CN103377744A - 径向中子反射器 - Google Patents

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Abstract

本发明是径向中子反射器。涉及一种设备，该设备包括含有裂变材料的核反应堆堆芯，该核反应堆堆芯由堆芯成形器所围绕。该堆芯成形器包括一个或多个单件式环圈，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料。在一些实施例中，堆芯成形器包括两个或多个此种单件式环圈的堆叠。在一些实施例中，单件式环圈的堆叠是自支承的。在一些实施例中，单件式环圈的堆叠不包括用以将相邻的单件式环圈固定在一起的焊件或紧固件。堆芯支架可包含核反应堆堆芯和堆芯成形器，且在一些实施例中，环形间隙形成在堆芯成形器和堆芯支架之间。在一些实施例中，堆芯成形器不包括焊件，也不包括紧固件。

Description

径向中子反射器
技术领域
本申请要求2012年4月12日提交的美国临时申请第61/623,332号的权益。在2012年4月12日提交的美国临时申请61/623,332的全文在此以参见的方式纳入到本申请的说明书中。
下文涉及核反应堆领域、中子反射器领域以及相关领域。
背景技术
在核反应堆中，裂变材料设置在反应堆中，使得由于裂变反应产生的中子通量密度足以维持持续的裂变过程。在商用反应堆中，裂变材料通常设置成燃料棒的形式，这些燃料棒安装在大体具有方形或六边形横截面的模块化细长燃料组件中。多个此类燃料组件设置在一起以形成反应堆堆芯，该反应堆堆芯容纳在圆柱形不锈钢堆芯支架内部。该整个组件则安装在压力容器内部。在一典型的构造中，反应堆冷却剂在堆芯支架和压力容器之间的环形空间中向下流动，在压力容器的下腔室中逆转方向，向上流过反应堆堆芯底部处下端板中的开口，并向上流过燃料组件，在该燃料组件处被反应堆堆芯加热。由反应堆冷却剂从堆芯抽取出的热量用于产生电力，由此使反应堆冷却剂的温度下降，而该反应堆冷却剂以闭合回路再循环通过反应堆。在沸水反应堆（BWR）设计中，主冷却剂在压力容器内部沸腾，且产生的主冷却剂蒸气经管道被输送通过再循环回路以驱动涡轮机。在压水反应堆（PWR）设计中，主冷却剂保持在过冷液态中并且对外部蒸气发生器中的二次冷却剂加热，且二次冷却剂驱动涡轮机。在一种变型PWR设计中，蒸气发生器位于压力容器（即，一体的PWR）内部，且二次冷却剂回路流入压力容器中以对蒸气发生器进行供给。
在裂变过程中，产生自由中子。在热核反应堆中，这些中子由周围的水减速、即热化，由于与较快的中子相比，热化的中子更易于促进附加的裂变事件，因而这是有利的。然而，源自反应堆堆芯的外部边界附近的中子会行进到反应堆堆芯外部并损失。为了改进整体效率并且为了提高外部燃料组件的燃烧速率，已知在反应堆堆芯和堆芯支架之间包括堆芯成形器或径向反射器。目的是将离开堆芯的中子朝向堆芯反射回去，以增强燃料组件的燃烧。
由于反应堆所具有的严苛操作环境，径向反射器的焊件、螺栓或其它紧固件会经受较高的辐射通量，并且会易于损坏或失效。由于极具放射性的环境，难于或不可能对于任何这些损坏进行维修。此外，径向反射器会阻碍反应堆堆芯周围的自然循环，这对于依赖于自然循环的任何应急堆芯冷却系统（ECCS）会造成问题。在一些情形中，已知径向反射器会致使冷却剂侧向地喷射到燃料组件上。由于随着时间会导致过度磨损，因而喷射通常是不理想的。
发明内容
根据一个方面，一种设备包括含有裂变材料的核反应堆堆芯和围绕该核反应堆堆芯的堆芯成形器。该堆芯成形器包括一个或多个单件式环圈，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料。在一些实施例中，该堆芯成形器包括两个或多个单件式环圈的堆叠，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料。在一些实施例中，单件式环圈的堆叠是自支承的。在一些实施例中，单件式环圈的堆叠并不包括用以将相邻的单件式环圈固定在一起的焊件或紧固件。
根据另一方面，一种设备包括核反应堆堆芯、堆芯成形器以及堆芯支架，该核反应堆堆芯包括裂变材料，该堆芯成形器围绕该核反应堆堆芯并且包括一个或多个单件式环圈，其中每个单件式环圈包括中子反射材料，而该堆芯支架包含核反应堆堆芯和堆芯成形器。在一些实施例中，环形间隙形成在堆芯成形器和堆芯支架之间。在一些实施例中，环形间隙形成在堆芯成形器和堆芯支架之间，且堆芯成形器包括自支承的单件式环圈堆叠，其中每个单件式环圈包括中子反射材料。在一些实施例中，堆芯成形器的外表面包括轴向延伸的通道。在一些实施例中，堆芯成形器并不包括焊件，也不包括紧固件。
根据另一方面，一种方法包括：通过堆叠多个单件式环圈来构造堆芯成形器，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料；以及通过将包括裂变材料的燃料组件设置在堆芯成形器内部而将核反应堆堆芯加载到堆芯成形器内部。在一些实施例中，该方法还包括：在构造和加载之后，操作核反应堆，该核反应堆包括设置在压力容器中的主冷却剂，该压力容器还包含所构造的堆芯成形器和所加载的核反应堆堆芯，以加热主冷却剂。在一些实施例中，该方法还包括锻造每个单件式环圈。在一些实施例中，该方法还包括铸造每个单件式环圈。在一些实施例中，该方法还包括辊压并焊接一个或多个板以形成每个单件式环圈。
附图说明
本发明可采用各种部件和部件的组合，以及各种工艺操作和工艺操作的组合。附图仅是为了示出较佳实施例的目的，而不应解释为限制本发明。
图1示意地示出核反应堆的下部的侧视图，该核反应堆包括堆芯成形器、包含的堆芯支架（以局部剖切视图示出）、示出为被加载的单个示例性燃料组件以及以虚线示出的反应堆压力容器的下部。
图2是图1所示堆芯成形器的立体图。
图3示出加载有所有燃料组件的图1和2所示堆芯成形器的俯视图。
图4是图1-3所示堆芯成形器的一个堆芯成形器环圈的平面图。
图5是示出对于堆芯成形器的两个环圈剖取的示意侧剖视图，示出可选的搭接接头。
具体实施方式
参见图1-3，本文披露的堆芯成形器是以压水反应堆（PWR）类型的示例性核反应堆的情形进行描述。核反应堆包括压力容器10，而在图1仅仅以虚线示意性地示出下方部分。压力容器的下方部分容纳反应堆堆芯，该反应堆堆芯构造成燃料组件的阵列。为了说明起见，图1示出加载到反应堆中的单个燃料组件12。（使用图中未示出的起重机或其它提升设备来进行加载）。燃料组件12被示意地示出，且通常包括支承燃料棒的结构骨架，该结构骨架具有定位格架以及上端装配件和下端装配件或喷嘴，其中引导管散布在燃料棒之间，以提供用于控制杆、仪器之类（细节未示出）的管道。图3示出包括完成的核反应堆堆芯14的顶视图或俯视图，该反应堆堆芯构造成燃料组件12的阵列。图3所示的示例性反应堆堆芯包括69个燃料组件，然而根据堆芯的尺寸和构件燃料组件的尺寸，也可包括更多或更少的燃料组件。示例性燃料组件12都具有相等的尺寸，而燃料组件在反应堆堆芯中的布置可改变。
反应堆堆芯14容纳在堆芯成形器16中，该堆芯成形器则容纳在堆芯支架18中。反应堆堆芯14可具有基本上任何与轻水反应堆相兼容的构造。在图3所示的示例性构造中，反应堆堆芯包括69个PWR类型的燃料组件，每个燃料组件具有17×17阵列的燃料棒，这些燃料棒由作为堆芯成形器16一部分的底部格架结构支承。虽然核反应堆的上部未示出，但它通常包括中空的圆柱形中心立管，该立管限定了向上引导从反应堆堆芯14顶部离开的主冷却剂的内部圆柱形腔室。这有时被称为主冷却剂回路的“热段”。下降环腔形成在中心立管和压力容器10之间，并且提供主冷却剂回路的向下流动的“冷段”，该向下流动的“冷段”使主冷却剂返回至核反应堆14的底部。反应堆可选地包括其它部件，例如内部蒸气发生器、包括与外部或内部控制杆驱动机构（CDRM）相联接的控制杆的反应性控制子系统、可选的内部加压器等等。还设想了其它容器构造和反应堆类型，包括具有外部蒸气发生器的PWR设计、具有设置在压力容器内部的蒸气发生器的一体PWR设计、各种BWR设计等等。
堆芯成形器16提供燃料组件的侧向支承并且构造成单件式环圈24的堆叠。每个环圈是单件式部件，例如锻造或铸造的单件使不锈钢环。还可通过辊压和焊接一个或多个板来形成单件。每个环圈合适地是不具有接头或接缝的单体元件。环圈24的堆叠可选地是自支承堆叠，且在堆叠中每个环圈的上端支承下个较高环圈的下端。另一方面，如果反应堆堆芯具有足够低的外形，则可设想地是采用少至单个环圈来构造堆芯成形器。在图1中，示例性的堆芯成形器16被显示为与堆芯支架18（例如，下部套筒）同心地设置，且为了说明起见，在图1中将堆芯支架18的一部分去除以露出堆芯成形器16。
图4示出单个堆芯成形器环圈24的俯视图。该堆芯成形器环圈24是环形构件，该环形构件具有圆柱形外表面28和成形为与反应堆堆芯14（也参见图3）的外周缘相一致的内部32。更一般地说，外表面28应与堆芯支架的内表面相一致，在示例性堆芯支架18的情形下，该堆芯支架的内表面是圆柱形。
具体参见图1和2，在轴向方向、也就是横向于环圈24的平面的方向上，堆叠中的环圈24的数量足以使堆芯成形器16与反应堆堆芯14的轴向延伸部至少共同延伸。换言之，堆芯成形器16的“高度”应等于或大于放置在堆芯成形器16内的反应堆堆芯14的“高度”。有利地，堆芯成形器16并不包括任何焊件、螺纹或其它紧固件。相反，环圈24的堆叠是自支承的。
为了便于制造，有利的是使堆叠的环圈24可互换。然而，在一些实施例中，最上方的环圈和/或最下方的环圈可以是不同的。借助示例性示例，堆芯成形器16包括的5个环圈24，其中三个中间单件式环圈24是可互换的，最下方的环圈24L省略了任何意在与“更下方”的环圈匹配的底表面结构（因为该最下方的环圈不与位于其下方的环圈对准），且最上方的环圈24U类似地省略了任何意在与“更上方”环圈匹配的任何上表面结构。此外，最上方的环圈24U在上表面上包括销36，用以与位于最上方的环圈24U之上的部件、例如上部内部件侧向和转动方向对准。可包括附加的销或其它堆芯成形器保持结构以防止环圈垂直运动。在一些实施例中，仅仅环圈24的重量或者与位于最上方环圈24U之上的部件的重量的相组合，可足以防止垂直运动，在该情形中无需任何安装或保持结构。
应注意到，每个环圈24的径向内表面32与堆芯（例如，多个燃料组件12）的形状相符，且径向外表面28是圆柱形的或者其它形状，以与堆芯支架18的内表面相符。在一些实施例中，在堆芯成形器16的外表面28和堆芯支架18的内直径或内表面之间形成有相对较小的间隙（例如，环形流道）来用于水循环。该间隙用作隔热套筒，并且还允许堆芯外部的旁通流量，这在一些应急堆芯冷却系统设计中会是有用的。在一个实施例中，伽马加热会使堆芯成形器环圈24的温度升高，且旁通流量可提供冷却。隔热套筒在功能上有助于适应核反应堆冷却系统从热段到冷段的热差，并且减小堆芯成形器16内可能由于此种热梯度而产生的应力。在主冷却剂流损失的情形下，旁通流量在功能上是有用的，因为隔热套筒还用作旁通流量通道，允许水在自然循环回路中垂直地向下行进通过隔热套管，在底部离开堆芯成形器16，转向并进入堆芯，在此，水离开堆芯的顶部并且再次转向并进入隔热套筒，以重复回路。在正常操作中，大量主冷却剂流进入堆芯成形器16的底部并且向上流过反应堆堆芯14，且总的主冷却剂流中仅仅小部分会向上行进通过隔热套筒。
可选地，可通过增大隔热套筒的尺寸或者通过在堆芯成形器16的环圈24的外表面28中提供旁通流量槽或通道40来提供更多旁通流量（或者可设计旁通流量的量）。在环圈的堆叠中，除了隔热套筒以外，这些通道40还延伸堆芯成形器16的整个轴向长度以允许更多的旁通流量。能将这些槽的尺寸、形状和位置选定为提供期望水平的旁通流量。作为堆芯成形器16的外表面28上旁通流量槽40的替代或附加方案，能穿过堆芯成形器环圈的堆叠而轴向地钻取一个或多个孔。
堆芯成形器16和反应堆堆芯14设置在堆芯支架18中。在所示出的实施例中，堆芯支架18通过安装支架42而从压力容器10的中间凸缘44（在图1中示意地示出）悬置。还设想了其它结构，包括例如通过抵靠在压力容器的下表面上的脚部或柱脚而从下方支承堆芯支架。
堆芯成形器16意在用作中子反射器。（换言之，堆芯成形器16可替代地被认为是中子反射器16）。为此目的，堆芯成形器16的圈24由不锈钢或者另一种合适的防腐蚀中子反射材料制成，以提供中子反射，从而更有效地燃烧周边燃料组件中燃料。在一些实施例中缺少焊件、螺栓或其它带螺纹紧固件是有利的，因为焊件或紧固件会由于反应堆堆芯14输出的辐射和热量产生的辐照脆化和差别热膨胀而失效。此外，堆芯成形器16具有较少的部件，例如在所示堆芯成形器16中的5个环圈24以及诸如所示出的上部约束销36之类的可选附加部件。
虽然在所示堆芯成形器16中采用了5个环圈24，但也可轴向地设置或堆叠其它数量的环圈（少至单个环圈），以产生期望高度的堆芯成形器。每个环圈的质量、尺寸和几何形状都可改变，以产生较宽范围的堆芯成形器。
相邻的环圈上可包括匹配结构，用以互锁和/或限制这些环圈之间的径向和/或轴向运动。例如，如图2和4所示，相邻的环圈可通过键/键槽互锁构造50而键合在一起，以防止相邻环圈之间发生相对转动。在一些实施例中，单件式环圈24的堆叠是自支承的。然而，或者可设想到，例如经由周围的堆芯支架而包括侧向支承，以防止堆叠倾斜或者提供从堆芯支架到堆芯成形器之中或者从堆芯成形器到堆芯支架的负荷传递。
参见图4并且进一步参见图5，堆叠的相邻环圈24的匹配表面能包括环形接头60，该环形接头提供曲折通路，该曲折通路用于使（侧向）流体流经由环圈24之间的接头而进入或离开堆芯成形器16。图5示出环圈241的一部分和堆叠在环圈241的顶部上的环圈242的侧剖视图。如图5所示，下部环圈241的顶表面包括周向沟槽或凹槽62，该周向沟槽或凹槽与上部环圈242的底表面上的周向突部64匹配。图5示出其中一个环圈24的上表面，该上表面包括周向沟槽或凹槽62。（周向突部64位于环圈24的底表面上且由此在图4中不可见）。此种构造形成呈搭接接头形式的示例性环形接头60，该环形接头增强堆叠之中环圈的对准，同时还降低经这些环圈之间界面的泄漏。该接头构造还会抑制冷却剂在相邻的环圈之间流动且随后喷射或以其它方式注射到燃料组件中。堆叠的最下方的环圈24L省略了周向突部64（因为并不存在与该最下方的环圈匹配的更下方的环圈），类似地，最上方的环圈24U省略了周向沟槽或凹槽62。提供通过接头的期望曲折流路的其它合适的环形接头包括匹配的沟槽/突部。
示例性堆芯成形器16围绕反应堆堆芯14的整个高度，然而仍容纳在堆芯支架18内。在一个实施例中，堆芯成形器16由不锈钢制成以将离开堆芯区域的中子反射回到堆芯中来继续进行核反应。例如，构成堆芯成形器16的环圈能被锻造或铸造。如上所述，一种较佳的材料是不锈钢。环圈能具有较宽范围的径向厚度。应将该厚度选定为提供足够的中子反射，并且还应足以确保环圈24堆叠的结构一体性。例如在具有相对较小堆芯的小型反应堆（SMR）的情形中，和/或在设计成在不执行临时燃料倒换的情形下进行操作的反应堆的情形中，相对较厚的堆芯成形器可有助于周边燃料组件的燃尽。更一般地，所披露的堆芯成形器的设计适合于用在任何尺寸的核反应堆中，并且适合于结合燃料倒换或者不结合燃料倒换来使用。术语“燃料倒换”指代如下一种过程：临时地使反应堆停运，并且将燃料组件移动至反应堆堆芯内的不同位置，从而，与在燃料的整个使用寿命期间每个燃料组件在反应堆堆芯内保持单个位置的情形相比，每个燃料组件中的燃料能更完全地被消耗。
已参照较佳实施例对示例实施例进行了描述。显然，其他人在阅读和理解前述详细说明书后会有各种修改和变型。所示例的实施例意在诠释为包括迄今为止的所有修改和变型，只要这些修改和变型在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (23)

1.一种设备，包括：
核反应堆堆芯，所述核反应堆堆芯包括裂变材料；
堆芯成形器，所述堆芯成形器围绕所述核反应堆堆芯，且所述堆芯成形器包括一个或多个单件式环圈，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述堆芯成形器包括两个或多个单件式环圈的堆叠，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述单件式环圈的堆叠是自支承的。
4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述单件式环圈的堆叠中的相邻单件式环圈包括键合结构以防止相对转动。
5.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述单件式环圈的堆叠并不包括用以将相邻的单件式环圈固定在一起的焊件或紧固件。
6.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述单件式环圈是锻造或铸造的环圈。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述单件式环圈是不锈钢环圈。
8.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述单件式环圈是不锈钢环圈。
9.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述堆叠中的相邻单件式环圈具有匹配的表面，所述匹配的表面成形为在所述相邻的单件式环圈之间限定环形接头，所述环形接头提供了用于使流体经由所述接头流入或流出所述堆芯成形器的曲折通路。
10.如权利要求1所述的器械，其特征在于，还包括：堆芯支架，所述堆芯支架容纳所述核反应堆堆芯和所述堆芯成形器。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，在所述堆芯成形器和所述堆芯支架之间形成有环形间隙。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述堆芯成形器包括单件式环圈的自支承堆叠，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料。
13.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述堆芯成形器的外表面包括轴向延伸的通道。
14.如权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括：压力容器，所述压力容器容纳所述核反应堆堆芯、所述堆芯成形器以及所述堆芯支架。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述堆芯支架从所述压力容器的中间凸缘悬置。
16.如权利要求1所述的设备，其特征在于，每个单件式环圈是不具有接头或接缝的单体元件。
17.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述堆芯成形器不包括焊件，也不包括紧固件。
18.一种方法，包括：
通过堆叠多个单件式环圈来构造堆芯成形器，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料；以及
通过将包括裂变材料的燃料组件设置在所述堆芯成形器内部而将核反应堆堆芯加载在所述堆芯成形器内部。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：在构造和加载之后，操作核反应堆，所述核反应堆包括设置在压力容器中的主冷却剂，所述压力容器还包含所构造的堆芯成形器和所加载的核反应堆堆芯，以加热所述主冷却剂。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：锻造每个单件式环圈。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：铸造每个单件式环圈。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：辊压板并且将所述板的边缘焊件在一起，以形成每个单件式环圈。
23.一种设备，包括：
堆芯成形器，所述堆芯成形器的尺寸被设计成用于核反应堆堆芯，且所述堆芯成形器包括两个或多个单件式环圈的堆叠，其中，每个单件式环圈包括中子反射材料并且具有与所述核反应堆堆芯的周缘相符的内表面。
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