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TW201314704A - 具有在降流環管中運作的反應器冷卻劑泵之壓水反應器 - Google Patents

具有在降流環管中運作的反應器冷卻劑泵之壓水反應器 Download PDF

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TW201314704A
TW201314704A TW101126302A TW101126302A TW201314704A TW 201314704 A TW201314704 A TW 201314704A TW 101126302 A TW101126302 A TW 101126302A TW 101126302 A TW101126302 A TW 101126302A TW 201314704 A TW201314704 A TW 201314704A
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TW
Taiwan
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downcomer
pump
disposed
impeller
reactor
Prior art date
Application number
TW101126302A
Other languages
English (en)
Inventor
Scott J Shargots
Matthew W Ales
Michael J Edwards
Randall J Paliga
Original Assignee
Babcock & Wilcox Nuclear Energy Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Babcock & Wilcox Nuclear Energy Inc filed Critical Babcock & Wilcox Nuclear Energy Inc
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    • F04D7/00—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
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    • F04D7/08—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type the fluids being radioactive
    • G—PHYSICS
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Abstract

一壓水反應器(PWR)包含一垂直的圓柱形壓力槽以及被配置在一下槽部之一核反應器核心。一空心圓柱形中央升流管被以與該壓力槽同心方式配置在該壓力槽之內。該中央升流管與該壓力槽之間界定了一降流環管。一反應器冷卻劑泵(RCP)包含：(i)被配置在該核反應器核心之上的一動葉輪，該動葉輪並與該降流環管係流體連通，而向下推進主冷卻劑通過該降流環管；(ii)被配置在該壓力槽之外的一泵馬達；以及(iii)在操作上將該泵馬達連接到該動葉輪之一驅動軸。該PWR可包含該降流環管中之一內部蒸汽產生器，且該動葉輪被配置在該蒸汽產生器之下。該動葉輪可被配置在該降流環管中。該RCP可進一步包含一泵外殼，該泵外殼配合該動葉輪而界定了一離心泵。

Description

具有在降流環管中運作的反應器冷卻劑泵之壓水反應器
下文係有關核反應器(nuclear reactor)技術、發電技術、核反應器控制技術、核能發電(nuclear electric power generation)控制技術、熱管理(thermal management)技術、及相關技術。
在壓水反應器(Pressurized Water Reactor；簡稱PWR)類型的核反應器設計中，放射性反應器核心(reactor core)被浸入壓力槽(pressure vessel)底部或接近壓力槽底部的主冷卻水中。在一壓縮或過冷液相(subcooled liquid phase)下保持該主冷卻劑(primary coolant)，且該主冷卻劑被排出該壓力槽，且進入一外部蒸汽產生器(steam generator)，或替代地，一內部蒸汽產生器被設置在該壓力槽內(有時被稱"整體PWR"設計)。在任一種設計中，被加熱的主冷卻水將該蒸汽產生器中之二次冷卻水(secondary coolant water)加熱，而產生蒸汽。該PWR設計的一優點在於：該蒸汽包含並未曝露於放射性反應器核心之二次冷卻水。
在一典型的整體PWR設計組態中，由被大致垂直安裝的一圓柱形壓力槽(亦即，該圓柱體的軸的定向是垂直的)以及被以同心方式配置在該壓力槽內之一空心圓柱形中央升流管(riser)界定該主冷卻劑的流路(flow circuit)。主冷卻劑向上流經該反應器核心，而被加熱，且經由該中央升流管而上升，自該中央升流管的頂部被排放，且反定向經由被界定於該壓力槽與該中央升流管間之一降流環管(downcomer annulus)而向下流回到該反應器核心。這是可由該反應器核心造成的加熱以及主冷卻劑自該反應器核心向上流出時的冷卻而提供動力之一自然對流(natural convection)流路。然而，對於高功率反應器而言，以反應器冷卻劑機電泵提供的原動力(motive force)增補或取代該自然對流是有利的或必要的。
大部分的商業化PWR系統採用外部蒸汽產生器。在此類系統中，與在該PWR壓力槽與該外部蒸汽產生器之間運行的外部管路(piping)連接之一外部泵抽吸主冷卻水。此種方式也提供了使該主冷卻水在該壓力槽內循環的原動力，這是因為該等泵驅動了其中包括該壓力槽內的主冷卻劑流路部分之整個主冷卻劑流路。
只製造出了較少數的採用內部蒸汽產生器之商業化"整體"PWR系統。在現有的PWR設計中，用於沸水反應器(Boiling Water Reactor；簡稱BWR)設計的"無填函蓋"("glandless")型之反應器冷卻劑泵被調整而用於該整體PWR。該泵通常以類似於BWR中的配置之方式而被耦合到接近反應器核心的壓力槽之底部，或被耦合到該壓力槽的頂部。這兩種配置都有問題。耦合到壓力槽的底部時，將在低處產生壓力槽穿透(penetration)，因而可能在發生涉及這些連接的冷卻水流失事故(Loss Of Coolant Accident；簡稱LOCA)時發生問題。耦合到壓力槽的頂部時，將因為該區域通常已被外部控制棒驅動機構(Control Rod Drive Mechanism；簡稱CRDM)單元、內部加壓器(pressurizer)或至外部加壓器的焊接連接、以及各種儀器連接線(feedthrough)等的單元佔用而造成問題。
熟悉此項技術者在參閱了下文的說明之後將可易於了解：本發明揭示了提供各種效益的改良。
在本發明揭示的一觀點中，一裝置包含一壓水反應器(PWR)，該PWR包含一垂直定向的圓柱形壓力槽，該圓柱形壓力槽包含被固定在一起之上及下槽部。該圓柱形壓力槽具有一垂直定向的圓柱軸線(cylinder axis)。一核反應器核心被配置在該下槽部。一空心圓柱形中央升流管被以與該圓柱形壓力槽同心方式配置在該圓柱形壓力槽之內。該空心圓柱形中央升流管與該圓柱形壓力槽之間界定了一降流環管。一反應器冷卻劑泵(Reactor Coolant Pump；簡稱RCP)包含：(i)被配置在該核反應器核心之上的一動葉輪(impeller)，該動葉輪與該降流環管係流體連通(fluid communication)，而向下推進主冷卻劑通過該降流環管；(ii)被配置在該壓力槽之外的一泵馬達；以及(iii)在操作上將該泵馬達連接到該動葉輪之一驅動軸(drive shaft)。在某些實施例中，該RCP被固定 到該下槽部。在某些實施例中，該PWR進一步包含被配置在該降流環管中之一內部蒸汽產生器，且該RCP之該動葉輪被配置在該內部蒸汽產生器之下。在某些實施例中，該動葉輪被配置在該降流環管中之該壓力槽內，以便向下推進主冷卻劑通過該降流環管。例如，該動葉輪可被配置在該壓力槽的一外緣凸出(overhang)之上的該壓力槽之內，其中該泵馬達被配置在該外緣凸出之下的該壓力槽之外，且該驅動軸的定向是垂直的，且將在該外緣凸出之下的該泵馬達在操作上連接到在該外緣凸出之上的該動葉輪。在某些實施例中，該RCP進一步包含用來將該泵之入口及出口連接到該降流環管之入口及出口凸緣，且該PWR進一步包含在該空心圓柱形中央升流管與該壓力槽之間延伸的一環形分離器(annular separator)，用以將該降流環管分離成上方及下方部分，其中該上方降流環管部分經由該入口凸緣而被連接到該泵入口，且該下方降流環管部分經由該出口凸緣而被連接到該泵出口。在某些實施例中，該動葉輪被配置在該降流環管中之該壓力槽之內，以便向下推進主冷卻劑通過該降流環管，且該反應器冷卻劑泵進一步包含一容納該動葉輪之一泵外殼，其中該泵外殼也被配置在該降流環管中之該壓力槽之內，且該泵外殼及該動葉輪配合地界定一離心泵(centrifugal pump)。
在本發明揭示的另一觀點中，一裝置包含一壓水反應器(PWR)，該PWR包含：一垂直定向的圓柱形壓力槽，該圓柱形壓力槽包含上及下槽部；被以與該圓柱形壓 力槽同心方式配置在該圓柱形壓力槽之內之一空心圓柱形中央升流管，其中該空心圓柱形中央升流管與該圓柱形壓力槽之間界定了一降流環管；被配置在該下槽部中之一核反應器核心；以及在該空心圓柱形中央升流管周圍被間隔開且被固定到該下槽部之複數個反應器冷卻劑泵(RCP)，其中每一反應器冷卻劑泵包含(i)被配置在該降流環管中之該壓力槽之內的一動葉輪、(ii)被配置在該壓力槽之外的一泵馬達、以及(iii)在操作上將該泵馬達連接到該動葉輪之一驅動軸。在某些實施例中，接近該複數個動葉輪之該降流環管塑形以界定該複數個動葉輪的一共用環形泵外殼，該共用環形泵外殼與該複數個旋轉動葉輪配合，而向下推進主冷卻劑通過該降流環管。在某些實施例中，每一RCP進一步包含一外殼，該外殼被配置在該降流環管中之該壓力槽之內，且與該動葉輪配合，而界定一離心泵。在某些實施例中，該PWR進一步包含被配置在該降流環管中之一蒸汽產生器，且該等動葉輪被配置在該蒸汽產生器之下且在該核反應器核心之上。
在本發明揭示的另一觀點中，一裝置包含一壓水反應器(PWR)，該PWR包含：一垂直定向的圓柱形壓力槽，該圓柱形壓力槽包含上及下槽部；被配置在該下槽部之一核反應器核心；被以與該圓柱形壓力槽同心方式配置在該圓柱形壓力槽之內之一空心圓柱形中央升流管，其中該空心圓柱形中央升流管與該圓柱形壓力槽之間界定了一降流環管；將該降流環管分離成相互流體隔離的上方及下 方部分之一環形分離器；以及在該空心圓柱形中央升流管周圍被間隔開之複數個反應器冷卻劑泵(RCP)，其中一入口凸緣將每一RCP之入口連接到該上方降流環管部分，且一出口凸緣將每一RCP之出口連接到該下方降流環管部分，因而該RCP將來自該上方降流環管部分之主冷卻劑推進到該下方降流環管部分。在某些實施例中，每一RCP之入口凸緣、出口凸緣、或入口凸緣及出口凸緣支持該RCP，且每一RCP包含垂直懸掛在該RCP的其餘部分之下的一泵馬達。
請參閱第1-3圖，一壓水反應器(PWR)包含一圓柱形壓力槽10。在本說明書的用法中，辭語"圓柱形壓力槽"意指該壓力槽有一大致為圓柱形的形狀，但是該形狀在某些實施例中可能偏離在數學上完美的圓柱形。例如，例示之圓柱形壓力槽10具有沿著該圓柱的長度的不同的直徑之圓形橫斷面，且具有圓形末端，且包含各種槽穿透以及槽部凸緣連接等的部位。圓柱形壓力槽10被安裝在一垂直位置，且具有在一中間凸緣區12上被固定在一起之一上槽部10U及一下槽部10L，該中間凸緣區12包含連同下槽部10L而被鍛造之一下凸緣12L、以及連同上槽部10U而被鍛造之一上凸緣12U。所示之中間凸緣區12進一步包含介於中間的中間凸緣元件12M，且下及上凸緣12L、12U被耦合到或通過(例如，利用長杆螺栓(long- shank bolt))中間凸緣元件12M。或者，可省略該中間凸緣元件，且在該中間凸緣區中將下及上凸緣12L、12U直接耦合在一起。雖然壓力槽10是垂直的，但是可考慮到該垂直位置偏離圓柱軸線的精確垂直定向。例如，如果該PWR被配置在一船舶，則該壓力槽由於該船舶在水面上或水面下的移動，而可能隨著時間變動而是垂直但有一些傾斜的。
該PWR進一步包含被配置在下槽部10L中之以示意圖示出的一放射性核反應器核心16。反應器核心16包含諸如濃化(enriched)了可裂鈾235同位素(isotope)的含有氧化鈾(uranium oxide)(UO2)之材料等的一堆可裂材料(fissile material)、或被配置在結構係為安裝在下槽部10L的適當的安裝托架(mounting bracket)或保持結構(圖中未示出之核心安裝特徵)之一燃料容器(fuel basket)或其他支持組件(support assembly)之被配置之燃料棒束(fuel rod bundle)等的材料。以示意圖示出之一控制棒系統18提供了反應度控制(reactivity control)，該控制棒系統18通常包含被安裝在連接棒、星形輪(spider)、或其他支持元件之控制棒總成。該等控制棒包含一中子吸收材料(neutron absorbing material)，且該等控制棒總成(Control Rod Assembly；簡稱CRA)在操作上被連接到一些控制棒驅動機構(CRDM)單元，該等CRDM單元以可被控制之方式將該等控制棒插入或抽出反應器核心16，以便控制或停止鏈反 應(chain reaction)。如同反應器核心16，係以示意圖示出控制棒系統18，且並未示出諸如個別的控制棒、連接棒、星形輪、及CRDM單元等的個別組件。以示意圖示出之該控制棒系統是第9圖該等CRDM單元被配置在壓力槽10之內的一內部系統。內部控制棒系統設計之一些例子包括：本發明特此引用其全文以供參照的於2010年12月16日公佈的Stambaugh等人之美國專利申請案2010/0316177 A1 "Control Rod Drive Mechanism for Nuclear Reactor"；以及本發明特此引用其全文以供參照的於2010年12月16日公佈的Stambaugh等人之國際專利申請案WO 2010/144563 A1 "Control Rod Drive Mechanism for Nuclear Reactor"。或者，可使用外部CRDM單元，然而，外部CRDM單元需要以機械方式穿透壓力槽10的頂部或底部，才能連接到控制棒。
在其操作狀態中，該PWR之壓力槽10含有主冷卻水，主冷卻水被用來作為主冷卻劑，且被用來作為使中子熱化之緩和劑材料(moderator material)。該例示之PWR包含一內部加壓器20，該內部加壓器20包含上槽部10U之一最高區，該最高區含有蒸汽泡以及加熱器、噴嘴(sparger)、或用來將蒸汽泡加熱或冷卻之其他裝置。一阻板22使該內部加壓器與該壓力槽體積的其餘部分隔離，該阻板22將該蒸汽泡之壓力(其中包括該等加壓器加熱器及/或噴嘴所作的調整)傳輸到該壓力槽的其餘部分，以便控制其壓力。可提供取代該例示內部加壓器20 之一分離的外部加壓器，該外部加壓器被適當的管路連接到壓力槽10。
在一PWR中，係在過冷狀態下保持該主冷卻水。舉例而言，在某些所考慮的實施例中，壓力槽10的密封容積(sealed volume)中之該主冷卻水係處於大約2000 psia(psia：磅/平方英寸(絕對值))的壓力及大約攝氏300-320度的溫度下。這仍然只是一個例子，且亦可考慮採用不同範圍的其他過冷PWR工作壓力及溫度。反應器核心16被浸入該主冷卻水中，且核反應器核心16中發生的放射性鏈反應將該主冷卻水加熱。被以同心方式配置在圓柱形壓力槽10內之一圓柱形中央升流管30界定主冷卻劑的流路。被加熱的主冷卻水上升通過中央升流管30，直到該主冷卻水到達該升流管的頂部為止，該主冷卻水自此點開始反向流動，且下降通過被界定於圓柱形中央升流管30與圓柱形壓力槽10之間的一降流環管32。該主冷卻水在降流環管32的底部再度反向流動，且經由核反應器核心16而向上流回，而完成該流路。
在某些實施例中，一內部蒸汽產生器36被配置在降流環管32中。二次冷卻水經由一給水入口(feedwater inlet)，且或可在一給水空間(feedwater plenum)中之緩衝之後，而流入蒸汽產生器36，該二次冷卻水在內部蒸汽產生器36中被降流環管32中之鄰近的主冷卻劑加熱，且被轉換為蒸汽，而且仍然或可在一蒸汽空間(steam plenum)中之緩衝之後，而流出一蒸汽出口。(第1圖中 並未示出諸如給水入口、蒸汽出口、及緩衝空間等的蒸汽產生器細節。)該輸出蒸汽可被用來驅動一汽輪機而發電，或被用於某一其他用途(圖中未示出的其他電廠特徵)。具有內部蒸汽產生器之PWR有時被稱為整體PWR，與2010年12月16日公佈的Thome等人之美國專利申請案2010/0316181 A1"Integral Helical Coil Pressurized Water Nuclear Reactor"中示出了該整體PWR之一例子，本申請案特此引用該專利申請案之全文以供參照。雖然該公佈揭示了一種採用螺旋形蒸汽產生器管之蒸汽產生器，但是亦可考慮採用其中包括筆直的(或垂直的)單程蒸汽產生器管、再循環蒸汽產生器、或U形管蒸汽產生器之其他管幾何形。
在本發明所揭示的實施例中，反應器冷卻劑泵(RCP)40協助或驅動該主冷卻水之循環。尤其請參閱第3圖，第1-3圖的實施例之每一反應器冷卻劑泵(RCP)40包含：被配置在泵外殼44中之一動葉輪42；被配置在壓力槽10之外的一泵馬達46；以及在操作上將泵馬達46連接到動葉輪42之一驅動軸48。第1-3圖的實施例之每一RCP 40進一步包含將泵入口及出口分別連接到中間凸緣區12中之降流環管32的被個別鍛造之入口及出口凸緣50、52。一環形分離器54延伸到空心圓柱形中央升流管30與壓力槽10之間，而將降流環管32隔離成上方及下方部分。入口凸緣50將RCP 40之入口連接到該上方降流環管部分，而出口凸緣52將RCP 40之出口連接到該下方降 流環管部分。因此，RCP 40將來自該上方降流環管部分之主冷卻劑推進到該下方降流環管部分。換言之，該上方及下方降流環管部分除了經由該等凸緣50、52及泵外殼44之外，是相互流體隔離的。在正常操作期間，RCP 40主動地將主冷卻劑流向下驅動通過該降流環管，但是如果主動冷卻(active cooling)被電源故障或其他原因中斷，則主冷卻劑可繼續進行通過其中包括入口凸緣50、泵外殼44、及出口凸緣52的路徑之自然循環(natural circulation)。
更一般性而言，在本發明所揭示之實施例中，該等RCP被配置在中間凸緣區12中(例如，通常在核反應器核心16之上且在(若存在的)內部蒸汽產生器36之下)，抽吸主冷卻劑流動通過降流環管32，且設有位於外部的(亦即，被配置在壓力槽10之外的)一些泵馬達46。該中間凸緣之定位具有某些優點。自對LOCA的緊急應變(emergency response)之觀點而論，中間凸緣之安置最好是將該等RCP安裝在該壓力槽的底部。該等RCP的中間凸緣之安置也將該等RCP設置在較遠離壓力槽10的頂部之處，因而減輕了空間的顧慮，這是因為該等中間凸緣RCP不與諸如內部加壓器20等的其他組件競爭空間。該等中間凸緣RCP也被設置在較遠離發生在壓力槽10的底部之主冷卻劑流入反應器核心16之處。該距離可讓該等RCP的活動而造成的任何流動不均勻性消散，因而至反應器核心16的流入比該等RCP被耦合到壓力槽底部 的PWR系統可能有較佳的均勻性。此外，該壓力槽被設計成經由凸緣12L、12U以及可選擇採用的中間凸緣元件12M而在中間凸緣區12被隔離。此種方式提供了易於接觸該等RCP之方式，以供維修的用途。
然而，將該等RCP放置在中間凸緣區12時，也將面臨許多挑戰。該中間凸緣區沒有可用於外部泵馬達46之支持結構。此外，該等RCP之中間凸緣放置可能干擾到降流環管32中之主冷卻劑的向下流動，因而又可能干擾到發生電力中斷時將依賴該壓力槽內之被動式自然對流的緊急冷卻安全系統。在整體PWR的情形中，至少降流環管32的上方部分也被內部蒸汽產生器36佔用。
在第1-3圖之實施例中，以下文所述之方式克服了這些挑戰。被個別鍛造的入口及出口凸緣50、52提供了對該等泵40的支持，其中入口及出口凸緣50、52將泵入口及出口分別連接到中間凸緣區12中之降流環管32。提供對凸緣50、52的最大支持及支持穩定性通常是有利的，然而，亦可替代地考慮只用這些凸緣中之一凸緣而對RCP作主要的或全部的支持。在該實施例中，將凸緣50、52及外殼44的形狀設計成使驅動軸48有垂直的定向且使泵馬達46有垂直的定向(亦即，泵馬達46的轉子(rotor)繞著一垂直軸旋轉)。該垂直定向減少了用來支持旋轉元件(例如，泵馬達46的轉子及驅動軸48)的軸承之磨損。此外，垂直定向的泵馬達46並不延伸離開壓力槽10，因而減少了被佔用的空間量。可使下槽部10L的直徑 小於上槽部10U的直徑，而使下槽部10L被有效地"凹入"，而提供了泵馬達46的空間，因而進一步減少了該空間佔用。包含入口凸緣50、泵外殼44、及出口凸緣52之路徑在發生入口凸緣50的操作中斷時維持自然對流。可使用直徑足夠大的凸緣50、52且/或設有數量眾多的RCP，且建構在動葉輪42不轉動時可呈現低流體流動阻力(flow resistance)的泵外殼44及動葉輪42，而以高流體傳導性構成該自然對流路徑。
因為泵馬達46在壓力槽10之外，所以泵馬達46不會經歷PWR環境的較高溫度(例如，某些實施例中之大約攝氏300-320度，但是較高或較低的PWR工作溫度也是被考慮到的)。然而，某些熱可能藉由凸緣50、52及泵外殼44的傳導及/或壓力槽10的對流或輻射、及/或被抽吸的主冷卻劑輸送到RCP 40的熱而被輸送到泵馬達46。因此，在某些實施例中，藉由諸如提供給該例示實施例中之一熱交換器56，而提供給對泵馬達46之熱管理。
在第1-3圖之實施例中，如果在中央升流管30周圍有N個被間隔開的RCP 40(例如，在360°/N的間隔下)，則將有2N個槽穿透：用於入口凸緣50的N個穿透、以及用於出口凸緣52的N個穿透。這些穿透增加了下槽部10L的複雜度，且加入了2N個額外的組件(亦即，N個入口凸緣50及N個出口凸緣52)，而且導入了冷卻水流失事故(LOCA)的一些潛在部位。在第1-3圖之實施例中，以與壓力槽10間隔開之方式放置該等RCP 40時，簡化了維修中接觸該等RCP之方式。
請參閱第4-6圖，在其他實施例中，由於將該動葉輪配置在降流環管32中之該壓力槽內，因而無須使用入口及出口凸緣50、52。在第4及5圖中，只示出該實施例的一下槽110L，這是因為該下槽110L可經由一中間凸緣區112的一凸緣112L而連接到第1圖之相同的上槽10U，而該凸緣112L之尺寸被設計成與凸緣12U匹配(且/或與可選擇採用的中間凸緣元件12M匹配)。凸緣112L被形成而界定該壓力槽(尤指下槽110L)的一外緣凸出114。一反應器冷卻劑泵(RCP)140包含如同第1-3圖的實施例中之被熱交換器56冷卻的泵馬達46、以及驅動軸48。然而，第4-6圖的實施例中省略了第1-3圖的實施例中之專用泵外殼44，且反而一動葉輪142被配置在一降流環管132中。接近動葉輪142的降流環管132之一部分的形狀被作成界定一泵外殼132H，該泵外殼132H與動葉輪142配合，而將主冷卻劑向下推進通過降流環管132。為了透視，第6圖示出內部蒸汽產生器36的最低部分，而示出動葉輪142被定位在反應器核心16之上(請參閱第4圖)且在蒸汽產生器36之下(請參閱第6圖)。在第4-6圖的實施例中，降流環管132具有該上槽部中之較小內徑(該內徑與被設置在該上槽部中之蒸汽產生器36的內徑實質上一致，其中該蒸汽產生器並無任何部分是在下槽部110L中；亦請參閱第5圖之透視圖，圖中示出過渡區(transition region))，且具有下槽部110L中之較大內 徑。RCP 140之動葉輪142被配置在降流環管132的一過渡區中之該壓力槽(尤指下槽部110L)內，而在該過渡區中，降流環管132的內徑自該較小的內徑過渡到該較大的內徑。在該實施例中，該過渡區也包含下槽凸緣112L中形成的一擴口部分，該擴口部分有助於界定降流環管132的泵外殼132H。整體而言，降流環管132的接近動葉輪142之結構將向下的主冷卻劑流朝向動葉輪142注入，或以其他方式操縱該主冷卻劑流，以便增強抽吸效率，且因而有效地被用來作為泵外殼。
第4-6圖之實施例有利地只有N個RCP 140的N個槽穿透，亦即，每一RCP 140有一個槽穿透。該槽穿透可讓驅動軸48通過外緣凸出114。在某些實施例中，形式為該壓力槽中之孔道(opening)的該槽穿透被一RCP凸緣密封，而RCP 140被安裝在該RCP凸緣上。在此類實施例中，以一單元之方式安裝RCP 140，其中該總成包含在被安裝到下槽部110L之前已被預先裝配的泵馬達46、驅動軸48、及動葉輪142。在這些實施例中，在其上安裝RCP 140的該壓力槽中之孔道必須大到足以通過動葉輪142。
在替代實施例中，在其上安裝RCP 140的該壓力槽中之孔道不必大到足以通過動葉輪142，而是只須大到通過驅動軸48。在此類實施例中，該壓力槽孔道包含用來提供給密封且將驅動軸48支持在該孔道中之一自潤石墨合金軸承(self-lubricating graphalloy bearing)。在此種方式下，可將該等壓力槽孔道作得較小(亦即，只稍微大於驅 動軸48的直徑)，以便將在這些孔道上發生冷卻水流失事故(LOCA)的可能性及程度最小化。在某些被考慮的實施例中，該等孔道的直徑可以是3吋(7.62厘米)，或甚至更小。泵馬達46被適當地固定到的一安裝凸緣141包含一金屬墊片、O形環、或其他密封元件，用以在該石墨合金軸承提供的密封之外提供進一步的密封。在此類實施例中，並不經由通過驅動軸48的該孔道安裝動葉輪142。而是可藉由隔離上槽及下槽部10U、110L，而接觸到動葉輪142，且在下壓力槽部110L的該孔道上安裝了其中包括驅動軸48、泵馬達46、及安裝凸緣141的該總成之後，經由該接觸方式而安裝動葉輪142。
在第1-3圖及第4-6圖的實施例中，上槽部10U具有比下槽部10L、110L大的直徑。此種方式有助於界定第1-3圖的實施例中之入口凸緣50的空間，且將一平滑的輪廓提供給凸緣112L，而界定第4-6圖的實施例中之外緣凸出114。在這兩個例子中，直徑自上槽部10U至下槽部10L、110L的變窄有助於使主冷卻劑流成形而被RCP 40、140有效率地抽吸。然而，也考慮到可使該上及下槽在中間凸緣區12、112中具有一致的(或較一致的)直徑。在提供了入口及出口凸緣的第1-3圖的實施例之情形中，可藉由適當地調整該入口及出口凸緣的形狀，而適應該中間凸緣區中之平滑的(或較平滑的)直徑。在諸如第4-6圖的實施例等的實施例中，可藉由使被界定到接近被配置在該降流環管中之該壓力槽內的該等動葉輪的該降流環管之 該泵外殼被適當成形，而適應該中間凸緣區中之平滑的(或較平滑的)直徑。
在第1-3圖及第4-6圖的實施例中，驅動軸48的定向是垂直的，且泵馬達46被配置在(或"被懸掛在")動葉輪42、142之下，且其定向也是垂直的。該相對於重力對稱的位置有利地減少驅動軸48及泵馬達軸承上的磨損。此種方式也將低輪廓提供給安裝了該等RCP 40、140之該壓力槽，且有助於於維修時取下該等泵馬達。泵馬達46的五種垂直定向也有助於採用可自沸水反應器(BWR)系統供應商購得的現有反應器冷卻劑泵馬達，而在BWR系統中，泵的垂直定向是傳統的。
在第1-3圖及第4-6圖的實施例中，動葉輪42、142被定位在降流環管32、132內之流路中，且除了形狀被作成用於外殼的功能之接近的降流環管之外，並未設有任何外殼。因此，如果發生該等RCP 40、140的停電(power outage)或其他故障，則該等RCP 40、140實質上不會阻礙主冷卻劑向下流經降流環管32、132的自然對流。此種方式在發生用來驅動該等RCP 40、140的電力喪失時，有助於執行依賴自然對流的各種被動式緊急冷卻系統。此外，該等RCP 40、140也遠離反應器核心16，因而不可能在核心16中導入擾流(flow turbulence)(擾流有可能造成溫度變化的結果)。
請參閱第7-9圖，在另一實施例中，一RCP 240包含被配置在一泵外殼244中之動葉輪242，且以上兩者都被 配置在一中間凸緣區212的一下凸緣212L上的一下槽部210L之一降流環管232中。在第7及8圖中，只示出該實施例的下槽210L，這是因為該下槽210L可經由凸緣212L而連接到第1圖之相同的上槽10U，而該凸緣212L之尺寸被設計成與凸緣12U匹配(且/或與可選擇採用的中間凸緣元件12M匹配)。
每一RCP 240進一步包含被配置在壓力槽10之外的泵馬達46(該泵馬達46或可被熱交換器56或另一熱管理子系統冷卻)，且驅動軸48將泵馬達46在操作上連接到動葉輪242。然而，在第7-9圖之實施例中，泵馬達46及驅動軸48都是水平定向的，而不是第1-3及4-6圖的實施例中之垂直定向的。動葉輪242及泵外殼244配合地界定了一離心泵。泵外殼244包含一入口250及出口252，且界定了一渦捲室254。動葉輪242在渦捲室254中操作，而將來自入口250的主冷卻劑經由渦捲室254而推進到出口252。
因為第7-9圖之實施例包含被配置在降流環管232之內的泵外殼244，所以無須為了界定一外殼而將降流環管232的接近區域特別地成形。在該所示實施例中，降流環管232之內徑的確在泵外殼244的位置上自上槽部10U的較小內徑過渡到下槽部210L的較大內徑。此種過渡可針對控制棒系統18及核反應器核心16而在中央升流管30內有較大的空間，且也有將降流環管232中之主冷卻劑流向下朝向該等離心泵的該等入口250注入之有利效應，因 而增強了抽吸的效率。
泵馬達46及驅動軸48被水平地安裝在第7-9圖之實施例中。因此，該壓力槽(尤指下壓力槽部210L的凸緣212L)中之該孔道是水平孔道，而不是如同第4-6圖的實施例中被設置在外緣凸出114之下。第7-9圖之實施例的確包含由鍛造的凸緣212L所導入之外緣凸出，但是該外緣凸出沒有第7-9圖的實施例的降流環管232中之任何同等結構。在(未被示出的)某些實施例中，該等RCP 240在安裝之前被完整地預先裝配(其中包括已被安裝在驅動軸48上的離心泵242、244，而該驅動軸48已被固定到泵馬達46，且該泵馬達46已被固定到一安裝凸緣)，且然後經由該下槽部中之大到足以讓泵外殼244通過的一孔道上的安裝凸緣而安裝該被預先裝配的RCP。
或者，在該實施例中，可將該孔道的尺寸設計成較小，而只足以讓驅動軸48通過，但並未大到足以讓泵外殼244通過。在這些(所示之)實施例中，在下槽部210L中之該孔道上安裝其中包括被安裝到泵馬達46(該泵馬達46又被安裝到一安裝凸緣141)的驅動軸48之該總成(但是不包括離心泵242、244)。該孔道適當地包含一石墨合金軸承，用以提供一密封，且將驅動軸48支持在該孔道中。在此種方法中，將該等壓力槽孔道作得較小(亦即，只稍微大於驅動軸48的直徑)，以便將在這些孔道中發生冷卻水流失事故(LOCA)的可能性及程度最小化。在某些被考慮的實施例中，該等孔道的直徑可以是 3吋(7.62厘米)，或甚至更小。泵馬達46被適當地固定到的安裝凸緣241包含一金屬墊片、O形環、或其他密封元件，用以在該石墨合金軸承提供的密封之外提供進一步的密封。在此類實施例中，並不經由通過驅動軸48的該孔道安裝離心泵242、244。而是可藉由隔離上槽及下槽部10U、210L，而接觸到離心泵242、244，且在下壓力槽部210L的該孔道上安裝了其中包括驅動軸48、泵馬達46、及安裝凸緣241的該總成之後，經由該接觸方式而安裝離心泵242、244。
下文中將述及每一所示實施例之一進一步的例子。
第1-3圖的實施例之一例子在可讓泵馬達46被懸掛在中間凸緣區12中之動葉輪42之下且符合被裝配的PWR的所需最大直徑(例如，某些實施例中之13呎的包跡(envelope)，但是亦可考慮採用較大或較小的包跡)之一配置中，適當地使用可自市場上購得的一傳統沸水反應器(BWR)型泵。該配置可以一種類似於在BWR中將泵水力系統(pump hydraulics)定位的方式之傳統方式將該等泵水力系統定位。下槽部10L具有比上槽部10U小的直徑，且包含一自該下槽部突出的一些鍛造之凸緣，該等凸緣與泵入口及出口凸緣50、52匹配。鍛造之凸緣的總數是泵40的總數的兩倍。每一RCP 40包含一個別的鍛造外殼或外殼44，且包含泵水力系統(例如，動葉輪42)、泵馬達46、及擴散器(diffuser)。在要設置該操作PWR的施工現場以螺栓將將該個別鍛造的外殼或外殼44拴緊 到下槽部10L。在第1-3圖的所示實施例中，有十二個RCP 40，但是亦可可慮採用較多或較少的RCP。
第4-6圖的實施例之一例子在可讓泵馬達46被懸掛在中間凸緣區112中之動葉輪142之下且不超過被裝配的PWR的所需最大直徑(例如，某些實施例中之13呎的包跡，但是亦可考慮採用較大或較小的包跡)之一配置中，使用一傳統的BWR型泵。該配置可以一種類似於在沸水反應器中將泵水力系統定位的方式之傳統方式將該等泵水力系統定位。下槽部110L具有比上槽部10U小的直徑，因而可將該等RCP 140設置在被界定在下槽凸緣112L之下的外緣凸出114上，且泵馬達46被設置在外緣凸出114之上，且動葉輪142被設置在外緣凸出114之上且在降流環管132之內。在第4-6圖的所示實施例中，有十二個RCP 140，但是亦可可慮採用較多或較少的RCP。
第7-9圖的實施例之一例子在可讓泵馬達46被設置在中間凸緣區212中之之水平位置之一配置中，使用一傳統的BWR型泵。該配置利用離心型泵水力系統，該離心型泵水力系統被設置成可讓該泵水力系統位於壓力槽的內部，且可將泵馬達46連接到泵動葉輪242。在第7-9圖的所示實施例中，有十二個RCP 240，但是亦可可慮採用較多或較少的RCP。
已示出且說明了該等較佳實施例。其他人在參閱且了解了前文的詳細說明之後，顯然將可得知一些修改及改變。應將本發明理解為包括在最後的申請專利範圍及其等 效物的範圍內之所有此類修改及改變。
10‧‧‧圓柱形壓力槽
10U‧‧‧上槽部
10L,110L,210L‧‧‧下槽部
12,112,212‧‧‧中間凸緣區
12L,112L,212L‧‧‧下凸緣
12U‧‧‧上凸緣
12M‧‧‧中間凸緣元件
16‧‧‧反應器核心
18‧‧‧控制棒系統
20‧‧‧內部加壓器
22‧‧‧阻板
30‧‧‧中央升流管
32,132,232‧‧‧降流環管
36‧‧‧內部蒸汽產生器
40,140,240‧‧‧反應器冷卻劑泵
42,142,242‧‧‧動葉輪
44,132H,244‧‧‧泵外殼
46‧‧‧泵馬達
48‧‧‧驅動軸
50‧‧‧入口凸緣
52‧‧‧出口凸緣
54‧‧‧環形分離器
56‧‧‧熱交換器
114‧‧‧外緣凸出
141,241‧‧‧安裝凸緣
250‧‧‧入口
252‧‧‧出口
254‧‧‧渦捲室
本發明可採取各種組件及組件的配置之形式，且可採取各種程序操作及程序操作的配置之形式。各圖式只被用於解說較佳實施例之目的，且將不被理解為對本發明之限制。
第1圖示出具有一些反應器冷卻劑泵(RCP)的一壓水反應器(PWR)之一側斷面圖。
第2圖示出第1圖所示PWR的其中包括該等RCP的下槽之一透視圖。
第3圖示出第1圖所示PWR的其中包括以斷面圖示出的RCP的下槽的一放大部分之一側斷面圖。
第4及5圖分別示出該PWR的下槽的一替代實施例之側斷面圖及透視圖，其中包括不包含個別鍛造的凸緣的RCP之替代實施例。
第6圖示出其中包括兩個以斷面圖示出的RCP的第4及5圖所示PWR實施例的中間凸緣區之一側斷面圖。
第7及8圖分別示出該PWR的下槽的一替代實施例之側斷面圖及透視圖，其中包括具有離心泵結構及被垂直安裝的馬達的RCP之替代實施例。
第9圖示出第7及8圖所示PWR的其中包括以斷面圖示出的一RCP的下槽的一放大部分之一側斷面圖。
10‧‧‧圓柱形壓力槽
10U‧‧‧上槽部
10L‧‧‧下槽部
12‧‧‧中間凸緣區
12U‧‧‧上凸緣
12M‧‧‧中間凸緣元件
12L‧‧‧下凸緣
16‧‧‧反應器核心
18‧‧‧控制棒系統
20‧‧‧內部加壓器
22‧‧‧阻板
30‧‧‧中央升流管
32‧‧‧降流環管
36‧‧‧內部蒸汽產生器
40‧‧‧反應器冷卻劑泵
50‧‧‧入口凸緣
52‧‧‧出口凸緣
54‧‧‧環形分離器

Claims (27)

  1. 一種裝置，包含：一壓水反應器(PWR)，該PWR包括：一垂直定向的圓柱形壓力槽，該圓柱形壓力槽包含被固定在一起之上槽部及下槽部，且具有該圓柱形壓力槽的一垂直定向的圓柱軸；被配置在該下槽部中之一核反應器核心；被以與該圓柱形壓力槽同心配置在該圓柱形壓力槽之內之一空心圓柱形中央升流管，其中該空心圓柱形中央升流管與該圓柱形壓力槽之間界定了一降流環管；以及一反應器冷卻劑泵，包括(i)被配置在該核反應器核心之上的一動葉輪，該動葉輪並與該降流環管係流體連通，而向下推進主冷卻劑通過該降流環管；(ii)被配置在該壓力槽之外的一泵馬達；以及(iii)在操作上將該泵馬達連接到該動葉輪之一驅動軸。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該反應器冷卻劑泵被固定到該下槽部。
  3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該上槽部具有比該下槽部大的一直徑。
  4. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該降流環管具有該上槽部中之一相對較小內徑、以及在該下槽部中之一相對較大內徑，且該反應器冷卻劑泵的該動葉輪被配置在該降流環管的一過渡區中之該壓力槽之內，而該降流環管的該內徑在該降流環管自該相對較小內徑過渡到該相對較 大內徑。
  5. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該下槽部包括一外緣凸出，而該反應器冷卻劑泵在該外緣凸出上被固定到：(I)被配置在該外緣凸出之上的該降流環管中之該壓力槽內的該動葉輪、以及(II)被配置在該外緣凸出之下的該壓力槽之外的該泵馬達。
  6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該驅動軸的定向是垂直的。
  7. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該下槽部包括一凸緣，該下槽部經由該凸緣而被固定到該上槽部，該凸緣具有比該下槽部的其餘部分大的一直徑，以便界定在其上固定該反應器冷卻劑泵之該外緣凸出。
  8. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該反應器冷卻劑泵進一步包含用來將該泵入口及出口連接到該降流環管之入口凸緣及出口凸緣，該PWR進一步包含：在該空心圓柱形中央升流管與該壓力槽之間延伸的一環形分離器，用以將該降流環管分離成上方部及下方部；其中該上降流環管部分經由該入口凸緣而被連接到該泵入口，且該下降流環管部分經由該出口凸緣而被連接到該泵出口。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該動葉輪被配置在該泵馬達之上，且該驅動軸的定向是垂直的。
  10. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該動葉輪被配置在該降流環管中之該壓力槽之內，以便向下推進主冷 卻劑通過該降流環管。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該動葉輪被配置在該壓力槽的一外緣凸出之上的該壓力槽之內，且該泵馬達被配置在該壓力槽的該外緣凸出之下的該壓力槽之外，以及該驅動軸的定向是垂直的，並操作上連接以(該外緣凸出之上的該動葉輪)該外緣凸出之下的該泵馬達。
  12. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中接近該動葉輪的該降流環管塑形以界定一泵外殼，該泵外殼與該動葉輪配合而向下推進主冷卻劑通過該降流環管。
  13. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中：該反應器冷卻劑泵包含複數個反應器冷卻劑泵，該複數個反應器冷卻劑泵包括被配置在該降流環管中且在該空心圓柱形中央升流管周圍被間隔開之對應的複數個動葉輪；以及接近該複數個動葉輪的該降流環管塑形以界定一環形泵外殼，該環形泵外殼與該複數個動葉輪配合而向下推進主冷卻劑通過該降流環管。
  14. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該反應器冷卻劑泵進一步包含容納了該動葉輪之一泵外殼，該泵外殼也被配置在該降流環管中之該壓力槽之內，該泵外殼及該動葉輪配合地界定一離心泵。
  15. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中該驅動軸的定向是水平的。
  16. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中該反應器冷 卻劑泵被固定到該下槽部。
  17. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中藉由分離該上槽部及該下槽部而可接觸到該動葉輪。
  18. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該PWR進一步包含：被配置在該降流環管之一內部蒸汽產生器，而該反應器冷卻劑泵之該動葉輪被配置在該內部蒸汽產生器之下。
  19. 如申請專利範圍第18項之裝置，其中該動葉輪被配置在該內部蒸汽產生器之下的該降流環管中之該壓力槽之內，以便將自該內部蒸汽產生器排出的主冷卻劑向下推進通過該降流環管。
  20. 如申請專利範圍第18項之裝置，其中該內部蒸汽產生器被完全配置在該上槽部中，且並無該內部蒸汽產生器的部分被配置在該下槽部。
  21. 一種裝置，包含：一壓水反應器(PWR)，該PWR包括：一垂直定向的圓柱形壓力槽，該圓柱形壓力槽包含上槽部及下槽部；被以與該圓柱形壓力槽同心配置在該圓柱形壓力槽之內之一空心圓柱形中央升流管，其中該空心圓柱形中央升流管與該圓柱形壓力槽之間界定了一降流環管；被配置在該下槽部中之一核反應器核心；以及在該空心圓柱形中央升流管周圍被間隔開且被固定到該下槽部之複數個反應器冷卻劑泵，其中每一反應器 冷卻劑泵包括(i)被配置在該降流環管中之該壓力槽之內的一動葉輪、(ii)被配置在該壓力槽之外的一泵馬達、以及(iii)在操作上將該泵馬達連接到該動葉輪之一驅動軸。
  22. 如申請專利範圍第21項之裝置，其中接近該複數個動葉輪之該降流環管塑形以界定該複數個動葉輪的一共用環形泵外殼，該共用環形泵外殼與該複數個旋轉動葉輪配合，而向下推進主冷卻劑通過該降流環管。
  23. 如申請專利範圍第22項之裝置，其中該壓力槽包括一外緣凸出，該等反應器冷卻劑泵之該等動葉輪被配置在該外緣凸出之上的該壓力槽之內，該等反應器冷卻劑泵之該等泵馬達被配置在該外緣凸出之下的該壓力槽之外，且該等反應器冷卻劑泵之該等驅動軸的定向是垂直的。
  24. 如申請專利範圍第21項之裝置，其中每一反應器冷卻劑泵進一步包含一外殼，該外殼被配置在該降流環管中之該壓力槽之內，且與該動葉輪配合，而界定一離心泵。
  25. 如申請專利範圍第21項之裝置，進一步包含：被配置在該降流環管中之一蒸汽產生器；其中該等動葉輪被配置在該蒸汽產生器之下且在該核反應器核心之上。
  26. 一種裝置，包含：一壓水反應器(PWR)，該PWR包括：一垂直定向的圓柱形壓力槽，該圓柱形壓力槽包 含上槽部及下槽部；被配置在該下槽部中之一核反應器核心；被以與該圓柱形壓力槽同心配置在該圓柱形壓力槽之內之一空心圓柱形中央升流管，其中該空心圓柱形中央升流管與該圓柱形壓力槽之間界定了一降流環管；將該降流環管分離成相互流體隔離的上方及下方部分之一環形分離器；以及在該空心圓柱形中央升流管周圍被間隔開之複數個反應器冷卻劑泵，其中一入口凸緣將每一反應器冷卻劑泵之入口連接到該上方降流環管部分，且一出口凸緣將每一反應器冷卻劑泵之出口連接到該下方降流環管部分，因而該反應器冷卻劑泵將來自該上方降流環管部分之主冷卻劑推進到該下方降流環管部分。
  27. 如申請專利範圍第26項之裝置，其中：每一反應器冷卻劑泵之入口凸緣、出口凸緣、或入口凸緣及出口凸緣二者支持該反應器冷卻劑泵；以及每一反應器冷卻劑泵包含垂直懸掛在該反應器冷卻劑泵的其餘部分之下的一泵馬達。
TW101126302A 2011-07-28 2012-07-20 具有在降流環管中運作的反應器冷卻劑泵之壓水反應器 TW201314704A (zh)

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