CN111681786B - 一种反应堆容器的下腔室结构及反应堆容器 - Google Patents

一种反应堆容器的下腔室结构及反应堆容器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反应堆容器的下腔室结构及反应堆容器，其包括堆芯支撑底板、反应堆容器下封头和反应堆下腔室入口；其包括的流量分配板圆板与堆芯支撑底板平行固接；流量分配板圆板的径向宽度小于堆芯支撑底板的径向宽度；流量分配板圆板的径向宽度大于等于堆芯支撑底板上分布有孔的圆形区域的直径、且不与反应堆容器下封头内部接触；反应堆下腔室入口设于流量分配板圆板下方区域的反应堆容器下封头上；其还包括流量分配板上开孔圆板，流量分配板上开孔圆板设有通孔。本发明的下腔室结构有效改善了下腔室的流场特性，避免了下腔室中旋涡的出现，结合堆芯下支撑板对流体进行流量分配，使进入堆芯的流体流量分布达到反应堆设计目标。

Description

一种反应堆容器的下腔室结构及反应堆容器
技术领域
本发明涉及核反应堆领域，具体涉及一种反应堆容器的下腔室结构及反应堆容器。
背景技术
液态燃料熔盐核反应堆本体由压力容器、堆内石墨构件和金属构件组成，反应堆进口位于压力容器下封头底部，出口位于压力容器上封头顶部；燃料盐熔融于载体盐中，跟随载体盐一起流动，燃料盐与载体盐流体由反应堆容器底部进入反应堆下腔室后，经堆芯下支撑板进入堆芯，在由石墨组成的堆芯流道内释放裂变能后，进入上腔室，然后从上腔室顶部出口流出，从而实现热量转移(如图1所示)。
由于液态燃料核反应堆本身的特点，在整个反应堆寿期内，堆芯活性区燃料功率呈中心高径向方向上逐渐降低的分布形态。在进入堆芯前，液态燃料的流量分布形式具有重要的意义，它关系到堆芯裂变能的顺利转移，直接决定了堆芯热点位置和热管因子的大小，从而直接关系到整个反应堆乃至整个核电厂的安全。
由于反应堆容器下封头一般为(椭)球形或蝶形，其与堆芯下支撑板所围成的下腔室近似半(椭)球形，当液态燃料从下封头底部进入下腔室后，直接面对堆芯下支撑板，由于流动方向上受阻，流体会在下腔室内产生大量旋涡，并使得进入堆芯不同孔道的液态燃料流量差异较大。对于液态燃料熔盐核反应堆，熔盐作为燃料且带有热源，下腔室的涡流及流动死区不仅会造成流动不稳定性还会导致局部温度偏高，影响堆芯材料性能和反应堆的安全性能。因此，在设计入口位于堆容器下封头底部的核反应堆时，需要在堆芯下方下腔室内设置流场调节与堆芯流量分配结构，对下腔室内的流体进行流场调节并对进入堆芯通道的流体流量进行分配，以可接受的流量分布进入堆芯活性区，并减少流体压力的损失和振动的产生。虽然前期液态燃料熔盐堆堆芯流量分配研究和设计对下腔室涡流和流动死区做了一定程度的抑制，同时也对堆芯入口流量分配进行了优化，但是最终的设计结果不够理想，还未达到在反应堆上应用的程度(参见“一种液态燃料熔盐堆堆芯流量分配设计”，核技术，2016年5月，周振华、潘登等)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术入口位于反应堆底部的反应堆结构中下腔室内的流体产生大量旋涡，并使得进入堆芯不同孔道的液态燃料流量差异较大、分配不均匀的缺陷，而提供一种反应堆容器的下腔室结构及反应堆容器。
本发明的反应堆容器下腔室结构通过流场设计、控制，以及流量分配板的结构设置，调节进入堆芯通道的流体流量，以满足堆芯通道内流量分配设计要求，实现了堆内无明显旋涡、且流量分配精确匹配堆芯功率分布的效果。本发明结构设计的流量分配板与堆芯功率分布偏差可降至10％以内。
本发明是通过以下方案来解决上述技术问题的：
一种反应堆容器的下腔室结构，其包括堆芯支撑底板、反应堆容器下封头和反应堆下腔室入口；所述堆芯支撑底板和所述反应堆容器下封头合围形成一下腔室空间；
所述下腔室结构还包括位于所述堆芯支撑底板下方的流量分配板圆板；
所述流量分配板圆板与所述堆芯支撑底板同轴设置、且平行固接；
所述流量分配板圆板的径向宽度大于等于所述堆芯支撑底板上分布有孔的圆形区域的直径、且不与所述反应堆容器下封头内部接触；
所述反应堆下腔室入口设于所述流量分配板圆板下方区域的所述反应堆容器下封头上；
所述下腔室结构还包括位于所述流量分配板圆板正下方的、与所述流量分配板圆板平行固接的流量分配板上开孔圆板，所述流量分配板上开孔圆板位于所述下腔室空间中，所述流量分配板上开孔圆板设有通孔。
本发明中，较佳地，所述下腔室结构还包括位于所述流量分配板上开孔圆板正下方的、与所述流量分配板上开孔圆板平行固接的流量分配板下开孔圆板，所述流量分配板下开孔圆板位于所述下腔室空间中，所述流量分配板下开孔圆板设有通孔。
本发明中，所述堆芯支撑底板的形状可为本领域常规，例如圆形。
本发明中，所述堆芯支撑底板对应所述反应堆容器的堆芯液态燃料通道位置较佳地开设有穿孔，所述穿孔的尺寸可为本领域常规。所述堆芯支撑底板上所述穿孔的尺寸可根据流量分配需求分区域调整，较佳地，所述堆芯支撑底板上的所述穿孔的整体排列方式为若干圈同心多边形由中心向周边辐射排列。更佳地，同一圈上的所述穿孔直径相同，且由中心至最外圈所述穿孔的直径逐渐减小。
本发明中，所述堆芯支撑底板可为本领域常规，所述堆芯支撑底板上一般开设有孔道，其孔道分布的区域整体为一个圆形区域，所述圆形区域的直径小于所述堆芯支撑底板的直径，将所述堆芯支撑底板上分布有孔的圆形区域(即堆芯通道整体分布圆形区域)的直径记为D。
本发明中，所述反应堆下腔室入口的形状可为圆形。所述反应堆下腔室入口的内径可为本领域常规，较佳地为0.05D-0.1D，例如0.075D，亦可结合回路设备接口确定。
本发明中，较佳地，所述反应堆下腔室入口设于所述反应堆容器下封头的底部中心位置处。
本发明中，所述流量分配板圆板的上表面与所述堆芯支撑底板的下表面的垂直距离可为0.02D-0.1D，例如0.05D。
本发明中，所述流量分配板圆板的厚度可为本领域常规，较佳地为1-4cm，例如2cm，亦可结合结构件应力分析结果给出。所述流量分配板圆板的直径可为D-1.2D，例如1.05D。
本发明中，较佳地，所述流量分配板圆板的径向宽度小于所述堆芯支撑底板的径向宽度。
本发明中，较佳地，所述流量分配板上开孔圆板的通孔位于所述流量分配板上开孔圆板的中心处。所述通孔的径向宽度可为1-1.5倍所述反应堆下腔室入口的内径，例如1.2倍所述反应堆下腔室入口的内径。
本发明中，所述流量分配板上开孔圆板的厚度可为0.5-1倍所述流量分配板圆板的厚度，例如0.5倍。所述流量分配板上开孔圆板较佳地不与所述反应堆容器下封头内部接触；更佳地，所述流量分配板上开孔圆板的边缘与所述反应堆容器下封头内部的间隙宽度可为0.01D-0.04D，例如0.02D。
本发明中，较佳地，所述流量分配板上开孔圆板与所述流量分配板圆板共轴线。
本发明中，所述流量分配板圆板的下表面与所述流量分配板上开孔圆板的上表面的垂直距离可为0.01D-0.05D，例如0.025D。
其中，所述流量分配板下开孔圆板的通孔较佳地位于所述流量分配板下开孔圆板的中心处。所述通孔的径向宽度可为1-1.5倍所述反应堆下腔室入口的内径，例如1.2倍所述反应堆下腔室入口内径。
其中，较佳地，所述流量分配板下开孔圆板、所述流量分配板上开孔圆板与所述流量分配板圆板共轴线。
其中，所述流量分配板下开孔圆板的厚度可为0.5-1倍所述流量分配板圆板的厚度，例如0.5倍。所述流量分配板下开孔圆板较佳地不与所述反应堆容器下封头内部接触；更佳地，所述流量分配板下开孔圆板的边缘与所述反应堆容器下封头内部的间隙宽度可为0.01D-0.04D，例如0.02D。
其中，所述流量分配板上开孔圆板的下表面和所述流量分配板下开孔圆板的上表面之间的垂直距离可为0.01D-0.05D，例如0.025D。
其中，所述流量分配板下开孔圆板的下表面与所述反应堆容器下封头的最低点之间的垂直距离可为0.03D-0.1D，例如0.05D。
本发明中，通过调整流量分配板圆板、流量分配板的上、下开孔圆板之间的垂直距离，可以有效地抑制下腔室旋涡与流动死区，并结合堆芯支撑板上开孔尺寸分区变化可以更好地调节进入堆芯通道的流体流量。
其中，根据需要，在所述流量分配板下开孔圆板的正下方还可设置若干个流量分配板开孔圆板。
在本发明一较佳实施方案中，所述下腔室结构包括堆芯支撑底板、所述反应堆容器下封头和反应堆下腔室入口；所述堆芯支撑底板和所述反应堆容器下封头合围形成一下腔室空间；
所述下腔室结构还包括位于所述堆芯支撑底板下方的流量分配板圆板；
所述流量分配板圆板与所述堆芯支撑底板平行固接；
所述流量分配板圆板的径向宽度小于所述堆芯支撑底板的径向宽度；
所述流量分配板圆板的径向宽度大于等于所述堆芯支撑底板上分布有孔的圆形区域的直径、且不与所述反应堆容器下封头内部接触；
所述反应堆下腔室入口设于所述流量分配板圆板下方区域的所述反应堆容器下封头上；
所述下腔室结构还包括位于所述流量分配板圆板正下方的、与所述流量分配板圆板平行固接的流量分配板上开孔圆板，所述流量分配板上开孔圆板设有通孔；
所述下腔室结构还包括位于所述流量分配板上开孔圆板正下方的、与所述流量分配板上开孔圆板平行固接的流量分配板下开孔圆板，所述流量分配板下开孔圆板设有通孔。
本发明中，平行固接可为本领域常规的连接方式，例如焊接或螺栓的方式，较佳地通过所述流量分配板圆板、所述流量分配板上开孔圆板和所述流量分配板下开孔圆板上设置的若干个连接件实现，例如12个。
其中，所述连接件的数量和尺寸可根据反应堆尺寸调整。所述连接件的设置方式较佳地为：所述连接件分内外两圈排布，例如内圈4个，距离流量分配板中心R/3处，且间隔90°均匀分布；外圈8个，距离分配板中心2R/3处，且间隔45°均匀分布，所述R是指流量分配板的半径。
本发明中，所述下腔室结构的流量分配结构，能够确保堆芯熔盐通道流量分配结果和功率分布的匹配性，本发明下腔室结构实现的堆芯流量分布结果与堆芯功率分布偏差可降至10％以内，偏差越小，流量分配效果越佳；其中，所述堆芯径向功率一般是指所述熔盐反应堆容器寿期不同燃耗时刻堆芯径向典型功率分布。
本发明中，所述下腔室结构实现的堆芯流量分配均匀系数可达0.2-2，其中堆芯流量分配均匀系数是反映堆芯所有通道内流量分配结果的一个参数，它是指某一通道内流量与所有通道的平均流量比值，是表述通道流量相对大小的一个量，所有通道的均匀系数表述流量分布的趋势。
本发明还提供了一种包含有上述下腔室结构的反应堆容器。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
1)本发明的下腔室结构，通过流量分配板圆板改变了冷却剂通道的形状，有效改善了下腔室的流场特性，避免了下腔室中旋涡的出现，再通过堆芯下支撑板对流体进行流量分配，使进入堆芯的流体流量分布达到反应堆设计目标；
2)下腔室结构实现的堆芯流量分配均匀系数与液态燃料熔盐反应堆堆芯径向功率分布相匹配，可达0.2-2；
3)本发明下腔室结构实现的堆芯流量分布与堆芯功率分布偏差可降至10％以内。
附图说明
图1为反应堆容器及其内部流体流场示意图。
图2为本发明中堆芯支撑底板孔道分布示意图。
图3为实施例1～2中本发明堆芯流量分配结构的示意图。
图4为实施例1～2中堆芯流量分配结构对应的堆芯支撑底板与流量分配板结构示意图。
其中：10-反应堆容器；11-反应堆下腔室入口；12-反应堆下腔室；13-堆芯支撑底板；14-反应堆堆芯结构件；15-反应堆上腔室；16-反应堆出口；17-堆芯通道；20-反应堆容器下封头；21-流量分配板圆板；22-流量分配板上开孔圆板；23-流量分配板下开孔圆板；24-流量分配板连接件；25-流量分配板上、下开孔圆板的通孔。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。
实施例1
图1为液态燃料熔盐反应堆容器10，其包括反应堆下腔室入口11，反应堆下腔室12，堆芯支撑底板13，反应堆堆芯结构件14，反应堆上腔室15，反应堆出口16，堆芯通道17。
图2中堆芯支撑底板13固定焊接在反应堆容器10内壁的支撑件上，对应堆芯液态燃料通道位置开有穿孔，穿孔的尺寸可根据流量分配需求分区域调整，孔道整体分布按照若干圈同心多边形由中心向周边辐射排列，位于同一圈上的通道尺寸相同，不同圈上的通道尺寸不同(如图2所示)。假定堆芯支撑底板13上分布有孔的圆形区域(即堆芯通道整体分布圆形区域)的直径为D。
图3～图4的下腔室结构中包括流量分配板圆板21，与流量分配板圆板21平行固接的流量分配板上开孔圆板22，流量分配板连接件24，流量分配板圆板21位于堆芯支撑底板13下方、且与堆芯支撑底板13平行固接；以及流量分配板上开孔圆板22正下方的、与其平行固接的流量分配板下开孔圆板23，流量分配板上、下开孔圆板的通孔25分别设于流量分配板上开孔圆板22和流量分配板下开孔圆板23的中心处。
流量分配板圆板21的直径1.05D，反应堆下腔室入口11的内径为0.075D；流量分配板圆板21的上表面与堆芯支撑底板13的下表面的垂直距离为0.04D；流量分配板圆板21的下表面和流量分配板上开孔圆板22上表面之间的垂直距离为0.025D，流量分配板上开孔圆板22的下表面和流量分配板下开孔圆板23的上表面之间的垂直距离为0.025D，流量分配板下开孔圆板23的下表面与反应堆容器10下腔室最低点之间的垂直距离为0.05D，流量分配板上开孔圆板22的边缘与反应堆容器下封头20内部的间隙宽度为0.02D，流量分配板下开孔圆板23的边缘与反应堆容器下封头20内部的间隙宽度为0.02D。
连接件的设置方式分内外两圈排布，内圈4个，距离流量分配板中心R/3处，且间隔90°均匀分布；外圈8个，距离分配板中心2R/3处，且间隔45°均匀分布，R是指流量分配板的半径。
实施例2
本实施例中的下腔室结构如实施例1中一致。假设堆芯支撑底板13上孔道整体分布区域对应的圆形直径为1.7m，堆芯支撑板直径1.9m(由于堆芯反射层存在，一般熔盐堆堆芯流道覆盖区域直径小于堆芯整体直径，如图3所示)，反应堆下腔室12为半椭球结构，反应堆下腔室入口11的直径0.15m。
流量分配板圆板21的厚度为0.02m、直径为1.7m，流量分配板圆板21上表面与堆芯支撑底板13的下表面的垂直距离为0.08m。流量分配板圆板21的下表面与流量分配板上开孔圆板22的上表面的垂直距离0.04m。
流量分配板上开孔圆板22的厚度0.01m、直径1.6m，流量分配板上开孔圆板22的通孔25的径向宽度0.18m。流量分配板上开孔圆板22的下表面和流量分配板下开孔圆板23的上表面之间的垂直距离0.04m。
流量分配板下开孔圆板23的厚度为0.01m，直径1.35m，其上通孔25的径向宽度0.18m。流量分配板下开孔圆板23的下表面与下封头20内壁的最低点之间的垂直距离0.1m。
如图3所示，堆芯支撑板上不同径向位置处开孔尺寸不同，从中心位置至边缘位置孔径由0.04m单调减少至0.01m。
本实施例中，堆芯流量分配均匀系数在0.2-2.0之间，与堆芯径向归一化功率分布偏差小于10％。
本发明并不局限于上面描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外本说明书中使用的一些特定术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (29)

1.一种反应堆容器的下腔室结构，其特征在于，其包括堆芯支撑底板、所述反应堆容器下封头和反应堆下腔室入口；所述堆芯支撑底板和所述反应堆容器下封头合围形成一下腔室空间；
所述下腔室结构还包括位于所述堆芯支撑底板下方的流量分配板圆板；
所述流量分配板圆板与所述堆芯支撑底板平行固接；
所述流量分配板圆板的径向宽度小于所述堆芯支撑底板的径向宽度；
所述流量分配板圆板的径向宽度大于等于所述堆芯支撑底板上分布有孔的圆形区域的直径、且不与所述反应堆容器下封头内部接触；
所述反应堆下腔室入口设于所述流量分配板圆板下方区域的所述反应堆容器下封头上；
所述下腔室结构还包括位于所述流量分配板圆板正下方的、与所述流量分配板圆板平行固接的流量分配板上开孔圆板，所述流量分配板上开孔圆板位于所述下腔室空间中，所述流量分配板上开孔圆板设有通孔；
所述下腔室结构还包括位于所述流量分配板上开孔圆板正下方的、与所述流量分配板上开孔圆板平行固接的流量分配板下开孔圆板，所述流量分配板下开孔圆板位于所述下腔室空间中，所述流量分配板下开孔圆板设有通孔；
所述堆芯支撑底板对应所述反应堆容器的堆芯液态燃料通道位置开设有穿孔；
所述堆芯支撑底板上的所述穿孔的整体排列方式为若干圈同心多边形由中心向周边辐射排列；
所述反应堆下腔室入口的内径为0.05D-0.1D，D是指所述堆芯支撑底板上分布有孔的圆形区域的直径；
所述反应堆下腔室入口设于所述反应堆容器下封头的底部中心位置处；
所述流量分配板圆板的上表面与所述堆芯支撑底板的下表面的垂直距离为0.02D-0.1D；
所述流量分配板圆板的直径为D-1.2D；
所述流量分配板圆板和所述堆芯支撑底板共轴线。
2.如权利要求1所述的下腔室结构，其特征在于，所述反应堆下腔室入口的内径为0.075D。
3.如权利要求1所述的下腔室结构，其特征在于，
所述流量分配板圆板的厚度为1-4cm。
4.如权利要求1所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板圆板的上表面与所述堆芯支撑底板的下表面的垂直距离为0.05D。
5.如权利要求3所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板圆板的厚度为2cm。
6.如权利要求1所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板圆板的直径为1.05D。
7.如权利要求1所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板上开孔圆板的通孔位于所述流量分配板上开孔圆板的中心处。
8.如权利要求7所述的下腔室结构，其特征在于，所述通孔的径向宽度为1-1.5倍所述反应堆下腔室入口的内径。
9.如权利要求8所述的下腔室结构，其特征在于，所述通孔的径向宽度为1.2倍所述反应堆下腔室入口的内径。
10.如权利要求1所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板上开孔圆板的厚度为0.5-1倍所述流量分配板圆板的厚度；
和/或，所述流量分配板上开孔圆板不与所述反应堆容器下封头内部接触；
和/或，所述流量分配板圆板的下表面与所述流量分配板上开孔圆板的上表面的垂直距离为0.01D-0.05D。
11.如权利要求10所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板上开孔圆板的厚度为0.5倍所述流量分配板圆板的厚度。
12.如权利要求10所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板上开孔圆板的边缘与所述反应堆容器下封头内部的间隙宽度为0.01D-0.04D，D是指所述堆芯支撑底板上分布有孔的圆形区域的直径。
13.如权利要求12所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板上开孔圆板的边缘与所述反应堆容器下封头内部的间隙宽度为0.02D。
14.如权利要求10所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板圆板的下表面与所述流量分配板上开孔圆板的上表面的垂直距离为0.025D。
15.如权利要求1所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板的通孔位于所述流量分配板下开孔圆板的中心处。
16.如权利要求15所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板的通孔的径向宽度为1-1.5倍所述反应堆下腔室入口的内径。
17.如权利要求16所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板的通孔的径向宽度为1.2倍所述反应堆下腔室入口内径。
18.如权利要求15所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板的厚度为0.5-1倍所述流量分配板圆板的厚度。
19.如权利要求18所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板的厚度为0.5倍所述流量分配板圆板的厚度。
20.如权利要求15所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板不与所述反应堆容器下封头内部接触。
21.如权利要求20所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板的边缘与所述反应堆容器下封头内部的间隙宽度为0.01D-0.04D。
22.如权利要求21所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板的边缘与所述反应堆容器下封头内部的间隙宽度为0.02D。
23.如权利要求15~22任一项所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板上开孔圆板的下表面和所述流量分配板下开孔圆板的上表面之间的垂直距离为0.01D-0.05D；
和/或，所述流量分配板下开孔圆板的下表面与所述反应堆容器下封头的最低点之间的垂直距离为0.03D-0.1D。
24.如权利要求23所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板上开孔圆板的下表面和所述流量分配板下开孔圆板的上表面之间的垂直距离为0.025D。
25.如权利要求23所述的下腔室结构，其特征在于，所述流量分配板下开孔圆板的下表面与所述反应堆容器下封头的最低点之间的垂直距离为0.05D。
26.如权利要求1~22任一项所述的下腔室结构，其特征在于，平行固接通过若干个连接件实现；
所述连接件的设置方式为：所述连接件分内外两圈排布。
27.如权利要求1所述的下腔室结构，其特征在于，所述下腔室结构的堆芯流量分配不均匀系数与所述反应堆容器的堆芯径向功率分布相匹配。
28.如权利要求27所述的下腔室结构，其特征在于，所述下腔室结构的堆芯流量分配不均匀系数为0.2-2。
29.一种反应堆容器，其特征在于，包含如权利要求1~28任一项所述的下腔室结构。
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