CN113963819B - 反应堆及其径向热屏蔽以及压力容器的冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种反应堆及其径向热屏蔽以及压力容器的冷却装置。所述反应堆包括由压力容器本体和压力容器顶盖形成的压力容器，所述径向热屏蔽设于所述压力容器本体内，用于减少中子向所述压力容器本体的直接辐照，所述径向热屏蔽包括：外筒体，所述外筒体的径向外表面与所述压力容器本体直接面对；和内筒体，设置在所述外筒体的径向内侧，所述内筒体与所述外筒体之间形成内部环形间隙；其中所述外筒体设有至少一个液流通孔，且所述外筒体的径向外表面凸设有至少一个螺旋形导流条。本申请的技术方案能够改善压力容器本体周向温度的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种反应堆及其径向热屏蔽以及压力容器的冷却装置。
背景技术
对于反应堆而言，目前有回路式反应堆和池式反应堆。回路式结构就是用管路把各个独立的设备连接成回路系统；热交换器位于压力容器外部。池式反应堆将堆芯、一回路主冷却系统浸泡在冷却剂池(即压力容器)内。通过动力泵使池内的冷却剂在堆芯组件与热交换器之间流动。
中国实验快堆为池式钠冷快堆，一回路采用池式结构，堆芯及一回路的所有设备、管道均安装在压力容器所限定的钠池内。压力容器是一回路冷却剂的包容边界，其安全性能十分重要。
发明内容
本发明实施例的第一方面提供了一种用于反应堆的径向热屏蔽，所述反应堆包括由压力容器本体和压力容器顶盖形成的压力容器，所述径向热屏蔽设于所述压力容器本体内，用于减少中子向所述压力容器本体的直接辐照，
其中所述径向热屏蔽包括：
外筒体，所述外筒体的径向外表面与所述压力容器本体直接面对；和
内筒体，设置在所述外筒体的径向内侧，所述内筒体与所述外筒体之间形成内部环形间隙，
其中所述外筒体设有至少一个液流通孔，且所述外筒体的径向外表面凸设有至少一个螺旋形导流条。
本发明实施例的第二方面提供了一种反应堆，包括：
压力容器本体，其中容纳有冷却剂；
压力容器顶盖，与所述压力容器本体共同形成所述反应堆的压力容器；
如本发明第一方面所述的径向热屏蔽，设于所述压力容器本体内，用于减少中子向所述压力容器本体的直接辐照；
其中，所述径向热屏蔽与所述压力容器本体之间形成外部环形间隙；
所述压力容器本体内的部分冷却剂自下向上流入所述外部环形间隙，并在所述外部环形间隙内继续向上流动，以对所述压力容器本体进行降温；且进入所述外部环形间隙的冷却剂经由所述外筒体的所述至少一个液流通孔流入所述径向热屏蔽的内部环形间隙，之后在所述内部环形间隙内向下流动。
本发明实施例的第三方面提供了一种反应堆压力容器的冷却装置，所述压力容器由压力容器本体和压力容器顶盖形成，所述反应堆包括：位于所述压力容器内的冷却剂、堆芯组件以及设于所述堆芯组件的下方的栅板联箱，所述冷却装置包括：
如本发明第一方面所述的径向热屏蔽，设于所述压力容器本体内，其中所述压力容器本体与所述径向热屏蔽的外筒体之间形成环形的液流上升通道，所述径向热屏蔽的外筒体与内筒体之间形成环形的液流下降通道；和
多个节流件，设置于所述栅板联箱，用于使进入所述栅板联箱内的部分冷却剂经所述多个节流件进入所述液流上升通道。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1是根据本发明实施例的反应堆的示意性原理图；
图2是根据本发明实施例的用于反应堆的径向热屏蔽的结构图，图中仅示出了一个螺旋形导流条；
图3是图2所示径向热屏蔽的俯视图；以及
图4示出了图2中径向热屏蔽的螺旋形导流条在不同位置的切线；
图5示出了根据本申请实施例的压力容器本体的温度分布。
附图中：
11、压力容器顶盖；12、压力容器本体；20、堆芯组件；30、动力泵；31、泵支承；40、径向热屏蔽；41、外筒体；411、液流通孔；412、螺旋形导流条；42、内筒体；43、环形间隙；50、栅板联箱；60、节流件；70、环形间隙。
应该注意的是，附图并未按比例绘制，并且出于说明目的，在整个附图中类似结构或功能的元素通常用类似的附图标记来表示。还应该注意的是，附图只是为了便于描述优选实施例，而不是本发明本身。附图没有示出所描述的实施例的每个方面，并且不限制本发明的范围。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本申请实施例的反应堆为池式反应堆。冷却剂可以是液态钠或者液态铅铋合金等，相应地，反应堆为池式钠冷快堆或池式铅铋快堆。
图1是根据本发明实施例的反应堆的示意性原理图。图中箭头方向表示冷却剂的流动方向。如图1所示，反应堆可包括压力容器本体12和压力容器顶盖11。压力容器顶盖11可通过螺栓等紧固件与压力容器本体12固定连接，两者密闭形成压力容器。
反应堆还包括设置于压力容器内部的堆芯组件20、动力泵30、栅板联箱50以及热交换器(图中未示出)。压力容器内部设有冷却剂，用于将堆芯组件20的热量向外传递。
动力泵30由泵支承31支承，泵支承31可固定在压力容器顶盖11上。泵支承31的下端有泵出口，由动力泵30泵送的冷却剂经由泵支承31的泵出口向外流出。
可选地，动力泵30可以是离心泵。在其他实施例中，本领域技术人员可以根据实际情况选择其他类型的动力泵30为冷却剂传输提供动力。
栅板联箱50设于堆芯组件20的下方。栅板联箱50在中国快堆中是堆芯支承的主要组成部分。冷却剂流经栅板联箱50后，由栅板联箱50再分配后，为堆芯组件20提供必需流量，达到带走热量、冷却堆芯组件20的目的。
在一些实施例中，反应堆内形成位于上方的热池区域和位于下方的冷池区域；冷池区域的冷却剂流入堆芯组件20携带堆芯组件20的热量进入热池区域。
热交换器用于对来自热池区域的冷却剂进行降温，且使降温后的冷却剂流入冷池区域。从堆芯组件20流出的冷却剂进入热池区域，之后进入热交换器进行降温，从热交换器流出的冷却剂进入冷池区域，被动力泵30泵送至栅板联箱50，从而对堆芯组件20以及堆内其他设备进行冷却，冷却剂吸收堆芯组件20产生的热量之后，再循环回热交换器进行降温，从而完成冷却剂在反应堆一回路中的循环。
在一些实施例中，反应堆还包括：径向热屏蔽40，径向热屏蔽40设于压力容器本体12内，用于减少中子向压力容器本体12的直接辐照。
径向热屏蔽40的高度可以与压力容器内冷却剂的液面基本平齐。
容易理解，径向热屏蔽40与压力容器本体12直接面对，即径向热屏蔽40与压力容器本体12之间未设置能够将两者之间的空间划分为不同区域的其他构件。
具体地，压力容器本体12与径向热屏蔽40之间形成环形间隙70。
中国示范快堆热池冷却剂平均温度540℃，为了降低压力容器本体12的温度，使得其在蠕变温度下，在本申请中，将冷池区域的冷却剂引入环形间隙70，使冷却剂沿着压力容器本体12的内壁流动从而冷却压力容器本体12。
图2是根据本发明实施例的用于反应堆的径向热屏蔽40的结构图；图3是图2所示径向热屏蔽40的俯视图。参见图2和图3，径向热屏蔽40包括外筒体41和内筒体42。外筒体41的径向外表面与压力容器本体直接面对。内筒体42设置在外筒体41的径向内侧，内筒体42与外筒体41之间形成环形间隙43。为了便于区分，环形间隙43可称为内部环形间隙；环形间隙70可称为外部环形间隙。
外筒体41设有至少一个液流通孔411，以将环形间隙70和环形间隙43连通。
冷却剂在压力容器内的流动方向如图1中箭头方向所示。对于设置有本申请实施例的径向热屏蔽40，压力容器本体12内的部分冷却剂沿环形间隙70自下向上沿压力容器本体12的内壁和径向热屏蔽40的外壁向上流动，以对压力容器本体12进行降温，之后经由液流通孔411进入环形间隙43，沿环形间隙43向下流动。换言之，在环形间隙70内形成冷却剂的液流上升流道，在径向热屏蔽40的外筒体41与内筒体42之间的环形间隙43内，形成冷却剂的液流下降流道。
即，压力容器本体12内的部分冷却剂自下向上流入液流上升通道，并在液流上升通道内继续向上流动，以对压力容器本体12进行降温；且进入液流上升通道的冷却剂经由外筒体41的液流通孔411流入液流下降通道，之后在液流下降通道内向下流动。
在一些实施例中，进入液流上升通道的冷却剂来自冷池区域；进入液流下降通道的冷却剂流入热池区域。
液流通孔411可以设置在外筒体41的上部，进一步地接近外筒体41的顶端设置。
在一些实施例中，反应堆还包括多个节流件60，设置于栅板联箱50，用于使进入栅板联箱50内的部分冷却剂经多个节流件60进入环形间隙70。从而，进入栅板联箱50的部分冷却剂经由节流件60稳压后在压力作用下进入环形间隙70。节流件60是反应堆内常见的结构件，本申请不予赘述。
多个节流件60可设置在栅板联箱50的下部。节流件60在空间允许的情况下，可尽量增加数量，以使流体多股、分散地进入环形间隙70。在一些实施例中，节流件60的数量可为10至30个。
特别地，外筒体的径向外表面凸设有至少一个螺旋形导流条412。在环形间隙70内的液流上升流道中，由于螺旋形导流条412的引流作用，流体流经螺旋形导流条412时阻力变大，进而环绕螺旋形导流条412流动，从而提高了为压力容器本体12进行降温的冷却剂的均匀性，进而提高了压力容器本体12壁面周向温度均匀性。
换言之，在本申请实施例中，螺旋形导流条412能够使得流体沿着压力容器本体12周向流动，到达压力容器本体12壁面的各方位，使得压力容器本体12的周向均匀性得到改善。
由于压力容器本体12壁面周向温度均匀性得到改善，从而降低了压力容器本体12的热应力，提高冷却剂包容边界—压力容器本体12的服役寿命。
螺旋形导流条412的长度方向的两端分别与外筒体41的轴向两端平齐。
在反应堆内部，冷却剂流场对压力容器本体12温度分布有较大影响。而螺旋形导流条412的结构对于冷却剂流场具有较大的影响，因此，对螺旋形导流条412的结构进行设计是十分有必要的。
在一些实施例中，螺旋形导流条412在外筒体41的圆周面(或者说水平面)上的投影为四分之一圆至四分之三圆；进一步地，螺旋形导流条412在外筒体41的圆周面(或者说水平面)上的投影为八分之三圆至八分之五圆。如此，可使环形间隙70内液流上升流道中的冷却剂既能够沿周向有一定的流动，又避免轴向的阻力太大，影响轴向的流速，从而提高压力容器本体12壁面周向温度均匀性。
参见图2和图3，在进一步的实施例中，螺旋形导流条412在外筒体41的圆周面(或者说水平面)上的投影为半圆(参见图3)。换言之，螺旋形导流条412仅在外筒体41半个周壁上延伸。如此，可进一步提高压力容器本体12壁面周向温度均匀性。
图4示出了图2中径向热屏蔽40的螺旋形导流条412在不同位置的切线。根据图4可以看出，螺旋形导流条412在经过其上下两端的竖直面上的投影不为直线。换言之，在螺旋形导流条412自下向上延伸的过程中，螺旋形导流条412各点的切线的角度不是均相同的，而是会发生变化。
螺旋形导流条412各点的切线与水平线之间的夹角自下向上逐渐减小，之后逐渐增大。参见图4，从外形上看，螺旋形导流条412在外筒体41的下部向上突出(即，对于螺旋形导流条412的下半部分，任意不相邻的两点之间的连线均位于该两点之间的点的下方)，螺旋形导流条412在外筒体41的上部向下突出(即，对于螺旋形导流条412的上半部分，任意不相邻的两点之间的连线均位于该两点之间的点的上方)。
在一些实施例中，螺旋形导流条412在经过其上下两端的竖直面上的投影相对于其中点的投影中心对称。
具体地，以螺旋形导流条412上半部分为例，对于螺旋形导流条412在经过其上下两端的竖直面上的投影，其在A点的切线a与水平线的夹角小于其在B点的切线b与水平线的夹角。
对于具有上述结构的螺旋形导流条412，其能够进一步在环形间隙70的下部使冷却剂更多地沿压力容器本体12的周向流动，而在环形间隙70的上部，使冷却剂更多地沿压力容器本体12的轴向流动。由于环形间隙70下部冷却剂在周向的温差较为明显，而环形间隙70上部冷却剂在周向的温度较为均匀，通过使环形间隙70的下部冷却剂更多地沿压力容器本体12的周向流动，而环形间隙70上部的冷却剂更多地沿压力容器本体12的轴向流动从而，能够进一步提高压力容器本体12的周向温度均匀性，同时也能够保证冷却剂的轴向流速。
图2至图4中仅示出了一个螺旋形导流条412，容易理解，螺旋形导流条412的数量可以为多个，多个螺旋形导流条412在外筒体41的径向外表面等间隔分布。
在一些实施例中，螺旋形导流条412的数量例如为4至6个。
在一些实施例中，螺旋形导流条412的螺旋角为30度至60度。即，螺旋形导流条412在各点处的切线与水平线之间的角度大于等于30度小于等于60度。
在一些实施例中，螺旋形导流条412凸出于外筒体41的径向外表面的高度为外筒体41与压力容器本体12间距的五分之一至三分之一，可使环形间隙70内液流上升流道中的冷却剂既能够沿周向有一定的流动，又避免轴向的阻力太大，影响轴向的流速，从而提高压力容器本体12壁面周向温度均匀性。
在一些实施例中，径向热屏蔽40还包括：至少一个筒体，设置在内筒体42的径向内侧。换言之，径向热屏蔽40可由三个以上的筒体套设而成。其中，各相邻筒体之间均存在间隙。液流下降通道形成在最外层筒体和次外层筒体之间。
本发明的实施例还提供了一种反应堆压力容器的冷却装置，压力容器由压力容器本体12和压力容器顶盖11形成，反应堆包括：位于压力容器内的冷却剂、堆芯组件20以及设于堆芯组件20的下方的栅板联箱50。
冷却装置包括：如前任一实施例的径向热屏蔽40和多个节流件60。
径向热屏蔽40设于压力容器本体12内，其中压力容器本体12与径向热屏蔽40的外筒体41之间的环形间隙70形成环形的液流上升通道，径向热屏蔽40的外筒体41与内筒体42之间的环形间隙43形成环形的液流下降通道。
多个节流件60设置于栅板联箱50，用于使进入栅板联箱50内的部分冷却剂经多个节流件60进入液流上升通道。
根据本申请实施例的压力容器本体12的温度分布如图5所示。对于本申请实施例的反应堆而言，对于直径为15m直径的压力容器本体12，以4.23m标高为例，周向温差仅4.5℃，这说明压力容器本体12在正常运行时的热应力非常小。由此可见，本申请实施例提高了压力容器本体12壁面周向温度均匀性，从而提高了反应堆的安全性。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (16)
1.一种反应堆，其特征在于，包括：
压力容器本体，其中容纳有冷却剂；
压力容器顶盖，与所述压力容器本体共同形成所述反应堆的压力容器；以及
径向热屏蔽，设于所述压力容器本体内，用于减少中子向所述压力容器本体的直接辐照；
所述径向热屏蔽包括：
外筒体，所述外筒体的径向外表面与所述压力容器本体直接面对；和
内筒体，设置在所述外筒体的径向内侧，所述内筒体与所述外筒体之间形成内部环形间隙，
其中所述外筒体设有至少一个液流通孔，且所述外筒体的径向外表面凸设有至少一个螺旋形导流条；
其中，所述径向热屏蔽与所述压力容器本体之间形成外部环形间隙；
所述压力容器本体内的部分冷却剂自下向上流入所述外部环形间隙，并在所述外部环形间隙内继续向上流动，以对所述压力容器本体进行降温；且进入所述外部环形间隙的冷却剂经由所述径向热屏蔽的所述至少一个液流通孔流入所述径向热屏蔽的内部环形间隙，之后在所述内部环形间隙内向下流动；
所述反应堆还包括：
堆芯组件，设于所述压力容器内；和
栅板联箱，设于所述堆芯组件的下方，所述栅板联箱设有多个节流件，以使进入所述栅板联箱内的部分冷却剂经所述多个节流件进入所述外部环形间隙。
2.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述螺旋形导流条的长度方向的两端分别与所述外筒体的轴向两端平齐。
3.根据权利要求2所述的反应堆，其特征在于，所述螺旋形导流条在所述外筒体的圆周面上的投影为半圆。
4.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述螺旋形导流条的数量为多个，多个所述螺旋形导流条在所述外筒体的径向外表面等间隔分布。
5.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述螺旋形导流条的螺旋角为30度至60度。
6.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述螺旋形导流条凸出于所述外筒体的径向外表面的高度为所述外筒体与所述压力容器本体间距的五分之一至三分之一。
7.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述径向热屏蔽还包括：
至少一个筒体，设置在所述内筒体的径向内侧。
8.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述反应堆内形成热池区域和冷池区域，
其中进入所述外部环形间隙的冷却剂来自所述冷池区域；
进入所述内部环形间隙的冷却剂流入所述热池区域。
9.根据权利要求8所述的反应堆，其特征在于，还包括：
热交换器，用于对来自所述热池区域的冷却剂进行降温，且使降温后的冷却剂流入所述冷池区域；和
动力泵，用于将所述冷池区域的冷却剂泵送至所述栅板联箱。
10.一种反应堆压力容器的冷却装置，所述压力容器由压力容器本体和压力容器顶盖形成，所述反应堆包括：位于所述压力容器内的冷却剂、堆芯组件以及设于所述堆芯组件的下方的栅板联箱，其特征在于，所述冷却装置包括：
径向热屏蔽，设于所述压力容器本体内，所述径向热屏蔽包括：
外筒体，所述外筒体的径向外表面与所述压力容器本体直接面对；和
内筒体，设置在所述外筒体的径向内侧，所述内筒体与所述外筒体之间形成内部环形间隙，
其中所述外筒体设有至少一个液流通孔，且所述外筒体的径向外表面凸设有至少一个螺旋形导流条；
其中所述压力容器本体与所述径向热屏蔽的外筒体之间形成环形的液流上升通道，所述径向热屏蔽的外筒体与内筒体之间形成环形的液流下降通道；和
多个节流件，设置于所述栅板联箱，用于使进入所述栅板联箱内的部分冷却剂经所述多个节流件进入所述液流上升通道。
11.根据权利要求10所述的冷却装置，其特征在于，所述螺旋形导流条的长度方向的两端分别与所述外筒体的轴向两端平齐。
12.根据权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，所述螺旋形导流条在所述外筒体的圆周面上的投影为半圆。
13.根据权利要求10所述的冷却装置，其特征在于，所述螺旋形导流条的数量为多个，多个所述螺旋形导流条在所述外筒体的径向外表面等间隔分布。
14.根据权利要求10所述的冷却装置，其特征在于，所述螺旋形导流条的螺旋角为30度至60度。
15.根据权利要求10所述的冷却装置，其特征在于，所述螺旋形导流条凸出于所述外筒体的径向外表面的高度为所述外筒体与所述压力容器本体间距的五分之一至三分之一。
16.根据权利要求10所述的冷却装置，其特征在于，所述径向热屏蔽还包括：
至少一个筒体，设置在所述内筒体的径向内侧。
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| 赵郁森编著.《中国实验快堆系列丛书 快堆辐射防护》.原子能出版社,2011,第147页-149页. * |
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