池式供热反应堆

技术领域

本发明的实施例涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种池式供热反应堆。

背景技术

供热反应堆是以核裂变产生的热量为热源进行供热，其具有运行成本低、维护方便、使用寿命长以及无污染物和碳排放等特点，可作为基荷热源大规模使用。目前，供热反应堆主要分为两种，分别是压力壳式供热反应堆和池式供热反应堆。其中，池式供热反应堆相比于压力壳式反应堆，省去了压力容器和安全壳等复杂结构，具有较高的固有安全性和可靠性。

发明内容

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种池式供热反应堆。本实施例中的池式供热反应堆包括：容纳池，容纳池用于容纳冷却剂；多个堆本体，堆本体设置于容纳池内，堆本体设置成使冷却剂进入堆本体并吸收堆本体产生的热量；多个换热器，换热器设置于容纳池内，换热器设置成使多个堆本体流出的吸收热量后的冷却剂冷却并流回容纳池内；其中，换热器用于与容纳池外部的供热回路连接，以将冷却剂吸收的热量传递至供热回路；集流器，集流器连接于多个堆本体和多个换热器之间，以使多个堆本体中吸收热量后的冷却剂进入集流器内并分配至所述多个换热器。

本发明实施例中的池式供热反应堆，将堆本体作为一体化模块，同时将换热器模块化，布置在容纳池内，使得堆本体和换热器均可以独立地拆卸和安装，大大提高了安装建造的效率。同时，对多个堆本体和多个换热器批量化的生产制造，提高了生产能力，大大降低了生产成本。此外，本实施例中多个堆本体和多个换热器可以灵活组合应用，以满足不同的供热需求。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明的实施例所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明一个实施例的池式供热反应堆的结构示意图。

图2是图1中堆本体和导向部的局部放大图。

附图标记说明：

10、容纳池。

20、堆本体；21、冷却剂出口；22、冷却剂流道；23、底座。

30、换热器；31、冷却剂入口；32、冷却剂出口。

40、集流器。

50、导向部；51、通孔；52、开口。

60、冷却剂储存容器；61、阀门；62管道。

70、换热介质管道。

80、余热排出换热器。

A、正常运行液位；B、事故液位。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

本发明的发明人发现，目前的池式供热反应堆设备庞大、建造成本较高，且无法满足不同的供热需求。为此，本发明的实施例提供了一种池式供热反应堆，以至少部分解决上述问题。

如图1所示，本发明实施例提供了一种池式供热反应堆，包括容纳池10、堆本体20、换热器30和集流器40。容纳池10用于容纳冷却剂。堆本体20设置于容纳池10内，堆本体20设置成使冷却剂进入堆本体20并吸收堆本体20产生的热量。换热器30设置于容纳池10内，换热器30设置成使多个堆本体20流出的吸收热量后的冷却剂冷却并流回容纳池10内。其中，换热器30用于与容纳池10外部的供热回路连接，以将冷却剂吸收的热量传递至供热回路。集流器40连接于多个堆本体20和多个换热器30之间，以使多个堆本体20中吸收热量后的冷却剂进入集流器40内并分配至多个换热器30。

在本实施例的池式供热反应堆中，容纳池10中的冷却剂进入堆本体20并吸收堆本体20的热量，集流器40将多个堆本体20中吸收热量后的冷却剂分配至多个换热器30，通过换热器30将冷却剂吸收的热量传递至容纳池10外部的供热回路，以满足供热需求。另外，换热器30还将吸收热量后的冷却剂冷却并使其流回容纳池10内，以形成冷却剂的自然循环。

在一些实施例中，容纳池10可以为混凝土结构，以承受容纳池内冷却剂压力。容纳池10内壁设置有钢覆面，形成冷却剂的包容边界，以减少冷却剂的泄露。容纳池10设置为顶部为敞开式的非密封结构，内部为常压环境。

在一些实施例中，冷却剂为水，容纳池10中容纳有一定液位的水，堆本体20、换热器30和集流器40均位于冷却剂的液位以下，以利用水对堆芯进行冷却，同时能够使水在堆本体20、换热器30、集流器40和容纳池10之间循环。

在一些实施例中，堆本体20内包括底座23、堆芯、堆内构件以及控制棒驱动机构等结构。堆内构件设置于底座23上，堆芯和控制棒驱动机构等结构均支承于堆内构件，从而使得堆本体20形成一体化模块，便于堆本体20的独立拆卸和安装。

在一些实施例中，反应堆中的堆本体20可以设置为多个，多个堆本体20可拆卸地安装于容纳池10内。具体地，可以将堆本体20的底座23连接于容纳池10的底部，从而实现堆本体20在容纳池10内的固定。

图2是图1中堆本体的局部放大图，请参阅图2，在一些实施例中，堆本体20形成有冷却剂出口21。具体地，冷却剂出口21位于堆芯的上方，以便于冷却剂将堆芯的热量带出。集流器40设置于多个堆本体20的上方，并与多个堆本体20的冷却剂出口21连通，以使堆本体20中吸收热量后的冷却剂在自然循环的驱动下向上流动至集流器40内，从而将堆本体20的热量导出。其中，冷却剂在吸收热量后温度升高而密度减小，从而形成密度差，利用密封差驱动冷却剂在堆本体、集流器、换热器和容纳池之间形成自然循环。

在反应堆正常运行时，容纳池10内的冷却剂从堆本体20底部进入堆芯并吸收堆芯的热量，吸收热量后的冷却剂从冷却剂出口21流出，并在自然循环的驱动下向上流动至集流器40内，以对堆本体20进行冷却，保证反应堆的安全运行。

在一些实施例中，反应堆还包括多个导向部50，导向部50连接于堆本体20和集流器40之间，且导向部50与堆本体20一一对应连接，导向部50被设置成为堆本体20流出的冷却剂导向以使其向上流动至集流器40内。本实施例中通过在集流器40与堆本体20之间设置导向部50，导向部50内形成冷却剂向上流动的通道，以为冷却剂进行导向，使冷却剂从堆本体20流向集流器40，避免冷却剂从堆本体流出后流向其他位置。

在一些实施例中，导向部50包围于部分堆本体20外，且堆本体20的冷却剂出口21位于导向部50内，以在堆本体20和集流器40之间形成闭合的冷却剂流道，使冷却剂沿闭合的流道从堆本体20流入集流器40中。

在一些实施例中，导向部50呈筒状，堆本体20外表面设置有环形的配合部22，配合部22为连接于堆本体20外表面的外延面，配合部22设置于冷却剂出口21的下方，导向部50设置为包围于部分堆本体20外，导向部50的一端与配合部22连接，使冷却剂出口21位于导向部50内，导向部50的另一端与集流器40连接，配合部22与导向部50相配合，从而在堆本体20和集流器40之间形成闭合的冷却剂流道。在本实施例中，吸收热量后的冷却剂从冷却剂出口21流出后进入冷却剂流道，并在密度差的驱动下通过导向部50的导向使冷却剂流道内的冷却剂向上流动至集流器40内，从而通过冷却剂的流动将堆本体20中的热量导出至集流器40中。

在一些实施例中，导向部50的另一端连接于集流器40内，导向部50形成有多个通孔51，通孔51位于集流器40内，以使导向部50内的冷却剂经由通孔51流入集流器40内，从而实现导向部50与集流器40之间的连通。其中，导向部50的另一端可以插入至集流器40内，导向部50位于集流器40内的部分形成有通孔51。

在本实施例中，导向部50连接于集流器40内的一端形成有多个通孔51，以使冷却剂可以通过通孔51流至集流器40内。吸收热量后的冷却剂从堆本体20的冷却剂出口21流出，通过导向部50的导向向上流动，并从导向部50的多个通孔51流至集流器40内，以使堆本体20中的热量能够通过冷却剂的流动被快速导出，从而提高热量的传递效率，减少热量损耗。

在一些实施例中，多个通孔51沿导向部50的圆周方向均匀布置，从而使冷却剂经由通孔51沿多个方向流入集流器40内，便于高温的冷却剂进入多个不同位置的换热器30内进行换热，以快速高效地将堆芯热量导出。

在一些实施例中，导向部50的远离堆本体20的端部形成有开口52，导向部50穿设于集流器40中，以使开口52的位置高于集流器40和容纳池10内冷却剂的正常运行液位A，进而保证在反应堆正常运行状态下，经由导向部50的冷却剂能够全部流入集流器40内。具体地，导向部50贯穿集流器40，导向部50的一端与堆本体20连接，另一端穿过集流器40并延伸至集流器40的上方，以使导向部50顶端的开口高于容纳池10内冷却剂的正常运行液位A。

在本实施例中，在反应堆正常运行时，容纳池10中的冷却剂液位为正常运行液位A，正常运行液位A低于导向部50的开口52，此时容纳池10与导向部50处于非连通状态，故吸收热量后的冷却剂通过导向部50的导向能够全部流至集流器40内，以减少热量的流失，使热量全部导出至反应堆外的供热回路中进行供热。

在一些实施例中，反应堆还包括冷却剂储存容器60，冷却剂储存容器60设置于容纳池10外，并与容纳池10连接，冷却剂储存容器60用于储存冷却剂；其中，冷却剂储存容器60设置成在事故工况下向容纳池10输入冷却剂，以使容纳池10内冷却剂的液位升高并高于导向部50的开口52，使导向部50与容纳池10相连通，从而能使冷却剂进入导向部50内对堆本体20进行冷却，并将吸收热量后的冷却剂直接导出至容纳池10中，以形成事故工况下冷却剂的自然循环流道。

在反应堆处于事故工况时，容纳池10中的冷却剂液位上升至事故液位B，事故液位B高于导向部50的开口52，此时容纳池10与导向部50处于连通状态，故容纳池10中的冷却剂可以进入导向部50内对堆本体20进行冷却，且吸收热量后的冷却剂可以通过导向部50的开口52导出至容纳池10中，以快速冷却堆本体20，从而使反应堆的温度快速降至安全范围内，避免发生安全事故。

在一些实施例中，冷却剂储存容器60设置于容纳池10上方，从而使冷却剂能够依靠重力流下并进入容纳池10内，无需设置额外的流体驱动器，即可建立事故工况下冷却剂的自然循环流道。在一些实施例中，冷却剂储存容器60为水箱。可选的，水箱可以设置于反应堆大厅中，也可以设置于位于容纳池上方的独立的工艺间内，以在事故状态下能够使水箱内的冷却水依靠重力流至容纳池内，从而利用非能动的方式为容纳池补充冷却水。

在一些实施例中，冷却剂储存容器60与容纳池10之间连接有管道62，冷却剂储存容器60内的冷却剂经由管道62进入容纳池10中。管道62出口的位置高于冷却剂的正常运行液位A，以使冷却剂进入容纳池10后能够及时进入导向部50内，以冷却堆本体20的堆芯。冷却剂储存容器60与容纳池10之间连接的管道62上设置有阀门61，用于控制冷却剂储存容器60中冷却剂的流出。

在本实施例中，在反应堆正常运行时，冷却剂储存容器60处于备用状态。在反应堆处于事故工况时，冷却剂储存容器60处于运行状态，通过开启管道上的阀门61，使冷却剂储存容器60中的冷却剂依靠重力流至容纳池10内，使容纳池10内冷却剂的液位升高至事故液位B，此时容纳池10与导向部50之间处于连通状态，故冷却剂能够通过容纳池10快速进入导向部50内，从而冷却堆本体20。

在一些实施例中，反应堆还包括余热排出换热器80，余热排出换热器80设置于容纳池10内，并与容纳池10相连通，用于在反应堆处于事故工况时，将容纳池10中冷却剂的热量排出。具体地，在反应堆处于事故工况时，冷却剂储存容器60中的冷却剂流至容纳池10内，使容纳池10内冷却剂的液位升高至事故液位B，冷却剂通过容纳池10快速进入导向部50内对堆本体20进行冷却，吸收热量后的冷却剂再经由导向部50导向至容纳池10内，此时可以利用余热排出换热器80将热量导出至外部环境中，以保证反应堆的安全运行。

在一些实施例中，反应堆中的换热器30形成有冷却剂入口31和冷却剂出口32，换热器30的一端连接于集流器40内，且冷却剂入口31位于集流器40内，冷却剂出口32位于容纳池10内，以使集流器40内的冷却剂被换热器30冷却后流回容纳池10内，从而实现冷却剂的循环利用。

具体地，换热器30的一端可以插入至集流器40内，换热器30位于集流器40内的部分形成有冷却剂入口31，换热器30的底端形成有冷却剂出口32，从而使得进入集流器40内的高温冷却剂经由冷却剂入口31进入换热器30内进行换热，冷却后的冷却剂再经由冷却剂出口32进入容纳池10内，形成冷却剂的自然循环。

在一些实施例中，反应堆中的换热器30可以设置为多个，多个换热器30间隔地设置于多个堆本体20之间，从而利用多个换热器将各个堆本体20的热量快速导出。在本实施例中，吸收热量后的冷却剂通过集流器40经由冷却剂入口31被分配至多个换热器30中，并利用换热器30中循环的换热介质与冷却剂进行热量交换，以使冷却剂冷却，冷却完成后的冷却剂从冷却剂出口32流回容纳池10内，以实现对冷却剂的充分利用，从而降低生产成本。

在一些实施例中，反应堆中每一个堆本体20与一个或多个不同的换热器30相对应，从而实现多个堆本体20与多个换热器30的组合应用。例如，当堆本体20停用时，其对应的换热器30也可以停用，以最大化地利用换热器30进行换热，节约能耗。在本实施例中，换热器30可以设置于各个堆本体20的两侧，每个堆本体20与位于其两侧的换热器30相对应。

在一些实施例中，反应堆还包括两个换热介质管道70，换热介质管道70设置于容纳池10内，且换热介质管道70延伸至容纳池10外，换热介质管道70用于与供热回路连接，以为换热器30提供循环的换热介质；其中，一个换热介质管道70与多个换热器30的换热介质入口连接，另一个换热介质管道70与多个换热器30的换热介质出口连接，以使冷却剂吸收的热量通过换热器30传递至供热回路。本实施例中通过设置两个换热介质管道这两个总管路来实现多个换热器30中换热介质的循环，简化了反应堆的管路结构。

在一些实施例中，多个换热器30中进行热量交换的换热介质由两个换热介质管道70进行输送。在本实施例中，与多个换热器30的换热介质入口连接的换热介质管道70，用于将换热介质输入至多个换热器30中进行热量交换，得到吸收热量后的换热介质。与多个换热器30的换热介质出口连接的换热介质管道70，用于将吸收热量后的换热介质输送至供热回路，以实现供热需求。其中，供热回路中的换热介质经由换热介质管道进入多个换热器30内，多个换热器30内的换热介质吸收冷却剂热量后，在经由另一换热介质管道流回至供热回路。

在本实施例中，在反应堆处于事故工况时，换热器30停用，反应堆的热量不能通过换热器30排出，此时可以通过冷却剂储存容器60中的冷却剂和余热排出换热器80对堆本体20进行冷却，以代替换热器30为反应堆提供冷源，从而保证反应堆的安全。

在一些实施例中，换热介质管道70设置成使各换热器30进入或流出的换热介质流量均匀，以使各换热器30的换热效率保持基本一致，进而保证热量的稳定供应。具体地，对于与各换热器30的换热介质入口连接的换热介质管道70，可以将该换热介质管道70的总入口设置为与各换热器30的换热介质入口距离相等；对于与各换热器30的换热介质出口连接的换热介质管道70，可以将该换热介质管道70的总出口设置为与各换热器30的换热介质出口距离相等，使得换热介质在换热介质管道70内的流动阻力相同，以保证进入或流出各换热器30的换热介质流量均匀。

在一些实施例中，为满足不同的供热需求，可以将多个堆本体20与多个换热器30灵活地组合应用，各堆本体20之间通过阀门隔离，形成多个模块。在本实施例中，将堆本体20与换热器30模块化布置，且多个模块可以采用几用几备的形式，在反应堆运行过程中，可以根据不同的供热功率，启停不同的模块，以灵活地满足不同的供热需求，增强了反应堆的可扩展性，提高了反应堆的环境适应性，使其能够广泛地应用于不同场景。

在正常运行状态下，各堆本体20之间的阀门开启，此时换热介质管道70处于连通状态，进入或流出各换热器30的换热介质流量均匀。在其中某一堆本体20处于停用状态时，关闭该堆本体20与其他堆本体20之间的阀门，同时其对应的换热器30也处于停用状态，换热介质管道70停止向对应的换热器30中输送或输出换热介质，此时换热介质管道70向其余堆本体20对应的换热器30输送或输出换热介质流量仍为均匀的。

在本实施例的池式供热反应堆中，将堆本体20模块化布置，同时将换热器30模块化，对多个堆本体20和多个换热器30模块化和标准化的设计以及批量化的生产制造，保证了设备和部件的生产质量，同时提高了生产能力，大大降低了生产成本。此外，本发明实施例中的供热反应堆功率小、运行参数低、可实现自然循环、系统及设备简单。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。