模块化的能够运输的核发电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及利用模块化、紧凑的、能够运输的、硬化核发电机生成电力和过程热，该核发电机是可快速部署的且可快速取回的，该核发电机包括完全集成在容纳核芯的单个压力容器内的动力转换和发电装备。
【背景技术】
[0002]核发电机自然地涉及在关停之后产生衰变热能的核芯。通常，在很多因素之中，在关停之后产生的衰变热能的量与以核芯为特征的燃料动力生成历史和动力密度成比例。为了避免核燃料在芯的任何位置中的过热，必须利用冗余的热传递机构将衰变热能从芯传递走，该热传递机构通常由容器外部的系统和设计成容纳芯的结构来支撑。这些冗余的冷却系统包括复杂管道网络，该复杂管道网络将芯热-液压地联接到热交换器，该热交换器位于容纳芯的容器外部并专用于将来自芯的热能传递到环境(即，最终热阱)。穿过这些热交换器的冷却剂可利用电驱动的再循环器(即，栗、鼓风机)主动地循环，并且利用由专用于给穿过相对复杂的管道网络的冷却剂定路线或重定路线的阀调节的多个热交换器来表示冗余度。可替代地，借助于重力驱动的自然循环机构，基于当加热或冷却时冷却剂密度改变的事实，冷却剂可以被动地循环穿过类似地复杂的管道网络，该复杂的管道网络将芯热-液压地联接到额外的芯热交换器。现代的核反应堆依赖于可以被动地、主动地或被动地和主动地两者的组合地操作的冗余芯衰变热去除系统。
[0003]为了去除衰变热能，采用“主动”安全特征的反应堆设计广泛地依赖于电力来在停止之后使芯维持在安全温度。为了确保在所有时间的安全操作和衰变热能去除，这些设计需要通过至少连接到两个场外电网提供的电力和由专用的冗余现场紧急柴油发电机(EDG)提供的紧急电力。
[0004]另一方面，某些类型的被动安全特征仅依赖于通常储存在相对于芯定位在较高高度的罐或水结构中的水的重力和大存量。需要在芯和冷却剂储存结构之间的高度差异以使冷却剂经历自然循环虹吸并有效地从芯去除衰变热能。对于基于储存的冷却剂的被动安全特征，足够地提供长期衰变热去除的能力高度地依赖于冷却剂存量和在各种环境温度和湿度条件下重力驱动的芯冷却机构的有效性。通常，随着环境温度增加，被动地产生对流芯冷却的能力逐渐受损。结果是，基于储存的冷却剂存量的被动衰变热去除对于在温和气候中操作的核发电机是最适合的。
[0005]因为被动和主动安全系统通常在容纳芯的容器外部形成，所以结果是冗余管道、阀、热交换器以及栗/鼓风机和辅助动力和控制电缆网络(即，提供用于主动系统的机动-电力和控制所需要的)的复杂系统。专用于从芯去除热能的管道和热-液压装置(即，热交换器)和电动装备(即，栗)的复杂系统通常定义为核电厂配套设施。大部分核发电机(大的和小的)的核电厂配套设施基本上引起大的设施占用空间，对可以部署核发电机的场所强加限制，以及明显地增加以核发电机设施为特征的资本成本。
[0006]商业操作的反应堆的核芯通常由水冷却且装载有核燃料元件，该核燃料元件涂覆有在存在高温水/蒸汽的情况下氧化的材料。因为芯可例如由于冷却剂缺失、或主动或被动系统衰变热去除系统的失效、导致生成氢气的在涂覆材料和水/蒸汽之间的化学反应，而经历过热。氢气随后积聚且最终自燃，从而造成严重的安全挑战。结果是，核电厂配备有冗余氢气管理装备，例如以执行受控的点火并防止大量氢气积聚。然而，该另外的安全特征进一步增加复杂性、增加操作成本并且可能不是可管理的，如多次核事故(例如在日本的Fukushima Daiichi核电站发生的事故)证明的。用于确保主动、被动或主动和被动的组合安全系统的且执行其安全功能的冗余度的水平通常是基于假定设计基础事故情况的概率风险判定的结果。并非所有可能的事故情况被考虑，因为超出设计基础的事故情况的发生的可能性是非常低的。不幸的是，尽管冗余度和对于放射性从芯到环境的逃逸的多个工程设计屏障，但是甚至对于符合安全操作的大部分现代化规章指导的核发电站(即，Fukushima Daiichi发电站)，已经发生了芯崩溃、氢气爆炸、密封泄漏和大的放射性散落物，因而证明灾难性事故(如由超出设计基础的事故情况触发的那些事故)具有不能接受的安全和经济冲击，即使它们发生的可能性非常低。超出设计基础的事故情况可能由极端的地震、海嘯、气候有关的、恐怖分子/敌对事件代表。
[0007]小模块化反应堆设计当与大的现代反应堆设计相比以较小的、模块化且更容易可运输的部件为特征。然而，在没有首先在部署场所处被热-液压(和电)地联接的情况下，这些部件或者模块不能操作。这些模块化部件的联接通过与构造在包括芯的容器外部的复杂管道网络、阀、被动和/或主动芯冷却系统(核电厂配套设施)互连而发生。结果是，不管小模块化反应堆的尺寸如何，基于小的模块化反应堆设计的电站的部署和安装需要几个月进行场所准备、核电厂配套设施的安装和所有辅助设备的联接。实际上，一旦小模块化反应堆系统被联接，基于整体小的反应堆的电站占用空间和紧急撤离区域仍保留相当大的，甚至对于产生适度的或非常低的额定功率的小模块化反应堆设计来说也是如此。一旦组装，小的模块化反应堆设计不能被运输或取回且因此不能够容易地部署，在没有经历模块化部件的拆卸和用于拆分核电厂配套设施的几个月的情况下，它们也不能被从场所取回，对于多个分离的和可能放射性的小模块化反应堆部件的去除来说，通常具有很长的关停过程。
【发明内容】
[0008]鉴于前述内容，继续需要一种真实可运输的、完全可操作的、紧凑的模块化核发电机系统和用于安全地生产电能的方法，具有提供过程热的选择，能够在任何气候条件下、在具有安全地应付极端环境应激事件(包括严重的地震和洪水事件)的能力的任何场所并且以固有地减小假定的设计基础的后果以及超出设计基础的事故情况的方式安全地操作。
[0009]鉴于上述内容，公开了一种可运输的硬化紧凑的模块化核发电机。公开的发电机由容纳在容器中的核芯形成，该容器包括集成的动力转换和动力发生装备，不需要额外容器的核电厂配套设施，并且包括如下特征，即在所有事故情况(包括超出设计基础的事故情况和设计基础攻击情况)下被动地确保芯冷却。
[0010]根据现场特定电需求(和过程热需求)，可运输的、硬化的、紧凑的模块化核发电机，为简化在后面称为可运输的核发电机，可以构造成利用各种芯构造、材料、冷却剂和减速剂操作，以便利用被构造成利用各种热动态动力循环(即，布雷顿、兰金)操作的集成的动力转换装备和被构造成调节电压和频率以匹配现场特定电需求的动力发生装备来将由芯产生的热能转换成电和过程热。
[0011]在某些构造中，当利用被构造成经由气体布雷顿循环转换热能的动力转换模块操作时，可运输的核发电机可以提供从至(兆瓦热)的额定功率，具有约45%的效率。在该示范性构造下，单个可运输的核发电机代表能够产生4.5Mffe至18Mffe (兆瓦电)的动力发生单元。因为可运输的核发电机可以利用被动冷却经由越过其热传递表面的自然空气循环来操作，所以其能够与多个可运输的核发电机单元群集以便匹配现场特定的电和/或过程热需求。因为可运输的核发电机是可容易运输的和可容易取回的，所以其适合于各种应用，例如，其可以用于在偏远区域或未附接电网的地方的电力生成和过程热应用。另外的应用可以包括用于各种基于陆地或人工岛工业过程(采矿、油气提取、军事安装)、船舶推进和作为在关键大功率电网相互连接处的快速电网后备系统的动力生成。
[0012]在一个示范性构造中，可运输的核发电机由三个主要模块形成:(I)可交换的反应堆动力模块，其容纳芯、控制系统和冷却剂流动反向结构，(2)动力转换模块，其包括涡轮机械装备和热交换器，以及(3)发电模块，其包括快速电动发电机、电子控制器和在启动操作期间使用的不间断电源(即，电池)。一旦通过密封凸缘热-液压联接，三个模块形成被动地与周围环境交换热能的单个硬化容器。形成动力转换模块的涡轮机械系统的旋转装备机械地联接到单个轴，该单个轴也机械地联接到被集成在发电模块的电动发电机中的旋转部件的轴，因此所有旋转装备匹配以利用磁轴承在相同速度下无摩擦地旋转。每一个模块可以独立地运输，或者所有三个完全地组装成允许可运输的核发电机容易操作的单个容器。可运输的核发电机的完全组装的或分离的模块运输科根据运输标准(即，利用标准运输装备)执行。当完全组装地运输时，可运输的核发电机代表可快速部署的和可快速取回的完全可操作的电力发电机。
[0013]在一个示范性构造中，可运输的核发电机模块可以利用密封和锁定凸缘联接以便形成水平操作的单个硬化压力容器。在具有重新定向的外部和内部的可运输的核发电机热传递翅片的另一构造中，可运输的核发电机可以竖直地操作。所有三个模块包括由内部和外部翅片形成的高度集成的热交换器，该内部和外部翅片构造成对内部部件提供支撑同时通过形成多个内部和外部结构肋充分地增强整个结构。与集成的涡轮机械和电动发电机装备组合的集成的热交换器允许在不需要外部核电厂配套设施的情况下操作，从而明显地减少了总体占用空间、易损性和冷却剂损失情况的可能性。可运输的核发电机可以采用多种类型的芯，包括防熔化的传导式陶瓷芯。可运输的核发电机冷却剂流动路径构造成确保热能高效转换成电能。这些冷却剂路径通过定位具有低流体动态阻力的内部翅片来获得，该内部翅片提供芯结构支撑，同时确保通过传导热传递机构将来自芯的衰变热能传递到可运输的核发电机外部翅片。在该构造中，甚至在完全缺失冷却剂时，可运输的核发电机芯可以安全地和被动地向可运输的核发电机周围的环境传递衰变热能。现在更详细地描述形成单个容器可运输的核发电机的三个模块。
[0014]在一个构造中，反应堆动力模块集成以富含裂变材料(即，铀或钚)加燃料的反应堆芯、中子反射器、多个反应控制系统、用于使冷却剂有效地通过反应堆动力模块循环的流动通道和将反应堆动力模块联接到动力转换模块的热-液压系统。反应堆动力模块容器可以优选地由C-C复合材料或合适的金属材料制成。芯可以是具有满足额定功率需求的材料组分和热传递特性的任何合适的芯。
[0015]优选的芯构造包括具有嵌入到碳化硅(SiC)中以形成燃料元件的陶瓷微封装燃料的传导式陶瓷芯。
[0016]在一个示范性构造中，可运输的核发电机配备有包括单块的三结构各向同性加燃料(MTF)元件的“防熔化”芯。在该构造中，芯由燃料元件制成，该燃料元件利用在被密封到SiC或SiC复合物元件中的SiC球粒中的TRISO燃料(在后面称为全陶瓷微封装(FCM)燃料)或者利用被分布在MTF元件中的三结构各向同性(TRISO)颗粒来制造。可以使用在球粒和/或块中产生具有足够的结构强度和耐辐射性的SiC的任何烧结的、紧凑的或其它SiC制造过程。在一个优选构造中，可以使用纳米渗透和短暂共晶相(NITE) SiC烧结过程。球粒可以