CN106601309A - 非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统 - Google Patents

非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，包括质子束管、靶件外管、堆芯、容器、顶盖和堆内构件，其中，所述容器与所述顶盖二者共同构成反应堆主要放射性边界，用于将所述质子束管、所述靶件外管、所述堆芯和堆内构件包容在内；所述质子束管同轴安装在所述靶件外管内，作为整体同轴吊装于所述顶盖的中心并且向下穿过所述堆芯，所述靶件外管的底部具有插入堆内构件的栅板联箱内的管脚，所述栅板联箱提供的冷却剂经过所述管脚分区冷却以加强所述质子束管的换热。本发明结构简单紧凑，能够加强靶窗换热，而且向堆芯组件提供了良好的径向支撑，保证了反应堆结构安全、防止放射性边界破坏。

Description

非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统
技术领域
本发明涉及加速器驱动次临界系统，尤其涉及一种非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统。
背景技术
核电作为一种清洁、高效、优质的能源，是解决温室气体排放等环境问题的优先选择，然而核能的长期持续发展必须实现核废料的安全处置。ADS系统以其优良的中子特性和固有安全性，成为嬗变放射性核废料的最有潜力的技术途径。世界主要核工业国家均制定了ADS中长期发展计划。
加速器驱动次临界系统(ADS)由质子加速器、重金属散裂靶与次临界反应堆三大系统组成。首先，利用加速器产生的质子束流轰击重金属原子核引起散裂反应；然后以散裂反应过程中产生大量的外源中子维持反应堆内的核嬗变反应以及链式裂变反应。
与传统的核能系统不同，三大系统之间的耦合是ADS面临的新挑战。散裂靶与反应堆的耦合存在结构上的存在诸多限制。堆靶耦合为达到较高的反应堆中子经济性，要求散裂靶的设计尽可能的紧凑。因此，散裂靶内小体积内高密度沉积核热的排出成为最具挑战性的问题。
液态重金属有窗靶以其良好的工程技术可达性，是现阶段散裂靶的主要设计形式。液态金属有窗靶的球形靶窗，靶窗底部中心位置产生滞流点，极易导致靶窗温度过高产生结构破坏。目前的方案主要采用扰动的方式对靶窗的换热进行加强。但是扰动的方案，流动不稳定，产生的不均匀流场增加结构的流致振动，同时导致结构冷却不均匀，在结构壁面内产生较高的热应力。
在临界快堆中，反应堆堆芯由六边形组件构成蜂窝状。组件与组件之间上部通过凸台互相紧靠，由堆芯围筒从外围限制组件顶部的振动和位移。在ADS中，反应堆堆芯须抽出2～3圈组件的位置，提供给散裂靶安装。因此，堆芯最靠散裂靶的组件，相邻的空组件位不能提供径向的支撑。在运行过程中，最内层组件会产生振动，破坏组件结构，造成反应性变化，影响反应堆安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理紧凑、能够加强靶窗换热的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，保证反应堆结构安全，防止放射性边界破坏。
本发明的目的还在于提供一种结构合理紧凑、能够限制堆芯组件运行中的振动的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，保证反应堆结构安全，防止放射性边界破坏。
为此，本发明一方面提供了一种非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，包括质子束管、靶件外管、堆芯、容器、顶盖和堆内构件，所述容器与所述顶盖二者共同构成反应堆主要放射性边界，用于将所述质子束管、所述靶件外管、所述堆芯和堆内构件包容在内；所述质子束管同轴安装在所述靶件外管内，作为整体同轴吊装于所述顶盖的中心并且向下穿过所述堆芯，所述靶件外管的底部具有插入堆内构件的栅板联箱内的管脚，所述栅板联箱提供的冷却剂经过所述管脚分区冷却以加强所述质子束管换热。
进一步地，上述管脚对进入所述散裂靶的冷却剂提供分区，中心为高冷却剂流速区，外周为低冷却剂流速区。
进一步地，上述管脚伸入所述靶件外管的圆柱管道，所述管道的管口用于形成高冷却剂流速区，所述管脚的侧壁上开设有孔，用于形成低冷却剂流速区。
进一步地，上述靶件外管的主体部分由通过变径部位连接的入口管和出口管组成。
进一步地，上述质子束管为带有靶窗的圆柱形管道，所述靶窗为薄壁结构的球形封头，所述靶窗由所述靶件外管的变径部位提供径向约束。
进一步地，上述堆内构件为阶梯筒状，堆内构件吊装于容器的法兰上沿。
进一步地，上述靶件外管的外壁面设置有堆芯支撑结构，用于向所述堆芯提供径向支撑。
进一步地，上述堆芯支撑结构位于所述堆芯活性区以上的位置，所述堆芯支撑结构贴合所述堆芯中心空出的部分组件的轮廓，与所述组件凸台同一水平位置，向所述堆芯提供径向支撑。
进一步地，上述堆芯支撑结构包括幅板和肋板，其中，所述幅板用于贴合堆芯中心空出组件部分的外形，所述的肋板用于支撑所述幅板，以防止所述幅板的变形。
根据本发明的另一方面，提供了一种非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，包括质子束管、靶件外管、堆芯、容器、顶盖和堆内构件，所述容器与所述顶盖二者共同构成反应堆主要放射性边界，用于将所述质子束管、所述靶件外管、所述堆芯和堆内构件包容在内；所述质子束管同轴安装在所述靶件外管内，作为整体同轴吊装于所述顶盖的中心并且向下穿过所述堆芯，所述靶件外管的底部具有插入堆内构件的栅板联箱内的管脚，其中，所述栅板联箱用于向所述管脚提供冷却剂；靶件外管的外壁面设置有堆芯支撑结构，用于向所述堆芯提供径向支撑。
进一步地，上述堆芯支撑结构位于所述堆芯活性区以上的位置，所述堆芯支撑结构贴合所述堆芯中心空出的部分组件的轮廓，与所述组件凸台同一水平位置，向所述堆芯提供径向支撑。
进一步地，上述堆芯支撑结构包括幅板和肋板，其中，所述幅板用于贴合堆芯中心空出组件部分的外形，所述的肋板用于支撑所述幅板，以防止所述幅板的变形。
进一步地，上述栅板联箱提供的冷却剂经过所述管脚分区冷却以加强所述质子束管换热。
进一步地，上述管脚对进入所述散裂靶的冷却剂提供分区，中心为高冷却剂流速区，外周为低冷却剂流速区。
进一步地，上述管脚伸入所述靶件外管的圆柱管道，所述管道的管口用于形成高冷却剂流速区，所述管脚的侧壁上开设有孔，用于形成低冷却剂流速区。
进一步地，上述靶件外管的主体部分由通过变径部位连接的入口管和出口管组成。
进一步地，上述质子束管为带有靶窗的圆柱形管道，所述靶窗为薄壁结构的球形封头，所述靶窗由所述靶件外管的变径部位提供径向约束。
进一步地，上述堆内构件为阶梯筒状，其底部为栅板联箱，所述堆内构件用于支撑所述堆芯，所述栅板联箱用于向所述靶件外管提供冷却剂流量。
进一步地，上述堆内构件吊装于容器的法兰上沿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)、分区流动冷却方式强化靶窗换热。中心高速冷却剂流动能够有效的减小散裂靶底部滞留区的体积；边缘低速冷却剂，能够有效减小冷却剂局部滞流，防止出现回流区，并稳定中心区高速流动。
(2)、一体式散裂靶外围支撑结构。通过堆芯支撑结构为反应堆堆芯组件提供径向支撑，减小组件运行时的振动，防止组件结构发生不可逆的损伤，同时可以防止组件变形对堆芯反应性的改变。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明一实施例的散裂靶与反应堆耦合系统的示意图；
图2是根据本发明一实施例的散裂靶剖面图；
图3是根据本发明一实施例的散裂靶流速分区局部图；
图4是根据本发明一实施例的堆芯支撑结构平面图；以及
图5是根据本发明一实施例的散堆芯支撑结构侧视图。
附图标记说明
1、质子束管； 2、靶件外管；
3、堆芯； 4、容器；
5、顶盖； 6、堆内构件；
7、靶窗； 8、堆芯支撑结构；
9、管脚； 10、入口管；
11、变径管； 12、出口管；
13、幅板； 14、肋板；
15、栅板联箱。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明旨在提供一种结构简单，能够加强靶窗换热，并且为反应堆堆芯组件提供良好的径向支撑的耦合系统，保证反应堆结构安全、防止放射性边界破坏，以解决现有ADS堆靶耦合带来的散裂靶靶窗局部换热问题、以及耦合组件的支撑问题。
在本发明的散裂靶与反应堆耦合系统中，靶体管道采用一体化同轴设计，从顶盖中心向下垂直插入堆芯，由堆内构件的栅板联箱进行支撑和流量分配。散裂靶整体包络在反应堆容器放射性边界内。栅板联箱供给靶区冷却剂，散裂靶底部管脚为靶区提供分区冷却。堆芯支撑结构安装在靶件外管上，限制堆芯组件运行中的振动。
图1至图5示出了根据本发明的一些实施例。
如图1所示，非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，主要由质子束管1、靶件外管2、堆芯3、容器4、顶盖5和堆内构件6组成；质子束管1与靶件外管2组成针形结构，从旋塞换料系统的中心向下进入反应堆中，穿过堆芯3，插入堆内构件6中。容器4与顶盖5共同构成反应堆主要放射性边界，将质子束管1、靶件外管2、堆芯3和堆内构件6包容在内。堆内构件6吊装于容器4的法兰上沿，为阶梯结构。
质子束管1为带有靶窗7的圆柱形管道，靶窗7为薄壁结构的球形封头，与圆柱管道通过过渡圆弧焊接在一起。顶部与靶件外管2固定连接，底部由靶件外管2提供径向约束。
结合参照图2，靶件外管2为外部焊接堆芯支撑结构8的圆柱管道，底部为管脚9结构。该靶件外管2的主体部分分为入口管10和出口管12，通过变径管11连接；质子束管1与靶件外管2同轴安装，质子束管1球形封头靶窗7与靶件外管2的变径管11上方位于同一水平位置。
管脚9插入栅板联箱15内，由栅板联箱15提供冷却剂。栅板联箱15中心提供侧壁开孔管道，管脚9从上而下插入栅板联箱15的管道内，冷却剂从管脚9侧面进入。栅板联箱15的管道为管脚9提供良好的导向和固定作用。管脚9的两段密封结构贴合栅板联箱15的管道，减小管脚9的漏流。
管脚9内，延伸进入入口管10的圆柱管道，管道中心为散裂靶流道提供高速冷却剂，圆柱形管道的侧壁开孔提供边缘区域的低速冷却剂。这种圆柱形管道结构，提供中心高流速的冷却剂，能够有效的降低有窗靶靶窗7中心部分的滞留区体积，加强靶窗7换热。边缘低速的冷却剂，能够防止流道局部回流，稳定中心部分流动。
堆芯支撑结构8焊接在靶件外管2外壁面，位于堆芯3活性区以上的位置，减小辐照损伤。堆芯支撑结构8贴合堆芯3中心空出组件部分的轮廓，为堆芯3提供径向支撑，防止堆芯3的径向晃动。优选地，堆芯支撑结构8每组由两块幅板13和两块肋板14组成。两块幅板13对称安装。肋板14位于幅板13之间，起到支撑的作用。上部的肋板14位于与组件凸台同一水平位置。
堆芯3由六边形组件组成。燃料组件下部固定在堆内构件6上，组件与组件之间上部通过凸台来进行径向固定，防止组件振动产生较大的变形和破坏。堆芯3中心空出2～3层组件位置，用以安装质子束管1和靶件外管2。
容器4为圆柱容器，包容反应堆一回路冷却剂运行，是反应堆内重要的放射性边界，同时也为反应堆部件提供支撑。容器4上部与顶盖5固定连接，支撑堆内构件6。
顶盖5为环形箱体结构，承载反应堆内主要部件的安装，为靶件外管2提供支撑。顶盖5箱体内填充屏蔽材料，为反应堆顶部部件提供放射性保护。
堆内构件6由圆筒和水平板拼焊而成，底部为栅板联箱15。堆内构件6形成堆内冷却剂流道，为反应堆堆芯3提供支撑。栅板联箱15形成堆芯3入口腔室，并为靶件外管2提供冷却剂流量。
如图3所示，栅板联箱15提供给管脚9散裂靶区的流量。冷却剂从栅板联箱15进入管脚9向上流动。之后大量的冷却剂经过管脚9延伸入入口管10的圆柱管道提供给入口管10中心部分，少部分从圆柱管道侧壁的开孔，进入入口管10外围的低流量区域。
如图4所示，堆芯支撑结构8沿出口管12外壁面周向均布，与堆芯3中燃烧组件上部的限位凸台接触，提供径向支撑。堆芯支撑结构8由幅板13和肋板14组成。幅板13为平板，与燃料组件相接触，起限制燃料组件径向位移的作用。肋板14为条状钢结构，连接两块幅板13，提供支撑，增加堆芯支撑结构8整体的刚度。
如图5所示，质子束管1与靶件外管2同轴安装，堆芯支撑结构8沿周向均布焊接于靶件外管2上。质子束管1与靶件外管2，位于堆芯3中心的位置，以达到最好的嬗变效率。
堆芯3由可更换的六角形组件组成，形成蜂窝状结构。中心空出7根组件的位置，提供散裂靶安装的空间。堆芯上部由堆芯支撑结构8提供径向支撑，防止组件顶端出现径向位移。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，包括质子束管(1)、靶件外管(2)、堆芯(3)、容器(4)、顶盖(5)和堆内构件(6)，其中，所述容器(4)与所述顶盖(5)二者共同构成反应堆主要放射性边界，用于将所述质子束管(1)、所述靶件外管(2)、所述堆芯(3)和堆内构件(6)包容在内；所述质子束管(1)同轴安装在所述靶件外管(2)内，作为整体同轴吊装于所述顶盖(5)的中心并且向下穿过所述堆芯(3)，所述靶件外管(2)的底部具有插入堆内构件(6)的栅板联箱(15)内的管脚(9)，所述栅板联箱(15)提供的冷却剂经过所述管脚(9)分区冷却以加强所述质子束管(1)换热。
2.根据权利要求1所述的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，所述管脚(9)对进入所述散裂靶(1)的冷却剂提供分区，中心为高冷却剂流速区，外周为低冷却剂流速区。
3.根据权利要求2所述的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，所述管脚(9)伸入所述靶件外管(2)的圆柱管道，所述管道的管口用于形成高冷却剂流速区，所述管脚(9)的侧壁上开设有孔，用于形成低冷却剂流速区。
4.根据权利要求1所述的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，所述靶件外管(2)的主体部分由通过变径部位(11)连接的入口管(10)和出口管(12)组成。
5.根据权利要求4所述的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，所述质子束管(1)为带有靶窗(7)的圆柱形管道，所述靶窗(7)为薄壁结构的球形封头，所述靶窗(7)由所述靶件外管(2)的变径部位(11)提供径向约束。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，所述靶件外管(2)的外壁面设置有堆芯支撑结构(8)，用于向所述堆芯(3)提供径向支撑。
7.一种非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，包括质子束管(1)、靶件外管(2)、堆芯(3)、容器(4)、顶盖(5)和堆内构件(6)，其中，所述容器(4)与所述顶盖(5)二者共同构成反应堆主要放射性边界，用于将所述质子束管(1)、所述靶件外管(2)、所述堆芯(3)和堆内构件(6)包容在内；所述质子束管(1)同轴安装在所述靶件外管(2)内，作为整体同轴吊装于所述顶盖(5)的中心并且向下穿过所述堆芯(3)，所述靶件外管(2)的底部具有插入堆内构件(6)的栅板联箱(15)内的管脚(9)，所述栅板联箱(15)用于向所述管脚(9)提供冷却剂，其中，所述靶件外管(2)的外壁面设置有堆芯支撑结构(8)，用于向所述堆芯(3)提供径向支撑。
8.根据权利要求7所述的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，所述堆芯支撑结构(8)位于所述堆芯(3)活性区以上的位置，所述堆芯支撑结构(8)贴合所述堆芯(3)中心空出的部分组件的轮廓，与所述组件凸台同一水平位置，向所述堆芯(3)提供径向支撑。
9.根据权利要求7所述的非贯穿式散裂靶与反应堆耦合系统，其特征在于，所述堆芯支撑结构(8)包括幅板(13)和肋板(14)，其中，所述幅板(13)用于贴合堆芯(3)中心空出组件部分的外形，所述的肋板(14)用于支撑所述幅板(13)，以防止所述幅板(13)的变形。
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