CN111916232B - 一种轻水核反应堆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻水核反应堆结构，包括压力容器及设置在压力容器内部的燃料组件，还包括中部设置有孔道的围筒，所述围筒设置在压力容器内，燃料组件设置在所述孔道内；所述围筒的外侧与压力容器的内壁相接触。本反应堆的结构设计利于反应堆使用的安全性。

Description

一种轻水核反应堆结构
技术领域
本发明涉及核反应堆结构设计技术领域，特别是涉及一种轻水核反应堆结构。
背景技术
核反应堆是一种维持可控自持链式核裂变反应以实现核能利用的装置，它将核能转化为热能并传递至流体工质中，可以是液体，也可以是气体，这些流体工质将热量传输至热交换器，以实现供电、供暖或提供推动力的目的，也有的堆型利用核裂变反应产生的中子生产同位素或开展一些研究工作。根据国际原子能机构IAEA(International AtomicEnergy Agency)在2014年4月的工作报告，现全球31个国家正在运行的核电反应堆共435座，其中超过90％都为轻水反应堆。
典型的轻水核反应堆结构如图1所示，冷却剂由主泵驱动，经主管道冷段从压力容器进口接管进入压力容器，沿压力容器与吊篮之间的环腔，向下流至压力容器下封头；经流量分配结构分配后由堆芯下板进入堆芯；带走堆芯燃料产生的热量，经上堆芯板，从压力容器出口接管流出，最后经主管道热段进入热交换器；完成热量传递后，又由主泵驱动进入压力容器，形成完整的回路。
进一步优化反应堆的结构设计，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述提出的进一步优化反应堆的结构设计的技术问题，本发明提供了一种轻水核反应堆结构。本反应堆的结构设计利于反应堆使用的安全性。
针对上述问题，本发明提供的一种轻水核反应堆结构通过以下技术要点来解决问题：一种轻水核反应堆结构，包括压力容器及设置在压力容器内部的燃料组件，还包括中部设置有孔道的围筒，所述围筒设置在压力容器内，燃料组件设置在所述孔道内；
所述围筒的外侧与压力容器的内壁相接触。
现有技术中包括吊篮的轻水核反应堆结构运用广泛，但由于其一回路冷却剂的流程为：在主泵的作用下，由位于吊篮上侧的入口接管引入后，由吊篮与压力容器之间的间隙向下流动，再由吊篮底部的通孔进入到燃料组件下部冷却剂入口，而后冷却剂经燃料组件、压紧组件，再由处于燃料组件上侧的出口接管流出压力容器。
现有吊篮设计一般为：在吊篮的上端设置有法兰，法兰以下位置吊篮外侧各点均位于压力容器的内侧，即法兰与压力容器之间具有筒状腔隙。以上筒状腔隙决定了：在发生冷却剂完全丧失(如破口事故叠加安全系统无法投入)时，即使能够紧急停堆，堆芯余热也只能通过热辐射的方式导出，导出效率低，影响反应堆使用的安全性。
本方案中，设置为还包括围筒，所述围筒设置在压力容器内，燃料组件设置在所述孔道内；所述围筒的外侧与压力容器的内壁相接触。可用于实现：在现有压水堆结构设计的基础上，将燃料组件与压力容器之间的间隙采用所述围筒的筒壁进行填充，这样，在发生破口事故叠加安全系统无法投入，出现超设计基准事故时，燃料组件完全丧失冷却剂的情况下，围筒的筒壁作为燃料组件与压力容器之间的传热部件：在热量导出流程上，围筒所占据空间所处的流程利用围筒直接热传导的方式实现热量导出至压力容器上，导热能力比传统的仅依靠热辐射的方式强数倍乃至数十倍，利于反应堆使用的安全性。
本方案中，区别于如扩大燃料组件的设计尺寸或通过缩小压力容器内径设计以提升压力容器与燃料组件之间的导热能力，该结构设计还具有反应堆整体设计方便或对反应堆现有结构影响小的特点：以上尺寸变化必然导致燃料组件与压力容器之间的装配间隙宽度变小，而燃料组件与压力容器均为反应堆的重要组成部分，采用围筒作为中间传热件，在具体设计时，考虑围筒的形状及尺寸匹配压力容器的内部尺寸以及燃料组件的外形，以达到相应导热目的即可。
本方案中，由于所述围筒仅能够作为以上热量导出流程的局部，为利于堆芯热量导出速度，故首先需要将热量高效传递至围筒上，在具体运用时，优选设置为围筒的燃料组件局部间隙越小越好。由于燃料组件一般具有非圆筒状的外形，如采用限定压力容器内壁形状与燃料组件外形匹配的方式将导致压力容器加工难度和成本急剧增大，本方案采用围筒作为传热组件，并不需要对压力容器和燃料组件做特殊设计，针对围筒本身，考虑其环境适应能力和导热能力即可，亦不会涉及到成本急剧增加的问题。
更进一步的技术方案为：
针对如上考虑的传热速度，为利于围筒与压力容器之间直接传热面的大小和减小围筒内壁与燃料组件之间的间隙，设置为：所述围筒呈圆筒状结构，且围筒的直径与压力容器的直径相等；
所述孔道的外形与燃料组件的外形匹配：燃料组件完成在孔道内的配合，燃料组件的多个局部外表面或全部外表面通过同比例放大后，可与所述孔道的多个局部孔表面重合或全部孔表面重合。如上限定的外形匹配即为：沿着燃料组件的周向方向，当燃料组件的侧壁局部发生如为折弯、拐角的变形时，孔道的避免亦发生匹配性的折弯、拐角变形，以使得：燃料组件能够配合在所述孔道内，且孔道上任意一点距燃料组件不存在过大的间隙宽度而影响传热。
为便于实现围筒的安装、便于围筒的制备以匹配燃料组件的形状，设置为：所述围筒为多块拼接式结构。
作为一种具体的围筒实现形式，设置为：所述围筒由多个圆环沿着压力容器的轴线依次层叠拼接而成。采用本方案，针对燃料组件不同轴线位置的横截面形状，各圆环上的中心孔形状与燃料组件对应轴线位置外形匹配即可。
作为一种具体的围筒实现形式，设置为：所述围筒由多块弧形板沿着压力容器的周向方向环形排布拼接而成。采用本方案，针对燃料组件不同轴线位置的横截面形状，各弧形板的上的内侧形状与燃料组件对应轴线位置外形匹配即可。
作为一种具体的围筒、燃料组件安装形式，设置为：还包括用于实现燃料组件在压力容器内支撑的支撑部件，所述支撑部件为设置在压力容器内的支撑板，所述支撑板将压力容器的内部空间分割为上部空间和下部空间；
所述围筒及燃料组件均支撑于所述支撑板上且均位于所述上部空间内；
还包括设置在压力容器上，与所述上部空间相通的出口接管；还包括设置在压力容器上，与所述下部空间相通的入口接管；
所述支撑板上还设置有通孔，所述通孔作为燃料组件下部冷却剂引入孔道与下部空间之间的连通孔。本方案采用支撑板替代了现有吊篮支撑燃料组件的反应堆设置形式，所述下部空间在运用时相当于为反应堆一回路冷却剂进入燃料组件的分配腔。区别于现有技术，由于不存在吊篮，在相同燃料组件参数设定的情况下，本方案可缩小压力容器的径向尺寸，同时，支撑板的作用为支撑燃料组件与围筒即可，这样，在制备时，支撑板与压力容器可组成组合体又压力容器制造厂家制备，这样，可简化反应堆结构安装步骤、简化堆内构件、便于运输。同时，在出口接管位置不变的情况下，本方案提供了一种由下至上的一回路冷却剂流通路径，区别于现有技术中由上至下再由下至上的一回路冷却剂流通路径，本方案提供了一种可降低冷却剂流程阻力的直流式冷却剂流动方案。
为便于实现围筒相对于压力容器位置的稳定性，以利于反应堆结构的稳定性和围筒性能的稳定性，设置为：所述压力容器与围筒之间还设置配合键，所述配合键用于限定围筒相对于压力容器的位置。在具体运用时，所述配合键可设置为：为长度方向沿着压力容器轴线方向的条形键且位于压力容器的内侧，在围筒的外侧设置与所述条形键外形匹配的键槽，通过条形键嵌入键槽且条形键通过受剪，达到约束围筒相对于压力容器的位置的目的。
作为支撑板的具体安装方式，设置为：所述支撑板通过焊接或螺栓连接的方式固定于压力容器上。在具体运用时，针对所述螺栓连接，可在压力容器的内壁上设置沿着压力容器周向方向延伸的环形凸缘，所述环形凸缘与压力容器的内壁焊接连接，为圆形板的支撑板支撑于所述环形凸缘上，环形凸缘与支撑板螺栓连接，并在环形凸缘与支撑板之间设置密封环；针对所述焊接连接，为圆形板的支撑板上下端均通过环焊缝与压力容器内壁焊接连接即可。
更为完整的，为实现对燃料组件的上端施加约束，设置为：还包括设置于压力容器内、用于实现燃料组件上端约束的压紧组件。所述压紧组件采用现有技术中的弹簧式压紧组件即可。
考虑到围筒的温度承受能力和导热能力，为便于取材，设置为：所述围筒的材质为金属材质。
本发明具有以下有益效果：
本方案中，设置为还包括围筒，所述围筒设置在压力容器内，燃料组件设置在所述孔道内；所述围筒的外侧与压力容器的内壁相接触。可用于实现：在现有压水堆结构设计的基础上，将燃料组件与压力容器之间的间隙采用所述围筒的筒壁进行填充，这样，在发生破口事故叠加安全系统无法投入，出现超设计基准事故时，燃料组件完全丧失冷却剂的情况下，围筒的筒壁作为燃料组件与压力容器之间的传热部件：在热量导出流程上，围筒所占据空间所处的流程利用围筒直接热传导的方式实现热量导出至压力容器上，导热能力比传统的仅依靠热辐射的方式强数倍乃至数十倍，利于反应堆使用的安全性。
本方案中，区别于如扩大燃料组件的设计尺寸或通过缩小压力容器内径设计以提升压力容器与燃料组件之间的导热能力，该结构设计还具有反应堆整体设计方便或对反应堆现有结构影响小的特点：以上尺寸变化必然导致燃料组件与压力容器之间的装配间隙宽度变小，而燃料组件与压力容器均为反应堆的重要组成部分，采用围筒作为中间传热件，在具体设计时，考虑围筒的形状及尺寸匹配压力容器的内部尺寸以及燃料组件的外形，以达到相应导热目的即可。
本方案中，由于所述围筒仅能够作为以上热量导出流程的局部，为利于堆芯热量导出速度，故首先需要将热量高效传递至围筒上，在具体运用时，优选设置为围筒的燃料组件局部间隙越小越好。由于燃料组件一般具有非圆筒状的外形，如采用限定压力容器内壁形状与燃料组件外形匹配的方式将导致压力容器加工难度和成本急剧增大，本方案采用围筒作为传热组件，并不需要对压力容器和燃料组件做特殊设计，针对围筒本身，考虑其环境适应能力和导热能力即可，亦不会涉及到成本急剧增加的问题。
附图说明
图1为现有技术中的轻水核反应堆的结构示意图，其中的箭头用于展示其内部冷却剂的流动路径和流动方向；
图2为本发明所述的一种轻水核反应堆结构一个具体实施例的结构示意图，其中的箭头用于展示其内部冷却剂的流动路径和流动方向；
图3为本发明所述的一种轻水核反应堆结构一个具体实施例中，围筒的结构示意图，该示意图用于展示层叠式围筒；
图4为本发明所述的一种轻水核反应堆结构一个具体实施例中，围筒的结构示意图，该示意图用于展示周向环布式围筒。
图中标记分别为：1、控制棒驱动机构，2、压力容器，3、出口接管，4、围筒，5、支撑板，6、压紧组件，7、燃料组件，8、分配腔，9、入口接管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：
实施例1：
如图2至图4所示，一种轻水核反应堆结构，包括压力容器2及设置在压力容器2内部的燃料组件7，还包括中部设置有孔道的围筒5，所述围筒5设置在压力容器2内，燃料组件7设置在所述孔道内；
所述围筒5的外侧与压力容器2的内壁相接触。
现有技术中包括吊篮的轻水核反应堆结构运用广泛，但由于其一回路冷却剂的流程为：在主泵的作用下，由位于吊篮上侧的入口接管9引入后，由吊篮与压力容器2之间的间隙向下流动，再由吊篮底部的通孔进入到燃料组件7下部冷却剂入口，而后冷却剂经燃料组件7、压紧组件6，再由处于燃料组件7上侧的出口接管3流出压力容器2。
现有吊篮设计一般为：在吊篮的上端设置有法兰，法兰以下位置吊篮外侧各点均位于压力容器2的内侧，即法兰与压力容器2之间具有筒状腔隙。以上筒状腔隙决定了：在发生冷却剂完全丧失(如破口事故叠加安全系统无法投入)时，即使能够紧急停堆，堆芯余热也只能通过热辐射的方式导出，导出效率低，影响反应堆使用的安全性。
本方案中，设置为还包括围筒5，所述围筒5设置在压力容器2内，燃料组件7设置在所述孔道内；所述围筒5的外侧与压力容器2的内壁相接触。可用于实现：在现有压水堆结构设计的基础上，将燃料组件7与压力容器2之间的间隙采用所述围筒5的筒壁进行填充，这样，在发生破口事故叠加安全系统无法投入，出现超设计基准事故时，燃料组件7完全丧失冷却剂的情况下，围筒5的筒壁作为燃料组件7与压力容器2之间的传热部件：在热量导出流程上，围筒5所占据空间所处的流程利用围筒5直接热传导的方式实现热量导出至压力容器2上，导热能力比传统的仅依靠热辐射的方式强数倍乃至数十倍，利于反应堆使用的安全性。
本方案中，区别于如扩大燃料组件7的设计尺寸或通过缩小压力容器2内径设计以提升压力容器2与燃料组件7之间的导热能力，该结构设计还具有反应堆整体设计方便或对反应堆现有结构影响小的特点：以上尺寸变化必然导致燃料组件7与压力容器2之间的装配间隙宽度变小，而燃料组件7与压力容器2均为反应堆的重要组成部分，采用围筒5作为中间传热件，在具体设计时，考虑围筒的形状及尺寸匹配压力容器的内部尺寸以及燃料组件的外形，以达到相应导热目的即可。
本方案中，由于所述围筒5仅能够作为以上热量导出流程的局部，为利于堆芯热量导出速度，故首先需要将热量高效传递至围筒5上，在具体运用时，优选设置为围筒5的燃料组件7局部间隙越小越好。由于燃料组件7一般具有非圆筒状的外形，如采用限定压力容器2内壁形状与燃料组件7外形匹配的方式将导致压力容器2加工难度和成本急剧增大，本方案采用围筒5作为传热组件，并不需要对压力容器2和燃料组件7做特殊设计，针对围筒5本身，考虑其环境适应能力和导热能力即可，亦不会涉及到成本急剧增加的问题。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图2至图4所示，针对如上考虑的传热速度，为利于围筒5与压力容器2之间直接传热面的大小和减小围筒5内壁与燃料组件7之间的间隙，设置为：所述围筒5呈圆筒状结构，且围筒5的直径与压力容器2的直径相等；
所述孔道的外形与燃料组件7的外形匹配：燃料组件7完成在孔道内的配合，燃料组件7的多个局部外表面或全部外表面通过同比例放大后，可与所述孔道的多个局部孔表面重合或全部孔表面重合。如上限定的外形匹配即为：沿着燃料组件7的周向方向，当燃料组件7的侧壁局部发生如为折弯、拐角的变形时，孔道的避免亦发生匹配性的折弯、拐角变形，以使得：燃料组件7能够配合在所述孔道内，且孔道上任意一点距燃料组件7不存在过大的间隙宽度而影响传热。
为便于实现围筒5的安装、便于围筒5的制备以匹配燃料组件7的形状，设置为：所述围筒5为多块拼接式结构。
作为一种具体的围筒5实现形式，设置为：所述围筒5由多个圆环沿着压力容器2的轴线依次层叠拼接而成。采用本方案，针对燃料组件7不同轴线位置的横截面形状，各圆环上的中心孔形状与燃料组件7对应轴线位置外形匹配即可。具体如图3所示。
作为一种具体的围筒5实现形式，设置为：所述围筒5由多块弧形板沿着压力容器2的周向方向环形排布拼接而成。采用本方案，针对燃料组件7不同轴线位置的横截面形状，各弧形板的上的内侧形状与燃料组件7对应轴线位置外形匹配即可。具体如图4所示。
作为一种具体的围筒5、燃料组件7安装形式，设置为：还包括用于实现燃料组件7在压力容器2内支撑的支撑部件，所述支撑部件为设置在压力容器2内的支撑板5，所述支撑板5将压力容器2的内部空间分割为上部空间和下部空间；
所述围筒5及燃料组件7均支撑于所述支撑板5上且均位于所述上部空间内；
还包括设置在压力容器2上，与所述上部空间相通的出口接管3；还包括设置在压力容器2上，与所述下部空间相通的入口接管9；
所述支撑板5上还设置有通孔，所述通孔作为燃料组件7下部冷却剂引入孔道与下部空间之间的连通孔。本方案采用支撑板5替代了现有吊篮支撑燃料组件7的反应堆设置形式，所述下部空间在运用时相当于为反应堆一回路冷却剂进入燃料组件7的分配腔8。区别于现有技术，由于不存在吊篮，在相同燃料组件7参数设定的情况下，本方案可缩小压力容器2的径向尺寸，同时，支撑板5的作用为支撑燃料组件7与围筒5即可，这样，在制备时，支撑板5与压力容器2可组成组合体又压力容器2制造厂家制备，这样，可简化反应堆结构安装步骤、简化堆内构件、便于运输。同时，在出口接管3位置不变的情况下，本方案提供了一种由下至上的一回路冷却剂流通路径，区别于现有技术中由上至下再由下至上的一回路冷却剂流通路径，本方案提供了一种可降低冷却剂流程阻力的直流式冷却剂流动方案。
为便于实现围筒5相对于压力容器2位置的稳定性，以利于反应堆结构的稳定性和围筒5性能的稳定性，设置为：所述压力容器2与围筒5之间还设置配合键，所述配合键用于限定围筒5相对于压力容器2的位置。在具体运用时，所述配合键可设置为：为长度方向沿着压力容器2轴线方向的条形键且位于压力容器2的内侧，在围筒5的外侧设置与所述条形键外形匹配的键槽，通过条形键嵌入键槽且条形键通过受剪，达到约束围筒5相对于压力容器2的位置的目的。
作为支撑板5的具体安装方式，设置为：所述支撑板5通过焊接或螺栓连接的方式固定于压力容器2上。在具体运用时，针对所述螺栓连接，可在压力容器2的内壁上设置沿着压力容器2周向方向延伸的环形凸缘，所述环形凸缘与压力容器2的内壁焊接连接，为圆形板的支撑板5支撑于所述环形凸缘上，环形凸缘与支撑板5螺栓连接，并在环形凸缘与支撑板5之间设置密封环；针对所述焊接连接，为圆形板的支撑板5上下端均通过环焊缝与压力容器2内壁焊接连接即可。
更为完整的，为实现对燃料组件7的上端施加约束，设置为：还包括设置于压力容器2内、用于实现燃料组件7上端约束的压紧组件6。所述压紧组件6采用现有技术中的弹簧式压紧组件6即可。
考虑到围筒5的温度承受能力和导热能力，为便于取材，设置为：所述围筒5的材质为金属材质。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种轻水核反应堆结构，包括压力容器(2)及设置在压力容器(2)内部的燃料组件(7)，其特征在于，还包括中部设置有孔道的围筒(4)，所述围筒(4)设置在压力容器(2)内，燃料组件(7)设置在所述孔道内；
所述围筒(4)的外侧与压力容器(2)的内壁相接触；
还包括用于实现燃料组件(7)在压力容器(2)内支撑的支撑部件，所述支撑部件为设置在压力容器(2)内的支撑板(5)，所述支撑板(5)将压力容器(2)的内部空间分割为上部空间和下部空间；
所述围筒(4)及燃料组件(7)均支撑于所述支撑板(5)上且均位于所述上部空间内；
还包括设置在压力容器(2)上，与所述上部空间相通的出口接管(3)；还包括设置在压力容器(2)上，与所述下部空间相通的入口接管(9)；
所述支撑板(5)上还设置有通孔，所述通孔作为燃料组件(7)下部冷却剂引入孔道与下部空间之间的连通孔；
所述入口接管（9）用于冷却剂进入，所述出口接管(3)用于冷却剂流出。
2.根据权利要求1所述的一种轻水核反应堆结构，其特征在于，所述围筒(4)呈圆筒状结构，且围筒(4)的直径与压力容器(2)的直径相等；
所述孔道的外形与燃料组件(7)的外形匹配：燃料组件(7)完成在孔道内的配合，燃料组件(7)的多个局部外表面或全部外表面通过同比例放大后，可与所述孔道的多个局部孔表面重合或全部孔表面重合。
3.根据权利要求1所述的一种轻水核反应堆结构，其特征在于，所述围筒(4)为多块拼接式结构。
4.根据权利要求3所述的一种轻水核反应堆结构，其特征在于，所述围筒(4)由多个圆环沿着压力容器(2)的轴线依次层叠拼接而成。
5.根据权利要求3所述的一种轻水核反应堆结构，其特征在于，所述围筒(4)由多块弧形板沿着压力容器(2)的周向方向环形排布拼接而成。
6.根据权利要求1所述的一种轻水核反应堆结构，其特征在于，所述压力容器(2)与围筒(4)之间还设置配合键，所述配合键用于限定围筒(4)相对于压力容器(2)的位置。
7.根据权利要求1所述的一种轻水核反应堆结构，其特征在于，所述支撑板(5)通过焊接或螺栓连接的方式固定于压力容器(2)上。
8.根据权利要求1所述的一种轻水核反应堆结构，其特征在于，还包括设置于压力容器(2)内、用于实现燃料组件(7)上端约束的压紧组件(6)。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的一种轻水核反应堆结构，其特征在于，所述围筒(4)的材质为金属材质。
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