用于核反應(yīng)堆的浸沒式安全殼本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2008年11月6日、名稱為“用于核反應(yīng)堆的浸沒式安全殼”的第200880118524.3號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于從核反應(yīng)堆移除衰變熱的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
為了得到廉價(jià)且可靠的能源，已設(shè)計(jì)了一些以被動(dòng)操作為目標(biāo)的核反應(yīng)堆。在這些被動(dòng)系統(tǒng)中，應(yīng)用物理規(guī)律以確保在正常運(yùn)行期間，或者甚至在應(yīng)急情況下沒有操作者干預(yù)或監(jiān)督的情況下的至少某一段預(yù)定時(shí)間內(nèi)，維持核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。該被動(dòng)操作系統(tǒng)的一個(gè)目標(biāo)是使常規(guī)被依賴用于運(yùn)行核反應(yīng)堆的電動(dòng)機(jī)、泵或其他電氣或機(jī)械裝置的數(shù)量最小化。在愛達(dá)荷國(guó)家工程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室(IdahoNationalEngineeringandEnvironmentalLaboratory)、NEXANT和俄勒岡州立大學(xué)核能工程系(NuclearEngineeringDepartmentofOregonStateUniversity)支持下實(shí)施的多用途小型輕水反應(yīng)堆(Multi-ApplicationSmallLightWaterReactor)項(xiàng)目尋求開發(fā)一種安全且經(jīng)濟(jì)的自然輕水反應(yīng)堆。圖1示出了源于此項(xiàng)目的一個(gè)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)20。該核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)20包括一個(gè)被反應(yīng)堆容器2圍繞的反應(yīng)堆芯6。反應(yīng)堆容器2中的水10圍繞反應(yīng)堆芯6。該反應(yīng)堆芯6還放置在屏蔽罩(shroud)22中，該屏蔽罩22繞反應(yīng)堆芯6的側(cè)面圍繞該反應(yīng)堆芯6。當(dāng)水10由于裂變事件而被反應(yīng)堆芯6加熱時(shí)，水10被從屏蔽罩22中向上引導(dǎo)至位于反應(yīng)堆芯6上方的環(huán)形空間(annulus)23內(nèi)，且排出上升管(riser)24。這導(dǎo)致進(jìn)一步的水10被吸入屏蔽罩22以相應(yīng)地被反應(yīng)堆芯6加熱，從而將更多的水10吸入到屏蔽罩22中。自上升管24排出的水10被冷卻且被朝向反應(yīng)堆容器2的外側(cè)引導(dǎo)，接著通過自然循環(huán)返回至反應(yīng)堆容器2的底部。由于水10被加熱，在反應(yīng)堆容器2中產(chǎn)生了加壓蒸汽11。熱交換器35使給水和蒸汽在輔助冷卻系統(tǒng)30中循環(huán)，以用渦輪32和發(fā)電機(jī)34產(chǎn)生電力。給水流過熱交換器35且變成過熱蒸汽(superheatedsteam)。輔助冷卻系統(tǒng)30包括一冷凝器36和給水泵38。輔助冷卻系統(tǒng)30中的蒸汽和給水與反應(yīng)堆容器2中的水10隔離，使得它們不得混合或彼此直接接觸。反應(yīng)堆容器2被安全殼(containmentvessel)4圍繞。該安全殼4被放置在水池16中。水池16和安全殼4位于反應(yīng)堆艙26中的地面28以下。安全殼4不允許來自反應(yīng)堆容器2的任何水或蒸汽逃逸到水池16或周圍環(huán)境中。在應(yīng)急情況下，蒸汽11通過蒸汽閥8從反應(yīng)堆容器2泄放到安全殼4的上半部14中，并且水10在其通過位于抑壓池12中的浸沒的排放閥(blowdownvalve)18被釋放時(shí)急驟蒸發(fā)(flash)。該抑壓池12包括過冷水。因此，通過將蒸汽11經(jīng)蒸汽閥8釋放至安全殼4，以及將水10經(jīng)排放閥18釋放至安全殼4，降低了反應(yīng)堆容器2的過壓。蒸汽11和水10至安全殼4的釋放速率根據(jù)反應(yīng)堆容器2內(nèi)的壓力而變化。通過蒸汽11的冷凝和水10向抑壓水池12的能量傳遞的結(jié)合來從核反應(yīng)堆芯6移除衰變熱。在安全殼4內(nèi)冷卻劑損失或管道破裂的情況下，抑壓池12內(nèi)的水提供壓力抑制以及液體補(bǔ)充(liquidmakeup)性能。然而，這同時(shí)意味著安全殼4內(nèi)的電氣和機(jī)械部件經(jīng)常地承受腐蝕性環(huán)境，腐蝕性環(huán)境引發(fā)了可靠性問題。當(dāng)放置在潮濕或濕潤(rùn)環(huán)境中時(shí)，圍繞反應(yīng)堆容器2的絕緣體損失了部分其絕緣特性，且可能需要定期地更換。昂貴且珍奇的(exotic)材料可用于反應(yīng)堆容器的絕緣體。另外，必須對(duì)電氣和機(jī)械部件進(jìn)行維護(hù)、監(jiān)測(cè)和檢查以確保它們持續(xù)運(yùn)行的可靠性。本發(fā)明致力于解決這些以及其他問題。附圖說明圖1示出了本領(lǐng)域中已知的一個(gè)核動(dòng)力系統(tǒng)。圖2示出了一個(gè)包括一內(nèi)部干燥的安全殼的新型動(dòng)力模塊組件。圖3示出了在應(yīng)急運(yùn)行期間圖2中的動(dòng)力模塊組件。圖4示出了水蒸氣被釋放至安全殼內(nèi)的示例性冷凝速率。圖5示出了在過壓事件下在安全殼中的示例性壓力波動(dòng)。圖6示出了一動(dòng)力模塊組件的替代實(shí)施方案，該動(dòng)力模塊組件包括具有散熱片(coolingfins)的安全殼。圖7示出了包括多個(gè)安全殼區(qū)域的動(dòng)力模塊組件的實(shí)施方案。圖8示出了冷卻一動(dòng)力模塊組件的新型方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
一種動(dòng)力模塊組件在此公開為包括一個(gè)浸入在冷卻劑中的反應(yīng)堆芯，以及一個(gè)容納所述冷卻劑和反應(yīng)堆芯的反應(yīng)堆容器。一個(gè)內(nèi)部干燥的安全殼被浸沒在液體中且在氣態(tài)環(huán)境中基本圍繞所述反應(yīng)堆容器。在過壓事件期間，該反應(yīng)堆容器被配置為將所述冷卻劑釋放至所述安全殼內(nèi)且通過該冷卻劑在所述安全殼的內(nèi)壁上的冷凝來移除該反應(yīng)堆芯的衰變熱。一種核反應(yīng)堆模塊在此公開為包括一個(gè)被設(shè)計(jì)為抑制液體釋放的安全殼，以及一個(gè)安裝在所述安全殼內(nèi)側(cè)的反應(yīng)堆容器，其中該反應(yīng)堆容器的外表面被暴露在低于大氣壓力的情況。該核反應(yīng)堆模塊還包括一個(gè)浸沒在所述液體中的反應(yīng)堆芯，以及一個(gè)連接至所述反應(yīng)堆容器的蒸汽出口(steamvent)，其中當(dāng)所述反應(yīng)堆芯變得過熱時(shí)，該蒸汽出口配置為將蒸汽泄放至所述安全殼內(nèi)。在此公開一種冷卻核反應(yīng)堆的方法，其中該方法包括：在反應(yīng)堆容器內(nèi)顯示高壓事件的情況下，緊急停止該核反應(yīng)堆，以及將冷卻劑釋放至位于安全殼和所述反應(yīng)堆容器之間的安全殼區(qū)域(containmentregion)。該安全殼區(qū)域圍繞所述反應(yīng)堆容器并且在所述高壓事件之前基本上是干燥的。該方法還包括：將所述冷卻劑在所述安全殼的內(nèi)壁上冷凝；向圍繞所述安全殼的液體介質(zhì)傳遞衰變熱；以及通過該冷卻劑在內(nèi)壁上的冷凝將所述安全殼區(qū)域內(nèi)的壓力維持在設(shè)計(jì)限值之內(nèi)。從參考附圖進(jìn)行的對(duì)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的下列詳細(xì)描述中，本發(fā)明將更易于理解。具體實(shí)施方式常規(guī)核設(shè)施的許可和建造非常昂貴，還有前期巨大的投資成本以及延遲的利潤(rùn)回報(bào)。除了能量成本考慮、效率需求以及可靠性問題，如今的核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)也必須考慮核擴(kuò)散、恐怖活動(dòng)以及增強(qiáng)的環(huán)境管理意識(shí)的問題。原本可以在很大程度上受益于核動(dòng)力的發(fā)展中國(guó)家經(jīng)常地采用其他能源，諸如產(chǎn)生大量污染或具有其他有害環(huán)境影響的煤、氣體或水電發(fā)電機(jī)。這些發(fā)展中國(guó)家可能不具有能夠使他們建造核電站的技術(shù)或自然資源。已經(jīng)發(fā)展核動(dòng)力的國(guó)家出于擔(dān)心對(duì)核原料或技術(shù)的失控，可能猶豫將這些技術(shù)引入發(fā)展中國(guó)家。被動(dòng)的安全核動(dòng)力系統(tǒng)幫助解決了部分的上述擔(dān)心。進(jìn)一步的系統(tǒng)改進(jìn)以及創(chuàng)新的設(shè)計(jì)有望開啟核動(dòng)力作為全球可行的主要能源的新時(shí)代。圖2示出了一個(gè)新型動(dòng)力模塊組件50，其包括一內(nèi)部干燥的安全殼54。該安全殼54是圓柱形形狀，且具有球形的上端和下端。整個(gè)動(dòng)力模塊組件50可被浸沒到用作有效熱阱(heatsink)的水池16中。安全殼54可被焊接或以其它方式與環(huán)境密封，使得液體和氣體不能從該動(dòng)力模塊組件50中逃逸出來或者進(jìn)入到該動(dòng)力模塊組件50中。安全殼54可以是底部支撐的、頂部支撐的或繞其中心支撐的。在頂部支撐安全殼54可便利于動(dòng)力模塊組件50從水池16的維護(hù)和移除。在一個(gè)實(shí)施方案中，安全殼54由一個(gè)或多個(gè)裝配連接件80懸置在水池16中。該裝配連接件80可附接至安全殼54的上部。該裝配連接件80可以是幫助安全殼54定位在大致水池16中央的剛性或柔性構(gòu)件。在地震活動(dòng)諸如地震期間，水池16用作在安全殼54周圍的保護(hù)緩沖(cushion)以避免如果安全殼54與反應(yīng)堆艙26接觸可能導(dǎo)致的損壞。附接至反應(yīng)堆艙26壁的柔性裝配連接件諸如鏈條或纜線，可能減小原本可傳遞至安全殼54的振動(dòng)或壓力(stress)的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，一柔性系緊的連接件被附接至安全殼54的底部以減小搖擺或橫向運(yùn)動(dòng)。該動(dòng)力模塊組件50可被布置為浮在水池16中以使支撐需求降至最低程度且提供抗震性。一個(gè)支撐基座可設(shè)置在安全殼54的底部以支撐動(dòng)力模塊組件50處于直立位置。一個(gè)反應(yīng)堆容器52位于或安裝在安全殼54的內(nèi)側(cè)。反應(yīng)堆容器52的內(nèi)表面可暴露在包括冷卻劑100或諸如水的液體的潮濕環(huán)境中，且外表面可暴露在諸如空氣的干燥環(huán)境中。反應(yīng)堆容器52可以是由不銹鋼或碳鋼制成的，可包括覆層，以及可支撐在安全殼54之內(nèi)。動(dòng)力模塊系統(tǒng)50可以被定尺寸以使得其可以在機(jī)動(dòng)軌道車上運(yùn)輸。例如，安全殼54可被構(gòu)造為直徑約4.3米且高度(長(zhǎng)度)約17.7米。通過完全密封安全殼54，可以限制進(jìn)入反應(yīng)堆芯6。任何不被允許的進(jìn)入或干預(yù)都可被監(jiān)督。此外，核動(dòng)力系統(tǒng)的地下輪廓使其不易被看到且更容易隱藏。水池16可以由防護(hù)罩(未示出)覆蓋，以進(jìn)一步將動(dòng)力模塊組件50與外部威脅或空運(yùn)(airborne)物體諸如飛機(jī)或?qū)椄綦x。反應(yīng)堆芯6的補(bǔ)給燃料可以通過以下方式進(jìn)行：例如由機(jī)動(dòng)軌道車或海運(yùn)來運(yùn)輸整個(gè)動(dòng)力模塊組件50，且用具有新供應(yīng)的燃料棒的新的或翻新的(refurbished)動(dòng)力模塊組件來替換該動(dòng)力模塊組件50。補(bǔ)給燃料和維護(hù)操作可通過打開(unbolting)法蘭(flanges)或在圓柱形部分高于反應(yīng)堆芯6的高度處切開容器來進(jìn)行。根據(jù)燃料類型和系統(tǒng)規(guī)格，補(bǔ)給燃料可以每2-10年或更長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行一次。安全殼54封裝反應(yīng)堆芯6，且在一些情況下冷卻反應(yīng)堆芯6。該安全殼54是一個(gè)相對(duì)小的、具有高強(qiáng)度以及部分地由于其更小的整體尺寸而能承受六或七倍于常規(guī)安全殼設(shè)計(jì)的壓力。即使動(dòng)力模塊組件50的主要冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)中斷，也不會(huì)有核裂變產(chǎn)物被釋放到環(huán)境中。可以在應(yīng)急情況下從動(dòng)力模塊組件50移除衰變熱。反應(yīng)堆芯6示出為浸沒或浸入在主冷卻劑100——諸如水——中。反應(yīng)堆容器52容納冷卻劑100和反應(yīng)堆芯6。一個(gè)屏蔽罩22繞反應(yīng)堆芯6的側(cè)面圍繞該反應(yīng)堆芯6，且用于將冷卻劑100引導(dǎo)向上流過環(huán)形空間23，并從位于反應(yīng)堆容器52上半部的上升管24中流出，作為冷卻劑100自然循環(huán)的結(jié)果。在一個(gè)實(shí)施方案中，該反應(yīng)堆容器52的直徑為約2.7米且具有總高度(長(zhǎng)度)為約13.7米。該反應(yīng)堆容器52可包括一個(gè)圓柱形為主的形狀，且?guī)в星蛐蔚纳隙撕拖露恕７磻?yīng)堆容器52通常處于運(yùn)行的壓力和溫度。安全殼54是內(nèi)部干燥的且可以具有處于或接近水池16溫度的墻壁溫度、在大氣壓力下運(yùn)行。安全殼54主要在被認(rèn)為是安全殼區(qū)域44的干燥或氣態(tài)環(huán)境中圍繞反應(yīng)堆容器52。安全殼區(qū)域44可以充滿空氣。安全殼54包括鄰近于安全殼區(qū)域44的內(nèi)表面55或內(nèi)壁。安全殼區(qū)域44可包括替代空氣或除空氣之外的一種或多種氣體。在一個(gè)實(shí)施方案中，安全殼區(qū)域被維持在低于大氣壓力的情況，例如局部真空的狀態(tài)。安全殼中的一種或多種氣體可以被移除使得反應(yīng)堆容器52處于完全或局部真空的安全殼區(qū)域44內(nèi)。在正常運(yùn)行期間，來自反應(yīng)堆芯6中裂變事件的熱能導(dǎo)致冷卻劑100被加熱。隨著冷卻劑100的加熱升溫，其變得不那么稠密且趨于通過環(huán)形空間23上升以及從上升管24流出。隨著冷卻劑100的冷卻降溫，其變得比被加熱的冷卻劑相對(duì)更稠密，且繞環(huán)形空間23的外側(cè)循環(huán)、下降到反應(yīng)堆容器52的底部以及通過屏蔽罩22上升，以再次地被反應(yīng)堆芯6加熱。這種自然循環(huán)導(dǎo)致冷卻劑100穿過反應(yīng)堆芯6循環(huán)，將熱量傳遞至輔助冷卻系統(tǒng)——諸如圖1中的輔助冷卻系統(tǒng)30——從而發(fā)電。該自然循環(huán)可以通過在上升管24中設(shè)置冷卻劑100的兩相工況(two-phasecondition)來增強(qiáng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，氣體被注入到反應(yīng)堆芯6之內(nèi)或附近以產(chǎn)生或增強(qiáng)所述兩相工況，且增大冷卻劑100通過上升管24的流動(dòng)速率。盡管反應(yīng)堆芯6的排出(voiding)會(huì)產(chǎn)生負(fù)反應(yīng)性引入(negativeinsertionofreactivity)，遵循非排出工況的穩(wěn)態(tài)工況可能導(dǎo)致正反應(yīng)性引入(positiveinsertionofreactivity)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該反應(yīng)性還通過管理控制棒插入速率和溫度感應(yīng)控制棒行程(trips)的組合來進(jìn)行控制。圖3示出了在應(yīng)急運(yùn)行期間圖2中的動(dòng)力模塊組件50。該應(yīng)急運(yùn)行可以包括例如對(duì)反應(yīng)堆芯6的過加熱或反應(yīng)堆容器52的過壓事件的響應(yīng)。在應(yīng)急運(yùn)行期間，反應(yīng)堆容器6可配置為將冷卻劑100釋放到原本干燥的安全殼54的安全殼區(qū)域44中。反應(yīng)堆芯6的衰變熱可以通過冷卻劑100在安全殼54的內(nèi)表面55上冷凝來被移除。盡管安全殼54可被浸入到水池16中，安全殼54的內(nèi)表面55在應(yīng)急運(yùn)行前或過壓事件前可能是完全干燥的。例如，圖1中的抑壓池12在正常運(yùn)行期間不存在于安全殼54中。流量限制器58或蒸汽出口可以設(shè)置在反應(yīng)堆容器52上以在應(yīng)急運(yùn)行期間將冷卻劑100泄放至安全殼54中。冷卻劑100可作為一種氣體或水蒸氣41例如蒸汽被釋放至安全殼54中。流量限制器58可被直接連接或安裝至反應(yīng)堆容器52的外壁，而無需任何中介結(jié)構(gòu)(interveningstructures)諸如管道或連接件。在一個(gè)實(shí)施方案中，該流量限制器58被直接焊接至反應(yīng)堆容器52，以將任何泄漏或結(jié)構(gòu)故障的可能性降至最低程度。該流量限制器58可以是一個(gè)文丘里(Venturi)流量閥，該文丘里流量閥被定尺寸為將冷卻劑100以受控速率釋放至安全殼54。在一個(gè)實(shí)施方案中，冷卻劑100僅以來自反應(yīng)堆容器52的蒸汽或水蒸氣形式釋放。水蒸氣41的冷凝可能以與被泄放的水蒸氣41向安全殼54增加壓力大約相同的速率來降低安全殼54內(nèi)的壓力。在一個(gè)實(shí)施方案中，流量限制器58被配置為釋放包含在水蒸氣41中的約5兆瓦特的熱量。以水蒸氣41形式釋放至安全殼54內(nèi)的冷卻劑100在安全殼54的內(nèi)表面55上冷凝為一種液體諸如水。由于水蒸氣41被轉(zhuǎn)變成液態(tài)冷卻劑100，水蒸氣41的冷凝導(dǎo)致安全殼54內(nèi)的壓力降低?？梢酝ㄟ^水蒸氣41在安全殼的內(nèi)表面55上冷凝來從動(dòng)力模塊組件50移除足夠大量的熱量，以實(shí)現(xiàn)管理從反應(yīng)堆芯6移除衰變熱。在一個(gè)實(shí)施方案中，沒有液態(tài)冷卻劑100從反應(yīng)堆容器52釋放，甚至是在應(yīng)急運(yùn)行期間。該冷凝的冷卻劑100下降到安全殼54的底部且聚集為一池液體。隨著越來越多的水蒸氣41在內(nèi)表面55上冷凝，安全殼54底部的冷卻劑100的高度逐漸上升。存儲(chǔ)在水蒸氣41中的熱量通過安全殼54的壁被傳遞至作為最終熱阱(ultimateheatsink)的水池16。存儲(chǔ)在位于安全殼54底部的冷卻劑100中的熱量通過液體對(duì)流和傳導(dǎo)傳熱被傳遞至內(nèi)表面55上。從蒸汽或水蒸氣41移除的熱量可以通過在冷安全殼54的內(nèi)壁上的冷凝以及通過從熱冷卻劑至內(nèi)表面55的自然對(duì)流來被傳遞至相對(duì)冷的內(nèi)表面55。熱量可以由通過安全殼壁的傳導(dǎo)以及通過安全殼54外表面上的自然對(duì)流被傳遞至水池16。在反應(yīng)堆芯6變得過熱之后以及在應(yīng)急運(yùn)行期間，冷卻劑100保持被限定在動(dòng)力模塊組件50之內(nèi)。被傳遞至水池16的熱量可以提供用于三天或更多天的足夠的被動(dòng)衰變熱移除，而無需操作者的任何干預(yù)。安全殼54可被設(shè)計(jì)為承受假定高壓流體從反應(yīng)堆容器52瞬時(shí)釋放至安全殼54將引起的最大壓力。安全殼54內(nèi)的壓力可被設(shè)計(jì)為與反應(yīng)堆容器52內(nèi)的壓力平衡，使得由壓力差引起的排放流動(dòng)(breakflow)停止。久而久之，可以使得安全殼54內(nèi)的壓力值與反應(yīng)堆容器52內(nèi)的壓力值相等，導(dǎo)致了如圖3所示的反應(yīng)堆容器52內(nèi)的冷卻劑高度100A和安全殼54內(nèi)的冷卻劑高度100B。由于反應(yīng)堆容器52內(nèi)的冷卻劑溫度與安全殼54內(nèi)的溫度相比更高，冷卻劑高度100B顯示為相對(duì)于冷卻劑高度100A被提升了。圖3顯示了冷卻劑高度100A和100B可以平衡使得反應(yīng)堆容器52中的冷卻劑高度100A保持在反應(yīng)堆芯6的頂部之上，使得反應(yīng)堆芯6一直被冷卻劑100覆蓋。流量閥57可被設(shè)置為一旦達(dá)到冷卻劑高度100A、100B的穩(wěn)態(tài)工況，將允許冷卻劑100從安全殼54回流至反應(yīng)堆容器52。允許通過流量閥57再進(jìn)入反應(yīng)堆容器52的冷卻劑100補(bǔ)充被作為水蒸氣41通過流量限制器58泄放的冷卻劑100。通過流量閥57的冷卻劑100的流動(dòng)可以通過被動(dòng)系統(tǒng)的自然循環(huán)——其源于容器52、54中的溫度差引起的不同水密度——來實(shí)現(xiàn)。不需要機(jī)械或電氣泵或電動(dòng)機(jī)。在一個(gè)實(shí)施方案中，流量閥57將冷卻劑100的流動(dòng)限制在單一方向——從安全殼54流至反應(yīng)堆容器52。當(dāng)反應(yīng)堆芯6變得過熱時(shí)，流量限制器58或蒸汽出口被配置為將冷卻劑100——例如以蒸汽或水蒸氣41形式——以在穩(wěn)態(tài)工況期間維持安全殼54內(nèi)近似恒定壓力的速率泄放至安全殼54中。在一個(gè)實(shí)施方案中，安全殼54在達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況之前經(jīng)受初始?jí)毫夥?spike)。通過控制安全殼54內(nèi)壓力增長(zhǎng)的速率，安全殼壁的厚度可設(shè)計(jì)成由于其內(nèi)較低的、受控的壓力而具有較小的材料強(qiáng)度。減小壁厚度可以減輕動(dòng)力模塊組件50的運(yùn)輸重量，且降低制造和運(yùn)輸成本。盡管完全的或真正的真空的達(dá)到或維持在商業(yè)上或技術(shù)上可能是不切實(shí)際的，但在安全殼54內(nèi)可能產(chǎn)生局部的真空。因此，在此涉及的真空應(yīng)理解為局部或完全的真空。在一個(gè)實(shí)施方案中，安全殼區(qū)域44在通過安全殼氣體(containmentgases)以顯著降低對(duì)流和傳導(dǎo)傳熱的真空壓力下被維持。通過從安全殼區(qū)域44大量地移除氣體，例如通過維持安全殼54內(nèi)的真空，增加了水蒸氣41在內(nèi)表面55上冷凝的初始速率。冷凝速率的增加使得通過安全殼54的傳熱速率增加。安全殼區(qū)域44內(nèi)的真空在正常運(yùn)行期間作為一種類型的熱絕緣，由此保持反應(yīng)堆容器52內(nèi)可繼續(xù)利用的熱量和能量。為此，在反應(yīng)堆容器52的設(shè)計(jì)中可使用較少的絕緣材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)反射絕緣體被用來替代常規(guī)熱絕緣體或附加于常規(guī)熱絕緣體。該反射絕緣體可以設(shè)置在反應(yīng)堆容器52或安全殼54之一或兩者上。該反射絕緣體與常規(guī)熱絕緣體相比可以更好地抵抗水損(waterdamage)。另外，該反射絕緣體在應(yīng)急工況期間不會(huì)阻止熱量從反應(yīng)堆容器52像常規(guī)熱絕緣體一樣多的傳遞。因此，真空和反射絕緣體的組合提供在正常運(yùn)行期間的熱絕緣體，且促進(jìn)熱量在應(yīng)急工況期間遠(yuǎn)離反應(yīng)堆芯6傳遞。在安全殼區(qū)域44內(nèi)真空損失的情況下，被引入的氣體或液體提供另一被動(dòng)安全冷卻機(jī)構(gòu)以在反應(yīng)堆容器52和安全殼54之間通過自然循環(huán)來傳遞熱量。例如，通過降低或消除常規(guī)熱絕緣體，由于聚集在安全殼54底部的冷凝液態(tài)冷卻劑100，可以在應(yīng)急運(yùn)行期間形成一種更有效的從反應(yīng)堆容器52的熱傳遞。熱量能夠從反應(yīng)堆容器52通過液態(tài)冷卻劑100被傳遞至安全殼54。另外，從安全殼區(qū)域44移除空氣和其他氣體可以降低或完全消除對(duì)任何氫復(fù)合器(hydrogenrecombiner)的需求，所述氫復(fù)合器通常用于減少原本可開發(fā)的易燃?xì)怏w混合物。在應(yīng)急運(yùn)行期間，蒸汽可與燃料棒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生一種高水平(level)的氫氣。當(dāng)氫氣與空氣或氧氣混合時(shí)，可以產(chǎn)生一種易燃混合物。通過從安全殼54移除大部分的空氣或氧氣，允許混合的氫氣和氧氣的量被減至最低程度或消除。在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)檢測(cè)到應(yīng)急工況時(shí)，留在安全殼區(qū)域44中的任何空氣或其他氣體被移除或排出。圖4示出了冷卻劑100釋放至安全殼54的示例性冷凝速率。如前所述，冷卻劑100可以作為在安全殼54的內(nèi)表面55上冷凝的蒸汽或水蒸氣41的形式被泄放。流量限制器58控制冷卻劑100以水蒸氣41的形式至安全殼54的釋放速率，使得安全殼54內(nèi)冷卻劑高度100B的增長(zhǎng)速率可以被確定或管理。根據(jù)圖4中的圖表，約110英寸的冷卻劑100可以在9500秒或約2小時(shí)38分鐘后收集在安全殼54的底部。當(dāng)然，冷卻劑高度100B的這一增長(zhǎng)速率除了取決于流量限制器58的設(shè)計(jì)外，將取決于反應(yīng)堆容器52和安全殼54的尺寸。在一個(gè)實(shí)施方案中，一旦反應(yīng)堆容器52和安全殼54內(nèi)壓力相等或達(dá)到穩(wěn)態(tài)，冷卻劑高度100B的增長(zhǎng)速率在一接近恒定的值處變平。冷卻劑100通過圖3中的流量閥57至反應(yīng)堆容器52的流動(dòng)可以移除在安全殼54的內(nèi)表面55上冷凝為液體的大約相同量的冷卻劑100。連接至反應(yīng)堆容器52的流量限制器58可以以在穩(wěn)態(tài)工況期間維持安全殼54內(nèi)約恒定壓力的速率泄放水蒸氣41。圖5示出了在過壓事件期間安全殼54內(nèi)的示例性壓力波動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，安全殼54內(nèi)的壓力在過壓事件之前可以處于或接近大氣壓力。在另一實(shí)施方案中，安全殼內(nèi)的壓力維持為真空。安全殼54可以接著經(jīng)受一個(gè)壓力尖峰，其將壓力提高至某一預(yù)定上限值。在一個(gè)實(shí)施方案中，該上限壓力值為約300磅/英寸2(psia)。一旦壓力達(dá)到該上限值，流量限制器58可以關(guān)閉或抑制冷卻劑100作為水蒸氣41進(jìn)一步釋放至安全殼54。由于水蒸氣41冷凝成液體，安全殼54內(nèi)的壓力接著降低。該壓力可被允許降低至某一預(yù)定下限值。在一個(gè)實(shí)施方案中，該下限壓力值小于150磅/英寸2。一旦壓力達(dá)到該下限值，流量限制器58可以打開或以其它方式允許額外的冷卻劑100釋放至安全殼54。安全殼54內(nèi)的壓力接著上升，直到再次達(dá)到上限值，繼續(xù)加壓和減壓循環(huán)同時(shí)從反應(yīng)堆芯6移除衰變熱。因此，安全殼54內(nèi)的壓力可以被維持在上限值和下限值之間。流量限制器58的蒸汽噴嘴流動(dòng)面積可以根據(jù)安全殼54內(nèi)蒸汽冷凝速率、從安全殼54的能量移除速率以及圖3中水池16的加熱速率的測(cè)量值或估計(jì)值來計(jì)算。在一個(gè)實(shí)施方案中，安全殼54內(nèi)液體高度變化率可以為約.0074英寸/秒。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，蒸汽冷凝成液體的質(zhì)量流動(dòng)速率可以根據(jù)以下方程式來確定：(1)dML/dt＝ρLAC(dL/dt)C＝m向安全殼54的內(nèi)表面55的傳熱速率可以根據(jù)以下方程式來給定：(2)q＝mhfg用于水池16的加熱速率可以使用以下方程式確定：(3)MCPdT/dt＝q假定冷卻池質(zhì)量、恒定壓力下的冷卻池水比熱、以及熱量輸入是恒定的，根據(jù)以下方程式使人可以結(jié)合方程式(2)獲得加熱水池16的所需時(shí)間：(4)Δt＝MCPΔT/q在一個(gè)實(shí)施方案中，水池16的上限溫度(uppertemperature)設(shè)定為低于沸點(diǎn)，諸如200度(華氏溫度)。最終地，用于蒸汽扼流(chokeflow)的方程式可以通過以下方程式來給定：(5)m＝CdA[KgcρgP](1/2)其中Cd是約為0.95的排放系數(shù)，以及其中K＝γ[2/(γ+1)](γ+1)/(γ-1)在第一個(gè)100秒的蒸汽排放情況期間，可以由主冷卻系統(tǒng)經(jīng)受最初6％的衰變熱，然而在穩(wěn)態(tài)工況下這將平緩至約2％或3％。向安全殼54釋放壓力可導(dǎo)致約3％的衰變熱從反應(yīng)堆容器52被傳遞，這包括了在穩(wěn)態(tài)階段釋放的大量衰變熱。這是通過在此描述的被動(dòng)應(yīng)急給水和衰變熱移除系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，而不需要位于安全殼54內(nèi)的預(yù)先存在的水源或抑壓池。圖6示出了動(dòng)力模塊組件60的替代實(shí)施方案，該動(dòng)力模塊組件60包括一個(gè)具有散熱片65以增大冷卻表面面積的安全殼64。該散熱片65可以被附接至安全殼64的外壁以在應(yīng)急運(yùn)行期間移除反應(yīng)堆芯的衰變熱。在動(dòng)力模塊組件60的正常運(yùn)行期間，安全殼64的內(nèi)側(cè)保持干燥，而反應(yīng)堆容器62包含反應(yīng)堆芯以及冷卻劑。在一個(gè)實(shí)施方案中，安全殼64在正常運(yùn)行工況期間處于減壓或真空狀態(tài)。該冷卻劑可以是液體或氣體。在應(yīng)急操作運(yùn)行中，諸如反應(yīng)堆容器62的過壓，冷卻劑從流量限制器68流出釋放至安全殼64。該冷卻劑在安全殼64內(nèi)循環(huán)且向安全殼64的壁釋放熱量。該熱量接著從安全殼通過對(duì)流或傳導(dǎo)被移除至圍繞的熱阱66。熱阱66可以是一種流體諸如水或氣體。在一個(gè)實(shí)施方案中，該熱阱由完全圍繞安全殼66的土地(例如石頭、土壤或其他固體材料)組成。散熱片65可被附接至安全殼64且提供用于向熱阱66傳遞衰變熱的額外表面面積。散熱片65可以環(huán)繞安全殼64。在一個(gè)實(shí)施方案中，散熱片65被定向在水平面內(nèi)。熱阱66可以被包含在安全殼結(jié)構(gòu)61——諸如混凝土——中。一個(gè)也可由混凝土制成的蓋子63可以完全地封閉動(dòng)力模塊組件60和熱阱66。該安全殼結(jié)構(gòu)61和蓋子63可用于保護(hù)免受外來發(fā)射物的影響，也可以作為一種生物屏蔽。圖7示出了包括多個(gè)安全殼區(qū)域71、72的動(dòng)力模塊組件70的實(shí)施方案。該安全殼區(qū)域可以被劃分成第一安全殼區(qū)域71和第二安全殼區(qū)域72。該第一安全殼區(qū)域71可位于安全殼74的上部，第二安全殼區(qū)域72可位于安全殼74的下部。該第一安全殼區(qū)域71可被維持處于大氣壓力，而第二安全殼區(qū)域72可被維持處于大氣壓力以下。一個(gè)或多個(gè)閥75可設(shè)置在第一和第二安全殼區(qū)域71、72之間。在應(yīng)急工況的事件中可以運(yùn)行閥75以釋放壓力。在一個(gè)實(shí)施方案中，閥75運(yùn)行以將在第一安全殼區(qū)域71內(nèi)冷凝的液態(tài)冷卻劑傳遞，使得其被收集在第二安全殼區(qū)域72內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，常規(guī)熱絕緣體76被包括在第一安全殼區(qū)域71內(nèi)，而反射絕緣體78被包括在第二安全殼區(qū)域72內(nèi)。可以設(shè)置任何數(shù)量的安全殼區(qū)域，這些安全些區(qū)域中的一些或全部可被維持為真空狀態(tài)。圖8示出了冷卻動(dòng)力系統(tǒng)——諸如圖3中的動(dòng)力模塊組件50——的新型方法。在操作810中，在反應(yīng)堆容器——諸如圖3中的反應(yīng)堆容器52——中顯示高壓事件下，緊急停止動(dòng)力模塊組件50。在操作820中，冷卻劑被釋放至安全殼區(qū)域，例如位于安全殼——諸如圖3中的安全殼54——和反應(yīng)堆容器52之間的圖3中的安全殼區(qū)域44。該安全殼區(qū)域54圍繞反應(yīng)堆容器52，且在高壓事件之前可以是基本上干燥的。該冷卻劑——諸如冷卻劑100——可以以水蒸氣41或蒸汽形式釋放至安全殼54。在一個(gè)實(shí)施方案中，由于故障或整體壓力損失而從圖1中的輔助冷卻系統(tǒng)30釋放的蒸汽也可以泄放至安全殼54。在操作830中，水蒸氣41在內(nèi)壁——諸如安全殼54的內(nèi)壁55——上冷凝。該水蒸氣41可以冷凝成一種液體，諸如水。在操作840中，向圍繞安全殼54的液體介質(zhì)傳遞衰變熱。該衰變熱可以經(jīng)由水蒸氣41的冷凝以及冷凝液體的對(duì)流和傳導(dǎo)來被傳遞。在操作850中，通過冷卻劑在內(nèi)壁上的冷凝將安全殼區(qū)域44內(nèi)的壓力限制或維持在設(shè)計(jì)限值內(nèi)。一蒸汽流量限制器——諸如圖3中的流量限制器58——可以是定尺寸的以限制安全殼54內(nèi)壓力上升的速率。壓力上升的速率可以主要通過水蒸氣41冷凝成液體來抵消。該蒸汽流量限制器58可以選擇性地或間歇地打開，使得安全殼54內(nèi)的壓力被限制為一個(gè)最大值且允許當(dāng)流量限制器58關(guān)閉時(shí)減壓。水蒸氣41的冷凝可以將安全殼區(qū)域44內(nèi)的壓力降低與被釋放冷卻劑增大安全殼區(qū)域44內(nèi)壓力的大約相同的量。冷卻劑100可以以水蒸氣41或蒸汽形式被釋放至安全殼區(qū)域44，且反應(yīng)堆芯6的衰變熱可以從動(dòng)力模塊組件50通過水蒸氣41在安全殼54的內(nèi)壁55上冷凝來被移除。盡管在此提供的實(shí)施方案主要描述了加壓水反應(yīng)堆，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，這些實(shí)施方案可如所描述地或以一些明顯變型，應(yīng)用于其它類型的核動(dòng)力系統(tǒng)。例如，還可使這些實(shí)施方案或其變體可用于沸水反應(yīng)堆。沸水反應(yīng)堆可能需要更大的容器以產(chǎn)生相同的能量輸出。將冷卻劑釋放至安全殼內(nèi)的速率、將冷卻劑冷凝成液體的速率和安全殼內(nèi)壓力上升速率以及在此描述的其他速率和值僅以示例性的方式提供?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)——例如構(gòu)造核反應(yīng)堆的實(shí)尺模型或成比例模型——確定其他速率和值。已經(jīng)以本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的形式描述和舉例說明了其原理，應(yīng)明白的是，在不偏離這些原理的情況下，可在布置和細(xì)節(jié)上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改。我們要求保護(hù)所有落入所附權(quán)利要求的主旨和范圍內(nèi)的改型和變體。