球床高溫氣冷堆在線換料系統及其功能子系統的製作方法
2023-09-23 20:05:30 1
專利名稱:球床高溫氣冷堆在線換料系統及其功能子系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種球床高溫氣冷堆在線換料系統及其功能子系統，屬於反應堆工程技術領域：
。
背景技術：
反應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，現在世界上大多數反應堆採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反應且靜止不動。停堆換料方式的優點是換料系統比較簡單，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堆的可利用率和電站的負荷因子。
目前採用不停堆連續換料的反應堆主要包括坎杜堆和球床高溫氣冷堆。不停堆連續換料的優點是反應堆可以長期運行，有利於提高電站的利用率，從而提高電站的經濟性。 不停堆換料系統還能及時卸出破損的燃料組件，降低對冷卻劑迴路的汙染。不停堆連續換料的主要缺點是換料系統比較複雜，成本較高，同時由於在換料過程中，換料系統有很多運動部件，換料過程中對這些運動部件的可靠性和安全性要求很高，如果在線換料系統發生故障，將影響反應堆的正常運行。
坎杜堆的換料由兩臺位於排管容器兩側的遠程控制換料機完成。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於滾動的特點，通過管路進行輸送，使新燃料元件連續的滾入堆芯，乏燃料元件卸出堆芯。國內外的球床高溫氣冷堆都採用了這一原理，設計了各自的燃料裝卸系統，國外的詳細設計方案尚未公開。我國10麗球床高溫氣冷試驗堆也是根據這一的原理，設計了其獨特的燃料裝卸系統，通過採用一些新型的設計， 如脈衝氣流排球裝置等(具體參見專利93119442. 3)，實現了試驗堆的連續換料。
本發明提到的球床高溫氣冷堆在線換料系統，可以應用於功率很大的商業電站， 由於功率很大，需要提高燃料元件循環的速度，用於IOMW球床高溫氣冷試驗堆的燃料裝卸系統不能滿足要求，需要重新設計商業電站的燃料裝卸系統。該系統也參考了我國IOMW球床高溫氣冷試驗堆的一些設計經驗，同時做了大量改進，利用燃料元件有利的幾何形狀，在反應堆運行期間，不間斷的給反應堆裝入新燃料元件，卸出已經達到燃耗深度的乏燃料元件和將沒有達到燃耗深度的燃料元件返回堆芯作再循環，從而維持反應堆的連續運行，提高反應堆的可利用率和電站的經濟性。
發明內容
本發明提出的球床高溫氣冷堆，通過在線換料系統實現不停堆連續換料。在線換料系統的主要功能包括完成反應堆初始堆芯裝料；反應堆運行期間將新燃料元件裝入堆芯；從反應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行燃耗測量，並將沒有達到最終燃耗深度的燃料元件裝入堆芯進行再次循環；卸出乏燃料元件，並輸送到乏燃料貯存庫中貯存；在需要時將堆芯排空，並將排出的全部燃料元件轉移到再裝料貯存罐中暫存，然後再向堆芯重新裝料。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統，在系統若干相關位置設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燃料元件在管內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燃料元件在管內輸送過程中從2根管道匯集到一根管道。
球床高溫氣冷堆在線換料系統，在系統若干相關位置設置了多個過球計數器，可以監測管內燃料元件的輸送，對輸送的燃料元件進行計數或測量管道內輸送速度。
通過燃料元件輸送分配器和匯集器及其控制系統，同時結合系統管道各關鍵部位設置的過球計數器，可以有效控制燃料元件在系統管道內的輸送過程，從而實現系統燃料裝入和卸出的各種功能。
本發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，該系統能夠同時為兩個或多個球床反應堆供應新燃料元件和卸出乏燃料元件，適用於所有球床高溫氣冷反應堆。
本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統的示意圖如圖I所示。
系統主要部件包括I-裝料口，2-過球計數器，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，從功能上可分成四個子系統新燃料裝入系統、堆芯燃料循環主系統、乏燃料卸出系統和堆芯排空與再裝料系統。上述主要部件中，I 6為新燃料裝入系統的主要部件，7 17為堆芯燃料循環主系統的主要部件，18 31為乏燃料卸出系統的主要部件，32 40為堆芯排空與再裝料系統的主要部件。
圖I中，新燃料裝入系統的設備安裝順序為裝料口 I後面接過球計數器2，過球計數器2後面接隔離球閥3，隔離球閥3後面接分配器4，分配器4後分成兩路，每路都接一套隔離球閥5，隔離球閥5後面接匯集器6，匯集器6後面接堆芯燃料循環主系統的匯集器7。
所述堆芯燃料循環主系統的設備安裝順序為堆芯9位於反應堆8的內部，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後面接燃耗測量點14，燃耗測量點14後面接分配器15，分配器15後面接匯集器7，匯集器7後面接氦氣入口 16和氦氣出口 17，氦氣出口 17後面接反應堆8。
所述乏燃料卸出系統的設備安裝順序為堆芯燃料循環主系統的分配器15後面接氦氣入口 18和氦氣出口 19，氦氣出口 19後面接隔離球閥20，隔離球閥20後面接匯集器 21，匯集器21後面合成I根管道，後面接隔離球閥22，隔離球閥22後面接分配器23，分配器23後面出來2根管道，I根管道接取樣罐24，I根管道後面接燃耗測量點25，燃耗測量點 25後面接分配器26，分配器26後面分成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後面接空氣入口 27和空氣出口 28，空氣出口 28後面接分配器29，分配器29後面接乏燃料貯存罐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的設備安裝順序為乏燃料卸出系統的分配器26後面分成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後面接空氣入口 32 和空氣出口 33，空氣出口 33後面接再裝料貯存罐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後面接隔離球閥39，隔離球閥39後面接分配器40，分配器40 後面接新燃料裝入系統的匯集器6。
所述新燃料裝入系統主要由進料口 I、計數器2、隔離球閥3和5、分配器4以及匯集器6等構成，隔離球閥3和5之間是氣氛切換管段。新燃料裝入系統內的新燃料元件通過匯集器7進入堆芯燃料循環主系統。
所述堆芯燃料循環主系統主要由反應堆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，將未達到目標燃耗深度的燃料元件分配到堆芯燃料循環主系統，匯集器7的功能是從新燃料裝入系統接收新燃料元件到堆芯燃料循環主系統。
所述乏燃料卸出系統主要由隔離球閥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堆系統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的功能是用於堆芯排空工況下，將堆芯內所有燃料元件分配到再裝料貯存罐34內暫存，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貯存。
所述堆芯排空與再裝料系統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將再裝料系統與新燃料裝入系統隔離開，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堆的新燃料裝入系統內。
本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，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
本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，新燃料元件由空氣氣氛進入到反應堆的高壓氦氣氣氛，需通過一組球形隔離球閥，實現兩種氣氛的切換。
新燃料元件由裝料口 I經過單一化裝入新燃料裝入系統，通過過球計數器2對裝入的燃料元件進行計數，裝入的新燃料元件在隔離球閥3前排成一列，在達到一定數量(如 200個)後，打開隔離球閥3，使這些新燃料元件全部進入隔離球閥3後面的氣氛切換管段。
新燃料元件全部進入氣氛切換管段後，關閉隔離球閥3，氣氛切換管段內的氣氛由常壓下的空氣氣氛切換成高壓下的氦氣氣氛，氣氛切換完成後，打開隔離球閥5，這些新燃料元件全部進入反應堆一迴路系統。
本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統為了節省成本，採用一套新燃料裝入系統，同時為兩個反應堆供應新燃料元件。[0031]經過氣氛切換進入系統的燃料元件，可通過分配器4控制選擇分別為兩個反應堆供應新燃料元件。經過分配後的新燃料元件到達進入堆芯燃料主循環系統的匯集器7的前面等待進入，在接到進入的指令後，新燃料元件通過匯集器7進入主循環系統。
裝新燃料元件的管道與水平面呈6度夾角，便於燃料元件靠重力作用滾動裝入系統。新燃料元件管道可呈螺旋狀布置，以節省艙室空間。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統，進入主循環系統後的新燃料元件通過氣動方式提升到反應堆堆芯9的頂部。
堆芯燃料元件的循環
所述球床高溫氣冷堆為充分利用燃料元件和實現較均勻的功率分配，球床堆採用燃料元件多次通過堆芯的燃料循環方式，使燃料元件經多次循環達到目標燃耗深度。
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，最後通過反應堆底部的卸料管10排出堆外。從卸料管10排出的燃料元件首先進入卸料裝置11，卸料裝置11的結構和功能參見發明專利「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，經過卸料裝置11進行單一化和碎球分選後，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，仍在系統內繼續循環。
考慮到燃料裝卸系統運行的可靠性，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，繼續在系統內循環。
本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，從卸料裝置11出來的完好燃料元件到達燃耗測量點14後，對其進行燃耗深度測量，如果該燃料元件達到了目標燃耗深度， 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，而沒有達到燃耗深度的燃料元件，仍可繼續返回堆芯9進行再次循環。
未達到目標燃耗深度的燃料元件通過氦氣入口 16進入的氦氣進行驅動，燃料元件被提升到反應堆8的頂部，然後依靠重力落入反應堆堆芯9的頂部進行再次循環。
所述球床高溫氣冷堆堆芯燃料循環主系統，用於提升燃料元件的氦氣由流入口 16 進入燃料提升管道，然後通過流出口 17流出，用於提升燃料元件的氦氣通過氦氣風機驅動進行不間斷連續運行，氦氣迴路內需對氦氣流進行過濾。
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，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，該設計的目的是降低燃料元件到達最高點時的速度，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，緩衝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
本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，經多次循環達到目標燃耗深度的燃料元件，在測量點14通過燃耗測量確認為乏燃料元件後，通過分配器15排到乏燃料卸出系統，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境下的空氣提升。[0045]所述球床高溫氣冷堆在線換料系統，從堆芯燃料主循環系統排出的乏燃料元件， 在從氦氣入口 18進入的氦氣驅動下，提升到氣氛切換管段前的隔離球閥20前暫存，等達到一定數量(如200個)後，打開隔離球閥20，所有等待的乏燃料元件通過匯集器21全部進入隔離球閥20後面的氣氛切換管段，關閉隔離球閥20，然後進行氣氛切換，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堆一迴路系統。
所述球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統，通過控制氣氛切換管段前的匯集器21，可分別從兩個反應堆系統卸出乏燃料元件，使兩個反應堆公用一套乏燃料卸出系統，以節省成本。
所述球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統，驅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，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最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能緩衝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。
氣氛切換後的乏燃料元件在經過分配器23時，可根據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，然後將其運送到實驗室進行研究分析。
所述球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統，正常運行工況下，氣氛切換後所有的乏燃料元件到達燃耗測量點25進行燃耗測量，其目的是分辨出乏燃料元件中的石墨元件。石墨元件用於反應堆堆芯初次裝料，可以平衡堆芯功率分布，是反應堆物理的需要。
在燃耗測量點25分辨出石墨元件後，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進行貯存。
所述球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統，經過氣氛切換後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，採用的驅動氣體是空氣，驅動裝置是羅茨風機或其它空氣驅動裝置。空氣從入口 27進入輸球管路提升乏燃料元件，然後從出口 28流出，經過粉塵過濾後回到羅茨風機加壓，完成閉合循環。
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，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，該設計的目的是降低燃料元件到達最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能緩衝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。
本發明提出的球床高溫氣冷堆乏燃料卸出系統，通過二次提升，到達最高點後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貯存。
本發明提到的球床高溫氣冷堆，在反應堆正常運行時，乏燃料元件將平均分配到各個貯存罐內，這種運行方式可以有效減小每個貯存罐內的乏燃料發熱量，有利於乏燃料衰變熱的導出，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，則需要設置風機進行強制風冷，確保乏燃料元件及其貯存罐的完整和安全。
本發明提到的乏燃料貯存罐30的設計如圖2所示，貯存罐主要由外殼42和中心柱45構成，乏燃料元件貯存在外殼42和中心柱45之間的圓環形空腔內，中心柱45內填充有防臨界材料。[0056]由於乏燃料貯存罐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， 在中心柱外設置了螺旋形的輸球階梯43，進入乏燃料貯存罐內的乏燃料元件沿落球階梯下落，在從一節落球階梯43落到下一節落球階梯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於要求的限值，從而確保輸送到乏燃料貯存罐30內的乏燃料元件的完整性。
本發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堆運行一年甚至更長時間卸出的乏燃料元件。
本發明提到的乏燃料元件在貯存罐30內的貯存並非最終貯存，在技術可行的條件下可以將乏燃料元件從貯存罐30內排出，通過卸料裝置31將乏燃料元件排入乏燃料轉運罐內，然後將裝有乏燃料的轉運罐吊裝到貯存庫外部的運輸車內，運送到指定地點進行燃料後處理和最終貯存。
反應堆堆芯排空與再裝料
本發明提到的球床高溫氣冷堆，在一些極端特殊工況下，可能要求將反應堆堆芯9 排空，反應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。
在反應堆堆芯排空工況下，反應堆一迴路內可以將壓力降到大氣壓力，將反應堆內的氦氣輸送到氦氣罐貯存起來，反應堆內由氦氣氣氛變為空氣氣氛。
本發明提到的球床高溫氣冷堆，在反應堆堆芯排空工況下，從堆芯9排出的燃料元件通過卸料裝置11進行碎球分選後，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。
排入乏燃料卸出系統的燃料元件，採用空氣驅動替代氦氣驅動進行一次提升，提升氣體從流入口 18流入，從流出口 19流出，提升後的燃料元件在氣氛切換管路前的隔離球閥20前暫存，當達到一定數量(如200)後，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內暫時存貯。
本發明提到的球床高溫氣冷堆，在反應堆堆芯排空工況下，採用空氣驅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，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，該設計的目的是降低燃料元件到達最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能緩衝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。
本發明提到的再裝料貯存罐34的內部結構與乏燃料貯存罐30類似，都是帶中心柱的圓環形空腔，中心柱內填充有防臨界材料。由於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，在中心柱外也設置了螺旋形的輸球階梯，進入再裝料罐內的燃料元件沿落球階梯下落，在從一節落球階梯落到下一節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後燃料元件的完整性。
本發明提到的球床高溫氣冷堆，在反應堆堆芯排空工況下，由於堆芯排空卸出的燃料元件還沒有達到目標燃耗深度，其反應性很大，衰變發熱量也很大，因此再裝料貯存罐 34需要填充大量的防臨界材料，並在貯存罐外加強制風冷，如果冷卻能力不能滿足要求，則還需加強制水冷。
本發明提到的球床高溫氣冷堆，堆芯排空一段時間後，如果反應堆達到滿足重新裝料的條件，需要將暫存在再裝料貯存罐34內的燃料元件重新裝回堆芯9進行再循環。
通過再裝料貯存罐34下部的卸料裝置35將燃料元件進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，驅動氣體為空氣。
本發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，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， 該設計的目的是降低燃料元件到達最高點時的速度，以減小在彎頭處的磨損，同時也能緩衝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。
本發明提到的球床高溫氣冷堆在再裝料過程中，經提升後的燃料元件輸送到新燃料裝入系統的氣氛切換管路後面，在隔離球閥39前暫存，通過分配器40和匯集器6輸送進入需再裝料的反應堆的新燃料裝入系統。
本發明提到的球床高溫氣冷堆在再裝料過程中，進入新燃料裝入系統的燃料元件輸送到堆芯燃料主循環系統前的管道，等待進入堆芯燃料主循環系統。通過匯集器7進入主循環系統後，通過氣動方式將燃料元件提升到反應堆堆芯9，此時提升的驅動氣體為空氣，提升空氣從入口 16流入，從出口 17流出。
本發明提到的球床高溫氣冷堆在再裝料過程中，由於反應堆8的高度很高，而裝料初始階段堆芯9內沒有或只有少量燃料元件，如果燃料元件從反應堆頂部直接落到堆芯底部，將導致燃料元件的摔損，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計如圖3所示。
本發明提到的堆芯裝料給料裝置，由多節給料管構成，給料管46之間通過方便拆裝的連接鉸鏈47連接，給料管46內設有多層擋板48。
本發明提到的堆芯裝料給料裝置，燃料元件在給料管內下落過程中，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後燃料元件的完整性。
在裝料過程中可根據堆芯內料位的變化拆下不需的給料管，調節給料裝置的長度，隨著堆芯內料位的升高，給料裝置將逐漸縮短，直到最後裝滿堆芯，完成堆芯的再裝料過程。
本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，具有以下優點
I.本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，使兩個或多個反應堆公用一套新燃料裝入系統和乏燃料卸出系統，在不影響反應堆系統運行的前提下，可以有效節省成本；
2.本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，採用連續運行的氦風機或羅茨風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最高點時的速度，減小在彎頭處的磨損，同時緩衝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.本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，乏燃料貯存罐和再裝料貯存罐設計成帶中心柱的圓環形空腔結構，中心柱內可填充防臨界材料，中心柱外設置螺旋形落球階梯，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的燃料元件的完整性；
4.本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，在向堆芯重新裝料時採用堆芯裝料給料裝置，堆芯裝料給料裝置的給料管內設有多層擋板，燃料元件在下落過程中通過與擋板的不斷碰撞減速，保證落到堆芯底部後燃料元件的完整性。給料管之間拆裝方便，在裝料過程中可根據料位的變化調節給料裝置的長度，有效保證整個堆芯裝料過程中燃料元件的完整性；
5.本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，在反應堆下部採用的卸料裝置， 能夠將從反應堆排出的燃料元件同時進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，節省艙室空間；
6.本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，在系統若干相關位置設置了多個燃料輸送分配器和匯集器，實現燃料元件在管道內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，可以有效控制燃料元件在系統管道內的輸送。
圖I是本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統的系統示意圖。
圖2是本發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
結合附圖介紹本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統的具體實施方式
本發明提出的球床高溫氣冷堆在線換料系統，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、反應堆內燃料元件多次循環通過堆芯、反應堆堆芯內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，新燃料元件在裝料口 I進行單一化後裝入新燃料裝入系統，經過氣氛切換後，由常壓下的空氣氣氛切換到高壓下的氦氣氣氛。通過氣氛切換管段後的分配器4，燃料元件被分配到兩個反應堆系統，然後通過匯集器7進入堆芯燃料循環主系統，通過氦氣氣動提升到反應堆堆芯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，從堆芯9排出的燃料元件，經過卸料裝置11進行單一化和碎球分選，出來的完好燃料元件到達燃耗測量點14進行燃耗測量，達到目標燃耗深度的燃料元件通過分配器15卸出堆芯燃料循環主系統，進入乏燃料卸出系統，沒有達到目標燃耗深度的燃料元件氣動提升到反應堆堆芯9的頂部進行再次循環，直到達到目標燃耗深度。
所述球床高溫氣冷堆在線換料系統，排入乏燃料卸出系統的乏燃料元件首先經過氦氣一次提升到達氣氛切換管路的隔離球閥20前暫存，然後進入氣氛切換管路，在完成氣氛切換後，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內進行貯存，在需要時可通過乏燃料卸料裝置31將乏燃料貯存罐30內的乏燃料元件轉移走，進行後處理和最終貯存。
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。首先將反應堆8卸壓，將氦氣貯存到氦氣貯存罐內， 反應堆氣氛切換到常壓下的空氣氣氛。堆芯9內的燃料元件經過卸料裝置11進行單一化和碎球分選後，無需燃耗測量，直接排入乏燃料卸出系統，經過空氣一次提升後，無需氣氛切換，直接進行空氣二次提升，輸送到再裝料貯存罐34內貯存。
在需要工況下，可將再裝料貯存罐34內的燃料元件重新裝回堆芯9。在此過程中， 再裝料貯存罐34內的燃料元件通過卸料裝置35進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的氣氛切換管路的後面，通過分配器40和匯集器6分別裝入兩個反應堆系統。在進入堆芯燃料主循環系統後，通過空氣氣動提升到反應堆8的頂部，然後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。
本發明設計的球床高溫氣冷堆在線換料系統，需要在與反應堆運行工況完全相同的高溫高壓氦氣氛下，進行全尺寸的試驗驗證，經過實驗驗證系統運行可靠之後，再用於實際的反應堆上，以提高反應堆運行的可靠性和安全性。
權利要求
1.球床高溫氣冷堆在線換料系統，其特徵在於，該球床高溫氣冷堆在線換料系統含有裝料口(I)，過球計數器(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)連接過球計數器(2)，過球計數器(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)後分成兩路，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)位於反應堆⑶ 的內部，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)後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)後面出來兩根管道，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)後面分成兩根管道，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)後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，屬於反應堆工程技術領域：
。所述系統包括新燃料裝入系統、堆芯燃料循環主系統、乏燃料卸出系統、堆芯排空與再裝料系統4個功能子系統；由裝料口(1)，過球計數器(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)後面接過球計數器(2)，過球計數器(2)後面接隔離球閥(3)，隔離球閥(3)後面接分配器(4)。分配器(4)後分成兩路，每路都接一套隔離球閥(5)。本發明節省成本；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，節省艙室空間；有效控制燃料元件在系統管道內的輸送。
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
發明者劉繼國, 張海泉, 王金華 申請人:清華大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan