并入通过一次反应堆容器去除热量的在防护间隙中包括被动或主动触发枢转翅片模块的衰变热去除系统DHR的液态金属或熔盐反应堆的制作方法

本发明涉及由液态金属、尤其是由液态钠冷却的快中子反应堆领域，并且该快中子反应堆被称为sfr(钠快速反应堆)，其是第iv代核反应堆家族的一部分。更具体地，本发明涉及改进从这些核反应堆中去除衰变热的功能。本发明同样适用于通常具有在50mwe和200mwe之间的操作功率的smr(小型模块化反应堆)类型的小型或中型反应堆，或者适用于通常具有超过200mwe的操作功率的高功率反应堆。这里要想到的是，核反应堆的衰变热(或余热)是核链式反应停止后堆芯产生的热量，主要由裂变产物衰变的能量组成。尽管本发明是参考钠快速反应堆进行描述的，但它适用于任何其他金属，例如用作核反应堆一次冷却剂回路中的冷却剂的铅。它也适用于熔盐反应堆。本发明是参考具有集成池式一次冷却剂回路的类型的液态金属反应堆来描述的，也就是说，其中整个一次冷却剂钠被包含在主容器(一次容器)内，一次冷却剂泵和中间热交换器(ihx)通过反应堆容器封盖浸入主容器中。本发明也适用于具有回路式一次冷却剂回路的反应堆，也就是说，一次冷却剂泵和中间热交换器放置在一次反应堆容器外部的反应堆，该一次反应堆容器只包含堆芯，这些冷却部件通过一次冷却剂管道连接到堆芯。

背景技术：

1、在核反应堆中，在所有情况下(正常运行、意外和事故)都需要确保的基本安全功能是安全壳(containment)、反应性控制和从堆芯去除热量。

2、关于在事故情况下去除衰变热，目前正在进行研究，以提高被动性并使系统多样化，从而保证更好的整体可靠性。目标是在所有情况下保持结构及其几何形状的完整性，即保持第一(燃料组件棒包壳)和第二(主容器)安全壳屏障的完整性，并且即使在核电站长期断电的情况下(这对应于福岛型核电站的情况)也这样做。

3、更具体地，现在设想从液态金属反应堆去除衰变热完全被动地通过主容器进行。虽然在大型反应堆的情况下，由于功率过高，该目标看上去无法完全实现，但对于低功率smr来说，这可被认为是现实的，从而保证安全性和通过主容器去除热量的衰变热去除系统(以下称为dhr系统或dhrs)的内在改进。

4、通常，池式钠反应堆的生产中或文献中已知的dhrs可以分为多个类别：

5、-采用置于反应堆的冷集管内的钠/钠(或钠/nak)热交换器的反应堆，在公开物[1]中称为rra型反应堆(具有a型反应堆冷却的反应堆)。可参考该公开物[1]的图2中的缩写词dracs(其代表“direct reactor auxiliary cooling system(直接反应堆辅助冷却系统)”)；

6、-采用置于反应堆的热集管内的钠/钠(或钠/nak)热交换器的反应堆，在公开物[1]中称为rrb型反应堆(具有b型反应堆冷却的反应堆)。可参考公开物[1]的图2中的缩写词dracs；

7、-采用置于二次环路内的钠/钠(或钠/nak)热交换器的反应堆，在公开物[1]中缩写为iracs(“intermediate reactor auxiliary cooling system(中间反应堆辅助冷却系统)”)。可参考公开物[1]的图2中的缩写词bpr。为了允许这些bpr系统运行，通过二次环路分流一部分二次钠流以与dhr回路的中间钠交换热量。

8、-采用通过蒸汽发生器(sg)使用冷却外壁的气流或使用应急备用冷却系统的水进行冷却的反应堆。可分别参考公开物[1]的图2中的缩写词sgacs(“steam generator outershell decay heat removal(蒸汽发生器外壳衰变热去除)”)和asg(“emergencyfeedwater(应急给水)”)；

9、-采用在事故情况下通过来自一次(主)反应堆容器的辐射去除热量的装置的反应堆，在公开物[1]中被称为rrc型反应堆(具有通过主容器冷却的c型反应堆的反应堆)。可参考公开物[1]的图2中的缩写词rvacs(其代表“reactor vessel auxiliary coolingsystem(反应堆容器辅助冷却系统)”)；

10、-采用通过空气自然对流冷却二次反应堆容器的外表面来冷却的反应堆。可参考公开物[2]的图15。

11、所有上述系统都将去除的热量传递到钠或nak或冷却油类型的冷却剂流体，该冷却剂流体与冷源交换热量，该冷源为空气或水。

12、rra和rrb型的dracs系统的主要缺点是占用核锅炉内部的空间，需要更大直径的一次容器。在小型模块化反应堆(smr)类型的反应堆设计的情况下，这方面可能在一次容器通过道路或河流的可运输性方面受到限制。

13、基于iracs和sg的冷却系统通常需要操作者或电力供应部分的干预。此外，在发生故障的情况下，例如事故sbo(“station blackout(核电站断电)”)的情况下的二次冷却剂回路中的钠泄漏，将热量从核锅炉中提取出来的事实不再得到确保。

14、通过自然空气对流冷却二次容器的系统限于较小功率的反应堆。此外，为了具有足以冷却二次容器的外表面的自然空气循环流速，需要提供相当大的气流。为了实现这一点，核锅炉需要具有相当大的高度，这也对反应堆堆坑的深度和相关联的土木工程工作施加了施工限制。

15、rvacs型系统的主要优点是靠近核锅炉，而且不占用一次容器内的空间。因此，与上述其他系统相比，这些rrc类型的dhr系统促进核锅炉的更紧凑的配置以及显著的多样化。

16、尽管有这些优点，但rrc类型的dhr系统不能提供良好的冷却性能，因为冷却是通过来自二次容器的辐射而实现的。具体地，系统的部件(热交换器、管束或气流)大多位于二次容器的外部，面向二次容器的外表面，这因为存在于容器之间的间隙(以下称为防护间隙)、也就是说一次容器和二次容器(防护容器)之间的空间中的气体的热阻而限制了性能。

17、防护间隙的体积确保定期检查一次(主)容器外表面状况的设备可进入。出于安全原因，该空间填充有惰性气体，即不含水蒸汽的气体，以消除在主容器泄漏的情况下与钠反应的可能性。

18、存在于防护间隙中的惰性气体(通常是氮气)具有非常低的对流系数(通常在100w/m2.k和500w/m2.k之间)，这构成了限制以下的因素：

19、-在正常运行期间通过主反应堆容器的热损失。因此，通过充当绝缘体，这种气体有助于反应堆的整体能量效率，因为它允许通过能量转换系统有益地利用更大量的热量，

20、-在事故情况下二次容器中的温度上升，从而显著限制衰变热去除流量。

21、rrc型反应堆考虑了rvacs系统以外的系统，以便尽可能降低防护间隙的热阻，从而提高二次容器的温度。具体地，增加二次容器的温度实际上将导致在事故情况下可以去除的热量的热功率pdhr(根据等式1)的增加：

22、[等式1]：

23、pdhr×(tcs4-trrc4)

24、其中，tcs表示二次容器的温度，trrc表示rrc系统的温度。

25、专利fr2987487b1提出了一种通过惰性气体的强制循环来改善防护间隙中的热传递的系统。尽管它提供了优点，但所公开的系统需要操作者以及电力供应部分的动作。

26、专利gb2263188a也提出了一种rrc系统，其通过用以固态引入并随后熔化的金属填充防护间隙来改善热传递，从而改善防护间隙中的热惯性和热传递两者。根据专利gb2263188a的该系统提高了rrc系统的热性能，因为防护间隙的热阻显著降低。然而，这种类型的系统有三个主要缺点：

27、-当反应堆正常运行时，存在储存有固体材料的储存器。储存器的体积实际上相当于防护间隙的体积，并且在反应堆封盖处位于锅炉附近。在大功率反应堆的情况下，这种系统的占用空间可以很大，这种系统可以配置复杂，并且安全研究需要考虑储存器泄漏事件。

28、-该系统是不可逆转的。因此，不可能在非事故情况下对它进行测试，因为一旦固态或熔融金属进入防护间隙，就极难回收；

29、-在事故后的拆卸情况下，在防护间隙中进行的操作将更加困难，因为它们将受到附着在一次容器和/或二次容器上的固态金属涂层或残留物的阻碍。

30、因此，仍然需要尤其改进rrc型液态金属反应堆的dhr系统，以便在事故情况下被动地增加热量传递。

31、还需要一种满足上述要求并且是可逆的系统，以使得能够：

32、-在正常运行期间保持防护间隙充满惰性气体，从而提高包括液态金属反应堆的核设施的能量效率；

33、-通过进行适当的定期检查来保证正确运行，以便在反应堆遇到事故情况时测试并保证其可用性；

34、-在系统不合时宜地触发的情况下使反应堆返回到正常运行。

35、本发明的目的是至少部分地满足这些需求。

技术实现思路

1、为了实现这一点，本发明在其一个方面涉及一种液态金属或熔盐快中子反应堆类型的核反应堆，包括：

2、-被称为一次容器的容器，所述一次容器填充有液态金属或熔盐作为反应堆一次冷却剂回路的一次冷却剂；

3、-被称为二次容器的容器，所述二次容器围绕所述一次容器布置并在它们之间限定防护容器间隙(e)；

4、-反应堆堆坑，所述反应堆堆坑围绕所述二次容器布置；

5、-反应堆封盖，所述反应堆封盖将所述一次冷却剂封在所述一次容器内；

6、-热去除系统，所述热去除系统用于去除所述反应堆的标称热和衰变热两者中的至少一些，所述系统包括：

7、闭合回路，所述闭合回路填充有冷却剂，并且被配置为使得所述冷却剂通过自然或强制对流在其中循环并且在所述核反应堆的标称运行和反应堆停堆情况下都保持液态，所述闭合回路包括布置在所述反应堆堆坑和所述二次容器之间并且以螺旋方式围绕所述二次容器缠绕的蛇形管；

8、模块，所述模块固定到所述反应堆封盖并且包括：

9、·至少外壳，所述外壳布置在所述防护间隙(e)内并与所述二次容器接触，

10、·多个导热翅片，所述多个导热翅片布置在所述防护间隙(e)内并以列成角度地围绕所述一次容器分布，每个列包括数个翅片，所述数个翅片在所述二次容器的高度的至少一部分上彼此间隔开并且安装成能够沿着所述二次容器在它们远离所述一次容器的缩回位置和它们与所述一次容器接触的展开位置之间枢转，

11、·一个或多个塞贝克效应热电元件，所述塞贝克效应热电元件布置在所述外壳内并沿着所述二次容器延伸，所述塞贝克效应热电元件的热侧在所述外壳的下部并且冷侧在所述外壳的上部，所述塞贝克效应热电元件被设计为使得在所述核反应堆的标称运行期间，它们产生的电流使所述翅片处于缩回位置，而在需要去除衰变热的事故情况下，它们产生的电流使得所述翅片枢转到展开位置。

12、这里以及在本发明的上下文中，“停堆情况”是指正常的反应堆停堆和事故情况下(事故运行)的反应堆停堆。

13、根据一个有利的实施方式，所述模块从所述反应堆封盖悬挂。所述模块悬挂在所述反应堆封盖下方的设置比其他设置(例如使用焊接)更有利，因为它更容易实现。拆卸也更容易。

14、根据有利的实施方式变型，所述模块包括多个枢轴，在每个枢轴上安装有能够枢转的翅片，每个枢轴内包含电动机、优选齿轮电动机，该电动机由所述一个或多个塞贝克效应热电元件供电。这样的集成是紧凑的并且允许可靠的运行。优选地，每个枢轴直接固定到所述外壳，并且更优选地通过焊接直接固定到所述外壳。

15、有利地，所述翅片在它们的缩回位置竖直抵靠所述二次容器。这使得能够使所述防护间隙尽可能畅通，从而当核反应堆正常运行时，通过通常为厘米量级的小厚度的翅片，为检查所述间隙、尤其是使用机器人检查所述间隙，留下了最大的机会。

16、翅片可以是平面的或具有曲率的弯曲形状，该曲率限定了用于在翅片的展开位置与一次容器接触的表面。通常，翅片的形状适于确保翅片尖端与一次容器之间的最佳接触面积，因此在从核反应堆去除衰变热的操作期间确保一次容器与二次容器之间的最佳热传导。

17、根据一个有利特征，所述一个或多个塞贝克效应热电元件的p型材料选自碲化铅(pbte)，碲化锑(sb2te3)、碲化锗(gete)和碲化银(ag2te)的混合物(tags)，或方钴矿(cefe4sb12)。这种材料完全适合于在反应堆正常运行期间产生低于翅片枢转所想要的温度阈值的电流，并且在需要衰变热去除的事故情况下产生高于该温度阈值的电流。通常情况下，这些材料非常适合在正常运行和需要衰变热去除的事故情况下，二次容器底部和反应堆封盖之间的约250℃和450℃的温差。

18、根据一个有利实施方式，所述核反应堆包括用于使所述翅片从其展开位置返回到其缩回位置的机械装置和/或电气装置。

19、根据该实施方式和第一变型，所述电气装置可以包括被称为备用电源的电源，用于产生与所述一个或多个塞贝克效应热电元件产生的电流相反的电流。

20、根据该实施方式和第二变型，所述机械装置可以包括要手动致动的机械设备，例如绞盘。

21、利用这种机械装置和/或电气装置，dhr系统的翅片模块的操作是可逆的，并且可以在所述反应堆的正常操作期间在想要时进行测试。

22、根据有利的配置，每列翅片基本上在二次容器的圆柱形部分的高度上延伸。这于是优化了用于所述一次容器和所述二次容器之间的热传导的潜在面积。

23、根据补充实施方式，所述反应堆包括用于用液态金属填充所述防护间隙(e)的系统，所述防护间隙(e)分隔所述一次容器和所述二次容器的非圆柱形部分，该系统能够在核反应堆事故中或根据反应堆停堆后操作者的决定被致动。这意味着不需要尤其在所述一次容器和所述二次容器的半球形部分之间安装翅片，因为安装这种翅片可证明为很复杂。

24、优选地，翅片和外壳由钢或铝制成。进一步优选地，翅片可以由不锈钢制成，例如aisi-316l钢，其提供良好的机械完整性和耐腐蚀性。

25、关于翅片，铝合金、例如铝1060可以被用作优于钢的优选，因为铝的电导率比钢的电导率高，取决于合金，至多比钢的高10倍。此外，铝的重量大约是钢的三分之一，这有利地使翅片更容易安装在防护间隙中。此外，铝及其合金耐腐蚀，并且可以使用标准方法轻松焊接。

26、在铝1060的情况下，约为650℃的熔点使得能够设想使用它来制造翅片，以在事故情况下使用，在事故情况下反应堆容器的最高温度低于600℃-650℃。

27、为了在衰变热去除(翅片处于展开位置)的操作期间最小化一次容器和二次容器之间的热阻，所述翅片在所述防护间隙中的环形分布系数大于60％、优选大于80％，所述环形分布系数定义为翅片在其展开位置对所述防护间隙的横截面的占据水平的百分比。

28、因此，根据本发明的具有枢转翅片模块的dhr系统实现了衰变热去除(dhr)的功能，并确保了放射性的安全壳，同时保持了一次辐射屏障(燃料包壳)和二次辐射屏障(主容器)的完整性。

29、由于枢转翅片模块，在事故情况下降低了一次容器和二次容器之间的热阻，其中衰变热通过翅片在这些翅片的展开位置与一次容器的接触(可以是直接接触)而被去除，使得热量因此可以通过传导直接传递到二次容器，二次容器又将热量传输到围绕该容器缠绕的dhr系统的蛇形管。

30、此外，在反应堆正常停堆之后，操作者可以主动触发翅片的致动。

31、因此，本发明主要在于创建包含dhr系统的核反应堆，该dhr系统同时保证：

32、-一旦反应堆停堆，就去除衰变热；

33、-通过所述一次容器然后在所述二次容器之后去除热量；

34、-通过防护间隙中的围绕一次容器分布的翅片进行热传导而实现改善和完全被动(塞贝克效应)的热去除，并且当翅片枢转到其展开位置时，在一次容器和二次容器之间形成某种热桥。

35、因此根据本发明的dhr系统与根据现有技术的系统的不同之处在于从一次容器外部被动地去除热量的方式，该方式通过使用从一次容器朝向防护间隙的高温辐射，以及通过辐射和热传导二者借助处于展开位置的翅片将该热量传播到二次容器中。

36、当反应堆在额定功率下正常运行时，以及当反应堆在事故情况下运行时，dhr系统都持续运行，翅片起到主动散热作用。

37、本发明适用于所有液态钠或其他液态金属或液态盐反应堆，无论其配置如何，特征在于一次冷却剂回路模式，这些反应堆为：小型或中型功率反应堆或smr(小型模块化反应堆)，通常具有在50mwe和200mwe之间的运行功率；大功率反应堆，即：

38、-池式sfr，其整个一次冷却剂泵和热交换器容纳在包含堆芯的主容器内，并通过反应堆容器封盖浸入主容器冷却剂中。

39、-混合(部分池式)sfr，其一次泵包含在包含堆芯的主容器内；

40、-回路式sfr，其一次冷却剂泵和中间热交换器放置在主反应堆容器外部的专用容器中，主反应堆容器则仅包含堆芯和内部构件，主容器和部件容器通过一次管道连接。

41、一次冷却剂回路的冷却剂优选为选自二元铅铋(pb-bi)合金、二元钠钾(nak)合金、钠或其它三元液态金属合金的液态金属。

42、本发明的优选应用是geniv家族的小型反应堆，尤其是使用钠、铅或盐冷却的反应堆。

43、通过阅读本发明的实施示例的详细描述，本发明的进一步优点和特征将变得更加明显，该详细描述是通过参考附图的非限制性说明的方式给出的。