CN113963823A - 反应堆的换料系统及换料方法 - Google Patents

Abstract

一种反应堆的换料系统及换料方法。反应堆包括由堆容器和堆顶盖形成的容器以及设置于容器内的堆芯，反应堆的换料系统包括：堆外换料装置，位于容器的外部，用于将容器内的待换乏燃料自堆芯移至堆外，或将容器外的待放新燃料自堆外移至堆芯；导向装置，能够绕堆顶盖的轴心线转动地安装在堆顶盖上，导向装置具有贯穿堆顶盖的换料通道；其中，待换乏燃料通过换料通道自堆芯移至堆外，或待放新燃料通过换料通道自堆外移至堆芯。仅利用堆外换料装置就可以将待换乏燃料移出换料通道或将待放新燃料移入换料通道，换料系统的结构简单，完成抓取动作的设备数量少，操作便捷，可靠性高，反应堆径向尺寸更小。

Description

反应堆的换料系统及换料方法

技术领域

本发明的实施例涉及核反应技术领域，尤其涉及一种反应堆的换料系统及换料方法。

背景技术

可燃烧的铀的百分比是受到限制的，因为裂变材料的量不足以维持连锁反应的阶段终究会到来。此外，裂变产物在燃枓包壳内因膨胀和燃料元件的变形会产生压力。当燃料元件达到所要求的燃耗时，就必须从堆中取出，并用新元件代替之。这个过程叫做反应堆换料。目前我国已经应用的池式反应堆包括实验快堆和泳池式轻水研究堆，实验快堆采用堆内换料机、提升机结构和堆外转运机实现新、乏组件的更换。

然而，堆内换料机、提升机结构和堆外转运机的结构复杂，工艺繁琐，对反应堆轴向和径向空间需求大。

发明内容

本发明实施方式提供一种反应堆的换料系统及换料方法。

本发明实施方式的一种反应堆的换料系统，反应堆包括由堆容器和堆顶盖形成的容器以及设置于容器内的堆芯，反应堆的换料系统包括：堆外换料装置，位于容器的外部，用于将容器内的待换乏燃料自堆芯移至堆外，或将容器外的待放新燃料自堆外移至堆芯；导向装置，能够绕堆顶盖的轴心线转动地安装在堆顶盖上，导向装置具有贯穿堆顶盖的换料通道；其中，待换乏燃料通过换料通道自堆芯移至堆外，或待放新燃料通过换料通道自堆外移至堆芯。

本发明实施方式的一种反应堆的换料方法，包括：控制待放新燃料放置于堆外换料装置的容纳腔内；控制抓取组件抓取待换乏燃料，并将待换乏燃料自堆芯移至容纳腔；控制抓取组件抓取待放新燃料，并将待放新燃料自容纳腔移至堆芯。

本发明实施方式的反应堆的换料系统中，仅利用堆外换料装置就可以将待换乏燃料移出换料通道或将待放新燃料移入换料通道，不需要将待换乏燃料在容器内翻转，可以省去池内翻转机、换料机和提升机、组件转接传输桶、核燃料转运水池等大量专用设备，换料系统的结构简单，完成抓取动作的设备数量少，操作便捷，可靠性高，反应堆径向尺寸更小。

本发明实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的反应堆换料系统未对反应堆进行换料的结构性示意图。

图2是图1中反应堆换料系统的导向装置位于反应堆的俯视图。以及

图3是本发明实施方式的反应堆换料系统对反应堆进行换料的结构性示意图。

主要元件符号说明：

10、换料系统；

100、堆外换料装置；110、换料本体；111、容纳腔；120、抓取组件；

200、导向装置；210、换料通道；

300、开关装置；

400、抽气装置；500、充气装置；600、第一旋转体；700、第二旋转体；800、待换乏燃料运输装置；900、待放新燃料运输装置；

20、反应堆；21、堆容器；22、堆顶盖；23、容器；24、堆芯。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是本发明实施方式的反应堆20换料系统10未对反应堆20进行换料的结构性示意图。参见图1，反应堆20包括由堆容器21和堆顶盖22形成的容器23以及设置于容器23内的堆芯24。反应堆20换料系统10包括堆外换料装置100和导向装置200。

堆外换料装置100位于容器23的外部，用于将容器23内的待换乏燃料自堆芯24移至堆外，或将容器23外的待放新燃料自堆外移至堆芯24。导向装置200能够绕堆顶盖22的轴心线转动地安装在堆顶盖22上，导向装置200具有贯穿堆顶盖22的换料通道210。待换乏燃料通过换料通道210自堆芯24移至堆外，或待放新燃料通过换料通道210自堆外移至堆芯24。

下面以池式铅铋反应堆20对本实施例进行说明，但并不对其进行限制。

进一步地，反应堆20包括由堆容器21和堆顶盖22形成的容器23以及设置于容器23内的堆芯24。池式铅铋反应堆20的容器23是一回路铅铋介质的池体边界，堆顶盖22位于堆容器21的上方，反应堆20的堆芯24位于容器23内的中下部。

进一步地，堆外换料装置100位于容器23的外部，这是在未对反应堆20进行换料操作时，堆外换料装置100位于容器23的外部。堆外换料装置100用于将容器23内的待换乏燃料自堆芯24移至堆外，或将容器23外的待放新燃料自堆外移至堆芯24。也就是说，堆外换料装置100可以同时实现装料和卸料，工艺流程简单，使用的装置也较少，便于工作人员操作。

具体地，待换乏燃料是位于堆芯24需要进行更换的燃料组件，已经使用过。待放新燃料是还没有使用过的新燃料组件。

进一步地，导向装置200能够绕堆顶盖22的轴心线转动，也就是说导向装置200与堆顶盖22相对运动，可以是导向装置200自身旋转，也可以是导向装置200随着其他结构转动。导向装置200可转动地安装在堆顶盖22上，以便于对堆外换料装置100对位于堆芯24不同位置的待换乏燃料进行更换。

进一步地，换料通道210贯穿堆顶盖22设置，也就是说无论是待换乏燃料还是待放新燃料均是穿过堆顶盖22移至堆外。

本实施例的换料系统10仅利用堆外换料装置100就可以将待换乏燃料移出换料通道210或将待放新燃料移入换料通道210，不需要将待换乏燃料在容器23内翻转，可以省去池内翻转机、换料机和提升机、组件转接传输桶、核燃料转运水池等大量专用设备，换料系统10的结构简单，完成抓取动作的设备数量少，操作便捷，可靠性高，反应堆20径向尺寸更小。

图3是本发明实施方式的反应堆20换料系统10对反应堆20进行换料的结构性示意图。参见图1和图3，换料系统10还包括开关装置300。

开关装置300与导向装置200连接，开关装置300配置成具有能够打开换料通道210的换料状态和能够关闭换料通道210的密封状态。

进一步地，开关装置300与导向装置200可以是固定连接，例如通过焊接或是紧固件进行连接，增强换料时的稳定性和密封性。开关装置300与导向装置200可以是可拆卸连接，便于开关装置300进行更换，延长换料系统10的使用寿命。

进一步地，当开关装置300位于换料状态时，堆外换料装置100能够将待换乏燃料通过换料通道210移至堆外，或将待放新燃料通过换料通道210移至堆芯24。

进一步地，当开关装置300位于密封状态时，换料通道210关闭且密封，此时无论是待换乏燃料还是待放新燃料都无法通过换料通道210进出堆芯24，以保证容器23的密封性，避免有害气体有堆内溢出至外部环境。

进一步地，开关装置300可以设置为气闸，或其他密封性元器件，可以用于密封换料通道210。

参见图1和图3，堆外换料装置100包括抓取组件120。

抓取组件120用于抓取待换乏燃料或待放新燃料。其中，当开关装置300位于换料状态时，抓取组件120能够通过换料通道210移入容器23或从容器23移出。

进一步地，抓取组件120包括用于抓取的卡爪，保证抓取的牢靠性。

进一步地，抓取组件120可以抓取待换乏燃料自堆芯24经过换料通道210至堆外，也可以抓取待放新燃料自堆外经过换料通道210至堆芯24。

参见图1和图3，堆外换料装置100还包括换料本体110。抓取组件120可移动地与换料本体110连接。

进一步地，抓取组件120可沿换料通道210的轴向方向移动，以便于进出容器23。堆外换料装置100还包括用于驱动抓取组件120运动的驱动结构。

进一步地，抓取组件120包括与换料本体110可移动地连接的连接杆，与连接杆固定连接的卡爪，利用连接杆可以实现卡爪的移动，便于移动待换乏燃料或待放新燃料。

在一些实施例中，抓取组件120可转动地与换料本体110连接。若是换料通道210为圆柱形通道，则抓取组件120可以绕换料通道210的轴心线转动；若是换料通道210为非圆柱形通道，则抓取组件120可以绕任意预定轴线转动，便于准确抓取待换乏燃料。

进一步地，抓取组件120包括与换料本体110可转动地连接的连接杆，与连接杆固定连接的卡爪，利用连接杆可以实现卡爪的转动，便于准确抓取待换乏燃料。

参见图3，换料本体110设有容纳腔111，抓取组件120能够带着待换乏燃料或待放新燃料在容纳腔111内移动。

进一步地，当开关装置300处于密封状态时，抓取组件120可以位于容纳腔111内，便于收纳。因此，抓取组件120可以自堆芯24抓取待换乏燃料，并将其通过容纳腔111移至堆外指定位置；也可以自堆外抓取待放新燃料，并将其暂时放置于容纳腔111内，或是通过容纳腔111移至堆芯24。

进一步地，容纳腔111在第一方向上的长度大于或等于待换乏燃料在第一方向上长度的两倍，以便移动待换乏燃料。其中，第一方向与堆顶盖22的轴心线平行。

在一些实施例中，待换乏燃料与待放新燃料在第一方向上的长度一致，也就是说，容纳腔111在第一方向上的长度大于或等于待放新燃料在第一方向上长度的两倍，以便移动待放新燃料。

在一些实施例中，换料本体110设有换料开口，当开关装置300位于换料状态时，容纳腔111通过换料开口与换料通道210连通设置。抓取组件120穿过换料开口进入换料通道210内。铅铋冷却剂反应堆20中的铅铋介质固有的理化特性，在反应堆20正常运行过程中会释放剧毒气体²¹⁰Po，因此对反应堆20正常运行时或者停堆换料时的密封性要求尤为苛刻，容纳腔111通过换料开口与换料通道210连通设置，既保证了堆外换料装置100可实现堆芯24所有燃料组件的抓取更换，还保证了换料过程中反应堆20放射性包容边界的密封性。

参见图3，换料系统10还包括抽气装置400。抽气装置400用于抽取容纳腔111内的气体至容纳腔111处于真空。容纳前内充满着空气，但是无论是待换乏燃料还是待放新燃料都不能处于空气中，因此需要将容纳前抽真空。

参见图3，换料系统10还包括充气装置500。充气装置500用于向容纳腔111内填充惰性气体。例如可以填充氩气。

在一些实施例中，导向装置200具有与换料通道210连通设置的第一开口和第二开口，换料通道210通过第二开口与容器23连通设置，开关装置300用于打开或关闭第一开口。

进一步地，导向装置200包括第一开口、第二开口和换料通道210，换料通道210与第一开口和第二开口均连通设置。堆外换料装置100能够依次经过第一开口、换料通道210和第二开口移入容器23，也能够依次经过第二开口、换料通道210和第一开口移出容器23。

图3是本发明实施方式的反应堆20换料系统10对反应堆20进行换料的结构性示意图。参见图3，换料系统10还包括第一旋转体600和第二旋转体700。

第一旋转体600可转动地安装在堆顶盖22上，与堆顶盖22同心设置。第二旋转体700可转动地安装在第一旋转体600上，与第一旋转体600偏心设置。通过第一旋转体600、第二旋转体700和抓取组件120的三旋转设计，以实现所有待换乏燃料的精确抓取。

进一步地，第一旋转体600能够绕其轴心线定轴转动，由于第一旋转体600的轴心线与堆顶盖22的同心设置，也就是第一旋转体600绕堆顶盖22的轴心线定轴转动。第二旋转体700能够绕第一轴心线旋转，第一轴心线与堆顶盖22的轴心线非共线。

在一些实施例中，导向装置200安装在第二旋转体700上，导向装置200与第二旋转体700同心设置。在保证反应堆20放射性有害气体不泄漏的前提下，大大减少容器23的占地空间，降低成本，提高经济性。

进一步地，导向装置200与第二旋转体700固定连接。反应堆20换料过程中，反应堆20内任意系统和设备均无需拆卸或移动，便可实现对反应堆20的换料。

在一些实施例中，堆顶盖22及堆芯24的中央孔道预留有靶件通道，堆顶盖22及堆芯24的中央孔道均与其轴心线共线。

当开关装置300处于密封状态时，并未对反应堆20进行换料，此时堆顶盖22上的靶件通道和换料通道210均处于密封状态，以避免反应堆20内的裂变气体向外部环境泄露。

当开关装置300处于换料状态时，需对反应堆20进行换料，此时将靶件自反应堆20堆芯24取出，反应堆20停堆，并依旧保证靶件通道的密封。

反应堆20的换料方法可以包括步骤1至步骤3。

步骤1：控制待放新燃料放置于堆外换料装置100的容纳腔111内。

步骤2：控制抓取组件120抓取待换乏燃料，并将堆外换料装置100待换乏燃料自堆芯24移至堆外换料装置100容纳腔111。

步骤3：控制抓取组件120抓取待放新燃料，并将堆外换料装置100待放新燃料自容纳腔111移至堆芯24。

每次只更换单个待换乏燃料，重复步骤1至步骤3，至完成堆芯24所有待换乏燃料的更换。

在一些实施例中，步骤1包括步骤1.1和步骤1.2。

步骤1.1：控制待放新燃料运输装置900将待放新燃料放置于堆外换料装置100的容纳腔111内。

步骤1.1：控制堆外换料装置100移至导向装置200的上方。

在一些实施例中，步骤2包括步骤2.1至步骤2.6。

步骤2.1：控制堆外换料装置100与开关装置300对接。

步骤2.2：控制抽气装置400对堆外换料装置100堆外换料装置100的容纳腔111进行抽真空处理。

步骤2.3：控制充气装置500对堆外换料装置100堆外换料装置100的容纳腔111填充惰性气体。

步骤2.4：控制开关装置300处于换料状态，以连通堆外换料装置100堆外换料装置100的容纳腔111和堆外换料装置100导向装置200的换料通道210。

步骤2.5：控制第一旋转体600和第二旋转体700旋转，以将堆外换料装置100导向装置200移至待换乏燃料的位置。

步骤2.6：控制抓取组件120抓取堆外换料装置100待换乏燃料，并移至堆外换料装置100堆外换料装置100堆外换料装置100的容纳腔111。

在一些实施例中，步骤3包括步骤3.1至步骤3.4。

步骤3.1：控制抓取组件120将位于堆外换料装置100容纳腔111的堆外换料装置100待放新燃料放置在堆外换料装置100堆芯24。

步骤3.2：控制堆外换料装置100开关装置300处于堆外换料装置100密封状态。

步骤3.3：控制堆外换料装置100抽气装置400对堆外换料装置100堆外换料装置100的容纳腔111进行抽真空处理。

步骤3.4：控制待换乏燃料运输装置800将堆外换料装置100待放新燃料移出堆外换料装置100堆外换料装置100。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (18)

1.一种反应堆的换料系统，反应堆包括由堆容器和堆顶盖形成的容器以及设置于所述容器内的堆芯，其特征在于，所述换料系统包括：

堆外换料装置，位于所述容器的外部，用于将所述容器内的待换乏燃料自所述堆芯移至堆外，或将所述容器外的待放新燃料自堆外移至所述堆芯；

导向装置，能够绕所述堆顶盖的轴心线转动地安装在所述堆顶盖上，所述导向装置具有贯穿所述堆顶盖的换料通道；

其中，所述待换乏燃料通过所述换料通道自所述堆芯移至堆外，或所述待放新燃料通过所述换料通道自堆外移至所述堆芯。

2.根据权利要求1所述的换料系统，其特征在于，所述换料系统还包括：

开关装置，与所述导向装置连接，所述开关装置配置成具有能够打开所述换料通道的换料状态和能够关闭所述换料通道的密封状态。

3.根据权利要求2所述的换料系统，其特征在于，所述堆外换料装置包括：

抓取组件，用于抓取所述待换乏燃料或所述待放新燃料；

其中，当所述开关装置位于所述换料状态时，所述抓取组件能够通过所述换料通道移入所述容器或从所述容器移出。

4.根据权利要求3所述的换料系统，其特征在于，所述堆外换料装置还包括：

换料本体，所述抓取组件可沿移动地与所述换料本体连接。

5.根据权利要求3所述的换料系统，其特征在于，所述堆外换料装置还包括：

换料本体，所述抓取组件可转动地与所述换料本体连接。

6.根据权利要求4或5所述的换料系统，其特征在于，所述换料本体设有容纳腔，所述抓取组件能够带着所述待换乏燃料或所述待放新燃料在所述容纳腔内移动。

7.根据权利要求6所述的换料系统，其特征在于，

所述容纳腔在第一方向上的长度大于或等于所述待换乏燃料在所述第一方向上长度的两倍，以便移动所述待换乏燃料；

其中，所述第一方向与所述堆顶盖的轴心线平行。

8.根据权利要求6所述的换料系统，其特征在于，所述换料本体设有换料开口，当所述开关装置位于所述换料状态时，所述容纳腔通过所述换料开口与所述换料通道连通设置。

9.根据权利要求6所述的换料系统，其特征在于，所述换料系统还包括：

抽气装置，用于抽取所述容纳腔内的气体至所述容纳腔处于真空。

10.根据权利要求6所述的换料系统，其特征在于，所述换料系统还包括：

充气装置，用于向所述容纳腔内填充惰性气体。

11.根据权利要求2所述的换料系统，其特征在于，

所述导向装置具有与所述换料通道连通设置的第一开口和第二开口，所述换料通道通过所述第二开口与所述容器连通设置，所述开关装置用于打开或关闭所述第一开口。

12.根据权利要求2所述的换料系统，其特征在于，

所述开关装置设置为气闸。

13.根据权利要求1所述的换料系统，其特征在于，所述换料系统还包括：

第一旋转体，可转动地安装在所述堆顶盖上，与所述堆顶盖同心设置；

第二旋转体，可转动地安装在所述第一旋转体上，与所述第一旋转体偏心设置。

14.根据权利要求13所述的换料系统，其特征在于，所述导向装置安装在所述第二旋转体上，所述导向装置与所述第二旋转体同心设置。

15.一种反应堆的换料方法，其特征在于，包括：

控制待放新燃料放置于堆外换料装置的容纳腔内；

控制抓取组件抓取待换乏燃料，并将所述待换乏燃料自堆芯移至所述容纳腔；

控制抓取组件抓取所述待放新燃料，并将所述待放新燃料自所述容纳腔移至堆芯。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制待放新燃料放置于堆外换料装置的容纳腔内，包括：

控制待放新燃料运输装置将所述待放新燃料放置于堆外换料装置的容纳腔内；

控制所述堆外换料装置移至导向装置的上方。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制抓取组件抓取待换乏燃料，并将所述待换乏燃料自堆芯移至所述容纳腔，包括：

控制所述堆外换料装置与开关装置对接；

控制抽气装置对所述堆外换料装置的容纳腔进行抽真空处理；

控制充气装置对所述堆外换料装置的容纳腔填充惰性气体；

控制所述开关装置处于换料状态，以连通所述堆外换料装置的容纳腔和导向装置的换料通道；

控制第一旋转体和第二旋转体旋转，以将所述导向装置移至所述待换乏燃料的位置；

控制所述抓取组件抓取所述待换乏燃料，并移至所述堆外换料装置的容纳腔。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制抓取组件抓取待放新燃料，并将所述待放新燃料自容纳腔移至堆芯，包括：

控制所述抓取组件将位于所述容纳腔的所述待放新燃料放置在所述堆芯；

控制开关装置处于密封状态；

控制抽气装置对所述堆外换料装置的容纳腔进行抽真空处理；

控制待换乏燃料运输装置将所述待放新燃料移出所述堆外换料装置。

Images