CN103180911A - 用于在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射燃料组件的设备和方法，以及包括这样的设备的核反应堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射燃料组件的设备和方法。所述设备包括：用于将两个燃料组件引入到包含致冷剂的两个罐中的装置，其中第一罐填充有要由操纵臂从反应堆堆芯移走的所述已放射燃料组件，并且第二罐填充有使用传递篮供应的所述新燃料组件；以及用于定位两个罐的装置，所述已放射燃料组件可以通过所述传递篮触及，而所述新燃料组件处在要被用于引入所述两个燃料组件的装置的所述操纵臂取回的位置上。

Description

用于在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射燃料组件的设备和方法,以及包括这样的设备的核反应堆
技术领域
本发明涉及一种用于在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射燃料组件的设备和方法，以及包括这样的设备的核反应堆。
以下考虑具有钠传热流体的反应堆的示例。但也可以是具有不能与空气接触、且因此必须在栓塞下(更一般地，在掩孔下)操纵的传热流体的任何类型的反应堆。
背景技术
钠冷却核反应堆(SFR)惯常地包括堆芯位于其中的容器。处在堆芯上方的、图1中标记为30的堆芯盖塞或BCC包括控制并符合要求地操作核反应所需的仪器。热量通过借助安装在容器中的泵系统泵送纳(称为主钠)被抽出。热量通过一个或更多个中间交换器传递至中间线路，而后用于在蒸汽发生器中产生蒸汽。然后将该蒸汽传送到透平中，以将该蒸汽转换为机械能，所述机械能本身被转换为电能。中间线路使容器中的主钠可以与蒸汽发生器隔离开，因为一旦蒸汽发生器的管破裂，钠和包含在蒸汽发生器中的水蒸气之间可能会发生激烈反应。因此有两个钠线路：一个称为“主”线路，负责在堆芯和所述中间热量交换器中的一个中间热量交换器之间传递热量；另一个称为“次”线路，负责将热量从热量交换器传递给蒸汽发生器。可以设想除水/蒸汽以外的、将热能转换为电能的其它流体。
钠冷却核反应堆(SFR)具有共有的技术特征。容器由掩板在顶部处密封，以使主钠不与外部空气接触。所有组成部分(交换器、泵、管道等)竖直地穿过该板，以便所述组成部分可以通过该掩板中的穿通孔被拆卸并由提升设备竖直地提高。有两个这样的反应堆的主要族系：回路反应堆和集成型反应堆。在SFR回路反应堆中，中间交换器和主钠泵送系统处在容器外部。相反，在SFR集成型反应堆中，所有中间交换器和主钠泵送装置都处在容器内部，这避免了使主线路离开容器，从而构成一个主要优点。如本说明书结尾处引用的文件【1】中所述，该类型的反应堆在法国“超级凤凰”反应堆中、并在以“欧洲快反应堆”或EFR的名称计划的反应堆中被选中。
在SFR集成型反应堆中，如图1中示意地示出的，主钠穿过堆芯11，以移走产生的热量。在堆芯11的出口处，主钠到达由掩板24密封的反应堆的容器13的区域12(通常称为热收集器)中。称为凸角堡的、形状为圆柱-圆锥的壁15将该热收集器与另一区域14(称为冷收集器)分开。壁15由下部15a和上部15b构成，下部15a围绕堆芯11并具有大致为截头锥的形状，上部15b为圆柱形部分。该中间交换器16由管束构成，所述次钠在所述管束中流动，所述主钠在所述管束之间流动。附图标记28和29为次钠入口管道和出口管道。在该中间交换器16中，次钠进入中央管，穿过交换器，并在分配单元中在交换器的底部处出现(这能向所述管束的所有管供应钠)，并在出口收集器中再次出来。主钠跟随的路径在图1中示意地示为虚线27。主钠通过处在热收集器12内的入口窗17进入每个中间交换器16，将主钠的热量传递给跟随每个中间交换器16的管的次钠，并通过出口窗18自所述中间交换器出来。在冷收集器14中，主钠被泵送装置19抽出并直接传送至处在堆芯11下方的堆芯11的入口。泵送装置19由机电泵构成，所述机电泵的轴贯穿容器13的整个高度明显竖直地延伸，并穿过掩板24。使所述钠在热收集器12和冷收集器14之间在重力下在每个中间交换器16中流动。收集器12、14之间的主钠的驱动负荷Cm校准到约2m的值(相应于冷收集器14的水平21和热收集器12的水平20之间的水平差H)。小于中间交换器16的若干特定交换器25能移走堆芯的衰减功率，所述衰减功率来自在反应堆处于(正常操作)功率下时的核反应期间产生的裂变产物的放射性衰变。这些交换器25仅在反应堆停止时或在一旦发生事故时被启动。主钠的液压路径由实线箭头26图示的热柱和虚线箭头27示出的冷柱构成。
核反应堆配备有主容器，核堆芯处于所述主容器中。该堆芯由几百个燃料组件构成，所述燃料组件可与六角形铅笔相比，所述燃料组件的边为20cm，并且所述燃料组件约4m高。
定期更换这些核燃料组件，已放射的核燃料组件被新的核燃料组件替换。该燃料组件更换操作是在反应堆停机的情况下进行的。因此为了反应堆的可用率，该操作必须尽可能快。
尽管在目前形成法国核发电容量的压水反应堆的情况中，核燃料组件的操纵必须在主容器打开的情况下进行，但是对于钠冷却反应堆的情况，主要由于钠与空气的反应性，所述操纵则必须在主容器封闭的情况下进行。
为了替换核堆芯的已放射核燃料组件，因此使用插入到主容器中的一组机构来进行以下操作：
-抽出要自核堆芯中撤离的已放射核燃料组件，
-将该已放射核燃料组件插入撤离位置，
-撤离所述已放射核燃料组件，
-新燃料组件到达，
-在主容器中插入所述新燃料组件，
-在核堆芯中安装所述新燃料组件。
已知技术的系统(例如法国凤凰和超级凤凰原型)使用转动栓塞系统进行所述操作，以插入/抽出所述核堆芯燃料组件。然后可以通过坡道和锁系统将这些组件自主容器移走。为了改善操纵率，可以向超级凤凰版本添加转动传递锁(凤凰中的翻斗锁)，以便以新燃料组件替换已放射燃料组件(自容器抽出后)，并由此同时进行操作。在目前计划的钠反应堆中，设想了竖直抽出/插入燃料组件，然后在使燃料组件保持在中性大气中的同时，由传递篮进行燃料组件的传送。
为了改善反应堆的可用率，还可以使用基于转子的系统，该系统使已放射燃料组件能被新燃料组件替换，并由此使某些操作能同时进行。
在EFR的情况下，将传递篮中的燃料组件自反应堆容器向清洗或调理坑运输的操作可以与自核堆芯抽出燃料组件以及将燃料组件安装到核堆芯中的操作同时进行。
图2和图3显示一核反应堆，所述核反应堆由此包括以下(图1示出的前述)元件：
-主容器40，
-内部容器41，
-核堆芯42，
-主泵43，
-中间交换器44，
-控制杆45，
-传递篮46，其包括借助于抓取装置的“提升”功能，以引入新燃料组件，并移走已放射燃料组件，
-掩板47，
-转动栓塞系统48，
-堆芯盖塞或BCC49。
协助装载/卸载燃料组件的系统包括：
-操纵臂50，使新核燃料组件或已放射核燃料组件51在所有三个维度移动：竖直地以及通过转动侧向地移动，
-金属操纵杆，其可以附接于转动的栓塞上下移动，并能抵达不能被操纵臂50触及的组件的位置，并由此将该燃料组件放置在能被操纵臂50触及的位置，
-转子系统52，包括燃料组件54所在的钠罐53。
目前的技术趋势趋向于在远更高的热功率水平处(比起EFR中的7.5kW，约为40kw)操纵并抽出已放射燃料组件，这要求在钠罐中抽出并传送燃料组件，其中每个组件与包含钠的罐一起被拿出，从而确保一定的热惯性，并协助冷却组件。
转子系统52比在EFR计划中更长，以便具有能将燃料组件插入到钠罐中所需的间隙。所述转子系统由此被定位在大致等于核堆芯高度的高度处。
主容器直径的降低是一个根本挑战，因为其直接关系到反应堆的成本费用，但内部容器内转子系统的安装也对主容器的总直径有极大影响，内部容器和主容器之间的部分55被不同组成部分使用。
本发明的目的在于提出该转子系统的改进，能降低反应堆的内部容器的直径，并因此能降低主容器直径，并能通过这种方式降低该反应堆的成本费用。
发明内容
本发明涉及一种在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射或使用的燃料组件的设备，包括：
用于在包含传热流体的两个罐中安装两个燃料组件的装置，其中一个燃料组件已放射，一个燃料组件是新的，其中第一罐填充有刚被操纵臂从堆芯抽出的所述已放射燃料组件，并且第二罐填充有被传递篮带入的所述新燃料组件；
用于定位这两个罐的装置，其中所述已放射燃料组件放置在可以被所述传递篮触及的位置上，而所述新燃料组件处在可以被所述操纵臂拿起的位置上；
用于定位所述两个燃料组件的装置，其中所述新燃料组件被运输到所述堆芯中，而所述已放射燃料组件被运输到所述反应堆外，其特征在于，用于定位所述两个罐的装置是用于通过由单个马达实现的具有两个横向错开的转动轴的转动来定位的装置。
在一有利的实施例中，本发明的设备包括单件结构，在所述单件结构顶部叠装密封套。
该单件结构有利地包括：
拉长形平行六面体金属框架，所述框架在其拉长面中的一个拉长面上是打开的；
两个转动轴；上部裂开的一个出口溜槽；以及在所述出口溜槽下部的两个罐，所述两个罐通过连接杆在下部彼此连接。
所述密封套有利地包括：具有与两个塔轮相联的蜗杆的马达，所述塔轮中的每个塔轮均与所述两个转动轴中的一个转动轴刚性连接，从而允许这两个轴同时被转动；以及用于封闭所述出口溜槽的上部的阀。
所述传热流体有利地为钠。
本发明的设备能获得以下有利之处：
其允许与常规转子系统相比的更大的紧凑度，以及内部容器(以及因此反应堆的主容器)的下降的直径；
此外，其使得在发生阻塞的情况下，操纵臂能在出口处触及传热流体罐。
本发明还涉及一种核反应堆，其包括能被传热流体填充的容器，在所述容器内定位有：堆芯；泵送主传热流体的泵送装置；第一中间热量交换器，能排出由所述堆芯在正常操作期间产生的功率；第二残余热量交换器，其在所述堆芯停机即所述泵送装置也被停止时，能排出由所述堆芯在停机时产生的衰减功率；以及掩板，其特征在于，所述核反应堆包括如以上所限定的设备。
所述反应堆有利地是钠传热流体反应堆。
最后，本发明涉及一种在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射燃料组件的方法，包括：
在包含传热流体的两个罐中安装两个燃料组件的步骤，其中一个燃料组件已放射，一个燃料组件是新的，其中第一罐填充有刚被操纵臂从反应堆堆芯抽出的所述已放射燃料组件，并且第二罐填充有被传递篮带入的新燃料组件；
定位这两个罐的步骤，其中所述已放射燃料组件放置在可以被所述传递篮触及的位置上，而所述新燃料组件处在可以被所述操纵臂拿起的位置上；
定位所述两个燃料组件的步骤，其中所述新燃料组件被带到所述堆芯中，而所述已放射燃料组件被拿到所述反应堆外，
其特征在于，定位所述两个罐的步骤是通过由单个马达实现的两个横向错开的转动轴的转动来定位的步骤。
有利地，使用具有与两个塔轮相联的蜗杆的马达，所述塔轮中的每个塔轮均与所述两个转动轴中的一个转动轴刚性连接。有利地，使用出口溜槽和通过连接杆彼此连接的两个传热流体罐。借助于阀封闭所述出口溜槽的孔口。有利地，所述传热流体是钠。
附图说明
图1示出已知技术的具有钠传热流体的核反应堆的竖直截面视图。
图2和图3示意地示出包括转子系统的已知技术的具有钠传热流体的核反应堆的竖直截面视图以及俯视图。
图4至图17示出使用两个钠罐的根据本发明的在具有钠传热流体的核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射燃料组件的设备的细节，并且更具体地：
图4示出本发明的设备的等距图。
图5示出在两个罐的第一位置上的本申请的设备的正视图。
图6示出本发明的设备的俯视图。
图7A和图7B示出如图5中示出的本发明的设备的两个截面视图AA，在两个截面视图AA中，封闭出口溜槽的上部的阀分别在封闭位置及打开位置上。
图8示出如图5中示出的本发明的设备的截面视图BB。
图9A和图9B示出如图5中示出的本发明的设备的两个截面视图CC，在两个截面视图CC中，两个罐分别处在第一位置和第二位置上。
图10示出如图5中示出的本发明的设备的截面视图DD，两个罐均处在第一位置上。
图11示出如图5中示出的本发明的设备的细节F。
图12示出如图8中示出的本发明的设备的截面视图MM。
图13示出用于控制两个罐的转动的机构。
图14示出图12的细节G，具有驱动轴80、塔轮74、轴承81、密封物82、环83和转动轴65。
图15示出图13的细节J，具有转子轴80、轴承85、密封物86和环87。
图16示出图12的细节H，具有转动轴65和环88。
图17示出图12的细节I，具有环91和转动轴65。
图18示出本发明的设备的驱动线。
图19示出由本发明的设备在核反应堆中获得的空间节约。
具体实施方式
本发明涉及一种在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射或使用的燃料组件的设备。该设备包括：
用于在包含传热流体的两个罐中安装这两个组件的装置，一个组件已放射，一个组件是新的，其中每个罐在其下端部均具有封闭圆柱的形状，其中第一罐填充有刚被操纵臂(以及有利地，金属操纵杆)从反应堆堆芯抽出的所述已放射燃料组件，并且第二罐填充有被传递篮带入的所述新燃料组件；
用于通过转动或平移定位这两个罐的装置，其中所述已放射燃料组件放置在可以被所述传递篮触及的位置上，而所述新燃料组件处在可以被所述操纵臂拿起的位置上；
用于定位这两个燃料组件的装置，其中所述新燃料组件被传送到所述反应堆堆芯中，而所述已放射燃料组件被传送到所述反应堆外。
本发明的设备包括如图4至图17中示出的双转子系统60，双转子系统60包括：
单件结构，其由沿着竖直轴线的拉长形平行六面体金属框架61形成，所述金属框架61在其拉长面中的一个拉长面62上是打开的，以便能被所述操纵臂触及，在所述单件结构顶部叠装密封套63；
两个转动轴64和65；出口溜槽66，其上部裂开；以及在所述出口溜槽66下部的两个传热流体罐68和69，两个传热流体罐68和69通过连接杆70在下部相互连接。其中转动轴64和65、出口溜槽66和传热流体罐68和69平行于所述竖直轴线定位。
密封套63包括：马达71，具有与两个塔轮73和74相联的蜗杆72，所述塔轮中的每个塔轮均与轴64和65中的一个轴刚性连接，其中每个塔轮均与所述蜗杆啮合，并使这两个轴能同时转动；以及阀75，其封闭出口溜槽66的上部。
在本发明的双转子系统60中，转动轴64和65是横向错开的，以便允许以单个马达71实现的两个传热流体罐68和69的协调移动。仅使用转动移动。因此最优化了所获得的组件的紧凑性。
由包围转动机构的密封套63构成的图13中示出的本发明的设备的上部凭借密封物82而与反应堆容器密封隔离。然后通过轴承产生两个球关节连接92，其润滑剂不可以影响反应堆的传热流体。在中部和下部，环88和91提供其它连接。两个转动罐68和69均由连接杆70牢牢固定，以便刚性固定整个机构。出口溜槽66能在抽出已放射燃料组件或拿入新燃料组件时导向罐68或69，该溜槽在整个长度上裂开，以便在本发明的双转子设备阻塞的情况下使操纵杆能触及所述罐。该设备的上部被润滑，并与反应堆容器密封隔离。
传递篮因此可以停靠在本发明的设备的上部，其中借助于阀75实现与该设备的密封隔离。
本发明的设备和方法可有利地在钠传热流体反应堆中实施，罐68和69则为钠罐。
图18中示出本发明的设备的双转子设备的驱动线。通过与在上部的球关节92可比的连接以及在中部和下部的两个环形线性连接93和94来导向轴64和65的转动，由此允许轴64和65在框架61中自由展开。
如图19中所示，本发明的设备导致与常规转子设备50相比的更大的紧凑度，以及内部容器41(以及因此主容器40)的直径的减小。预期的增益(直径的降低90)约是直径的10％。此外，当本发明的双转子设备阻塞时，本发明的设备允许操纵臂可触及出口罐。
参考文献
【1】″Réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium″[《Sodium-Cooled FastNeutron Reactors》]by Jean-Paul Cretté(Techniques de l′ingénieur，BN3170，pages1-24，10July2005).

Claims (13)

1.一种在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射燃料组件的设备，包括：
用于在包含传热流体的两个罐(68、69)中安装两个燃料组件的装置，其中一个燃料组件已放射，一个燃料组件是新的，其中第一罐填充有刚被操纵臂从反应堆堆芯抽出的所述已放射燃料组件，并且第二罐填充有被传递篮带入的所述新燃料组件；
用于定位这两个罐的装置，其中所述已放射燃料组件放置在可以被所述传递篮触及的位置上，而所述新燃料组件处在可以被所述操纵臂拿起的位置上；
用于定位所述两个燃料组件的装置，其中所述新燃料组件被传送到所述反应堆堆芯中，而所述已放射燃料组件被传送到所述反应堆外，
其特征在于，用于定位所述两个罐的装置是用于通过由单个马达(71)产生的两个横向错开的转动轴(64、65)的转动来定位的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，包括单件结构，在所述单件结构顶部叠装密封套(63)。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述单件结构包括：拉长形平行六面体金属框架(61)，所述框架在其拉长面中的一个拉长面(61)上是打开的；所述两个转动轴(64、65)；出口溜槽(66)，其上部裂开；以及在所述出口溜槽下部的两个罐(68、69)，所述两个罐通过连接杆(70)在下部彼此连接。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述密封套(63)包括具有与两个塔轮(73、74)相联的蜗杆(72)的马达(71)，所述塔轮中的每个塔轮均与所述两个转动轴(64、65)中的一个转动轴刚性连接，从而允许这两个轴(64、65)同时转动。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述密封套包括用于封闭所述出口溜槽(66)的上部的阀(75)。
6.根据权利要求1所述的设备，其中使用的所述传热流体是钠。
7.一种核反应堆，包括能被传热流体填充的容器，在所述容器内定位有：堆芯；泵送主传热流体的泵送装置；第一中间热量交换器，能排出由所述堆芯在正常操作期间产生的功率；第二残余热量交换器，其在所述堆芯停机即所述泵送装置也被停止时，能排出由所述堆芯在停机时产生的衰减功率；以及掩板，其特征在于，所述核反应堆包括根据前述权利要求中任意一项所述的设备。
8.根据权利要求7所述的核反应堆，是具有钠传热流体的反应堆。
9.一种用于在核反应堆的容器中以新燃料组件替换已放射燃料组件的方法，包括：
在包含传热流体的两个罐(68、69)中安装两个燃料组件的步骤，其中一个燃料组件已放射，一个燃料组件是新的，其中第一罐填充有刚被操纵臂从反应堆堆芯抽出的所述已放射燃料组件，并且第二罐填充有被操纵篮带入的新燃料组件；
定位这两个罐的步骤，其中所述已放射燃料组件放置在可以被所述传递篮触及的位置上，而所述新燃料组件处在可以被所述操纵臂拿起的位置上；
定位所述两个燃料组件的步骤，其中所述新燃料组件被传送到所述反应堆堆芯中，而所述已放射燃料组件被传送到所述反应堆外，
其特征在于，定位所述两个罐的步骤是通过由单个马达实现的两个横向错开的转动轴的转动来定位的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中使用具有与两个塔轮(73、74)相联的蜗杆(72)的马达(71)，所述塔轮中的每个塔轮均与所述两个转动轴(64、65)中的一个转动轴刚性连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中使用出口溜槽和通过连接杆(70)彼此连接的两个传热流体罐(68、69)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中借助于阀(75)封闭所述出口溜槽的孔口。
13.根据权利要求9所述的方法，其中使用的所述传热流体是钠。
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