專利名稱:用于反應(yīng)堆壓力容器的中子屏蔽面板的制作方法
用于反應(yīng)堆壓力容器的中子屏蔽面板[0001]相關(guān)串請的交叉參考[0002]本申請要求享有2007年12月4日提交的臨時申請60/992，158的優(yōu)先權(quán)。[0003]政府利益.[0004]本發(fā)明是在由能源部資助的合同No. DE-FC07-051D14636下通過政府支持進行 的。政府享有本發(fā)明中的特定權(quán)利。技術(shù)領(lǐng)域：
[0005]本發(fā)明一般地涉及核反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更具體地涉及用于屏蔽核反應(yīng)堆壓力容器 以免于過度暴露到中子通量下的中子屏蔽件。
背景技術(shù)：
[0006]用加壓水冷卻的核反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng)的初級側(cè)包括閉合回路，所述閉合回路與用于 產(chǎn)生有用能量的次級側(cè)隔離且與其有熱交換關(guān)系。初級側(cè)包括封裝堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反應(yīng) 堆壓力容器，所述堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)支承多個包含可裂變材料的燃料組件；熱交換蒸汽發(fā)生器 中的初級回路；用于循環(huán)加壓水的加壓器、泵以及管道的內(nèi)體積，這些管道將各蒸汽發(fā)生器 和各泵獨立地連接至反應(yīng)堆壓力容器。包括連接至容器的管道系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器和泵的初 級側(cè)各部件形成初級側(cè)的回路。初級側(cè)還連接至輔助回路，所述輔助回路包括用于加壓水 的體積測量和化學(xué)監(jiān)測的回路。該輔助回路布置在初級回路的分支上，該輔助回路能夠通 過在需要的時候補充測量的水量來維持初級回路中的水量，并且能夠監(jiān)測冷卻水的化學(xué)性 質(zhì)，尤其是對于反應(yīng)堆的操作很重要的硼酸的含量。[0007]反應(yīng)堆壓力容器的內(nèi)部部件典型地包括上內(nèi)部結(jié)構(gòu)和下內(nèi)部結(jié)構(gòu)。上內(nèi)部結(jié)構(gòu) 包括控制棒導(dǎo)管組件、支承柱、通過外殼封頭進入反應(yīng)堆容器的用于儀器的導(dǎo)管、以及燃 料組件對準結(jié)構(gòu)，并稱為上堆芯板。下內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括稱為堆芯筒(barrel)的堆芯支承結(jié) 構(gòu)、以及堆芯護罩，所述堆芯護罩位于堆芯筒內(nèi)并將堆芯筒的圓形內(nèi)部轉(zhuǎn)化成有臺階的型 式，該有臺階的型式與構(gòu)成支承在下堆芯支承板與上堆芯板之間的堆芯的燃料組件的周邊 型面基本對應(yīng)。有臺階的型式的燃料組件將燃料組件放置成在四個基本坐標(cardinal coordinate)處最接近堆芯筒。作為堆芯護罩的可替代方案，已經(jīng)采用由機械加工的水平成 形件和豎直擋板構(gòu)成的栓接擋板成形件結(jié)構(gòu)。不管是采用堆芯護罩還是栓接擋板成形件結(jié) 構(gòu)，堆芯型式仍然總體上與定位成在基本坐標處最接近堆芯筒的燃料組件相同。[0008]在均用于產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動蒸汽渦輪機的加壓水慢化核反應(yīng)堆和沸水核反應(yīng)堆中， 在反應(yīng)堆堆芯內(nèi)發(fā)生裂變，由此裂變產(chǎn)物的能量傳遞給水。在加壓水慢化反應(yīng)堆中，被加熱 的水從反應(yīng)堆容器通過熱交換器泵送，在所述熱交換器中熱能被傳遞到另一個水回路以形 成蒸汽來驅(qū)動渦輪機。在沸水反應(yīng)堆中，裂變產(chǎn)物的能量傳遞給反應(yīng)堆容器中的水以形成 蒸汽來驅(qū)動渦輪機。在這兩種類型的反應(yīng)堆中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從反應(yīng)堆堆芯施加在容器上的中 子通量會導(dǎo)致容器的材料變脆。就是說，在長時間暴露到高能中子下的情況下，容器的斷裂 韌性減小，并且最終可能導(dǎo)致容器在應(yīng)當允許持續(xù)的條件下破裂。[0009]過去為了減少容器的輻射暴露已經(jīng)使用若干設(shè)計技術(shù)。例如，在加壓水反應(yīng)堆中， 制造商已經(jīng)采用鋼制熱屏蔽件來減少容器的輻射暴露。在圖1中所示的一個這種設(shè)計中， 在容器10中包圍和支承反應(yīng)堆堆芯14的堆芯筒32本身被圓筒形鋼壁15包圍，所述圓筒 形鋼壁15的厚度是2英寸到3英寸(5. 08厘米到7. 62厘米)并且其定位在與壓力容器10 的內(nèi)表面和堆芯筒32的外表面相距大約相等的距離處。在美國專利No. 3，868，302中公開 的一種可替代的設(shè)計中認識到，施加在反應(yīng)堆容器10的內(nèi)表面上的中子通量水平沿著圓 周方向可顯著改變，這是因為堆芯14內(nèi)的某些燃料組件22比其余的燃料組件22更接近于 堆芯筒32，堆芯筒的厚度在那些具有高通量的區(qū)域中選擇性地增大。如果堆芯筒的厚度在 高通量區(qū)域中增大了與圓筒形熱屏蔽件15的厚度相對應(yīng)的量，則反應(yīng)堆容器10的最大輻 射暴露基本上與使用分離的圓筒形熱屏蔽件15所得到的水平相同。[0010]已經(jīng)采用的又一個可替代方案是，在基本坐標的區(qū)域中將鋼板附加到堆芯筒的外 側(cè)以基本上實現(xiàn)與通過增大這些面積中的堆芯筒的厚度所獲得的效果相同的效果，但是以 較低的費用實現(xiàn)。隨著反應(yīng)堆尺寸的增大，這需要更大的熱屏蔽件，形成屏蔽件的鋼板可能 隨著被加熱而經(jīng)受較大的溫度劇增，并且在屏蔽件和堆芯筒之間的熱膨脹的差異可能使用 于將中子屏蔽件附裝到堆芯筒的裝置變形。另外，隨著中子屏蔽件變得更大，中子屏蔽件可 能影響在堆芯筒與反應(yīng)堆容器之間的降液管(downcomer)區(qū)域內(nèi)的壓降,這繼而增大橫過 反應(yīng)堆容器的壓降和在降液管環(huán)形空間中產(chǎn)生的流動紊流的量。[0011]因此，期望一種改進的中子屏蔽設(shè)計，所述中子屏蔽設(shè)計將減小對在壓力容器和 堆芯筒之間的降液管區(qū)域內(nèi)的壓降的不利影響。[0012]此外，期望一種改進的中子屏蔽設(shè)計，所述中子屏蔽設(shè)計將最小化熱屏蔽件和堆 芯筒之間的溫差并且減小用于將中子屏蔽件附裝到堆芯筒的裝置上的應(yīng)力。
發(fā)明內(nèi)容
[0013]根據(jù)本發(fā)明，通過在反應(yīng)堆壓力容器的降液管區(qū)域中放置多個周向地間隔開的中 子屏蔽面板而實現(xiàn)上述目標，各面板都具有面對堆芯筒的大致的凹面和面對壓力容器側(cè)壁 的大致的凸面，各面板都在凹面和凸面之間具有變化的厚度。優(yōu)選地，在中心處具有最大厚 度的情況下，面板的厚度沿著圓周方向變化并且向側(cè)面漸縮。期望地，厚度在中心處是大約 3英寸(7. 62厘米)并且在側(cè)面上漸縮到大約I英寸(2. 54厘米)。優(yōu)選地，中子屏蔽面板 由不銹鋼構(gòu)造，并且在頂部處漸縮以向冷卻劑沿降液管流動的方向提供逐漸過渡。[0014]在一個實施例中，中子屏蔽面板由豎直堆疊的多個單獨的分段構(gòu)造。期望地，各分 段都是具有兩個較長側(cè)邊的矩形，較長側(cè)邊沿著豎直方向延伸。在一個優(yōu)選的實施例中，分 段的數(shù)量是三個，各分段都具有大約相同的尺寸。分段優(yōu)選地被栓接到堆芯筒，并且中子面 板的凹面的至少一部分通過諸如墊圈的隔開件(standoff)與堆芯筒的外徑間隔開。在另 一個優(yōu)選的實施例中，中子面板分段具有傾斜的相對邊緣，各邊緣倒轉(zhuǎn)地匹配相鄰分段的 相對邊緣上的斜面，其中，相鄰的相對邊緣彼此間隔開。相對邊緣之間的空間允許反應(yīng)堆冷 卻劑通過其間以幫助冷卻分段，而同時減小中子注量通到反應(yīng)堆容器。


[0015]從以下結(jié)合附圖閱讀的優(yōu)選實施例的說明，可以得到對本發(fā)明的進一步理解，附圖中[0016]圖1是核反應(yīng)堆容器的剖視圖，示出了壓力容器、熱屏蔽件、堆芯筒和堆芯中的燃 料組件陣列；[0017]圖2是可以應(yīng)用本發(fā)明的核反應(yīng)堆系統(tǒng)的簡化示意圖；[0018]圖3是可以應(yīng)用本發(fā)明的核反應(yīng)堆容器和內(nèi)部部件的局部剖視圖；[0019]圖4是通過本發(fā)明的中子屏蔽面板得到的堆芯筒的剖視圖；[0020]圖5是栓接到堆芯筒的外表面中的中子屏蔽件的一部分的局部剖視圖，在中子屏 蔽件與堆芯筒的外表面之間具有提供隔開件的墊圈；[0021]圖6是堆芯筒的局部剖視圖，其中在三個側(cè)面上示出了本發(fā)明的中子屏蔽件；[0022]圖7是一個中子屏蔽面板分段的側(cè)視圖；以及[0023]圖8是圖7中所示的中子屏蔽面板分段的平面圖。
具體實施方式
[0024]現(xiàn)在參照附圖，圖2示出簡化的核反應(yīng)堆初級系統(tǒng)，其包括大致圓筒形的反應(yīng)堆 壓力容器10，該容器具有封閉核堆芯14的外殼封頭12。諸如水的液體反應(yīng)堆冷卻劑由泵 16通過堆芯14泵送到容器10中，在所述堆芯14處熱能被吸收并且排放到熱交換器18 (通 常稱為蒸汽發(fā)生器)，在所述熱交換器中熱被傳遞至諸如蒸汽驅(qū)動渦輪發(fā)電機的利用回路 (未示出)。反應(yīng)堆冷卻劑然后回到泵16，完成初級回路。典型地，多個如上所述的回路通 過反應(yīng)堆冷卻劑管道系統(tǒng)20連接至單個反應(yīng)堆容器10。[0025]圖3中更詳細地示出示例性的反應(yīng)堆設(shè)計。除了包括多個平行、豎直協(xié)同延伸的 燃料組件22的堆芯14以外，為了本說明的目的，其它的容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分成下內(nèi)部結(jié)構(gòu) 24和上內(nèi)部結(jié)構(gòu)26。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能是支承、對準和導(dǎo)引堆芯部件和 儀器，以及在容器內(nèi)指引流動。上內(nèi)部結(jié)構(gòu)約束或提供用于燃料組件22(為了簡便，僅示出 兩個)的次級約束，并且支承和導(dǎo)引諸如控制棒28的儀器和部件。[0026]在圖3中所示的示例性的反應(yīng)堆中，冷卻劑通過一個或多個入口噴嘴30進入容器 10，向下流動通過容器與堆芯筒32之間的環(huán)形空間或降液管，在下穩(wěn)壓室34中轉(zhuǎn)過180°， 向上通過下支承板37和下堆芯板36 (燃料組件22位于該下堆芯板36上)，并且通過燃料 組件附近。在某些設(shè)計中，下支承板37和下堆芯板36由在與37相同的位置處的單個結(jié)構(gòu) (下堆芯支承板)替換。流動通過堆芯和圍繞區(qū)域38的冷卻劑流量通常很大，在大約20英 尺每秒的速度下為400，000加侖每分鐘的量級。所得到的壓降和摩擦力易于使燃料組件升 起，該運動由包括圓形上堆芯板40的上內(nèi)部結(jié)構(gòu)約束。離開堆芯14的冷卻劑沿上堆芯板 的下側(cè)流動并向上通過多個穿孔42。冷卻劑然后向上徑向地流到一個或多個出口噴嘴44。[0027]上內(nèi)部結(jié)構(gòu)26可以從容器或者容器頭部支承并且包括上支承組件46。載荷主要 通過多個支承柱48在上支承組件46和上堆芯板40之間傳遞。支承柱在所選擇的燃料組 件22和上堆芯板40中的穿孔42上方對準。[0028]可直線運動的控制棒28典型地包括中子毒物棒的多腳架組件52和驅(qū)動軸60，所 述中子毒物棒由控制棒導(dǎo)管54導(dǎo)引通過上內(nèi)部結(jié)構(gòu)26進入已對準的燃料組件22中。導(dǎo) 管固定地結(jié)合到上支承組件46并由壓配合到上堆芯板40的頂部中的開口銷56連接。銷 結(jié)構(gòu)使導(dǎo)管組裝和更換容易(如果有必要)，并且確保尤其在地震或其它高負荷意外條件下主要由支承柱46而不是導(dǎo)管54承擔堆芯負荷。這有助于在會有害地影響控制棒插入能 力的意外條件下阻礙導(dǎo)管變形。[0029]如先前所提及，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從反應(yīng)堆堆芯施加在容器上的中子通量導(dǎo)致反應(yīng)堆容 器的材料變脆。為此，施加在反應(yīng)堆容器上的最大注量(fluence)由核監(jiān)視委員會在規(guī)章 指南1. 99中限制。為了避免在某些反應(yīng)堆設(shè)計中超過這些限制，圖3中所示的中子屏蔽件 58在繞基本軸線圓周地間隔開的位置處圍繞堆芯筒放置，在該處注量由于最接近燃料組件 而最大。中子屏蔽件基本上沿著大體等于堆芯內(nèi)的燃料元件的高度延伸。測定中子屏蔽件 58的厚度以將反應(yīng)堆容器10上的中子注量減小到由核監(jiān)視委員會在規(guī)章指南1. 99中設(shè)定 的限制以下。如可以參見圖3，中子屏蔽件限制容器10的壁和堆芯筒32之間的降液管區(qū) 域，并且從而對冷卻劑流產(chǎn)生限制，其中引入的冷卻劑通過該區(qū)域被引到堆芯14。本發(fā)明通 過設(shè)計每個中子屏蔽面板而最小化該限制，所述中子屏蔽面板具有面對堆芯筒的大致的凹 面和面對壓力容器內(nèi)側(cè)壁的大致的凸面，每個面板都在凹面和凸面之間具有可變的厚度。[0030]圖4中示出堆芯筒32的剖視圖，其示出本發(fā)明的中子屏蔽面板58。中子屏蔽面板 58示出處在堆芯筒32的各基本軸線的周邊處，并且通過螺栓60固定在中心和每個圓周端 部處。如可以參見圖4，中子屏蔽面板58在其中心處最厚并且向側(cè)面漸縮。優(yōu)選地，中心 的厚度是3英寸(7. 62厘米)，并且面板沿著圓周方向漸縮到大約I英寸(2. 54厘米)。螺 栓60延伸通過中子屏蔽面板中的孔，并且擰緊到堆芯筒32中的相對應(yīng)的開口中。圍繞堆 芯筒32間隔開的吊籃62支承反應(yīng)堆容器材料的標本，所述反應(yīng)堆容器材料的標本周期地 從反應(yīng)堆去除以用于測試來確定容器金屬的狀態(tài)。[0031]圖6不出堆芯筒32的正視圖，堆芯筒32的一部分被切除以不出中子屏蔽面板58 至堆芯筒壁的連接的側(cè)視圖。圖6中所示的中子屏蔽面板58由三個分開的矩形段66構(gòu)成 以減小將段66緊固到堆芯筒32的螺栓60上的應(yīng)力，所述應(yīng)力是由于碳鋼堆芯筒和不銹鋼 中子屏蔽面板段66之間的熱膨脹差異所導(dǎo)致。如圖6中所示，各面板分段66是豎直方向 上尺寸較長的基本矩形形狀的。通常，除了在上面板66上方的上斜邊緣64以外，三個面板 66全部具有基本相同的設(shè)計。[0032]如可以從圖6的右側(cè)上的中子屏蔽面板看到，面板分段66之間的界面具有傾斜的 相對邊緣，該相對邊緣倒轉(zhuǎn)地匹配相鄰的分段66的相對邊緣上的傾斜面，并且相對的相鄰 邊緣彼此間隔開以允許反應(yīng)堆冷卻劑在之間穿過以冷卻分段。優(yōu)選地，各分段66都由不銹 鋼構(gòu)造。[0033]圖5示出中子屏蔽面板66和堆芯筒32之間的聯(lián)接的放大剖視圖。在堆芯筒32 和中子屏蔽板58之間插置有墊圈70以在其之間維持空間72，用于通過冷卻劑以幫助堆芯 筒和中子屏蔽面板二者的冷卻。[0034]圖7不出中子面板分段66的側(cè)視圖，并且圖8不出中子面板66的正視圖。從圖7 和8中的視圖，可以更好地示出先前參照圖6標注的斜面頂部部分64和傾斜的下部分68。 另外，在面板66的下側(cè)上設(shè)置有圓周的冷卻通道74以進一步促進冷卻。[0035]如上所述，期望地，三個這樣的面板66在堆芯筒32的外側(cè)上被串聯(lián)地堆疊在圍繞 堆芯的四個基本坐標處中的每個處，并且通過螺栓60固定到堆芯筒。但是，應(yīng)當理解到也 可以采用延伸到燃料棒的高度的單個面板作為替代，只要用于將延伸的面板固定到堆芯筒 的外側(cè)的裝置被設(shè)計成容許中子屏蔽件58和堆芯筒32材料之間的熱膨脹差異就可以。[0036]本發(fā)明的一個關(guān)鍵因素是使面板在圓周方向上的厚度變化，以便使最大的徑向厚 度是在最高的注量的點處，而在注量水平較低的鄰近位置處的厚度較小。該布置允許相對 較小的反應(yīng)堆容器直徑，這減小了設(shè)備設(shè)計的其它部件上的沖擊。另外，借助圓周方向上的 可變的厚度，減小了降液管流動阻塞，以便使反應(yīng)堆壓力容器壓降和內(nèi)部結(jié)構(gòu)振動水平低 于更傳統(tǒng)的反應(yīng)堆設(shè)計中使用平均面板厚度的情況。因為面板的厚度在最高注量的位置處 最大，厚度方面的益處在需要的位置獲得，并且在注量較低的位置處較小。[0037]雖然已經(jīng)詳細說明本發(fā)明的具體實施例，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將應(yīng)理解，考慮 所公開的全部教導(dǎo)，可對這些細節(jié)進行各種修改和替換。因此，所公開的具體實施例僅表示 示例且不限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍將由所附權(quán)利要求
的全部范圍及其任何和全部 等同方案所給出。
權(quán)利要求
1.ー種核反應(yīng)堆,包括 具有內(nèi)部側(cè)壁的壓カ容器； 堆芯筒，其布置在所述壓カ容器內(nèi)，以周向地包圍核堆芯，所述堆芯筒和壓カ容器側(cè)壁限定降液管區(qū)域；以及 布置在所述降液管區(qū)域中的多個周向地間隔開的中子屏蔽面板，每個中子屏蔽面板都具有面對所述堆芯筒的凹面和面對壓カ容器側(cè)壁的凸面，每個中子屏蔽面板從中心到側(cè)面在所述凹面和所述凸面之間具有變化的厚度，其中所述中子屏蔽面板的厚度沿著圓周方向變化，并且在中心處最大且向側(cè)面漸縮。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的核反應(yīng)堆，其中，所述厚度在所述中心處是大約7.62厘米并且在所述側(cè)面上漸縮到大約2. 54厘米。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的核反應(yīng)堆，其中，所述中子屏蔽面板由不銹鋼構(gòu)造。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的核反應(yīng)堆，其中，所述中子屏蔽面板的頂部被倒角。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的核反應(yīng)堆，其中，所述堆芯筒具有沿著豎直方向延伸的中心軸線，并且所述中子屏蔽面板由豎直堆疊的多個單獨的分段構(gòu)造。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的核反應(yīng)堆，其中，所述分段中每個都是具有兩個較長側(cè)邊的矩形，所述較長側(cè)邊沿著所述豎直方向延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的核反應(yīng)堆，其中，所述分段中每個都具有大約相同的尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的核反應(yīng)堆，其中，所述分段的數(shù)量是三個。
9.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的核反應(yīng)堆，其中，所述分段中每個都被栓接到所述堆芯筒。
10.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的核反應(yīng)堆，其中，所述中子屏蔽面板的凹面的至少一部分通過隔開件與所述堆芯筒的外徑間隔開。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的核反應(yīng)堆，其中，所述隔開件是墊圏。
12.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的核反應(yīng)堆，其中，每個中子屏蔽面板分段都具有傾斜的相對邊緣，所述傾斜的相對邊緣倒轉(zhuǎn)地匹配相鄰分段的相對邊緣上的斜面，其中，相鄰的相對邊緣彼此間隔開以允許反應(yīng)堆冷卻劑通過所述相鄰的相對邊緣之間，從而冷卻中子屏蔽面板分段。
13.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的核反應(yīng)堆，其中，所述中子屏蔽面板在面對所述堆芯筒的凹面中具有促進冷卻的槽。
專利摘要
在一種核反應(yīng)堆中，厚度沿著圓周方向變化的中子面板布置在圍繞反應(yīng)堆堆芯的間隔開的圓周位置處，以便使最大的徑向厚度位于最高注量的點處，在注量水平較低的相鄰位置處的厚度較小。中子面板布置在堆芯筒和反應(yīng)堆容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間，以將對容器的輻射暴露維持在可接受的限制范圍內(nèi)。
文檔編號G21C7/06GKCN101884072SQ200880119009
公開日2013年3月27日 申請日期2008年11月24日
發(fā)明者N·R·辛格爾頓 申請人:西屋電氣有限責(zé)任公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (7),