用于反应堆的内部流动结构的制作方法

本实用新型涉及核反应领域，尤其涉及一种用于反应堆的内部流动结构。

背景技术：

在泰拉能源行波反应堆(TWR)裂变设施(其更通常可称为核裂变爆燃波反应堆或核燃烧波反应堆)中，主要反应堆构件是充填有液态钠冷却剂的反应堆容器和反应器芯体。TWR裂变设施是依靠现场增殖并燃烧的亚临界重载燃料运行的直通式快速反应堆。反应堆芯体浸入反应堆容器中的钠池内。在一种设计中，在芯体的中央是由贫铀/枯竭铀(U-238)的棒包围的一些浓缩铀(U-235)的棒。U-235用作引发剂，快速启动(kick starting)行波反应——一种经铀棒行进的平行裂变波的缓慢移动链反应。这些平行波在芯体的中央引发，从而缓慢地消耗燃料并且在芯体中发热。这种运行模式有时被设想为其中增殖并然后燃烧可裂变物质的波将相对于燃料行进的反应堆。然而，泰拉能源的TWR裂变设施还包括所谓的“驻波”设计，其中作为使反应经静态棒径向向外传播的替代方案，反应堆芯体的中央附近的耗尽铀棒与来自反应堆芯体外周的未耗尽铀棒调换。

钠冷却剂用于从芯体散热。安全壳包围反应堆容器以在万一从反应堆容器泄漏的情况下防止钠冷却剂的损失。泵使主钠冷却剂在反应堆芯体与位于池内的中间热交换器之间循环。这些热交换器在热交换器的另一侧具有非放射性的中间钠冷却剂。经加热的中间钠冷却剂循环到产生蒸汽以驱动发电机的涡轮的蒸汽发生器。

理论上，TWR裂变设施不需要燃料再加工，使用贫铀或天然铀作为它们的主燃料，在起动时仅需少量浓缩铀，并且永远不需要再加燃料。这种芯体长寿性取决于铀的初次装料的规格和在反应堆运行期间实现的燃料燃耗率。

技术实现要素：

在一方面，本实用新型的技术涉及一种用于反应堆的内部流动结构，内部流动结构包括：大致圆形的外环；和配置在该大致圆形的外环内的格栅，其中该格栅限定(a)各自都具有大致六边形形状的多个流动开口和(b) 多个外罩开口，其中多个外罩开口中的每个外罩开口都具有基本上相似的形状，其中所述多个外罩开口的形状与所述多个流动开口的大致六边形形状不同。在一个例子中，该内部流动结构还包括导引管支承结构，该导引管支承结构具有：三个翅片(fin)；连接该三个翅片的跨接部(span)；和从该跨接部延伸的棒，其中该棒构造成固定在格栅上。在另一例子中，格栅还限定配置在多个流动开口中的三个流动开口的交叉处的多个连接开口，其中所述多个连接开口中的至少一个连接开口构造成接纳棒。在又一例子中，该内部流动结构还包括三个导引管，其中每个导引管都由所述三个翅片中的至少一个翅片支承并且与所述多个流动开口中的至少一个流动开口流体连通。在再另一例子中，每个导引管都延伸入所述多个流动开口中的一个流动开口中。

在上述方面的另一例子中，多个翅片中的每个翅片都构造成接纳传感器管道。在一个例子中，该内部流动结构还包括导引管支承结构，该导引管支承结构包括限定构造成接纳传感器管道的管道接纳装置的跨接部。在另一例子中，该内部流动结构还包括限定至少一个槽的导引管，其中该至少一个槽构造成与跨接部接合。在又一例子中，格栅限定管道开口，其中该格栅还包括传感器管道并且该传感器管道由管道开口和管道接纳装置中的每一者接纳。在再另一例子中，导引管的至少一部分配置在格栅的第一侧。

在上述方面的另一例子中，导引管的至少一部分配置在格栅的第二侧。在一个例子中，该内部流动结构还包括从大致圆形的外环的外表面延伸的至少一个支柱。在另一例子中，该内部流动结构还包括配置在格栅的第一侧的多个导引管，其中所述多个导引管经由所述多个流动开口与格栅流体连通。在又一个例子中，该内部流动结构还包括配置在格栅的第二侧的穿孔结构，其中该穿孔结构限定多个通孔。在再另一例子中，所述多个通孔由包含三角形、正方形、圆形、矩形和方圆形中的至少一者的形状限定。

在上述方面的另一例子中，该内部流动结构还包括配置在穿孔结构内的多个传动系外罩，其中所述多个传动系外罩中的每个传动系外罩都与所述多个外罩开口中的一个外罩开口连接。在一个例子中，穿孔结构固定在大致圆形的外环的外周附近。

附图说明

以下构成本申请的一部分的附图对所描述的技术而言是说明性的且并非意在以任何方式限制要求专利权的技术的范围，该范围应当基于在此所附的权利要求。

图1以框图形式示出TWR裂变设施的一些基本构件。

图2是TWR裂变设施的内部以及与其有关的访问和控制机构的局部透视图。

图3A和3B是用于内部流动结构的加工的支承结构的放大透视图。

图4是内部流动结构的放大局部透视图。

图5A-5G是示出通孔的各种构型的内部流动结构的放大局部透视图。

图6A和6B分别示出用于内部流动结构的仪器导引管构型的透视图和俯视图。

图7A和7B分别示出用于内部流动结构的仪器导引管的透视图和俯视图。

图8示出内部流动结构的内部的放大局部透视图。

具体实施方式

图1以框图形式示出行波反应堆(TWR)裂变设施100的一些基本构件。一般而言，TWR裂变设施100包括容纳多个燃料组件(未示出)的反应堆芯体102。芯体102配置在保持一定体积的液态钠冷却剂106的池 104内。池104被称为热池并且具有比也容纳液态钠冷却剂106的周围冷池108高的钠温度(归因于通过反应堆芯体102中的燃料组件产生的能量)。热池104通过凸角部(内部容器，redan)110与冷池108隔开。钠冷却剂 106的液面上方的顶部空间112充填有诸如氩气的惰性保护气体。反应堆容器114(安全壳)包围反应堆芯体102、热池104和冷池108，并且利用反应堆顶盖116密封。反应堆顶盖116提供通向反应堆容器114的内部中的各种检修点。

反应堆芯体102的尺寸基于多个因素来选择，包括燃料的特性、期望的发电量、可供使用的反应堆100空间等等。TWR裂变设施的各种例子可根据需要或期望用于低功率(约300MWe-约500MWe)、中功率(约 500MWe-约1000MWe)和高功率(约1000MWe以上)应用中。可通过在芯体102周围设置未示出的一个或多个反射体以将中子反射回到芯体102 中来改善反应堆100的性能。另外，能产生裂变物质的和可裂变的核组件在芯体102内和其周围移动(或“倒换”)以控制其中发生的核反应。

钠冷却剂106经由主钠冷却剂泵118在容器114内循环。主冷却剂泵 118从冷池108抽吸钠冷却剂106并且在反应堆芯体102下方将它喷射到增压室(plenum)中。冷却剂106强制向上通过芯体并且由于反应堆芯体 102内发生的反应而被加热。加热的冷却剂106从热池104进入(一个或多个)中间热交换器120，并且离开中间热交换器120并重新进入冷池108。这种主冷却剂环路122因而使钠冷却剂106完全在反应堆容器114内循环。

中间热交换器120结合了始终与主钠池104和108物理地分开(即，中间钠和主钠永远不会融合)的液态钠闭环的一段。中间热交换器120将热从主冷却剂环路122(完全容纳在容器114内)传递到中间冷却剂环路 124(仅部分地位于容器114内)。中间热交换器120穿过凸角部110，从而桥接热池104和冷池108(以便允许主冷却剂环路122中的钠106在其间流动)。在一个例子中，四个中间热交换器120分布在容器114内。或者，两个或六个中间热交换器120分布在容器114内。

中间冷却剂环路124使经管道进出容器114的钠冷却剂126经由反应堆顶盖116循环。位于反应堆容器114的外部的中间钠泵128使钠冷却剂 126循环到发电系统123。热从主冷却剂环路122的钠冷却剂106传递到中间热交换器120中的中间冷却剂环路124的钠冷却剂126。中间冷却剂环路124的钠冷却剂126经过中间热交换器120内的多个管130。这些管130 保持主冷却剂环路122的钠冷却剂106与中间冷却剂环路124的钠冷却剂 126分隔开，同时在其间传递热能。

直接热交换器132延伸入热池104内并且通常在紧急情况下向主冷却剂环路122内的钠冷却剂106提供冷却。直接热交换器132构造成允许钠冷却剂106从热池104进入和离开热交换器132。直接热交换器132具有与中间热交换器120相似的结构，其中管134保持主冷却剂环路122的NaK (钠-钾)与直接反应堆冷却剂环路138的直接热交换器冷却剂(NaK)136 分隔开，同时在其间传递热能。

(位于反应堆容器114内的和位于反应堆容器114外的)其它辅助反应堆构件包括但不限于未示出但对本领域技术人员而言显而易见的泵、止回阀、截止阀、凸缘、排泄槽等。穿过反应堆顶盖116的另外的贯通孔(例如，用于主冷却剂泵118的端口、惰性保护气体和检查端口、钠处理端口、保护气体端口等)未示出。控制系统140用于控制和监测组成反应堆100 的各种构件和系统。

宽泛而言，本公开描述了改善上述反应堆的性能的构型。具体地，允许监视芯体和其中发生的反应以及容器内的钠的适当流动的内部容器构件的例子、构型和布置结构被示出并且以下参考下图更详细地描述。

图2是TWR反应堆200的内部的局部透视图。内部流动结构主体部 202与配置在反应堆顶部(未示出)上的旋转塞组件204连接。两个仪器管道壳体206位于旋转塞组件204上。管道从管道壳体206经旋转塞组件 204延伸入反应堆200的热池208内。管道未被示出，但穿过(与各仪器管道壳体200相关的)集管210。管道在内部流动结构主体部202内终止于反应堆芯体212的上方。能够监视各种反应堆参数如温度和流速的仪器插入管道内并定位在芯体212附近。根据特定用途的要求或希望，这种仪器可包括传感器、(电)线、探针或其组合等。

内部流动结构主体部202与旋转塞组件204连接以便与其一起旋转。例如，内部流动结构可按需在芯体212的上方围绕轴线A旋转以便提供对芯体的访问。需要该访问以在反应过程中倒换芯体212内的燃料组件。内部流动结构主体部202中还包括若干构件。这些构件包括流动和温度组件、流动和温度组件干井以及仪器导引管216。这些构件各自都与从仪器管道壳体206向下延伸的管道相关。另外，内部流动结构主体部202收纳与位于旋转塞组件204上的控制棒驱动机构214连接的传动系外罩(未示出)。控制棒驱动机构214和相关的传动系外罩与反应堆200的安全有关。例如，如果需要的话，控制棒可经由相关的驱动机构和传动系外罩传送到芯体 212中以便停止其中发生的反应。

仪器导引管216在内部流动结构主体部202的底部218下方延伸。内部流动结构主体部202的底部218由以下更详细地描述的下部组件220限定。内部流动结构主体部202可经由焊接或紧固件固定在下部组件220上。多个导引管216在下部组件220下方延伸，以便形成用于向上流经芯体212 的钠的管道。在处于芯体212中时，钠通过其中发生的反应而被加热。因此，导引管216接纳钠流，从而允许配置在其中的传感器检测芯体212中的各个位置处的温度、压力或其它参数。另外，导引管216也用作允许芯体构件喷嘴密封环在发生抬离(lift off)的情况下保持接合的芯体构件抬离限制器，从而维持钠流。这种信息可根据要求或希望被用于实现芯体内的燃料的适当倒换、废燃料的移除或新燃料的导入、错误、堵塞、低流量状态的检测等。内部流动结构主体部202被穿孔以便限定穿过其中的多个通孔222。所示为圆形的通孔222允许钠从内部流动结构主体部202流出。通孔222的形状、尺寸、位置和数量可针对特定应用根据要求或需要限定。以下更详细地描述各种构型。支架形式的抗震装置224从下部组件220延伸以与芯体212内的结构接合。

图3A和3B是用于内部流动结构的支承结构220a、220b的两个实施例的放大透视图并且总体上一并描述。每个支承结构220a、220b都包括可大致呈圆形并由单块材料加工而成的外环250a、250b。例如，在相关的内部流动结构具有不同形状的情况下，可设想其它形状。多个支柱252a、252b 从外环250a、250b的外表面延伸。支柱252a、252b可与抗震装置连接，该抗震装置在地震事件期间阻止内部流动结构相对于芯体的移动。格栅 254a、254b或构造成允许钠流过其中(并流入内部流动结构的内部)的另一网状结构跨接外环250a、250b的内部。格栅254a、254b可由多个分散的金属跨接部255a、255b形成。各跨接部255a、255b可直接固定到位，或者多个跨接部可形成为格栅254a、254b的一部分，然后可将这些部分固定在外环250a、250b上或固定在相邻的格栅部分上。

格栅254a、254b具有多种功能。穿过格栅254a、254b的各种开口允许钠流过其中。另外，格栅254a、254b的开口结构减少了热剥离的发生，具有较少数量的穿过其中的流动穿透部的实心板更容易发生热剥离。数量增加的流动穿透部允许传感器被安置在格栅254a、254b附近的大量位置。这允许传感器的更宽分布(例如，反应堆芯体的正上方)，从而能够更准确地检测芯体的流量、温度和其它参数(例如，通过流过其中的钠测定)。因此，钠更容易流经传感器并通过格栅254a、254b，从而减少或消除流动死端。格栅254a、254b的开口构型允许在维持内部流动结构的刚性下部结构的同时提高通过其中的流量。另外，由于抑制支架固定在外环250a、250b 上，所以格栅也有助于在地震事件期间分配施加在支承结构220a、220b 上的横向载荷。另外，格栅254a、254b允许配置在格栅254a、254b下方的用于传感器的连接点，以及用于供钠流过的导引管的连接点。格栅254a、 254b还限定穿过其中的多个外罩开口258a、258b。这些外罩开口与控制棒传动系外罩匹配，以允许控制棒在需要的情况导入芯体以停止反应。另外，多个外罩开口258a、258b横向地支承外罩并且将它们与芯体对齐。在一些例子中，多个外罩开口258a、258b也可竖直地支承外罩。

在所示的例子中，格栅254a、254b限定至少三种不同类型的开口。这些开口包括流动开口256a、256b、外罩开口258a、258b和连接开口260a 或管道开口260b。流动开口256a、256b总体上呈六边形并且在其顶点 262a、262b和边缘264a、264b处与相邻的流动开口交叉。如图所示，各流动开口256a、256b并非完全呈六边形，而是可以由于相邻开口如外罩开口258a、258b、连接开口260a或管道开口260b或外环250a、250b而稍微偏离该形状。一般而言，流动开口256a、256b为穿过格栅254a、254b 的主钠流动路径提供最低的与其相关的伴随的压力上升。支承结构220a、 220b在芯体上方的高程可被调节以最大限度地减少热剥离现象，并且仪器导引管高程被优化以促进钠流经其中。外罩开口258a、258b大体呈圆形以便接纳内部流动结构内的适当地成形的控制棒传动系外罩。外罩开口 258a、258b在格栅254a、254b中定位成使得，当内部流动结构位于芯体上方时(例如，当抑制系统接合以便防止芯体与内部流动结构之间的相对移动时)，外罩开口258a、258b配置在芯体内构造成接纳控制棒的预定位置上方。这有助于确保控制棒被横向地和/或竖向地支承，并且可在希望时容易地导入芯体以停闭反应。

在图3A和3B中，连接开口260a或管道开口260b的形状和位置在两个实施例之间变化。在图3A中，连接开口260a总体上配置在三个相邻的流动开口256a的顶点处。在一些例子中，连接开口260a构造成接收来自配置在格栅254a下方的导引管支承结构的棒。这些导引管支承结构以下在图6A和6B中更详细地描述并且通常用于支承格栅下方多达三个的导引管。因此，棒可插入连接开口260a内并与其机械地联接。在另一例子中，不存在连接开口260a并且棒可直接固定在格栅254a上。在这种情况下来自各导引管支承结构的棒可直接固定在格栅254a上。在图3A所示的格栅 254a构型中，多达三个的导引管支承结构可被支承在各连接开口260a处，从而将各导引管与相关的流动开口256a对齐。

在图3B所示的例子中，示出了多个管道开口260b。每个管道开口260b 都构造成接纳传感器管道中向下延伸入管道开口260b内的传感器管道之一。管道开口260b包括导引管支承结构以支承单个导引管。因此，从这样定位的导引管通过的流将向上通过与管道开口260b相邻的三个流动开口 256b(以下在图7A和7B中示出)。支承导引管的上述结构——即导引管支承结构——以下在图7A和7B中描述。

图4是内部流动结构主体部400的放大局部透视图。如上所述，内部流动结构主体部400与下部组件404的外环402连接。多个抑制系统406 (本例中为三个)与外环402和内流动结构主体部400两者连接。多个导引管408配置在格栅410下方并且可如上所述相对于其固定。导引管408 的阵列限定多个间隙412。这些间隙412与格栅410中的控制棒传动系外罩开口对齐。这些控制棒可以在希望或需要时穿过其下降到芯体中以停闭其中的反应。内部流动结构主体部400限定多个通孔414以使得钠能够流过其中。这些通孔414可针对特定应用根据要求或希望为任何尺寸或形状因素，并且其例子在图5A-5G中被示出。

图5A-5G是示出通孔502的各种构型的内部流动结构主体部 500a-500g的放大局部透视图。全部图5A-5G共有的元件不必更详细地描述。一般而言，各内部流动结构主体部500a-500g在芯体内限定包围各种管道、外罩和用于感测状态或控制反应的其它构件的内部。因此，内部流动结构主体部500a-500g在燃料操纵、插入和移除步骤期间的内部流动结构主体部500a-500g的旋转期间有效地容纳这些构件。由于钠向上流经芯体，所以有利的是内部流动结构主体部500a-500g提供用于该钠从其内部逸出的装置，以降低其中的压力。因此，内部流动结构主体部500a-500g 被穿孔或以其它方式限定呈各种形状、具有各种尺寸和处于各种位置的通孔502a-502g。这里设想并示出了诸如圆形、三角形、正方形、矩形和方圆形的形状。内部流动结构主体部500a-500g中的通孔502a-502g的变化有助于促进钠流经其中，这可有助于停闭期间的自然循环。

图5A示出由内部流动结构主体部500限定的圆形通孔502。在内部流动结构主体部500上的较低位置504，圆形通孔502a可更密集地布置(相比于较高位置506)，以便允许更大的通过其中的钠流量，从而降低内部流动结构主体部500内的压力。图5B示出围绕内部流动结构主体部500 的下部504布置的单排正方形通孔502b，而图5C示出围绕内部流动结构主体部500的下部504的两排正方形通孔502c。通孔的尺寸可针对特定应用根据要求或希望变化。尽管可能希望多个分散的通孔以维持内部流动结构主体部500的结构完整性，但图5D示出可用于降低内部流动结构主体部500内的钠的压力的细长矩形通孔502d。

图5E和5F示出包括三角形通孔502e、502f的内部流动结构主体部 500e、500f的两个例子。在图5E中，各三角形通孔502e的最长边布置成沿内部流动结构主体部500e大致是竖直的，而在图5F中，通孔502f的最长边大致是水平的。特别地，三角形通孔502e、502f也沿内部流动结构主体部500e、500f的基本上全部高度布置，以便提高通过其中的钠流量。

尽管图5A-5F示出具有一致的尺寸和形状的通孔502a-502f，但内部流动结构主体部500也可在内部流动结构主体部500的不同位置处采用具有不同的尺寸和/或形状的通孔。图5G例如示出具有大致矩形形状的第一通孔502g配置在内部流动结构主体部500的下部504附近的构型。在内部流动结构主体部的上部506，采用了具有大致三角形形状的第二通孔508。因此，图5A-5G表明可以在内部流动结构主体部中采用几乎任何构型、尺寸或形状的通孔502a-502g。

图6A和6B分别示出用于内部流动结构的导引管支承结构600构型的透视图和俯视图，并且一并描述。各导引管601的一部分配置在诸如上述的内部流动结构的格栅602的下方。三个导引管601由单个上导引管支承结构604支承。导引管支承结构604包括延伸入三个导引管601中的每个导引管内的Y形跨接部606。棒607从Y形跨接部606的中央部分延伸并且可固定在格栅602上(例如，在上述连接开口处)。各导引管601中的槽608为Y形跨接部606提供接合和支承导引管601的位置。Y形跨接部 606的各臂终止于构造成接纳传感器管道610的管道接纳装置处，所述传感器管道610穿过(上述)内部流动结构主体部向下延伸。传感器管道610 延伸得比上导引管支承结构604低并且终止于导引管601的下部附近的下导引管支承结构612附近。与上导引管支承结构604相似，下导引管支承结构612包括Y形跨接部和多个管道接纳装置。下导引管支承结构612可通过在上、下Y形跨接部的中央部分之间延伸的细长延伸部(未示出)与上导引管支承结构604连接。然而，在所示的例子中，两个导引管支承结构604、612彼此分离开。上、下导引管支承结构604、612两者有助于维持导引管601的间距和支承导引管601。如可见的，各导引管601的轴线 (由传感器管道610限定)与格栅602的各流动开口618的中心大致对齐。各导引管601可终止于格栅602的底面处或其下方，或终止于流动开口618 内，或终止于格栅602的上方。

图7A和7B分别示出用于内部流动结构的导引管支承结构700构型的透视图和俯视图，并且一并描述。各导引管701的一部分配置在内部流动结构的格栅702的下方。单个导引管701由下导引管支承结构712支承。下导引管支承结构712包括向外延伸以便与导引管701中的三个下部槽 708接合的Y形跨接部714，以便支承导引管701。各导引管701中的三个上部槽720为导引管提供与格栅702接合的位置。因此，从图7A和7B所示的导引管701通过的钠流总体上在三个分开的流动开口718a、718b、718c 之间被分割。Y形跨接部714的中央部分限定构造成接纳传感器管道710 的管道接纳装置716。传感器管道710穿过格栅702(例如，在以上在图 3B中描述的管道开口260处)向下延伸。这里，格栅702维持导引管701 的间距并且可向其提供进一步支承。如可见的，各导引管701终止于格栅 702的上方，不过可设想其它终止位置。

图8示出内部流动结构的内部800的局部透视图，示出了控制棒传动系外罩802。控制棒传动系外罩802构造成与格栅804中的外罩开口对齐。这允许控制棒按需被传送到芯部中以停止其中的反应。在此构型中，控制棒传动系外罩802由支承板806支承，所述支承板806进一步构造成允许钠流过其中。支承板806由限定穿过其中的多个通路810的腹板(webbing) 808形成。通路810允许钠流动并且允许传感器管道812通过，所述传感器管道812如上所述向下延伸到导引管814。外罩支承环816由支承板806 进一步限定并且允许控制棒传动系外罩802通过其中。在一些例子中，控制棒传动系外罩802可利用机械紧固件或经由焊接固定在外罩支承环816 上。支承板806可在外环818处固定在内部流动结构主体部上，或者外环 818可形成内部流动结构主体部自身的外部部分。在另一例子中，不必采用支承板806，且控制棒传动系外罩802可与格栅804对齐并且例如在以上在图3A和3B中描述的各外罩开口处由格栅自身直接支承。

应理解，本公开不限于在此公开的具体结构、处理步骤或材料，但扩展至相关领域的普通技术人员将认识到的它们的等同物。还应理解，这里使用的术语仅仅是出于描述具体实施例的目的，且并非意图进行限制。必须指出的是，如在本说明书中所用，单数形式的“一”、“一个”和“所述的”包括复数的指代，除非在上下文中另有明确的说明。

将显而易见的是，这里描述的系统和方法很好地适合实现提到的目的和优点以及其中固有的目的和优点。本领域的技术人员将认识到，本说明书内的方法和系统可采用许多方式实施并且因此不应受前面例示的实施例和例子限制。在这方面，这里描述的不同实施例的任意数量的特征可组合成一个实施例并且具有比这里描述的全部特征多或少的特征的替代实施例是可以的。

虽然已出于本公开的目的描述了各种实施例，但可做出各种变更和修改，其同样处于本公开所设想的范围内。可做出本领域的技术人员将容易地想到并且被涵盖在本公开的精神内的许多其它变更。