專利名稱:球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)及其功能子系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)及其功能子系統(tǒng)，屬于反應(yīng)堆工程技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
反應(yīng)堆的換料方式有兩種，一種是停堆換料，另外一種是不停堆在線換料，現(xiàn)在世界上大多數(shù)反應(yīng)堆采用的是停堆換料方式，如壓水堆和沸水堆，燃料元件長期在堆內(nèi)反應(yīng)且靜止不動。停堆換料方式的優(yōu)點是換料系統(tǒng)比較簡單，換料過程的可靠性和安全性較高。 停堆換料方式的缺點是每隔I年多時間需要停堆換料，換料時間大約I個月左右，停堆換料降低了反應(yīng)堆的可利用率和電站的負(fù)荷因子。
目前采用不停堆連續(xù)換料的反應(yīng)堆主要包括坎杜堆和球床高溫氣冷堆。不停堆連續(xù)換料的優(yōu)點是反應(yīng)堆可以長期運行，有利于提高電站的利用率，從而提高電站的經(jīng)濟性。 不停堆換料系統(tǒng)還能及時卸出破損的燃料組件，降低對冷卻劑回路的污染。不停堆連續(xù)換料的主要缺點是換料系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高，同時由于在換料過程中，換料系統(tǒng)有很多運動部件，換料過程中對這些運動部件的可靠性和安全性要求很高，如果在線換料系統(tǒng)發(fā)生故障，將影響反應(yīng)堆的正常運行。
坎杜堆的換料由兩臺位于排管容器兩側(cè)的遠(yuǎn)程控制換料機完成。一臺卸載乏燃料棒，另一個裝載新的燃料棒。這種設(shè)計避免了換料停堆，可以安排更靈活的停堆計劃，也能縮短維修停堆時間。
球床高溫氣冷堆是利用球形燃料元件易于滾動的特點，通過管路進(jìn)行輸送，使新燃料元件連續(xù)的滾入堆芯，乏燃料元件卸出堆芯。國內(nèi)外的球床高溫氣冷堆都采用了這一原理，設(shè)計了各自的燃料裝卸系統(tǒng)，國外的詳細(xì)設(shè)計方案尚未公開。我國10麗球床高溫氣冷試驗堆也是根據(jù)這一的原理，設(shè)計了其獨特的燃料裝卸系統(tǒng)，通過采用一些新型的設(shè)計， 如脈沖氣流排球裝置等(具體參見專利93119442. 3)，實現(xiàn)了試驗堆的連續(xù)換料。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，可以應(yīng)用于功率很大的商業(yè)電站， 由于功率很大，需要提高燃料元件循環(huán)的速度，用于IOMW球床高溫氣冷試驗堆的燃料裝卸系統(tǒng)不能滿足要求，需要重新設(shè)計商業(yè)電站的燃料裝卸系統(tǒng)。該系統(tǒng)也參考了我國IOMW球床高溫氣冷試驗堆的一些設(shè)計經(jīng)驗，同時做了大量改進(jìn)，利用燃料元件有利的幾何形狀，在反應(yīng)堆運行期間，不間斷的給反應(yīng)堆裝入新燃料元件，卸出已經(jīng)達(dá)到燃耗深度的乏燃料元件和將沒有達(dá)到燃耗深度的燃料元件返回堆芯作再循環(huán)，從而維持反應(yīng)堆的連續(xù)運行，提高反應(yīng)堆的可利用率和電站的經(jīng)濟性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆，通過在線換料系統(tǒng)實現(xiàn)不停堆連續(xù)換料。在線換料系統(tǒng)的主要功能包括完成反應(yīng)堆初始堆芯裝料；反應(yīng)堆運行期間將新燃料元件裝入堆芯；從反應(yīng)堆壓力容器下部卸料管排出燃料元件；分離破損的燃料元件和元件碎片；對從堆芯排出的燃料元件進(jìn)行燃耗測量，并將沒有達(dá)到最終燃耗深度的燃料元件裝入堆芯進(jìn)行再次循環(huán)；卸出乏燃料元件，并輸送到乏燃料貯存庫中貯存；在需要時將堆芯排空，并將排出的全部燃料元件轉(zhuǎn)移到再裝料貯存罐中暫存，然后再向堆芯重新裝料。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，在系統(tǒng)若干相關(guān)位置設(shè)置了多個燃料元件輸送分配器和匯集器，分配器的功能是實現(xiàn)燃料元件在管內(nèi)輸送過程中從一根管道分配到2 根管道，匯集器的功能是實現(xiàn)燃料元件在管內(nèi)輸送過程中從2根管道匯集到一根管道。
球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，在系統(tǒng)若干相關(guān)位置設(shè)置了多個過球計數(shù)器，可以監(jiān)測管內(nèi)燃料元件的輸送，對輸送的燃料元件進(jìn)行計數(shù)或測量管道內(nèi)輸送速度。
通過燃料元件輸送分配器和匯集器及其控制系統(tǒng)，同時結(jié)合系統(tǒng)管道各關(guān)鍵部位設(shè)置的過球計數(shù)器，可以有效控制燃料元件在系統(tǒng)管道內(nèi)的輸送過程，從而實現(xiàn)系統(tǒng)燃料裝入和卸出的各種功能。
本發(fā)明的目的是提出一種新型的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時為兩個或多個球床反應(yīng)堆供應(yīng)新燃料元件和卸出乏燃料元件，適用于所有球床高溫氣冷反應(yīng)堆。
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)的示意圖如圖I所示。
系統(tǒng)主要部件包括I-裝料口，2-過球計數(shù)器，3-隔離球閥，4-分配器，5-隔離球閥，6-匯集器，7-匯集器，8-反應(yīng)堆，9-堆芯，10-卸料管，11-卸料裝置，12-碎球罐，13-匯集器，14-燃耗測量點，15-分配器，16-氦氣入口，17-氦氣出口，18-氦氣入口，19-氦氣出口，20-隔離球閥，21-匯集器，22-隔離球閥，23-分配器，24-取樣罐，25-燃耗測量點，
26-分配器，27-空氣入口，28-空氣出口，29-分配器，30-乏燃料貯存罐，31-卸料裝置，
32-空氣入口，33-空氣出口，34-再裝料貯存罐，35-卸料裝置，36-碎球罐，37-空氣入口，
38-空氣出口，39-隔離球閥，40-分配器。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，從功能上可分成四個子系統(tǒng)新燃料裝入系統(tǒng)、堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)、乏燃料卸出系統(tǒng)和堆芯排空與再裝料系統(tǒng)。上述主要部件中，I 6為新燃料裝入系統(tǒng)的主要部件，7 17為堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)的主要部件，18 31為乏燃料卸出系統(tǒng)的主要部件，32 40為堆芯排空與再裝料系統(tǒng)的主要部件。
圖I中，新燃料裝入系統(tǒng)的設(shè)備安裝順序為裝料口 I后面接過球計數(shù)器2，過球計數(shù)器2后面接隔離球閥3，隔離球閥3后面接分配器4，分配器4后分成兩路，每路都接一套隔離球閥5，隔離球閥5后面接匯集器6，匯集器6后面接堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)的匯集器7。
所述堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)的設(shè)備安裝順序為堆芯9位于反應(yīng)堆8的內(nèi)部，堆芯9 底部接卸料管10，卸料管10底部接卸料裝置11，卸料裝置11出來4根管道，其中兩根管道接碎球罐12，2根管道接匯集器13，匯集器13后面接燃耗測量點14，燃耗測量點14后面接分配器15，分配器15后面接匯集器7，匯集器7后面接氦氣入口 16和氦氣出口 17，氦氣出口 17后面接反應(yīng)堆8。
所述乏燃料卸出系統(tǒng)的設(shè)備安裝順序為堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)的分配器15后面接氦氣入口 18和氦氣出口 19，氦氣出口 19后面接隔離球閥20，隔離球閥20后面接匯集器 21，匯集器21后面合成I根管道，后面接隔離球閥22，隔離球閥22后面接分配器23，分配器23后面出來2根管道，I根管道接取樣罐24，I根管道后面接燃耗測量點25，燃耗測量點 25后面接分配器26，分配器26后面分成2根管道，I根管道通到乏燃料貯存罐，另外I根管道通到再裝料貯存罐，通到乏燃料貯存罐的管路后面接空氣入口 27和空氣出口 28，空氣出口 28后面接分配器29，分配器29后面接乏燃料貯存罐30，乏燃料貯存罐30底部接卸料裝置31。
所述堆芯排空與再裝料系統(tǒng)的設(shè)備安裝順序為乏燃料卸出系統(tǒng)的分配器26后面分成2根管道，其中的I根通到再裝料貯存罐，在該管路中，分配器26后面接空氣入口 32 和空氣出口 33，空氣出口 33后面接再裝料貯存罐34，再裝料貯存罐34的底部接卸料裝置 35，從卸料裝置35出來2根管道，其中I根管道接碎球罐36，另外I根管道接空氣入口 37 和空氣出口 38，空氣出口 38后面接隔離球閥39，隔離球閥39后面接分配器40，分配器40 后面接新燃料裝入系統(tǒng)的匯集器6。
所述新燃料裝入系統(tǒng)主要由進(jìn)料口 I、計數(shù)器2、隔離球閥3和5、分配器4以及匯集器6等構(gòu)成，隔離球閥3和5之間是氣氛切換管段。新燃料裝入系統(tǒng)內(nèi)的新燃料元件通過匯集器7進(jìn)入堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)。
所述堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆8、堆芯9、卸料管10、卸料裝置11、匯集器 13、分配器15以及匯集器7等構(gòu)成，卸料管10上端連接到堆芯9的底部，下端連接到卸料裝置11，分配器15的功能是將乏燃料元件分配到乏燃料卸出系統(tǒng)，將未達(dá)到目標(biāo)燃耗深度的燃料元件分配到堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)，匯集器7的功能是從新燃料裝入系統(tǒng)接收新燃料元件到堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)。
所述乏燃料卸出系統(tǒng)主要由隔離球閥20和22、匯集器21、分配器23、26、29、乏燃料貯存罐30以及乏燃料卸料裝置31等構(gòu)成，隔離球閥20和22之間的管段為氣氛切換管段，匯集器21的功能是分別將兩個反應(yīng)堆系統(tǒng)的乏燃料元件排入氣氛切換管段，分配器23 的功能是從主管路中分配I個或多個乏燃料元件到乏燃料取樣罐24，分配器26的功能是用于堆芯排空工況下，將堆芯內(nèi)所有燃料元件分配到再裝料貯存罐34內(nèi)暫存，分配器29的功能是將乏燃料元件分配到不同的乏燃料貯存罐內(nèi)貯存。
所述堆芯排空與再裝料系統(tǒng)主要由再裝料貯存罐34、卸料裝置35、隔離球閥39和分配器40等構(gòu)成，再裝料貯存罐34可容納I個堆芯的燃料元件量，隔離球閥39將再裝料系統(tǒng)與新燃料裝入系統(tǒng)隔離開，分配器40的功能是將再裝料的燃料元件分配到需再裝料的反應(yīng)堆的新燃料裝入系統(tǒng)內(nèi)。
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，燃料元件裝入和卸出堆芯的方法可以包括如下步驟
裝入新燃料元件
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，新燃料元件由空氣氣氛進(jìn)入到反應(yīng)堆的高壓氦氣氣氛，需通過一組球形隔離球閥，實現(xiàn)兩種氣氛的切換。
新燃料元件由裝料口 I經(jīng)過單一化裝入新燃料裝入系統(tǒng)，通過過球計數(shù)器2對裝入的燃料元件進(jìn)行計數(shù)，裝入的新燃料元件在隔離球閥3前排成一列，在達(dá)到一定數(shù)量(如 200個)后，打開隔離球閥3，使這些新燃料元件全部進(jìn)入隔離球閥3后面的氣氛切換管段。
新燃料元件全部進(jìn)入氣氛切換管段后，關(guān)閉隔離球閥3，氣氛切換管段內(nèi)的氣氛由常壓下的空氣氣氛切換成高壓下的氦氣氣氛，氣氛切換完成后，打開隔離球閥5，這些新燃料元件全部進(jìn)入反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)為了節(jié)省成本，采用一套新燃料裝入系統(tǒng)，同時為兩個反應(yīng)堆供應(yīng)新燃料元件。[0031]經(jīng)過氣氛切換進(jìn)入系統(tǒng)的燃料元件，可通過分配器4控制選擇分別為兩個反應(yīng)堆供應(yīng)新燃料元件。經(jīng)過分配后的新燃料元件到達(dá)進(jìn)入堆芯燃料主循環(huán)系統(tǒng)的匯集器7的前面等待進(jìn)入，在接到進(jìn)入的指令后，新燃料元件通過匯集器7進(jìn)入主循環(huán)系統(tǒng)。
裝新燃料元件的管道與水平面呈6度夾角，便于燃料元件靠重力作用滾動裝入系統(tǒng)。新燃料元件管道可呈螺旋狀布置，以節(jié)省艙室空間。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，進(jìn)入主循環(huán)系統(tǒng)后的新燃料元件通過氣動方式提升到反應(yīng)堆堆芯9的頂部。
堆芯燃料元件的循環(huán)
所述球床高溫氣冷堆為充分利用燃料元件和實現(xiàn)較均勻的功率分配，球床堆采用燃料元件多次通過堆芯的燃料循環(huán)方式，使燃料元件經(jīng)多次循環(huán)達(dá)到目標(biāo)燃耗深度。
所述球床高溫氣冷堆在運行期間，燃料元件在堆芯9中自上而下流動，最后通過反應(yīng)堆底部的卸料管10排出堆外。從卸料管10排出的燃料元件首先進(jìn)入卸料裝置11，卸料裝置11的結(jié)構(gòu)和功能參見發(fā)明專利“球床高溫氣冷堆一體化燃料卸料裝置”。
從卸料管10排出的燃料元件，經(jīng)過卸料裝置11進(jìn)行單一化和碎球分選后，不符合要求的破損球及其碎片被分選出來，輸送到碎球罐12進(jìn)行貯存，而符合要求的完好燃料元件從好球輸送管道送出卸料裝置，仍在系統(tǒng)內(nèi)繼續(xù)循環(huán)。
考慮到燃料裝卸系統(tǒng)運行的可靠性，卸料裝置11考慮100%備用，正常運行期間只有一臺運行，如果運行的卸料裝置發(fā)生故障，則停機等待檢修，同時啟動另外一臺卸料裝置，兩臺卸料裝置公用I個碎球貯存罐，用匯集器13控制接收從兩臺卸料裝置分選出的好球，繼續(xù)在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，從卸料裝置11出來的完好燃料元件到達(dá)燃耗測量點14后，對其進(jìn)行燃耗深度測量，如果該燃料元件達(dá)到了目標(biāo)燃耗深度， 則視其為乏燃料元件，通過分配器15將其排入乏燃料卸出系統(tǒng)，而沒有達(dá)到燃耗深度的燃料元件，仍可繼續(xù)返回堆芯9進(jìn)行再次循環(huán)。
未達(dá)到目標(biāo)燃耗深度的燃料元件通過氦氣入口 16進(jìn)入的氦氣進(jìn)行驅(qū)動，燃料元件被提升到反應(yīng)堆8的頂部，然后依靠重力落入反應(yīng)堆堆芯9的頂部進(jìn)行再次循環(huán)。
所述球床高溫氣冷堆堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)，用于提升燃料元件的氦氣由流入口 16 進(jìn)入燃料提升管道，然后通過流出口 17流出，用于提升燃料元件的氦氣通過氦氣風(fēng)機驅(qū)動進(jìn)行不間斷連續(xù)運行，氦氣回路內(nèi)需對氦氣流進(jìn)行過濾。
氦氣出口 17距離燃料元件提升的最高點有一定距離，該距離與燃料元件的提升速度有關(guān)，燃料元件的提升速度為5 lOm/s，氦氣出口 17距燃料元件提升的最高點的距離為2 5m，該設(shè)計的目的是降低燃料元件到達(dá)最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能降低滾入堆芯頂部時的速度，緩沖輸送的燃料元件與堆芯頂部燃料元件的撞擊，起到保護燃料元件的作用。
卸出乏燃料元件
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，經(jīng)多次循環(huán)達(dá)到目標(biāo)燃耗深度的燃料元件，在測量點14通過燃耗測量確認(rèn)為乏燃料元件后，通過分配器15排到乏燃料卸出系統(tǒng)，卸出的乏燃料元件需要通過兩次氣動提升輸送到乏燃料貯存罐30，第一次氣動提升是在高壓氦氣氛下的氦氣提升，第二次氣動提升是在空氣氣氛和常壓環(huán)境下的空氣提升。[0045]所述球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，從堆芯燃料主循環(huán)系統(tǒng)排出的乏燃料元件， 在從氦氣入口 18進(jìn)入的氦氣驅(qū)動下，提升到氣氛切換管段前的隔離球閥20前暫存，等達(dá)到一定數(shù)量(如200個)后，打開隔離球閥20，所有等待的乏燃料元件通過匯集器21全部進(jìn)入隔離球閥20后面的氣氛切換管段，關(guān)閉隔離球閥20，然后進(jìn)行氣氛切換，由高壓下的氦氣氣氛切換到常壓下的空氣氣氛，從而使這些乏燃料元件離開反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)。
所述球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統(tǒng)，通過控制氣氛切換管段前的匯集器21，可分別從兩個反應(yīng)堆系統(tǒng)卸出乏燃料元件，使兩個反應(yīng)堆公用一套乏燃料卸出系統(tǒng)，以節(jié)省成本。
所述球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統(tǒng)，驅(qū)動燃料元件的氦氣出口 19距離一次提升最高點有一定距離，該距離與燃料元件的提升速度有關(guān)，燃料元件的提升速度為5 lOm/s，氦氣出口 19距燃料元件提升的最高點的距離為2 5m，目的是降低燃料元件到達(dá)最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能緩沖輸送的燃料元件與其它燃料元件的撞擊，起到保護燃料元件的作用。
氣氛切換后的乏燃料元件在經(jīng)過分配器23時，可根據(jù)需要通過控制分配器23使一個或多個乏燃料元件輸送到取樣罐24，然后將其運送到實驗室進(jìn)行研究分析。
所述球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統(tǒng)，正常運行工況下，氣氛切換后所有的乏燃料元件到達(dá)燃耗測量點25進(jìn)行燃耗測量，其目的是分辨出乏燃料元件中的石墨元件。石墨元件用于反應(yīng)堆堆芯初次裝料，可以平衡堆芯功率分布，是反應(yīng)堆物理的需要。
在燃耗測量點25分辨出石墨元件后，可以通過控制分配器29將石墨元件輸送到乏燃料貯存庫中的石墨元件貯存罐內(nèi)貯存，而乏燃料元件則輸送到乏燃料貯存庫中的乏燃料貯存罐內(nèi)進(jìn)行貯存。
所述球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統(tǒng)，經(jīng)過氣氛切換后的乏燃料元件需要通過氣動提升方式輸送到乏燃料貯存庫，采用的驅(qū)動氣體是空氣，驅(qū)動裝置是羅茨風(fēng)機或其它空氣驅(qū)動裝置。空氣從入口 27進(jìn)入輸球管路提升乏燃料元件，然后從出口 28流出，經(jīng)過粉塵過濾后回到羅茨風(fēng)機加壓，完成閉合循環(huán)。
空氣出口 28距離提升最高點有一定距離，該距離與燃料元件的提升速度有關(guān)，燃料元件的提升速度為5 lOm/s，空氣出口 28距燃料元件提升最高點的距離為2 5m，該設(shè)計的目的是降低燃料元件到達(dá)最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能緩沖輸送的乏燃料元件與其它乏燃料元件的撞擊，起到保護乏燃料元件的作用。
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統(tǒng)，通過二次提升，到達(dá)最高點后的乏燃料元件通過分配器29分配到乏燃料貯存庫中的各個乏燃料貯存罐內(nèi)貯存。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆，在反應(yīng)堆正常運行時，乏燃料元件將平均分配到各個貯存罐內(nèi)，這種運行方式可以有效減小每個貯存罐內(nèi)的乏燃料發(fā)熱量，有利于乏燃料衰變熱的導(dǎo)出，有效保證乏燃料元件及其貯存罐的完整性和安全性，如果通過自然冷卻方式不能完全保證乏燃料元件的完整性和安全性，則需要設(shè)置風(fēng)機進(jìn)行強制風(fēng)冷，確保乏燃料元件及其貯存罐的完整和安全。
本發(fā)明提到的乏燃料貯存罐30的設(shè)計如圖2所示，貯存罐主要由外殼42和中心柱45構(gòu)成，乏燃料元件貯存在外殼42和中心柱45之間的圓環(huán)形空腔內(nèi)，中心柱45內(nèi)填充有防臨界材料。[0056]由于乏燃料貯存罐30的罐體高度很高，為避免乏燃料元件從頂部落到底部摔碎， 在中心柱外設(shè)置了螺旋形的輸球階梯43，進(jìn)入乏燃料貯存罐內(nèi)的乏燃料元件沿落球階梯下落，在從一節(jié)落球階梯43落到下一節(jié)落球階梯44的過程中，乏燃料元件通過與落球階梯44 的碰撞減速，通過與落球階梯的不斷碰撞，保證最終落到乏燃料貯存罐底部時的速度低于要求的限值，從而確保輸送到乏燃料貯存罐30內(nèi)的乏燃料元件的完整性。
本發(fā)明提到的乏燃料貯存罐30的容量很大，每個貯存罐可容納反應(yīng)堆運行一年甚至更長時間卸出的乏燃料元件。
本發(fā)明提到的乏燃料元件在貯存罐30內(nèi)的貯存并非最終貯存，在技術(shù)可行的條件下可以將乏燃料元件從貯存罐30內(nèi)排出，通過卸料裝置31將乏燃料元件排入乏燃料轉(zhuǎn)運罐內(nèi)，然后將裝有乏燃料的轉(zhuǎn)運罐吊裝到貯存庫外部的運輸車內(nèi)，運送到指定地點進(jìn)行燃料后處理和最終貯存。
反應(yīng)堆堆芯排空與再裝料
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆，在一些極端特殊工況下，可能要求將反應(yīng)堆堆芯9 排空，反應(yīng)堆堆芯排空的過程與卸出乏燃料元件的過程類似，但不需要燃耗測量。
在反應(yīng)堆堆芯排空工況下，反應(yīng)堆一回路內(nèi)可以將壓力降到大氣壓力，將反應(yīng)堆內(nèi)的氦氣輸送到氦氣罐貯存起來，反應(yīng)堆內(nèi)由氦氣氣氛變?yōu)榭諝鈿夥铡?br>本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆，在反應(yīng)堆堆芯排空工況下，從堆芯9排出的燃料元件通過卸料裝置11進(jìn)行碎球分選后，完整的燃料元件從卸料裝置11送出，無需燃耗測量，直接通過控制分配器15排入乏燃料卸出系統(tǒng)。
排入乏燃料卸出系統(tǒng)的燃料元件，采用空氣驅(qū)動替代氦氣驅(qū)動進(jìn)行一次提升，提升氣體從流入口 18流入，從流出口 19流出，提升后的燃料元件在氣氛切換管路前的隔離球閥20前暫存，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量(如200)后，打開隔離球閥20，無需氣氛切換，通過控制分配器26，可氣動提升到再裝料貯存罐34內(nèi)暫時存貯。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆，在反應(yīng)堆堆芯排空工況下，采用空氣驅(qū)動再裝料貯存的燃料元件二次提升，提升氣體從空氣入口 32流入，從出口 33流出。
空氣出口 33距離二次提升最高點有一定距離，該距離與燃料元件的提升速度有關(guān)，燃料元件的提升速度為5 lOm/s，空氣出口 33距燃料元件提升最高點的距離為2 5m，該設(shè)計的目的是降低燃料元件到達(dá)最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能緩沖輸送的燃料元件與其它燃料元件的撞擊，起到保護燃料元件的作用。
本發(fā)明提到的再裝料貯存罐34的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與乏燃料貯存罐30類似，都是帶中心柱的圓環(huán)形空腔，中心柱內(nèi)填充有防臨界材料。由于再裝料貯存罐的高度也很高，為避免燃料元件從貯存罐頂部落到底部摔損，在中心柱外也設(shè)置了螺旋形的輸球階梯，進(jìn)入再裝料罐內(nèi)的燃料元件沿落球階梯下落，在從一節(jié)落球階梯落到下一節(jié)落球階梯的過程中通過與落球階梯的碰撞減速，保證最終落到再裝料貯存罐底部后燃料元件的完整性。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆，在反應(yīng)堆堆芯排空工況下，由于堆芯排空卸出的燃料元件還沒有達(dá)到目標(biāo)燃耗深度，其反應(yīng)性很大，衰變發(fā)熱量也很大，因此再裝料貯存罐 34需要填充大量的防臨界材料，并在貯存罐外加強制風(fēng)冷，如果冷卻能力不能滿足要求，則還需加強制水冷。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆，堆芯排空一段時間后，如果反應(yīng)堆達(dá)到滿足重新裝料的條件，需要將暫存在再裝料貯存罐34內(nèi)的燃料元件重新裝回堆芯9進(jìn)行再循環(huán)。
通過再裝料貯存罐34下部的卸料裝置35將燃料元件進(jìn)行單一化和碎球分選， 不符合要求的燃料元件和元件碎片被分離出來輸送到碎球罐36貯存，而完好的燃料元件則從卸料裝置35輸送到再裝料提升管前面，通過氣動方式提升到一定高度，驅(qū)動氣體為空氣。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆在再裝料過程中，提升氣體從流入口 37流入，從出口 38流出，流出口 38距離提升最高點有一定距離，該距離與燃料元件的提升速度有關(guān)，燃料元件的提升速度為5 lOm/s，空氣出口 29距燃料元件提升的最高點的距離為2 5m， 該設(shè)計的目的是降低燃料元件到達(dá)最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能緩沖輸送的燃料元件與其它燃料元件的撞擊，起到保護燃料元件的作用。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆在再裝料過程中，經(jīng)提升后的燃料元件輸送到新燃料裝入系統(tǒng)的氣氛切換管路后面，在隔離球閥39前暫存，通過分配器40和匯集器6輸送進(jìn)入需再裝料的反應(yīng)堆的新燃料裝入系統(tǒng)。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆在再裝料過程中，進(jìn)入新燃料裝入系統(tǒng)的燃料元件輸送到堆芯燃料主循環(huán)系統(tǒng)前的管道，等待進(jìn)入堆芯燃料主循環(huán)系統(tǒng)。通過匯集器7進(jìn)入主循環(huán)系統(tǒng)后，通過氣動方式將燃料元件提升到反應(yīng)堆堆芯9，此時提升的驅(qū)動氣體為空氣，提升空氣從入口 16流入，從出口 17流出。
本發(fā)明提到的球床高溫氣冷堆在再裝料過程中，由于反應(yīng)堆8的高度很高，而裝料初始階段堆芯9內(nèi)沒有或只有少量燃料元件，如果燃料元件從反應(yīng)堆頂部直接落到堆芯底部，將導(dǎo)致燃料元件的摔損，因此在向堆芯9裝料的過程中，需要通過堆芯裝料給料裝置來裝料，堆芯裝料給料裝置的設(shè)計如圖3所示。
本發(fā)明提到的堆芯裝料給料裝置，由多節(jié)給料管構(gòu)成，給料管46之間通過方便拆裝的連接鉸鏈47連接，給料管46內(nèi)設(shè)有多層擋板48。
本發(fā)明提到的堆芯裝料給料裝置，燃料元件在給料管內(nèi)下落過程中，從擋板48落到擋板49時通過碰撞減速，通過這種頻繁的碰撞最終保證落到堆芯底部后燃料元件的完整性。
在裝料過程中可根據(jù)堆芯內(nèi)料位的變化拆下不需的給料管，調(diào)節(jié)給料裝置的長度，隨著堆芯內(nèi)料位的升高，給料裝置將逐漸縮短，直到最后裝滿堆芯，完成堆芯的再裝料過程。
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點
I.本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，使兩個或多個反應(yīng)堆公用一套新燃料裝入系統(tǒng)和乏燃料卸出系統(tǒng)，在不影響反應(yīng)堆系統(tǒng)運行的前提下，可以有效節(jié)省成本；
2.本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，采用連續(xù)運行的氦風(fēng)機或羅茨風(fēng)機分別在氦氣氣氛和空氣氣氛下提升燃料元件，有效提高運行效率。驅(qū)動氣體出口距離提升最高點有一定距離，可有效降低燃料元件到達(dá)最高點時的速度，減小在彎頭處的磨損，同時緩沖輸送的燃料元件與其它燃料元件的撞擊，起到保護燃料元件的作用；
3.本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，乏燃料貯存罐和再裝料貯存罐設(shè)計成帶中心柱的圓環(huán)形空腔結(jié)構(gòu)，中心柱內(nèi)可填充防臨界材料，中心柱外設(shè)置螺旋形落球階梯，乏燃料元件沿落球階梯下落，通過與落球階梯的不斷碰撞減速，可保證輸送到貯存罐內(nèi)的燃料元件的完整性；
4.本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，在向堆芯重新裝料時采用堆芯裝料給料裝置，堆芯裝料給料裝置的給料管內(nèi)設(shè)有多層擋板，燃料元件在下落過程中通過與擋板的不斷碰撞減速，保證落到堆芯底部后燃料元件的完整性。給料管之間拆裝方便，在裝料過程中可根據(jù)料位的變化調(diào)節(jié)給料裝置的長度，有效保證整個堆芯裝料過程中燃料元件的完整性；
5.本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，在反應(yīng)堆下部采用的卸料裝置， 能夠?qū)姆磻?yīng)堆排出的燃料元件同時進(jìn)行單一化和碎球分選，可提高燃料單一化和碎球分選的速度和可靠性，同時也能夠有效降低艙室高度，節(jié)省艙室空間；
6.本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，在系統(tǒng)若干相關(guān)位置設(shè)置了多個燃料輸送分配器和匯集器，實現(xiàn)燃料元件在管道內(nèi)輸送過程中從一根管道分配到2根管道和從2根管道匯集到一根管道。通過這些燃料元件輸送分配器和匯集器及其控制系統(tǒng)，可以有效控制燃料元件在系統(tǒng)管道內(nèi)的輸送。


圖I是本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。
圖2是本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆的乏燃料元件貯存罐。
圖3是本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆的堆芯裝料給料裝置。
圖I中，I-裝料口，2-過球計數(shù)器，3-隔離球閥，4-分配器，5_隔離球閥，6_匯集器，7-匯集器，8-反應(yīng)堆，9-堆芯，10-卸料管，11-卸料裝置，12-碎球罐，13-匯集器，14-燃耗測量點，15-分配器，16-氦氣入口，17-氦氣出口，18-氦氣入口，19-氦氣出口，20-隔離球閥，21-匯集器，22-隔離球閥，23-分配器，24-取樣罐，25-燃耗測量點，26-分配器，
27-空氣入口，28-空氣出口，29-分配器，30-乏燃料貯存罐，31-卸料裝置，32-空氣入口，
33-空氣出口，34-再裝料貯存罐，35-卸料裝置，36-碎球罐，37-空氣入口，38-空氣出口，
39-隔尚球閥，40-分配器。
圖2中，41-進(jìn)料管，42-貯存罐外殼，43-落球階梯1，44-落球階梯2，45中心柱。
圖3中，46-給料管，47-連接鉸鏈，48-落球階梯I，49-落球階梯2。
具體實施方式
結(jié)合附圖介紹本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)的具體實施方式
本發(fā)明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，主要功能包括為球床高溫氣冷堆裝入新燃料元件、卸出乏燃料元件、反應(yīng)堆內(nèi)燃料元件多次循環(huán)通過堆芯、反應(yīng)堆堆芯內(nèi)燃料元件的排空與重新裝入等。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，新燃料元件在裝料口 I進(jìn)行單一化后裝入新燃料裝入系統(tǒng)，經(jīng)過氣氛切換后，由常壓下的空氣氣氛切換到高壓下的氦氣氣氛。通過氣氛切換管段后的分配器4，燃料元件被分配到兩個反應(yīng)堆系統(tǒng)，然后通過匯集器7進(jìn)入堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)，通過氦氣氣動提升到反應(yīng)堆堆芯9的頂部，完成新燃料裝入堆芯的過程。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，從堆芯9排出的燃料元件，經(jīng)過卸料裝置11進(jìn)行單一化和碎球分選，出來的完好燃料元件到達(dá)燃耗測量點14進(jìn)行燃耗測量，達(dá)到目標(biāo)燃耗深度的燃料元件通過分配器15卸出堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)，進(jìn)入乏燃料卸出系統(tǒng)，沒有達(dá)到目標(biāo)燃耗深度的燃料元件氣動提升到反應(yīng)堆堆芯9的頂部進(jìn)行再次循環(huán)，直到達(dá)到目標(biāo)燃耗深度。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，排入乏燃料卸出系統(tǒng)的乏燃料元件首先經(jīng)過氦氣一次提升到達(dá)氣氛切換管路的隔離球閥20前暫存，然后進(jìn)入氣氛切換管路，在完成氣氛切換后，由高壓下的氦氣氣氛切換到常壓下的空氣氣氛，再通過空氣二次提升，輸送到乏燃料貯存罐30內(nèi)進(jìn)行貯存，在需要時可通過乏燃料卸料裝置31將乏燃料貯存罐30內(nèi)的乏燃料元件轉(zhuǎn)移走，進(jìn)行后處理和最終貯存。
所述球床高溫氣冷堆在一些極端工況下，需要將堆芯9內(nèi)的燃料元件排空，排空的過程與卸出乏燃料元件的過程類似。首先將反應(yīng)堆8卸壓，將氦氣貯存到氦氣貯存罐內(nèi)， 反應(yīng)堆氣氛切換到常壓下的空氣氣氛。堆芯9內(nèi)的燃料元件經(jīng)過卸料裝置11進(jìn)行單一化和碎球分選后，無需燃耗測量，直接排入乏燃料卸出系統(tǒng)，經(jīng)過空氣一次提升后，無需氣氛切換，直接進(jìn)行空氣二次提升，輸送到再裝料貯存罐34內(nèi)貯存。
在需要工況下，可將再裝料貯存罐34內(nèi)的燃料元件重新裝回堆芯9。在此過程中， 再裝料貯存罐34內(nèi)的燃料元件通過卸料裝置35進(jìn)行單一化和碎球分選，完好的燃料元件通過空氣氣動提升到新燃料裝入系統(tǒng)的氣氛切換管路的后面，通過分配器40和匯集器6分別裝入兩個反應(yīng)堆系統(tǒng)。在進(jìn)入堆芯燃料主循環(huán)系統(tǒng)后，通過空氣氣動提升到反應(yīng)堆8的頂部，然后通過堆芯裝料給料裝置裝入堆芯9，完成堆芯的再裝料過程。
本發(fā)明設(shè)計的球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，需要在與反應(yīng)堆運行工況完全相同的高溫高壓氦氣氛下，進(jìn)行全尺寸的試驗驗證，經(jīng)過實驗驗證系統(tǒng)運行可靠之后，再用于實際的反應(yīng)堆上，以提高反應(yīng)堆運行的可靠性和安全性。
權(quán)利要求
1.球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，其特征在于，該球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)含有裝料口(I)，過球計數(shù)器(2)，第一隔離球閥(3)，第一分配器(4)，第二隔離球閥(5)，第一匯集器(6)，第二匯集器(7)，反應(yīng)堆(8)，堆芯(9)，卸料管(10)，第一卸料裝置(11)，碎球罐(12)，第三匯集器(13)，第一燃耗測量點(14)，第二分配器(15),第一氦氣入口(16),第一氦氣出口(17),第二氦氣入口(18),第二氦氣出口(19), 第三隔離球閥(20)，第四匯集器(21)，第四隔離球閥(22)，第三分配器(23)，取樣罐(24)，第二燃耗測量點(25)，第四分配器(26)，第一空氣入口(27)，第一空氣出口(28)，第五分配器(29)，乏燃料貯存罐(30)，卸料裝置(31)，第二空氣入口(32)，第二空氣出口(33)，再裝料貯存罐(34)， 第二卸料裝置(35)，碎球罐(36)，第三空氣入口(37)，第三空氣出口(38)，第五隔離球閥 (39)，第六分配器(40)；所述裝料口(I)連接過球計數(shù)器(2)，過球計數(shù)器(2)連接第一隔離球閥(3)，第一隔離球閥(3)連接第一分配器(4)，第一分配器(4)后分成兩路，所述兩路每一路都有第二隔離球閥(5)與上述第一分配器(4)相連，所述第二隔離球閥(5)連接第一匯集器(6)，第一匯集器(6)連接第二匯集器(7);堆芯(9)位于反應(yīng)堆⑶ 的內(nèi)部，堆芯(9)底部接卸料管(10)，卸料管(10)底部接第一卸料裝置(11)，第一卸料裝置(11)出來4根管道，2根管道接碎球罐(12)，另2根管道接第三匯集器(13)，第三匯集器(13)連接第一燃耗測量點(14)，第一燃耗測量點(14)連接第二分配器(15)，第二分配器(15)連接第二匯集器(7)，第二匯集器(7)連接第一氦氣入口(16)，第一氦氣入口(16) 連接第一氦氣出口(17)，第一氦氣出口(17)連接反應(yīng)堆(8);第二分配器(15)連接第二氦氣入口(18)，第二氦氣入口(18)連接第二氦氣出口(19)，第二氦氣出口(19)連接第三隔離球閥(20)；所述兩路的兩個第三隔離球閥(20)共同連接到第四匯集器(21)；上述第四匯集器(21)后面通過一根管道連接第四隔離球閥(22)，第四隔離球閥(22) 連接第三分配器(23)，第三分配器(23)后面出來兩根管道，一根管道接取樣罐(24)，另一根管道連接第二燃耗測量點(25)，第二燃耗測量點(25)連接第四分配器(26)，第四分配器(26)后面分成兩根管道，一根管道連接第一空氣入口(27)，所述第一空氣入口(27)連接第一空氣出口(28)，第一空氣出口(28)連接第五分配器(29)，第五分配器(29)連接乏燃料貯存罐(30)，乏燃料貯存罐(30)底部接卸料裝置(31);第四分配器(26)后另一根管道連接第二空氣入口(32)，第二空氣入口(32)連接第二空氣出口(33)，第二空氣出口(33) 連接再裝料貯存罐(34)，再裝料貯存罐(34)的底部接第二卸料裝置(35)，從第二卸料裝置(35)出來兩根管道，一根管道接碎球罐(36)，另一根管道接第三空氣入口(37)，第三空氣入口(37)連接第三空氣出口(38)，第三空氣出口(38)連接第五隔離球閥(39)，第五隔離球閥(39)連接第六分配器(40)，第六分配器(40)連接所述兩路每一路中的第一匯集器(6)。
專利摘要
一種球床高溫氣冷堆在線換料系統(tǒng)，屬于反應(yīng)堆工程技術(shù)領(lǐng)域：
。所述系統(tǒng)包括新燃料裝入系統(tǒng)、堆芯燃料循環(huán)主系統(tǒng)、乏燃料卸出系統(tǒng)、堆芯排空與再裝料系統(tǒng)4個功能子系統(tǒng)；由裝料口(1)，過球計數(shù)器(2)，隔離球閥(3)，卸料管(10)，卸料裝置(11)，碎球罐(12)，分配器(40)等組成。裝料口(1)后面接過球計數(shù)器(2)，過球計數(shù)器(2)后面接隔離球閥(3)，隔離球閥(3)后面接分配器(4)。分配器(4)后分成兩路，每路都接一套隔離球閥(5)。本發(fā)明節(jié)省成本；保證整個堆芯裝料過程中燃料元件的完整性；可提高燃料單一化和碎球分選速度和可靠性，節(jié)省艙室空間；有效控制燃料元件在系統(tǒng)管道內(nèi)的輸送。
文檔編號G21C19/20GKCN101083153SQ200710117805
公開日2012年7月25日 申請日期2007年6月25日
發(fā)明者劉繼國, 張海泉, 王金華 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan