CN101681685B - 核反应堆降液管流动偏转器 - Google Patents

核反应堆降液管流动偏转器 Download PDF

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Abstract

一种核反应堆，其具有与冷却剂入口喷嘴成直线地固定到反应堆堆芯筒的冷却剂流动偏转器。该流动偏转器使进入的冷却剂改变方向向下沿着堆芯筒与反应堆容器之间的环形空间流动。流动偏转器具有主体，该主体具有面对流体入口喷嘴的前侧和面对堆芯筒的后侧。主体的后侧具有固定到堆芯筒的至少一个突起，以便在与突起相邻的主体的后侧和堆芯筒之间存在间隙。优选地，突起是围绕主体后侧的凸起部。

Description

核反应堆降液管流动偏转器
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-FC07-051D14636)。政府享有本发明中的特定权利。
技术领域
本发明涉及水冷却核反应堆，更具体地涉及具有直接容器注射的压水反应堆。
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，所述堆芯包括多个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，这些管道将各蒸汽发生器和各泵独立地连接至反应堆容器。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环路。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和化学调节的回路。该辅助回路布置在初级回路的分支上，该辅助回路使得能够利用测量的水量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。在调节水的化学性质时的时间段期间，可能必须泄放或注射到初级回路中。在注射或放液的这些时间段以外的时间，关闭将除了用于体积或化学控制的回路以外的辅助回路连接至初级侧的阀。于是，初级侧理论上隔离或完全密封，结果初级侧中的水量理论上是恒定的。
然而，实际上却观察到，冷却水的量由于不可避免的泄漏而在反应堆操作期间减少。重要的是维持堆芯内的冷却剂的水平，并且在某些核反应堆系统设计中，当需要补给水时，在反应堆容器与堆芯筒之间的降液管(downcomer)中补给水直接通过直接容器注射喷嘴注射到反应堆容器中。与直接容器注射喷嘴成直线地附装至堆芯筒的偏转器将进水向下沿着降液管引到容器的底部，在该底部处进水改变方向并向上通过下堆芯支承板被指引到堆芯。通过直接容器注射喷嘴进入的进水大约有50°F(10℃)。在直接容器注射瞬间过程之前，直接容器注射流动偏转器具有与反应堆冷却系统的冷分支(cold leg)温度一致的均匀的温度，所述温度大约为535°F(279℃)。在直接容器注射瞬间过程开始时，直接容器注射流动偏转器的内表面几乎立刻冷却到50°F(10℃)。由于直接容器注射瞬间过程，流动偏转器因为快速冷却而经历大量的收缩。对于具有直接容器注射的现有设备，流动偏转器可以最好地描述为(实心的)矩形板或块，其具有在顶唇部(74)正下方延伸到板底部的机械加工的槽。该机械加工的槽将直接容器注射流向下引到在压力容器与堆芯筒之间的反应堆压力容器堆芯筒环形空间中。
由于流动偏转器可以是实心的块，所以焊接部的一侧(即，角焊的“跟部”)被约束以跟随偏转器的块表面的收缩。焊接部的“尖部”保持与堆芯筒的外径接触。在直接容器注射瞬间过程期间，大约580°F(304℃)的堆芯筒的平均温度显著高于直接容器注射流动偏转器的温度。因此，在直接容器注射瞬间过程期间，焊接部的“喉部”经历了大量的“剪切作用”。该“剪切作用”对于容许直接容器注射流动偏转器与堆芯筒之间的应变差是必要的。结果，可以预料到焊接部会受到高应力。
对于诸如由Westinghouse Electric Company LLC所提供的AP1000反应堆设计的新反应堆设计，可以预料到直接容器注射系统瞬间过程的发生次数会增加。直接容器注射连接用于减少由反应堆冷却剂系统管道破裂所导致的意外事故的副作用。在不使用直接容器注射连接的设备中，堆芯补给水通过冷分支管道系统引入。主要的冷却剂环路管道的破裂将导致安全注射流的溢出。对于具有直接容器注射的AP1000，主要的冷却剂环路管道系统的破裂将不导致任何安全注射溢出。
先前的使用直接注射喷嘴的设备是双环路设备，其使用直接注射喷嘴仅用于安全注射。AP1000上的直接容器注射喷嘴连接至用于安全注射的堆芯补给罐，且连接至自备补给水存储罐排出管路、储蓄器和关闭冷却泵。这些额外的连接对直接容器注射喷嘴和流动偏转器增加了大量的瞬间过程。可以预料到这些瞬间过程会产生高应力，所述高应力可以导致将流动偏转器附装至堆芯筒的角焊的不可接受的疲劳寿命。因为配合表面的固有的“刚性”特征，所以当前的将流动偏转器附装至堆芯筒的焊接设计不太可能在增多的注射瞬间过程期间容纳流动偏转器与堆芯筒之间的相对的有差异的膨胀。
因此，期望一种新的流动偏转器对堆芯筒的界面，其在直接容器注射瞬间过程期间能够更好地容纳由于流动偏转器的快速冷却所产生的应力。
发明内容
本发明通过提供一种具有压力容器的核反应堆而实现上述目的，该压力容器具有延伸通过压力容器壁的流体入口喷嘴。在压力容器内支承有内部支承结构，所述内部支承结构与压力容器入口喷嘴的内侧成间隔开的关系并与其相对。在内部支承结构与流体入口喷嘴之间定位有偏转器，该偏转器与入口喷嘴成直线，用于将流动通过入口喷嘴的流体偏转到压力容器中。该流动偏转器具有主体，所述主体具有面对流体入口喷嘴的前侧和面对内部支承结构的后侧。主体的后侧具有固定到内部支承结构的至少一个突起，以便在与该突起相邻的主体的后侧和内部支承结构之间存在间隙。优选地，突起具有借助全熔透焊接部而焊接到内部支承结构的焊接准备部(weldpreparation)或者“准备部(prep)”。优选地，加强焊接部设置在全熔透焊接部上方。在压水反应堆中，内部支承结构是堆芯筒。
在一个实施例中，突起包括围绕主体后侧的周边延伸的机械加工的凸起部，并且可以具有通过内部支承结构和主体中的一个或另一个或者二者的通气孔。
在另一个优选实施例中，偏转器是具有轴向槽的金属块，所述轴向槽机械加工到金属块的前侧中，从金属块的顶面下方延伸到金属块的底部并通过金属块的底部。可期望地，金属块的周边是大体圆的。在另一个优选实施例中，偏转器的后侧具有与突起相邻的槽以在突起与偏转器的后侧之间增加柔性。可期望地，槽是环形的并且在突起的内侧围绕主体延伸。
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是可以应用本发明的核反应堆系统的简化示意图；
图2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3是沿着图2的线III-III得到的反应堆容器的俯视剖视图(为了说明的目的，在直接容器注射喷嘴的周向位置处得到更低位置的剖视图)；
图4是图2和3的反应堆容器的透视图；
图5是图2中的剖视图所示的堆芯筒的透视图，压力容器喷嘴叠置在堆芯筒上以象征性地示出压力容器喷嘴对堆芯筒的相应定位；
图6是反应堆容器的四分之一部分的局部剖视透视图，其中堆芯筒处在适当位置中以剖视示出直接容器注射喷嘴和流动偏转器；
图7是本发明的流动偏转器的前视透视图；
图8是本发明的流动偏转器的侧后透视图；
图9是本发明的流动偏转器的后剖视透视图；
图10是与堆芯筒联接的本发明的流动偏转器的侧剖视透视图；
图11是用于将本发明的流动偏转器的背侧联接到堆芯筒的焊接准备部的一部分的剖视图。
具体实施方式
现在参照附图，图1示出简化的核反应堆初级系统，其包括大致柱形的反应堆压力容器(10)，该容器具有封闭核堆芯(14)的封头(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(通常称为蒸汽发生器)(18)，在所述热交换器(18)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2中更详细地示出示例性的反应堆设计。除了包括多个平行、竖直共同延伸的燃料组件(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、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2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)，向下围绕堆芯筒(32)流动，在下稳压室(34)中转过180°，向上通过下支承板(36)和下堆芯板(37)(燃料组件(22)位于该下堆芯板上)，并且绕组件通过。在某些设计中，下支承板(36)和下堆芯板(37)(在与36相同的位置处)结合成单个的下堆芯支承板，所述单个的下堆芯支承板除去了分离的下堆芯板(37)。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(40)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)在上支承组件(46)的上支承板(47)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)和驱动轴(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。支承柱(48)有助于在会有害地影响控制棒插入能力的地震和设计基础意外条件下阻止导管变形。
根据本发明，反应堆压力容器(10)设有直接容器注射喷嘴(58)，所述直接容器注射喷嘴(58)将水从补给罐连通到在堆芯筒(32)与压力容器(10)的内部之间的环形空间(31)。流动偏转器(60)与直接容器注射喷嘴(58)的出口成直线地焊接到堆芯筒(32)的外部，以便使冲击流动偏转器(60)的补给水改变方向向下至下稳压室(34)。
图3是沿着图2的线III-III得到的俯视剖视图，其示出具有两个沿直径相对的直接容器注射喷嘴(58)的反应堆容器，并且对于两个蒸汽发生器回路中的每个，都有一个出口喷嘴(44)和两个入口喷嘴(30)。在图3中，所示的反应堆容器(10)去除了堆芯筒。从图5可以理解，为了说明的目的，图3中的剖视图在直接容器注射喷嘴的圆周位置处得到比图2中的线III-III更低的剖视图。
图4示出反应堆压力容器的透视图，其提供围绕压力容器直径地间隔开的直接容器注射喷嘴(58)的外观图，示出在容器(10)的外侧上有两个入口喷嘴(30)和一个出口喷嘴(44)，同时可以从容器的内部部分地看到第二个出口喷嘴。两个相对应的入口喷嘴在该视图中没有示出。在图5中单独地示出堆芯筒。
在图5中，为了说明的目的，反应堆压力容器入口喷嘴(30)、出口喷嘴(44)示出为叠置在堆芯筒上以帮助设想这些喷嘴如何与堆芯筒(32)上的相对应的喷嘴配对。类似地，也示出与直接容器注射流动偏转器(60)相邻地定位的直接容器注射喷嘴(58)。堆芯筒(32)具有法兰(68)，所述法兰(68)搁置并支承在图4中所示的反应堆压力容器(10)内的上横档(70)上。图5中所示的堆芯筒(32)也具有用于将堆芯筒定位在压力容器(10)内的传统的径向键(66)。如在传统的核反应堆设备中一样，堆芯筒(32)也具有样本篮(62)，可以周期性地从所述样本篮(62)取得反应堆容器材料的试样以检查辐射脆变。
图6示出反应堆容器(10)和堆芯筒(32)组件的四分之一部分的剖视透视图，堆芯筒法兰(68)搁置在压力容器横档(70)上。图6提供了直接容器注射喷嘴(58)与本发明的流动偏转器(60)联接的极好的视图。
图7示出本发明的流动偏转器板(60)的前透视图。直接容器注射流动偏转器可以描述为由诸如不锈钢的金属制成的实心圆柱体，在其前表面(72)中在顶唇部(74)的正下方机械加工有槽(76)。槽(76)从顶唇部向下延伸通过前表面(72)的底部。槽(76)的宽度与压力容器(10)中的直接容器注射喷嘴(58)在顶唇部(74)的正下方的高度处的流动直径匹配。槽(76)使从喷嘴(58)流出的水改变方向向下通过在堆芯筒与压力容器之间的环形空间(31)至堆芯下方的下稳压室(34)。
图8示出流动偏转器(60)的侧后透视图。流动偏转器(60)的后部(78)优选地包括机械加工的凸起部(80)，该凸起部突出了0.346″(0.88cm)并且围绕流动偏转器的背侧(78)。图11中所示的先前为0.346″(0.88cm)的远离距离(64)是当流动偏转器(60)固定到堆芯筒(32)时在流动偏转器的后部中心区域(78)与堆芯筒之间的距离。机械加工的凸起部(80)在将流动偏转器(60)连接到堆芯筒(32)的焊接部之间提供柔性。该凸起部的独特之处在于，对于所有的焊接位置，由0.346″(0.88cm)偏移量所提供的柔性可以认为是恒定的。
图9和10中示出了该改进的设计的细节。图9示出流动偏转器(60)的剖视透视图。可以看到提供较大柔性的、围绕在流动偏转器(60)的背侧(78)周围的槽(82)恰位于机械加工的凸起部(80)的内部。图9也示出通气孔(90)，所述通气孔(90)可以被包括在本发明的实施例中以释放会在流动偏转器(60)的背部与堆芯筒(32)之间形成的空隙体积压力。
设置在流动偏转器(60)的背侧(78)上的机械加工的凸起部(80)提供用于焊接接合部(86)附近的柔性，焊接接合部(86)可以从图10中最好地观察，图10示出附装至堆芯筒(32)的流动偏转器(60)的侧剖视透视图。将机械加工的凸起部(80)附装至堆芯筒(32)的焊接部在(86)处示为全熔透焊接部。需要由机械加工的凸起部所提供的柔性，以容纳在直接容器注射流体瞬间过程之后流动偏转器(60)相对于堆芯筒(32)的热差膨胀。该机械加工的凸起部(80)可以认为在两个刚性构件(即，堆芯筒和流动偏转器)之间引入柔性支承或接合。因而，流动偏转器(60)的圆柱壁(外径)的收缩所引起的热应变的一部分可以由弯曲的偏转器的壁的0.50″(1.27cm)宽度(63)(图11中所示)容纳。应注意到，偏转器的机械加工的背部(78)和机械加工的凸起部(80)的轮廓构造成与凸起部(80)所紧靠结合的堆芯筒(32)的曲率匹配。
用于凸起部(80)的全熔透焊接准备部(84)在图11中示出为机械加工的J形槽焊接准备部，但是应当理解也可以采用其它的焊接准备部几何结构。优选地，焊接部完全地围绕流动偏转器的接触堆芯筒的周边延伸。虽然该实施例使用焊接部将流动偏转器固定到堆芯筒，但是应理解可以采用将流动偏转器结合到堆芯筒的其它形式。在J形槽焊接准备部处将全熔透焊接部焊接到堆芯筒(32)之后，0.346″(0.88cm)偏移量(80)的壁厚将大约为0.50″(1.27cm)。在完成J槽焊接之后，0.25″(0.64cm)的加强焊接部(88)可以围绕全熔透焊接部(86)使用。图10中示出最终的焊接几何结构。
因此，流动偏转器(60)的改进的设计使在流动偏转器与堆芯筒(32)之间的接合部能够在直接容器注射瞬间过程期间在流动偏转器与堆芯筒的配合界面处容纳它们的相对有差异的膨胀。
虽然已经详细说明本发明的具体实施例，但本领域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。例如，本发明的流动偏转器可以与任何对压力容器的入口喷嘴结合，而不仅仅是直接容器注射喷嘴。另外，应理解，所公开的尺寸是示例性的而不意于限制本发明。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 (16)

1.一种核反应堆，包括：
具有轴向尺寸的压力容器；
直接容器注射流体入口喷嘴，其延伸通过所述压力容器的壁并用于在流体损失的情况下将补给流体注射到所述压力容器中；
内部结构，其支承在所述压力容器内，与所述入口喷嘴的压力容器内侧成间隔开的关系并与该压力容器内侧相对；以及
偏转器，其定位在内部支承结构与流体入口喷嘴之间，与所述入口喷嘴成直线，所述偏转器是在前侧中具有轴向槽的金属块，所述轴向槽从所述金属块的顶面下方延伸到所述金属块的底部并通过所述金属块的底部，以用于将流动通过所述入口喷嘴的所述流体向下偏转到所述压力容器中，所述偏转器具有主体，所述主体具有与所述流体入口喷嘴面对的前侧和与所述内部支承结构面对的后侧，所述主体的后侧具有固定到所述内部支承结构的至少一个突起，以便在与所述突起相邻的所述主体的后侧和所述内部支承结构之间存在间隙，所述内部支承结构支承所述偏转器。
2.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述突起焊接到所述内部支承结构。
3.根据权利要求2所述的核反应堆，其中，所述突起的形状设计为“J”焊接准备部。
4.根据权利要求3所述的核反应堆，其中，加强焊接部设置在所述“J”焊接准备部中的焊接部上方。
5.根据权利要求4所述的核反应堆，其中，所述加强焊接部具有0.64cm的宽度。
6.根据权利要求2所述的核反应堆，其中，将所述突起焊接到所述内部支承结构的焊接部是全熔透焊接部。
7.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述突起绕所述主体的后侧的周边延伸。
8.根据权利要求7所述的核反应堆，包括通气孔，其用于释放能在所述主体的后侧与所述内部结构之间形成的气体压力。
9.根据权利要求8所述的核反应堆，其中，所述通气孔包括通过所述内部结构的孔。
10.根据权利要求8所述的核反应堆，其中，所述通气孔包括在所述主体中的孔。
11.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述突起的宽度大约为1.27cm。
12.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述突起的高度大约为0.88cm。
13.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述内部支承结构是反应堆堆芯筒。
14.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述金属块的周边是大体圆的。
15.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述偏转器的后侧具有与所述突起相邻的机械加工的槽。
16.根据权利要求15所述的核反应堆，其中，所述槽是环形的并且在所述突起的内侧绕所述主体延伸。
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