CN85105688A - 改进的径向中子反射层 - Google Patents

Abstract

本发明论述了特别应用于压水核反应堆的改进中子反射层。这是一种含有中子吸收材料10的棒形部件21，它具有基本上为正方形的截面形状。在棒形部件的每一侧面上至少形成一个冷却剂液流槽，该液流槽纵向扩展到棒形部件的整个长度。在一实施例中，棒形部件由包壳管14和一些叠放在管内的中子反射块10所组成。包壳管在其初始形状时为反射块方便地叠放而提供有足够的空隙。而在中子反射层投入使用之前，使中子反射层承受足够的温度和外加压力，从而使包壳管塌缩到中子反射块组件上。

Description

本发明概括地论述了核反应堆方面的问题，详细论述了主要供轻水压水核反应堆应用的径向中子反射层。

在压水核反应堆中，通常称之为反应堆堆芯的活性区装有如铀-235那样的核燃料以及其它裂变材料，它们进行着自持裂变反应，而且同时产生热量。当然，在反应堆堆芯中还存在有其它材料，但是这些其它材料与本发明并无密切关系，因而将不予以讨论。在气密封的压力容器内部，由一组称之为反应堆堆内构件的机械部件从结构上支撑堆芯。反应堆堆内构件还引导冷却介质流（例如轻水）进入压力容器内，然后经过反应堆堆芯流出压力容器。这种冷却介质也称之为反应堆冷却剂，它导出核燃料裂变产生的热量，并在位于压力容器外面的热交换器内将热量传送给另一种冷却介质。第二种冷却介质通常也采用水，它在热交换器内转化为蒸汽，并同驱动发电机的汽轮机一起用来发电。

反应堆堆内构件通常包含有一个堆芯吊篮，它是一个伸长的空心园筒，处于反应堆堆芯和压力容器筒体之间，反应堆堆芯位于堆芯吊篮内部。通常，反应堆冷却剂通过一个或多个进口接管进入压力容器，然后在压力容器和堆芯吊篮之间向下流，再反转180°，通过堆芯、通过堆芯和堆芯吊篮之间的空隙向上流。然后，被加热后的反应堆冷却剂转过90°，通过一个或多个出口接管流出压力容器，流向上面提到过的热交换器。

在压水反应堆中，核燃料的裂变是由核燃料的原子核俘获中子而产生的。我们知道，引起裂变的每一个中子会产生热量，并产产一个以上的中子（平均来说，每次俘获释放出2.1个中子）。为了能维持核链式反应。新产生的中子中至少有一个中子必须使燃料的另一个原子发生裂变。由于产生的中子是快中子，而裂变主要是由慢中子引起的，所以有必要使快中子在反应堆堆芯区域被慢化，或者说被慢化为热中子。用作为反应堆冷却剂的轻水是一种良好的中子慢化剂，因此，在主要应用铀-235为核燃料的反应堆中，使裂变过程产生的快中子慢化为热中子从而保持链式反应的主要手段是轻水。

为了切实可行地延长反应堆堆芯寿命以便尽可能减少为进行换料所需的费时的停堆次数，燃料组件经常采用浓缩的核燃料，通常采用浓缩的铀-235;也就是说，堆芯在起动时应设计有剩余反应性，以便在以后燃料不断消耗的燃料循环过程中加以利用，从而延长堆芯寿命。当然，燃料的浓缩度会随着反应堆的运行而不断地降低，直至堆芯不再能维持链式反应和必须停堆换料为止。在反应堆的剩余性尚处于最大值的初始运行阶段中，部分反应性必须以适当方式被吸收掉，例如应用插入堆芯的专用的中子吸收控制棒和（或）溶解于反应堆冷却剂中的可溶有害中子吸收剂，以及（或）燃料组件中包含的可燃抑制棒。当剩余反应性由于核燃料的消耗而减少时，有意被吸收的剩余及反应性量同样也被降低，使得有较多的剩余反应性变成为实际上可以利用，从而延长了反应堆的寿命。

浓缩铀是极其昂贵的。因此，最好是用尽可能低的浓缩度使反应堆的寿命周期延长到最长。一种公认的降低所需浓缩度的方法是更为有效地利用裂变过程产生的中子。在核反应堆中，中子有效利用率较低的一个区域是压力容器与反应堆堆芯之间的区域，特别是堆芯吊篮与燃料组件之间的区域。由于燃料组件通常具有正方形截面，所以，将燃料组件并排排列起来，结果就形成一个不规则的非园形的堆芯外周边，这样就在不规则的堆芯周边和园柱形的堆芯吊篮之间留下一个不规则的空间。通常，贴着不规则的堆芯周边配置有垂直排列的不锈钢板（围板），而成特殊形状的水平“成型板”，通过螺栓而固定到垂直围板和堆芯吊篮上。上述围板和成型板用作为不规则的堆芯周边与园形堆芯吊篮之间的一个过渡部件，垂直围板为堆芯提供水平支撑，并防止反应堆冷却剂绕过堆芯旁路掉。虽然最初不一定这样打算但现在却已经确定，把垂直的不锈钢围板用作为中子反射层，它能通过使堆芯径向逸出的中子反射回堆芯来改进中子的有效利用。然而，在不锈钢垂直围板与水平成型板之间的空隙间充满反应堆冷却剂的情况下，这些不锈钢围板作为中子反射层的效用有是有限的，反应堆冷却剂是良好的中子慢化剂，但却是不良的中子反射层。因此，当某些径向逸出中子被不锈钢围板反射回堆芯内时，很多中子在上述空间的大量反应堆冷却剂中变弱为热中子并（或）被吸收掉，因此，这些中子对裂变过程不起作用。

已经提出了对径向逸出中子的反射进行改进的建议，将堆芯周边与堆芯吊篮之间的空间分成若干种不同的形状，里面充填实心的不锈钢板或者放置许多细长的金属棒或重叠的金属块，反应堆冷却剂可在金属棒之间流过，或者相应地流过叠块实心钢板中的专用小孔，以便对堆芯周围为了反射径向逸出中子而放置的材料进行冷却。虽然这种结构作为中子反射层是十分有效的，但是，在不规则的堆芯周边与堆芯园形吊篮之间充填上一种标准形状的中子反射体并提供均匀冷却，这是困难的或者是不可能的。例如，在堆放了一些规则形状的反射体之后，留下许多特别形状的空隙，这就需要充填不同形状的特殊配备的反射体。这些不规则形状和规则形状的中子反射体，由于它们之间空隙的形状非常不规则，使得反射层的适当冷却变得很困难，空隙太大会造成过冷，而过小则导致过热，并且可能造成损坏。当采用最有效的反射层材料即氧化锆时，那么在规则形状的反射层部件中设置适当大小的冷却孔或冷却流道是个难题。这种材料不准直接暴露于反应堆冷却剂中，因此必须包复上一层保护材料，例如不锈钢或锆合金。所以，经过用这种材料构成的反射层的任何冷却流通道需要有保护包壳。但是，内部包壳通常存在着装配问题和不均匀热膨胀问题。氧化锆反射层的外部包壳存在着同样的问题和别的问题。这样，为了使反射块能够容易地叠放到包壳管中，最好在反射块的外部尺寸与包壳的内径之间形成一些间隙。已经发现，虽然这种间隙相当小，但将这种带包壳的反射层部件装到核反应堆中去时，这一间隙很可能会产生问题，运行时的堆内压力使得包壳塌缩到内部包壳含的反射块上。这种不受控制的塌缩会使包壳表面产生起皱，这种在任意位置上出现的褶皱可能会影响冷却剂的平稳流动，而且特别容易会产生腐蚀。

本发明的主要目的是提供一种中子反射层，用于构成径向反射层屏蔽，它具有很高的固体-空隙比，并且易于达到均匀冷却。

因此，本发明归结于一种采用棒形部件的中子反射层，这种部件含有中子反射材料。基本上呈正方形截面形状，在棒形部件的每一侧面至少有一个冷却剂液流槽，它在轴向延伸到整个长度上。

令人赞尝的是，将这种相同的中子反射体并排排列起来将会形成一个具有很高的固体-空隙比的阵列，这是因为，具有基本上正方形截面的反射体的平直侧面相互紧贴着，以致除了流道以外它们之间实际上没有留下什么间隙。流道是由邻近的反射体侧面的附加槽形成的，它可使中子反射体阵列很均匀地全部得到冷却。更为可取的是，每一个中子反射体的角是园形的，使得彼此相邻的任意四个反射体的相邻角形成一个冷却剂流道。体现本发明特点的中子反射体采用基本上正方形的截面形状。这也给反射层的排列提供了较大的灵活性，以便适应被充填空隙的种类繁多的不规则形状。

与本发明相应的上述中子反射层可用包括不锈钢在内的任一种适当的中子反射材料制成，优先采用的中子反射材料是氧化锆，它以块的形式首尾相连地叠放在包壳管内。如上所述，反射块组件具有基本为正方形的截面形状，每一侧面至少有一个冷却剂液流槽，包壳管具有的截面尺寸和形状相应地与中子反射块组件的截面尺寸和形状相一致，以使得包壳管处于同反射块或牢固的“面贴面”接触状态。

在制造这种中子反射层时，将反射块叠放到包壳管中，此时，管道仍具有基本为正方形的初始截面，截面的尺寸为与反射块保持一个间隙，以使它能方便地叠放进去。然后使装满反射块的包壳管承受足够的外加压力和温度，以使包壳管塌缩到内部的反射块组件上，从而与反射块实际上保持完全的“面贴面”接触而不发生包壳管起皱。令人赞尝的是，在中子反射层组装过程中，包壳管精确地完成的预塌缩形成一个平直的无褶皱的包壳外表面，因为包壳塌缩产生的包壳的可能剩余量，被压进和收容在包壳管内反射块组件侧面上形成的轴向液流槽中了。因此，当中子反射层装进核反应堆中并承受堆内的运行温度和压力条件时，将不会再发生塌缩和不规则的起皱。

现在通过举例方法和参考附图来说明本发明的一个推荐的具体装置，其中：

图1是一个中子反射体的平面图，它包含有一块由中子反射材料作成的代表本发明的反射块。

图2是图1中的反射块的侧视图。

图3是表示初始组装状态下包壳管内配置的反射块平面图。

图4是表示组装后状态下包壳管中包含有一个反射块组件的中子反射棒的等轴部分剖面图和等轴部分不连续视图。

图5是数个并排排列的反射棒平面图。

图6是可以采用本发明的中子反射层的典型压水反应堆侧视图。

图7是图6中沿7-7线所取的剖面图。

现在我们来参考附图。图1和图2表示了由中子反射材料制成的反射块（或称芯块）10，它基本上呈正方截面形状，并带有四个园角11，其作用将随着说明的继续进行而变得十分明显。反射块10的每一侧面13有一个浅槽12，它基本上处于相应侧面的中间位置，并在轴向延伸到反射块10的整个长度。在反射块的每一侧面设置数个横向分隔开的浅槽也是本发明的内容之一，槽的选取数量和位置取决于槽的深度、每一个反射块表面13的宽度，需要的冷却量、应用反射块10的特定反射棒在堆芯内的实际位置，以及其它的水力、热工、中子、压力和应力等条件。

氧化锆可能是当时可以获得的最有效的中子反射材料，但是，根据它的特性应防止将其直接暴露于反应堆冷却剂中。因此，如果使用氧化锆作为反射材料，必须把它完全保护起来不与反应堆冷却剂接触，采用的传统方法是将其包复在用不锈钢和（或）锆合金之中。不锈钢虽然并不如氧化锆那样十分有效，但也是一种良好的中子反射体，使用它会有良好的结果，例如，采用如图1所示截面形状但没有专用包壳的反射棒形式。假如使用由氧化锆制成的反射块10，则将它们装入具有正方形截面的包壳或管子14内（图3），包壳管的尺寸保证对反射块10有足够的间隙15，以便能方便地装入进去。包壳管14具有园角16，以便和反射块10的园角11相适应，并具有基本相同的曲率半径。应该注意到，在装入反射块10的初始阶段，包壳管14的侧面17是平直的，也就是不开槽的。

在将中子反射块10装入包壳管14以后，包壳管在其两端用端塞18和19密封起来，端塞18和19具有与反射块相同的截面尺寸和形状，它们靠密封焊缝2C连接到包壳管14上。焊接时，给端塞18和19从轴向加上压力，以消除叠放的反射块10之间任何的组装间隙。反射棒21的总长度应与打算使用该棒的反应堆堆芯的总长度相一致。

在组装好的每一根反射棒21以后将其安装在反应堆内以前，该棒应在热压器等类似装置中承受近乎含在实际的反应堆环境条件下经受的最大压力和温度，并以任意速度加到足够的压力，使得包壳管14塌缩到反应块10上，并形成和反射块一样的截面形状，这样，包壳材料压入到反射块10的浅槽12内，从而形成反射棒21外表面的浅槽22。图3中表示的初始组装间隙15现在完全消除了，包壳14牢固地贴在每一个反射块10上，如图4和图5所示。

实验室试验已经证实了：名义厚度大约为0.051厘米的304号不锈钢包壳塌缩到了2.54厘米正方形氧化锆的模拟反射块上。试验中应用0.025至0.038厘米的组装间隙。每一个反射块在其每一侧面都有一个浅槽，它的半径约为0.737厘米、深度为0.203厘米。使用的热压器温度约为633°R，压力约为190公斤/厘米²。组装间隙完全消除，包壳管的各个侧面没有起皱，包壳管上形成了轮廓分明的浅槽。包壳的曲率半径基本上同反射块10的园角16的曲率半径相同，并按照后一曲率半径成形。该试验明确地证实了本发明的可制造性。假如想要改变上面所说的浅槽的大小、尺寸和数目，通过类似的试验、应用在技术上已知的方法，就能够确定包壳厚度和组装间隙的适当尺寸。

图5表示了带浅槽22的方形反射棒21并排叠放而形成的轴向冷却流道，流道23由相邻的浅槽22拼合形成，流道24则由园角25拼合而成。这种正方形排列实际上在反射棒21的平直拼合面26之间并不留下空隙。如果在反射块10上作出偏置槽从而在包壳14中形成了偏置流道，那么在并排叠放反射棒时必然会在反射棒21的相邻面之间至少提供两个冷却流道，这样，冷却流道的截面积可以沿着反射棒21的侧面分布开。很容易想象到，浅槽22的位置和数量方面的其它变化会产生出冷却流道其它的构造形式。

图6中表示了典型反应堆30，它可能应用按本发明制造的中子反射层。反应堆包括在有压力容器31，上面装有冷却剂进口接管32和冷却剂出口接管33，压力容器31内布置有反应堆堆芯34和堆芯吊篮35，堆芯吊篮有一个园柱形的结构件，它起到反应堆堆芯34和压力容器31之间反应堆冷却剂流量分隔器的作用。反应堆冷却剂通过进口接管32进入，沿着堆芯吊篮35的外面往下流，再转过180°，通过堆芯34和堆芯吊篮35向上流，然后通过出口接管33流出。

图7表示了沿着图6的7-7线所取剖面中堆芯周边的一部分，许多基本呈正方截面的燃料组件36并排叠放成一个阵列，结果形成用粗黑线37表示的不规则堆芯周边。在不规则堆芯周边37与堆芯吊篮835之间的整个空间装以反射棒21。为了简单起见，在空隙40中只表示出了一些反射棒21，而在那些用38、39和41所表示的空隙中没有表示出反射棒。空隙38至41可以相应地装上外壳或空盒子38′、39′、40′和41′，然后按图5所示那样的并排布置方式往里装上反射棒21。在装完反射棒21以后尚剩下的形状特别的空隙可以留空作为冷却流道，或者装以适当形状的反射层部件。

Claims (5)

1、一种中子反射层，它与核反应堆芯周围并排布置的同类中子反射层一起使用，这种中子反射层的特点是该中子反射层采用由中子反射材料组成的棒形部件，它具有基本为正方形的截面形状，在棒形部件的每一侧面至少作出一个冷却剂液流槽，该液流槽纵向扩展到棒形部件的整个长度。

2、根据权利要求1做成的中子反射层，它的特点是：棒形部件具有园角。

3、根据权利要求1或2做成的中子反射层，其特点是：上述棒形部件由包壳管14和一些在管内相互首尾相连地叠放的中子反射块10组成，中子反射块10的组件具有上述基本为正方形的截面形状，在其每一侧面至少形成一个上述冷却剂液流槽，上述包壳管具有和上述中子反射块组件的截面尺寸和形状相一致的截面尺寸和形状，因而使包壳管处于同反射块成“面贴面”的接触状态。

4、根据权利要求3作成的中子反射层，其特点是：上述包壳管14在其两端用端塞（18、19）密封，端塞的截面尺寸和形状与包壳管相一致。

5、一种制造按照权利要求3或4中所说的中子反射层的方法，这种制造方法的特点是：在包壳管14具有基本正方形的初始截面、且截面尺寸为反射块10能方便地叠放到留有空隙的管内时，将上述中子反射块10叠放到包壳管14中;使内部装满中子反射块10的包壳管14承受足够的外加压力和温度。使得包壳管塌缩到内部反射块组件上，从而实际上形成上面所说的“面贴面”接触状态，而且并不发生包壳管起皱。

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