CN107507652B - 一种一体化反应堆的堆芯结构及核反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种一体化反应堆的堆芯结构及核反应堆，包括燃料组件，燃料组件位于燃料箱内，燃料组件和燃料箱的下端分别固定在燃料板上，燃料板的下端与环形板的上端固接，环形板的下端固接有圆形下盖板，燃料板、环形板和圆形下盖板组成一个密闭的冷却水流通空腔，环形板的环壁上开有冷却剂流道，圆形下盖板上设置有毒物流通器，毒物流通器穿过圆形下盖板，毒物流通器的上端位于冷却水流通空腔内，毒物流通器的下端位于下硼水腔内，下硼水腔用于盛放硼酸水，毒物流通器将燃料组件与下硼水腔连通，下硼水腔的密闭与开启通过非能动停堆系统控制。本发明创造结构紧凑，取消了控制棒，利用硼水腔内充满的硼酸水来调节反应堆的反应性。

Description

一种一体化反应堆的堆芯结构及核反应堆

技术领域

本发明创造属于核设备堆芯技术领域，尤其是涉及一种用于一体化压水核反应堆的堆芯结构及核反应堆。

背景技术

随着轻水堆不断发展，安全性好，结构易于维修等要求成为继续改进核电站反应堆设计的主要方向。现有技术中的一体式压水堆一般采用控制棒控制反应堆的功率，这种结构的反应堆体积大，结构不够紧凑。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种一体化反应堆的堆芯结构及核反应堆，以提出一种新型架构的反应堆的堆芯，取消控制棒结构。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种一体化反应堆的堆芯结构，包括燃料组件，燃料组件位于燃料箱内，燃料组件和燃料箱的下端分别固定在燃料板上，燃料板的下端与环形板的上端固接，环形板的下端固接有圆形下盖板，燃料板、环形板和圆形下盖板组成一个密闭的冷却水流通空腔，环形板的环壁上开有用于冷却剂流通的冷却剂流道，圆形下盖板上设置有竖直设置的毒物流通器，毒物流通器穿过圆形下盖板，毒物流通器的上端位于冷却水流通空腔内，毒物流通器的下端位于下硼水腔内，冷却剂流道位于下硼水腔的上方；

下硼水腔位于环形板的下方，下硼水腔用于盛放硼酸水，毒物流通器将燃料组件与下硼水腔连通，下硼水腔的密闭与开启通过非能动停堆系统控制。

进一步的，所述圆形下盖板上还设置有用于减少硼酸水浓度的毒物膨胀吸收器，毒物膨胀吸收器为一个将冷却水流通空腔与下硼水腔连通的通道，通道内部设置有反渗透膜。

进一步的，所述燃料组件的横截面积为六边形。

进一步的，所述毒物流通器的下端靠近下硼水腔的底部。

进一步的，所述冷却剂流道为若干个，冷却剂流道围绕着环形板的环壁均匀分布。

进一步的，冷却剂流道下方的环形板的外侧壁上固接有用于固定的固定环。

进一步的，所述固定环上开设有若干用于固定的竖直方向的固定孔。

进一步的，固定环的两个端面上分别设置有与固定孔对应的上固定块和下固定块，固定孔分别穿过上固定块和下固定块。

进一步的，所述毒物流通器的上端位于冷却剂流道的下方。

本发明创造还提及了一种核反应堆，包括上述的一体化反应堆的堆芯结构。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种一体化反应堆的堆芯结构及核反应堆具有以下优势：

(1)本发明创造结构紧凑，适用于一体化的压水反应堆，取消了控制棒，利用硼水腔内充满的硼酸水来调节反应堆的反应性，故可简化缩小反应堆的结构，缩小了堆芯的体积；

(2)本发明创造利用压差控制反应堆的功率，其主动控制的特性安全性更高。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造一体化堆的整体结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的主循环泵的结构示意图；

图3为本发明创造实施例所述的蒸汽发生器的结构示意图；

图4为本发明创造实施例所述的堆芯的主视图；

图5为本发明创造实施例所述的堆芯的纵向剖视图；

图6为本发明创造实施例所述的堆芯的俯视图；

图7为本发明创造实施例所述的非能动停堆系统的结构示意图；

图8为本发明创造实施例所述的一体化堆的俯视图。

附图标记说明：

1、压力壳筒体；101、上封头；102、下封头；103、给水入口；104、蒸汽出口；2、主循环泵；201、电动机；202、主轴；203、叶轮；204、泵外壳；2041、排放口；2042、喇叭口结构；205、外壳上法兰；206、泵内壳； 207、内壳上法兰；208、轴封装置；209、内部下壳体；210、水中轴承；211、电动机台；212、间接连接器；3、蒸汽发生器；301、蒸汽发生器内筒；302、蒸汽发生器外筒；303、蒸汽发生器中间筒；304、给水联箱；3041、进水孔； 3042、出水孔；305、给水管；306、螺旋管；307、多孔支撑板；308、环板； 309、管板；310、盖板；4、堆芯；401、燃料组件；402、燃料箱；403、燃料板；404、环形板；4041、冷却剂流道；405、圆形下盖板；406、毒物流通器；407、毒物膨胀吸收器；408、固定环；4081、固定孔；4082、上固定块；4083、下固定块；5、毒物罐；501、毒物罐内壳；502、毒物罐外壳；503、毒物罐上段；504、毒物罐过渡段；505、毒物罐下段；6、非能动停堆系统；601、气缸体；602、活塞杆；603、活塞；6031、螺纹；604、阀门盖板；605、阀座；606、配平块；607、气缸连通口；608、间隙；a、第一环腔；b、第二环腔；c、冷却水流通空腔；d、下硼水腔；e、上硼水腔；f、上腔室；g、下降通道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1至8所示，一种热熔器型的一体化堆，包括压力壳筒体1，压力壳筒体1内的下部设置有与压力壳筒体1同轴心设置的毒物罐5，毒物罐5 包括毒物罐内壳501和毒物罐外壳502，毒物罐内壳501与毒物罐外壳502 之间形成用于容纳硼水的上硼水腔e，上硼水腔e上方的毒物罐5上设置有用于控制反应堆的非能动停堆系统6。毒物罐5内部底部中间设置有堆芯4，毒物罐5上窄下宽，毒物罐5的窄部外部设置有蒸汽发生器3，蒸汽发生器 3为直流螺旋管式。蒸汽发生器3用于二次侧回路的热交换，压力壳筒体1 内部设置有用于驱动一次侧回路循环流动的驱动装置。

如图1所示，蒸汽发生器3上方的压力壳筒体1内设置有上腔室f，上腔室f将毒物罐5内部与蒸汽发生器3连通，毒物罐5与压力壳筒体1之间形成环形的下降通道g，堆芯4的下端的圆周侧开有径向的冷却剂流道4041，冷却剂流道4041将下降通道g与堆芯4连通。压力壳筒体1内堆芯4的下方设置有下硼水腔d，上硼水腔e与下硼水腔d连通，堆芯4的下端设置有毒物流通器406，毒物流通器406将堆芯4与下硼水腔d连通。

如图3所示，蒸汽发生器3包括蒸汽发生器内筒301、蒸汽发生器外筒 302和位于蒸汽发生器内筒302、蒸汽发生器外筒302之间的蒸汽发生器中间筒303。蒸汽发生器内筒302套在毒物罐5的上部，蒸汽发生器外筒302 的下端固接在给水联箱304的一端，给水联箱304的另外一端不与蒸汽发生器内筒302和毒物罐5的外侧壁接触。蒸汽发生器中间筒303的下端固接在给水联箱304的上端面上，蒸汽发生器中间筒303两侧的给水联箱304上分别开有进水孔3041和出水孔3042。给水管305位于蒸汽发生器外筒302与蒸汽发生器中间筒303之间的第一环腔a内，给水管305的一端与进水孔 3041连接，给水管305的另外一端与设置在压力壳筒体1上的给水入口103 连接。

如图3所示，蒸汽发生器内筒301与蒸汽发生器中间筒303之间的第二环腔b内容纳有若干根均匀分布的螺旋管306，螺旋管306围绕着内筒螺旋向上，螺旋管306的下端与出水孔3042连接，螺旋管306的上端与设置在压力壳筒体1上的蒸汽出口104连接。螺旋管306的外径为19mm，螺旋管 306有若干根，螺旋管306与螺旋管306之间的间距为25mm。为了避免由螺旋管306的固有振动频率和一次侧水引起的卡门涡旋振动频率导致振动的可能性，螺旋管306通过若干多孔支撑板307进行支撑，多孔支撑板307位于蒸汽发生器内筒301与蒸汽发生器中间筒303之间且呈放射性布置，螺旋管 306穿过多孔支撑板307螺旋上升。优选的，多孔支撑板307的数量为十六块。为了使得螺旋管306的螺旋空间更大，热交换更加的彻底，蒸汽发生器中间筒303位于蒸汽发生器内筒301与蒸汽发生器外筒302的中间靠近蒸汽发生器外筒302的一侧。

如图3所示，蒸汽发生器外筒302的外壁上设置有用于固定的环板308，环板308固定在压力壳筒体1上。给水入口103处和蒸汽出口104处分别固接有管板309，管板309分别用于固定给水管305和螺旋管306，第一环腔a 的顶部固接有盖板310，给水管305穿过盖板310。

如图1和8所示，给水入口103和蒸汽出口104分别设置在上腔室f处的压力壳筒体1的侧壁上，给水入口103和蒸汽出口104的数量分别为四个，给水入口103和蒸汽出口104均匀交替设置，给水入口103和蒸汽出口104 的轴心线在同一水平面内且相交于一点。

如图4至6所示，堆芯4包括燃料组件401，燃料组件401位于燃料箱 402内，燃料组件401和燃料箱402的下端分别固定在燃料板403上.燃料板 403的下端与环形板404的上端固接，环形板404的下端固接有圆形下盖板405，燃料板403、环形板404和圆形下盖板405组成一个密闭的冷却水流通空腔c。冷却剂流道4041开设在环形板404的环壁上，冷却剂流道4041为若干个，冷却剂流道4041围绕着环形板404的环壁均匀分布。若干毒物流通器406设置在圆形下盖板405上，毒物流通器406穿过圆形下盖板405且竖直设置，毒物流通器406的上端位于冷却水流通空腔c内，毒物流通器406 的下端位于下硼水腔d内，冷却剂流道4041位于下硼水腔d的上方，下硼水腔d位于环形板404的下方。毒物流通器406的上端位于冷却剂流道4041 的下方，毒物流通器406的下端靠近下硼水腔d的底部。

如图5和6所示，圆形下盖板405上还设置有用于减少硼酸水浓度的毒物膨胀吸收器407。毒物膨胀吸收器407为一个将冷却水流通空腔c与下硼水腔d连通的通道，通道内部设置有反渗透膜。毒物膨胀吸收器407，这个零件是在反应堆开启时使用，反应堆停堆时堆芯内注入的硼酸水，在反应堆再次开启时就要将硼酸水从一回路内排出。其原理是利用反渗透原理来将一回路冷却剂中的硼酸水排出到下硼水腔d内，反渗透膜利用一回路与下硼水腔d之间的压差，将一回路冷却水中的硼酸水排出下硼水腔d内。毒物流通器406和毒物膨胀吸收器407均匀分布。六边形结构较容易顺利插入、提升，更适应换料时采用的水中机械手结构。为了抓取方便，燃料组件401设置成六边形的结构，燃料组件401的横截面积为六边形。冷却剂流道4041下方的环形板404的外侧壁上固接有用于固定的固定环408。固定环408上开设有若干用于固定的竖直方向的固定孔4081。固定件穿过固定孔4081固定在压力壳筒体1上。

如图2所示，驱动装置包括设置在压力壳筒体1顶端的主循环泵2，主循环泵2的旋转轴线与压力壳筒体1的轴线重合，主循环泵2包括位于压力壳筒体1外部的电动机201，电动机201通过电动机台211支撑在压力壳筒体1的上方。电动机201的输出轴与主轴202的一端通过间接连接器212固接，主轴202的另外一端固接有叶轮203。主轴202伸入到圆筒状的泵外壳 204内部，泵外壳204与主轴202同轴心，泵外壳204的上端通过外壳上法兰205固接在压力壳筒体1上。叶轮203位于泵外壳204内部，叶轮203的下端稍微突出于泵外壳204的下端。叶轮203上方的上腔室f内的泵外壳204 的侧壁上开有用于排放冷却水的若干排放口2041，排放口2041将上腔室f 与毒物罐5连通。排放口2041围绕着泵外壳204的轴心线均匀分布。

如图1所示，叶轮203设置在毒物罐5上方的蒸汽发生器内筒301内部，泵外壳204的管径小于蒸汽发生器内筒301的内管径，蒸汽发生器内筒301 向上延伸到给水入口103和蒸汽出口104的上方然后朝着压力壳筒体1内壁的方向弯折后其端部与压力壳筒体1的内壁固接，蒸汽发生器内筒301的侧壁上设置有若干与排放口2041对应的内筒溢流孔。排放口2041下方的蒸汽发生器内筒301通过固定板固定在蒸汽发生器内筒301的上端。

如图2所示，叶轮203上方的主轴202与泵外壳204之间设置有用于支撑主轴202的泵内壳206，泵内壳206为圆筒状，泵内壳206与主轴202同轴心，泵内壳206靠近电动机201的一端固接有内壳上法兰207，内壳上法兰207固接在外壳上法兰205的上端，主轴202与内壳上法兰207之间通过轴封装置208连接。为了支撑主轴202，外壳上法兰205下方的泵内壳206的内孔径略大于主轴202的直径，外壳上法兰205下方的泵内壳206的环壁内部中空。泵内壳206的下端与叶轮203之间设置有内部下壳体209，内部下壳体209内设置有用于固定主轴202的水中轴承210。水中轴承210为静压轴承。

如图2所示，为了便于一次侧循环水更容易的被主循环泵2吸入，泵外壳204的下端设置成开口朝下的喇叭口结构2042。为了充分利用反应堆压力容器的内部空间，减小了整个压力容器的体积，同时可以减少反应堆运行过程中热膨胀产生的一系列问题。主轴202设置在压力容器的上部，主轴202 的轴线与压力容器的轴线重合。

如图7所示，非能动停堆系统6为水压动作阀，水压动作阀设置在毒物罐5的上端，水压动作阀的数量有三个。非能动停堆系统6包括气缸体601，气缸体601内设置有活塞杆602，活塞杆602的上端设置有活塞603，活塞 603的直径大于活塞杆602的直径，活塞603上方的活塞杆602的端部设置有阀门盖板604。气缸体601固定在阀座605上，活塞603下方的气缸体601 的侧壁上开设有气缸连通口607，位于毒物罐5内部的气缸连通口607将气缸内部与上硼水腔e连通，阀门盖板604位于毒物罐5外部用于感受一次侧回路的压力。一次侧回路的压力大于上硼水腔e内的压力时阀门盖板604的下端面与气缸体601的上端面抵接，此时硼水腔处于密闭状态，当一次侧回路的压力小于上硼水腔e内的压力时阀门盖板604的下端面与气缸体601的上端面分离，此时硼水腔打开。

如图7所示，活塞603的侧壁设置有螺纹6031，活塞603与气缸的内侧壁之间留有用于硼酸水通过的5mm的间隙608。为了便于硼酸水的流通，阀门盖板604的边缘向上向外弯曲，阀门盖板604的纵截面为倒置的人字形结构。活塞杆602的下端设置有配平块606。配平块606内部中空，配平块606 内部充有水。活塞603与配平块606之间的空间充满硼酸水。气缸连通口607 设置在配平块606与活塞603之间。

如图1所示，压力壳筒体1包括上封头101和下封头102，上封头101 和下封头102之间通过螺纹连接，毒物罐5设置在下封头102内，驱动装置设置在上封头101内。毒物罐5包括毒物罐下段505、毒物罐过渡段504和毒物罐上段503，毒物罐过渡段504为锥形管状，毒物罐上段503的管径小于毒物罐下段505的管径，蒸汽发生器内筒301套在毒物罐上段503外侧，蒸汽发生器内筒301的内径等于毒物罐上段503的外径。

本发明创造的工作原理：

一次侧冷却水在压力容器内部循环，一次侧冷却水经过堆芯4加热后，在主循环泵2的作用下从下往上运动经过排放口2041和内筒溢流孔排放到上腔室f内，然后从蒸汽发生器3的螺旋管306的间隙向下流，经过下降通道g和冷却剂流道4041回到堆芯4内，完成一次冷却水的循环。

二次侧冷却水从给水入口103经给水联箱304进入螺旋管306，经螺旋管306与一次侧冷却水接触充分换热，最后从蒸汽出口104流出，实现了一次侧回路的冷却和二次侧回路的加热。反应堆依靠包围在堆芯4外的毒物罐 5中的硼酸水调节反应堆功率，当主循环泵2压力下降时，毒物罐5上端的三台非能动停堆系统6开启，硼酸水自动注入堆芯4中，实现反应堆的缓慢停堆。

主循环泵2的工作原理：整个主循环泵2由电动机201通过间隔连接器带动主轴202进行转动，压力壳筒体1中的一次侧循环水在叶轮203的作用下向上流动，并通过在泵外壳204上的排放口2041将水排放出去，进入蒸汽发生器3的顶部进行换热。为了减少重量，提高刚性，主轴202下部为空心，上部为实心，主轴202穿过外壳上法兰205。整个主循环泵2的径向载荷由设在壳体下部的水中轴承210和电动机201的径向轴承支撑，轴向载荷由电动机201的轴向轴承支撑。主循环泵2的水中轴承210是依靠主循环泵 2自压作用的静压轴承，这种轴承不需要润滑油，其原理是在运行中非接触的，所以磨耗少，基本上不用维护。在主轴202上部有轴封装置208封住了反应堆压力容器上部充满的高温高压蒸汽。主循环泵2安装在压力壳筒体1 的正上方轴线处，不仅充分利用了反应堆压力壳筒体1的内部空间，减小了整个压力壳筒体1的体积，同时可以减少反应堆运行过程中热膨胀产生的一系列问题，使核反应堆设备结构紧凑，可靠性高、安全性好。

蒸汽发生器3的工作原理：蒸汽发生器3采用大盘管式，设计为四个给水入口103和四个蒸汽出口104相邻交替布置。蒸汽发生器3二次侧水由给水入口103进入，通过给水管305向下进入到给水联箱304中，在压力的作用下给水联箱304的水进入到下部螺旋管306中，螺旋管306中水在上升的过程中通过与管外一次侧的水进行换热，形成蒸汽到蒸汽出口104，从而推动汽轮机做功并驱动发电机发电。一次侧和二次侧的水流向相反，可充分换热。通过对单个给水入口103的给水控制，可实现蒸汽发生器1/4功率运行，若不封堵，则蒸汽发生器3以满负荷的功率运行。

本蒸汽发生器3不仅用于核反应堆上，还可以使用在其它换热的场合，比如火力发电系统或者化工的换热传热设备上。本发明创造采用压力容器和蒸汽发生器3一体化设计充分利用了反应堆压力容器的内部空间，同时设置四个给水入口103和蒸汽出口104，有效的缩小了整个蒸汽发生器3的体积，提高了换热效率。此外，通过对四个给水入口103的控制可实现蒸汽发生器 3的功率调节，运行操作方便。

反应堆的非能动停堆是通过非能动停堆系统6实现的，当一次侧回路压力高时，由于一次侧回路的压力大于硼酸水的压力，在压力作用下，阀门盖板604的下端面与气缸体601的上端面抵接，硼水腔封闭，下硼水腔d内的硼酸水不能进入堆芯4。毒物流通器406，是一种蜂窝状的混合防止器，其可以在压差作用下控制硼水流量，实现对一次侧回路硼水浓度的调节，从而实现对反应堆功率的调节。当主循环泵2的转速降低时，或者一次侧回路内的压力下降时，阀门盖板604的下端面与气缸体601的上端面分离，硼水腔内的硼酸水可以通过活塞603与气缸之间的间隙608流出，然后通过引流管将流出的硼酸水引入下硼水腔d内，在压力的作用下，下硼水腔d内的硼酸水通过毒物流通器406流入到堆芯4内，硼酸有吸收中子的作用，从而实现了非能动停堆。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种一体化反应堆的堆芯结构，其特征在于：

包括燃料组件(401)，燃料组件(401)位于燃料箱(402)内，燃料组件(401)和燃料箱(402)的下端分别固定在燃料板(403)上，燃料板(403)的下端与环形板(404)的上端固接，环形板(404)的下端固接有圆形下盖板(405)，燃料板(403)、环形板(404)和圆形下盖板(405)组成一个密闭的冷却水流通空腔(c)，环形板(404)的环壁上开有用于冷却剂流通的冷却剂流道(4041)，圆形下盖板(405)上设置有竖直设置的毒物流通器(406)，毒物流通器(406)穿过圆形下盖板(405)，毒物流通器(406)的上端位于冷却水流通空腔(c)内，毒物流通器(406)的下端位于下硼水腔(d)内，冷却剂流道(4041)位于下硼水腔(d)的上方；

下硼水腔(d)位于环形板(404)的下方，下硼水腔(d)用于盛放硼酸水，毒物流通器(406)将燃料组件(401)与下硼水腔(d)连通，下硼水腔(d)的密闭与开启通过非能动停堆系统(6)控制；

所述圆形下盖板(405)上还设置有用于减少硼酸水浓度的毒物膨胀吸收器(407)，毒物膨胀吸收器(407)为一个将冷却水流通空腔(c)与下硼水腔(d)连通的通道，通道内部设置有反渗透膜；

所述毒物流通器(406)的下端靠近下硼水腔(d)的底部，所述毒物流通器(406)的上端位于冷却剂流道(4041)的下方；

所述冷却剂流道(4041)为若干个，冷却剂流道(4041)围绕着环形板(404)的环壁均匀分布，冷却剂流道(4041)下方的环形板(404)的外侧壁上固接有用于固定的固定环(408)。

2.根据权利要求1所述的一体化反应堆的堆芯结构，其特征在于：

所述燃料组件(401)的横截面积为六边形。

3.根据权利要求1所述的一体化反应堆的堆芯结构，其特征在于：

所述固定环(408)上开设有若干用于固定的竖直方向的固定孔(4081)。

4.根据权利要求3所述的一体化反应堆的堆芯结构，其特征在于：

固定环(408)的两个端面上分别设置有与固定孔(4081)对应的上固定块(4082)和下固定块(4083)，固定孔(4081)分别穿过上固定块(4082)和下固定块(4083)。

5.一种核反应堆，其特征在于：

包括权利要求1至4任一项所述的一体化反应堆的堆芯(4)结构。

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