CN1296939C - 规则床模块式高温气冷堆及其燃料球布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种规则床模块式高温气冷堆及其燃料球布置方法，属于核反应堆技术领域。反应堆中，石墨块反射中置有氦。控制棒或吸收小球置于石墨反射层中。燃料球在石墨反射层空腔内的水平面上，成正方形排列，每4个球中心形成的凹陷成为次一层球的位置，以此层层累积形成规则床，规则床上下端为石墨反射层。本发明的优点是：采用规则的布置方法，每个球都有固定的位置，可以获得最佳的功率和温度分布，有较高的输出功率；堆芯是类似“结晶”的结构，具有高度的适应性和稳定性，冷却剂成多流程或水平方向流动，减少球床流动阻力，提高能源转换效率。

Description

规则床模块式高温气冷堆及其燃料球布置方法

技术领域

本发明涉及一种规则床模块式高温气冷堆及其燃料球布置方法，属于核反应堆技术领域。

背景技术

高温气冷堆是国际上公认的安全性好、发电效率高、用途广泛的先进核反应堆堆型。由于采用耐高温的陶瓷型涂敷颗粒为燃料，惰性气体氦为冷却剂，石墨为慢化剂和堆芯结构材料，使它可以产生950度以上的高温，不仅高效率发电，而且在煤的气化和液化、制氢等方面有广泛的应用前景。

在上世纪90年代出现的模块式高温气冷堆，使这项技术取得较大进展。模块式高温气冷堆以小型化和固有安全性为特征，在丧失冷却剂的事故情况下，仍可依靠热传导和热辐射散出余热，保持燃料和堆芯完整，从根本上排出了堆芯熔化的可能性。与此同时，还提出了与模块式高温气冷堆相配合的系统简单而高效地氦气透平直接循环发电技术，使小型模块堆具有与大型核电站相比的经济竞争力，受到广泛重视，被国际上称为第四代先进核能系统。

模块式高温气冷堆有两种设计，一种是以原美国技术为基础的棱柱型燃料堆型，目前以美国、俄罗斯、日本为主设计的商用600兆瓦反应堆，简称块型堆。主要特征是以包含燃料颗粒的大型石墨块堆砌组成反应堆堆芯，周期性的停堆更换燃料。

另一种是以原德国技术为基础的球形燃料元件堆型，目前以南非、中国为主设计的商用400兆瓦反应堆，简称球床堆。主要特征是用燃料颗粒和石墨制成60毫米直径的燃料球，大量的燃料球以无规则堆积方式形成堆芯。在反应堆运行中，燃料球由顶部连续添加，从底部连续卸出，不需要停堆更换燃料。

另外，在上世纪80年代模块堆概念出现前，在美国专利USP5,051,230中，提出了另一种添加燃料球方法的球床堆。每次停堆换料只填满部分空腔，其中燃料数量达到反应堆运行的初始需要量，反应堆运行后向空腔剩余部分连续添加燃料球，运行中不卸出燃料球，至空腔全部填满后停堆，一次性的卸出全部燃料。其中提出填入空腔中的燃料球可以是无规则堆积形式，也可以是规则堆积形成规则床。

球床堆具有堆芯结构简单，燃料元件成本低、适于批量生产、强度高、稳定性好、便于输送和贮存、可达到深燃耗等优点。但无规则堆积的燃料球在堆芯中从上向下移动，不能获得最佳功率和温度分布，尽管燃料球在成为乏燃料之前平均通过堆芯次数在10次以上，但轴向和径向功率不均匀系数都很大，使得在模块式反应堆的有限体积内，反应堆的最大输出热功率只能达到400兆瓦左右。再加上球床堆芯冷却剂流动阻力大，采用氦气透平直接循环发电时，减小温差增大流量的高效率措施受到限制，因此其净发电效率仅为41％左右。而块型堆不仅热功率输出为600兆瓦，其净发电效率也在47％左右，两种模块式高温气冷堆电功率输出相差很多。

发明内容

本发明的目的是提出一种规则床模块式高温气冷堆及其燃料球布置方法，达到具有球床堆的主要优点，又能降低冷却剂循环阻力和提高功率输出的目的。

本发明提出的规则床模块式高温气冷堆，包括燃料球堆芯、石墨块反射层、控制棒、吸收小球、钢制压力容器；所述的石墨块反射层置于钢制压力容器内；所述的堆芯置于石墨块反射层形成的空腔内，堆芯为实心柱状或空心柱状，堆芯和石墨块反射层中置有氦；所述的控制棒或吸收小球置于石墨反射层中；其特征在于燃料球在石墨反射层空腔内的水平面上，成正方形排列，每4个球中心形成的凹陷成为次一层球的位置，以此层层累积形成规则床，规则床上下端为石墨反射层。

上述规则床模块式高温气冷堆中，规则床中任意一个水平面上相邻燃料球的中心距为D，1.03d＜D＜1.21d，其中d为燃料球直径，在燃料球之间形成上下贯穿堆芯的通孔。

上述规则床模块式高温气冷堆中，堆芯为实心柱状时，堆芯侧壁的石墨块反射层的表面有两种，第一种为平面，第二种为平面上分布有垂直的凸出肋条或凸台，肋条或凸台之间的水平间距为燃料球的中心距D，第一种平面和第二种平面互相间隔，两种平面的法线夹角为45度，由该侧壁围成的堆芯为准八角形、多边形或准圆形柱状。

上述规则床模块式高温气冷堆中，堆芯为空心柱状时，堆芯内、外侧壁的石墨块反射层的表面有两种，第一种为平面，第二种为平面上分布有垂直的凸出肋条或凸台，肋条或凸台之间的水平间距为燃料球的中心距D，第一种平面和第二种平面互相间隔，两种平面的法线夹角为45度，由该侧壁围成的堆芯截面为环状准八角形、环状多边形或环状准圆形。

上述规则床模块式高温气冷堆中，石墨反射层空腔底板的表面为平面，在平面上分布有与燃料球的正方形排列相应的凹陷、凸台或正方形网格。

上述规则床模块式高温气冷堆中，与堆芯燃料球相邻的石墨块反射层为石墨球。

上述规则床模块式高温气冷堆中，在压力容器顶盖上，开有与环形堆芯对应的装卸料孔。

本发明还提出了规则床模块式高温气冷堆的燃料球布置方法，在环状堆芯的内区设置2～5个第一种燃耗深度的燃料球，外区设置2～5个第二种燃耗深度的燃料球，中心区设置其余的第三种燃耗深度的燃料球。

本发明设计的规则床模块式高温气冷堆及其燃料球布置方法，与现有的球床堆和块型堆相比有如下优点：

1、本发明设计中堆芯燃料球采用规则的布置方法，每个球都有固定的位置，因此可以获得最佳的功率和温度分布，有较高的输出功率。

2、本发明设计的规则床反应堆堆芯是一种类似“结晶”的结构，具有高度的适应性和稳定性，允许冷却剂从单一垂直方向流程变成多流程或水平方向流动，因而显著地减少球床流动阻力，提高能源转换效率。

3、本发明的规则床模块式高温气冷堆及其燃料球布置方法，具有已有球床堆的主要优点，单一品种的球形燃料元件便于研制和低成本的批量生产，燃料球的结构强度高、辐照稳定性好，便于在屏蔽条件下的输送和贮存，燃料球可经过燃耗测量使其卸出时达到更均匀的深燃耗。

4、本发明的规则床模块式高温气冷堆与球床堆相比，规则床堆积密度高，在部分程度上补偿了不能连续换料引起的中子经济性上的损失。

5、本发明的规则床模块式高温气冷堆中，部分快中子强辐照区采用石墨球反射层，减少和避免了石墨块的更换。

6、本发明的规则床模块式高温气冷堆虽然以与块型堆相同的批换料方式运行，但球形燃料元件装卸所需的设备简单，装卸所需停堆时间短。

7、本发明的规则床模块式高温气冷堆的燃料装卸是在停堆和低温低压条件下进行，因此与球床堆相比，不需要在反应堆运行中维护装卸设备和系统；不需要堆底卸料，使堆底结构简单，压力容器尺寸减小。

8、已有的球床堆对不同尺寸和不同形状的堆芯设计，都需要单独进行球流实验，本发明的规则床模块式高温气冷堆中的规则床，每个球都有固定的位置，因此不需要这些实验，也不需要将这种燃料球的流动特性耦合到中子设计及热工水力设计中，简化了工程前期的实验和设计。

9、本发明的规则床模块式高温气冷堆，利用贯穿堆芯的通孔，在反应堆启动时，可以获得实际堆芯的轴向和径向中子注量率分布的精确测量值，对提升功率和校正计算工具十分有利。

附图说明

图1为规则床模块式高温气冷堆纵剖面；

图2a为环状八角形堆芯截面的八分之一视图；

图2b为图2a中B-B纵剖面；

图3为实心柱状八角形堆芯截面的四分之一视图；

图4为环状八角形堆芯的八分之一塑料球模型；

图5为规则床模块式高温气冷堆环状堆芯横剖面；

图6为卸球机纵剖面；

图7a为径向区域分隔器横剖面；

图7b为图7中D-D纵剖面；

图7c为图7中E-E纵剖面。

图1a，b，c，d，e中，a为本发明的规则床模块式高温气冷堆空心柱状堆芯纵剖面；b为卸料开始；c为卸料完成；d为使用径向区域分隔器的装料；e为本发明的规则床模块式高温气冷堆实心柱状堆芯纵剖面；1是停堆冷却系统；2是吸收小球卸料机；3是冷却剂出口联箱；4是吸收小球控制系统；5是下石墨球反射层；6是规则床空心柱状堆芯；7是控制棒；8是上石墨球反射层；9是压力容器；10是压力容器顶盖；11是卸球机；12是吸收小球贮存器；13是控制棒驱动机构；14是装卸料孔；15是装球机；16是径向区域分隔器；17是石墨球内侧反射层；18是石墨球外侧反射层；19是外石墨块反射层；20是内石墨块反射层；21是规则床实心柱状堆芯。

图2a、图2b和图3中，d为燃料球直径；D为燃料球及凸出肋条的水平间距；22是贯穿全床的通孔；23是平面侧壁；24是平面上有凸出肋条的侧壁；25是燃料球；26是石墨块底板；27是石墨块底板上的球形凹陷；28是凸出肋条。

图5中，a为准八角形；b为准圆形；c为有石墨球侧反射层的准八角形；d为有石墨球侧反射层的准圆形；29是压力容器顶盖装卸料孔对应位置。

图6中，30是圆锥机头；31是输球管；32是支架。

图7a，b，c中，A，B，C为被分隔的径向区；33是细棒束；34是多孔板。

具体实施方式

本发明提出的规则床模块式高温气冷堆，其结构如图1所示，包括燃料球堆芯6及21、石墨块反射层19及20、控制棒7、吸收小球4、钢制压力容器9。石墨块反射层19及20置于钢制压力容器9内；所述的堆芯6及21置于石墨块反射层19及20形成的空腔内，堆芯为实心柱状21，如图1e所示，或空心柱状6，如图1a所示，堆芯和石墨块反射层中置有氦。控制棒7或吸收小球4置于石墨反射层19及20中；其特征在于燃料球25在石墨反射层空腔内的水平面上，成正方形排列，每4个球中心形成的凹陷成为次一层球的位置，以此层层累积形成规则床，规则床上下端为石墨反射层。

上述规则床模块式高温气冷堆中，如图2b所示，规则床中任意一个水平面上相邻燃料球的中心距为D，1.03d＜D＜1.21d，其中d为燃料球25直径，在燃料球之间形成上下贯穿堆芯的通孔22。

上述规则床模块式高温气冷堆中，如图1e所示，堆芯为实心柱状21时，堆芯侧壁的石墨块反射层的表面有两种，第一种为平面23，第二种为平面24上分布有垂直的凸出肋条28或凸台，肋条或凸台之间的水平间距为燃料球的中心距D，第一种平面23和第二种平面24互相间隔，两种平面的法线夹角为45度，由该侧壁围成的堆芯为准八角形、多边形或准圆形柱状，如图3所示。

上述规则床模块式高温气冷堆中，如图1a所示，堆芯为空心柱状6时，堆芯内、外侧壁的石墨块反射层的表面有两种，第一种为平面23，第二种为平面24上分布有垂直的凸出肋条28或凸台，肋条或凸台之间的水平间距为燃料球的中心距D，第一种平面23和第二种平面24互相间隔，两种平面的法线夹角为45度，由该侧壁围成的堆芯截面为环状准八角形、环状多边形或环状准圆形，如图5所示。

上述规则床模块式高温气冷堆中，如图2b所示，石墨反射层空腔底板26的表面为平面，在平面上分布有与燃料球的正方形排列相应的凹陷27、凸台或正方形网格。

上述规则床模块式高温气冷堆中，如图1a，图1e及图5所示，与堆芯燃料球相邻的石墨块反射层可以为石墨球5，8，17，18。

上述规则床模块式高温气冷堆中，在压力容器顶盖上，开有与环形堆芯对应的装卸料孔14。

本发明还提出了规则床模块式高温气冷堆的燃料球布置方法，如图7a所示，在环状堆芯的内区C设置2～5个第一种燃耗深度的燃料球，外区A设置2～5个第二种燃耗深度的燃料球，中心区B设置其余的第三种燃耗深度的燃料球。

本发明设计的底板和侧壁所形成的空腔中，当球从顶部无规则落入时，将自动形成规则排列，如图4所示的规则床模型。

本发明设计中堆芯燃料球采用一次全部装入和一次全部卸出的批换料运行方式，每个球都有固定的位置，在平衡堆芯装入燃料时，按照轴向和径向最佳功率和温度分布的要求，在不同的轴向高度上，向A、B、C的三个径向分区，如图7a所示，配送不同燃耗深度的燃料球，以便获得较低的最大燃料温度和较高的功率输出。

本发明设计中燃料球的装入和卸出均通过压力容器顶盖上的开孔完成。本发明的一个实施例中开有8个孔，如图5所示，顶部开孔对应八分之一环状堆芯的中心位置29，由顶部开孔操控卸球机11。如图6所示，在卸球机11的圆锥机头30转动并下降时，通过输球管31，氦气流可将球一个接一个的输送出去。

本发明设计的规则床反应堆堆芯是一种类似“结晶”的结构，具有高度的适应性和稳定性，无论是来自内部温度和压力的波动，温度和辐照引起的燃料球和结构材料的有限变形，还是来自外部的强烈影响(如地震等)都不会造成堆芯球床密度和规则排列的变化，不会产生反应性影响。这种适应性和稳定性允许冷却剂从不同方向通过堆芯，而现有球床堆只能允许从上至下与球的自身重力方向相重合的流动。规则床则允许将单一垂直方向流程变成多流程，如从中心向上下，或从上下向中心(图1a左)，或者变成水平方向流动，如从环状堆芯的外围向中心流动(图1a右)。多流程和水平流向都能显著地减少球床流动阻力，从而提高能源转换效率。

本发明设计中允许将邻近燃料球区的石墨块反射层由与燃料球同样直径的石墨球组成，譬如：部分上下反射层可由石墨球5及8组成，不影响冷却剂垂直流动(图1a左)。当冷却剂水平流动时，环状堆芯的部分内外侧反射层也可以由石墨球17及18组成(图1a右及图5c和d)。因为邻近堆芯区的石墨反射层，受到较强快中子辐照，在反应堆运行寿期中需要考虑更换石墨块。在快中子强辐照区采用石墨球做反射层，则可减少或避免石墨块的更换问题，提高了反应堆利用率。但在换料操作时，石墨球和燃料球需要同时卸出和装入，增加了每次球的装卸数量。

为了给本发明设计的规则床反应堆装球，还可以设计如图1d所示的装球机，由压力容器顶盖开孔操控的装球机15，装球机下端还可以安装径向区域分隔器16。如图7所示，分隔器16由多孔板34和细棒束33组成，多孔板上的孔大于球直径，细棒束下端插入球间通孔22，将堆芯径向隔离成多区，以保证不同的燃料球或石墨球进入相应的区域。当多孔板下空间被球填满后，分隔器向上提升到新位置，以保证随着轴向堆积的升高，径向可以加入不同的燃料球或石墨球。

本发明设计的规则床反应堆，还可以在压力容器内装入可见光光源或某种射线源，并装入探测器，在规则床形成过程中实施扫描监测。当大量的球同时落入时，有可能在局部出现相互挤靠的无规则球，从扫描成像中很容易发现贯穿全床的通孔22被遮挡。这时可以采用局部振动法，如局部气流冲击、分隔器振动或下落球的冲击等，无规则球有较强的自愈能力，很容易恢复规则排列。实施扫描监测可保证规则堆积地顺利进行。

本发明设计的模块式高温气冷堆的一个实施例的堆芯尺寸如下：如图2b所示，燃料球直径d为60mm，燃料球中心距D为70mm。如图5a所示，准八角形环状堆芯的外平面尺寸为4610mm，内平面尺寸为2950mm，其当量外径为4790mm，当量内径为3010mm。堆芯高为8003mm，共装入燃料球513064个。如图1a左所示，上下石墨球反射层8及5高度均为610mm，共装入石墨球78264个。

模块式高温气冷堆的设计原则是在失去冷却剂的事故状态下，依靠热传导和热辐射通过压力容器散发余热，保持燃料最高温度不超过1600度的设计限值，具有固有安全性。在同样的条件下，本发明设计的规则床模块式高温气冷堆的实施例，将具有球形燃料元件的主要优点，并有较小的冷却剂流动阻力和超过现有球床堆和块型堆的最大热功率，从而更具经济竞争力。

Claims (8)

1、一种规则床模块式高温气冷堆，该气冷堆包括燃料球堆芯、石墨块反射层、控制棒、吸收小球、钢制压力容器；所述的石墨块反射层置于钢制压力容器内；所述的堆芯置于石墨块反射层形成的空腔内，堆芯为实心柱状或空心柱状，堆芯和石墨块反射层中置有氦；所述的控制棒或吸收小球置于石墨块反射层中；其特征在于燃料球在石墨块反射层空腔内的水平面上，成正方形排列，每4个球中心形成的凹陷成为次一层球的位置，以此层层累积形成规则床，规则床上下端为石墨块反射层。

2、如权利要求1所述的规则床模块式高温气冷堆，其特征在于所述的规则床中任意一个水平面上相邻燃料球的中心距为D，1.03d＜D＜1.21d，其中d为燃料球直径，在燃料球之间形成上下贯穿堆芯的通孔。

3、如权利要求1所述的规则床模块式高温气冷堆，其特征在于堆芯为实心柱状时，堆芯侧壁的石墨块反射层的表面有两种，第一种为平面，第二种为平面上分布有垂直的凸出肋条或凸台，肋条或凸台之间的水平间距为燃料球的中心距D，第一种平面和第二种平面互相间隔，两种平面的法线夹角为45度，由该侧壁围成的堆芯为准八角形、多边形或准圆形柱状。

4、如权利要求1所述的规则床模块式高温气冷堆，其特征在于堆芯为空心柱状时，堆芯内、外侧壁的石墨块反射层的表面有两种，第一种为平面，第二种为平面上分布有垂直的凸出肋条或凸台，肋条或凸台之间的水平间距为燃料球的中心距D，第一种平面和第二种平面互相间隔，两种平面的法线夹角为45度，由该侧壁围成的堆芯截面为环状准八角形、环状多边形或环状准圆形。

5、如权利要求1所述的规则床模块式高温气冷堆，其特征在于石墨块反射层空腔底板的表面为平面，在平面上分布有与燃料球的正方形排列相应的凹陷、凸台或正方形网格。

6、如权利要求1所述的规则床模块式高温气冷堆，其特征在于与堆芯燃料球相邻的石墨块反射层为石墨球。

7、如权利要求1所述的规则床模块式高温气冷堆，其特征在于在压力容器顶盖上，开有与环形堆芯对应的装卸料孔。

8、一种规则床模块式高温气冷堆的燃料球布置方法，其特征在于环状堆芯的内区设置2～5个第一种燃耗深度的燃料球，外区设置2～5个第二种燃耗深度的燃料球，中心区设置其余的第三种燃耗深度的燃料球。

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