CN103871529A - 一种球床式高温气冷堆的底反射层结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球床式高温气冷堆的底反射层结构，其中所述底反射层结构包括多层石墨砖，其中第一层石墨砖是斜面石墨砖，数量有若干个，在至少一个所述斜面石墨砖上沿所述高温气冷堆的径向方向开有多个具有完整边界的狭长孔；在狭长孔的下端具有过渡段，以便于使所述球床式高温气冷堆的燃料球顺利通过；所述过渡段的纵向截面形状是平滑曲线或者直线，或者二者的结合。本发明可以以有效的防止燃料球的卡球，这样可以在提高气体通畅度的情况下，进一步保证燃料球的流动通畅。

Description

一种球床式高温气冷堆的底反射层结构

技术领域

本发明涉及一种球床式高温气冷堆的底反射层结构,适用于高温气冷堆堆内构件技术领域。

背景技术

球床式高温气冷堆内由反射层石墨砖组成堆芯腔。在堆芯腔内燃料球由上向下流动，经卸球管流出堆芯腔。载热剂（也称冷却剂）由顶反射层内的冷气室进入堆芯腔，经过球床堆芯被加热向下流动，通过底反射层内的孔道流向热气室。所有反射层都是由扇形石墨砖堆砌起来的。由于石墨是不能焊接的材料，所以石墨砖只能堆砌在一起用键和榫连成一个整体。

底反射层在反射层结构的下部，如图1所示。上部承载堆芯燃料球床如图1的2所示，燃料球经过有倾斜面的底部流入卸球管，再流出反应堆，如图1的3所示。为了保证燃料球的流动，要求底部倾斜面的设计，不得小于30°。

同时由堆芯向下流动的热氦气也要通过底反射层进入下面的热气室，如图1的4所示。因此必须在底反射层内设计有气体流动孔道，以保证热氦气的向下流动。

底反射层受到全部球床的重力作用，高温氦气也自上向下流动增加了对球床的压力。在反应堆运行中，并有快中子高温辐照作用。因此要保证底反射层在正常运行工况和各种事故工况下的安全运行是非常重要的。

柱状燃料高温气冷堆的底反射层结构并不是一个整体结构，而是由各个柱状燃料元件自然向下延伸的结构。

球床式高温气冷堆的底反射层结构是由多个扇形石墨砖堆砌起来的整体结构。它起到了包容和支撑燃料球床堆芯的作用。并在其中形成热气室把由堆芯下流的热氦气集中起来送到蒸发器去。

较早时期投产的球床式高温气冷堆的底反射层设计中有两种结构形式。

一种是THTR-300高温气冷堆。为了流过热氦气在底反射层上钻有圆孔，使热氦气沿孔下流。但这种方式，要求孔的直径比较小，否则将会阻碍燃料球的流动。但是孔开的小就会增加氦气流的阻力，加大驱动风机的功率。研究表明，燃料球直径60mm，孔的直径不得超过16mm。这样就需要开出太多的小孔，使总的湿周增加，因而大大增加热氦气的阻力。

另一个是AVR高温气冷堆。它是将底反射层石墨砖径向缝隙扩大，使氦气沿着狭长缝隙下流。这样可以增加流动面积，减小氦气流的阻力。但是这种方式却带来很大的弊病。在运行中由于沿圆周方向多数缝隙可能变小，最后使某几个缝隙变宽，再加上原有孔道使整个孔道变宽许多。燃料球在上面流过时，由于球床的重力挤压而产生卡球现象。甚至将燃料球挤坏。在AVR高温气冷堆退役检查中，发现了卡球现象。不但挤坏了燃料球，还造成气流孔道的破坏。这样就造成了反应堆运行的安全问题，是不允许的。

在模块式的高温气冷实验堆HTR-10中，底反射层设计采用了既有开小圆孔，也有在石墨砖边界上的开槽。显然这是THTR-300和AVR两种高温气冷堆设计的结合，是一种折中的办法。对于小的实验堆，这种办法还可用。但用在大的示范电站或商用堆上显然是不可取的。

为了解决上述问题，必须对底反射层进行了新的设计，使其能够避免上述缺陷，并圆满地实现燃料球流动和氦气过流的功能。这才能够保证底反射层运行的安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于安全可靠的反应堆底反射层结构设计。这种新的底反射层结构采用在斜面砖上，沿径向方向开出有限长的狭长孔，狭长孔下端有过渡段。这种结构可以使燃料球顺利滚下进入卸球管，不存在卡球现象。斜面砖的下面有气体联箱连接下面的垂直孔道，最终将高温气体导入热气室。

本发明在第一层斜面石墨砖的径向边界上（即该边界沿着整个堆芯的径向；或者参见图2中的附图标记RB）不得开出半孔位，即在两个相邻的斜面石墨砖的径向边界上不存在一个完整的狭长孔。两个相邻斜面石墨砖径向边界之间只留有很小的缝隙以保证补偿石墨砖之间的热膨胀差，避免造成相邻石墨砖之间的挤压而产生石墨砖的破坏。这就避免了由于多个砖之间的缝隙减小而在某两个石墨砖之间产生过大的缝隙，增加了原有边界间存在的狭长孔的宽度从而导致卡球现象。

在两个斜面石墨砖径向边界上开出完整的狭长孔对机械加工是容易实现的。但由于缝隙积累在运行中会出现卡球现象，正像AVR高温气冷堆所检查到的那样事故，是不允许的。为此本发明转而采用在石墨砖内加工狭长孔的方式。

申请人注意到，一方面，狭长孔宽度超过15mm就会出现卡球现象。同时这样窄的狭长孔也会造成在很厚的石墨砖中加工的困难，并且狭长孔数目较多对结构的强度设计也不利。但减少窄狭长孔的数目又会造成热气流阻力增加。

因此综合考虑，在狭长孔的设计中，比较理想的宽度是20-30mm。为了防止此时出现的卡球现象的发生，申请人又创造性的提出了采用过渡段设计。因此本发明在设计底反射层斜面石墨砖时，石墨砖径向边界不开狭长孔，而在砖内设计带有过渡段的径向狭长孔是一个理想的优化设计。

本发明能保证在燃料球沿底反射层石墨砖斜面流动时不会出现卡球现象；又能保证有足够大的流通截面，使得热氦气能够顺畅地向下流入热气室，不会产生过大的阻力消耗。

附图说明

图1是本发明中堆芯结构的整体纵向剖面示意图；

图2是与图1对应的俯视图；

图3是本发明中的底反射层结构的整体纵向剖面示意图；

图4是图3中的A向视图；

图5是图3中的B-B向视图；

图6是垂直孔道的纵向剖面示意图；

图7、图9是垂直孔道的俯视示意图；

图8、图10是过渡段的示意图。

其中：1.侧反射层；2.底反射层；3.卸球管；4.热气室；5.热气室热气出口；6.堆芯球床；7.底反射层斜面石墨砖；8.狭长孔；9.过渡段；10.垂直孔道；11.拱式联想；12.凹式联想；13.非等宽度过渡段；RB.径向边界。

具体实施方式

如图1以及图2所示，高温气冷堆的底反射层结构包括多层石墨砖，其中第一层石墨砖是斜面石墨砖，数量有若干个。该第一层石墨砖的横截面可能是扇形的，或是六边形的，或其他形状。这些斜面石墨砖可以按照设计图纸在工厂加工好，并在现场进行安装。将这些石墨砖堆砌起来，再用榫和键进行连接，就成了底反射层结构。键和榫是在高温气冷堆堆芯结构中常用的连接方式，本文不予赘述。

由图1可知在底反射层的上部是堆芯燃料球床，燃料球的重量完全由底反射层承载，并沿斜面向下方流动。燃料球在正常运行时将连续地向下流动进入卸球管。由堆芯加热了的热氦气也由上向下流动，通过在底反射层上开出的狭长孔道流向热气室。

为了防止燃料球在流动过程中出现滞留和卡球现象，并使热氦气流顺利通过，本设计是在底反射层的第一层斜面石墨砖上加工出有限长的带有过渡段的狭长孔道，如图4的8所示。该狭长孔具有完整边界，和现有技术相比，既不是圆形的，也不是位于石墨砖的径向边界RB（如图4所示）上半孔位。高温气冷堆的冷却气体，典型的是氦气，通过这些狭长孔道流向反射层底部的热气室。

这些狭长孔必须是沿着反应堆横截面的径向方向开出的。创造性的，本发明在孔的下端有过渡段，如图4、7中的9所示，以及图8、图10所示，申请人发现，这种设计相比于没有过渡段的狭长孔，在同样的宽度W的情况下，可以有效的防止燃料球的卡球，同时可以在提高气体过流面积及通畅度的情况下，进一步保证燃料球的流动通畅。因此,多数燃料球沿着石墨砖上斜面向下方滚动，少数球则可沿着狭长孔向下自由滚动，并可顺利通过狭长孔下方的过渡段，不受阻碍。

如图8和图10示出的，申请人提出，过渡段9（或图10中的13）的长度W2占狭长孔8的宽度H的比例，即W2/H的数值范围应该是1.0-2.0。这两个数值太大，用使得气体流动的通畅度受到影响，受到加工量和地域的影响，这个数值不能过大；而太小的话，防止卡球的效果又不明显，以上数值范围是申请人通过大量创造性的实验总结出的。

虽然图8中示出的过渡段的纵向方向，即堆芯高度方向上的截面形状是直线，但是本领域技术人员可以预期，其可以是直线，也可以是光滑曲线（如图10中所示），或者二者的结合。而另一方面，如图7所示，过渡段9可以是等宽的；也可以如图9所示，过渡段13宽度是沿燃料球的下行方向逐渐减小的，优选的，过渡段沿曲线或直线边界逐渐收缩于燃料球下行方向上狭长孔中心线上的一点。

本领域技术人员可以理解，狭长孔的宽度要适当，避免夹球。狭长孔也不能过长，以免造成孔道由于弯曲而扩大最终出现卡球现象。图7示出了狭长孔的尺寸标注，申请人发现，优选的狭长孔的长度W和宽度H的比例W/H的数值是4:1-15:1。此外，由于设置了过渡段，狭长孔宽度可以设计的较大，狭长孔的宽度H和所述球床式高温气冷堆的燃料球的半径R的比例H/R的范围，优选是0.5-1.00。该数值明显大于现有技术中的孔径，和现有技术相比，这样就可以显著的增大气体流动的的路径，减少流动阻力。

如图2所示出的，在一块斜面石墨砖上有多个狭长孔，而狭长孔的具体数量将由氦气流动阻力计算、石墨砖承压（燃料球流动）强度计算而定。而在不同的底反射层斜面石墨砖上，狭长孔的数目、长度和宽度都可以是相同，也可以是不同的。

这样，在底反射层的第一层石墨砖的上表面为斜面，并沿着径向方向开有狭长孔，由于充分考虑了狭长孔的尺寸大小、位置和数目，选择具有足够强度的石墨材料和砖的厚度。使底反射层结构具有足够的承载能力，在正常运行和事故工况下也不会造成底反射层的破坏，当然不会产生卡球现象。

如图3所示，在底反射层第一层斜面石墨砖下面，设计有拱式氦气联箱，如图2的11所示。狭长孔连接该拱式气体联箱。第二层及以下的石墨砖则在石墨砖的径向边界上开出垂直孔道，如图3的10所示。和第一层斜面砖中的狭长孔开设位置不同的是，垂直孔道设置在石墨砖的径向边界上，这样便于加工，又不会降低整个反射层的强度。垂直孔道连接至热气室；气体由所述斜面石墨砖上的狭长孔进入拱式气体联箱，再沿着垂直孔道进入位于底部的热气室。

或者，氦气联箱可以是凹式的，其设置在斜面石墨砖比邻下面的、即第二层石墨砖的上部，如图6中的12所示。凹式氦气联箱和拱式联箱的作用是完全相同的。凹式氦气联箱可以大大减少拱式氦气联箱的厚度（即高度），能够降低斜面石墨砖内狭长孔的加工的困难，也有利于提高斜面石墨砖的承载能力。图6中的其余结构和图3相同，此处就不赘述了。

这样，由堆芯球床向下流动的热氦气，首先进入底反射层上面第一层石墨砖的狭长孔向下流动。然后在氦气联箱中汇合并可初步搅混。再经过下流垂直孔道进入热气室。而下流垂直孔道是有更大的通流能力的，保证不会造成不必要的阻力损失。

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 (13)

1.一种球床式高温气冷堆的底反射层结构，其特征在于：所述底反射层结构包括多层石墨砖，其中第一层石墨砖是斜面石墨砖，数量有若干个，在至少一个所述斜面石墨砖上沿所述高温气冷堆的径向方向开有多个具有完整边界的狭长孔。

2.根据权利要求1所述的底反射层结构，其特征在于：在第一层石墨砖是斜面石墨砖的径向边界上没有开设半孔位。

3.根据权利要求1所述的底反射层结构，其特征在于：所述狭长孔的长度W和宽度H的比例W/H的数值范围是4:1至15:1。

4.根据权利要求1或2所述的底反射层结构，其特征在于：在狭长孔的下端具有过渡段，以便于使所述球床式高温气冷堆的燃料球顺利通过；

所述过渡段的长度W2和狭长孔的宽度H的比例，即Ｗ2/H的数值范围是1.0-2.0。

5.根据权利要求4所述的底反射层结构，其特征在于：所述过渡段的纵向，即沿所述反应堆的高度方向上的截面形状是平滑曲线或者直线，或者二者的结合。

6.根据权利要求4或5所述的底反射层结构，其特征在于：所述过渡段的宽度基本不变。

7.根据权利要求4或5所述的底反射层结构，其特征在于：所述过渡段的宽度沿所述燃料球的下行方向逐渐减小。

8.根据权利要求7所述的底反射层结构，其特征在于：所述过渡段沿曲线或直线边界逐渐收缩于所述燃料球下行方向上狭长孔中心线上的一点。

9.根据权利要求2所述的底反射层结构，其特征在于：所述狭长孔的宽度H和所述球床式高温气冷堆的燃料球的半径R的比例H/R的范围是0.5-1.00。

10.根据权利要求1所述的底反射层结构，其特征在于：所述第一层石墨砖的横截面是扇形的，或是六边形的，或其他形状。

11.根据权利要求1所述的底反射层结构，其特征在于：

在所述斜面石墨砖的下部有拱式气体联箱，所述狭长孔连接该拱式气体联箱；所述斜面石墨砖下面的各层底反射层石墨砖径向边界开有垂直孔道，所述垂直孔道连接至热气室；气体由所述斜面石墨砖上的狭长孔进入拱式气体联箱，再沿着垂直孔道进入位于底部的热气室。

12.根据权利要求1所述的底反射层结构，其特征在于：

在所述斜面石墨砖比邻下面的石墨砖的上部有凹式气体联箱，所述狭长孔连接该凹式气体联箱；所述斜面石墨砖下面的各层底反射层石墨砖径向边界开有垂直孔道，所述垂直孔道连接至热气室；气体由所述斜面石墨砖上的狭长孔进入拱式气体联箱，再沿着垂直孔道进入位于底部的热气室。

13.一种球床式高温气冷堆，其特征在于：具有权利要求1-12之一的球床式高温气冷堆底反射层结构。

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