CN109416946A - 具有自支撑芯的核反应堆 - Google Patents

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Abstract

提供了一种核反应堆(1)，所述核反应堆包括一个容器(2)，所述容器容纳一个芯(4)，所述芯包括一束燃料元件(12)且被浸没在所述芯(4)的主要冷却流体(F)中；所述燃料元件(12)沿着相应的纵向且平行的轴线(A)延伸且被相应的头部(16)机械地支撑，所述头部(16)彼此结合且通过支撑装置(22)结合到一个锚固结构(11)，所述支撑装置(22)作用在相邻的燃料元件(12)之间，或作用在位于所述芯(4)的周边上的燃料元件(12)和所述锚固结构(11)之间，且所述支撑装置构成所述燃料元件(12)的头部(16)的一个整体部分。

Description

具有自支撑芯的核反应堆
技术领域
本发明涉及核反应堆，特别地，涉及由许多燃料元件形成的核反应堆，其特征在于新构思的支撑系统。
背景技术
在目前的实践中，核反应堆包括一个芯，该芯被定位在反应堆的主容器的下部部分中、被浸没在主要流体中并且通过由支撑栅板所支撑的燃料元件形成。
使用已知解决方案的反应堆具有多个缺点。
芯支撑栅板通常被锚固到反应堆容器的底部，且难以检查和难以更换/不可能更换，因此必须限制由中子通量造成的损坏。为此，每个燃料元件在长度上在活性部分(active portion)下方延伸，以减少对支撑栅板的损坏。
在使用重质液态金属作为主要冷却剂的特定情况下，存在严重的浮动效应(floating effect)，该浮动效应要求燃料元件到其支撑栅板的复杂锚固和/或利用高密度材料(诸如，钨)来平衡。
专利申请MI2008A000766试图通过在燃料元件的顶端处而非在底端处采用支撑结构、借助于具有梁的结构来解决此问题，所述梁穿过形成在容纳反应堆的壳体中的穿透部且它们安置在所述穿透部上，并且其中所述支撑结构的每个梁支撑一排燃料元件、在定位在所述元件的头部下方的槽中穿过它们。
此解决方案具有仅能够与方形图案的燃料元件一起使用的限制，并且在所述穿透部穿过主要限制屏障时具有多种缺点，并且需要两组滑动梁来允许拆卸待被更换的燃料元件，该组梁是体积庞大的并且可能干扰定位在反应堆的上部部分中的其他结构。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种克服了已知解决方案所指明的缺点且具有另一些构造优点和安全优点的核反应堆。
因此，本发明涉及如所附权利要求1中所限定的核反应堆，并且在从属权利要求中涉及其辅助特性和工厂配置。
附图说明
参考附图中的图，在下面的非限制性实施方案中描述本发明，在附图中：
-图1是根据本发明的核反应堆的纵向截面的示意性总体视图；
-图2是图1中的燃料元件的支撑系统的纵向截面放大示意性视图；
-图3是图2中的燃料元件的支撑系统的示意性俯视图；
-图4是图2中的燃料元件的支撑系统的俯视图，示出了一个脱离以执行更换的燃料元件；
-图5是具有根据本发明的用于燃料元件的支撑系统的核反应堆的一个变体的纵向截面的示意性总体视图；
-图6是图5中的燃料元件的支撑系统的俯视图；
-图7是燃料元件的多个部分的未按比例的和纵向截面的放大视图，特别地示出了图1中的芯的径向膨胀装置和活性部分；以及
-图8a和图8b分别示出了在燃料元件的活性部分相邻或分开时沿着图1中的燃料元件的线I-I的横截面中的示意性视图。
具体实施方式
参考图1，核反应堆1特别地表示液态金属或熔融盐冷却的核反应堆1，核反应堆1包括大体上杯形或池形的容器2和放置在容器2顶部的关闭结构3；容器2容纳芯4和界定热歧管6和冷歧管7的液压分离结构5，芯4的主要冷却流体F在热歧管6和冷歧管7中循环。主要流体F具有自由表面，在反应堆1的正常操作中，该自由表面在歧管6和7中的不同水平H1和H2处。容器2容纳：用于主要流体F的循环泵8；热交换器9，主要流体F传递通过该热交换器，且该热交换器将在芯4中所生成的功率转移到次要流体；以及未示出的其他已知的部件。
根据从专利申请GE2015A0000330已知的解决方案，液压分离结构5优选地具有双耳瓶形(amphora-like)形状，且悬挂在容器2的关闭结构3上。
同样参考图2和图3，用于燃料元件12的锚固结构11被插入液压分离结构5的上部部分10内部。
燃料元件12沿着相应的纵向且平行的轴线(A)延伸，且具有相应的活性部分13和相应的维护部分14，所述维护部分包括分别位于底部和顶部的脚部15和头部16，以及位于活性部分13与头部16之间的连接轴17。
轴17拥有一定量的机械柔性，且该轴17的上部部分18被插入燃料元件4的头部16内部的空的圆柱形体积中。此上部部分18通过位于其顶端处的球形联接器19而被机械地联接到头部16，因为该球形联接器是当前技术，所以没有对其进行详细描述。
燃料元件12的脚部15彼此接触且作为整体构成一束，该束由液压分离结构5的底部的开口21的内缘20径向约束。
燃料元件12的头部16容纳支撑装置22，特别是靠近头部16的六边形截面的两个相对的拐角的两个竖直支撑装置23和靠近头部16的另外两个相对的拐角的两个水平支撑装置24。
竖直支撑装置23由大体上圆柱形的主体25构成，其底端通过销26而被连接到竖直锁定中空圆柱形元件27。支撑元件的主体25在顶部处终止于六边形头部28中，且包括闩锁29。
竖直支撑装置23能够绕其自身的轴线B旋转大约90°，以移动到关闭位置30，在关闭位置30中，它们在水平平面上的投影被完全容纳在燃料元件12的头部16的投影31内；或，竖直支撑装置23能够绕其自身的轴线B旋转大约90°，以移动到打开位置32(由图2中的所有其他竖直支撑装置23示出)，在打开位置中，闩锁29从其所属于的燃料元件12的头部16的投影31突出，使其尖端33在相邻的燃料元件12之上，或者至于芯的周边燃料元件12的周边装置，与形成在燃料元件12的锚固结构11中的槽34接合。在打开位置32中，属于燃料元件12的竖直支撑装置23防止该燃料元件12的向下移动，在所述闩锁29打开时，该燃料元件12安置在相邻的燃料元件12上。从相邻的燃料元件12突出于一个给定的燃料元件12之上的竖直支撑装置23阻止那个移动燃料元件12的向上移动。
在所有支撑装置23在打开位置中时，芯4显现为单个块，其中没有燃料元件12能够相对于其他燃料元件向上或向下移动。此外，处于芯的周边位置、处于打开位置中且与燃料元件12的锚固结构11中的槽34接合的竖直支撑装置23防止整个芯4的竖直移动。
水平支撑装置24也具有大体上圆柱形的形状，且其特征在于至少两个凸轮35，且水平支撑装置24能够绕其自身的轴线C旋转大于90°从关闭位置36到打开位置37，在关闭位置中，它们在水平平面上的投影被完全容纳在燃料元件12的头部16的投影31内部，打开位置由图3中的所有其他水平支撑装置24示出，在打开位置中，凸轮35从所述投影31突出以使尖端38经过燃料元件12的头部16之间的间隙39，直到与两个头部16接触，特别是与它们的面40中的一个接触，或至于周边燃料元件12，与燃料元件12的锚固结构11接触。
竖直支撑装置23执行所描述的对燃料元件的竖直约束功能，并且当燃料元件的头部16之间设置有间隙39时，水平支撑装置24作为整体执行对燃料元件的头部16的径向约束功能。
在所有支撑装置22在打开位置时，芯显现为竖直且径向地锚固到锚固结构11的单个块。
参考图4，在如下情况下能够执行芯的普通内部燃料元件41的提取：(i)在关闭属于相邻的燃料元件的两个竖直支撑装置42a和42b时，(ii)在关闭属于所讨论的燃料元件41的两个水平支撑装置43a和43b时，以及(iii)在关闭属于四个相邻的元件的四个支撑装置44a、44b、44c和44d时。
在如下情况下能够执行芯的普通外部燃料元件45的提取：(i)在关闭属于相邻的元件的竖直支撑装置46时，(ii)在关闭其自身的竖直支撑装置47时，该竖直支撑装置47接合在燃料元件12的支撑结构11中所形成的槽34中，(iii)在关闭属于所讨论的燃料元件45的两个水平支撑装置48a和48b时，以及(iv)在关闭属于的两个相邻的元件的两个水平支撑装置49a和49b时。
用于关闭和打开水平支撑装置24的旋转极限可以从由元件12的头部16上的闩锁所占据的槽34的形状确定。
支撑装置22的打开和关闭可以通过作用在六边形头部28上、经由燃料转移机器的夹持器或经由专门设置的装置或远程操纵器(因为是常规技术的一部分，所以未示出)来执行。
通过类似的提取和插入过程，还可以执行燃料元件的180°旋转。针对燃料元件的支撑的设想可以被方便地应用于插入芯中的其他部件，例如控制杆。
参考图5和图6，其中图5主要表示水冷却的反应堆，且其中具有类似功能的元件用图1-图4中所使用的相同附图标记指示，不太严格的要求允许简化燃料元件的支撑系统12；特别地，燃料元件12可以具有方形截面和不太严格的间隙控制，而不要求燃料元件12的适合于从变形或差异膨胀恢复的特别柔性。
对于每个燃料元件12，利用仅两个竖直支撑装置23就可以实施对燃料元件12的支撑，优选地所述仅两个竖直支撑装置靠近头部16的两个相对侧53的中心线放置；支撑结构11还可以提供热歧管6和冷歧管7之间的液压分离功能。
在关闭分别属于相邻的元件12的两个竖直支撑装置54a和54b时，执行芯内部的普通燃料元件41的更换。在如下情况下执行定位在芯的周边的普通燃料元件55的更换：(i)在关闭属于相邻的燃料元件12的竖直支撑装置56时，以及(ii)在关闭其自身的竖直支撑装置57时，所述竖直支撑装置57接合在燃料元件12的支撑结构11中所形成的槽34中。
参考图1、图7、图8a和图8b，膨胀器57应用于燃料元件12的轴17，该膨胀器的特征在于径向膨胀能力随着温度增加，且在图7中示出该膨胀器的一个实施方案。
每个轴17装配有六个膨胀器57，每个膨胀器垂直于燃料元件12的一个相应的面58延伸。每个膨胀器57相对于与轴17垂直的中心线平面α对称以改善结构性能，且每个膨胀器57由多个Z形截面的低热膨胀元件59构成，所述低热膨胀元件59与平行六面体形状的高热膨胀元件60交替。
U形关闭元件61也由具有高热膨胀系数的材料制成，其中两个螺栓63轴向地约束构成膨胀器57的元件且防止分解。
轴17被设置有径向延伸部64，最内部的元件59的径向尖端65接合在该径向延伸部64上，元件60接合在最内部的元件59的内部径向端，第二元件59进而接合在元件60的外部径向端上，以此类推。
在温度升高之后，元件60比更靠近对称平面的结构上相邻的元件59膨胀得更多，从而引起元件60的径向尖端的差异径向位移，其对于每对元件59和60累积到所产生的径向位移ε。
螺栓63精确地接合关闭元件61，同时为了允许膨胀器57的径向膨胀，它们与其他元件59和60以及与径向延伸部64接合，具有随着接近对称平面α而逐渐增加的游隙。
插入径向延伸部64的槽中且作用在螺栓63上的弹性元件66使得能够在温度下降时使膨胀器57径向再压缩。安装膨胀器，以便在冷时将它们的投影保持在由燃料元件12的头部16所占据的空间的水平投影内部，且当它们执行其功能时仅在高温下从所述投影突出。
燃料元件12的头部16实际上与支撑结构11等温，因为它们被浸没在主要冷却剂F的水平H1以上的反应堆的相同的覆盖气体(blanket gas)50中，因此总是刚性地保持就位。燃料元件的脚部15处于冷歧管7的温度，且处于与液压分离结构5的开口21的内缘20相同的温度，因此能够以紧公差安装。燃料元件在顶部被轴向地和径向地约束，且自由地向下热膨胀。随着功率增加，燃料元件在栅板51处比在脚部15处径向膨胀得更多。此差异膨胀从芯的中心朝向外部累积，并且通过如下方式，使得此差异膨胀是可能的：(i)通过脚部15围绕其径向约束的旋转，所述径向约束由与相邻的元件的脚部和/或与开口21的内缘20的接触点67构成，(ii)通过借助于球形联接器19使得燃料元件12的轴17相对于头部16旋转，以及(iii)通过轴17的挠曲。此差异膨胀可以被放大高达预定值δ，用于激活膨胀器57。
膨胀器57的作用被弹性元件抵消，当通过冷却使膨胀器57的作用终止时，该弹性元件使芯返回到紧凑配置。在示出的实施例中，该弹性元件由燃料元件12的轴17构成；就刚性燃料元件来说，径向弹性元件可以由支撑结构11构成，或由插置在燃料元件12的头部16之间的弹性返回元件(未示出)构成。
轴17是中空的、具有大体上管状的形状，且被液压连接到管状结构68，该管状结构在燃料元件12的整个活性部分13内居中地延伸。
管状结构68的特征在于沿着与燃料元件的活性部分13对应的长度设置有多个小孔70。管状结构68在底端处通过具有塞子的螺纹联接器而被方便地关闭，该塞子与管状结构68上所形成的肩部72一起构成燃料元件12的下部栅板73的锁定系统。通过燃料更换机器的夹持器(二者是已知解决方案)和燃料元件12的头部16之间的液压密封联接，可以在燃料更换操作期间，穿过管状结构68的孔70且在燃料棒52之间的活性部分13内部注射冷却气体。
本发明的优点可以从前面的描述清楚显现：
-去除了芯的支撑栅板，或在用于燃料元件的径向定位而维持它的情况下，它失去了作为安全部件的重要性。
-支撑装置22是燃料元件12的一个整体部分，且在每次燃料更换时，与支撑装置22所属于的燃料元件12一起被更换。
-就显著延伸超出活性部分13的燃料元件12来说，支撑装置22未遭受明显的中子损坏，且因为它们被定位在气体区中，所以不经受显著的热损坏。
-水平支撑装置24使得燃料元件12能够无游隙地安装，这在快速反应堆中特别重要，从而能够在燃料更换期间，通过释放间隙39对头部16水平拆卸，使得即使在中子辐射之后变形的活性部分13和/或增大的尺寸发生的情况下也可以容易地提取燃料元件12。
-不存在悬于芯4之上的梁或栅板便于燃料更换操作和用于芯4的仪表电缆的定位。
-在脚部15的水平、燃料杆52的上部栅板51和头部16处无游隙地安装去除了燃料元件12中的振动的风险以及芯中的反应性波动的相关联的影响，这就快速反应堆来说是要求严格的。
-当装置22参与燃料元件更换功能时，经由易接近的致动器操作它们。
-燃料元件的头部16的地震载荷排放到支撑结构11上且从此支撑结构11处排放到关闭结构3上，而不影响燃料元件的其余部分。
-使芯的活性区膨胀的可能性在加热瞬变期间引入负反应性。
-当芯出口温度超过预定参考值时，引入膨胀器57放大芯的径向膨胀和相关联的负反应性逆反应，在芯的设计中引入安全因素。
-沿着燃料元件的活性部分13的整个轴向轮廓注射冷却气体的系统即使在假设情形下也可冷却活性部分13，在该假设情形中，燃料元件在更换操作期间保持阻塞在仅从主要冷却流体部分地抽取的位置；在此情况下，已经从冷却流体F显现的活性部分13被从已经显现的孔70逸出且通过上部栅板51中的孔离开燃料元件的气体冷却。
-在活性部分13内部注射冷却气体有利于冷却内部燃料棒，与外部燃料棒不同，内部燃料棒不能够通过从活性部分13向外辐射而有效率地冷却。
在不脱离所附权利要求的范围的前提下，可以关于本文阐述的反应堆做出改型和变体。特别地，取决于项目，可以修改装置22的数目、形状和位置，也可以修改它们的功能：装置接合在相邻的燃料元件12的头部16的顶部上或面上或槽中。

Claims (13)

1.一种核反应堆(1)，包括一个容器(2)，所述容器容纳一个芯(4)，所述芯包括一束燃料元件(12)且被浸没在所述芯(4)的主要冷却流体(F)中；所述反应堆的特征在于，所述燃料元件(12)沿着相应的纵向且平行的轴线(A)延伸且被相应的头部(16)机械地支撑，所述头部(16)彼此结合且通过支撑装置(22)结合到一个锚固结构(11)，所述支撑装置(22)作用在相邻的燃料元件(12)之间，或作用在位于所述芯(4)的周边上的燃料元件和所述锚固结构(11)之间，且所述支撑装置构成所述燃料元件(12)的头部(16)的一个整体部分。
2.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述支撑装置(22)包括大体上圆柱形的竖直支撑装置(23)，所述竖直支撑装置设置有一个闩锁(29)且所述闩锁能够绕其纵向轴线(B)旋转，以将所述闩锁(29)维持在位于由所述燃料元件(12)的头部(16)所占据的水平空间(31)内部的“关闭”位置，或以将所述闩锁(29)的尖端(33)移动到位于相邻的燃料元件(12)的头部(16)之上或位于形成在所述锚固结构(11)中的槽(34)内部的“打开”位置。
3.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述支撑装置(22)包括大体上圆柱形的水平支撑装置(24)，所述水平支撑装置设置有多个凸轮(35)且所述凸轮能够绕其纵向轴线(C)旋转，以将所述凸轮(35)维持在位于由所述燃料元件(12)的头部(16)所占据的水平空间(31)内部的“关闭”位置，或以将所述凸轮(35)的尖端(38)移动到与两个相邻的燃料元件(12)的头部(16)接触或与所述锚固结构(11)的表面接触的“打开”位置。
4.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述支撑装置(22)包括竖直支撑装置(23)和水平支撑装置(24)；其中在如下情况下能够执行燃料更换操作：当“关闭”作用在待被更换的燃料元件(12)上且属于相邻的燃料元件(12)的所有支撑装置(22)时，当关闭待被更换的燃料元件(12)的水平支撑装置(24)时，并且至于所述芯的周边燃料元件(12)，还当关闭待被更换的元件(12)的且与所述锚固结构(11)的槽(34)相互作用的竖直支撑装置(23)时。
5.根据权利要求4所述的核反应堆，其中能够在燃料更换操作期间，借助于待被定位的燃料元件(12)的处于“打开”位置的竖直支撑装置(23)，通过将燃料元件(12)安置在相邻的燃料元件(12)的头部上来竖直地定位燃料元件(12)。
6.根据前述权利要求之一所述的核反应堆，其中所述燃料元件(12)设置有一个柔性轴(17)，所述柔性轴具有插入所述燃料元件(12)的头部(16)内部的空的圆柱形体积中的上部部分(18)，且通过与其上部部分(18)联接的球形联接器(19)而被机械地联接到所述头部(16)。
7.根据前述权利要求之一所述的核反应堆，其中所述燃料元件(12)的脚部(15)彼此接触，且通过与液压分离结构(5)的下部部分中的开口(21)的内缘(20)接触而被保持处于紧凑形式。
8.根据前述权利要求之一所述的核反应堆，其中定位在所述燃料元件(12)的相应的轴(17)上的多个膨胀器(57)在超过预定温度时引起所述芯的膨胀。
9.根据权利要求8所述的核反应堆，其中通过将低热膨胀元件(59)与高热膨胀元件(60)交替地联接来获得所述膨胀器。
10.根据权利要求7所述的核反应堆，其中能够通过如下方式实现所述芯(4)的膨胀：通过所述燃料元件(12)的脚部(15)绕由与相邻的元件的脚部(15)和/或与所述开口(21)的内缘(20)的相应的接触点(67)构成的径向约束旋转，通过所述燃料元件(12)的轴(17)借助于所述球形联接器(19)相对于所述头部(16)的旋转，以及通过所述轴(17)的挠曲。
11.根据权利要求6所述的核反应堆，其中所述轴(17)是中空的，具有大体上管状的形状，且在所述轴的底端处被液压连接到所述管状结构(68)，所述管状结构(68)在所述燃料元件(12)的整个活性部分(13)内居中地延伸；所述管状结构(68)的特征在于，所述管状结构在底端(69)处被液压密封，且沿着与所述燃料元件(12)的活性部分(13)对应的长度设置有多个孔(70)。
12.根据权利要求11所述的核反应堆，其中所述管状结构(68)的直径减小的底端由一个塞子(71)关闭，所述塞子与肩部(72)一起构成所述燃料元件(12)的下部栅板(73)的锁定系统，所述肩部(72)在所述管状结构(68)的直径减小的位置处形成在所述管状结构(68)上。
13.根据权利要求11所述的核反应堆，其中通过燃料更换机器的夹持器与所述燃料元件(12)的头部(16)之间的液压密封联接，能够在燃料更换操作期间，通过所述管状结构(68)的孔(70)且在所述燃料元件(12)的活性部分(13)内部注射冷却气体。
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