CN104813410B - 具有重径向中子反射器的核反应堆 - Google Patents

Abstract

一种增压水反应堆的重径向中子反射器，其使用紧密堆积在三角形或矩形阵列中的圆棒料的细长长度，所述阵列在芯管与挡板之间在芯罩的仿形板之间延伸，所述挡板限定了反应堆芯的周边并且以轴向和周向的模块形成。在相邻圆棒料之间的长间隙中形成流动通道，所述圆棒料与在所述罩的顶部处通过所述芯管进入的冷却水联通，所述冷却水向下穿过所述仿形板中的开口流到中子反射器的底部，在该底部中冷却水通过下挡板孔出来与通过下芯支撑板向上流动的另一冷却水结合。

Description

具有重径向中子反射器的核反应堆

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年12月20日申请的名称为“HEAVY RADIAL NEUTRON REFLECTORFOR PRESSURIZED WATER REACTORS”的美国专利申请序列号13/721,138的优先权，通过引用将其并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及增压轻水核反应堆领域，尤其涉及径向中子反射器，该径向中子反射器围绕核芯，用于改进中子的有效使用以降低燃料成本并减小压力容器上的辐射剂量。

背景技术

核反应堆中的裂变反应产生热量并且释放出在原子核燃料中产生附加的裂变反应的中子。这种裂变材料聚集在反应堆中使得中子流密度足以保持持续的裂变过程。在商用反应堆中，裂变材料的粒丸封装在锆棒中，所述锆棒安装在模块化的细长燃料组件中，这些燃料组件的横截面基本上是正方形的。大量这些正方形细长燃料组件聚集起来以形成基本圆柱形的反应堆芯，所述反应堆芯接收在水平的上不锈钢芯板和下不锈钢芯板之间的圆柱形不锈钢芯管的内部。该整个组件然后安装在压力容器内部，所述压力容器具有基本半球形的上头部和下头部。通过入口喷嘴引入到压力容器中的反应堆冷却剂向下流到芯管与压力容器之间的环形空间中，在所述容器的下部增压室中反向，通过下部芯板中的开口向上流动，并在通过出口喷嘴从压力容器径向引出之前流过由于裂变反应而被加热的燃料组件。使用通过反应堆冷却剂从所述芯提取的热量来发电从而降低以闭环形式通过反应堆循环的反应堆冷却剂的温度。

因为燃料组件的横截面是正方形的，所以在所述堆芯的外周与所述芯管的圆形内表面之间存在不规则空间。通常的做法是将纵向延伸的平的挡板沿着燃料组件的外表面放置，以将向上的冷却剂流限制到这些燃料组件。所述挡板由水平的不规则仿形板保持就位，所述仿形板由螺栓连接到纵向挡板与芯管并且位于纵向挡板与芯管之间。所述仿形板中的孔允许有限的冷却剂在纵向挡板与芯管之间的基本环形的空间中流动以对这些元件进行冷却并平衡纵向挡板两侧上的压力。

尽管竖直挡板的初始目的是要引导反应堆冷却剂流过所述燃料组件，但是已经意识到在某种程度上它们还将中子朝向***的燃料组件反射。然而，因为这些板相对较薄，从所述堆芯径向逃逸的大多数中子迁移到挡板与所述芯管之间的大量水中，所述水吸收或热化具有非常小的反射的中子。

径向反射器设计成在能量操作过程中将中子辐射反射回反应堆容器的内部活性堆芯区域中，以提高反应堆的效率并在能量操作过程中防止反应堆容器在数年的放射作用下变脆。

随着世界范围内反应堆的老化，目前存在通过更有效地使容器壁屏蔽放射来延长反应堆容器寿命的需要，以满足工厂许可牌照延期的需要。此外，新的反应堆设计有越来越大的芯，这有必要使反应堆容器壁有更有效的屏蔽以实现所需的操作寿命。

因此，本发明的目的是提供一种径向反射器设计，其为反应堆容器壁抵抗辐射提供了改进的保护，这将延长容器的寿命。

本发明的另一个目的是提供一种新的径向反射器设计，其构造经济并且优选地从后面配合在现有反应堆中。

此外，本发明的另一个目的是提供这样一种径向反射器设计，其可以适应甚至更大的反应堆芯，并且反应堆容器的尺寸增加得最小。

发明内容

这些以及其他目的是通过本发明实现的，本发明提供了一种核反应堆，该核反应堆具有反应堆压力容器，该反应堆压力容器具有支撑在反应堆压力容器内并与反应堆压力容器的内部间隔开的圆柱形的芯管，其中所述圆柱形的芯管具有与所述压力容器的中心轴线基本同轴对准的中心轴线。包括形成燃料组件阵列的多个燃料组件的核芯支撑在芯管内并与所述芯管间隔开。芯罩支撑在所述芯管与燃料组件阵列之间，燃料组件阵列部分地具有与所述芯管的内轮廓基本匹配的外轮廓、具有与燃料组件阵列的外轮廓基本匹配的内轮廓、以及具有中空内部部分。中子反射器位于所述罩的中空内部中并且包括紧密堆积的细长杆的阵列，所述细长杆的阵列具有在轴向方向上延伸的细长尺寸。

在一个实施方式中，所述罩包括仿形板，这些仿形板附接到所述芯管的内表面并且从所述芯管的内表面延伸，以串联地间隔开的阵列支撑在多个间隔开的高度处。所述罩还包括在所述仿形板之间基本轴向延伸的挡板。这些挡板基本形成了所述罩的内轮廓。所述中子反射器的细长杆在所述挡板与所述芯管之间并且在所述仿形板之间轴向延伸，所述细长杆在第一端部和第二端部处附接到所述仿形板。优选地，所述细长杆的第一端部和第二端部相对于这些细长杆的中心轴向部分具有减小的直径。最佳地，所述第一端部和第二端部的减小的直径配合到所述仿形板中的开口中。优选地，所述细长杆具有基本圆形的横截面，被紧密地堆积，或者沿着一轴向延长部围绕相邻杆的外周的一部分接触每个相邻杆，并且这些细长杆沿着所述轴向延长部围绕相邻杆的外周的另一部分与该相邻杆间隔开，以沿着该相邻杆的该另一部分形成轴向冷却剂通道。优选地，所述仿形板中的流孔与所述冷却剂通道对准，并且所述细长杆的第一端部和第二端部附接到所述仿形板中的开口。最佳地，所述第一端部和第二端部焊接到所述仿形板中的开口。在另一个实施方式中，至少一些细长杆的减小直径的端部与中心轴向部分之间的过渡部形成为斜面，并且相应的流孔具有比对准的冷却剂通道更大的直径。

优选地，在一些仿形板之间在最低的高度处延伸的至少一些细长杆在轴向上与在这些仿形板之间在位于所述最低高点处的细长杆上方的高度处延伸的其他细长杆对准。在一个实施方式中，对准的细长杆在至少五个串联地间隔开的仿形板之间延伸，其中紧位于对准的细长杆上方的上仿形板和紧位于对准的细长杆下方的下仿形板具有一个厚度，在中间高度处的串联阵列中的多个仿形板具有两倍于所述一个厚度的厚度。在一个实施方式中，在中间高度处的所述多个仿形板包括背对背堆叠的两块仿形板。在另一个实施方式中，所述中子反射器包括许多轴向堆叠的细长杆模块，其中每个模块包括由仿形板在相对的端部处支撑的多个细长杆段。在另一个实施方式中，至少一些细长杆在将这些模块联接在一起的模块之间延伸。

在另一个实施方式中，这些细长杆从下仿形板延伸到上仿形板，其中所述下仿形板在下芯支撑板的上方间隔开，燃料组件支撑在该下芯支撑板上，所述上仿形板与约束燃料组件的上芯板间隔开。上芯板与上仿形板之间的空间形成了上冷却剂入口增压室，该上冷却剂入口增压室具有穿过所述芯管的输入孔，下芯板与下仿形板之间的空间形成了下冷却剂出口增压室，该下冷却剂入口增压室具有输出孔，所述输出孔穿过挡板的下部，以便用于冷却反射器的冷却剂从芯管进入，穿过所述输入孔，进入到上冷却剂入口增压室，通过围绕所述细长杆的仿形板进入到下冷却剂出口增压室中，在下冷却剂出口增压室中冷却剂通过输出孔进入到所述芯中。

替代性地，可以使沿着细长杆的流动反向，从而导致向上流的状态。在这种向上流的状态中，流体流进入下仿形板与下芯支撑板之间的下增压室，在所述芯的底部处，通过仿形板、围绕所述细长杆、进入到上冷却剂增压室中，在所述上冷却剂增压室处冷却剂从所述反射器出来并且在芯出口处与主冷却剂流动路径重新汇合。

在一个实施方式中，所述细长杆在三角形节距上支撑。在替代性实施方式中，所述细长杆在矩形节距上支撑。最佳地，所述仿形板由许多分段形成，例如8个分段，它们围绕所述芯的外周而周向延伸。

附图说明

在结合附图阅读了下面的优选实施方式的描述之后可以对本发明有进一步的理解，其中：

图1是可以应用本发明的核反应堆***的简化示意图；

图2是典型的增压水反应堆的核反应堆容器和内部元件的局部剖视正视图；

图3是示出了所述堆芯、内部构件和压力容器的一部分的现有增压水反应堆的一部分下部内部构件的放大正视图；

图4是现有技术挡板和仿形板配置的局部平面视图；

图5是结合本发明的一个实施方式的重反射器的挡板和仿形板配置的平面视图；

图6是穿过所述细长杆的剖视图，其示出了结合本发明的一个实施方式的重反射器的芯罩的其中一个仿形板的一段；

图7是自图6中示出的仿形板轴向延伸的堆芯挡板的平面视图；

图8是沿着图6的线A-A的所述芯罩的剖视图；

图9是沿着图8的线B-B的所述芯罩的剖视图；

图10是沿着图5的线C-C的所述芯罩的剖视图；

图10A和10B示出了图10的围绕分别在所述芯管与仿形板之间和在所述仿形板与挡板之间的内部连接件的放大部分；

图10C是图10中示出的所述芯罩的剖视图的替代性实施方式的剖视图；

图11是以矩形节距支撑的本发明的细长反射器杆的一个实施方式的平面视图；以及

图12是以三角形节距支撑的本发明的第二实施方式的细长反射器杆的平面视图。

具体实施方式

现在参见这些图，图1示出了简化的核反应堆主***2，包括基本圆柱形的反应堆压力容器4，该反应堆压力容器4具有包封核芯8的封盖装置6。诸如水之类的液体反应堆冷却剂由泵10通过芯8泵送到容器4中，其中热能被吸收并被排放到一般称作蒸气发生器的热交换器12，在所述热交换器12中热量被转移到诸如蒸气驱动的涡轮发电机之类的应用回路（未示出）。然后使反应堆冷却剂返回到泵10从而完成基本环路。一般地，由反应堆冷却剂管道14将多个上述环路连接到单个反应堆容器4。

在图2、3和4中更详细地示出了传统的反应堆设计。除了由多个平行的共同竖直延伸的燃料组件16构成的芯8之外，为了本描述的目的，可以将其他的内部结构分成下部内部构件18和上部内部构件20。在传统的设计中，下部内部构件起到了支撑、对准和引导芯元件和仪器以及在所述容器内引导流动的功能。所述上部内部构件约束或提供对燃料组件16（为了简便起见在图2和3中仅示出了其中两个）的二级约束，并且支撑和引导诸如控制杆之类的元件和仪器。

在图2和3中示出的示例性反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴22进入到容器4，围绕芯管24向下流动，并且在下增压室26中转过180°，向上通过下支撑板50，然后通过下芯板28（燃料组件16坐置在下芯板28上），并且通过并围绕这些组件。通过所述芯和周围区域的冷却剂流一般高达在大约每秒20英尺（每秒6.1米）的速度下每分钟400,000加仑（25.24米³/秒）的量级。获得的压力降和摩擦力倾向于使燃料组件16上升，该配置由上部内部构件20约束，上部内部构件20包括圆形的上芯板30。从所述芯8出来的冷却剂沿着上芯板30的下侧流动并且向上通过多个穿孔32。然后冷却剂向上并径向地流到一个或多个出口喷嘴34。

上部内部构件20可以自反应堆容器4或容器装置6支撑并且包括上支撑组件36。负载主要由多个支撑柱38在上支撑组件36与上芯板30之间传递。支撑柱在选定的燃料组件16和上芯板中的穿孔32上方对准。

可直线移动的控制杆一般包括驱动轴40和中子吸收杆的星形臂组件，所述中子吸收杆由控制杆导向管42引导通过上部内部构件20并进入到对准的燃料组件16中。所述导向管42固定连接到上支撑组件36并且由开口销压配合连接到上芯板30的顶部中。

目前，所述芯8一般由附接到水平仿形板46的一系列竖直的挡板44包封，所述仿形板连接在所述挡板44与反应堆容器芯管24之间，正如可以在图2和3中看出的，虽然这两个图中示出的仿形板的数量稍微不同，但是这部分地取决于所述芯的高度。图3绘出了包封挡板/仿形板/燃料组件元件44、46、16的一般的压力容器4的正视图，还示出了上芯板30、下芯支撑板28、圆柱形热屏蔽板48和下支撑板50。

图4示出了对挡板44、仿形板46和紧固件54和52提供更好理解的局部平面视图，紧固件54和52分别将挡板附接到仿形板以及将仿形板附接到芯管。在通常的设计中，比如图2和3中示出的，一般存在7到8个仿形板46高度。一般的螺纹孔接收将仿形板46附连到芯管24的螺纹紧固件52。正如可以在图4中看出的，所述芯8的外周是阶梯（楼梯）样式的，这是经典的设计并且在新设计的增压水反应堆中将继续是“芯包封几何形状”，因为径向芯反射器设计替代了经典的标准挡板/仿形板/屏蔽板构思以适应更大的芯，这些更大的芯增强工厂的操作寿命。本发明提供了（i）分段的芯反射器设计，其与传统的/挡板/仿形板设计结合来提供完整的芯的封套，和（ii）具有降低制造成本的全芯重反射器设计。

前述的重反射器设计具有所需的多个大的锻件，这些锻件利用枪管钻钻出数千个冷却孔。本发明提供了一种用于增压水反应堆的重径向中子反射器设计，其将显著降低制造成本。根据下文中要求保护的本发明，反射器所需的几何形状仅使用焊接在一起的棒料和板料获得。本发明以三角形或矩形阵列布置圆形棒料的长度以获得用于将中子有效反射回所述芯中所需要的金属密度。自然形成在阵列中的紧密堆积的圆棒之间的通道用于提供所需的冷却。

图5是结合下文中要求保护的构思的芯的平面视图。仿形板46以段58布置在芯8周围，其中每个仿形板段58由接缝56隔开。仿形板段58形成相应的反射器段64（图10中示出）的一部分，其中每个反射器段64由反射器模块60的串联阵列形成，如图6、8和10中所示。每个反射器模块60包括许多紧密堆积的细长杆62，这些细长杆62在它们相对的端部处紧固到仿形板46，如图8中所示。然后将这些模块串联堆叠，如图10中所示，以形成圆周形的反射器段64。图8是沿着图6的线A-A的横截面。

细长圆杆62的紧密间隔开的阵列可以具有不同的直径和间距以获得反射和冷却的确切水平，这将取决于所述芯的尺寸。优选地，所述圆杆62可以紧密隔开以在相邻杆之间形成自然的冷却通道并且可以布置在如图12中所示的三角形节距或如图11中所述的矩形节距上。杆之间的形成冷却通道的间隙在图9、11和12中由附图标记66表示。

构成细长杆62的棒料的每个长度减小到在细长杆62的每个端部处具有更小的直径，从而使这些杆能够足够紧密地放置在一起以形成冷却通道，同时留出足够的仿形板46材料用于这两个元件（即仿形板与细长杆）之间的结构焊接部70。所述仿形板是由板料机加工而成以装在形成于燃料与芯管之间的间隙中，棒料和板料最好由不锈钢构造。中间的仿形板74由焊接在一起的更小的板组成，在其中钻出孔72来接收从中间仿形板74的两侧中的任一侧延伸的细长圆杆62的减小端部68。在仿形板46与圆杆62之间做出焊接部70。仿形板46与圆杆62之间的焊接部可以从仿形板的后侧接近。所述仿形板46还具有孔76，钻通所述孔76以便与由相邻杆62形成冷却通道66对准以允许主冷却剂能够流过所述仿形板。如果所述杆62在它们的中心轴向部分与减小端部68之间设有斜面86，所述仿形板46中的孔76可以扩大以减小对冷却剂流动的阻力，如图10B中所示。

正如可以在图10中看出的，在芯管中钻出入口开口78，该入口开口78与从芯管外部流入到入口增压室80中的进来的反应堆冷却剂联通，所述入口增压室80位于上芯板30与顶部仿形板46之间。所述冷却剂然后在所述增压室中转向并被向下引导穿过仿形板冷却孔76和冷却通道间隙66。冷却剂从位于底部仿形板46与下芯支撑板28之间的下增压室82处的反射器段64出来。冷却剂通过挡板流动孔84出来进入到芯8中，其中从反射器段64出来的冷却剂与通过下芯支撑板28向上流动的另一冷却剂结合，以向上流过所述芯。

在图10C中示出的替代性实施方式中，沿着细长杆62的流动可以被反向，如图10中所示，导致向上流动状态，其中流体流在所述芯的底部处通过入口84进入下增压室82，通过芯管（或者替代性地通过相对的挡板）并在芯出口处通过出口端口78与主冷却剂流动路径重新接合。

如图10A和10B中所示，在仿形板46与挡板44之间形成结构焊接部70。结构焊接部70还形成在一个反射器模块高度的顶部仿形板与下一个反射器模块高度的底部仿形板之间。替代性地，这些仿形板可以使用螺纹紧固件附接到芯管和挡板，如图4中所示。作为另一种替代方式，中间仿形板46可以通过选定数量的全长度杆88附接到邻接的仿形板，所述全长度杆88比如通过焊接附接到顶部仿形板和底部仿形板。

图12中示出的三角形节距提供了大约9.3%的水与钢的面积比例，而图11中示出的矩形节距提供了大约21.5%的水与钢比例，其中它们具有大致相同直径的细长杆。正如先前提到的，杆的宽度可以变化以适应所述芯的尺寸和水冷却剂的量，这对于补偿γ加热是必要的。因此，本发明排除了对30英寸厚的实心锻造板的需求，所述实心锻造板机加工成配合燃料与芯管之间的间隙并且钻有数千个冷却孔。因此，以非常低的成本提供了一种有效反射器。

虽然已经详细描述了本发明的具体实施方式，但是本领域技术人员将会意识到的是在本说明书的总体教导下可以对这些细节做出各种修改和替换。因此，所披露的特殊实施方式旨在仅是说明性的并不作为对本发明的范围的限定。本发明的范围由所附权利要求的整个范围及其任何以及所有等价方式给出。

Claims (19)

1.一种具有重径向中子反射器的核反应堆，包括：

反应堆压力容器；

圆柱形的芯管，所述芯管支撑在反应堆压力容器内并与反应堆压力容器的内部间隔开，并且具有与反应堆压力容器的中心轴线基本同轴对准的中心轴线；

核芯，所述核芯包括形成燃料组件阵列的多个燃料组件，所述核芯在下芯板和上芯板之间支撑在所述芯管内并与所述芯管间隔开；

支撑在所述芯管与所述燃料组件阵列之间的罩，所述罩部分地具有与所述芯管的内轮廓基本匹配的外轮廓，具有与燃料组件阵列的外轮廓基本匹配的内轮廓，并且具有中空内部；

中子反射器，所述中子反射器位于所述罩的中空内部中，并且包括紧密堆积的细长杆的阵列，所述细长杆的阵列具有在轴向方向上延伸的细长尺寸；

其中所述罩包括仿形板和挡板，所述仿形板从所述芯管的内表面延伸，以基本串联的平行阵列位于多个间隔开的高度处，所述挡板在所述仿形板的间隔开的高度之间轴向延伸并且基本形成了所述罩的内轮廓，其中所述中子反射器的细长杆在所述挡板与所述芯管之间并且在所述仿形板之间沿轴向延伸，并且在中间高度处的多个仿形板包括背对背堆叠的两块仿形板。

2.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述细长杆在第一端部和第二端部处通过仿形板附接到这些细长杆中的径向相邻的细长杆。

3.根据权利要求2所述的核反应堆，其中所述细长杆的第一端部和第二端部相对于细长杆的轴向中心部分具有减小的直径。

4.根据权利要求3所述的核反应堆，其中所述细长杆的第一端部和第二端部的所述减小的直径分别配合于所述仿形板中的相应的开口中。

5.根据权利要求4所述的核反应堆，其中所述细长杆具有基本圆形的横截面，这些细长杆被紧密地堆积以便围绕相邻杆的外周的一部分沿着一轴向延长部接触每个相邻杆，并围绕该相邻杆的外周的另一部分与该相邻杆间隔开，以便沿着该相邻杆的该另一部分轴向地形成冷却剂通道。

6.根据权利要求5所述的核反应堆，包括位于所述仿形板中的流动孔，所述流动孔与冷却剂通道对准。

7.根据权利要求6所述的核反应堆，其中至少一些细长杆的第一和第二端部与中心部分之间的过渡部形成为斜面，与具有所述斜面的所述至少一些细长杆相邻的所述仿形板中的至少一些流动孔的直径大于相应的冷却剂通道的直径。

8.根据权利要求4所述的核反应堆，其中所述细长杆的第一端部和第二端部分别在所述仿形板中的相应的开口附接到所述仿形板。

9.根据权利要求8所述的核反应堆，其中所述细长杆的第一端部和第二端部在所述仿形板中的相应的开口处焊接到所述仿形板。

10.根据权利要求8所述的核反应堆，其中在一些仿形板之间延伸的在最低高度处的至少一些细长杆与在仿形板之间延伸的在位于最低高度处的细长杆上方的高度处的其他细长杆轴向对准。

11.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述中子反射器包括多个轴向堆叠的细长杆模块，其中每个模块包括由仿形板在相对的端部处支撑的多个细长杆段。

12.根据权利要求2所述的核反应堆，其中相邻的仿形板之间的细长杆形成可分离的中子反射器模块。

13.根据权利要求1所述的核反应堆，其中这些细长杆从下仿形板延伸到上仿形板，其中所述下仿形板从下芯板的上方间隔开，燃料组件支撑在下芯板上，所述上仿形板与约束燃料组件的上芯板间隔开，上芯板与上仿形板之间的空间形成了上冷却剂增压室，该上冷却剂增压室具有第一孔，所述第一孔与在途中横越所述核芯的反应堆冷却剂路径或者从反应堆芯出来的反应堆冷却剂路径中的一个流体联通，下芯板与下仿形板之间的空间形成下冷却剂增压室，该下冷却剂增压室具有第二孔，所述第二孔与在途中横越所述核芯的反应堆冷却剂路径或者从反应堆芯出来的反应堆冷却剂路径中的另一个流体联通，以便用于冷却所述中子反射器的冷却剂从上冷却剂增压室或下冷却剂增压室中的一个进入，通过仿形板、围绕细长杆、进入上冷却剂增压室或下冷却剂增压室中的另一个并且离开，以便与主冷却剂流动路径重新汇合。

14.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述细长杆以三角形节距支撑。

15.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述细长杆以矩形节距支撑。

16.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述仿形板以围绕所述核芯的外周延伸的多个周向部分形成。

17.根据权利要求16所述的核反应堆，其中所述仿形板以至少八个周向部分形成。

18.根据权利要求1所述的核反应堆，其中至少一些细长杆在最顶部仿形板与最底部仿形板之间以连续延伸的方式延伸。

19.根据权利要求18所述的核反应堆，其中并非所有的细长杆在最顶部仿形板与最底部仿形板之间以连续延伸的方式延伸。