CN117672557A - 一种导流式一体化核反应堆堆顶结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核反应堆堆顶结构技术领域，具体涉及一种导流式一体化核反应堆堆顶结构，包括围筒，所述围筒结构用于容纳控制棒驱动机构，所述围筒下端能够与压力容器顶盖相连；所述围筒上端侧壁设置有出风结构、下端侧壁设置有进风结构；所述围筒上端内部设置有弧形导流板，所述弧形导流板设置有供所述控制棒驱动机构穿过的通孔，所述弧形导流板用于将所述围筒内的气流导向所述出风结构。本发明采用弧形导流板对冷却控制棒驱动机构后的气体进行导流，高温气体的沿程阻力，更容易将高温气体导流至围筒组件顶部的出风结构处，从而改善核反应堆控制棒驱动机构的散热条件，以在对控制棒驱动机构进行有效散热的同时，确保电缆温度处于正常工作范围内。

Description

一种导流式一体化核反应堆堆顶结构

技术领域

本发明涉及核反应堆堆顶结构技术领域，具体涉及一种导流式一体化核反应堆堆顶结构。

背景技术

随着核能发电的份额在世界上不断地提高，核电站内系统与设备也需要与时俱进，尤其在我国，为了如期实现碳中和，核能是必不可少的能源供给端口，此外，核能发出的电具有功率稳定，电价低廉等明显的优点，使得核电更加不可或缺。但是核电站内系统复杂，设备众多，如何提高设备可靠性就成为大家关注和研究的热点之一。

在核电站中，反应堆是整个核电站的核心，整个核电站的系统与设备都围绕着反应堆设计建造，而在反应堆中，控制棒组件是保证反应堆安全稳定运行的极为重要的设备，所以如何保证控制棒组件每时每刻能够正常运行是一个非常重要的问题，而影响控制棒组件正常运行的一个关键因素就是高温，因为高温会使控制棒驱动机构失效。

其中，控制棒驱动机构是反应堆控制和保护系统的伺服机构，安装在反应堆压力容器顶盖上，能够根据反应堆控制和保护系统的指令，驱动控制棒组件在堆芯内上、下运动，保持控制棒组件在指令高度或断电落棒，完成反应堆的启动、调节功率、安全停堆和事故停堆的功能。控制棒驱动机构的耐压壳是反应堆一回路系统压力边界的组成部分。在“华龙一号”堆型中，驱动机构采用我国自主研制的ML-B型驱动机构。

控制棒驱动机构正常运行的工作温度较高，而其工作温度高是几个方面因素共同造成的，一是控制棒组件工作时插入到反应堆堆芯中，直接与反应堆内的冷却剂接触，使得冷却剂一直加热控制棒组件，导致控制棒驱动机构高温；二是，控制棒驱动机构中的电磁线圈在正常运行的过程中会产生大量的焦耳热；三是，控制棒驱动机构的散热环境较差。若忽视对控制棒驱动机构的温度控制，将导致控制棒驱动机构因高温而失效。

同时，在核电站中，主控室需要控制棒驱动机构进行实时的控制，这就需要通过电缆来递控制信息，但是电缆存在最高工作温度。而在反应堆一体化堆顶中，电缆托架位于堆顶结构的上部。但是，冷却控制棒驱动机构后产生的高温气体在向上流动的过程中会烘烤堆顶顶部的电缆。因此，控制棒驱动机构产生的热量不能直接导向电缆，增加了控制棒驱动机构的散热难度。

综上，现有的核反应堆控制棒驱动机构难以有效的进行散热。

发明内容

针对现有核反应堆控制棒驱动机构难以有效散热技术问题，本发明提供了一种导流式一体化核反应堆堆顶结构，采用弧形导流板对冷却控制棒驱动机构后的气体进行导流，高温气体的沿程阻力，更容易将高温气体导流至围筒组件顶部的出风结构处，从而改善核反应堆控制棒驱动机构的散热条件，以在对控制棒驱动机构进行有效散热的同时，确保电缆温度处于正常工作范围内。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种导流式一体化核反应堆堆顶结构，包括围筒，所述围筒结构用于容纳控制棒驱动机构，所述围筒下端能够与压力容器顶盖相连；所述围筒上端侧壁设置有出风结构、下端侧壁设置有进风结构；所述围筒上端内部设置有弧形导流板，所述弧形导流板设置有供所述控制棒驱动机构穿过的通孔，所述弧形导流板用于将所述围筒内的气流导向所述出风结构。

本发明提供的导流式一体化核反应堆堆顶结构，在围筒上端侧壁设置有出风结构、下端侧壁设置有进风结构，同时围筒上端内部设置有弧形导流板，弧形导流板设置有供控制棒驱动机构穿过的通孔，弧形导流板用于将围筒内的气流导向所述出风结构。

在工作时，将控制棒驱动机构穿过弧形导流板安装在围筒内，并将围筒安装在压力容器顶盖上方，环境空气经进风结构和出风结构进入到围筒内，随着控制棒驱动机构的工作，其产生大量的热量会将其周围的空气加热，被加热的空气由于密度差会向上流动，而由于围筒的限制，冷空气只能向上流动，在冷空气在向上流动的过程中，将流经控制棒驱动机构的表面，以带走控制棒驱动机构上的绝大部分热量，对于另外一小部分的热量，则通过热辐射的方式向周围传递，与此同时，下部的空气则经进风机构持续地补充到围筒内，从而对控制棒驱动机构进行持续冷却。

其中，被加热的空气在向上流动的过程中，将会顺着弧形导流板的轮廓流动，以将大量的高温气体导向出风机构结构处排出，从而形成自然对流，以对控制棒驱动机构进行自然循环冷却，能够并显著地减轻了高温气体对围筒顶部电缆的烘烤程度，确保电缆温度处在正常范围内。

其中，由于弧形导流板能够减小高温气体的沿程阻力，更容易将高温气体导流至围筒的通风结构处。而采用空气自然循环的方式冷却控制棒驱动机构，相对于采用强迫循环的方式对控制棒驱动机构进行冷却，具有更好的经济性、静谧性和安全性。

因此，本发明提供的导流式一体化核反应堆堆顶结构，能够改善核反应堆控制棒驱动机构的散热条件，以在对控制棒驱动机构进行有效散热的同时，确保电缆温度处于正常工作范围内。

在一可选的实施方式中，所述弧形导流板为半球形拼装结构，以便于弧形导流板的加工、制造和安装。

在一可选的实施方式中，所述弧形导流板包括第一安装板，所述第一安装板位于所述弧形导流板的中心；所述第一安装板的四周由内往外依次围设有多个第二安装板、多个第三安装板、多个第四安装板和多个第五安装板。

在一可选的实施方式中，所述第一安装板、所述第二安装板、所述第三安装板、所述第四安装板和所述第五安装板的材质均为碳素结构钢或不锈钢。

在一可选的实施方式中，相邻的安装板间均设置有补偿间隙，以通过补偿间隙补偿各安装板的热膨胀。

在一可选的实施方式中，所述围筒上端还适配有抗震板，所述抗震板位于所述弧形导流板的上方。

在一可选的实施方式中，所述围筒上端设置有抗震支撑板，所述抗震板安装在所述抗震支撑板上，以确保堆顶结构的一体化。

在一可选的实施方式中，所述抗震支撑板为法兰盘结构。

在一可选的实施方式中，还包括电缆托架和电缆槽，所述电缆托架安装在所述抗震支撑板上方，所述电缆槽一端与所述抗震支撑板固定连接，。

在一可选的实施方式中，所述围筒上端还适配有屏蔽板，所述屏蔽板位于所述抗震板上方，在控制棒驱动机构弹棒事故工况下，可通过屏蔽板防止控制棒驱动机构行程套管组件和驱动杆的弹射，对反应堆厂房内的工作人员和其他设备产生破坏。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供的导流式一体化核反应堆堆顶结构，在围筒上端侧壁设置有出风结构、下端侧壁设置有进风结构，同时围筒上端内部设置有弧形导流板，弧形导流板设置有供控制棒驱动机构穿过的通孔，弧形导流板用于将围筒内的气流导向所述出风结构，以通过控制棒驱动机构工作时产生的热量，使得围筒内的空气自然循环，以对控制棒驱动机构进行自然循环冷却，能够并显著地减轻了高温气体对围筒顶部电缆的烘烤程度，能够在对控制棒驱动机构进行有效散热的同时，确保电缆温度处于正常工作范围内。

2、本发明提供的导流式一体化核反应堆堆顶结构，通过空气自然循环的方式冷却控制棒驱动机构，相对于采用强迫循环的方式对控制棒驱动机构进行冷却，具有更好的经济性、静谧性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

在附图中：

图1为本发明实施例导流式一体化核反应堆堆顶结构安装在反应堆顶部上的结构示意图；

图2为本发明实施例反映控制棒驱动机构、弧形导流板、抗震板、屏蔽板和围筒结构及连接关系的装配结构示意图；

图3为本发明实施例弧形导流板的结构示意图

图4为本发明实施例弧形导流板1/4部分的结构示意图。

附图标记：

1-压力容器顶盖，2-进风结构，3-围筒，4-电缆槽，5-抗震支撑板，6-电缆托架，7-控制棒驱动机构，8-弧形导流板，9-屏蔽板，10-抗震板，11-第一安装板，12-第二安装板，13-第三安装板，14-第四安装板，15-第五安装板，16-通孔，17-出风结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

对于核反应堆，其适配的控制棒驱动机构，设置在压力容器顶盖上，具有多种类型。本发明实施例将以ML-B型控制棒驱动机构为例，进行说明。现有的ML-B型控制棒驱动机构的主要材料为Z2CN19-1ON、X12Cr13、Z5CN18-1O、NC30Fe等，其具有很好的耐高温性能。

在现有的堆顶技术方案中，一直采用的是强迫循环的方式对控制棒驱动机构进行冷却，但这种技术方案有很多缺点，一是强迫空气流动需要大功率的风机，而大功率风机在运行的过程中会产生巨大的噪音，恶化核岛内的噪声环境。二是，采用强迫循环需要电力。若在核电厂全厂断电的情况下，风机停转，控制棒驱动机构将无法得到有效的冷却，事故严重时可能会导致控制棒驱动机构因高温而烧毁。

本申请针对ML-B型控制棒驱动机构，核反应堆堆顶结构具体的实施方式如下：

实施例1

结合图1，本实施例提供了一种导流式一体化核反应堆堆顶结构，包括围筒3，所述围筒3结构用于容纳控制棒驱动机构7，所述围筒3下端能够与压力容器顶盖1相连；所述围筒3上端侧壁设置有出风结构17、下端侧壁设置有进风结构2；所述围筒3上端内部设置有弧形导流板8，所述弧形导流板8设置有供所述控制棒驱动机构7穿过的通孔16，所述弧形导流板8用于将所述围筒3内的气流导向所述出风结构17。

可以理解的是，通孔16的直径与ML-B型控制棒驱动机构7上部外径一致，通孔16实际数量根据反应堆控制棒驱动数量确定，通孔16之间的相对位置与对应ML-B型控制棒驱动机构7的相对位置一致。

通常来说，进风结构2和出风结构17的形状为具有倒角的四边形，对于进风结构2和出风结构17的数量，则根据具体的需求确定。在本实施例中，围筒3上部有9个出风结构17、下部有12个进风结构2。

本实施例在工作时，将控制棒驱动机构7穿过弧形导流板8安装在围筒3内，并将围筒3安装在压力容器顶盖1上方，环境空气经进风结构2和出风结构17进入到围筒3内，随着控制棒驱动机构7的工作，其产生大量的热量会将其周围的空气加热，被加热的空气由于密度差会向上流动。而由于围筒3的限制，冷空气只能向上流动，在冷空气在向上流动的过程中，将流经控制棒驱动机构7的表面，以带走控制棒驱动机构7上的绝大部分热量，对于另外一小部分的热量，则通过热辐射的方式向周围传递，与此同时，下部的空气则经进风机构持续地补充到围筒3内，从而对控制棒驱动机构7进行持续冷却。

其中，被加热的空气在向上流动的过程中，将会顺着弧形导流板8的轮廓流动，而弧形导流板8为弧形轮廓，能够尽可能的将大量的高温气体导向出风机构结构处排出，从而形成自然对流，以对控制棒驱动机构7进行自然循环冷却，能够并显著地减轻了高温气体对围筒3顶部电缆的烘烤程度，确保电缆温度处在正常范围内。

其中，由于弧形导流板8能够减小高温气体的沿程阻力，更容易将高温气体导流至围筒3的通风结构处。而采用空气自然循环的方式冷却控制棒驱动机构7，相对于采用强迫循环的方式对控制棒驱动机构7进行冷却，具有更好的经济性、静谧性和安全性。

因此，本实施例提供的导流式一体化核反应堆堆顶结构，能够改善核反应堆控制棒驱动机构7的散热条件，以在对控制棒驱动机构7进行有效散热的同时，确保电缆温度处于正常工作范围内。

能够理解的是，在对ML-B型控制棒驱动机构7冷却的过程中，围筒3、通进风结构2、出风机构和弧形导流板8缺一不可。当缺少通进风结构2和出风机构时，冷空气将没有途径进入围筒3内，更无法冷却ML-B型控制棒驱动机构7，缺少冷却的ML-B型控制棒驱动机构7温度将会持续升高，最终导致ML-B型控制棒驱动机构7的烧毁。当缺少弧形导流板8时，冷却ML-B型控制棒驱动机构7后产生的高温气体将会持续不断地向堆顶顶部流动，而在堆顶顶部上设置有电缆托架6，在电缆托架6上铺设有电缆。在持续不断地被高温气体烘烤下，电缆托架6上的电缆温度将会超过其最高的工作限值，最终导致电缆因高温而失效。

实施例2

结合图3和图4，为有效保证弧形导流板8的导流能力，基于实施例1所述弧形导流板8为半球形拼装结构，以便于弧形导流板8的加工、制造和安装。

其中，所述弧形导流板8包括第一安装板11，所述第一安装板11位于所述弧形导流板8的中心；所述第一安装板11的四周由内往外依次围设有多个第二安装板12、多个第三安装板13、多个第四安装板14和多个第五安装板15。

通常，所述第一安装板11、所述第二安装板12、所述第三安装板13、所述第四安装板14和所述第五安装板15的材质均为碳素结构钢或不锈钢。

在次基础上，相邻的安装板间均设置有补偿间隙，以通过补偿间隙补偿各安装板的热膨胀。

具体来讲，弧形导流板8结构上下左右对称，由第一安装板11、第二安装板12、第三安装板13、第四安装板14、第五安装板15拼装而成。所述第一安装板11处于弧形导流板8中心位置。并以第一安装板11为基准，除第一安装板11四个对角线方向外：将第一安装板11所处的位置命名为第一内环，将第二安装板12所处的环成为第二内环，将第三安装板13所处的环成为第三内环，将第四安装板14所处的环成为第四内环，将第五安装板15所处的环成为第五内环。除四个对角线方向以外，在第一、第二、第三、第四和第五内环上都分别是第一安装板11、第二安装板12、第三安装板13、第四安装板14和第五安装板15。并且每块安装板上都设置有通孔16，用于和ML-B型控制棒驱动机构7之间配合。

其中，弧形导流板8是由多块平直板拼装而成的半球形导流板，由平直板拼装为弧形，存在拼装角度。具体来说，第一内环为0度，后面的内环与水平面的角度依次增大，但最边缘的安装块与水平面的角度不超过90度。在本实施例中，第一安装板11与水平面角度为0度，第二安装板12所处的外围与水平面角度为11度，第三安装板13所处的外围与水平面角度为22度，第四安装板14所处的外围与水平面角度为33度，第五安装板15所处的外围与水平面角度为44度。

实施例3

结合图1和图2，实施例1或实施例2的基础上，所述围筒3上端还适配有抗震板10，所述抗震板10位于所述弧形导流板8的上方。

同时，所述围筒3上端设置有抗震支撑板5，所述抗震板10安装在所述抗震支撑板5上，以确保堆顶结构的一体化。

在本实施例中，所述抗震支撑板5为法兰盘结构。

相应的，本实施例还包括电缆托架6和电缆槽4，所述电缆托架6安装在所述抗震支撑板5上方，所述电缆槽4一端与所述抗震支撑板5固定连接。

在此基础上，所述围筒3上端还适配有屏蔽板9，所述屏蔽板9位于所述抗震板10上方，在控制棒驱动机构7弹棒事故工况下，可通过屏蔽板9防止控制棒驱动机构7行程套管组件和驱动杆的弹射，对反应堆厂房内的工作人员和其他设备产生破坏。

可以理解的是，围筒3、抗震板10、抗震支撑板5、屏蔽板9、电缆槽4、电缆托架6和弧形导流板8的材质均为碳素结构钢或者不锈钢。

其中，本实施的安装顺序为：先将ML-B型控制棒驱动机构7安装在压力容器顶盖1上，再将弧形导流板8通过拼装的方式放置于ML-B型控制棒驱动机构7上，随后放置围筒3在压力容器顶盖1上，再安装抗震支撑板5、抗震板10和屏蔽板9，最后安装电缆托架6和电缆槽4的方式完成整个安装。

以上安装路线单个被吊起的构件重量较轻，在操作时便于操作人员完成构件之间的相对位置定位。且，本实施例兼顾了现有反应堆堆顶结构中所要求的良好的支撑性和优秀的散热性能，并保证了堆顶结构的一体化。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，包括围筒(3)，所述围筒(3)结构用于容纳控制棒驱动机构(7)，所述围筒(3)下端能够与压力容器顶盖(1)相连；

所述围筒(3)上端侧壁设置有出风结构(17)、下端侧壁设置有进风结构(2)；

所述围筒(3)上端内部设置有弧形导流板(8)，所述弧形导流板(8)设置有供所述控制棒驱动机构(7)穿过的通孔(16)，所述弧形导流板(8)用于将所述围筒(3)内的气流导向所述出风结构(17)。

2.根据权利要求1所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，所述弧形导流板(8)为半球形拼装结构。

3.根据权利要求2所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，所述弧形导流板(8)包括第一安装板(11)，所述第一安装板(11)位于所述弧形导流板(8)的中心；

所述第一安装板(11)的四周由内往外依次围设有多个第二安装板(12)、多个第三安装板(13)、多个第四安装板(14)和多个第五安装板(15)。

4.根据权利要求3所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，所述第一安装板(11)、所述第二安装板(12)、所述第三安装板(13)、所述第四安装板(14)和所述第五安装板(15)的材质均为碳素结构钢或不锈钢。

5.根据权利要求3所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，相邻的安装板间均设置有补偿间隙。

6.根据权利要求1所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，所述围筒(3)上端还适配有抗震板(10)，所述抗震板(10)位于所述弧形导流板(8)的上方。

7.根据权利要求6所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，所述围筒(3)上端设置有抗震支撑板(5)，所述抗震板(10)安装在所述抗震支撑板(5)上。

8.根据权利要求7所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，所述抗震支撑板(5)为法兰盘结构。

9.根据权利要求7所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，还包括电缆托架(6)和电缆槽(4)，所述电缆托架(6)安装在所述抗震支撑板(5)上方，所述电缆槽(4)一端与所述抗震支撑板(5)固定连接。

10.根据权利要求6所述的导流式一体化核反应堆堆顶结构，其特征在于，所述围筒(3)上端还适配有屏蔽板(9)，所述屏蔽板(9)位于所述抗震板(10)上方。