CN111937087B - 限制施加到一体化机构的应力的一体化核反应堆架构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种核反应堆(10)，包括：‑容器(12)，该容器容纳初级液体；‑堆芯(14)，该堆芯包括核燃料，并且布置在容器(12)的内部容积中；‑至少一个主泵，该至少一个主泵生成容器(12)中的初级液体的主初级流(56)；‑至少一个控制件(16)，该至少一个控制件用于控制堆芯(14)的反应性；‑至少一个移动机构(18)，该至少一个移动机构用于移动控制件(16)，布置在容器(12)的内部容积中并且连结到控制件(16)；以及‑加压器(20)，该加压器位于容器(12)的顶部中。移动机构(18)包括电动执行器和传动机构。电动执行器完全浸入初级流体中并位于主初级流(56)外部。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种核反应堆，该核反应堆包括：
-容器，该容器具有中心轴线，容纳初级液体；
-堆芯，该堆芯包括核燃料，堆芯布置在容器的内部容积中；
-至少一个主泵，该至少一个主泵生成容器中的初级液体的主初级流，该主初级流穿过堆芯，在主初级流的上升部分中沿平行于中心轴线的方向上升，并且在主初级流的下降部分中通过位于容器中的外围上的至少一个蒸汽发生器下降；
-至少一个控制件，该至少一个控制件用于控制堆芯的反应性，控制件在平行于中心轴线的相应方向上延伸，并且在所述相应方向上与堆芯对齐；
-至少一个移动机构，该至少一个移动机构用于移动控制件，布置在容器的内部容积中并且连结到控制件；
-加压器，该加压器沿着中心轴线位于容器的顶部中，加压器与初级流体连通，
移动机构包括电动执行器和传动机构。
【背景技术】
文献FR3039695和US2015/0243377A1描述了一种核反应堆，该核反应堆包括用于移动堆芯反应性控制件的多个移动机构。这些机构完全容纳在容器中。这尤其使得可以减小核反应堆的总高度。
各个移动机构特别地包括完全浸没在容器内部的初级液体中的马达。
在这种类型的反应堆中，所有浸没的机构通常位于主初级流中。
然而，主初级流的初级液体在与包括控制件的移动机构的某些浸没机构相互作用之前穿过堆芯。
一方面，为了冷却堆芯，初级流具有非常显著的流动。移动机构具有机械游隙，特别是允许控制件移动，使得具有非常显著流动的液体可能损坏移动机构的结构。
另一方面，来自堆芯的裂变产物可能通过辐射与机构相互作用。特别地，马达例如是包括不可忽略的金属质量的电动机，该金属例如是钴，能够通过辐射激活。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是提供一种尺寸减小的核反应堆，其中堆芯与浸没机构之间的相互作用减小。
为此，本发明的主题是一种上述类型的核反应堆，其中，电动执行器完全浸入初级流体中，并且电动执行器位于主初级流的外部。
核反应堆还可以具有单独或根据任意技术上可能的组合考虑的、以下特征中的一个或多个：
-主初级流具有在上升部分与下降部分之间的反转区，流体的循环在反转区中形成折返，电动执行器在中心轴线的方向上位于反转区上方并且在平行于中心轴线的方向上位于加压器下方；
-该核反应堆包括电动执行器的冷却管线，冷却管线从离开堆芯或从主泵排出的主初级流中收回初级液体，使从主初级流收回初级液体与通过马达使初级液体通过之间的行程时间大于最短持续时间；
-最短持续时间大于50秒，优选地在50秒与150秒之间；
-电动执行器包括：
·马达，该马达包括定子和能够施加旋转扭矩的转子；和
·系统，该系统用于释放控制件，能够通过重力下降将控制件释放到堆芯中；并且
传动机构包括：
·驱动装置，该驱动装置包括移动部，移动部连结到马达，使得马达的旋转扭矩被施加到移动部；
·从动件，该从动件包括螺杆或螺母中的一个，从动件由移动部驱动旋转；
·传动件，该传动件形成固定到控制件的螺杆或螺母中的另一个，
螺杆和螺母协作，使得驱动装置的移动部相对于定子的旋转导致控制件平行于中心轴线的平移；
-传动件支承螺母，从动件包括螺杆，螺母与螺杆在所述螺杆的外径上协作；
-从动件具有孔口，该孔口至少在从动件的上部中沿着相应方向延伸大于控制件的最大移动的长度，驱动装置的移动部具有多边形截面，该多边形截面至少部分地在所述孔口中延伸孔口的长度，孔口至少在上部中具有对应的多边形截面，从动件和移动部在旋转时固定；
-从动件在上部中具有至少一个通孔，该至少一个通孔将孔口连接到从动件的外部；
-控制件的释放通过释放从动件来获得；
-从动件包括肩部，释放系统包括可在保持位置与释放位置之间移动的至少一个元件，可移动元件在保持位置中沿相应方向在肩部下方延伸，并且在释放位置中不沿相应方向在肩部下方延伸。
【附图说明】
本发明的其他特征和优点将参见附图备考且非限制性地从下面提供的本发明的详细描述显现，附图中：
图1是根据本发明的核反应堆的一个实施方式的示意性剖视图；
图2是图1的核反应堆的控制件的移动机构处于待命位置的示意性剖视图；
图3是图2的移动机构的从动件的上部和下部的立体剖视图；以及
图4是图2的移动机构在释放位置的示意性剖视图。
【具体实施方式】
图1所示的核反应堆10是SMR(小型和中型反应堆)型反应堆。这种类型的反应堆例如为小型核设施装备几百兆瓦(MWe)的功率。这种反应堆通常是压水堆(PWR)类型。在变型中，反应堆是沸水堆(BWR)类型。
反应堆10包括具有中心轴线C的容器12、形成布置在容器12的内部容积中的堆芯14的多个核燃料组件、控制堆芯14的反应性的至少一个控制件16、以及用于移动控制件的至少一个移动机构18。更特别地，反应堆10包括多个控制件16和每个控制件16的一个移动机构18。
在图1中，仅示出了少量的核燃料组件、控制件和移动机构。实际上，各个核反应堆包括大量的核燃料组件，甚至包括大量的控制件和移动机构。
中心轴线C通常是竖直的或基本竖直的。容器12基本上围绕中心轴线C旋转。
在本说明书中，术语下和上、高和低、上方和下方将相对于基本上对应于中心轴线C的竖直方向来理解。
容器12容纳核反应堆的初级液体。
反应堆10还包括沿着中心轴线C位于容器12的顶部中的加压器20，加压器20与初级流体连通，以便将初级流体保持在给定压力下。
更具体地，加压器20从某一高度在容器12的整个顶部上延伸。
反应堆10还包括一个或多个蒸汽发生器22，这些蒸汽发生器容纳在容器12的内部容积中，并且围绕控制件16和移动机构18延伸。蒸汽发生器22具有围绕中心轴线C的圆柱对称性。
核燃料组件是平行于中心轴线C的细长元件，具有棱柱形状，彼此抵靠放置。
用于控制堆芯反应性的控制件16被称为控制束或控制棒。各个控制件包括由中子吸收材料或中子吸收剂组成的部分。各个控制件具有平行于中心轴线C的细长形状，并且具有适于允许控制件插入到布置在核燃料组件中的未示出的通道中的截面。
每个控制件在平行于中心轴线C的方向上与堆芯对齐。
移动机构18布置在容器的内部容积中。每个移动机构18通常连结到一个或多个控制件16。
移动机构18也称为CRDM(控制棒驱动机构)。
每个移动机构18被设置成沿着平行于中心轴线C的轴线A移动控制件16中的一个，以便将其从对应的核燃料组件完全去除，或者将其插入核燃料组件内部的确定长度。
如图2所示，每个移动机构18包括电动执行器18a和传动机构18b。
电动执行器18a包括马达23，该马达包括定子24和可以旋转的转子25。
传动机构18b包括：
-驱动装置26，该驱动装置包括移动部28，驱动装置26连结到马达23，使得转子25的旋转扭矩被施加到移动部28；
-从动件30，该从动件包括螺杆或螺母中的一个32；
-传动件34，该传动件形成螺杆或螺母中的另一个36。
电动执行器18a沿着平行于中心轴线C的方向位于加压器20的下方。
电动执行器18a完全浸入容器内部的初级液体中。更一般地，移动机构18完全浸入容器12内部的初级液体中。移动机构18的元件都没有突出到容器12外。更特别地，马达23、驱动装置26、从动件30以及传动件34浸入容器12内部的初级液体中。通常，所有这些元件都连续浸入初级液体中。
只有将移动机构连接到电源或电子检测构件的电导体离开容器。
由此，反应堆10的总高度减小。
定子24具有围绕平行于中心轴线C的轴线A的圆柱形的总体形状。
转子25位于定子24内部，并且具有与轴线A同轴的圆柱形的总体形状。它具有沿着轴线A延伸的中心通道38。
除了移动部28之外，驱动装置26还包括连接部40，该连接部接合在中心通道38中，使得转子25和连接部40例如使用在转子25与连接部40之间延伸的连接部41在旋转时固定。
驱动构件26包括沿着轴线A平行于中心轴线C延伸的杆42。移动部28组成所述杆的下段，并且连接部40组成所述杆的顶段。移动部28固定到连接部40。
杆42沿着轴线A较大。
杆42沿着轴线A向下延伸超过马达23。
在所例示的示例中，移动部28具有多边形截面，更具体地具有正方形截面，该截面被认为垂直于轴线C。
从动件30围绕轴线A延伸。这里，从动件30具有管状的整体形状。
在顶部43中，从动件30例如具有圆柱形外形，该圆柱形外形具有多边形截面，更具体地为正方形。在顶部的外部，从动件30例如具有带圆形截面的圆柱形外形。
从动件30具有在图3中可见的孔口44，该孔口至少在从动件的顶部中沿着轴线A延伸大于控制件16的最大移动的长度，更具体地，这里是沿着所述从动件30的轴线A延伸整个高度。
在孔口44的顶部，孔口44具有与移动部28的多边形截面对应的多边形截面。孔口44的顶部例如限定在从动件30的顶部43中，使得在该水平处，从动件形成多面体环。在孔口44的底部，孔口44具有圆形截面。移动部28的多边形截面包括在所述圆形截面中。
移动部28在孔口44中延伸。
从动件30与移动部28在孔口44的顶部处协作，使得在移动部28与从动件30之间传递旋转。由此，马达25的旋转通过驱动装置26传递到从动件30。
从动件30还在其外表面上，更具体地在其顶部中具有肩部46。
从动件30还在其外表面上，更具体地在底部中具有螺纹48。由此，这里的从动件包括螺杆。
从动件30还具有至少一个通孔50，该至少一个通孔将孔口44连接到螺杆的外表面，更具体地在螺纹48上方。通孔50特别地允许在孔口44中延伸的液体在从动件30在孔口44中的快速移动期间从从动件30的内部排出。
一方面，传动部件34连接到控制件16。更具体地，传动件34与控制件16一起沿着轴线A在平移时固定。
另一方面，传动件34与从动件30协作。
这里，传动件34支承螺母。
螺母在螺纹48处与从动件30协作。
通常，螺杆和螺母协作，使得从动件30相对于容器12的旋转导致传动件34沿着轴线A平移。由此，驱动装置26的移动部28相对于定子24的旋转导致控制件16平行于中心轴线C平移。
更具体地，传动件34被阻止绕轴线A旋转，使得从动件30绕轴线A的旋转通过螺母在螺纹48上的移动而引起传动件34沿着轴线A的平移。
移动机构例如包括护套，该护套围绕传动件34并且具有沿着轴线A的凹槽，该凹槽能够与存在于传动件34中的对应肋协作。
由此，通过肋在凹槽中的移动，凹槽与肋之间的协作防止传动件34的旋转，但是允许沿着轴线A的平移。
另选地，传动件34具有沿着轴线A的凹槽，并且护套具有对应的肋。
从动件30在第一方向上的旋转导致传动件沿着轴线A降低，而从动件30在与第一方向相反的第二方向上的旋转导致传动件沿着轴线A上升。更具体地，转子25在第一方向上的旋转导致控制件16降低，而转子在第二方向上的旋转导致控制件16上升。
由此，通过转子25的旋转移动，可以控制将控制件16推入核燃料组件中，以便控制堆芯14的反应性。
使用与从动件的外表面协作的螺母特别使得可以使用辅助辊和/或辊子，以便限制螺母在平移期间的摩擦。
移动机构18的电动执行器18b还包括控制件16的释放系统52，该释放系统能够通过重力下降将控制件16释放到堆芯14中。
释放系统52使得可以将移动机构18从待命位置(armed position)转换到释放位置，在待命位置，被推入到堆芯14中的控制件16的高度由马达23的旋转控制，在释放位置，控制件16根据最大高度被推入到堆芯14中。
这里，控制件16的释放通过释放从动件30来获得，这里由传动件34的重力引起下降，由此由控制件16的重力引起下降。
这里，释放由线圈控制，该线圈被供电以便在反应堆的正常操作期间将移动机构保持在待命位置。在出现问题的情况下，切断线圈的电力导致重力释放以及从待命位置到释放位置的转变。
更具体地，释放系统52包括可在保持位置与释放位置之间移动的至少一个元件54。可移动元件54由线圈保持。在保持位置，可移动元件54沿着轴线A在肩部下方延伸，使得肩部46支承在所述可移动元件54上，并且从动件30由释放系统52保持。在释放位置，可移动元件54不再沿着中心轴线在肩部下方延伸，以便释放从动件30，该从动件沿着轴线A通过重力下降来驱动，如图4所示。
例如，可移动元件54是一个或几个棘爪。
在释放期间，液体可以容纳在从动件30中，然后孔50允许液体的快速排出。
另外，脉冲弹簧55在第一瞬间加速下降。
下落时间特别短。实际上，因为螺杆-螺母连接与驱动构件一起被释放，所以下降对应于简单的平移移动而不是螺杆或螺母的螺旋移动。
机械摩擦被减小。
在从动件30的孔口44的圆柱形底部中的移动部28的多面体形状是特别有利的，因为它限制了在从动件30的重力下降期间从动件30与驱动构件26之间的机械和/或液压摩擦，这使得可以减少释放期间的下降时间。
此外，从动件30围绕驱动构件26的布置使得从动件30在释放之后特别是由于驱动构件26的长度而被保持在驱动构件26周围。更具体地，杆42沿着轴线A朝向底部延伸很远，使得当控制件16处于释放位置时，杆42保持接合在从动件的顶部中。
然后，容易恢复从动件30以及由从动件30支承的组件，以使其围绕驱动构件26上升，以便使移动机构18返回到待命位置。例如，从动件30的上升通过螺杆的旋转来进行，螺杆然后通过与螺母协作而上升。一旦驱动构件32上升到高位置，那么可移动元件54移动到保持位置，这使得可以返回到释放之前的情况。
此外，容器具有初级液体的主初级流56，在图1中可见。
主初级流56通过堆芯14，然后在主初级流56的上升部分58中沿着平行于中心轴线C的方向上升，然后在主初级流56的下降部分60中通过蒸汽发生器22下降。
在上升部分58和下降部分60中，流体基本上平行于轴线C移动。
上升部分58例如对应于容器的一部分，该部分部分地包括从动件、传动件和/或控制件的未被推入到核燃料中的部分。
主初级流56具有位于上升部分58与下降部分60之间的反转区62，流体的循环在反转区62中形成折返。
在反转区62中，流体基本上垂直于中心轴线C移动，以便到达蒸汽发生器22的入口。
由此，主初级流56以这种顺序行进：上升部分58、反转区62、然后下降部分60。
这里，初级液体在主初级流56中的移动由位于下降部分60处，例如在蒸汽发生器入口和/或出口处的至少一个主泵57驱动。
电动执行器18a位于主初级流56的外部。主初级流56不通过特别包括移动机构18的马达23的电动执行器18a。
更具体地，电动执行器18a在平行于中心轴线C的方向上位于反转区62上方。由此，电动执行器18a具有沿着轴线A限定的位于反转区62与加压器20之间的高度。
由此，电动执行器18a不与堆芯14出口处的主初级流56中存在的裂变产物直接相互作用，并且不经历与主初级流56的强流和/或高速度有关的约束。
核反应堆10包括驱动机构18的马达23的冷却管线64。该冷却管线在堆芯14的出口处(如图所示)或者在从主泵57排出处从主初级流56收回初级液体。
使从主初级流56收回初级液体与初级液体在马达23处通过之间的行程时间大于最短持续时间。
为了使冷却管线的初级液体在所述最短持续时间之后到达马达23，液体的速度例如相对于主初级流56中的速度减小，特别是由于使用隔膜。
最短持续时间大于50秒，优选地在50秒与150秒之间。
特别地，最短持续时间使得由具有短寿命的堆芯产生的放射性元素可以主要转变成其它元素，使得所述具有短寿命的元素不与马达相互作用。具有短寿命的元素例如是指具有小于10秒的放射性周期的元素，例如氮的同位素17(17N)，其具有基本上等于4.2秒的放射性周期。
不同于主初级流56的冷却管线的存在特别使得可以相对于用于冷却堆芯的流动和/或速度，具有用于冷却移动机构的更低的流动和/或速度。这使得可以减小由于液体流动和/或施加到移动机构的速度而产生的机械应力。
通常，冷却所有电动执行器所需的流量比冷却堆芯所需的主初级流56低10000倍。
另选地，冷却管线是独立的或对应于在通过堆芯14之前的主初级流体56的收回。
现在将描述核反应堆的操作。
考虑了一种起始构造，在该构造中，控制件16被推入堆芯14中初始高度。控制件待命，并且可移动元件54处于保持位置。
为了向下或向上移动控制件16以便控制堆芯14的反应性，启动马达23，使得转子25沿一个方向旋转。转子的旋转移动被传递到驱动装置26的移动部28，然后传递到从动装置30。
取决于转子23的旋转方向，该旋转将被转换成传动件的平行于中心轴线C的向上或向下的平移移动。
实际上，这里是旋转螺杆32，使得螺母36沿着螺杆平移。这导致控制件16平行于中心轴线C平移移动。
如果需要快速降低控制件16以便控制核燃料组件内部的堆芯14的反应性，例如在紧急情况下，则启动释放系统52，使得可移动元件54进入释放位置。从动件30不再由可移动元件54保持在肩部46下方，使得从动件30下降，这驱动传动件34和控制件16。
在释放之后，然后可以升高从动件30以使控制件16重新待命，以便控制堆芯14的反应性。
这种核反应堆由于容器中的移动机构而具有减小的高度，并且使得可以在裂变产物以及由初级流体施加的机械应力方面限制主初级流与移动机构的马达之间的相互作用。
这种移动机构具有降低的径向空间要求。
移动机构的架构，特别是从动件和驱动构件的伸缩布置，显著地意味着不再需要在马达上方提供偏移，这与FR3039695中描述的机构不同，在FR3039695中，驱动构件突出超过马达。这里，本发明的移动机构的任何元件都不位于严格大于马达沿着轴线A的高度的高度处。
这种架构特别使得可以使用盘型的马达，也就是说，具有没有中心孔口的圆柱形，马达在移动机构的剩余部分上方延伸。马达的直径例如基本上等于配合在燃料组件的节距中的圆盘的直径。这种马达的高度通常小于如前所述的马达的高度。由此，这使得可以进一步降低在移动机构的高度方面的空间要求。
Claims (11)
1.一种核反应堆(10)，包括：
-容器(12)，该容器具有中心轴线(C)，容纳初级液体；
-堆芯(14)，该堆芯包括核燃料，所述堆芯(14)布置在所述容器(12)的内部容积中；
-至少一个主泵(57)，该至少一个主泵生成所述容器(12)中的初级液体的主初级流(56)，所述主初级流(56)穿过所述堆芯(14)，在所述主初级流(56)的上升部分(58)中沿平行于所述中心轴线(C)的方向上升，并且在所述主初级流(56)的下降部分(60)中通过位于所述容器(12)中的外围上的至少一个蒸汽发生器(22)下降；
-至少一个控制件(16)，该至少一个控制件用于控制所述堆芯(14)的反应性，所述控制件(16)在平行于所述中心轴线(C)的相应方向(A)上延伸，并且在所述相应方向(A)上与所述堆芯(14)对齐；
-至少一个移动机构(18)，该至少一个移动机构用于移动所述控制件(16)，布置在所述容器(12)的所述内部容积中并且连结到所述控制件(16)；以及
-加压器(20)，该加压器沿着所述中心轴线(C)位于所述容器(12)的顶部中，所述加压器(20)与所述初级流体连通，
所述移动机构(18)包括电动执行器(18a)和传动机构(18b)，
其特征在于：所述电动执行器(18a)完全浸入所述初级流体中，并且所述电动执行器(18a)位于所述主初级流(56)外部。
2.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述主初级流(56)在所述上升部分(58)与所述下降部分(60)之间具有反转区(62)，所述流体的循环在所述反转区(62)中形成折返，所述电动执行器(18a)在所述中心轴线(C)的方向上位于所述反转区(62)上方并且在平行于所述中心轴线(C)的方向上位于所述加压器(20)下方。
3.根据权利要求1或2所述的核反应堆，包括所述电动执行器(18a)的冷却管线(64)，所述冷却管线(64)从离开所述堆芯(14)或在从所述主泵(57)排出处的所述主初级流(56)收回所述初级液体，使从所述主初级流(56)收回所述初级液体与使所述初级液体在马达(23)处通过之间的行程时间大于最短持续时间。
4.根据权利要求3所述的核反应堆，其中，所述最短持续时间大于50秒。
5.根据权利要求4所述的核反应堆，其中，所述最短持续时间在50秒与150秒之间。
6.根据权利要求1所述的核反应堆，其中，所述电动执行器(18a)包括：
-马达(23)，该马达包括定子(24)和能够施加旋转扭矩的转子(25)；和
-系统(52)，该系统用于释放所述控制件(16)，能够通过重力下降将所述控制件(16)释放到所述堆芯(14)中；并且
其中，所述传动机构(18b)包括：
-驱动装置(26)，该驱动装置包括移动部(28)，所述移动部(28)连结到所述马达(23)，使得所述马达(23)的所述旋转扭矩被施加到所述移动部(28)；
-从动件(30)，该从动件包括螺杆或螺母中的一个(32)，所述从动件(30)由所述移动部(28)驱动旋转；以及
-传动件(34)，该传动件形成固定到所述控制件(16)的所述螺杆或所述螺母中的另一个(36)，
所述螺杆和所述螺母协作，使得所述驱动装置(26)的所述移动部(28)相对于所述定子(24)的旋转导致所述控制件(16)平行于所述中心轴线(C)的平移。
7.根据权利要求6所述的核反应堆，其中，所述传动件(34)支承所述螺母(36)，所述从动件(30)包括所述螺杆，所述螺母与所述螺杆在所述螺杆(30)的外径上协作。
8.根据权利要求6或7所述的核反应堆，其中，所述从动件(30)具有孔口(44)，该孔口至少在所述从动件(30)的上部中沿着所述相应方向(A)延伸大于所述控制件(16)的最大移动的长度，所述驱动装置(26)的所述移动部(28)具有多边形截面，该多边形截面至少部分地在所述孔口(44)中延伸所述孔口(44)的所述长度，所述孔口(44)至少在上部中具有对应的多边形截面，所述从动件(30)和所述移动部(28)在旋转时固定。
9.根据权利要求8所述的核反应堆，其中，所述从动件(30)在上部中具有至少一个通孔(50)，该至少一个通孔将所述孔口(44)连接到所述从动件(30)的外部。
10.根据权利要求6或7所述的核反应堆，其中，所述控制件(16)的释放通过释放所述从动件(30)来获得。
11.根据权利要求10所述的核反应堆，其中，所述从动件(30)包括肩部(46)，所述释放系统(52)包括可在保持位置与释放位置之间移动的至少一个可移动元件(54)，所述可移动元件(54)在所述保持位置中沿所述相应方向(A)在所述肩部(46)下方延伸，并且在所述释放位置中不沿所述相应方向(A)在所述肩部(46)下方延伸。
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