CN106033686B - 一种可靠性高的核反应堆停堆装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于核反应堆的反应性控制技术领域，特别涉及一种具有较高可靠性的核反应堆停堆装置。该装置被安装在核反应堆控制棒导向管支撑板上方，整个装置以燃料箱为主体结构；燃料箱上端安装有顶盖，内部装有可燃毒物球，并安装有导向栅隔板和电磁开关，下端安装阀门和可燃毒物导向管。当核反应堆需要停堆时，电磁开关断电，阀门打开，燃料箱中的可燃毒物球会在重力的作用下下落，并沿着可燃毒物球导向管流入到控制棒导向管内，进入堆芯；可燃毒物球中的硼元素会吸收核反应堆中的中子，使得核反应堆的反应性下降，达到停堆的目的。该装置结构制造简易，占用空间小，无需对压力容器顶盖进行开孔，下落精准，反应迅速，不会发生卡棒事故，拥有更高的可靠性。

Description

一种可靠性高的核反应堆停堆装置

技术领域

本发明属于核电厂应急安全技术领域，特别涉及一种具有较高可靠性的核反应堆停堆装置。

背景技术

反应性控制系统用于控制核反应堆的反应性，该系统包括溶控系统和棒控系统。在核电厂发生事故需要停堆时，硼酸溶液会被注入到核反应堆中，同时控制棒落入核反应堆堆芯，吸收堆芯中的中子，使反应性降低，最终停堆。

正常运行的反应堆属于临界堆，为了控制其反应性需要在燃料棒中添加含硼元素的控制棒，在冷却剂中添加硼酸溶液。硼元素具有较高的中子俘获截面，可以吸收中子，因此通过升降控制棒以及调节冷却剂中的硼酸溶液浓度可以达到控制反应堆反应性的作用。在第一次装堆中，反应堆中包括，燃料棒，控制棒，可燃毒物以及阻力塞组件。在第二次循环中，可燃毒物被取出，并换上阻力塞组件。而除了这些控制组件外，还有一部分是停堆控制棒，一般情况下这些停堆棒并不插入到堆芯中，直到核电厂发生事故，停堆棒会落入核反应堆堆芯，起到停堆的作用。

在反应堆出现事故需要紧急停堆时，控制棒驱动机构断电，长约3米直径1厘米的控制棒会在重力的作用下，沿控制棒导向管下降到反应堆堆芯，在断电情况下，控制棒从最高位置自由下落到最低位置的最长时间为3.2秒。同时浓硼酸溶液注入到反应堆冷却剂中。

上述停堆系统存在不足之处：

（1）溶控系统反应周期较慢；

（2）控制棒过长，在高温的反应堆中由于热膨胀可能会发生变形，因此在下落过程中会发生卡棒；

（3）控制棒驱动机构较为复杂，有可能发生卡棒、或者误落事故；

（4）控制棒长度较长，占用较大空间；

（5）控制棒长度较长，需要在反应堆压力容器顶盖上开孔，降低压力容器安全性;

（5）原有可燃毒物位置被闲置，造成使用空间的浪费。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种可靠性高的球状核反应堆紧急停堆装置。

本发明采用的技术方案为：

该核反应堆停堆装置替换原有的控制棒停堆棒；所述装置被安置在原有插入停堆棒的位置，位于控制棒导向管支撑板上方；所述装置主体是一个长方体的燃料箱，上部带有顶盖，内部装有可燃毒物球，导向栅隔板和电磁铁开关，下端连接阀门和可燃毒物球导向管。当核反应堆发生事故需要停堆时，电磁铁开光断电，阀门打开，燃料箱中的可燃毒物球通过可燃毒物球导向管流入到控制棒导向管中，可燃毒物球在控制棒导向管中堆积升高，可燃毒物球中的硼元素吸收核反应堆中的中子，使得核反应堆反应性下降最终停堆。

所述装置中的燃料箱为一个长方体空腔，其底面比停堆棒组件略大，设边长为L，则高度为其底边边长的3.1倍，腔体壁厚为2毫米；上端带有顶盖装料后盖紧；下端四个顶角带有定位销；下端面并不完全密封，拥有n块长方形镂空槽，每块空槽对应一列控制棒导向管管口。

所述装置中的可燃毒物球，由304不锈钢制成，为带有贯穿孔的不锈钢小球，小球内部围绕管穿孔有一个环形空腔，环形空腔体积占可燃毒物球总体积的百分之九十五，空腔内分为上下两部分，上部分占总空腔体积的20%，充入氦气，内部压强是反应堆一次侧压强的0.25倍。加入氦气可以减小可燃毒物球的自身重力，防治下落速度过快对下方设备造成损害。同时，环形氦气腔偏向一端可以使中子反射球在下落时沿贯穿孔轴向下落；下部分填入硼玻璃，其成分为SiO2和B2O3。当发生事故时，可燃毒物球落入控制棒导向管内，硼玻璃中的硼元素具有较大的中子吸收截面，可以吸收中子，降低反应堆反应性，使得核反应堆逐渐停堆。此时，可燃毒物中的氦气腔，除了起到控制可燃毒物球下落状态的作用，还可以用于容纳硼玻璃中的硼元素与中子反应产生的氦气，防治可燃毒物球内部压强过大导致的破损。可燃毒物球半径为可燃毒物球导向管出口直径的0.6倍，并且大于控制棒导向管流水孔直径，使其可以在竖直管道中下落，且不会从流水孔中流出；其中贯穿孔直径为可燃毒物球的0.28倍，当可燃毒物球流入到控制棒导向管中时，贯穿孔用来平衡小球在控制棒导向管中时的上下液压；在核反应堆安全运行时，可燃毒物球放置在燃料箱内。

所述装置中的导向栅隔板，位于燃料箱内部，为两个空心直角三棱锥连接而成，安装在燃料箱下端面上，栅隔板下方长方形空间用于安装电磁铁开关，导向栅隔板横向共n块，纵向有n块，用于使可燃毒物球顺利流入到可燃毒物球导向管中，并且对流入控制棒导向管中的可燃毒物球进行定量。

所属装置中的电磁铁开关和阀门用于控制燃料箱中的可燃毒物球是否要落入可燃毒物球导向管内；共有n个电磁铁开关和n个阀门，每个电磁铁开关对应一个阀门。电磁铁为长方体开关位于燃料箱内部，在导向栅隔板下方，长方体内部包含6个铁棒均匀布置，铁棒下端与燃料箱底端向平，每个铁棒上都缠有导线形成独立的电磁铁，电路采用并联方式，防止部分线路破损导致的整体电磁铁开关失效，造成可燃毒物球误落；电源采用核电厂厂用电，当发生断电事故时，电磁铁开关自动断开；阀门为一个长方形不锈钢片，其中一条长边铰接在燃料箱下端，在阀门闭合时，未铰接的一端紧贴电磁铁开关，并被电磁铁吸住，长方形不锈钢片可以刚好封住燃料箱下方的镂空槽，阻止可燃毒物球下落。

所述装置中的可燃毒物球导向管，n×n个，类似于漏斗形状，大开口向上与燃料箱下端相连，大开口与阀门开口相对应。下端插入到控制棒导向管中。阀门开启后，可燃毒物球下落到可燃毒物球导向管中，并顺着导向管下落到控制棒导向管中。

本发明的有益效果为：

（1）本发明相比与传统控制棒来说结构更加紧凑；

（2）本发明为由于结构紧凑，因此无需在反应堆压力容器顶盖上开孔；

（3）本发明采用可燃毒物球来吸收种子，不会发生卡棒事故，安全性更高；

（4）本发明相比于控制棒驱动机构来说设计简明，可靠性更强；

（5）本发明灵活性强，对于不同堆型、不同要求通过简单的调整就可适用；

（6）本发明适应性强，可适用于现役核反应堆并且无需对反应堆内设备进行较大改动；

（7）本发明在控制棒导向管支撑板上的覆盖面积较大，对反应堆容器上方具有更强的辐射防护能力。

附图说明

图1、图2分别为反应堆紧急停堆装置的示意图和剖面示意图；

图3、图4分别为燃料箱的示意图和燃料箱剖面的示意图；

图5、图6分别为可燃毒物球的示意图和可燃毒物球剖面的示意图；

图7、图8分别为导向栅隔板的左侧视图的示意图和导向栅隔板右侧视图的示意图；

图9、图10分别为电磁开关的示意图和电磁开关剖面的示意图；

图11为阀门的示意图；

图12、13分别为可燃毒物导向管的示意图和可燃毒物导向管剖面的示意图；

符号说明

1为电磁铁

B为含硼元素的玻璃体。

具体实施方式

本发明提供一种可靠性高的核反应堆紧急停堆装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

假设核反应堆控制棒束为三乘三的结构，如图1所示为本发明装置的一个整体示意图，本发明设备从外部看以燃料箱为主体结构，在其上方加置顶盖，内部安装有导向栅隔板，下方安置可燃毒物导向管；如图2所示剖面图，可以看到，燃料箱内部下端还要加装电磁开关和阀门，并且要在燃料箱中放置中子反射球和可燃毒物球；当核反应堆需要停堆时，电磁开关断电，阀门打开，燃料箱中的可燃毒物球下落，沿着可燃毒物球导向管下落到控制棒导管中，流入到堆芯里，可燃毒物球中的硼元素可以吸收中子，降低核反应堆反应性，从而达到停堆的效果。

如图3、图4所示为带有顶盖的燃料箱，采用薄板焊接而成，上部铰接有顶盖，下端开有三个长方形孔，下端四角带有定位销，下端两侧带有铰接孔用于链接阀门。

如图5、图6为可燃毒物球，采用304不锈钢，小球中部带有贯穿孔，内部具有空腔，空腔下方填入硼玻璃，其成分为SiO2和B2O3；上方空间充入氦气，用于缓解在可燃毒物球落入核反应堆中后产生气体所带来的压力。在充入氦气后将入口焊死。

如图7、图8所示为导向栅隔板，纵向三块，横向两块，通过拼插后嵌入燃料箱中。用于将燃料箱中的可燃毒物球进行定量分配，

如图9、图10所示，电磁开关为长方体结构，内部包含5个电磁铁元件，采用并联方式链接到核电厂的厂用电上，避免单个电路故障造成的吴开现象。整个电磁开关采用螺钉背固定在燃料箱下底板上。

如图11所示为阀门，构造简单，其中一端直接铰接在燃料箱下方的铰接孔上即可。

如图12、图13所示为可燃毒物导向管，采用焊接的方式，安置在燃料箱下方，导向管下端插入到控制棒导向管中。

当核反应堆需要停堆时，电磁铁开关断开，燃料箱内的可燃毒物球在重力的作用下压开阀门，沿着可燃毒物导向管流入到控制棒导向管中，可燃毒物中的硼元素吸收中子，从而降低核反应堆反应性使其逐渐停堆。

Claims (1)

1.可靠性高的水冷反应堆停堆装置，其特征在于，停堆装置包括：燃料箱、可燃毒物球、导向栅隔板、电磁开关和可燃毒物球导向管五部分；

燃料箱为长方形箱体结构，上部带有顶盖，底部带有数个长方形镂空槽；可燃毒物球中部带有贯穿孔，环绕贯穿孔具有环形空腔，环形空腔上部充入氦气，环形空腔下部填入硼玻璃；导向栅隔板为多板拼插结构，导向栅隔板被安装在燃料箱内部，导向栅隔板对落入每个可燃毒物球导向管内的可燃毒物球数目进行限定；

电磁开关由电磁铁开关和阀门两部分组成，电磁铁开关为长方体开关，并安置于燃料箱内部，位于导向栅隔板下方，电磁铁开关内部安装有6个并联的电磁铁柱，电磁铁开关和阀门一一对应；可燃毒物球导向管上部为长方体，下部为漏斗形结构；可燃毒物球导向管被安装在燃料箱下部，可燃毒物球导向管上管口正对燃料箱下部的电磁开关；水冷反应堆停堆装置被安装在压水堆压力容器内部的吊篮中，位于燃料组件正上方，可燃毒物球导向管下管口正对原有压水堆控制棒导向管上管口。