CN111684542A - 核反应堆流动平稳组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于核反应堆的流动平稳组件，该核反应堆包括：容器(2)；位于容器(2)中的壳体(5)；在容器(2)与壳体(5)之间循环的流体，以便然后在其循环方向反转后在壳体(5)中循环；扩散元件(9)，其被配置为限制在壳体(5)中形成旋流并使得在壳体(5)的横截面上的流速分布均匀，还涉及一种扩散元件(9)以及一种在这种反应堆中的流动平稳方法。
Description
技术领域
本发明的领域是核反应堆。
本发明涉及核电站的第二代或第三代压水反应堆的容器中的流动，为此利用循环通过堆芯的传热流体来冷却堆芯。
背景技术
通常，这种系统包括堆芯1，堆芯包括核燃料元件，浸入在循环驱动的传热流体中，以便与所述堆芯进行热交换。
堆芯1通常包含在容器2中，如图1所示，传热流体在容器中循环。
容器2由大致圆柱形外壁3界定，其中容器2的下端由容器底部4封闭。
通常，容器底部4具有大致半球形的形状。
内壳体5位于容器2内部。
内壳体5由下端敞口的大致圆柱形内壁6界定。
内壁6和外壁3限定了注入回路7，注入回路7具有大致环形的横截面。
堆芯1通常位于内壳体5内部。
传热流体通常在注入回路7中从顶部到底部循环，然后在容器底部4转向，以在内壳体5中从底部到顶部循环，与堆芯1进行热交换。
传热流体在容器底部4处的转向导致流速在内壳体5的横截面上的不均匀分布，典型地在中心处的强溢流(平均流速的15％至20％)和在外围处的下溢(数量级与溢流相同)。
堆芯1的入口处的不均匀流动改变了堆芯1的操作。
这种供应上的不均匀性导致所谓的横向流动，这种横向流动逐渐使流速的分布从堆芯1高度的大约四分之一开始变得均匀。
这些横向流由与压力相关的物理平衡引起，但会导致引起燃料棒振动的液压激励。
这种波动与流动转向时遇到的高湍流速度有关，加剧了燃料组件的激励。
于是，使用反应器会由于棒的微动引起的磨损(应理解，微动是指当两个性质相同或不同的表面接触时材料的磨损、变形、氧化、腐蚀、开裂、粘附或其他物理化学、电化学和结构变化的所有物理现象)以及组件的变形而受到损害。
因此，这些供应上的不均匀性导致组件的热工液压和中子行为的退化，机械应力的下降，并且这还会影响组件的收益率和使用寿命。
相对于由流体流动引起的动量而言，燃料组件的轴向保持因此决定了热工液压流速的最大允许值。
流速的最小值与堆芯1的冷却功能有关，为了防止损坏堆芯1，堆芯1的温度必须保持在一定阈值以下。
环形空间出口到容器底部的横截面的过度突变是内壳体5中这些流速不均匀性的主要来源之一。
通常，这些缺点受到操作裕度的限制，操作裕度限制了可接受的流速，并因此限制了与湍流现象相关的应力。
还已知的是使用可以使内壳体5入口处的流动平稳的结构。
然而，目前的结构主要设计为支撑堆芯的内部中子测量系统RIC，并不具有限制与流体转向相关的波动的最佳性能。
发明内容
本发明的第一目的是以最均匀的方式朝向堆芯的入口分配流体。
另一目的是防止旋流结构(通常称为“涡流”)，使得在组件中不会产生流速波动。
本发明的另一目的是限制支撑堆芯的结构中的机械约束。
本发明的另一目的是提高容器的使用寿命和可维护性。
本发明的另一目的是优化反应堆的尺寸，特别是在堆芯可接受的流速方面，以便扩大操作范围。
为此，本发明提出一种核反应堆，包括：
a.由外壁和容器底部界定的容器，
b.由大致圆柱形的内壁界定的壳体，该壳体位于容器内部，使得内壁和外壁限定具有大致环形横截面的注入回路，壳体的下端敞口以便允许注入到注入回路中的流体循环到容器底部，然后穿过并循环通过壳体，
c.位于壳体内部的堆芯，
d.位于壳体底部的支撑元件，该支撑元件被配置为保持堆芯的控制元件，
e.流动扩散元件，其被配置为使进入壳体的流动均匀，该扩散元件包括大致圆形的平坦表面部分，该平坦部分包括多个孔口，
其特征在于，扩散元件限定了在所述扩散元件与容器底部之间没有任何障碍物的混合区域，并且其中孔口都具有相同直径的圆形横截面，
并且其中平坦部分位于距支撑元件第一距离处和距容器底部的下边界第二距离处，第二距离大于第一距离，第一距离大于孔口直径的十倍。
本发明可以有利地由以下特征中的一个或组合来补充：
-扩散元件进一步包括锥形表面部分，该锥形部分从平坦部分扩口式延伸，锥形部分包括与平坦部分的孔口类似的孔口；
-孔口的直径被配置为有利于流动朝向容器底部，流动至面向平坦部分定位的混合区域；
-注入回路的横截面具有的厚度在孔口直径的三至七倍之间；
-扩散元件界定了所述扩散元件与支撑元件之间的入口区域，孔口被配置为使得在锥形部分附近的入口区域中循环的流体被在锥形部分与容器底部之间循环的流动吸入；
-扩散元件进一步包括从锥形部分的端部径向延伸的对中元件；
–对中元件被配置为将扩散元件相对于容器设定在适当位置；
–对中元件还被配置为将扩散元件相对于壳体设定在适当位置。
根据第二方面，本发明涉及一种进入核反应堆堆芯的流动的扩散元件，该扩散元件包括：
a.壁，该壁包括大致圆形的平坦表面部分，该平坦部分包括多个孔口，
b.通过扩口从平坦部分延伸的锥形表面部分，该锥形部分包括多个孔口，
c.对中元件，
其特征在于，孔口都具有相同直径的圆形横截面，
并且其中对中元件从锥形部分的端部径向延伸。
可选地但有利地，孔口都沿着彼此平行的轴线延伸。
根据第三方面，本发明提出了一种用于使进入根据本发明的核反应堆堆芯的流体平稳的方法，该方法通过使传热流体通过注入回路进入循环来实现，流体循环到容器底部，在容器底部流体转向以便循环通过包含堆芯的壳体，
其特征在于，流体通过沿着锥形部分流动而在扩散元件与容器底部之间循环，所述锥形部分被配置为将流动朝向混合区域引导，所述混合区域是没有障碍物的空间，这样使得流动的转向最优化，然后流动通过扩散元件朝向入口区域循环，该扩散元件被配置成使得在壳体的横截面上的流速分布均匀，并限制在入口区域中形成旋流结构，在入口区域中循环的流体主要朝向壳体流动，孔口被配置为使得在锥形部分附近的入口区域中循环的流体被在锥形部分与容器底部之间循环的流动吸入，然后被朝向混合区域引导，这样使得在壳体的横截面上的流速分布均匀。
附图说明
本发明的其他特征和优点将在下面的描述中进一步显现，该描述纯粹是为了说明的目的而非限制，并且必须参照附图来阅读，其中：
图1是示出核反应堆容器的主要对中元件的横截面图；
图2是示出根据本发明的流动平稳组件的横截面图；
图3是根据本发明的扩散元件的3D模型；
图4是根据本发明的流动平稳组件的模型，其中容器部分地打开以示出容器内部的元件；
图5是根据本发明的流动平稳装置的操作图，特别示出了操作期间流体的循环；
图6是示出根据本发明的反应堆的示意图，特别是通过根据本发明的方法平稳的流体的循环。
具体实施方式
一个或几个实施例的描述
本发明适用于核反应堆的堆芯1的入口处的流动平稳组件，如图2所示，所述组件包括：
a.由外壁3和容器底部4界定的容器2，
b.由大致圆柱形的内壁6界定的内壳体5，壳体5位于容器2内部，使得内壁6和外壁3限定具有大致环形横截面的注入回路7，壳体5的下端敞口以便允许注入到注入回路7中的流体循环到容器底部4，然后穿过并循环通过壳体5，
c.位于壳体5内部的堆芯1，
d.位于壳体5的底部的支撑元件8。
支撑元件8被配置为支撑堆芯1的内部RIC(反应堆堆芯测量系统)。
在该文件的内容中，顶部和底部根据图2中容器的取向来限定，容器底部4位于容器2的底部。这绝不是限制性的，因为无论容器2在空间选择什么取向，该结构都可以应用。
径向和轴向的概念根据容器1延伸所沿的纵向轴线X来限定。
该组件进一步包括流动扩散元件9，该扩散元件配置为使进入壳体5的流动均匀。
扩散元件9包括大致圆形的平坦表面部分10和大致锥形的表面部分11，锥形部分11从平坦部分10扩口式延伸。
在所示的实施例中，平坦部分10位于中心，并且锥形部分11通过从平坦部分10的径向外部边界扩口而延伸。
平坦部分10和锥形部分11各自包括多个孔口12。
在其他实施例中，平坦部分10可以具有圆顶形轮廓并具有非零曲率，其中术语平坦不具有限制目的。
锥形部分11也可以具有球体部分的几何形状，术语锥形在此不是限制性的。
在所示的实施例中，锥形部分11通过朝向容器2的顶部扩口而延伸，但是在其他实施例中可以设想锥形部分11从平坦部分10朝向容器2的底部延伸。
扩散元件9界定了位于所述扩散元件9与容器底部4之间的称为混合区域13的区域以及位于扩散元件9与支撑元件8之间的称为入口区域14的区域，孔口12使混合区域13和入口区域14流体连通。
更准确地说，混合区域13定位成在平坦部分10与容器底部4之间面向平坦部分10。
孔口12都具有相同直径的圆形横截面。
孔口12的直径被配置为有利于流动朝向混合区域13。
更准确地说，孔口12，特别是它们的几何形状、它们的表面和它们的倾斜度，被配置为引起独特的(singulière)载荷损失，这使得可以根据流体的流动方向有利于或不利于流体朝向入口区域14的循环。
例如，孔口12被配置为通过具有锥形横截面11的孔口12来限制流体朝向入口区域14的循环，孔口12的取向和直径在该区域中被配置为根据锥形部分11与容器底部4之间的流动方向来引起足够大的独特的载荷损失，从而限制流体通过锥形部分11的孔口12朝向入口区域14的循环。
因此，孔口12被配置为使得在锥形部分11附近的入口区域14中循环的流体被在锥形部分11与容器底部4之间循环的流动吸入，然后被朝向混合区域13引导，以使得在壳体5的横截面上的流速分布均匀。
注入回路7在径向方向上具有厚度C，该厚度C根据堆芯1可接受的流速来配置，孔口12的直径例如可以在注入回路7的厚度C的1/10和1/4之间。
在优选实施例中，孔口12的直径至少比注入回路7的厚度小五倍，以便确保流体在被引导到堆芯的下板(8)之前经过混合区域。
平坦部分10位于距支撑元件8第一距离A处且距容器底部4的下边界第二距离B处，这些距离沿轴向表示。
第一距离A被配置为限制扩散元件9对由堆芯1发射的辐射的吸收。
第一距离A还被配置为有利于减少壳体5的入口处的旋流结构。
第一距离A被配置成有利于来自扩散元件9的每个孔口12的每股射流的混合。
特别地，当B等于孔口12的直径的20倍时，射流的混合被认为是完美的。如果第一距离A小于孔口12的直径的五倍，则射流的混合被认为可忽略不计。
例如，第一距离A大于孔口12的直径的十倍，优选地大于或等于孔口12的直径的十二倍。
第二距离B被配置为形成实质上的混合区域13，特别是允许流动在经过扩散元件9的孔口之前最佳地转向，并且还允许流动优选地经过平坦部分10朝向入口区域14循环。
第二距离B优选地大于第一距离A，并且代表例如孔口12的直径的十五倍。
可选地，孔口12都沿着彼此平行的轴线延伸。
优选地，混合区域13没有任何障碍物，其中堆芯的控制元件RFI由支撑元件8支撑。这允许流体的最佳转向，这使得可以限制涡旋结构的形成，并且使得在壳体5的横截面上的流速分布均匀。
在扩散元件9的实施例中，每个孔口12具有的直径在45mm和70mm之间，例如56mm，并且在竖直方向上取向。
在水平面上，每个孔口12之间的距离可以在5mm和25mm之间，例如10mm。
平坦部分10可以具有1000mm至1500mm之间的半径，例如1335mm，以及10mm至40mm之间的厚度，例如20mm。
平坦部分10可以包括500至2000个之间的孔口12，例如1201个孔口。
第一距离A可以在500mm和1500mm之间，例如680mm。
第二距离B可以在500mm和3000mm之间，例如885mm，即孔口12的直径的15.8倍。
注入回路7的厚度C可以在100mm和1000mm之间，例如290mm。
锥形部分11可以在方位方向上包括5至15排之间的孔口12，例如8排，其中每排能够包括100至200个之间的孔口12，例如128个孔口12。
锥形部分11因此可以包括500至3000个之间的孔口12，例如1024个孔口12。
扩散元件9因此可以包括1000至5000个之间的孔口12，例如2225个孔口12。
支撑元件8的外半径可以在1500mm和3000mm之间，例如2144.7mm。
参照图3，扩散元件9包括从锥形部分11的端部径向延伸的对中元件15。
对中元件15被配置为确保使扩散元件9相对于容器2进入径向位置。
可选地，对中元件15还可以确保使扩散元件9相对于壳体5进入径向位置，以及使壳体5相对于容器2进入径向位置。
在所示的实施例中，对中元件15包括：
-径向凸缘16，其从锥形部分11的端部径向延伸，径向凸缘16确保使扩散元件9相对于壳体5进入轴向位置，
-大致圆柱形的对中轴环17，其从径向凸缘16的端部轴向延伸，轴环17确保使扩散元件9相对于壳体5进入径向位置，
-多个对中凸耳18，其从径向凸缘16的端部径向延伸，并且轴向延伸超出轴环17，凸耳18确保使扩散元件9相对于容器2进入径向位置，并且还确保使壳体5相对于容器2进入径向位置。
可选地，扩散元件9的直径代表孔口12的直径的50至100倍之间，例如70至80倍之间。
这使得可以根据扩散元件9的直径来限制第一距离A、第二距离B和厚度C，使得可以提高组件的紧凑性，并因此最小化其对振动的响应。
可选地，凸耳18在径向外端进一步具有如下几何形状，该几何形状被配置为确保使扩散元件9相对于容器2进入轴向位置，以及使壳体5相对于容器2进入轴向位置。
如图4所示，凸耳18位于容器底部4与外壁3之间的边界处。凸耳18具有与容器底部4的内表面配合的表面部分，使得可以执行将扩散元件9和壳体5相对于容器2设置在轴向位置。
参照图5和图6，流体在注入回路7中从顶部到底部循环，然后在容器底部4与入口元件9之间循环。
流体主要被引导至混合区域13，特别是由于孔口12的构造以及当流体一旦从注入回路7中流出就通过孔口12循环时孔口所引起的载荷损失。
在混合区域13中，流体转向并通过扩散元件9的孔口12(主要是通过平坦部分10的孔口12)朝向入口区域14循环，这有利于在壳体5的横截面上的流速均匀。
第二距离B的配置有利于流体的转向，这允许流体的最佳转向，并限制横向流动的存在，同时仍然优化组件的紧凑性。
在入口区域14中，在锥形部分11附近(特别是在锥形部分11的顶部)循环的一部分流体通过所述锥形部分11的孔口12被吸入。
这种吸入是由在锥形部分11的顶部的孔口12附近从注入回路7流出的流体的流动导致的压力降低引起的。
实际上，该区域中的孔口12的构造不利于流体通过所述孔口12进入入口区域14，因此流体在这些孔口12附近流动，并导致吸入位于所述孔口附近的入口区域14中的流体的压力降低。
更准确地说，注入回路7的横截面的厚度C与孔口12的直径之间的比率使得特别地可以有利于这种效果。
因此，通过锥形部分11朝向入口区域14的流体循环受到限制，这将流动朝向混合区域13引导，并因此有利于在壳体5的横截面上的流速均匀性。
这种效果尤其是根据流体的流动方向通过配置孔口12的载荷损失来实现。
来自混合区域13的流体经过扩散元件9并循环通过壳体5，将扩散元件9和支撑元件8隔开的的第一距离A有利于涡旋结构的衰减。
在壳体5的横截面上的流速均匀使得可以减少壳体5中横向流动的出现，并且因此可以限制堆芯1承受的应力，并且因此限制所述堆芯1的过早磨损。
提高了组件的使用寿命和收益率。
壳体5的横截面的中心处的溢流现象受到限制，因此可以提高堆芯1可接受的流速。
Claims (10)
1.一种核反应堆，包括：
a.容器(2)，其由外壁(3)和容器底部(4)界定，
b.壳体(5)，其由大致圆柱形的内壁(6)界定，所述壳体(5)位于所述容器(2)内部，使得所述内壁(6)和外壁(3)限定具有大致环形横截面的注入回路(7)，所述壳体(5)的下端敞口以便允许注入到注入回路(7)中的流体循环到容器底部(4)，然后穿过并循环通过所述壳体(5)，
c.堆芯(1)，其位于所述壳体(5)内部，
d.支撑元件(8)，其位于所述壳体(5)的底部，所述支撑元件(8)被配置为保持所述堆芯(1)的控制元件，
e.流动扩散元件(9)，其被配置为使进入所述壳体(5)的流动均匀，所述扩散元件(9)包括大致圆形的平坦表面部分(10)，所述平坦部分(10)包括多个孔口(12)，
其特征在于，所述扩散元件(9)限定了在所述扩散元件(9)与容器底部(4)之间没有任何障碍物的混合区域(13)，并且其中，所述孔口(12)都具有相同直径的圆形横截面，
并且其中，所述平坦部分(10)位于距所述支撑元件(8)第一距离(A)处和距所述容器底部(4)的下边界第二距离(B)处，所述第二距离(B)大于所述第一距离(A)，所述第一距离(A)大于所述孔口(12)的直径的十倍。
2.根据权利要求1所述的反应堆，其中，所述第一距离(A)大于或等于所述孔口(12)的直径的12倍，从而驱动来自所述扩散元件(9)的每个孔口(12)的每股射流的混合。
3.根据前述权利要求之一所述的反应堆，其中，所述扩散元件(9)进一步包括锥形表面部分(11)，所述锥形部分(11)从所述平坦部分(10)扩口式延伸，所述锥形部分(11)包括与所述平坦部分(10)的孔口(12)类似的孔口(12)。
4.根据前述权利要求之一所述的反应堆，其中，所述注入回路(7)的横截面具有的厚度(C)在所述孔口(12)的直径的三至七倍之间。
5.根据前述权利要求之一所述的反应堆，其中，所述扩散元件(9)进一步包括从所述锥形部分(11)的端部径向延伸的对中元件(15)。
6.根据权利要求7所述的反应堆，其中，所述对中元件(15)被配置为将所述扩散元件(9)相对于所述容器(2)设定在适当位置。
7.根据权利要求8所述的反应堆，其中，所述对中元件(15)还被配置为将扩散元件(9)相对于所述壳体(5)设定在适当位置。
8.一种进入核反应堆堆芯的流动的扩散元件(9)，所述扩散元件(9)包括：
a.壁，所述壁包括大致圆形的平坦表面部分(10)，所述平坦部分(10)包括多个孔口(12)，
b.通过扩口从所述平坦部分(10)延伸的锥形表面部分(11)，所述锥形部分(11)包括多个孔口(12)，
c.对中元件(15)，
其特征在于，孔口(12)都具有相同直径的圆形横截面，
并且其中，所述对中元件(15)从所述锥形部分(11)的端部径向延伸。
9.根据权利要求10所述的扩散元件(9)，其中，所述孔口(12)都沿着彼此平行的轴线延伸。
10.一种用于使进入根据权利要求1至9中任一项所述的核反应堆堆芯的流动平稳的方法，所述方法通过使传热流体通过注入回路(7)进入循环来实现，流体循环至容器底部(4)，在容器底部流体转向以便循环通过包含所述堆芯(1)的壳体(5)，
其特征在于，流体通过沿着锥形部分(11)流动而在扩散元件(9)与容器底部(4)之间循环，所述锥形部分(11)被配置为将流动朝向混合区域(13)引导，所述混合区域(13)是没有障碍物的空间，这样使得流动的转向最优化，然后流动通过扩散元件(9)朝入口区域(14)循环，所述扩散元件(9)被配置成使得在所述壳体(5)的横截面上流速分布均匀，并限制在所述入口区域(14)中形成旋流结构，在所述入口区域(14)中循环的流体主要朝向壳体(5)流动，所述孔口(12)被配置为使得在所述锥形部分(11)附近的入口区域(14)中循环的流体被在所述锥形部分(11)与容器底部(4)之间循环的流动吸入，然后被朝向所述混合区域(13)引导，这样使得在所述壳体(5)的横截面上的流速分布均匀。
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