反应性控制系统和核反应堆的制作方法

本实用新型的实施例涉及一种用于核反应堆的反应性控制系统和核反应堆。

背景技术：

目前常用的反应堆反应性控制方法是通过将控制棒插入反应堆堆芯并进行上下移动来控制中子反应性，其原理是通过控制棒中吸收体对反应堆中的中子进行吸收，调节反应堆内的中子平衡，从而达到反应性控制和停堆的目的。反应堆的控制棒材料通常选用B₄C或者银-铟-镉等固体金属。

技术实现要素：

本实用新型的实施例的目的是提供反应性控制系统和核反应堆，由此例如，可以简化反应性控制系统和核反应堆的结构。

根据本实用新型的实施例，提供了一种用于核反应堆的反应性控制系统，该反应性控制系统包括：多个分支管道，多个分支管道中的每一个的至少一部分适于设置在核反应堆的堆芯中；多种控制颗粒；多个控制颗粒输入装置，所述多个控制颗粒输入装置分别用于将多种控制颗粒输入分支管道的上端；以及颗粒输出管道，与分支管道的下端连接，用于从分支管道输出控制颗粒。

根据本实用新型的实施例，多种控制颗粒的粒径彼此不同。

根据本实用新型的实施例，反应性控制系统还包括：分选装置，所述分选装置用于将颗粒输出管道输出的颗粒进行分选，并将分选后的颗粒供给多个控制颗粒输入装置中的对应的控制颗粒输入装置。

根据本实用新型的实施例，反应性控制系统还包括：提升装置，用于提升颗粒输出管道输出的颗粒并供给所述分选装置。

根据本实用新型的实施例，多种控制颗粒包括增强反应性的颗粒和降低反应性的颗粒。

根据本实用新型的实施例，多种控制颗粒还包括维持反应性的颗粒。

根据本实用新型的实施例，每一个分支管道包括主体和形成在该主体中的横截面面积不同的多种孔，以在填充多种控制颗粒中的至少一种时提供不同的反应性；或者每一个分支管道包括多种分管道，多种分管道分别具有横截面面积不同的多种孔，以在填充多种控制颗粒中的至少一种时提供不同的反应性。

根据本实用新型的实施例，多种孔包括多种直径的圆孔。

根据本实用新型的实施例，多种直径的圆孔包括4种直径的圆孔，4种直径的圆孔的横截面面积的比值是：1∶12∶6∶3。

根据本实用新型的实施例，反应性控制系统还包括：设置在每一个分支管道上端，用于分别存储多个控制颗粒输入装置输送的多种控制颗粒的多个颗粒存储管；以及用于将多个颗粒存储管中存储的多种控制颗粒导入分支管道的导入管。

根据本实用新型的实施例，反应性控制系统还包括：设置在多个颗粒存储管的下端用于开启和关闭多个颗粒存储管的下端的开口的阀门。

根据本实用新型的实施例，反应性控制系统还包括：设置在多个分支管道的下端用于开启和关闭多个分支管道的下端的开口的阀门。

根据本实用新型的实施例，反应性控制系统还包括：控制器，所述控制器控制所述阀门的开启和关闭，使得多个分支管道中的至少一个注入多种控制颗粒中的至少两种控制颗粒，而在竖直方向上形成不同控制颗粒的区段。

根据本实用新型的实施例，提供了一种核反应堆，核反应堆包括：堆芯；以及上述反应性控制系统，其中所述分支管道的至少一部分设置在所述堆芯中。

根据本实用新型的实施例，例如可以简化反应性控制系统和核反应堆的结构。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为根据本实用新型实施例的具有反应性控制系统的核反应堆的立体示意图；

图2为根据本实用新型实施例的具有反应性控制系统的核反应堆的示意图；

图3为根据本实用新型实施例的具有反应性控制系统的核反应堆的在堆芯中的分支管道的示意图；以及

图4为根据本实用新型的实施例的反应性控制系统的分支管道的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本实用新型的具体实施方式。

以下结合附图对本实用新型的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1为根据本实用新型实施例的具有反应性控制系统的核反应堆的立体示意图；图2为根据本实用新型实施例的具有反应性控制系统的核反应堆的示意图；图3为根据本实用新型实施例的具有反应性控制系统的核反应堆的在堆芯中的分支管道的示意图；以及图4为根据本实用新型的实施例的反应性控制系统的分支管道的示意图。参见图1至4，根据本实用新型的实施例的核反应堆包括：堆芯17；以及反应性控制系统。反应性控制系统的分支管道的至少一部分设置在所述堆芯中。

如图1至4所示，根据本实用新型的实施例的用于核反应堆的反应性控制系统100包括：多个分支管道15，多个分支管道15中的每一个的至少一部分适于设置在核反应堆的堆芯17中；多种控制颗粒；多个控制颗粒输入装置，所述多个控制颗粒输入装置分别用于将多种控制颗粒输入分支管道15的上端；以及颗粒输出管道5，与分支管道15的下端连接，用于从分支管道15输出控制颗粒。多种控制颗粒的粒径可以彼此不同。此外，多种控制颗粒也可以是比重不同，添加的材料不同，形状不同，或在其它方面不同，以便能够由分选装置进行分选。多种控制颗粒可以包括增强反应性的颗粒和降低反应性的颗粒，或者多种控制颗粒可以包括增强反应性的颗粒，降低反应性的颗粒，和维持反应性的颗粒。

如图1和图2所示，根据本实用新型的实施例，反应性控制系统100还包括分选装置7，所述分选装置7用于将颗粒输出管道5输出的颗粒进行分选，并将分选后的颗粒供给多个控制颗粒输入装置中的对应的控制颗粒输入装置。

如图1和图2所示，根据本实用新型的实施例，反应性控制系统100还包括提升装置6，用于提升颗粒输出管道5输出的颗粒并供给所述分选装置7。

如图3和图4所示，每一个分支管道15包括主体151和形成在该主体151中的横截面面积不同的多种孔，以在填充多种控制颗粒中的至少一种时提供不同的反应性；或者每一个分支管道15包括多种分管道，多种分管道分别具有横截面面积不同的多种孔，以在填充多种控制颗粒中的至少一种时提供不同的反应性。多种孔可以包括多种直径的圆孔。例如，多种直径的圆孔包括4种直径的圆孔，4种直径的圆孔的横截面面积的比值是：1∶12∶6∶3。多种孔可以大致平行，且大致竖直延伸。

如图1和图2所示，根据本实用新型的实施例，反应性控制系统100还包括：设置在每一个分支管道15上端，用于分别存储多个控制颗粒输入装置输送的多种控制颗粒的多个颗粒存储管11、12、13；以及用于将多个颗粒存储管11、12、13中存储的多种控制颗粒导入分支管道15的导入管14。颗粒存储管11、12、13以及导入管14可以认为是分支管道15的一部分或者可以认为不是分支管道15的一部分。

如图1和图2所示，根据本实用新型的实施例，反应性控制系统100还包括：设置在多个颗粒存储管11、12、13的下端，用于开启和关闭多个颗粒存储管11、12、13的下端的开口的阀门。如图1和图2所示，根据本实用新型的实施例，设置在多个分支管道15的下端用于开启和关闭多个分支管道15的下端的开口的阀门。

如图1和图2所示，根据本实用新型的实施例，反应性控制系统100还包括：控制器，所述控制器控制所述阀门的开启和关闭，使得多个分支管道15中的至少一个注入多种控制颗粒中的至少两种控制颗粒，而在竖直方向上形成不同控制颗粒的区段。

该反应性控制系统100可以安装在任意类型反应堆系统中，多个分支管道15可以围绕反应堆堆芯17的中心轴线对称分布。分支管道15的数量可以根据实际反应堆情况具体设置，可以选用与堆芯17相同的结构材料制成。分支管道15的至少一部分可以竖直延伸。

根据本实用新型的示例，如图1至4所示，反应性控制系统100包括：分支管道15，所述分支管道15设置在核反应堆的堆芯17中，用于反应堆内中子反应性的控制。多种控制颗粒分别为反应性增强材料、中子吸收材料和反应性维持材料，用于这三种控制颗粒的输入管道分别包括环形主管道1、2、3和分支管道15，每一种控制颗粒的输入管道都包括一条主管道1、2、3和多条与之相连的分支管道，每条分支管道又包括作为颗粒存储管11、12、13的垂直段和作为导入管14的汇聚段。主管道1、2、3和分支管道均位于分支管道15的上方，分别用于将反应性增强材料、中子吸收材料和反应性维持材料输入分支管道15中。分支管道15的下端连接颗粒输出管道5，颗粒输出管道5具有一定的倾斜角度，用于从分支管道15输出由多个控制颗粒输入装置输入的控制颗粒或其混合体。反应性控制系统100还包括反应性监测装置，所述反应性监测装置设置于分支管道15的上部、中部及下部，用于实时监测堆芯内部中子的反应性，并将监测信息传送至控制颗粒控制装置，例如电动阀门。控制颗粒控制装置分别位于控制颗粒输入管道各分支管道处的颗粒存储管11、12、13(垂直段)下端、分支管道15的上端入口处及分支管道15的下端与颗粒输出管道5接口处，分别用于调节相应位置的控制颗粒的输入、输出及流量、流速。例如通过控制器控制电动阀门等。反应性控制系统100还包括控制颗粒提升装置6，所述控制颗粒提升装置6位于颗粒输出管道5下游，用于将其输出的控制颗粒提升至堆芯上方的控制颗粒分选装置7。控制颗粒分选装置7位于控制颗粒提升装置6的下游，控制颗粒输入管道的上游，用于将提升上来的混合控制颗粒进行分选，重新分成三种控制颗粒，并注入三种控制颗粒相对应的输入管道中。

根据本实用新型的实施例，如图3和4所示，所述分支管道15围绕核反应堆堆芯17的中心线排列，每根分支管道15包括六棱柱的主体151及形成在主体151内部的四种尺寸的圆柱形孔，每一个分支管道15的上部都与控制颗粒分支管道中的汇聚段14相连，下部与颗粒输出管道5连接。

根据本实用新型的实施例，分支管道15的主体151可选取耐高温、耐辐照的陶瓷性材料，如碳化物、氮化物或氧化物陶瓷等(例如，氧化锆、氧化铝、氮化镐、碳化硅等，以及由这些材料混合物构成的耐高温材料)，或者金属合金(哈氏合金)等做成六边形的主体151，主体151上设置不同数量四种直径分别为D1、D2、D3、D4的圆柱形孔作为控制颗粒的流道。四种直径的孔对应的四种横截面积分别为S1、S2、S3、S4，它们之间具有如下关系：S1＝12*S2＝6*S3＝3*S4。

根据本实用新型的另一种实施例，分支管道15还可以设计为无主体的形式，直接由不同数量四种直径的管道按一定设计要求排列并固定，外围使用六边形外壳包裹，同时在分支管道15的上端和下端设置有开孔端盖，端盖的开孔位置与相应管道位置相对应，其管道、外包壳及端盖均具有一定厚度，管道壁厚可以设置为2.5～5mm，外包壳壁厚和端盖可以分别设置为3.5～5mm，其材料可选取耐高温、耐辐照的陶瓷性材料，如碳化物、氮化物或氧化物陶瓷等(例如氧化锆、氧化铝、氮化镐、碳化硅等，以及由这些材料混合物构成的耐高温材料)，或者金属合金(哈氏合金)等。

根据本实用新型的实施例，三种控制颗粒均为球形或类球形的，但直径大小不同。其中，反应增强材料可以是碳化铍、氧化铍等中子增殖材料、中子吸收材料可以是碳化硼等中子吸收材料、维持材料可以是氧化铝、氧化镁等材料。

根据本实用新型的实施例，颗粒输出管道5包括多个分支管道及环形主管道，所述每一个分支管道的上端口与分支管道15下出口相连接，下端口与颗粒输出管道5的环形主管道连接。

根据本实用新型的实施例，颗粒输出管道5的环形主管道相对于水平面呈0度～90度的倾斜，例如，颗粒输出管道5的环形主管道相对于水平面的倾角使颗粒能够由重力移动。

根据本实用新型的实施例，在颗粒输出管道5的环形主管道的最下端连接有控制颗粒收集装置16，控制颗粒提升装置6中的提升机将收集在控制颗粒收集装置16中的控制颗粒提升至反应堆堆芯17上方的控制颗粒分选装置7。

根据本实用新型的实施例，控制颗粒分选装置7是将混合在一起的控制颗粒，按照颗粒直径或粒径的大小，重新将其分选成三种不同的控制颗粒，分别注入相应的输入管道或输入装置。

根据本实用新型的实施例，所述的用于核反应堆的反应性控制系统还包括：设置在反应性增强材料输入管道1、中子吸收材料输入管道2、反应性维持材料输入管道的环形主管道3内的颗粒传送装置，用于将分选好的控制颗粒材料分别输送至相应分支管道15处。颗粒传送装置可以是在相应分支管道15的入口处设有开口的环形辊道输送机，且在每个开口的前方或后方设置有汇聚挡板，使颗粒在滚动的同时向辊道的中心位置汇聚，颗粒传送装置也可选择其他输送机。

根据本实用新型的实施例的用于核反应堆的反应性控制系统还包括：阀门，该阀门可以连接和断开输入管道、输出管道与分支管道15之间的连通，并可以通过控制阀门的大小来调节控制颗粒的输入、输出流量及流速。

根据本实用新型的实施例，增强材料可增强反应堆的反应性，用于反应堆启动阶段或者燃料寿命末期补偿反应性的损失；吸收材料可降低反应堆的反应性，用于降低反应性或紧急停堆；维持材料可保持反应堆现有反应性，不增强也不降低反应堆的反应性。

根据本实用新型的实施例的用于核反应堆的反应性控制系统可以有效提高控制颗粒对中子的吸收效率及中子吸收的准确性。

图1和图2示出了本实用新型实施例的核反应堆反应性控制系统，图3示出了根据本实用新型的实施例的反应性控制系统堆芯17及分支管道15的横截面，图4示出了根据本实用新型实施例的反应性控制系统中分支管道15的横截面。

根据本实用新型实施例的核反应堆包括：堆芯17；以及反应性控制系统100。反应性控制系统100的分支管道15设置在所述堆芯17中。如图1至图4所示，本实用新型实施例的核反应堆反应性控制系统100包括：反应性增强材料输入主管道1、中子吸收材料输入主管道2、反应性维持材料输入主管道3、分支管道15、颗粒输出管道5、控制颗粒提升装置6、控制颗粒分选装置7以及用于对堆芯中中子反应情况进行实时检测的反应性监测装置及用于调节材料流速、流量的控制颗粒控制装置中的阀门等部件。

如图3所示，该控制系统可以安装在任意类型反应堆系统中，如临界反应堆，次临界反应堆。分支管道15相对于反应堆堆芯17的轴中心对称分布。分支管道15的数量可以根据实际反应堆情况具体设置。分支管道15可以是如图4所示的六棱柱结构，也可以是其他棱柱结构，如四棱柱、五棱柱等，在分支管道15中设置有D1、D2、D3、D4四种直径的圆柱形孔道，各种孔道横截面积之间有如下关系：S1＝12*S2＝6*S3＝3*S4，反应堆控制颗粒根据实际情况，从指定的孔道内流过。

如图1、图2所示，从控制颗粒分选装置7中分选好的三种控制颗粒通过管道8、9、10分别注入反应性增强材料输入主管道1、中子吸收材料输入主管道2、反应性维持材料输入主管道3中。通过管道中的颗粒传输装置将控制颗粒分别运送至相应分支管道15处的颗粒存储管11、12、13(例如垂直段)，并将其填满。每一条分支管道15处的颗粒存储管11、12、13(垂直段)所容纳控制颗粒的量大于与之相连的分支管道15所有孔道所能容纳的控制颗粒的总量。起始时各分支管道15处的颗粒存储管11、12、13(垂直段)下端的阀门、分支管道15各圆柱孔道上方的阀门及颗粒输出管道5与分支管道15接口处的阀门均处于关闭状态。

当发生具体情况时可按照以下控制方法进行反应性控制：(1)当监测到反应堆中某个位置的中子反应性低于设定阈值，则经过控制颗粒控制装置中的控制器的计算，开启相应位置附近的分支管道15处的颗粒存储管11(垂直段)下端的阀门及分支管道15预定孔道阀门，使增强颗粒材料经导入管14(分支汇聚管道)流入分支管道15的相应孔道中；(2)当监测到反应堆中某个位置的中子反应性高于设定阈值，则开启相应位置附近的分支管道处的颗粒存储管12(垂直段)下端阀门及分支管道15指定孔道阀门，使中子吸收颗粒经导入管14(分支汇聚管道)流入分支管道15的孔道中；(3)当监测到反应堆中下方某个位置的中子反应性高于设定阈值，而其上方某个位置的中子反应性却低于设定阈值，则先开启相应位置附近的分支管道处的颗粒存储管12(垂直段)下端的阀门及分支管道15指定孔道阀门，使中子吸收颗粒经导入管14(分支汇聚管道)流入分支管道15的孔道中，注入预设量的中子吸收颗粒后，关闭分支管道处的颗粒存储管12(垂直段)下端的阀门，打开分支管道15处的颗粒存储管11(垂直段)下端的阀门，使反应性增强颗粒经分支汇聚管道14流入分支管道15的孔道中，反之亦然；(4)当监测到反应堆中子反应性高的区域和中子反应性低的区域相隔一段距离时，可在中间加入反应性维持控制颗粒，加入方法同上。分支管道15中全部注入反应性增强颗粒，则用于启动反应堆，若全部注入中子吸收颗粒，则用于紧急停堆。控制颗粒的注入完全通过重力驱动。

考虑到控制的精细度与操作简便性，在分支管道15中设置有D1、D2、D3、D4四种直径的圆柱形孔道，各种孔道横截面积之间有如下关系：S1＝12*S2＝6*S3＝3*S4，四种直径的圆柱形孔道的数目分别为1、12、6、6，以单个S2圆孔填充满中子吸收材料时的反应性为一个基本单位μ，整个分支管道15的总反应性值为60μ。可根据计算结果选择不同数目、直径大小孔道的组合，实现-60μ～60μ的反应性控制值。若计算结果显示，选择一条直径大的孔道或选择多条直径小的孔道都能满足控制需求，则优先选择直径大的孔道进行填充。反应堆内放置多个分支管道15可以分别控制不同区域的中子。负反应性控制中孔道内使用中子吸收性材料，正反应性控制中孔道内使用中子增殖材料或者慢化材料，在功率分布控制中，一个孔道内可以分段注入不同的中子控制颗粒或不同区域的分支管道15注入不同的中子控制颗粒。功率分布控制主要用于解决堆芯内中子通量密度不均匀的现象，使其功率密度均匀。

当反应堆的反应性调节到指定标准后，打开分支管道15下方的阀门，将控制颗粒通过分支管道15导入颗粒输出管道5中，具有倾斜角度的颗粒输出管道5可将控制颗粒导入控制颗粒收集装置16中，等待控制颗粒提升装置6将其提升至控制颗粒分选装置7，控制颗粒提升装置6可选用斗式提升机、螺旋提升机等。提升至控制颗粒分选装置7中的控制颗粒，可通过大小进行分选，将三种不同的控制颗粒分开，并通过管道8、9、10分别注入增强材料输入主管道1、吸收材料输入主管道2、维持材料输入主管道3中，进行下一轮循环。控制颗粒的更换不影响反应堆的正常运行。注入分支管道15的每种控制颗粒的剂量需要根据实际需要计算。阀门可使用旋转阀门(例如，电动旋转阀门)，可调节开启口径大小。

增强材料输入主管道1、吸收材料输入主管道2、维持材料输入主管道3中的颗粒传输装置可选用斗式传送机。

根据本实用新型的实施例的反应性控制系统可以提高控制颗粒对中子的控制效率及控制范围的准确性。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。