CN103474113A - 球床模块式高温气冷堆燃料装卸系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球床模块式高温气冷堆燃料装卸系统，包括反应堆（10）、堆芯燃料循环系统（20）、新燃料装料系统（300）和乏燃料卸料系统（400）；所述反应堆（10）包括反应堆压力容器（11）、石墨堆内构件（12）、中心堆芯筒（13）、金属堆内构件（15）和卸料管（14），所述堆芯燃料循环系统（20）包括堆芯卸料系统（100）和堆芯装料系统（200）；还包括氦气气力输送系统（500）以及均与所述氦气气力输送系统（500）相连的压缩空气气力输送系统（600）、抽真空系统（700）、氦气供应与回收系统（800），所述氦气气力输送系统（500）还均与反应堆（10）、堆芯燃料循环系统（20）、新燃料装料系统（300）、乏燃料卸料系统（400）相连。

Description

球床模块式高温气冷堆燃料装卸系统

技术领域

本发明属于反应堆工程技术领域，特别地涉及一种球床模块式高温气冷堆燃料装卸系统。

背景技术

球床模块式高温堆利用球形燃料元件有利的几何特性，依靠元件重力和管道带压气体，采用元件多次通过堆芯的方式运行，使燃料元件链式反应更加充分，展平了堆芯功率，从而提高了反应堆的可利用率和电站负荷因子。

球床模块式高温堆商用电站中，燃料装卸系统在程序及逻辑控制下，全自动执行堆芯燃料元件的循环、装卸、燃耗测量、定向输送与暂存，以及卸乏燃料和补充新燃料等操作，实现燃料元件的不停堆连续循环与换料。由于燃料装卸系统与反应堆一回路相连，其大量运动部件工作在高温、高压、高放射性环境中，除执行上述燃料元件的操作功能外，燃料装卸系统还必须执行反应堆压力边界的冷却剂隔离与断管保护等安全功能，并确保系统及设备部件的运行可靠性与维修安全性。

中国发明专利CN1451165A公开了一种双区堆芯的单堆高温气冷堆核电站，以及针对燃料元件与减速剂元件两种元件的运送系统。在堆芯卸料并经元件识别和燃耗测量后，通过换向阀实现减速剂元件、乏燃料元件和未达目标燃耗燃料元件的分流，在减速剂元件和未达目标燃耗燃料元件入堆之前，后者利用由球收集器和球分配器组成的压力边界第二阀站，实现由两路提升向堆芯外环燃料区九路装料的切换。此外，该运送系统还公开了新燃料贮存系统、减速剂球贮存系统、乏燃料贮存系统和临时燃料贮存系统的流程。

中国发明专利CN200710117805.4公开了一种球床高温气冷堆在线换料系统。该在线换料系统适用于双反应堆高温气冷堆核电站，针对两座反应堆各设置了一个堆芯卸料装置和一个独立的燃料循环回路。该在线换料系统还公开了双堆公用的新燃料贮存系统、乏燃料贮存系统、堆芯排空和重新装料的流程。球形元件的定向输送和暂存通过各汇聚器和分配器完成。

专利CN1451165A的运送系统，在反应堆底部压力边界上一对球运送机出口的两个球流管路上，均设置了一道手动操作阀和一道自动控制阀，这两道阀门显然属于安全级隔离阀。专利CN200710117805.4虽未述及压力边界的安全级阀门，但该在线换料系统与堆芯的隔离阀也必然位于其第一卸料装置的出口管路上。一旦安全级隔离阀前的过球管段断裂，将发生不可隔离的安全事故。另一方面，安全级隔离阀后的过球管路以及大于DN15的气体管路一旦断裂，将喷射出超过400oC的高热氦气，对舱室内大量设备的非金属材料、电气部件和承重钢结构可能造成不可估量的损毁。

专利CN1451165A的运送系统采用一对球运送机两路独立卸料，适用于燃料元件10次以上通过堆芯的方式运行，作为运行参数和工况最为严酷的球输送机，一旦其中一个发生故障，受元件识别和燃耗测量时间限制，堆芯卸料速度和效率将减半，长时间运行可靠性受到影响；此外，该运送系统利用取自堆芯冷却剂的气流载带减速剂元件和未达目标燃耗燃料元件返回堆芯，输送稳定性与反应堆压力波动关系密切，运行可靠性影响因素复杂。

专利CN200710117805.4的第一卸料装置由两套取料单一器和碎球分离器对称布置，两套按100%互为备用，适用于燃料元件6次通过堆芯的方式运行。但该在线换料系统的新燃料装料和乏燃料卸料管路中均设置了约200个元件的暂存管路系统，通过气氛切换系统实现补充新燃料和卸出乏燃料的操作，第一至第四隔离阀以及相关气路上的阀门压力波动和变化大，开关动作频繁，运行可靠性受到挑战；此外，循环燃料元件和新燃料元件均通过专用的氦气压缩机送入堆芯，氦气压缩机、气流管路、球提升管路及其进气口与出气口等构成反应堆一回路之外的球形元件气力输送回路，专利说明书并未述及气力输送系统的细节，其运行可靠性也是影响反应堆运行可靠性的重要因素。

在上述两项专利中，卸料装置均包含了碎球分离器，且安全级隔离阀均位于卸料装置下游，一旦碎球分离器发生故障，就必须停止反应堆运行，并在泄压后进行维修。由于碎球分离器结构复杂，并一般采用卧式结构，维修拆卸时必须手动拆卸轴系路径上的法兰、屏蔽、滚筒等零部件，且受舱室空间限制，维修过程中，承压边界内放射性气氛的隔离和检修人员的防护非常困难。

上述两项发明专利从流程及布局两方面，分别公开了适用于双区单堆10次通过堆芯的燃料运送系统，以及适用于单区双堆6次通过堆芯的在线换料系统，但是没有解决商用核电站必须面对的安全隔离与断管保护、运行可靠性和维修安全性等问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种安全性更好、运行可靠性更高的球床模块式高温气冷堆燃料装卸系统，该系统不仅适用于具有两个球床反应堆的模块式高温气冷堆的堆芯燃料装卸、新燃料装料和乏燃料卸料，而且能够有效避免和防护堆芯底部燃料装卸管路的断管事故，易于进行放射性气体环境下的设备维修操作。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种球床模块式高温气冷堆燃烧装卸系统，包括反应堆10、堆芯燃料循环系统20、新燃料装料系统300和乏燃料卸料系统400；所述反应堆10包括反应堆压力容器11、石墨堆内构件12、中心堆芯筒13、金属堆内构件15和卸料管14，所述堆芯燃料循环系统20包括堆芯卸料系统100和堆芯装料系统200；

所述堆芯卸料系统100包括与所述反应堆10的卸料管14相连的第一卸料装置110以及依次设置的压力边界第一阀站111、碎球分离器114、辐射测量装置117，所述第一卸料装置110设有两个卸料口，所述两个卸料口各设有一条分立的堆芯卸料管路101，所述压力边界第一阀站111的输入端通过堆芯卸料管路101与第一卸料装置110的输出端连通，所述压力边界第一阀站111的输出端通过堆芯卸料管路101与碎球分离器114的输入端连通，碎球分离器114的输出端通过堆芯卸料管路101与辐射测量装置117的输入端连通，所述辐射测量装置117的输出端通过堆芯卸料管路101与堆芯装料系统200的输入端连通，所述碎球分离器114的输出端还通过旁通的碎球出口管路102连接碎球罐116；

所述堆芯装料系统200包括堆芯装料管路201以及依次设置的第一发送站210、压力边界第二阀站213、堆芯进料装置217，所述第一发送站210的输入端通过堆芯卸料管路101与辐射测量装置117的输出端连通，第一发送站210的输出端通过堆芯装料管路201与压力边界第二阀站213的输入端连通，所述压力边界第二阀站213的输出端通过堆芯装料管路201与位于所述反应堆压力容器11内的堆芯进料装置217连通；

所述新燃料装料系统300包括装料暂存管路系统303以及依次设置的第一低压阀站310、第一暂存装置313、第一高压阀站315，所述装料暂存管路系统303具有球流管路，所述第一低压阀站310的输入端分别通过管道301和302与外部新燃料供应系统接口901和堆芯重新装料系统接口902相连，所述第一低压阀站310的输出端通过装料暂存管路系统303与第一暂存装置313的输入端连通，所述第一暂存装置313的输出端通过装料暂存管路系统303与第一高压阀站315的输入端连通，所述第一高压阀站315的输出端分别通过新燃料出口管路304和305与第一发送站210的输入端相连；

所述乏燃料卸料系统400包括卸料暂存管路系统402以及依次设置的第二发送站410、第二高压阀站414、第二暂存装置419、第二低压阀站421，所述卸料暂存管路系统402具有球流管路，所述第二发送站410的输入端通过堆芯卸料管路101与辐射测量装置117的输出端连通，所述第二发送站410的输出端通过乏燃料一次提升管路401与第二高压阀站414的输入端连通，所述第二高压阀站414的输出端通过卸料暂存管路系统402与第二暂存装置419的输入端连通，所述第二暂存装置419的输出端通过卸料暂存管路系统402与第二低压阀站421的输入端连通，所述第二低压阀站421的输出端分别通过乏燃料二次提升管路403和取样管路404与外部乏燃料贮存系统接口902和取样罐427对应相连；

所述模块式高温气冷堆燃烧装卸系统还包括氦气气力输送系统500以及均与所述氦气气力输送系统500相连的压缩空气气力输送系统600、抽真空系统700、氦气供应与回收系统800，所述氦气气力输送系统500还均与反应堆10、堆芯燃料循环系统20、新燃料装料系统300、乏燃料卸料系统400相连。

优选的，所述堆芯卸料系统100的压力边界第一阀站111是一个不包含管道组成件的机械加工件，通过法兰和紧固件的相互配合与第一卸料装置110固定连通。

优选的，所述压力边界第一阀站111与所述第一卸料装置110整体制造，即压力边界第一阀站111与第一卸料装置110一体成型。压力边界第一阀站111设有与所述第一卸料装置110卸料口对应的球流通道，所述球流通道包括第一隔离阀组112和第一旋转输送器113，所述第一隔离阀组112包括至少两个自动控制阀门，所述第一旋转输送器113包括箱体和与所述箱体间隙配合的转子。转子的结构类似密封旋转门结构，它与箱体的配合使用具有限制气流流通和保证燃料球有序通过的功能。

优选的，所述堆芯卸料系统100还包括控制切换堆芯卸料管路101的第一桥联装置115，所述第一桥联装置115位于压力边界第一阀站111与辐射测量装置117之间，所述第一桥联装置115的输入端连通压力边界第一阀站111的输出端，所述第一桥联装置115的输出端连通辐射测量装置117的输入端。所述第一桥联装置115可位于所述碎球分离器114之前或之后，第一桥联装置115为一个元件输送转换器、或为一组元件输送转换器并联组成。通过所述转换器的动作与定位，可保证与第一卸料装置110的输出端出口相连的两个堆芯卸料管路101同时畅通，也可实现其中任一上游管路向下游两个管路的自动控制切换。

优选的，所述堆芯卸料系统100的辐射测量装置117包括第一辐射测量定位器118、与第一辐射测量定位器118连接的第一分配器119以及与第一辐射测量定位器118连接的外部燃耗测量装置。辐射测量装置117用于对从堆芯筒13卸出的球形元件16进行辐射与燃耗探测，以识别和分辨石墨元件、低富集度元件、高富集度原件、以及未达目标燃耗元件和乏燃料元件，进而根据探测结果和控制系统指令，驱动与之直连的第一分配器119将球形元件16向所述堆芯装料系统200或乏燃料卸料系统400对应的管路定向输送。

优选的，所述堆芯装料系统200的第一发送站210包括第一汇聚器211和与第一汇聚器211连接的第一管嘴212，所述第一汇聚器211的输入端分别与辐射测量装置117的输出端及第一高压阀站315的输出端相连通，所述第一管嘴212通过堆芯装料气体入口管路501与氦气气力输送系统500的输出端相连通。

优选的，所述堆芯装料系统200的压力边界第二阀站213包括依次设置的大弯头、第一气体分流器214、第二旋转输送器215和第二隔离阀组216，所述大弯头与堆芯装料管路201连通，所述第一气体分流器214的输入端通过大弯头与第一发送站210的输出端连通，所述第一气体分流器214的输出端为球流输出端且通过第二隔离阀组216与反应堆压力容器11的输入端相连通；所述第一气体分流器214的旁路输出端通过堆芯装料气体回流管路503与氦气气力输送系统500的输入端相连通。具体的，第一气体分流器214是一个带内花管的三通管件，其入口管路与大弯头相连，其直通出口为球流出口、与第二隔离阀组216相连。具体的，所述第二隔离阀组216与反应堆压力容器11的连接管道为双层管道。

优选的，所述第一低压阀站310包括控制切换装料暂存管路系统303的第二桥联装置311，所述第二桥联装置311的输入端管路上设置有自动控制阀门，所述第二桥联装置311的输出端管路上设置有包含自动控制阀门的第三隔离阀组312。第二桥联装置311可实现两个装料暂存管路支路之间任一对球流管路的连通与切换，装料暂存管路支路为装料暂存管路系统303中的分支。

优选的，所述第一暂存装置313包括第一料仓和与所述第一料仓连接的第二卸料装置314，第二卸料装置314用于卸出料仓内的新燃料元件。所述第一料仓包括进球管、温度、压力仪表以及用于气氛切换的进气与出气管口，所述第二卸料装置314包括卸料机构、出球管和粉尘出口管。

优选的，所第一高压阀站315包括控制切换装料暂存管路系统303的第三桥联装置316，所述第三桥联装置316的输入端管路和输出端管路分别对应设置有第四隔离阀组317和第五隔离阀组318，所述第四隔离阀组317包括两个自动控制阀门，所述第五隔离阀组318包括至少一个自动控制阀门。

优选的，所述新燃料装料系统300还包括设于第一高压阀站315、第一发送站210之间的第二分配器319，所述第二分配器319的输入端通过装料暂存管路系统303与与第一高压阀站315的输出端相连通，所述第二分配器319的输出端分别通过新燃料出口管路304和305与第一发送站210的输入端相连通。

优选的，所述第二发送站410第三旋转输送器411、与所述第三旋转输送器411的输出端连通的第二汇聚器412以及与第二汇聚器412的输出端连通的第二管嘴413；所述第三旋转输送器411的输入端通过乏燃料出口管路103与辐射测量装置117的输出端连通，所述第二管嘴413的输出端与乏燃料一次提升气体入口管路502相连。

优选的，所述第二高压阀站414包括控制切换卸料暂存管路系统402的第四桥联装置415，所述第四桥联装置415的输入端管路设置有通过乏燃料一次提升管路连通第二发送站410的输出端的第二气体分流器416以及设于第二气体分流器416输出端管路的第六隔离阀组417，第四桥联装置415的输出端管路设置有包括两个自动控制阀门的第七隔离阀组418，所述第二气体分流器416的输出端口为球流出口且第二气体分流器416的旁路输出端还通过乏燃料一次提升气体回流管路504与氦气气力输送系统500的输入端连通。

优选的，所述第二暂存装置419包括第二料仓和与所述第二料仓的输出端连通的第三卸料装置420，所述第二料仓的输入端与所述第二高压阀站414的输出端相连，所述第三卸料装置420的输出端与所述第二低压阀站421的输入端相连。

优选的，所述第二低压阀站421包括控制切换卸料暂存管路系统402的第五桥联装置422，所述第五桥联装置422的输入端管路上设置有包括两个自动控制阀门的第八隔离阀组423，所述第五桥联装置422的输出端管路上依次设置有第九隔离阀组424、第二测量定位装置425和与第二测量定位装置425的输出端连通的第三管嘴426，所述第三管嘴426的输出端与乏燃料二次提升管路403相连，所述第三管嘴426的输出端还与乏燃料二次提升气体入口管路601相连。

优选的，所述氦气气力输送系统500包括依次连接的汇聚罐510、第一过滤器组511、氦气压缩机512和缓冲罐513，所述汇聚罐510、氦气压缩机512和缓冲罐均设置有两台，所述第一过滤器组511包含三台并联的过滤器；所述两个汇聚罐510通过带隔离阀的管道相连，汇聚罐510的输入端分别通过堆芯装料气体回流管路503、乏燃料一次提升气体回流管路504和氦气吹扫回流管路506与压力边界第二阀站213的输出端、第二高压阀站414的输出端和碎球分离器114的输出端对应连通；所述两个缓冲罐513通过带隔离阀的管道相连，缓冲罐513的输出端分别通过堆芯装料气体入口管路501、乏燃料一次提升气体入口管路502和氦气吹扫入口管路505与第一发送站210的输入端、第二发送站410的输入端和第一发送站210的输入端对应连通。

优选的，所述压缩空气气力输送系统600包括罗茨风机610、乏燃料二次提升气体入口管路601及通过压缩空气连通管路602，所述罗茨风机610分别通过乏燃料二次提升气体入口管路601、压缩空气连通管路602与第二低压阀站421、氦气气力输送系统500对应相连。

优选的，所述抽真空系统700包括第二过滤器组710和真空泵机组711，位于气氛切换抽真空主管路702上的所述第二过滤器组710通过气氛抽真空分支管路701与第一暂存装置313以及第二暂存装置419相连，所述真空泵机组711通过抽真空连通管路703与所述氦气气力输送系统500相连。

优选的，所述氦气供应与回收系统800分别通过气氛切换氦气供应主管路803、气氛切换氦气供应分支管路804与第一暂存装置313、第二暂存装置419对应相连，所述氦气供应与回收系统800还通过氦气供应连通管路805与氦气气力输送系统500相连；

所述氦气供应与回收系统800包括高压氦气供应管路801、低压氦气供应管路802以及设于低压氦气供应管路802的减压阀组810，所述高压氦气供应管路801与气氛切换氦气供应主管路803、氦气供应连通管路805均连通，所述低压氦气供应管路802与气氛切换氦气供应主管路803、氦气供应连通管路805均连通。

优选的，所述各装置及各阀站球流管路上的运动部件均采用磁力耦合器。

优选的，所述各球流路径均设置有过球传感器，用于检测球流管路内燃料元件的通过数量及速度信息，并将检测结果传送至控制系统，控制系统实时计算和显示相关暂存区域内的存球数量，触发预设的程序和逻辑指令，控制各相关阀门、装置以及配套气路系统的动作，实现燃料装卸系统的自动运行。

（三）有益效果

与现有技术和相近技术相比，本发明的第一个有益效果在于安全性更高。本发明在反应堆的每个压力边界分别设置了压力边界第一阀站和第二阀站，且阀站内每个球流通道上至少设置了两个自动控制隔离阀，其中压力边界第一阀站采用阀组整体机加工锻件的形式，通过法兰与堆芯卸料装置直连，彻底避免了压力边界不可隔离的超设计基准断管事故的发生，而在压力边界第二阀站与反应堆压力容器之间采用双层管，也可避免后果相对较轻的断管事故的发生。再者，在压力边界第一阀站的下游和压力边界第二阀站的上游分别设置了具有限流功能的第一和第二旋转输送器，其具有类似旋转门的结构，可将第一阀站下游和第二阀站上游的球流管路DN65以下的断管事故变更为可隔离的DN15断管事故，从而将断管泄放的气体由400oC以上降低到130oC左右，从而对周围设备及钢结构支撑不构成破坏性威胁。另一方面，在新燃料装料系统和乏燃料卸料系统中各自暂存管路系统中的高压区与低压区边界分别设置了第一、第二低压阀站和第一、第二高压阀站，每个阀站的任一过球通道上至少有两个自动控制阀门，通过气氛切换，能够安全保证高压区内氦气的纯净度和外部接口环境免受放射性污染。此外，在堆芯装料管路中设置了大弯头、气体分流器、第二旋转输送器和堆芯进料装置，能够有效降低气力输送燃料元件的输送速度，从而很好地保护元件的实体完整性。本发明中诸于此类的技术特征均能够从不同方面提高系统及反应堆的安全性。

本发明与现有技术相比的，第二个有益效果在于系统运行可靠性更高。由于采用了具有桥联功能的双路卸料方式运行，即使在堆芯卸料装置单侧故障情况下，也能满足堆芯双路装卸料的运行速度要求。再者，影响堆芯卸料与循环速度的主要因素在于燃耗测量时间长，由于设置了两个辐射测量装置，解决了燃耗测量运行的时间瓶颈，配合上下游桥联装置、分配器和汇聚器等装置，本发明能够满足燃料元件8～15次过堆芯的堆芯卸料与元件循环速度要求，保证了反应堆可利用率。此外，现有技术中新燃料装料和乏燃料卸料流程中，高低压区的气氛切换采用盘旋管路暂存，每段容量仅为200个，寿命期内气氛切换区段的球路上的隔离阀动作次数高达数万次以上，气氛切换气体管路上的阀门动作次数更是高达十多万次以上，必须采用特殊设计，并不可避免需频繁维修更换；本发明则在公用的新燃料装料系统和乏燃料卸料系统中各设置了2个暂存装置，其料仓容量可设计为800～6000个元件，甚至更大容量，并在每个高、低压阀站内均设置了桥联装置，实现任一对球流管路的连通与切换，从而气氛切换相关阀门的动作次数减小到2000～15000以内，常规阀门即能满足运行寿命和预防性维修要求，提高了系统可靠性。另一方面，具有反冲洗、过滤和冗余备用等完善功能与工艺流程的气体辅助系统，如氦气气力输送系统、压缩空气气力输送系统、抽真空系统、氦气供应与回收系统等，以及多处设置的桥联装置、分布广泛的过球传感器和全面采用的磁传动密封技术等，均显著提高了燃料装卸系统的运行可靠性，从而能够有效保证反应堆的可利用率和负荷因子。

与现有技术和相近技术相比，本发明的第三个有益效果在于维修更便利和更安全。首先，本发明将原一体化堆芯卸料装置的单一取料功能和碎球分离功能分离，分别通过第一卸料装置和碎球分离器两台设备执行相应功能，采用结构简单和易于维修的第一堆芯卸料装置，可以保证其长期的运行可靠，在可能性极低的维修更换时也易于进行放射性气氛隔离，而置于第一压力边界隔离阀站之后，运行频繁故障率更高的碎球分离器则可以在压力隔离条件下进行检修，大大降低了维修难度和成本，提高了维修安全性。其次，由于在反应堆压力边界以及燃料装卸系统高压区边界和低压区边界都设置了隔离阀组，且可利用专设的抽真空系统，能够在很低的放射性剂量环境中进行相关管路系统及设备的维修与更换，如动作频繁、发生故障概率相对较大的碎球分离器位于反应堆压力边界隔离阀之外，在无需对反应堆泄压情况下即可对其进行维修更换。最后，系统采用外装式过球探测器，无需贯穿承压管道，便于探测器的安装与维修更换，也有利于球流管路及相关设备的运行调试，所有球流管路上的转动部件均采用磁力耦合器将动密封转化为非接触式的无泄漏静密封，既降低了设备维修要求，也便于拆卸维修。

附图说明

图1为一实施例中本发明技术方案所涉及的球床模块式高温气冷堆燃烧装卸系统的一个实施例的系统总控制流程简图；

图2是图1所示实施例堆芯循环燃料系统及其气体辅助系统的控制流程简图；

图3是图1所示实施例乏燃料卸料系统及其气体辅助系统的控制流程简图；

图4是图1所示实施例新燃料装料系统及其气体辅助系统的控制流程简图。

标号说明

1：反应堆及其压力边界区；2：高压区；

3：气氛切换区；4：低压区；

10：反应堆；20：堆芯燃料循环系统；

11：反应堆压力容器；12：石墨堆内构件；13：堆芯筒；

14：卸料管；15：金属堆内构件；16：球形元件；

100：堆芯卸料系统；200：堆芯装料系统；

300：新燃料装料系统；400：乏燃料卸料系统；

500：氦气气力输送系统；600：压缩空气气力输送系统；

700：抽真空系统；800：氦气供应及回收系统；

101：堆芯卸料管路；102：碎球出口管路；

103：乏燃料出口管路；110：第一卸料装置；

111：压力边界第一阀站；112：第一隔离阀组；

113：第一旋转输送器；114：碎球分离器；

115：第一桥联装置；116：碎球罐；117：辐射测量装置；

118：第一测量定位器；119：第一分配器；

201：堆芯装料管路；210：第一发送站；

211：第一汇聚器；212：第一管嘴；213：压力边界第二阀站；

214：第一气体分流器；215：第二旋转输送器；

216：第二隔离阀组；217：堆芯进料装置；

301：新燃料供应管路；302：堆芯重新装料管路；

303：装料暂存管路系统；304/305：新燃料出口管路；

310：第一低压阀站；311：第二桥联装置；

312：第三隔离阀组；313：第一暂存装置；

314：第二卸料装置；315：第一高压阀站；316：第三桥联装置：

317：第四隔离阀组；318：第五隔离阀组；319：第二分配器；

401：乏燃料一次提升管路；402：卸料暂存管路系统；

403：乏燃料二次提升管路；404：取样管路；

410：第二发送站；411：第三旋转输送器；

412：第二汇聚器；413：第二管嘴；

414：第二高压阀站；415：第四桥联装置；

416：第二气体分流器；417：第六隔离阀组；

418：第七隔离阀组；419：第二暂存装置；

420：第三卸料装置；421：第二低压阀站；

422：第五桥联装置；423：第八隔离阀组；

424：第九隔离阀组：425：第二测量定位器；

426：第三管嘴；427：取样罐；

501：堆芯装料气体入口管路；

502：乏燃料一次提升气体入口管路；

503：堆芯装料气体回流管路；

504：乏燃料一次提升气体回流管路；

505：氦气吹扫入口管路；506：氦气吹扫回流管路；

510：汇聚罐；511：第一过滤器组；

512：氦气压缩机；513：缓冲罐；

601：乏燃料二次提升气体入口管路；

602：压缩空气连通管路；610：罗茨风机；

701：气氛切换抽真空分支管路；702：气氛切换抽真空主管路；

703：抽真空连通管路；710：第二过滤器组；711：真空泵机组；

801：高压氦气供应管路；802：低压氦气供应管路；

803：气氛切换氦气供应主管路；

804：气氛切换氦气供应分支管路；

805：氦气供应连通管路；810：减压阀组；

901：新燃料供应系统接口；902：乏燃料贮存系统接口；

903：舱室气体；904：低压气体排放接口；

905：高压氦气排放接口；906：氦气供应接口

图例中：

S1：球阀；S2：减压阀；S3：气体分流器；S4：进气管嘴；

S5：送料单一器；S6：桥联装置；S7：取料单一器；

S8：碎球分离器；S9：分配器；S10：汇聚器；

S11：燃耗测量装置：S12：乏燃料识别装置：

S13：氦气压缩机；S14：罗茨风机；

S15：无油真空泵；S16：过滤器

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1示出了本发明涉及的模块式高温气冷堆的一个实施例总流程简图，图2～4分别示出了该实施例堆芯燃料循环系统及其气体辅助系统、乏燃料卸料系统及其气体辅助系统、新燃料装料系统及其气体辅助系统的流程简图。

本发明球床模块式高温气冷堆燃料装卸系统，主要分为四个部分，即：反应堆10、堆芯燃料循环系统20、新燃料装料系统300和乏燃料卸料系统400。燃料循环系统20由堆芯卸料系统100和堆芯装料系统200组成。此外，燃料装卸系统还包括配套的氦气气力输送系统500、压缩空气气力输送系统600、抽真空系统700和氦气供应与回收系统800等四个辅助气流系统。

本实施例的燃料装卸系统包括两座反应堆10，对应于每座反应堆各有一个独立的燃料循环系统20，即由堆芯卸料管路101和堆芯装料管路201组成的两个球流路径，而所述新燃料装料系统300、乏燃料卸料系统400，以及氦气气力输送系统500、压缩空气气力输送系统600、抽真空系统700和氦气供应与回收系统800等辅助系统，均为两座反应堆所公用。双堆燃料装卸系统分别通过新燃料出口管路304的分支管路以及乏燃料一次提升管路401与所述燃料循环系统20中对应的堆芯装料系统200和堆芯卸料系统100连通。

反应堆10包括一个反应堆压力容器11、若干石墨堆内构件12、一个中心堆芯筒13、若干金属堆内构件15和一个卸料管14，所述中心堆芯筒13位于所述石墨构件内，其底部是一个具有倒圆锥形过渡段的卸料筒，并与所述反应堆压力容器10下部的卸料管相连，在所述中心堆芯筒13及其卸料筒和所述卸料管14内松散堆积球形元件16，所述球形元件利用其有利的几何外形，依靠重力自上而下流动。在氦气气力输送系统500、压缩空气气力输送系统600、抽真空系统700和氦气供应与回收系统800等辅助系统配合下，通过堆芯燃料卸料系统100、堆芯装料系统200、新燃料装料系统300和乏燃料卸料系统400进行堆芯循环、装料和卸料。

在反应堆不同运行阶段，可能的元件包括石墨球、低富集度燃料球和高富集度燃料球，其中前两者用于堆芯初始装料和过渡循环运行，高富集度燃料球在过渡循环一段时间后投入使用，在正常运行期间全部由高富集度燃料球组成，这些不同种类的球形元件主要通过所述新燃料装料系统300所述装入堆芯筒13。所述球形燃料元件由堆芯卸料系统100和堆芯装料系统200执行球形元件的堆芯卸料、燃耗测量和返回堆芯的燃料元件循环功能，在多次通过堆芯并充分链式反应后，达到目标燃耗作为乏燃料，经由堆芯卸料系统100和乏燃料卸料系统400卸出到乏燃料贮存系统作厂内暂存。单个燃料元件通过堆芯达到目标燃耗的循环次数是基于反应堆物理分析的，在线运行的燃料装卸系统通过其内部配置，其运行能力可以满足球形燃料元件8至15次通过堆芯。为位置反应堆稳定的运行功率，每天需要经由新燃料装料系统300和堆芯装料系统200向反应堆堆芯筒13内补充新燃料，装入的新燃料数量与双堆卸出的乏燃料元件数量相当。

如图2所示，所述堆芯卸料系统100起始于一个与所述反应堆10的卸料管14直连的具有两个卸料口的第一卸料装置110，其每个卸料口下游各有一条分立的堆芯卸料管路101，在所述堆芯卸料管路101上自顶向下依次设置压力边界第一阀站111、碎球分离器114和辐射测量装置117，所述碎球分离器114还有一个旁通的碎球出口管路102，其下连接碎球罐116。本实施例中，所述堆芯卸料系统100的堆芯卸料和碎球分选功能分别由第一卸料装置110和碎球分离器114执行，其间则设置有压力边界第一阀站111，更有效地保证了堆芯卸料系统的维修安全性；所述第一卸料装置110仅执行单一化或单列化卸料功能，其卸料部件可采用免维护的气动部件（可参见CN93103986.X），也可采用结构简单的机械扰动（CN200610113588.7）或机械取料（参见CN200610113587.2）部件，或者采用易于拆卸维修的电磁驱动或其他可能的结构；所述碎球分离器114则采用公知的螺旋推进与尺规间隙检测原理进行完好元件与破损元件的分离。

所述压力边界第一阀站111可以是一个不包括管道组成件的锻件机电一体化装置，通过法兰与所述第一堆芯卸料装置110相连，其球流通道与所述堆芯卸料装置的元件出口通道相连，且在球流通道上至少有两道自动控制的第一隔离阀组112和一个第一旋转输送器113，所述第一旋转输送器113可参见CN201010533835.5公开的技术特征，其具有带接球杯的转子用以单一化输送球形元件，且其转子与箱体之间为间隙配合，气流通过截面可等效为DN15的小管道，从而如果出现下游DN15至DN65的断管，均可等效为DN15的小管断裂，配合所述第一隔离阀组，保证反应堆及系统设备安全。

所述第一桥联装置115由一个或一组元件输送转换器组成，通过转换器的动作与定位，可保证两个卸料路径的同时畅通，也可实现任一上游球流管路向下游两个球流路径的切换，从而可以保证在上游第一卸料装置中单侧出现故障时，仍可通过另一侧加速运行，保证对下游提供足够的用于燃耗测量的元件，保证运行能力，一种可采用的桥联装置的技术特征如CN201010546429.2所述。

所述堆芯卸料系统100的辐射测量装置117包括第一辐射测量定位器118和与第一辐射测量定位器118对应连接的外部燃耗测量装置；第一测量定位器118可将待测量元件定点到待测量位置，而燃耗测量系统则通过准直器（可参考CN201110097128.0）与之对应，对从堆芯筒13卸出的球形元件16进行辐射与燃耗探测（可参考CN201110098048.7和CN201110098049.1），以识别和分辨石墨元件、低富集度元件、未达目标燃耗元件和乏燃料元件，进而根据探测结果和控制系统指令，驱动第一分配器119将所述球形元件16向所述堆芯装料系统200或乏燃料卸料系统400对应的管路定向输送。

本实施例中，堆芯装料系统200有两个入口管路，分别与堆芯卸料系统100的两个出口管路对应相连，并形成两个由堆芯装料管路201组成的燃料循环路径，每个路径均由堆芯卸料下行管段、气力输送上行管段和堆芯装料下行管段等三个管段组成，其中下行管段为倾斜或竖直向下的管道，球形元件依靠自重流动；而上行管道则是水平、空间倾斜或竖直向上的管道，球形元件依靠专用的氦气压缩机提供的压力升自底向上向上气力输送。在每个堆芯卸料下行管段上均有一个第一发送站210，而在堆芯装料下行管段上各有一个压力边界第二阀站213。

每个第一发送站210都包括一个第一汇聚器211与一个第一管嘴212，所述第一汇聚器211有两个入口和一个出口，可以是一个三通球阀类的机电一体化装置，也可以是一个斜三通，前者可以同时有两路球形元件流入，但转动类似阀芯的转子，只能使其中一路与出口接通，后者则只能有一路球形元件流入；所述第一汇聚器211的入口之一与上游所述堆芯卸料系统100中辐射测量装置117对应的堆芯循环元件出口管路相连，接受并通过一个堆芯装料管路201向堆内发送循环燃料元件，其第二入口与所述新燃料装料系统300中对应的一个出口管路相连，接受并通过一个201管路向堆芯内气力输送并装入新燃料元件，所述第一管嘴212是一个异径接头，其小端焊接在所述第一汇聚器211的出口球流管路上，大端则与来源于氦气压缩机组的堆芯装料气体入口管路501相连。

在堆芯装料管路201的球流气力提升管路顶端设置有一个顶部大弯头，用于改变球形元件运动方向并保护球形元件和弯头免受过度撞击，之后是堆芯装料下行管段及压力边界第二阀站213，所述压力边界第二阀站213内依次是第一气体分流器214、第二旋转输送器215和第二隔离阀组216。

第一气体分流器214是一个带内花管的特制三通管件（参考CN201010103339.6），其入口管路与上行管段堆芯装料管路201的顶部大弯头相连；第一气体分流器214直通出口是球流出口，与第二旋转输送器215连接；第一气体分流器214的旁路出口是堆芯装料气体回流管路503的入口。由于第二旋转输送器215对提升气流的阻隔和限制作用，在第一气体分流器214处，球形元件和输送气流分别由其直通出口下行和旁通出口回流，此外，在第一气体分流器214和第二旋转输送器215之间还会形成一个气垫，对球形元件进行减速直至停止，而后由第二旋转输送器215相堆芯内输送。

压力边界第二阀站213内的第二旋转输送器215和第二隔离阀216与压力边界第一阀站111内的第一隔离阀组112及第一旋转输送器113具有相同的断管保护功能，与不包含管道组成件的压力边界第一阀站111不同，压力边界第二阀站213与反应堆压力容器之间还有一段较长的连接管路，为避免其断管，采取双层管结构。

两堆芯装料下行管段穿过反应堆压力容器11上封头后，汇聚于堆芯进料装置217，所述堆芯进料装置217是安装在金属堆内构件上的机械装置（可参考CN201010033867.9），具有对进堆元件减速的功能。

新燃料装料系统300包含一个具有两个支路的装料暂存管路系统303，其上游支路分别通过新燃料供应管路301和堆芯重新装料管路302与外部新燃料供应系统接口901和乏燃料贮存系统接口902对应相连，其下游支路分别通过新燃料出口管路304和305与两个反应堆10相连的堆芯装料管路201相连，所述每个装料暂存管路系统303支路自上而下依次设置第一低压阀站310、第一暂存装置313和第一高压阀站315。

装料暂存管路系统303上的第一低压阀站310，是一个以第二桥联装置310为中心的低压阀站，具有两个入口管和两个出口管，第二桥联装置311可实现两个入口管和两个出口管之间任一对球流管路的连通与切换，不仅在正常运行期间，可将来自新燃料供应系统的新燃料装入其下游的任一个第一暂存装置313，还可在堆芯排空后的重新装料工况下，将来自乏燃料贮存系统中使用过的燃料元件装入下游的任一个第一暂存装置313中。此外，在第二桥联装置311的两个入口管路上各设置一个自动控制阀门，而在两个出口管路上各设置有包含两个自动控制阀门的第三隔离阀组312。

装料暂存管路系统303上的每一台第一暂存装置313主要由一个料仓和一台第二卸料装置314组成，其上游分别与所述第一低压阀站310的两个出口管路相连，下游分别与所述第一高压阀站315的两个入口管路相连，料仓是一个可贮存800～6000个甚至更多新燃料元件的大容量贮罐，并设置设有进球管、温度和压力仪表，以及用于气氛切换的进气与出气管口，而第二卸料装置314则包括一套卸料机构、一个出球管和一个粉尘出口管，用于卸出料仓内的新燃料元件。

装料暂存管路系统303上的第一高压阀站315，也是一个以第三桥联装置316为中心的高压阀站，第三桥联装置316可实现两个装料暂存管路支路之间任一对球流管路的连通与切换，且在其两个入口支路和两个出口支路上分别设置有第四隔离阀组317和第五隔离阀组318两个阀组，其中第四隔离阀组317包括两个自动控制阀门，而第五隔离阀组318则至少包括一个自动控制阀门。

两个装料暂存支路上的第三隔离阀组312和第四隔离阀组317，配合抽真空系统700以及氦气供应与回收系统800，可以对相应第一暂存装置313的料仓进行气氛切换，以确保装料过程中料仓气氛与外界大气一致，避免来自堆芯的放射性氦气排放到大气中，而在卸料时保证料仓气氛与堆芯装料系统200的气氛一致，以免外界含杂质气体进入堆芯。在第一低压阀站310中相应第三隔离阀组312内的自动控制阀开通时，每台第一暂存装置313可独立接收来自新燃料装料系统的新燃料或来自乏燃料贮存系统中使用过的燃料元件。

新燃料装料系统300中装料暂存管路系统303的两个出口支路上还各设置一个第二分配器319，每个第二分配器319各有两个出口，分别与相应反应堆10堆芯装料系统200对应的两个堆芯装料管路相连。在第一高压阀站315中相应第四隔离阀组317与第五隔离阀组318内的自动控制阀开通时，每台第一暂存装置313可通过第二分配器319的任一新燃料出口管路304和305向双堆中任一座反应堆的堆芯装料。

新燃料出口管路304或305与堆芯卸料管路101在堆芯装料系统的第一发送站210处汇聚，之后经由堆芯装料管路201向堆芯装料。氦气气力输送系统500提供的连续氦气通过堆芯装料气体入口管路501、经由第一发送站210内的第一管嘴212输送至堆芯装料管路201。当有经堆芯卸出的循环元件或者新燃料进入该管道（堆芯装料管路201）时，带压氦气将其悬浮输送，在气流和进堆元件到达压力边界第二阀站213处的第一气体分流器214时，氦气流和进堆元件分离，氦气流经由堆芯装料气体回流管路503返回氦气气力输送系统500，而进堆元件则经由压力边界第二阀站213及其后的球流管路进入反应堆堆芯。

乏燃料卸料系统400起始于与两个反应堆10对应堆芯卸料管路101各自相连的第二发送站410，之后是一个公用的具有两个支路的卸料暂存管路系统402。卸料暂存管路系统402在上游通过两个入口管道与来自相应第二发送站410的乏燃料卸料一次提升管路401相连，其下游的两个出口则分别通过乏燃料二次提升管路403和取样管路404与外部乏燃料贮存系统接口902及取样罐427对应相连，每个卸料暂存管路系统402支路自上而下依次设置第二高压阀站414、第二暂存装置419和第二低压阀站421。

乏燃料卸料系统400的每个第二发送站410均包含两个入口管和一个出口管，其两个入口管的上游分别与两座反应堆10对应的堆芯卸料系统100中的辐射测量装置117相连，下游则各设置一个第三旋转输送器411，并汇聚到一个第二汇聚器412上，在之后的出口管路上还设置有一个第二管嘴413。第三旋转输送器411采用具有隔料和单一化功能的转盘或转子结构（参考CN201210556990.8），卸出的乏燃料可以在第三旋转输送器411前暂存；第二汇聚器412可以是一个三通球阀类的机电一体化装置，也可以是一个斜三通；第二管嘴413与乏燃料一次提升气体入口管路502相连。反应堆10在卸料过程中，双路有可能同时卸出乏燃料，通过两个乏燃料卸料管路上的第三旋转输送器411，或者与具有三通球阀的第二汇聚器412配合，可以避免同时到达的乏燃料元件在第二汇聚器412内接拱，保证单球输送，以避免一串乏燃料球在提升管内气力输送。

乏燃料卸料暂存管路系统402上的第二高压阀站414，是一个以第四桥联装置415为中心的高压阀站，具有两个入口支路和两个出口支路，在所述每个入口管路上各有一个第二气体分流器416，所述第四桥联装置415可实现两个卸料暂存管路支路之间任一对球流管路的连通与切换，且在其两个入口和两个出口支路上各设置有第六隔离阀组417和第七隔离阀组418共两个阀组，所述第六隔离阀组417至少包括一个自动控制阀门，所述第七隔离阀组418包括两个自动控制阀门，所述第二气体分流器416是一个带内花管的三通管件，其入口管路与所述对应反应堆堆芯卸料系统100之后的第二元件发送站410的出口相连，其直通出口是球流出口，与第四桥联装置415相连，其旁路出口是乏燃料一次提升气体回流管路504的入口。

氦气气力输送系统500提供的连续氦气通过乏燃料一次提升气体入口管路502，经由第二发送站410内的第二管嘴413输送至乏燃料一次提升管路401，当有乏燃料进入该管道时，带压氦气将其悬浮输送，在气流和乏燃料到达第二高压阀站414的第二气体分流器416时，氦气流和乏燃料分离，氦气流经由乏燃料一次提升气体回流管路504返回氦气气力输送系统500，而乏燃料则经由第二高压阀站414及其后的球流管路进入第二暂存装置419暂存。

乏燃料卸料系统400中卸料暂存管路系统402上的每个第二暂存装置419均包含一个大容量料仓和一个第三卸料装置420，其上游入口分别与所述第二高压阀站414的两个出口管路相连，下游出口分别与所述第二低压阀站421的两个入口管路相连。

乏燃料卸料系统400中卸料暂存管路系统402上的第二低压阀站421，是一个以第五桥联装置422为中心的低压阀站，所述第五桥联装置422可实现两个卸料暂存管路支路之间任一对球流管路的连通与切换，且在其两个入口支路上各设置有一个包括两个自动控制阀门的第八隔离阀组423，所述两个出口支路上各设置有一个至少包括一个自动控制阀门第九隔离阀组424，其中一个出口支路与取样罐427相连，另一个出口支路与通向外部乏燃料贮存系统的乏燃料二次提升管路403相连，并依次设置一个第二测量定位装置425和一个第三管嘴426，所述第二测量定位装置425与外部辐射测量装置配合，用于对卸出的乏燃料进行再次确认，以识别出可能被误排入乏燃料卸料系统的石墨元件，由主控制系统指令后续乏燃料贮存系统接收两种类型的卸出元件，所述第三管嘴426与乏燃料二次提升气体入口管路601相连。

两个卸料暂存支路上的第七隔离阀组418和第八隔离阀组423，配合抽真空系统700以及氦气供应与回收系统800，可以对相应第二暂存装置419的料仓进行气氛切换，以确保向乏燃料贮存系统卸料过程中料仓气氛与外界大气一致，避免来自堆芯的放射性氦气排放到大气中，而在从堆芯卸出乏燃料时保证料仓气氛与堆芯装料系统200的气氛一致，以免外界含杂质气体进入堆芯。气氛切换后，在第七隔离阀组418的自动控制阀开通时，每台第二暂存装置419可独立接收来自堆芯的乏燃料，而在第八隔离阀组423开通时，每台第二暂存装置419可独立向乏燃料贮存系统卸出乏燃料。

压缩空气气力输送系统600连续提供的压缩空气通过乏燃料二次提升气体入口管路601，经由卸料暂存管路系统402中第二低压阀站421处的第三管嘴426输送至乏燃料二次提升管路403，当有乏燃料进入该管道时，压缩空气将其悬浮向乏燃料贮存系统输送。

在特殊情况下，需要将反应堆10内的球形元件全部排空时，堆芯球形元件首先在堆内冷却一段时间，之后经由堆芯卸料系统100的卸料管路，不必进行燃耗测量，而在碎球分离后，直接连续经由乏燃料卸料系统400向乏燃料贮存系统定向输送，且不必进行气氛切换。而在需要将排出堆芯的燃料元件重新装入堆芯时，则经由乏燃料贮存系统的堆芯重新装料接口902和新燃料装料系统300，以及堆芯装料系统200向堆芯装料，并分成两个阶段进行，在第一阶段中需将堆芯装料系统200中压力边界第二阀站213替换为专设的堆芯装料缓冲装置（参见CN201010117110.8），不经过气氛切换，利用与氦气气力输送系统500联通的压缩空气气力输送系统600，直接连续向堆芯底部装料。在堆芯装料达到一定高度和临界后，反应堆内的气氛置换为氦气，即进入第二阶段装料，已撤出专设的堆芯装料缓冲装置，并恢复压力边界第二阀站213功能，此时，从新燃料装料系统300装料时需要进行气氛切换。

氦气气力输送系统500由两个汇聚罐510、一个包含三台并联过滤器的第一过滤器组511、两台氦气压缩机512和两个缓冲罐513及若干管路组成两个可隔离的并联管路系统，分别与两座反应堆10各自对应的堆芯燃料循环系统20、新燃料装料系统300分支管路和乏燃料卸料系统400分支管路连通。两个汇聚罐510通过带隔离阀的管道相连，且各有若干进气管口，分别连通两座反应堆10对应的堆芯装料气体回流管路503、乏燃料一次提升气体回流管路504和氦气吹扫回流管路506。所述两个缓冲罐513通过带隔离阀的管道相连，且各有若干出气管口，分别连通两座反应堆10对应的堆芯装料气体入口管路501、乏燃料一次提升气体入口管路502和氦气吹扫入口管路505。管路上的阀门优先布置在所述汇聚罐510组、过滤器组511、氦气压缩机512组和缓冲罐513组附近的阀站内。

两台氦气压缩机512均采用小流量、大压力升的离心式压缩机（参见CN200710121178.1），采用电磁轴承解决压缩机的氦气密封问题以及转子的连续可靠运行。在所述压缩机管路系统中还设置有具有调节功能的回流旁路，在所述缓冲罐513的各出口管路501和502上均设置了调节阀和隔离阀。利用上述管路系统记上设置的隔离阀和调节阀的配合，可以实现单台氦气压缩对双堆4路进堆燃料元件和2路一次提升的乏燃料进行同时气力输送，也可实现双堆隔离工况下，利用两台氦气压缩机对各堆2路进堆燃料元件和1路一次提升的乏燃料进行同时气力输送，也可以利用单台或两台氦气压缩机进行所述4路进堆燃料元件和2路一次提升的乏燃料中的任意1至6路进行气力输送。即，正常运行期间，可利用其中一台氦气压缩机和一个脉冲反吹过滤器，执行双堆堆芯燃料循环、新燃料堆芯装料、乏燃料卸料一次提升等多路球形元件的气力输送功能；特殊阶段，则利用两台氦气压缩机和两个脉冲反吹过滤器，对双堆隔离，并执行上述功能；运行间隙，可执行对球路及其动设备的吹扫清洁功能。所述脉冲反吹过滤器机组包括三台过滤器，正常运行期间一用两备，反吹期间两用一备。

压缩空气气力输送系统600包括两台罗茨风机610、乏燃料二次提升气体入口管路601及若干管路，所述两台罗茨风机610互为备用，并通过压缩空气连通管路602与所述氦气气力输送系统500的暂存罐513的进气管口相连，所述管路上的阀门优先布置在所述罗茨风机610组附近的阀站内。正常运行期间，执行乏燃料卸料二次提升的气力输送功能；在初始堆芯装料和堆芯排空后的重新装了过程中，利用与氦气气力输送系统联通的管路系统，执行堆芯装料气力输送功能。

抽真空系统700由第二过滤器组710、真空泵机组711和相关管路组成，位于气氛切换抽真空主管路702上的所述第二过滤器组710包含两台互为备用的过滤器，通过抽真空分支管路701与所述新燃料装料系统300中的第一暂存装置313以及所述乏燃料卸料系统400中的第二暂存装置419相连，所述真空泵机组711包含两台互为备用的真空泵，此外，通过抽真空连通管路703与所述氦气气力输送系统500相连，所述管路上的阀门优先布置在所述过滤器组710和真空泵机组711附近的阀站内。正常运行期间，配合新燃料装料系统和乏燃料卸料系统执行气氛切换过程中的低压排放和抽真空功能。反应堆初始装料以及上述球路相关系统及设备维修期间，利用与氦气气力输送系统联通的管路系统，通过抽真空，保护维修人员免受放射性气体伤害。

氦气供应与回收系统800主要由高压氦气供应管路801、减压阀组810及低压氦气供应管路802等相关管路组成，并通过外部高压氦气排放接口905、氦气供应接口906与反应堆氦净化及辅助系统相连，内部通过气氛切换氦气供应主管路803和气氛切换氦气供应分支管路804与所述新燃料装料系统300中的第一暂存装置313以及所述乏燃料卸料系统400中的第二暂存装置419相连，此外，通过氦气供应连通管路805与所述氦气气力输送系统500相连，所述管路上的阀门优先布置在所述减压阀组810附近的阀站内。正常运行期间，配合新燃料装料系统和乏燃料卸料系统执行气氛切换过程中的高压污染氦气的排放与回收、高压与低压氦气的供应功能。特殊阶段，可利用与氦气气力输送系统联通的管路系统，向燃料装卸系统补充纯净氦气，以补偿脉冲反吹过滤器排放和管路系统泄漏损失的氦气，维持燃料装卸系统的正常运行。

在上述各系统中，第一卸料装置110、第二卸料装置314、第三卸料装置420、碎球分离器114、第一桥联装v115、第二桥联装置311、第三桥联装置316、第四桥联装置415、第五桥联装置422、第一测量定位器118、第一旋转输送器113、第二旋转输送器215、第三旋转输送器411、第一分配器119、第二分配器319、第一汇聚器211、第二汇聚器412，以及各隔离阀组内的自动控制阀门，都采用磁力耦合器将执行机构的转子或球阀阀杆的动密封转化为无接触的静密封（参见CN201010103351.7），彻底解决传动部件的动密封泄漏问题，保证系统及工艺过程的稳定性和可靠性。

在堆芯卸料管路101、碎球出口管路102、乏燃料出口管路103、堆芯装料管路201、新燃料供应管路301、堆芯重新装料管路302、装料暂存管路系统303、新燃料出口管路304、乏燃料一次提升管路401、卸料暂存管路系统402、乏燃料二次提升管路403和取样管路404等各个球流管路上，在各旋转输送器、桥联装置、碎球分离器、暂存装置、汇聚器、分配器等装置前后的相关位置设置有若干外装式过球传感器（参见CN200510136309.4和CN200910250491.4），这些不同位置的过球传感器具有单向过球、双向过球、离散过球、成串连续过球、碎球等过球探测及测速等功能，用于检测球流管道内燃料元件的通过数量或速度信息，并传送至控制系统，实时计算、复核和显示相关暂存区域内的存球数量，触发预设的程序和逻辑指令，控制各相关阀门、装置以及配套气路系统的动作，实现燃料装卸系统的自动运行。

本发明不限于上述实施方式，只要采用了与卸料装置直连的无管道组成件的压力边界隔离阀组、堆芯卸料的单一化或单列化与碎球分选功能分立、装新燃料和卸乏燃料系统中设置暂存装置、各球流管路间设置了桥联装置等技术特征，无论采用单堆还是多堆模块、双路还是多路装卸料，采用何种结构形式的卸料装置、随球分离器、旋转输送器、桥联装置、定位测量装置和暂存装置等设备，均落在本发明的保护范围之中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理、堆芯燃料循环与装卸料方法和工艺流程的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (22)

1.一种球床模块式高温气冷堆燃烧装卸系统，包括反应堆（10）、堆芯燃料循环系统（20）、新燃料装料系统（300）和乏燃料卸料系统（400）；所述反应堆（10）包括反应堆压力容器（11）、石墨堆内构件（12）、中心堆芯筒（13）、金属堆内构件（15）和卸料管（14），所述堆芯燃料循环系统（20）包括堆芯卸料系统（100）和堆芯装料系统（200）；其特征在于：

所述堆芯卸料系统（100）包括与所述反应堆（10）的卸料管（14）相连的第一卸料装置（110）以及依次设置的压力边界第一阀站（111）、碎球分离器（114）、辐射测量装置（117），所述第一卸料装置（110）设有两个卸料口，所述两个卸料口各设有一条分立的堆芯卸料管路（101），所述压力边界第一阀站（111）的输入端通过堆芯卸料管路（101）与第一卸料装置（110）的输出端连通，所述压力边界第一阀站（111）的输出端通过堆芯卸料管路（101）与碎球分离器（114）的输入端连通，碎球分离器（114）的输出端通过堆芯卸料管路（101）与辐射测量装置（117）的输入端连通，所述辐射测量装置（117）的输出端通过堆芯卸料管路（101）与堆芯装料系统（200）的输入端连通，所述碎球分离器（114）的输出端还通过旁通的碎球出口管路（102）连接碎球罐（116）；

所述堆芯装料系统（200）包括堆芯装料管路（201）以及依次设置的第一发送站（210）、压力边界第二阀站（213）、堆芯进料装置（217），所述第一发送站（210）的输入端通过堆芯卸料管路（101）与辐射测量装置（117）的输出端连通，第一发送站（210）的输出端通过堆芯装料管路（201）与压力边界第二阀站（213）的输入端连通，所述压力边界第二阀站（213）的输出端通过堆芯装料管路（201）与位于所述反应堆压力容器（11）内的堆芯进料装置（217）连通；

所述新燃料装料系统（300）包括装料暂存管路系统（303）以及依次设置的第一低压阀站（310）、第一暂存装置（313）、第一高压阀站（315），所述装料暂存管路系统（303）具有球流管路，所述第一低压阀站（310）的输入端分别通过管道（301）和（302）与外部新燃料供应系统接口（901）和堆芯重新装料系统接口（902）相连，所述第一低压阀站（310）的输出端通过装料暂存管路系统（303）与第一暂存装置（313）的输入端连通，所述第一暂存装置（313）的输出端通过装料暂存管路系统（303）与第一高压阀站（315）的输入端连通，所述第一高压阀站（315）的输出端分别通过新燃料出口管路（304）和（305）与第一发送站（210）的输入端相连；

所述乏燃料卸料系统（400）包括卸料暂存管路系统（402）以及依次设置的第二发送站（410）、第二高压阀站（414）、第二暂存装置（419）、第二低压阀站（421），所述卸料暂存管路系统（402）具有球流管路，所述第二发送站（410）的输入端通过堆芯卸料管路（101）与辐射测量装置（117）的输出端连通，所述第二发送站（410）的输出端通过乏燃料一次提升管路（401）与第二高压阀站（414）的输入端连通，所述第二高压阀站（414）的输出端通过卸料暂存管路系统（402）与第二暂存装置（419）的输入端连通，所述第二暂存装置（419）的输出端通过卸料暂存管路系统（402）与第二低压阀站（421）的输入端连通，所述第二低压阀站（421）的输出端分别通过乏燃料二次提升管路（403）和取样管路（404）与外部乏燃料贮存系统接口（902）和取样罐（427）对应相连；

所述模块式高温气冷堆燃烧装卸系统还包括氦气气力输送系统（500）以及均与所述氦气气力输送系统（500）相连的压缩空气气力输送系统（600）、抽真空系统（700）、氦气供应与回收系统（800），所述氦气气力输送系统（500）还均与反应堆（10）、堆芯燃料循环系统（20）、新燃料装料系统（300）、乏燃料卸料系统（400）相连。

2.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述压力边界第一阀站（111）通过法兰和紧固件的相互配合与第一卸料装置（110）固定连通。

3.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述压力边界第一阀站（111）与所述第一卸料装置（110）一体成型，且压力边界第一阀站（111）设有与所述第一卸料装置（110）卸料口对应的球流通道，所述球流通道包括第一隔离阀组（112）和第一旋转输送器（113），所述第一隔离阀组（112）包括至少两个自动控制阀门，所述第一旋转输送器（113）包括箱体和与所述箱体间隙配合的转子。

4.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述堆芯卸料系统（100）还包括控制切换堆芯卸料管路（101）的第一桥联装置（115），所述第一桥联装置（115）位于压力边界第一阀站（111）与辐射测量装置（117）之间，所述第一桥联装置（115）的输入端连通压力边界第一阀站（111）的输出端，所述第一桥联装置（115）的输出端连通辐射测量装置（117）的输入端。

5.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述辐射测量装置（117）包括第一辐射测量定位器（118）、与第一辐射测量定位器（118）连接的第一分配器（119）以及与第一辐射测量定位器（118）连接的外部燃耗测量装置。

6.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述第一发送站（210）包括第一汇聚器（211）和与第一汇聚器（211）连接的第一管嘴（212），所述第一汇聚器（211）的输入端分别与辐射测量装置（117）的输出端及第一高压阀站（315）的输出端相连通，所述第一管嘴（212）通过堆芯装料气体入口管路（501）与氦气气力输送系统（500）的输出端相连通。

7.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述压力边界第二阀站（213）包括依次设置的大弯头、第一气体分流器（214）、第二旋转输送器（215）和第二隔离阀组（216），所述大弯头与堆芯装料管路（201）连通，所述第一气体分流器（214）的输入端通过大弯头与第一发送站（210）的输出端连通，所述第一气体分流器（214）的输出端为球流输出端且通过第二隔离阀组（216）与反应堆压力容器（11）的输入端相连通；所述第一气体分流器（214）的旁路输出端通过堆芯装料气体回流管路（503）与氦气气力输送系统（500）的输入端相连通。

8.根据权利要求7所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述第二隔离阀组（216）与反应堆压力容器（11）的连接管道为双层管道。

9.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述第一低压阀站（310）包括控制切换装料暂存管路系统（303）的第二桥联装置（311），所述第二桥联装置（311）的输入端管路上设置有自动控制阀门，所述第二桥联装置（311）的输出端管路上设置有包含自动控制阀门的第三隔离阀组（312）。

10.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述第一暂存装置（313）包括第一料仓和与所述第一料仓连接的第二卸料装置（314），所述第一料仓包括进球管、温度、压力仪表以及用于气氛切换的进气与出气管口，所述第二卸料装置（314）包括卸料机构、出球管和粉尘出口管。

11.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所第一高压阀站（315包括控制切换装料暂存管路系统（303）的第三桥联装置（316），所述第三桥联装置（316）的输入端管路和输出端管路分别对应设置有第四隔离阀组（317）和第五隔离阀组（318），所述第四隔离阀组（317）包括两个自动控制阀门，所述第五隔离阀组（318）包括至少一个自动控制阀门。

12.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述新燃料装料系统（300）还包括设于第一高压阀站（315）、第一发送站（210）之间的第二分配器（319），所述第二分配器（319）的输入端通过装料暂存管路系统（303）与与第一高压阀站（315）的输出端相连通，所述第二分配器（319）的输出端分别通过新燃料出口管路（304）和（305）与第一发送站（210）的输入端相连通。

13.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述第二发送站（410）第三旋转输送器（411）、与所述第三旋转输送器（411）的输出端连通的第二汇聚器（412）以及与第二汇聚器（412）的输出端连通的第二管嘴（413）；所述第三旋转输送器（411）的输入端通过乏燃料出口管路（103）与辐射测量装置（117）的输出端连通，所述第二管嘴（413）的输出端与乏燃料一次提升气体入口管路（502）相连。

14.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述第二高压阀站（414）包括控制切换卸料暂存管路系统（402）的第四桥联装置（415），所述第四桥联装置（415）的输入端管路设置有通过乏燃料一次提升管路连通第二发送站（410）的输出端的第二气体分流器（416）以及设于第二气体分流器（416）输出端管路的第六隔离阀组（417），第四桥联装置（415）的输出端管路设置有包括两个自动控制阀门的第七隔离阀组（418），所述第二气体分流器（416）的输出端口为球流出口且第二气体分流器（416）的旁路输出端还通过乏燃料一次提升气体回流管路（504）与氦气气力输送系统（500）的输入端连通。

15.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述第二暂存装置（419）包括第二料仓和与所述第二料仓的输出端连通的第三卸料装置（420），所述第二料仓的输入端与所述第二高压阀站（414）的输出端相连，所述第三卸料装置（420）的输出端与所述第二低压阀站（421）的输入端相连。

16.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述第二低压阀站（421）包括控制切换卸料暂存管路系统（402）的第五桥联装置（422），所述第五桥联装置（422）的输入端管路上设置有包括两个自动控制阀门的第八隔离阀组（423），所述第五桥联装置（422）的输出端管路上依次设置有第九隔离阀组（424）、第二测量定位装置（425）和与第二测量定位装置（425）的输出端连通的第三管嘴（426），所述第三管嘴（426）的输出端与乏燃料二次提升管路（403）相连，所述第三管嘴（426）的输出端还与乏燃料二次提升气体入口管路（601）相连。

17.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述氦气气力输送系统（500）包括依次连接的汇聚罐（510）、第一过滤器组（511）、氦气压缩机（512）和缓冲罐（513），所述汇聚罐（510）、氦气压缩机（512）和缓冲罐均设置有两台，所述第一过滤器组（511）包含三台并联的过滤器；所述两个汇聚罐（510）通过带隔离阀的管道相连，汇聚罐（510）的输入端分别通过堆芯装料气体回流管路（503）、乏燃料一次提升气体回流管路（504）和氦气吹扫回流管路（506）与压力边界第二阀站（213）的输出端、第二高压阀站（414）的输出端和碎球分离器（114）的输出端对应连通；所述两个缓冲罐（513）通过带隔离阀的管道相连，缓冲罐（513）的输出端分别通过堆芯装料气体入口管路（501）、乏燃料一次提升气体入口管路（502）和氦气吹扫入口管路（505）与第一发送站（210）的输入端、第二发送站（410）的输入端和第一发送站（210）的输入端对应连通。

18.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述压缩空气气力输送系统（600）包括罗茨风机（610）、乏燃料二次提升气体入口管路（601）及通过压缩空气连通管路（602），所述罗茨风机（610）分别通过乏燃料二次提升气体入口管路（601）、压缩空气连通管路（602）与第二低压阀站（421）、氦气气力输送系统（500）对应相连。

19.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述抽真空系统（700）包括第二过滤器组（710）和真空泵机组（711），位于气氛切换抽真空主管路（702）上的所述第二过滤器组（710）通过气氛抽真空分支管路（701）与第一暂存装置（313）以及第二暂存装置（419）相连，所述真空泵机组（711）通过抽真空连通管路（703）与所述氦气气力输送系统（500）相连。

20.根据权利要求1所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述氦气供应与回收系统（800）分别通过气氛切换氦气供应主管路（803）、气氛切换氦气供应分支管路（804）与第一暂存装置（313）、第二暂存装置（419）对应相连，所述氦气供应与回收系统（800）还通过氦气供应连通管路（805）与氦气气力输送系统（500）相连；

所述氦气供应与回收系统（800）包括高压氦气供应管路（801）、低压氦气供应管路（802）以及设于低压氦气供应管路（802）的减压阀组（810），所述高压氦气供应管路（801）与气氛切换氦气供应主管路（803）、氦气供应连通管路（805）均连通，所述低压氦气供应管路（802）与气氛切换氦气供应主管路（803）、氦气供应连通管路（805）均连通。

21.根据权利要求1至20中任一条所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述各装置及各阀站球流管路上的运动部件均采用磁力耦合器。

22.根据权利要求1至20中任一条所述的燃料装卸系统，其特征在于：所述各球流路径均设置有过球传感器，用于检测球流管路内燃料元件的通过数量及速度信息，并将检测结果传送至控制系统。

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