一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室是支承在側(cè)反射層上面的重要設備。合理的設計冷氣室懸臂石墨磚就顯得尤為必要。本發(fā)明采用了在冷氣室上下相鄰疊摞的石墨磚，按適應堆芯范圍的長度加工的懸臂工字型冷氣室中空腔體設計，更好地加強了冷氣室石墨磚的抗彎剛度，增加了承載能力。由于在靠近冷氣室兩層石墨磚的中心也能放置榫結(jié)構(gòu)，和保持石墨磚小端的原型體形結(jié)構(gòu)，提高了承載能力。這就可以大大地保證冷氣室暨頂反射層的可靠性和穩(wěn)定性。為高溫氣冷堆的安全運行提供了有力地保證。
【專利說明】
一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，適用于高溫氣冷堆堆內(nèi)構(gòu)件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]球床式高溫氣冷堆由反射層石墨磚組成堆芯腔。在堆芯腔內(nèi)燃料組成堆芯球床。燃料球由頂反射層內(nèi)的供球管進入堆芯腔，然后由上向下流動，經(jīng)卸球管流出堆芯腔。載熱劑(也稱冷卻劑)由頂反射層內(nèi)的冷氣室進入堆芯腔，經(jīng)過堆芯加熱下流，通過底反射層內(nèi)的孔道流向熱氣室。
[0003]所有反射層都是由扇形石墨磚堆砌起來的。由于石墨是不能焊接的材料，所以石墨磚只能堆砌在一起用鍵和榫連接成一個整體。
[0004]在高溫氣冷堆中冷氦氣一般的情況下都是由堆芯的上部-頂反射層內(nèi)的冷氣室進入球床堆芯向下流動，在堆芯被加熱的載熱劑進入下部的熱氣室。因此冷氣室是高溫氣冷堆中的重要部件。
[0005]但是根據(jù)高溫氣冷堆的結(jié)構(gòu)形式不同、早期和現(xiàn)在的高溫氣冷堆結(jié)構(gòu)的差別，其本身的冷氣室結(jié)構(gòu)也有很大的差別。
[0006]柱狀燃料元件高溫氣冷堆沒有整體的冷氣室，而是由堆芯結(jié)構(gòu)上部的空間進入柱狀燃料元件冷卻孔。每個燃料元件內(nèi)設有節(jié)流孔板可以調(diào)節(jié)燃料元件本身內(nèi)冷氦氣流量。因此整體冷氣室的作用就不重要了。
[0007]而對于球床式高溫氣冷堆希望進入堆芯的冷氦氣是較為均勻的，就必須使冷氦氣先進入冷氣室然后再進入堆芯腔。因此在球床式高溫氣冷堆的頂反射層內(nèi)設計了一個冷氣室，以保證進入堆芯腔的冷氦氣能均勻分配。
[0008]最早建成的球床式高溫氣冷實驗堆AVR，其冷氦氣是從下部進入堆芯的。這種氦氣流動方式并不理想，當氦氣流動壓差過高時會產(chǎn)生球床的浮動，從而引起功率波動。后來的球床式高溫氣冷堆均不采用這種方法。
[0009]球床式高溫氣冷堆原型堆THTR-300就是在頂反射層內(nèi)設計了具有冷氣室的冷氦氣流動方式。但由于該堆功率大，堆的體積也大。它的堆芯直徑達到5.6m?？梢韵胂笤谶@么大的堆上不可能用整體石墨磚做頂反射層。只能把小塊石墨磚用金屬吊桿機構(gòu)吊掛起來形成一個整體頂反射層結(jié)構(gòu)。冷氣室也就放在這個吊掛的頂反射層中。這樣的吊掛結(jié)構(gòu)非常復雜，又要和周圍的固定結(jié)構(gòu)運動相匹配，補償熱膨脹差，給設計造成了很大的難度。
[0010]高溫氣冷堆的發(fā)展已經(jīng)進入了一個新階段。當前具有第四代安全特征的模塊式高溫氣冷堆體積適中，例如典型的球床式高溫氣冷反應堆的堆芯直徑是3m，使用整塊的石墨磚建造頂反射層完全成為可能。也就能夠合理地在頂反射層中布置冷氣室。
[0011]1MW高溫氣冷實驗堆就是一個例子。它的頂反射層就是用很多整塊石墨磚搭建的，這些石墨磚在堆芯頂部形成懸臂梁。上下兩個相鄰的石墨磚中間加工成中空的環(huán)形空間，作為冷氣室。冷氣室的底部石墨磚，鉆有很多圓孔，分布在堆芯范圍的上部。這些圓孔直通堆芯腔。冷氦氣在冷氣室集合后經(jīng)圓孔進入堆芯腔。
[0012]1MW高溫氣冷實驗堆是個小功率的模塊反應堆，它的頂反射層和冷氣室設計方案完全能夠滿足作為冷氣室的要求。但對于示范電站或商用模塊高溫氣冷堆卻增加了許多新的因素。堆芯直徑變大了，導致懸臂梁加長，在中央還要承載石墨圓形柱塞的重量;反應堆的功率密度增加，冷氦氣體積流量加大，運行壓差增加;再加上中國的多地震影響給頂反射層和冷氣室的設計增加了許多困難因素。所以采用1Mff高溫氣冷實驗堆的冷氣室設計方案已不能滿足未來新的、用于示范電站或商用高溫氣冷反應堆對于頂反射層和冷氣室的要求。必須創(chuàng)建新的結(jié)構(gòu)形式以適應對未來高溫氣冷堆冷氣室設計的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于安全可靠的高溫氣冷堆頂反射層2內(nèi)的冷氣室結(jié)構(gòu)設計。這種新的冷氣室結(jié)構(gòu)是在上下相鄰的兩層頂反射層石墨磚之間，在正對著堆芯上方切除部分石墨材料，使上下兩層石墨磚11和14疊摞在一起的橫截面形成工字梁的結(jié)構(gòu)形式，見圖10。切掉部分石墨材料的地方形成一個長的中空腔體。這些中空腔體和上升的冷氦氣孔道3用設計有的溝槽13相連接，在頂反射層內(nèi)形成一個完整的冷氣室9的中空腔體。每個中空腔體的下部，在兩個相鄰石墨磚的徑向邊界上開槽，形成冷氦氣向下流動、直通堆芯腔的狹長孔道10。這樣就形成了一個完整的冷氣室9結(jié)構(gòu)。也就是冷氣室和其它頂石墨磚組成了頂反射層，冷氣室是頂反射層的一部分。
【附圖說明】
[0014]圖1，2，3，4是球床式高溫氣冷堆頂反射層(內(nèi)含冷氣室)視圖。頂反射層由側(cè)反射層支承，頂反射層的下面是堆芯腔。頂反射層(內(nèi)含冷氣室)用細正交直線表示；
[0015]圖1，2是頂反射層的軸向圖，分別表示P-P和Q-Q視圖；
[0016]圖3，4是橫截面圖，分別表示A-A和B-B視圖；
[0017]圖5是冷氣室上石墨磚；
[0018]圖6是圖5的S-S視圖，表示冷氣室的上腔體12;
[0019]圖7是冷氣室下石墨磚；
[0020]圖8是圖7的T-T視圖，表示冷氣室的下腔體15;
[0021]圖9是上下兩塊相鄰冷氣室石墨磚疊摞在一起的結(jié)構(gòu)，圖中9是冷氣室中空腔體；
[0022]圖10是圖9中R-R截面的視圖，表示上下兩層冷氣室石墨磚的工字梁結(jié)構(gòu)，其中:10是冷氦氣下流槽孔；
[0023]圖11具有兩個石墨圓形柱塞的頂反射層，17是石墨圓形柱塞I，18是石墨圓形柱塞2，后者是由冷氣室石墨磚支承；19是冷氣室底下石墨磚下流槽孔。
[0024]其中1.碳堆內(nèi)構(gòu)件;2.頂反射層;3.冷氦氣孔道;4.側(cè)反射層;5.石墨圓形柱塞;6.燃料球供球管;7.石墨榫;8.堆芯腔;9.冷氣室；10.冷氦氣下流槽孔；11.冷氣室上石墨磚；
12.冷氣室上腔體;13.冷氦氣氣流槽孔;14.冷氦氣下石墨磚；15.冷氣室下腔體;16.冷氣室石墨磚小端；17.石墨圓形柱塞I; 18.石墨圓形柱塞2; 19.冷氣室底下石墨磚下流槽孔。
【具體實施方式】
[0025]圖1和圖2是一個由四層石墨磚組成并含有冷氣室的頂反射層結(jié)構(gòu)，頂反射層石墨磚是由全長的扇形石墨磚組成的。本發(fā)明是在頂反射層內(nèi)疊摞在一起的第二層石墨磚11(圖5和圖6)和第三層石墨磚14(圖7和圖8)之間做成一個冷氣室9。在這兩層石墨磚的側(cè)面，部分高度Hl和H2，相對應于堆芯腔的范圍內(nèi)的一段長度L，切除石墨材料。使得兩層石墨磚疊摞起來的截面呈現(xiàn)工字梁的形狀，如圖10所示。切出石墨材料的部分形成中空的腔體，就是冷氣室9的腔體。冷氣室的這些中空腔體和石墨磚大端的冷氦氣孔道3用開成的槽孔13連接起來。
[0026]由圖1，2，3，4中可見這些中空腔體和冷氦氣孔道通過溝槽13的連接在頂反射層內(nèi)形成了完整的冷氣室9。為便于冷氦氣向下流動，在每個中空腔體的下方加工有沿徑向邊界的狹長孔槽10。為冷氦氣能夠流進堆芯腔，需要把冷氣室下面的頂反射層石墨磚也開出冷氣室下流孔槽10同樣尺寸的狹長孔槽19。
[0027]由冷氦氣孔道3上升的冷氦氣，通過在冷氣室石墨磚上的溝槽13進入中空腔體即冷氣室9。這樣就使這些中空腔體互相連通在一起，因此便于進入冷氣室的冷氦氣能夠均衡流動，達到在整個冷氣室內(nèi)均勻分布。這些冷氦氣通過冷氣室石墨磚間的狹長槽孔10以及下面石墨磚間的狹長槽孔19向下流進堆芯腔。完成了上升的冷氦氣經(jīng)過在冷氣室9內(nèi)的攪混再進入堆芯腔8的流動過程。
[0028]本發(fā)明所創(chuàng)建的冷氣室9結(jié)構(gòu)，盡管加工有中空腔體，但是保持了冷氣室石墨磚的原有高度。這就不會由于加工出的中空腔體而過多減小石墨磚懸臂梁的抗彎剛度，從而保持了冷氣室石墨磚有足夠的承載能力。
[0029]扇形石墨磚小端不可能延伸到堆芯的中心軸處，因為那樣其端部就太顯單薄，不能承受載荷。而且燃料球的供球管6也要配置在中心區(qū)。所以必須在頂反射層2中心區(qū)設計有石墨圓形柱塞5。石墨圓形柱塞中心軸加工出燃料球供球管6。所以對石墨圓形柱塞的支承和定位也是非常重要的。無疑這個石墨圓形柱塞的重量也必須由頂反射層或冷氣室的石墨磚來承載。由圖1可見要支承石墨圓形柱塞，無疑就又加大了這些石墨磚的載荷。本發(fā)明所采用的冷氣室工字梁結(jié)構(gòu)，眾所周知是會大大增加石墨磚懸臂梁的抗彎剛度的，如圖10所示。這樣的結(jié)構(gòu)設計，使整個頂反射層包括冷氣室的石墨磚在高度方向是緊密連接的也更有利于頂反射層的穩(wěn)定運行。
[0030]本發(fā)明的冷氣室結(jié)構(gòu)特點，便于在石墨磚的懸臂部分，加入石墨榫7以防止兩層石墨磚之間的錯位。這樣就起到了防止冷氣室兩層磚之間(11和14)、冷氦氣下流的狹長槽孔
13、上升的冷氦氣孔道3和其它孔道(控制棒孔道、吸收球孔道和中子源孔道等，圖中未明確表示出)之間的錯位。而在過去已有的、具有完全中空腔體的冷氣室中是不可能加入這樣的石墨榫結(jié)構(gòu)的。
[0031]頂反射層內(nèi)冷氣室石墨磚小端16和中心石墨圓形柱塞5相鄰，中間縫隙很小。本發(fā)明的冷氣室結(jié)構(gòu)特點，在于距離石墨磚小端16—段長度L2內(nèi)不再作任何加工，使石墨磚小端這段長度L2內(nèi)完全保持了原有石墨磚的梯形形狀。這樣可以加強扇形石墨磚在小端端部之間環(huán)向上互相支承的能力，并有利于起到對中心石墨圓形柱塞5的支承作用，保證供球孔道的暢通無阻。
[0032]特別是當在頂反射層中心具有兩個石墨圓形柱塞17和18時，其中一個石墨圓形柱塞就必須直接支承在冷氣室的石墨磚上，如圖11所示。多數(shù)高溫氣冷堆石墨堆內(nèi)構(gòu)件的設計中，很可能采用這種形式。在這種條件下冷氣室石墨磚小端的支承能力是必須要特別加強的。
[0033]高溫氣冷堆中的冷氣室是在頂反射層的一定空間內(nèi)形成的。頂反射層的高度是根據(jù)反射中子的要求而確定的，其結(jié)構(gòu)形式也要考慮所能生產(chǎn)的石墨磚的大小而確定。在這里冷氣室的設計又給頂反射層石墨磚的設計提出了獨特的要求，冷氣室的形式和尺寸將影響頂反射層的設計質(zhì)量。
[0034]頂反射層石墨磚的設計圖紙將重點考慮根據(jù)冷氣室大小、結(jié)構(gòu)形式要求作出合理的布置。本發(fā)明的冷氣室和其它頂反射層石墨磚的設計，會直接體現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)特點的冷氣室結(jié)構(gòu)形式和整體頂反射層的構(gòu)架。用設計圖紙和必要的技術(shù)文件來表示本發(fā)明的冷氣室和頂反射層的總體結(jié)構(gòu)。這些圖紙包括了頂反射層和內(nèi)含冷氣室總圖和所有的部件圖以及零件圖。
[0035]在反應堆建造和安裝過程中，按照圖紙和技術(shù)文件的要求，生產(chǎn)出各種石墨零件，再根據(jù)圖紙要求將頂反射層安裝起來，冷氣室也就自然形成了。
[0036]按一般的安裝順序，安裝好側(cè)反射層之后，就開始安裝頂反射層。從下向上逐層安裝頂反射層石墨磚。每安裝一層扇形石墨磚，就同時安裝好所有需要的石墨零件，如榫、套環(huán)和套筒等(圖中未完全畫出套環(huán)和套筒)，直到最上層的頂反射層石墨磚安裝完畢為止。其中有兩層是冷氣室石墨磚。
[0037]在反應堆運行過程中，冷氦氣沿著冷氦氣孔道3上升，然后通過冷氣室石墨磚上的溝槽13進入冷氣室9，在冷氣室混合了的冷氦氣沿冷氣室底部的狹長槽孔10和其下面的石墨磚間的狹長槽孔19向下流動進入堆芯腔8直到堆芯球床。
[0038]燃料球由反應堆頂部的進球裝置輸送到堆內(nèi)，然后進入在石墨圓形柱塞5上的進球管6，再繼續(xù)下降進入堆芯腔8和堆芯球床。
[0039]由上邊的描述可知，保證冷氣室暨頂反射層的安全運行對于保證堆芯冷卻氦氣的供應和堆芯燃料球的安全可靠的供應是必不可少的。如果出現(xiàn)故障將會給反應堆的安全運行帶來嚴重影響。
[0040]冷氣室暨頂反射層是支承在側(cè)反射層上面的龐然大物。因此合理設計冷氣室9的懸臂石墨磚就顯得尤為必要。本發(fā)明采用了在冷氣室上下石墨磚11和14，按適應堆芯范圍的長度加工的工字梁(圖10)設計，大大地加強了冷氣室石墨磚的抗彎剛度，也就增加了承載能力。由于在靠近冷氣室兩層石墨磚的中心也能夠放置石墨榫7結(jié)構(gòu)，和保持石墨磚小端16的不削弱的原梯型結(jié)構(gòu)，可以大大地保證冷氣室暨頂反射層的穩(wěn)定性。
[0041]中國是一個多地震而且是多強震的國家，石墨材料本身又是近脆性材料，這就給高溫氣冷堆石墨反射層的設計增加了難度。本發(fā)明恰恰是考慮到了中國的地質(zhì)特點和材料特性。這種設計不僅僅能夠充分地承載由于設備自重、冷氦氣流動、燃料球下落等原因所造成的載荷。而且能足夠的克服由于強烈地震所施加給冷氣室暨頂反射層結(jié)構(gòu)內(nèi)載荷的作用。
[0042]在冷氣室暨頂反射層的設計中必須要對它在運行中所能經(jīng)歷的靜載荷和動載荷進行全面的評價。使冷氣室暨頂反射層的構(gòu)件在這樣條件下也不破壞和保證本設備的穩(wěn)定運行。這樣才能保證冷氣室暨頂反射層在反應堆正常運行和各種事故工況下的安全和可靠。也為反應堆的安全運行提供了可靠的保證。
【主權(quán)項】
1.一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，在頂反射層內(nèi)選兩層石墨磚將其橫截面加工成懸臂的工字梁形式，其長度L應和堆芯的尺寸相適應，這兩層石墨磚內(nèi)形成長條形中空腔體冷氣室(9)，石墨磚小端部位(16)不作加工，應保持原有的梯形結(jié)構(gòu)，長條形中空腔體和在石墨磚大端的冷氦氣孔道(3)相連;長條形中空腔體底部開成狹長槽孔(10)，其下面的石墨磚在側(cè)面也開成同樣的狹長槽孔(19)，上下磚之間用三個石墨榫連接，在石墨磚的中間部位放置一個石墨榫(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，頂反射層和冷氣室石墨磚的數(shù)目、形狀、大小和石墨磚的層數(shù)，根據(jù)反應堆石墨堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設計的需要而定。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，在兩層冷氣室石墨磚上，長條形中空腔體的高度H1+H2和寬度Wl的大小是可以根據(jù)需要而定，上下兩層石墨磚長條形中空腔體的高度Hl和H2可以相等，也可以不等。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，長條形中空腔體通向堆芯腔的狹長槽孔可以是一整條，也可以是分段的槽孔;其寬度W2可以是等寬的，也可以是不等寬的。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，冷氣室石墨磚的小端，在一個相應距離內(nèi)不作任何加工，保持原有梯形端部狀態(tài)不變，以加強石墨磚小端的強度和剛度。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，在冷氣室石墨磚和其他頂反射層石墨磚中靠近磚的中間部位設計有石墨榫(7)，以防止石墨磚上下層之間的轉(zhuǎn)動或錯位。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，組成冷氣室的兩層石墨磚能夠放置在頂反射層上下的任何位置上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，組成冷氣室的兩層石墨磚不支承石墨圓形柱塞。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種球床式高溫氣冷堆頂反射層內(nèi)冷氣室結(jié)構(gòu)，其特征在于，組成冷氣室的兩層石墨磚支承石墨圓形柱塞，組成冷氣室的石墨磚必須設計有足夠的承載能力，以保證在支承石墨圓形柱塞的條件下也能使自身不破壞和使進球功能保持完好狀??τ O
【文檔編號】G21C15/10GK106057256SQ201610369592
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】張振聲, 孫立斌, 史力, 張寶亮, 賀秀杰, 吳莘馨
【申請人】清華大學