CN1193407A - 为核反应堆容器提供整体保护的隔热屏障和中子防护层 - Google Patents

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Abstract

核反应堆装置的反应堆容器从诸冷段管嘴被悬挂在一个反应堆腔中,该反应堆容器设有一个与该反应堆容器离开以形成一个室的下部隔热屏障,该室可以通过无源阀机构灌满冷却水以便万一发生严重事故时直接冷却该反应堆容器。该无源阀机构还在该隔热屏障的上端包括一些双稳的出口以便释放水蒸汽。一个在诸管嘴下方环绕该反应堆腔上端延伸的可拆的模块化中子防护层,与在该反应堆容器的外表面上的向上和向外倾斜的过渡部一起形成迷宫式沟道,该沟道在严重事故期间为水蒸汽的逸出提供通道,在该反应堆正常运行期间为沿该隔热屏障外侧的反应堆腔墙循环的冷却空气提供通道,同时却减少中子的流出。

Description

为核反应堆容器提供整体保护 的隔热屏障和中子防护层
                        发明的背景发明的领域
本发明涉及一种设备,该设备在核反应堆中提供隔热和防止中子流出的保护,同时万一发生堆芯材料熔化的严重事故时允许反应堆容器被固有地(无源地)用冷却水包围。
背景资料
核反应堆装置的反应堆容器必须设有生物防护层以便保护人员和周围区域免遭在反应堆堆芯中的裂变反应所产生的高中子通量和辐射之害。一般来说,在商用核电厂里,此一生物防护层是靠在安全壳内的一个厚重的混凝土结构来提供的,该混凝土结构界定一个腔,该腔中反应堆容器被其诸进口管嘴下方的一些支座所悬挂。为了保护反应堆腔的诸混凝土墙免遭高温之害和为了该过程的热效率,该反应堆容器设有隔热层。一般来说,该隔热层直接施加于该反应堆容器的外表面。这需要为了定期检查该容器的焊缝而去除该隔热层。美国专利No.5268944提出一种方案,该方案中围着直立圆柱形反应堆容器设置隔热板的8边形配置以便提供一个空间,在该空间中遥控操作探测仪可以监测诸焊缝而不用去除隔热层。
除了隔热层外,通常使冷却空气在该反应堆腔的诸墙(壁)上循环。此冷却空气经容器诸支座从该反应堆腔流出。
核电厂设计师的另一项考虑因素是中子流出(束流),这是从该反应堆腔向上流出的中子流。通常,已经在进口和出口管嘴上方环绕该反应堆容器设置了中子吸收材料。然而,截断中子流的位置离堆芯越远,需要保护的面积越大。
本发明的受认人已经开发出一种用于核电厂的设有无源(固有)防护系统,即不需要人的介入而响应于反应堆运行中的异常状态的系统的设计。当前注意力已经集中到假设反应堆堆芯熔毁的严重事故的无源响应。已经确定,如果反应堆容器能直接浸泡在冷却水中,冷却水自由蒸发并作为水蒸汽带走热量,则可以保持反应堆容器的完整性。目前可得到的无源系统之一利用保存在安全壳之内的大量的换料水来淹没该容器腔。对于其中反应堆堆芯熔化的严重事故来说,最重要的是大量的冷却水被直接加到该容器。
因而需要一种设备,该设备能响应于严重事故并无源地把该反应堆容器直接浸泡在冷却水中,该冷却水自由蒸发并从该反应堆容器腔消散。
还需要连续为该反应堆容器提供热屏障以保护该反应堆腔的混凝土墙。
还需要连续为该反应堆腔墙提供空气冷却,但不冷却该反应堆容器本身。
还需要提供防止中子流出到该反应堆腔以外场所的防护。
还需要同时经济而可靠地适应以上诸需要而无须人的介入。
                        发明的概要
这些需要和其他需要靠本发明来满足,本发明针对一种设备,该设备在反应堆正常运行期间提供用于反应堆容器的隔热,减少中子流出的中子防护层(防护屏),以及反应堆腔墙的空气冷却。该设备在严重事故期间还提供冷却水对反应堆容器的直接施加和所产生的水蒸汽的逸出。一个隔热屏障包围但离开悬挂在该反应堆腔中的反应堆容器的部分。该隔热屏障还离开该容器腔的墙,以便在正常运行期间冷却空气可以沿诸墙循环。在严重事故期间,冷却水被冷却装置,最好包括无源装置,引入在反应堆容器和隔热屏障之间形成的室,该无源装置还在该隔热屏障的上端释放冷却水被热反应堆容器蒸发所形成的水蒸汽。该无源装置包括设置在该隔热屏障的倒圆锥下部里的一个管嘴中的第一阀装置。此第一阀装置包括一个或多个阀构件,诸阀构件具有足够的重量以便在正常运行期间保持归座在诸阀座上并封闭冷却空气进入该室的入口,但它们是有浮力的并且当冷却水响应于一次严重事故被引入该反应堆腔时,被浮离诸阀座以便把该冷却水引入环绕该反应堆容器的该室。
该无源装置还包括处于该隔热屏障的圆柱形上部的上端的第二阀装置,该第二阀装置被水蒸汽打开以便让该室排放。该第二阀装置包括一个双稳阀构件,该阀构件被水蒸汽压力从关闭位置操作到开启位置。最好是,该双稳阀构件绕着邻接其下端的一个水平轴转动并被置位于铅垂线的一侧,置位到该关闭位置并被水蒸汽压力操作到穿过该铅垂线到该开启位置,在那里它保持到被复位为止。
该中子防护层是一种可拆的模块化防护层,它在邻接该反应堆腔的上端和诸管嘴的下方环绕该容器延伸。此一可拆的模块化中子防护层在其内缘有一个向上和向外倾斜的表面,该表面面对但离开诸管嘴下方该容器上的向上和向外倾斜的表面,以便形成一个从该反应堆腔墙与该隔热屏障之间的空间引出的迷宫式沟道。此一配置允许正常运行期间的冷却空气和严重事故期间的水蒸汽逸出,而同时却减少中子流出。
最好是,该隔热屏障的上端在该中子防护层的下方向下和向内倾斜。合宜的是,用来释放在该隔热屏障与该反应堆容器之间的空间形成的水蒸汽的此一第二阀装置就布置在此一倾斜表面上。
根据本发明,该隔热屏障和该中子防护层合作,以便除了减少中子流出之外为该容器提供贮热能力并在正常运行期间提供该容器腔墙的空气冷却。在严重事故期间,它们提供对该容器提供直接的水冷却和所产生的水蒸汽的释放。
                      附图的简要说明
当结合附图阅读时,从最佳实施例的以下描述可以得到对该发明的充分理解,附图中:
图1是通过包括本发明的核反应堆装置的垂直剖视图。
图2在点划线以上的上半部中表示从图1中所示的该反应堆装置的诸管嘴上方截取的俯视图而下半部是在诸管嘴下方截取的俯视图。
图3是图1下部的局部放大视图,表示允许冷却水进入该隔热屏障与该反应堆容器之间的该室的阀。
图4是局部放大视图,表示用来让水蒸汽从该反应堆容器与该隔热屏障之间的该室逸出的阀,并表示根据本发明的在热段管嘴下方的中子防护层。
图5是沿5-5线截取的图1的该反应堆装置的横截面图。
图6是沿6-6线截取的图1的该反应堆装置的横截面图。
图7是局部立面视图,表示根据本发明的该隔热屏障的详细结构。
图8是根据本发明的在冷段管嘴下方的该中子防护层的局部放大视图。
                    最佳实施例的描述
图1表示先进的压水堆形式的核反应堆装置1的有关部分。该反应堆包括一个带有半球形下端部5的直立的圆柱形容器3。该反应堆容器3包容可裂变材料的堆芯7。众所周知,轻水形式的反应堆冷却剂经该堆芯循环。热的冷却剂经热段管嘴9排出,以便经一个水蒸汽发生器(未画出)循环,该水蒸汽发生器利用该冷却剂的热量产生用于汽轮发电机(也未画出)的水蒸汽。该冷却剂经冷段管嘴11返回该反应堆容器3。例举的电厂是一个双环路装置,就是说,单个反应堆向两个水蒸汽发生器供应加热的冷却剂。如图2中所示,每个环路包括一个连接到热段管嘴9的热段13和两个连接到冷段管嘴11的冷段15。虽然图2仅针对一个环路表示出管嘴配置,但另一个环路的相应诸管嘴是径向对置的。
该反应堆容器3支承在四个支座17上,当该容器悬挂在反应堆腔19中时,诸冷段管嘴11放置在这些支座上。该容器支承于其中的管嘴室20是方形的而该反应堆腔19在俯视图中是八边形的。该反应堆腔19由厚重的混凝土结构21来界定,该混凝土结构形成一道生物防护层,该生物防护层保持人员及邻接的结构和设备免遭在反应堆的堆芯7中产生的高中子通量和辐射之害。
该反应堆容器3设有一个下隔热屏障23,该隔热屏障带有一个大体上圆柱形的上部25和一个倒圆锥形的下部27。该热屏障离开该反应堆容器3,以便形成一个室29。该热屏障23为了热效率而给该反应堆容器3隔热,并且还保护该反应堆腔19的混凝土墙31免遭反应堆容器外表面的高温之害。此外,经隧道33在该反应堆腔19的底部引入的冷却空气,如箭头35所示沿诸墙31经诸墙与该隔热屏障23之间的空间37向上流动。空气的排出路径将在下文更详细地讨论。
在发生失去冷却剂事故(LOCA)时,冷却水被经冷却水隧道39引入该反应堆腔19。在其中堆芯7熔化并落到该反应堆容器的半球形下端部5的严重事故的场合,至关重要的是冷却水进入与该反应堆容器3直接接触。另一方面,在未出故障的状态下该冷却空气应该仅沿该腔墙31流动而不应与该反应堆容器3接触。因而,设置无源阀机构41以便封闭空气进入室29的入口,但允许冷却水的引入。反应堆容器的高温使该冷却水蒸发,因此该无源阀机构还必须保证水蒸汽的逸出。于是,该无源阀机构41包括一个第一芯式进口阀43,该进口阀装在该隔热屏障23的倒圆锥形部分27的下端部处的一个管嘴45中。冷却水经圆柱形裙部49中的开孔47到达进口阀43,该圆柱形裙部支承该倒圆锥形部分27。设置隔热层51以便保护该容器腔19的混凝土底面免遭该反应堆容器的高温之害。
阀43更详细地示于图3中。此阀包括一组最好是球形的阀芯53,它们靠重力归座在诸阀座55上。诸阀芯53有足够的重量使它们不被冷却空气35的流动从诸阀座55抬起。然而,诸阀芯53是有浮力的并且被引入该反应堆腔19的冷却水的上升的液面抬离诸阀芯。诸阀芯53靠笼子57保持与各自的阀座对正。这些阀的总进口面积一般这样确定大小,即保持跨该阀43的压降可忽略不计。结果在该隔热屏障23上基本没有由该屏障内外的水头差造成的净力。
经进口阀43进入该室29的冷却水从该反应堆容器3吸收热量而产生水蒸汽,该水蒸汽必须排放。为此,该无源阀机构41包括一些第二出口阀59,这些出口阀邻接该隔热屏障23的圆柱形上部25的上端部布置。从图1的左侧可以看到,该隔热屏障23的上部有一段61,该段朝着该反应堆容器向上和向内倾斜。转到图4的局部放大视图,可以看到,在此倾斜段61的一些部分中有一些开孔63提供室29与空间37之间的连通,室29在该反应堆容器与该隔热屏障23之间,空间37在该隔热屏障与该反应堆腔19的诸墙31之间。诸出口阀59各包括一个挡板阀芯65,该挡板阀芯在其下端附近绕着一个水平铰链67铰支。诸阀芯65的上端和该隔热屏障23的该倾斜段61的邻接边缘被嵌接,致使每个出口阀59均在重力的作用下保持关闭。诸挡板阀芯65是有浮力的,以致在该室29中上升的水,更可能地是水蒸汽,使该挡板阀芯65绕着该铰链67转过该铅直线69到图4中虚线所示的开启位置。从图1和图5可以看到,诸出口阀59仅在诸热段管嘴9下方设置。
该隔热屏障23的圆柱形上部25像在图5~7中可以看到的那样由一些弧段71构成。八个弧段71中的每一个都与该容器腔19的八面墙31之一对齐。常见的做法是,在该八边形反应堆腔19的诸角的每一个中安装八个管状芯外探测器装置73。该隔热屏障23的每个弧段71有一些上下叠合的段75。每个段75包括上下框架构件77和79,每个框架构件有一个圆弧内缘和一个直线外缘。上下框架构件75和77在它们的端部由一些竖直沟道81相连,这些竖直沟道啮合于诸管状芯外探测器装置73并可在其上滑动。在上下框架构件77与79之间的一些支撑物83加固诸段75。弧形隔热板85夹持于诸框架构件77和79。每个弧段71中的诸叠合段75靠穿过邻接框架构件的一些螺栓86固定在一起。该隔热屏障23的该圆柱形部25的诸段是从该容器腔19的底部插入的并靠一些托架87保持就位。如下文将述及的,在诸冷段管嘴下方为诸弧段提供附加支承。
中子防护层以在该反应堆容器腔19的上缘,在诸管嘴9和11的下方,设在该反应堆容器3与该生物防护层21之间的一个可拆的、模块化的防护环89的形式来设置。这把中子防护层置于该反应堆容器的这样的水平,在那里该容器壁的外表面91向上和向外倾斜,以便为诸管嘴提供一个较厚的安装座。一个薄隔热层93直接施加于此倾斜表面91并向下延伸以连接该隔热屏障23和向上延伸以连接一个较厚的圆柱形上隔热屏障95。这可以从图8最好地看出。
该防护环89包括在诸冷段管嘴11下方的诸弧段中的大的单个模块97和在其余弧段71中的一些较小的模块99。诸较小模块99的设置最好地图示于图4中。可以看到,该容器腔19的上缘在101处倒角。该模块99有一个与该倒角表面101互补的外表面103。模块99的内缘有一个轴向段105和一个倾斜段107,该倾斜段面对该反应堆容器3上的倾斜面91以形成一个沟道109。诸模块99靠螺钉111或其他合适的固定装置固定就位。沟道109提供从该隔热屏障23与该反应堆腔19之间的空间37引出的迷宫式路径。一个密封板113封闭除了穿过诸冷段管嘴11下方的容器支座17之外所有诸弧段中的出自该沟道109的冷却空气和水蒸汽的通道。用图4中所示的配置,诸模块99可以从上边装入和拆除。
位于诸冷段管嘴11下方的诸弧段71中的诸大模块97示于图8。诸模块97由一个靠出自该支座17的锁杆117悬挂的托架115来支承。像在较小模块99的场合一样,诸模块97有个带有轴向段119和段121的内缘,该段121以面对但是离开该反应堆容器上的倾斜表面91的关系向上和向外倾斜,也形成迷宫式沟道109。冷却空气和水蒸汽向上穿过该沟道109并穿过该支座17中的一个开孔123。于是,在正常运行期间,除了冷却该容器腔19的诸墙31之外,还冷却诸支座17。一个密封板125封闭该反应堆容器3与该支座17之间的空间,致使靠箭头35所指明的所有空气流都穿过该支座。
该中子防护环89通过吸收中子和通过使某些中子经过冷却空气所循行的迷宫式路径散射而衰减该中子流。由该反应堆容器上的倾斜表面91,该表面与该中子防护层89形成沟道109,提供附加的中子方向的变化。
连接于诸大防护层模块97的托架115还经过连接于诸冷段管嘴11下方的诸弧段71的诸顶段的上框架构件77的一些竖直支撑件127,为隔热屏障23的上部25提供附加支承。为了经该反应堆腔19的底部拆除和更换,必须把诸模块97顺着该隔热屏障诸弧段放低。为此,托架115的上端部带有一个吊环129,经该吊环可以靠起重机131(见图1)把该模块放低。
虽然已经详细地描述了本发明的一些具体的实施例,但是本领域的技术人员将会意识到,按照该公开的整体传授可以对这些细节进行各种修改和变动。因此,所公开的特定结构仅是说明性的而不限制本发明的范围,该发明将给出所附权利要求书的全部广度和它的任何及全部等同物。

Claims (22)

1.用来在核反应堆装置中给悬挂在反应堆腔中的反应堆容器隔热的设备,所述设备包括:
一个隔热屏障,它在所述反应堆腔中包围但离开所述反应堆容器,以便在所述隔热屏障与所述反应堆容器之间形成一个室;以及
用来在万一发生严重事故时把冷却水引入所述室以便冷却所述反应堆容器并用来释放在所述室中所述冷却水的蒸发所产生的水蒸汽的冷却装置。
2.按权利要求1所述的设备,适合用于所述核反应堆装置中,其中所述冷却水被引入所述反应堆腔,所述冷却装置包括第一阀装置和第二阀装置,该第一阀装置靠引入所述反应堆腔中的所述冷却水打开以便把所述水引入所述室,而该第二阀装置靠在所述室中形成的水蒸汽打开以便允许所述水蒸汽从所述室中逸出。
3.按权利要求2所述的设备,适合用于所述核反应堆装置中,其中在未发生所述严重事故时空气被引入所述隔热屏障外侧的所述反应堆腔中以便冷却所述反应堆腔的诸墙,所述第一阀装置包括封闭进入所述室中的所述空气流但允许所述冷却水流从所述隔热屏障外侧的所述反应堆腔流进所述室的装置,所述第二阀装置包括封闭从所述反应堆腔进入所述室的空气流但允许所述水蒸汽从所述室向外流出的装置。
4.按权利要求3所述的设备,其中所述第一阀装置邻接所述室的底端部布置并包括至少一个阀座,至少一个阀构件以及笼子装置,该阀构件具有足够的重量以便归座在所述阀座上封闭从所述反应堆腔进入所述室的空气流,但有足够的浮力以便被所述反应堆腔中的水浮离所述阀座把水引入所述室,该笼子装置保持所述至少一个阀构件与所述至少一个阀座对正。
5.按权利要求4所述的设备,适合用于所述核反应堆装置中,其中该反应堆容器是带有半球形下端部的圆柱形的,所述隔热屏障包括一个圆柱形上部和一个倒圆锥形下部,该下部终结于一个管嘴,所述第一阀装置布置在该管嘴中。
6.按权利要求4所述的设备,其中所述第二阀装置包括一个邻接所述圆柱形上部的上端部的并有一个关闭位置和一个开启位置的双稳阀构件,所述双稳阀构件靠所述水蒸汽动作到该开启位置。
7.按权利要求6所述的设备,其中所述第二阀装置包括绕着邻接所述双稳阀构件的下端部的一个大体上水平的轴线铰支所述双稳阀构件的一个铰链构件,所述关闭位置在铅直线的一侧而所述开启位置在铅直线的另一侧。
8.按权利要求3所述的设备,适合用于所述核反应堆装置中,其中该反应堆容器是带有半球形下端部的圆柱形的,所述隔热屏障包括一个圆柱形上部和一个倒圆锥形下部,所述第一阀装置位于所述倒圆锥下部而所述第二阀装置位于邻接所述圆柱形上部的上端部。
9.按权利要求8所述的设备,其中所述第一阀装置位于所述倒圆锥形下部的底部而且其中所述隔热屏障还包括一个具有小于所述圆柱形上部的直径的直径的圆柱形裙部,所述圆柱形裙部支承所述倒圆锥形下部并带有一些供水流到所述第一阀装置用的开孔。
10.按权利要求9所述的设备,其中所述第一阀装置包括至少一个阀座,至少一个阀构件以及笼子装置,该阀构件具有足够的重量以便归座在所述阀座上封闭从所述反应堆腔进入所述室的空气流,但有足够的浮力以便被所述反应堆腔中的水浮离所述阀座把水引入所述室,该笼子装置保持所述至少一个阀构件与所述至少一个阀座对正。
11.按权利要求8所述的设备,其中所述隔热屏障的所述圆柱形上部的所述上端部带有一个朝着所述反应堆容器向上和向内倾斜的倒角,而所述第二阀装置包括一组绕所述倒角分布的开孔和用于每个开孔的第二阀构件,该第二阀构件在邻接下端处铰支以便穿过铅直线在一个关闭位置与一个开启位置之间转动,在该关闭位置该第二阀构件盖住所述开孔而在该开启位置所述开孔敞开。
12.按权利要求8所述的设备,适合用于所述核反应堆装置中,带有一组在所述反应堆腔中周向分布竖直延伸的芯外探测器装置并径向离开所述反应堆容器,所述隔热屏障的所述圆柱形上部包括支承在所述诸芯外探测器装置之间的一些弧段。
13.按权利要求12所述的设备,其中所述诸弧段各包括一组竖直对齐的段,每段包括一个沿诸侧缘带有一些导轨的框架,这些导轨可滑动地啮合所述诸芯外探测器装置,以及连接于所述诸框架的一些隔热材料板。
14.按权利要求3所述的设备,其中所述第一阀装置被这样确定大小,以便把所述室内侧的冷却水水头保持在所述隔热屏障与所述反应堆腔的所述诸墙之间的冷却水水头的预定的差值之内。
15.在组合中:
一个直立的圆柱形反应堆容器,它带有邻接所述反应堆容器的上端部的径向延伸的一些管嘴;
一个生物防护层,它界定一个反应堆腔,在该腔中所述反应堆容器在所述诸管嘴下方被悬挂,在所述反应堆容器与所述生物防护层之间留出一个空间;以及
一个中子防护层,它邻接所述反应堆腔的上端部并在所述诸管嘴下方围绕所述反应堆容器周向延伸。
16.按权利要求15所述的组合,其中所述反应堆容器刚好在所述诸管嘴下方邻接所述反应堆腔的所述上端部处带有一个向上和向外倾斜的表面,而所述中子防护层邻接所述反应堆腔的所述上端部安装于所述生物防护层并带有一个向上和向外倾斜的内表面,该内表面面对但离开所述反应堆容器上的所述倾斜表面,以便形成一个从所述生物防护层与所述反应堆容器之间的所述空间向外的迷宫式沟道。
17.按权利要求16所述的组合,包括支承装置,至少某些所述管嘴放置在该支承装置上以便把所述反应堆容器悬挂在所述反应堆腔中,而且其中所述中子防护层包括一组可拆的模块和把所述可拆的模块围绕所述反应堆容器安装在所述反应堆腔中的装置,所述安装装置包括出自所述支承装置的在所述支承装置下方悬挂诸模块的装置。
18.按权利要求16所述的组合,其中所述反应堆腔的上缘的至少一部分形成一个倒角缘而且其中所述中子防护层包括一组可拆的模块,邻接所述反应堆腔的所述倒角缘的所述诸可拆的模块带有一个与所述反应堆腔的该倒角缘互补的向下和向内倾斜的外表面,以便从上边把所述诸可拆的模块滑入与所述反应堆容器上的所述倾斜面面对的位置,以及其中所述安装装置包括把所述诸可拆的模块在所述反应堆腔的所述倒角缘上锁定的装置。
19.按权利要求15所述的组合,其中所述中子防护层包括一组可拆的模块。
20.在组合中:
一个直立的圆柱形反应堆容器,它带有邻接所述反应堆容器的上端部的径向延伸的一些管嘴;
一个生物防护层,它界定一个反应堆腔,在该腔中所述反应堆容器在所述诸管嘴下方被悬挂,在所述反应堆容器与所述生物防护层之间留出一个空间;
在所述反应堆腔中的一个隔热屏障,它包围但离开所述反应堆容器以便在所述隔热屏障与所述反应堆容器之间形成一个室;
无源装置,它在万一发生严重事故时在邻接所述室的底端处把水引入所述室以便冷却所述反应堆容器并在邻接所述室的上端处允许释放由所述室中的所述水的蒸发所产生的水蒸汽;
把冷却空气引入所述隔热屏障外侧的所述反应堆腔的装置;以及
一个中子防护层,它邻接所述反应堆腔的上端部并在所述诸管嘴的下方围绕所述反应堆容器周向延伸,所述中子防护层为来自所述反应堆腔的空气和水蒸汽提供通道。
21.按权利要求20所述的组合,其中所述反应堆容器在所述诸管嘴下方邻接所述反应堆腔的所述上端部处带有一个向上和向外倾斜的表面,而所述中子防护层邻接所述反应堆腔的所述上端部安装于所述生物防护层并带有一个向上和向外倾斜的内表面,该内表面面对但离开所述反应堆容器上的所述倾斜表面以便形成一个向上和向外倾斜的沟道,用于来自所述反应堆腔的所述空气和所述水蒸汽的通道。
22.按权利要求21所述的组合,其中所述隔热屏障带有一个圆柱形上部,该圆柱形上部,在所述中子防护层下方带有一个朝着所述反应堆容器向上和向内倾斜的上端部,以便使来自所述反应堆腔的所述空气朝着所述向上和向外倾斜的沟道向内和向上偏转。
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