小更简单的设计可能具有更少的组件，从而降低可能导致反应堆损坏的事故发生率[12]。简单设计的另一个主要优势是降低与复杂安全系统的设计和建造相关的资本成本。

20、·选址选择：小型模块化反应堆可能比大型反应堆更适合部署在更多地点。因此，它们可能适合安装在孤立的离网场所，如海水淡化厂或石油钻井平台，或远离国家电网的偏远城镇。

21、这些因素表明，有理由开发输出功率小于≈300mw(电)的小型反应堆用于商业发电。然而，小型反应堆设计的经济学评论[13]指出，与大型反应堆相比，目前可用于实际评估成本的开源成本信息很少。就水冷反应堆技术而言，小型反应堆的设计通常也很复杂，涉及大型反应堆所需的许多安全功能，但需要缩小尺寸。由于小型模块化反应堆设计尚未在西方国家获得建设许可，因此尚不清楚监管要求导致的设计复杂性增加问题是否会导致类似于当前大型发电站设计所经历的成本上升。

22、因此，目前用于商业发电的核反应堆主要是在高压下运行的输出功率约为1000mw(e)的水冷反应堆。这类核电站的假设事故(例如主冷却剂泄漏或堆芯冷却系统故障)可能导致堆芯熔毁，并带来潜在的灾难性环境后果。为了解决安全问题，开发了先进的反应堆设计，降低了堆芯熔毁的风险，提高了对地震和飞机撞击等危险的抵抗力。然而，这些设计越来越复杂，导致当前项目的建设成本和进度不断上升，从而阻碍了在西方国家的进一步投资。为了提高核能发电的可负担性，已经提出了几种较小的反应堆设计，但这些通常是现有较大反应堆的缩小版本。目前尚不清楚的是，由于安全要求而导致的设计复杂性不断增加的问题是否会导致类似的高昂且不确定的投资成本。

23、因此，只需要最少数量的简单安全设施的新型低压水冷地下反应堆是需要的。

技术实现思路

1、因此，本发明的一个目的是提供一种固有安全的自然循环反应堆，该反应堆虽然实现了大约300mw(e)的相当大的功率输出，但保持了对复杂安全设施依赖最小的简单设计。设计目标是降低建设和维护成本，同时显著降低反应堆事故造成的环境风险。

2、这个目的通过具有权利要求1的特征的lpwr和具有权利要求9的特征的方法来实现。

3、为此，根据第一方面，本发明提出了一种lpwr，其包括：反应堆容器，该反应堆容器具有主体，该主体包括：包括诸如水的主冷却剂(或减速剂)的内腔，上升管，以及位于上升管下方的反应堆堆芯；外环围绕反应堆容器和上升管，形成具有给定流动面积的降液管，该降液管被配置为产生10000kg/s以上的流速；反应堆堆芯位于地平面以下至少55米深处，压力在6巴至15巴大气压的范围内；蒸汽汽包，经由上升管的上端连接到上升管，蒸汽汽包位于地平面处，压力在1巴至10巴的范围内，蒸汽汽包蒸汽出口温度为100℃至170℃；贮水箱，连接到反应堆容器并被配置为贮存含硼水(即硼浓度被水稀释后的水)；被动注入系统(即向堆芯注入冷却水的安全系统，该系统由诸如密度驱动流(重力驱动)的自然物理力和压力操作阀，以及驱动可能的控制棒机构/驱动模块的弹簧中存储的能量驱动)，用于将来自贮水箱的含硼水注入到反应堆容器中；以及一个或多个低压蒸汽涡轮，其被配置为在1-10巴大气压下发电。

4、反应堆容器被配置为将水加热到一定温度，而不达到饱和点，并且上升管被配置为将加热后的水转化为蒸汽，蒸汽经由蒸汽汽包进一步被输送到低压蒸汽涡轮；由此，该转化产生主冷却剂密度的差异，该差异引发主冷却剂在上升管、降液管、蒸汽汽包和反应堆堆芯中的由密度驱动的自然循环。

5、lpwr的简化和被动特性意味着避免了许多大大增加传统高压反应堆设计的资本和维护成本的组件和安全功能，从而使发电成本有可能低于传统高压反应堆。

6、具体而言，蒸汽是通过上升管中的闪蒸(flashing)产生的(即通过冷却剂向上通过上升管时由于高度变化和摩擦压降导致的压力降低产生的)。也就是说，如本领域所知，闪蒸是指当高压液体进入低压区时，或者当管道某段的水的饱和点由于该段管道的压力降低而下降时产生蒸汽。

7、关于大于10000kg/s的流速，应该注意的是，在外环处可能存在影响质量流速的其他特征，例如入口阻力、堆芯的布置(例如燃料组件的数量)、间隔栅格等。这些是环的内部的特征，但环的外部的特征(如堆芯控制包或用于服务和仪器的端口)不应影响质量流速。

8、在一些实施例中，上升管只是空管；然而，在其他一些情况下，可能需要添加轨道、管道或结构以及相关电缆，以便控制棒机构落入堆芯。

9、在一些实施例中，反应堆堆芯位于地平面下100米或更深处。

10、在一些实施例中，反应堆容器还包括位于反应堆堆芯上方的控制棒驱动模块。

11、在特定实施例中，反应堆堆芯基于“现成的(off-the-shelf)”epr燃料组件。或者，在其他实施例中，lpwr基于其他传统的压水反应堆燃料组件。尽管选择epr是因为它是当代的并且预期容易获得，但是本发明不一定局限于此。

12、在一些实施例中，反应堆堆芯包括数量在120至180个之间的epr型燃料组件。

13、在一些实施例中，蒸汽汽包包括一个或多个干燥器、顶部舱口和防溅板，并且位于水密室(watertight room)内。

14、在一些实施例中，降液管包括钢衬混凝土竖井(steel-lined concrete shaft)。

15、在一些实施例中，贮水箱可以经由被动操作阀以及手动操作阀连接到反应堆容器。

16、低压水反应堆可被配置为通过关机棒或含硼贮水箱来关机。

17、在一些实施例中，含硼水包含至少百万分之1000的硼浓度，含硼水的水位高度在20m以上。更具体地说，在一些实施例中，含硼水被假定包含硼浓度为百万分之1500(ppm)的水。在另一些实施例中，含硼水的硼浓度可能高达3000ppm。

18、在一些实施例中，堆芯入口温度为约100℃和150℃，堆芯出口温度为大约140℃和170℃，并且堆芯入口阻力被配置为抑制静态不稳定性。在又一些实施例中，蒸汽汽包蒸汽出口温度为大约100℃和170℃，蒸汽汽包直径大于10m，蒸汽汽包高度大于3m。

19、根据第二方面，本发明还提供了一种用于控制lpwr的方法，特别是本发明第一方面的lpwr的方法，该方法包括：通过反应堆容器将水加热到一定温度，而不达到饱和点；以及，通过上升管将加热后的水转化为蒸汽，蒸汽通过蒸汽汽包进一步被输送到低压蒸汽涡轮；由此，转化步骤在主冷却剂密度上产生差异，该差异引发主冷却剂在上升管、降液管蒸汽汽包和反应堆堆芯中的由密度驱动的自然循环。

20、在一些实施例中，该方法还包括在低压反应堆的燃料补充(refueling)操作期间从反应堆容器中取出反应堆堆芯。

21、在一些实施例中，该方法包括在主冷却剂中达到给定的硼浓度时控制和/或关闭被动阀。

22、在一些实施例中，在低压水反应堆的稳态运行期间，反应堆堆芯利用单相冷却剂-减速剂运行，同时利用所述冷却剂-减速剂产生蒸汽。

23、在一些特定实施例中，所提出的lpwr的不同参数是：堆芯深度在地面下大于50m；堆芯热功率为1500mw至2500mw；堆芯燃料组件数量为120-180个epr型燃料组件；堆芯入口阻力k在1到3之间；堆芯入口压力高于6巴(a)；堆芯入口温度为100℃至150℃；堆芯出口温度为140℃至170℃；上升管流动面积大于5m2；蒸汽汽包压力为1-10巴(a)；蒸汽汽包出口温度为100℃至170℃；蒸汽汽包的直径大于10米；蒸汽汽包高度大于3m；涡轮入口压力为1-10巴(a)；降液管流动面积大于5m2；降液管质量流速在10000kg/s以上；反应堆贮水箱(rwst)中的硼浓度大于1000ppm；rwst水位高度在20米以上；和/或，蒸汽排放管线出口的高度在10米至20米之间。