CN102750996B - 一种球床反应堆燃料元件成组气力提升系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种球床反应堆燃料元件成组气力提升系统及方法，该系统包括多组燃耗检测组件、加料器、提升管道、气体分流器、流体动力设备。所述加料器具有与燃耗检测组件数量相同的入口，有一个出口，从加料器的出口每间隔预设的时间放出一个燃料元件，使至少两个燃料元件在提升管道中组成队列被同时提升。该成组气力提升系统及方法可以实现燃料元件成组提升进入堆芯，且每组的燃料元件数量及燃料元件的间距均可以控制，在不同的工况下可以优化提升能力，提高输送效率，降低能耗；且该成组气力提升系统及方法仅采用一条提升管道，系统结构简单，制造、维护和使用成本低，适用于球床反应堆的建造和运行。

Description

一种球床反应堆燃料元件成组气力提升系统及方法

技术领域

本发明专利属于球床核反应堆燃料输送技术领域，特别涉及一种球床反应堆燃料元件成组气力提升系统及方法的设计。

背景技术

模块化球床高温气冷堆是目前正在研究开发的第四代新型核反应堆,是核能界公认的安全性最高的核反应堆型。此堆型利用气力提升方法实现球形燃料元件多次通过堆芯的循环运行方式。燃料循环能力即单位时间通过堆芯横截面的燃料元件的最大数量是该堆型的重要运行指标，其值越大，堆芯功率密度分布越均匀，进而堆芯功率调节的可靠性和燃料的平均燃耗也越高。燃料元件气力提升为球床反应堆燃料循环的关键环节，其借助气体的推力，将经过燃耗检测的燃料元件从堆芯下方垂直提升数十米到达堆芯顶部，穿过压力壳返回球床。一方面单位时间气力提升至堆芯的燃料元件的数量（即提升能力）是限制燃料循环能力的主要因素，直接影响到反应堆能否实现燃料快速循环模式；另一方面由于提升管路与堆芯顶部相连，燃料元件的运行速度将决定元件对堆芯冲击力的大小和元件的破损率，直接关系到反应堆的安全性。

已建成的球床反应堆试验堆型（德国AVR和中国HTR-10）均采用“逐一气力提升技术”，该技术可描述为：工艺系统将单个燃料元件逐一加入提升管路，并确保监测到此元件被气力提升至堆芯后，下一个元件才开始进入提升管路。然而采用此技术时，同一时刻最多仅有一个燃料元件占用输送管道，燃料元件输送效率低，无法根据不同的工况快速、大范围的调节提升能力，致使反应堆控制的准确性和运行的经济性均受到很大限制，并且为了满足燃料循环能力的要求，需要并列设置多条提升管道，系统复杂，制造、维护和使用成本较高。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足，提出一种球床反应堆燃料元件成组气力提升系统及方法。该成组气力提升系统及方法可以实现燃料元件成组提升进入堆芯，且每组的燃料元件数量及燃料元件的间距均可以控制，在不同的工况下可以优化提升能力，提高输送效率，降低能耗；而且该成组气力提升系统及方法仅采用一条提升管道，系统结构简单，制造、维护和使用成本低，适用于球床反应堆的建造和运行。

本发明的技术方案如下：

一种球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：包括加料器、提升管道、堆芯进料管、三通、气体分流器、流体动力设备和至少两套燃耗检测组件；所述加料器具有与燃耗检测组件数量相同的入口，有一个出口；每套燃耗检测组件包括一个燃耗检测器和一条缓存管道，每条缓存管道的一端与燃耗检测器的出口相连，另一端与加料器的其中一个入口相连；所述流体动力设备包括一个高压气室和一个低压气室；在加料器的出口处设置有三通，三通的两个入口分别与加料器的出口和高压气室相连，三通的出口与提升管道的进口端相连；提升管道的出口端高于进口端；在提升管道的出口处设置有气体分流器，气体分流器的入口和出口分别与提升管道的出口端和堆芯进料管的入口端相连，气体分流器的排气口与低压气室相连；所述提升管道的内径D1与燃料元件的直径D2的比值为0.50～0.99。

本发明所述的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：所述加料器包括驱动装置、转轴、转盘和壳体，在壳体上设有出料管和至少两个进料管；所述驱动装置与壳体固接，转盘与转轴固接；所述驱动装置与转轴连接，并驱动转轴旋转；转盘外缘上设置至少一个取球槽；出料管、进料管和取球槽三者的中心线位于垂直于转轴中心线的同一平面上；所述进料管和出料管的中心线与水平面的夹角至少为5°；每条缓存管道对应连接加料器的一个进料管。

本发明所述的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：所述加料器的驱动装置包括电机、减速器和联轴器，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器与加料器的转轴相连。

本发明所述的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：气力提升系统还包括若干个计数器，所述计数器安装在缓存管道、加料器的入口端、加料器的出口端、提升管道的进口端、提升管道的出口端和堆芯进料管的其中一个或几个位置上。

本发明所述的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：所述流体动力设备采用气体压缩机。

本发明提供的一种采用球床反应堆燃料元件成组气力提升系统的气力提升方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）燃料元件分别从不同的燃耗检测器的入口进入该燃耗检测器中进行燃耗检测，之后从不同的燃耗检测器出口进入与其相连的缓存管道内；

2）随后燃料元件进入加料器的入口或进料管，预设时间间隔T，使加料器的出口每间隔时间T放出一个燃料元件，至少放出两个燃料元件后停止，使至少两个燃料元件在提升管道中组成队列，该队列在高压气室产生的气流推动下抵达气体分流器，气流从气体分流器返回低压气室，燃料元件经气体分流器后在惯性作用或重力作用下由堆芯进料管进入堆芯；所述预设时间间隔T在0至L/V之间,L为提升管路长度，V是燃料元件的在提升管道中的运行速度；

3）重复步骤2，从而实现球床反应堆燃料元件成组气力提升。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明采用多组燃耗检测组件、加料器、提升管道、气体分流器、流体动力设备等综合实现了球床反应堆燃料元件成组气力提升，且每组燃料元件数量及燃料元件的间距均可以控制，在不同的工况下可以优化提升能力，提高输送效率，降低能耗；而且该成组气力提升系统及方法仅采用一条提升管道，系统结构简单，制造、维护和使用成本低，适用于球床反应堆的建造和运行。

附图说明

图1为球床反应堆燃料元件成组气力提升系统实施例的结构原理示意图(箭头表示提升气流运行方向)。

图2为加料器的结构原理示意图。

图3为图2的A-A剖面图（虚线部分显示了转盘逆时针旋转时盘式加料器内燃料元的分布情况）。

图4为气体分流器示意图（箭头表示气体流向，虚线部分显示气体分流器内燃料元件的分布情况）。

图5为计数器的工作原理图。

图6为提升能力与提升气体流速之间的关系。

图7为系统的总压降与提升能力之间的关系。

其中：1.燃耗检测器；2.缓存管道；3.燃料元件；4.加料器；5.气体流入管道；6.三通；7.计数器；8.提升管道；9.气体分流器；10.气体流出管道；11.堆芯进料管；12.堆芯压力容器（局部剖视图）；13.堆芯；21.电机；22.减速器；23.联轴器；24.转轴；25.顶盖；26.转盘；27.壳体；28.轴承；29.平键；261.取球槽；271.进料管；272.出料管；31.入口法兰；32.输球管；33.集气套管；34.排气管；35.排气口法兰；36.引流槽；37.出口法兰；41.管道；42.控制模块；43.通电线圈；44.保护套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程作进一步说明。

图1为本发明提出的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统实施例的结构原理示意图，该系统包括加料器4、提升管道8、堆芯进料管11、三通6、气体分流器9、流体动力设备和至少两套燃耗检测组件，本实施例采用四套燃耗检测组件；所述加料器具有与燃耗检测组件数量相同的入口，有一个出口；每套燃耗检测组件包括一个燃耗检测器1和一条缓存管道2，每条缓存管道的一端与燃耗检测器1的出口相连，另一端与加料器4的其中一个入口相连；所述流体动力设备包括一个高压气室和一个低压气室；在加料器的出口处设置有三通6，三通的两个入口分别与加料器4的出口和高压气室相连，三通的出口与提升管道8的进口端相连；提升管道8的出口端高于进口端；在提升管道的出口处设置有气体分流器9，气体分流器的入口和出口分别与提升管道8的出口端和堆芯进料管11的入口端相连，气体分流器的排气口与低压气室相连；所述提升管道的内径D1与燃料元件的直径D2的比值为0.50～0.99，本实施例中提升管道的内径D1与燃料元件的直径D2的比值为0.92；堆芯进料管11穿过堆芯压力容器12与堆芯13相连；气体流入管道5连接流体动力设备的高压气室和三通6的一个入口；气体流出管道10连接流体动力设备的低压气室和气体分流器的排气口。

图2为加料器的结构原理示意图，图3为图2的AA剖面图。所述加料器包括驱动装置、转轴24、转盘26和壳体27，在壳体上设有出料管272和至少两个进料管271，本实施例采用四个进料管271；所述驱动装置与壳体固接，转盘与转轴固接；所述驱动装置与转轴连接，并驱动转轴旋转；转盘外缘上设置至少一个取球槽261，本实施例采用八个取球槽261；出料管、进料管和取球槽三者的中心线位于垂直于转轴中心线的同一平面上；所述进料管和出料管的中心线与水平面的夹角至少为5°；每条缓存管道对应连接加料器的一个进料管。

本实施例中，所述加料器的驱动装置包括电机21、减速器22和联轴器23，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器与加料器的转轴相连。

所述加料器的壳体27通过四个进料管271与四条缓存管道2连接，通过一个出料管272与提升管道8连接，转盘26的周向均匀布置有八个取球槽261，每个取球槽261容纳一个燃料元件，虚线部分显示了转盘逆时针旋转时加料器内燃料元件的分布情况，燃料元件依靠重力从进料管271进入取球槽261，随着转盘26的旋转，当取球槽261的轴线与出料管272轴线重合时，燃料元件依靠重力进入提升管道8。通过电机21可以控制转盘26的旋转速度，进而控制燃料元件进入提升管道8的时间间隔，从而改变提升管道8中燃料元件队列的相邻元件的间距。

图4为气体分流器示意图，输球管32外焊接集气套管33，输球管32的内径大于燃料元件外径，侧壁上开有多个引流槽36。燃料元件队列穿过输球管32，同时提升气体通过引流槽36进入集气套管33，并经由排气管34被引入气体流出管道10。

本实施例中，所述气力提升系统还包括若两个计数器7，所述计数器安装分别安装在加料器的出口端和堆芯进料管上，分别用于记录燃料元件进入和离开提升管道8的数量。

图5为计数器的工作原理图，其原理为：燃料元件穿过通电线圈43所产生的附加磁场使得原磁场发生变化，进而产生相应的电压信号，随后该电压信号被控制模块42采集并计数。

本实施例中，所述流体动力设备采用气体压缩机。

本发明提供的一种采用球床反应堆燃料元件成组气力提升系统的气力提升方法的实施例，包括如下步骤：

1）燃料元件分别从不同的燃耗检测器的入口进入该燃耗检测器中进行燃耗检测，之后从不同的燃耗检测器出口进入与其相连的缓存管道内；

2）随后燃料元件进入加料器的入口或进料管，预设时间间隔T为2s，使加料器的出口每间隔2s放出一个燃料元件，放出两个或三个或四个燃料元件后停止，使至少两个燃料元件在提升管道中组成队列，该队列在高压气室产生的气流推动下抵达气体分流器，气流从气体分流器返回低压气室，燃料元件经气体分流器后在惯性作用或重力作用下由堆芯进料管进入堆芯；

3）重复步骤2，从而实现球床反应堆燃料元件成组气力提升。

本实施例中，该成组气力提升系统及方法的主要参数如下：提升气体流速为0.7m/s至7m/s；流体动力设备的压升为20kPa至250kPa；燃料元件直径为60mm；提升管道内径为65mm；提升管道长度为60m；组内燃料元件数量i取2或3或4。

本实施例中，该成组气力提升系统及方法的原理及优点如下所述：

球形燃料元件的直径与输送管道内径十分接近，从而使气体流经燃料元件与提升管道内壁之间的狭窄缝隙时产生较大的压力差，其将推动燃料元件沿管道运行。通过实施该成组气力提升系统的气力提升方法，使得同一时刻有多个而非单个的燃料元件同时被气力提升，这样可以在提升气体流速不变（也即不提高对流体动力设备要求）的情况下大幅度增加燃料元件提升能力，从而提高输送效率，并且在工况改变时，还可以通过调节每组内燃料元件的个数进行提升能力的优化。

图6为提升能力与提升气体流速之间的关系，因工况的改变，燃料元件的提升能力要从a点增加至c点，此时如采用试验堆型的气力提升技术（逐一气力提升技术），将难于完成任务，因为其要求提升气体流速过高，超出系统中流体动力设备的极限。而采用成组气力提升方法则可快速实现燃料元件提升能力的大幅增加，提升系统可分时段运行在d或e点与a或b点之间，例如分时段运行在e点与b点之间，即保持提升气体流速不变，控制加料器使得在单位时间（1天）里的一个时段T_e中，由四个燃料元件组成队列被气力提升至堆芯；在剩余时段T_b中，由两个燃料元件组成队列被气力提升至堆芯；且T_e与T_b的比值等于线段cb的长度与线段ce的长度的比值。

图7为系统的总压降与提升能力之间的关系，可见，当提升能力相同时，燃料元件成组气力提升技术较逐一气力提升技术可使系统的总压降大幅减小，输送效率显著提高，且随着组内燃料元件数量i的增加，其优势愈加显著。

Claims (6)

1.一种球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：包括加料器（4）、提升管道（8）、堆芯进料管（11）、三通（6）、气体分流器（9）、流体动力设备和至少两套燃耗检测组件；所述加料器具有与燃耗检测组件数量相同的入口，有一个出口；每套燃耗检测组件包括一个燃耗检测器（1）和一条缓存管道（2），每条缓存管道的一端与燃耗检测器（1）的出口相连，另一端与加料器（4）的其中一个入口相连；所述流体动力设备包括一个高压气室和一个低压气室；在加料器的出口处设置有三通（6），三通的两个入口分别与加料器（4）的出口和高压气室相连，三通的出口与提升管道（8）的进口端相连；提升管道（8）的出口端高于进口端；在提升管道的出口处设置有气体分流器（9），气体分流器的入口和出口分别与提升管道（8）的出口端和堆芯进料管（11）的入口端相连，气体分流器的排气口与低压气室相连；所述提升管道的内径D1与燃料元件的直径D2的比值为0.50～0.99。

2.根据权利要求1所述的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：所述加料器包括驱动装置、转轴（24）、转盘（26）和壳体（27），在壳体上设有出料管（272）和至少两个进料管（271）；所述驱动装置与壳体固接，转盘与转轴固接；所述驱动装置与转轴连接，并驱动转轴旋转；转盘外缘上设置至少一个取球槽（261）；出料管、进料管和取球槽三者的中心线位于垂直于转轴中心线的同一平面上；所述进料管和出料管的中心线与水平面的夹角至少为5°；每条缓存管道对应连接加料器的一个进料管。

3.根据权利要求1或2所述的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：所述加料器的驱动装置包括电机（21）、减速器（22）和联轴器（23），电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器与加料器的转轴相连。

4.根据权利要求1或2所述的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：气力提升系统还包括若干个计数器，所述计数器安装在缓存管道、加料器的入口端、加料器的出口端、提升管道的进口端、提升管道的出口端和堆芯进料管的其中一个或几个位置上。

5.根据权利要求1或2所述的球床反应堆燃料元件成组气力提升系统，其特征在于：所述流体动力设备采用气体压缩机。

6.一种采用如权利要求1或2所述球床反应堆燃料元件成组气力提升系统的气力提升方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1）燃料元件分别从不同的燃耗检测器的入口进入该燃耗检测器中进行燃耗检测，之后从不同的燃耗检测器出口进入与其相连的缓存管道内；

2）随后燃料元件进入加料器的入口或进料管，预设时间间隔T，使加料器的出口每间隔时间T放出一个燃料元件，至少放出两个燃料元件后停止，使至少两个燃料元件在提升管道中组成队列,该队列在高压气室产生的气流推动下抵达气体分流器，气流从气体分流器返回低压气室，燃料元件经气体分流器后在惯性作用或重力作用下由堆芯进料管进入堆芯；所述预设时间间隔T在0至L/V之间,L为提升管路长度，V是燃料元件的在提升管道中的运行速度；

3）重复步骤2，从而实现球床反应堆燃料元件成组气力提升。

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