CN101584007B - 核反应堆对准板结构 - Google Patents

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Abstract

本发明通过提供涉及一种压水核反应堆实现以上目的，该反应堆包括具有用于支承燃料组件的堆芯区的压力容器。堆芯筒绕堆芯区可移除地布置在压力容器内。堆芯护罩布置在堆芯筒内位于堆芯筒和燃料组件之间。堆芯护罩具有使堆芯护罩与堆芯筒定向的对准槽。上支承板可移除地布置在燃料组件和堆芯护罩上方。上堆芯支承板也具有对准槽以将上堆芯支承板与堆芯筒和堆芯护罩对准。对准板附装至堆芯筒并布置在堆芯护罩的对准槽内和上堆芯支承板的对准槽内以保持对准。

Description

核反应堆对准板结构
政府利益
本发明是在政府支持下进行的(由能源部资助的合同No.DE-FC07-05ID14636)。政府享有本发明中的某些权利。
相关申请的交叉参考
本申请享有2007年1月2日提交的美国临时专利申请号60/883,072的优先权。
技术领域
本发明一般地涉及核反应堆内部结构，更具体地涉及用于维持核反应堆内部结构的对准且同时允许热生长的设备。
背景技术
在压力下用水冷却的核反应堆发电系统的初级侧包括闭合回路，所述闭合回路与用于产生有用能量的次级侧隔离且与其有热交换关系。初级侧包括：封装堆芯的反应堆容器，所述堆芯支承多个包含可裂变材料的燃料组件；热交换蒸汽发生器中的初级回路；用于循环加压水的加压器、泵以及管道的内体积；将各蒸汽发生器和各泵独立地连接至反应堆容器的管道。包括连接至容器的管道系统、蒸汽发生器和泵的初级侧各部件形成初级侧的回路。初级侧还连接至辅助回路，所述辅助回路包括用于加压水的体积测量和化学监测的回路。该辅助回路布置在初级回路的分支上，该辅助回路利用测量的水量能够通过在需要的时候补充来维持初级回路中的水量，并且能够监测冷却水的化学性质，尤其是对于反应堆的操作很重要的硼酸的含量。
在全功率反应堆操作期间堆芯部件的平均温度是大约580°F(304℃)。周期性地，必须使反应堆系统停止运转以用于维护并且得到至压力容器内侧的通路。在这种运转中断期间，压力容器的内部部件可以冷却到大约50°F(10℃)的温度。反应堆压力容器的内部部件典型地由上内部结构和下内部结构构成。上内部结构包括控制棒导引管组件、支承柱、通过外壳封头进入反应堆容器的用于仪器的导管、以及燃料组件对准结构，而称为上堆芯板。下内部结构包括称为堆芯筒(barrel)的堆芯支承结构、以及堆芯护罩，所述堆芯护罩位于堆芯筒内并将筒的圆形内部转化成与支承在下堆芯支承板与上堆芯板之间的堆芯内的燃料组件的周边型面基本对应的有台阶的型式。作为堆芯护罩的可替代方案，已经采用由经机械加工的水平成形件和竖直挡板构成的栓接挡板成形件结构。尤其重要的是通过控制棒驱动机构维持反应堆内部结构上堆芯板与护罩的顶板的紧密对准以便确保控制棒可以适当地紧急停堆；即在必要的时候落入堆芯中。当考虑到在功率爬升和冷却的顺序(其中温度可以在50°F(10℃)与580°F(304℃)之间变化)中必须承受的热膨胀和收缩时，这是尤其有挑战性的。
在传统的设计中，上内部结构部件的横向对准通过绕堆芯筒的圆周布置的一系列单独的销实现。上堆芯板对准销配合在上堆芯板的凹口中并且使上堆芯板相对于下内部结构组件横向地定位。这些销必须横向地支承上堆芯板，以便使板在上内部结构与堆芯筒之间有差异的热膨胀期间自由地径向膨胀和轴向运动。图1是这种传统反应堆设计的简化剖视图。压力容器(10)示出为封闭堆芯筒(32)，热屏蔽件(15)插入其间。堆芯筒(32)围绕堆芯(14)，所述堆芯(14)由上堆芯板(40)保持在适当位置中。上堆芯板(40)由对准销(19)对准，所述对准销(19)延伸通过堆芯筒(32)到上堆芯板(40)中的凹口(21)中。凹口(21)在起动期间允许堆芯筒以大于上堆芯板(40)的速率热膨胀增长，而不破坏上堆芯板(40)的横向定位。新的先进被动装置设计中的堆芯护罩(17)的安装顺序需要修改的设计，所述修改的设计将防止上堆芯板和堆芯护罩二者横向运动，同时允许护罩和上堆芯板二者与堆芯筒之间的热生长和收缩，并维持旋转稳定性。因而，本发明的目的是提供这种将便于对准设备、堆芯护罩以及上堆芯板的安装的设计。
发明内容
本发明通过提供一种压水核反应堆实现上述目的，所述压水核反应堆具有压力容器，所述压力容器具有用于支承燃料组件的堆芯区。堆芯筒绕堆芯区可移除地布置在压力容器内。堆芯护罩在堆芯筒与燃料组件之间布置在堆芯筒内。堆芯护罩具有使堆芯护罩与堆芯筒定向的对准槽。上堆芯支承板可移除地布置在燃料组件和堆芯护罩上方。上堆芯支承板还具有用于使上堆芯支承板与堆芯筒和堆芯护罩对准的对准槽。对准板附装至堆芯筒并布置在堆芯护罩的对准槽内和上堆芯支承板的对准槽内以在反应堆起动、停止运转和持续操作期间维持上和下内部结构的对准。
优选地，对准板附装至堆芯筒的内表面，并且加强垫布置在堆芯筒的外侧上且通过对准筒附装至对准板。在一个实施例中，加强垫通过至少两个定位销附装至对准板，所述至少两个定位销通过堆芯筒接合加强垫和对准板。优选地，定位销过盈配合到加强垫、堆芯筒和对准板。定位销可期望地定位成一个在另一个上方的相互间隔开的关系；顶部定位销过盈配合到堆芯筒和对准板二者中的孔中，从而将对准板在该位置处锚固到堆芯筒。对准板中的底部定位销孔设计成容纳堆芯筒与对准板之间有差异的轴向热生长。这通过以下来实现：在定位销和对准板的竖直面上机械加工平面、并通过扩大对准板中的定位销孔之一而使得定位销之一的顶面和底面与对准板之间存在间隙，以允许沿竖直方向的有差异的热生长。
在另一实施例中，除了通过定位销固定以外，对准板和加强垫还通过螺纹紧固件附装至堆芯筒。加强垫例如通过角焊也焊接至堆芯筒。优选地，对准板的与堆芯筒形成有界面的背部被机械加工成具有互补的曲率，并且对准板配合在堆芯筒中机械加工出的凹部中。可期望地，有多个对准板绕堆芯筒间隔开，各对准板都接收在堆芯护罩和上堆芯支承板中的相对应的槽中。可期望地，堆芯筒的内表面上的对准板在方位上与压力容器上的相对应的入口喷嘴对准。堆芯护罩和上堆芯支承板中的槽可以在槽的侧面与对准板之间与插入件配合，以便在槽的侧面与对准板之间可以保持小的间隙。
附图说明
从以下结合附图阅读的优选实施例的说明，可以得到对本发明的进一步理解，附图中：
图1是核反应堆容器的剖视图，示出压力容器、热屏蔽件、堆芯筒、堆芯护罩以及堆芯燃料组件；
图2是可以应用本发明的核反应堆系统的简化示意图；
图3是可以应用本发明的核反应堆容器和内部部件的局部剖视图；
图4是反应堆内部结构的部分透视图，示出上堆芯板和堆芯护罩的一部分，其中去除了堆芯筒以示出本发明的对准结构；
图5示出固定到堆芯筒内侧的本发明的对准板的前侧的透视图；以及
图6是固定到堆芯筒外侧的本发明的加强垫的透视图。
具体实施方式
现在参照附图，图2示出简化的核反应堆初级系统，其包括大致柱形反应堆压力容器(10)，该容器具有封闭核堆芯(14)的外壳封头(12)。诸如水的液体反应堆冷却剂由泵(16)通过堆芯(14)泵送到容器(10)中，在所述堆芯(14)处热能被吸收并且排放到热交换器(典型地称为蒸汽发生器)，在所述热交换器中热转移至诸如蒸汽驱动涡轮发电机的利用回路(未示出)。反应堆冷却剂然后回到泵(16)，完成初级回路。典型地，多个如上所述的回路通过反应堆冷却剂管道系统(20)连接至单个反应堆容器(10)。
图3中更详细地示出示例性的反应堆设计。除了包括多个平行、竖直协同延伸的燃料组件(22)的堆芯(14)以外，为了本说明的目的，其它的容器内部结构可以分成下内部结构(24)和上内部结构(26)。在传统设计中，下内部结构的功能是支承、对准和导引堆芯部件和仪器，以及在容器内指引流动。上内部结构约束或提供用于燃料组件(22)(为简单起见，在该图中仅示出两个燃料组件)的次级约束，并且支承和导引诸如控制棒(28)的仪器和部件。
在图3中所示的示例性的反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴(30)进入容器(10)，向下流动通过容器与堆芯筒(32)之间的环形空间，在下稳压室(34)中转过180°，向上通过燃料组件(22)位于其上的下堆芯板(36)和下支承板(37)，并且通过组件附近。在某些设计中，下支承板(37)和下堆芯板(36)由在与(37)相同的位置处的单个结构(下堆芯支承板)代替。流动通过堆芯和围绕区域(38)的冷却剂流量通常很大，在大约20英尺每秒的速度下为400,000加仑每分钟的量级。所得到的压降和摩擦力趋向于导致燃料组件升起，所述运动由包括圆形上堆芯板(40)的上内部结构约束。离开堆芯(14)的冷却剂沿上堆芯板的下侧流动并向上通过多个穿孔(42)。冷却剂然后向上径向地流到一个或多个出口喷嘴(44)。
上内部结构(26)可以从容器或容器封头支承并且包括上支承组件(46)。载荷主要通过多个支承柱(48)在上支承板(46)和上堆芯板(40)之间传递。支承柱在所选择的燃料组件(22)和上堆芯板(40)中的穿孔(42)上方对准。
可直线运动的控制棒(28)典型地包括中子毒物棒的多脚架组件(52)中的驱动轴(50)，所述控制棒(28)由控制棒导管(54)导引通过上内部结构(26)进入已对准的燃料组件(22)中。导管固定地结合到上支承组件(46)并由压配合到上堆芯板(40)的顶部中的开口销(56)连接。销结构设置用于使导管组装和替换容易(如果有必要)，并且确保尤其在地震或其它高负荷意外条件下主要由支承柱(48)而不是导管(54)承担堆芯负荷。这有助于在会有害地影响控制棒插入能力的意外条件下延迟导管变形。
虽然图3中没有示出，但是本发明的设计包括定位在圆形堆芯筒(32)中的堆芯护罩，所述堆芯护罩将堆芯筒的圆形内型面转化成与堆芯中的燃料组件(22)的周边外形配合的有台阶的圆周型面。可以在图4中观察到护罩的有台阶的内圆周型面的一部分，该图提供护罩(88)和上堆芯板(40)的一部分的透视图，本发明的对准板(94)在顶部护罩板(90)和上堆芯板(40)中的相应槽(92)和(93)内的适当位置中。在图4中，为了清楚已经去除了堆芯筒。本发明提供与先前相对于图1所述的传统压水反应堆设计所采用的销不同的设计观念，但是仍然维持相同的功能，即，对于由Westinghouse ElectricCompany LLC所提供的先进被动AP1000核反应堆装置设计，除了对绕堆芯的周边区域中的堆芯护罩部件提供约束以外，还对上堆芯板提供径向和轴向约束。对于AP1000核反应堆装置设计，通过控制棒驱动机构维持反应堆内部结构上堆芯板(40)与顶部护罩板(90)的紧密对准对于确保在必要时控制棒可以适当地紧急停堆是必要的。
图4中所示的对准板(94)不仅提供由先前的销设计所提供的对上内部结构的旋转约束，而且也提供堆芯护罩(88)在护罩板(90)顶部处的对准。在该实施例中，有以与压力容器上的四个入口喷嘴(30)相同角定向绕堆芯筒(32)的周边对称布置的四个对准板组件(94)。对称的布置不一定意味着它们绕压力容器等距间隔开，也不一定处在与入口喷嘴相同的位置。在AP1000设计中，在任一侧上且在出口喷嘴附近有两个入口喷嘴，并且在容器上径向相对地设有两个出口喷嘴。
对准板(94)通过两个定位销(96)、(98)和六个1英寸六角头螺钉(100)附装至堆芯筒(32)。六角头螺钉(100)和定位销(96)、(98)穿过堆芯筒(32)的外侧上的加强垫(110)(图6中所示)和堆芯筒(32)而插入到对准板(94)中。图5中示出从堆芯筒(32)的内侧所看到的对准板(94)附装至堆芯筒(32)。类似地，图6中示出加强垫(112)附装至堆芯筒(32)的外侧。虽然图6中没有示出，绕加强垫(112)的周边进行角焊，将加强垫(112)结合至堆芯筒(32)。图4中示出装备到顶部护罩板(90)和上堆芯板(40)的对准板(94)，其中为了清楚去除了堆芯筒。对准板(94)配合在顶部护罩板(90)和上堆芯板(40)中的相应槽(92)和(93)中。插入件(118)固定在对准板(94)的任一侧上的槽(92)和(93)中以维持滑动配合从而避免旋转未对准。
在组装期间，上定位销(96)过盈配合到加强垫(112)、堆芯筒(32)和对准板(94)中。底部定位销(98)仅过盈配合通过加强垫(112)和堆芯筒(32)。底部定位销(98)与对准板(94)之间的界面设计成容纳堆芯筒(32)与对准板(94)之间有差异的轴向热生长。正如可以从图5中看到，在底部定位销(98)的顶面、底面和侧面与对准板(94)之间存有间隙，允许沿竖直方向的有差异的热生长。应理解，虽然对准板中的下定位销孔示出被扩大，但通过扩大上定位销孔而非下定位销孔也可以得到相同的功能。
为了辅助对准板(94)相对于堆芯筒(32)的径向定位，对准板(94)位于堆芯筒(32)中机械加工出的径向凹部中以配合对准板(94)的外表面的半径。或者，对准板(106)的背部可以被机械加工成配合堆芯筒的曲率，或者可以采用二者的结合。
虽然已经详细说明本发明的具体实施例，但本领域中的技术人员将应理解，考虑所公开的全部教导可对这些细节进行各种修改和替换。因此，所公开的具体实施例仅表示示例且不限定本发明的范围，本发明的范围将由所附权利要求的全部范围及其任何和全部等同方案所给出。

Claims (14)

1.一种压水核反应堆，其包括：
压力容器，其具有用于支承燃料组件的堆芯区；
堆芯筒，其可移除地布置在所述压力容器内；
布置在所述堆芯筒内的堆芯护罩，所述堆芯护罩具有对准槽；
可移除地布置在所述堆芯护罩上方的上堆芯支承板，所述上堆芯支承板具有对准槽；以及
对准板，其附装至所述堆芯筒并且布置在所述堆芯护罩的所述对准槽内和所述上堆芯支承板的所述对准槽内。
2.根据权利要求1所述的压水核反应堆，其中所述堆芯筒具有内表面和外表面，并且所述对准板附装至所述堆芯筒的内表面，所述压水核反应堆还包括加强垫，所述加强垫布置在所述堆芯筒的外表面上且附装至所述对准板。
3.根据权利要求2所述的压水核反应堆，其中所述加强垫通过至少两个定位销附装至所述对准板，所述至少两个定位销通过所述堆芯筒接合所述加强垫和对准板。
4.根据权利要求3所述的压水核反应堆，其中所述定位销过盈配合到所述加强垫、堆芯筒和对准板中或者加强垫和堆芯筒中。
5.根据权利要求3所述的压水核反应堆，其中所述对准板和加强垫沿竖直方向固定，所述压水核反应堆包括在所述对准板中的底孔和顶孔，在所述堆芯筒和加强垫中有相对应的对准的孔，其中在对准板、堆芯筒和加强垫中每个上的孔都定位成一个在另一个上方间隔开。
6.根据权利要求5所述的压水核反应堆，其中，所述定位销包括位于对准板的底孔中的底部定位销和位于对准板的顶孔中的顶部定位销，底部或顶部定位销中的一个定位销与对准板之间的界面设计成容纳所述堆芯筒与对准板之间有差异的轴向热生长，在定位销和对准板的竖直面上机械加工平面，通过扩大对准板中的定位销孔之一，使得定位销之一的顶面和底面与对准板之间存在间隙，以允许沿竖直方向的有差异的热生长。
7.根据权利要求2所述的压水核反应堆，其中所述对准板通过螺纹紧固件附装至所述堆芯筒。
8.根据权利要求7所述的压水核反应堆，其中所述加强垫焊接至所述堆芯筒。
9.根据权利要求8所述的压水核反应堆，其中所述加强垫通过角焊焊接至所述堆芯筒。
10.根据权利要求1所述的压水核反应堆，其中所述对准板的与所述堆芯筒形成界面的背部配合到所述堆芯筒中的凹部中。
11.根据权利要求1所述的压水核反应堆，其中所述对准板的与所述堆芯筒形成界面的背部被机械加工成具有与所述堆芯筒相同的曲率。
12.根据权利要求1所述的压水核反应堆，其中所述压力容器具有入口喷嘴，并且所述对准板与所述入口喷嘴径向成直线地定位在所述堆芯筒的内周上。
13.根据权利要求1所述的压水核反应堆，其中所述压力容器具有多个入口喷嘴和多个对准板，每个对准板与所述多个入口喷嘴中相对应的一个径向成直线地定位在所述堆芯筒的内周上。
14.根据权利要求1所述的压水核反应堆，包括在堆芯护罩对准槽中的插入件和在上堆芯支承板对准槽中的插入件，以便能够在槽的侧面与所述对准板之间得到小的间隙。
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