CN103871487B - 一种用于高温气冷堆的石墨导向管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高温气冷堆的石墨导向管，包括多个石墨套筒，所述多个石墨套筒相互堆叠，形成了用于所述高温气冷堆的控制棒或者吸收球上下运动的贯通通道；还包括多个石墨套环，所述石墨套环在中间部分加工有隔板，所述多个石墨套筒相互堆叠是指位于上部的一个石墨套筒插入到石墨套环内并且座在所述石墨套环的隔板上，而所述石墨套环的下半部分又套在紧邻的另一个石墨套筒上。本发明能保证控制棒孔道内壁表面的光滑，且在多种事故条件下也不会有错位发生，不会发生卡棒现象，同时也可以防止孔道内冷氦气和堆芯内的热氦气的交混，提高了反应堆的安全性以及经济性。

Description

一种用于高温气冷堆的石墨导向管

技术领域

本发明涉及高温气冷堆堆内构件技术领域,尤其涉及一种高温气冷堆控制棒或吸收球导向管。

背景技术

控制棒是高温气冷堆重要设备，它直接控制反应性的变化。必须保证在正常运行条件下和任何事故工况下（包括地震等严重事故）控制棒都能顺利地插入它的孔道内，以确保停堆，使反应堆运行具有充分的安全可靠性。

球床式高温气冷堆控制棒，特别是模块球床式高温气冷堆一般是布置在反射层石墨砖所开出的孔道内。由于石墨是不能焊接的材料，所以只能堆砌在一起用键和榫连成一个整体。

石墨砖的堆砌，尽管有键和榫的支承，但在多种事故条件下仍然会有错位发生，这会直接影响控制棒的插入，对反应堆的安全是不利的。

控制棒所用的金属材料的耐高温程度是有限的，为了保证控制棒的长期工作，一般的做法是向控制棒孔道内通以冷氦气对控制棒进行冷却。但为了防止控制棒孔道内的冷氦气向堆芯内泄漏，必须采取密封措施。

球床式高温气冷堆的石墨反射层在堆的整个寿期内是不能更换的，但侧反射层要经受高注量的高温快中子辐照，石墨砖前端的变形是比较大的，这就给控制棒的导向和冷氦气的密封带来非常大的困难。

柱状燃料元件的高温气冷堆，在燃料元件和反射层元件之间是使用榫进行连接的。在它们内部的控制棒孔道，是没有石墨导向管的。但因为上述两种元件每隔三到六年就要进行更换，可以进行检查，并且辐照变形也小。

早些年建成的球床式高温气冷堆中，例如THTR-300和AVR，控制棒孔道中未设计有石墨导向管结构。一般的只是在两层石墨砖之间放有石墨套环。这种结构不可能做到孔道内壁永远保持光滑，也不可能防止孔道内外冷热氦气之间的热交换。并会造成通过堆芯的载热剂旁流损失过多。

在小型的球床式高温气冷实验堆HTR-10的控制棒孔道内虽然有石墨套管。但其结构比较简单，因此不适于大型的示范电站和商用电站的反应堆。对于大型反应堆，由于整个堆芯尺寸较大，导致要使用较多的石墨套管，而由于热胀冷缩会导致石墨套管的变形，尤其是纵向收缩，这样纵向上叠置的多个石墨套管的变形会发生累加，导致在位于上部的某个位置处的变形不可接受。

因此，需要对大型的商用高温气冷堆或示范堆控制棒孔道内提供一种新型的、有效的石墨导向管。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种用于高温气冷堆的石墨导向管，其采用石墨套筒和石墨套环组成导向管，一个石墨套筒的上下两端分别插入石墨套环内，由于每两层石墨砖之间设置沉孔来定位石墨套环，从而对石墨套筒也产生定位，这样能保证控制棒孔道内壁表面的光滑，且在多种事故条件下石墨套管的变形不会累加，将不会有错位发生，不会发生卡棒现象。石墨套筒和石墨套环精密配合，同时也可以防止孔道内冷氦气和堆芯内的热氦气的交混，即使由于石墨砖经快中子辐照变形得很历害时，也不会出现泄漏和破坏石墨导向管内壁的光滑连接。同时，本发明的石墨导向管和控制棒孔道内壁之间留有空隙，还能减少石墨砖和石墨导向管内氦气的热交换。

附图说明

图1是高温气冷堆控制棒石墨导向管整体安装示意图（其中，1.控制棒，2.石墨顶反射层，3.石墨导向管，4.石墨侧反射层，5.反应堆堆芯球床，6.石墨底反射层，7.氦气流出孔道，8.热气室。）

图2是石墨导向管的具体结构示意图（其中，1.石墨套环，2.石墨套环中间隔板，3.石墨套筒，4.反射层石墨砖，5.石墨套筒两端环形凸台。）

具体实施方式

本发明采用由石墨套筒和石墨套环组成的石墨导向管，其结构形式已表示在图1,2中，所用材料均为石墨。图1是球床式高温气冷堆的堆芯结构。图1中的5为反应堆堆芯，2,4,6分别为顶部,侧面和底部石墨反射层。

图1、2中示出了本发明的用于高温气冷堆的石墨导向管，其包括了多个石墨套筒3，如图所示，多个石墨套筒3相互堆叠，形成了导向管的通道。该石墨导向管可以是用于控制棒的石墨导向管（图1中的3），放在反射层石墨砖的孔道内，用于高温气冷堆的控制棒上下运动。

如图2所示，优选的，在每一层石墨砖(图1所示)的控制棒孔道内有一个石墨套筒（图2的3）和一个石墨套环（图2的1）。该气冷堆的堆芯包括由多层石墨砖组成的反射层，在上下两层石墨砖的控制棒孔道临近界面处有沉孔，石墨套环就放在沉孔内（图2所示）。而石墨套筒的两端则插入上方和下方的套环内（图2所示）。

更具体的，石墨套环1的内径等于石墨套筒3的外径；石墨套环1在中间部分加工有隔板2，隔板2是从石墨套环的内表面向石墨套环的径向内部突出的第一环形凸台。该第一环形凸台的高度基本等于石墨套筒3的桶壁厚度；也就是说，在尺寸上石墨套环1和石墨套筒3紧密配合。具体如图2所示，位于上部的一个石墨套筒插入到石墨套环内并且座在石墨套环1的隔板2上，而石墨套环1的下半部分又套在紧邻的另一个石墨套筒上，依次类推，这样，一个石墨套筒的上下两端分别插入石墨套环内，实现了多个石墨套筒的相互堆叠，多个石墨套筒3的内壁和多个石墨套环1的环形凸台的内壁构成了所述供控制棒上下运动的通道。

每一层套筒就座在其下面套环的中间隔板上，这就保证套筒和套环之间的相对位置不会改变。虽然石墨导向管和周围石墨砖的温度差较大，在高的堆芯结构中石墨套筒叠加的总高度和石墨砖的总高度是会有很大差别的，但由于采用这种结构，就不会出现石墨套筒和相对应石墨砖之间的错位。

如图2所示，石墨套筒3上下两端插入石墨套环1的部分加工出有第二环形凸台5，第二环形凸台5的外径基本等于石墨套环1除第一环形凸台以外部分的内径，从而和所述石墨套环形成紧密配合。由于套筒两端环形凸台（图2的5）和套环内表面具有精确配合，既保证了导向管内表面的光滑，又能防止冷热氦气漏流。

优选的，第二环形凸台5的外径等于所述石墨套筒3主体部的外径。这样可以保证在必要的筒壁和孔壁间隙的条件下不增大在石墨砖上的切削面积，有利于保持石墨砖的强度，并对石墨套筒加工的经济性也很有好处。

本发明在导向管和石墨砖孔道内壁之间还留有一定的空隙（如图2所示），能防止石墨砖和石墨导向管内氦气之间的传热。

此外，由于高温气冷堆反射层的石墨砖厚度不会完全相同，因此本发明石墨套筒的长度是可以变化的。同样，由于高温气冷堆中的控制棒的直径不是固定的，是可以根据反应性控制的需要而改变的，因此本发明的导向管的直径是可以变化的。

在安装时，本发明是在石墨堆内构件制造过程中按图纸要求加工出石墨套筒和石墨套环，然后和反射层石墨砖同时安装。在一层石墨砖的安装中，每装一个石墨砖就装一个石墨套筒和一个石墨套环。

因为它是石墨堆芯结构的一部分，是和其它石墨结构同时设计的。这种设计要求在堆芯石墨结构内保证键和榫有足够的强度从而使作用在套环上的载荷是很小的。这就保证石墨导向管不会由于过载而破坏。

在运行中，控制棒由反应堆顶部的驱动机构控制在石墨导向管内上下运动。

在高温气冷堆顶部的冷气室区域的至少一个的筒壁上，开有直径不大于20mm的孔，用以向石墨导向管内引进冷氦气，这样冷氦气由上部进入石墨导向管内，向下流动。在控制棒孔道的底部专门还开有为控制棒石墨导向管内氦气流出的小直径孔道。通过这个小孔这些冷氦气向下流进入热气室（如图1的7所示）。

石墨导向管的设计寿命，至少要保证同核反应堆的石墨砖具有同样寿命，不少于40年。

如上实施例中的石墨导向管虽然是用于高温气冷堆的控制棒，但是本领域技术人员可以理解，该石墨导向管也可以用在高温气冷堆反射层内的吸收球孔道内，作为吸收球的导向管，只要吸收球孔道是圆形的，同样可以保证在反应堆正常运行和事故工况下，吸收球流动的通畅。

以上内容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的前提下，还可以做出若干改进和替换，或者对权利要求的任意从属权利要求进行重新组合，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于高温气冷堆的石墨导向管，其特征在于：包括多个石墨套筒(3)和多个石墨套环(1)，所述多个石墨套筒(3)相互堆叠，一个石墨套筒的上下两端分别插入石墨套环内，形成了用于所述高温气冷堆的控制棒或者吸收球上下运动的贯通通道。

2.根据权利要求1所述的石墨导向管，其特征在于：多个所述石墨套筒(3)之间，其内径、外径以及筒壁的厚度相同，而其长度可以相同也可以不相同。

3.根据权利要求1所述的石墨导向管，其特征在于：所述石墨套环(1)在中间部分加工有隔板(2)，所述隔板(2)是从所述石墨套环的内表面向所述石墨套环的径向内部突出的第一环形凸台，该第一环形凸台的高度基本等于所述石墨套筒(3)的桶壁厚度；所述多个石墨套筒(3)相互堆叠是指位于上部的一个石墨套筒插入到石墨套环内并且坐在所述石墨套环(1)的隔板(2)上，而所述石墨套环(1)的下半部分又套在紧邻的另一个石墨套筒上，依次类推，这样多个石墨套筒(3)的内壁和多个石墨套环(1)的环形凸台的内壁构成了所述供控制棒或吸收球上下运动的贯通通道。

4.根据权利要求3所述的石墨导向管，其特征在于：所述石墨套环(1)除第一环形凸台以外部分的内径等于所述石墨套筒(3)主体部的外径。

5.根据权利要求3所述的石墨导向管，其特征在于：所述石墨套筒(3)上下两端插入所述石墨套环(1)的部分加工有第二环形凸台(5)，所述第二环形凸台的外径基本等于所述石墨套环(1)除第一环形凸台以外部分的内径，从而和所述石墨套环形成紧密配合。

6.根据权利要求5所述的石墨导向管，其特征在于：所述第二环形凸台(5)的外径等于所述石墨套筒(3)主体部的外径。

7.根据权利要求1所述的石墨导向管，其特征在于：在位于所述高温气冷堆顶部的冷气室区域内的所述多个石墨套筒(3)中至少一个的筒壁上，开有直径不大于20mm的孔，用以向石墨导向管内引进冷氦气。

8.一种高温气冷堆，其特征在于：包括如上任一权利要求所述的石墨导向管，所述石墨导向管安装在控制棒孔道内或者吸收球孔道内，并距离所述孔道有一间隙。

9.根据权利要求8所述的高温气冷堆，其特征在于：还具有由多层石墨砖组成的反射层，在所述反射层的上下两层石墨砖的界面处设有沉孔，所述石墨套环(1)放置于所述沉孔内。