一种碳材料体约束结构和卧式气冷堆

5技术领域

本发明具体涉及一种碳材料体约束结构和包含该约束结构的卧式气冷堆。

背景技术

0高温气冷堆的堆芯四周包围着大量的六棱柱形和/或类似扇形的碳材料体。这些碳材料体堆砌形成散体结构，由于散体结构不稳定，必须靠相应的碳材料体约束结构约将其束于反应堆压力容器内。由于反应堆运行温度高、辐照剂量大、运行工况复杂，

因此，碳材料体约束结构必须具有耐高温、耐辐照、高强度等特5性。

现有立式高温气冷堆中，南非的球床模块式高温气冷堆采用金属+碳纤维复合材料，制成箍紧带结构；英国先进气冷堆采用金属材料，制成弹性阻尼元件；德国高温气冷堆和清华高温气冷堆分别采用金属材料制成支承环和金属箍紧带结构。

0现有的各约束结构都是基于立式高温气冷堆进行设计的，缺少基于卧式气冷堆进行设计的结构。车载运输高温气冷堆属于卧式反应堆，与立式反应堆类似，其堆芯周围也包围着大量的碳材料体，但卧式布置的碳材料体更容易松散，不仅会产生环向松散，

更会产生轴向松散；欲维持卧式碳材料体的形状需要更大的约束5载荷。此外，车载运输对卧式反应堆的尺寸大小有严格要求，只有足够紧凑的反应堆结构才能满足车载运输的条件。然而，现有的立式气冷堆约束结构仅能对碳材料体进行环向约束，无法进行轴向约束，将会导致碳材料体的在轴向产生过大间隙，进而导致冷却剂漏流，严重影响反应堆正常运行。

0综上，现有基于立式反应堆的约束结构无法满足卧式反应堆对更大大承载能力的要求，也无法实现约束结构与碳材料体在轴向和环向的双向同步约束。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种碳材料体约束结构和包含该约束结构的卧式气冷堆，所述碳材料体约束结构能够同时对卧式气冷堆的碳材料体组成的散体结构进行轴向约束和环向约束，可以保证反应堆的紧凑度，以避免散体结构变形。

根据本发明第一方面的实施例，提供一种碳材料体约束结构，包括：约束结构本体。所述约束结构本体用于约束气冷堆的散体结构，所述散体结构呈柱形，包括一个或多个沿Z轴方向排列的碳材料体组，每个碳材料体组包括多个碳材料体，多个所述碳材料体环绕于Z轴堆砌放置，所述约束结构本体包括一个或多个约束环，所述约束环套设于碳材料体组上，用于围紧所述碳材料体，从而对碳材料体组进行环向约束，所述约束环的内侧壁上设有多个凸起，所述凸起沿环向排列，且与所述碳材料体一一对应，用于嵌入所述碳材料体中，以使所述约束环固定于碳材料体组，一个或多个所述约束环沿所述Z轴方向排列设置，且依次连接，从而对所述散体结构进行轴向约束。

优选的，所述约束结构本体受热膨胀所产生的轴向形变量与所述散体结构受热膨胀所产生的轴向形变量相同，且所述约束结构本体受热膨胀所产生的环向形变量与所述散体结构受热膨胀所产生的环向形变量相同。

优选的，所述约束环包括多个约束板单元，多个所述约束板单元环绕于所述散体结构的外侧并依次首尾相连，所述约束板单元的数量与所述碳材料体的数量相同，且所述约束板单元与所述碳材料体一一对应，多个所述凸起分别设置于多个所述约束板单元的内侧壁上。

优选的，所述约束板单元设置有第一接头和第二接头，所述第一接头和所述第二接头沿X轴方向相对设置，所述第一接头和所述第二接头均开设有铰接孔，同一约束环上的相邻两个约束板单元之间设有环向连接头，所述环向连接头的两端均设置有铰接轴，所述环向连接头两端的铰接轴分别穿设于相邻的第一接头和第二接头的铰接孔内，以连接相邻的两个约束板单元。

优选的，约束环单元的数量为多个，每个约束环包括的约束板单元的数量相同，且相邻两个约束环的约束板单元一一对齐，所述约束板单元还设置有第三接头和第四接头，所述第三接头和所述第四接头沿Z轴方向相对设置，所述第三接头和所述第四接头上均开设有铰接孔，Z轴方向上相邻的两个约束板单元之间设有轴向连接头，所述轴向连接头的两端均设置有铰接轴，所述轴向连接头两端的铰接轴分别穿设于相邻的第三接头和第四接头的铰接孔内，以连接Z轴方向上相邻的两个约束板单元。

优选的，所述轴向连接头与所述环向连接头由9Cr-1Mo-V材料制成。

优选的，所述约束板单元包括顶板和底板，所述第一接头和所述第三接头固定安装于所述底板，所述第二接头和所述第四接头固定安装于所述顶板，所述底板的上端面设置有沿Y轴方向延伸的限位柱，所述顶板上对应地开设有限位孔，所述顶板和所述底板叠合安装，并使所述限位柱穿设于所述限位孔，所述限位柱的上端固定连接有止挡环，用于限制所述顶板在Y轴方向上的移动，所述凸起设置于所述底板的下端面，以嵌入所述碳材料体中。

优选的，所述约束板单元还包括一个或多个中间板，所述中间板位于顶板和底板之间，中间板与底板之间形成第一夹层，中间板与顶板之间形成第二夹层，所述第一夹层和所述第二夹层内均夹设有金属板，底板的上端面设有第一翻边和第二翻边，中间板的下端面设有第三翻边和第四翻边，第一翻边与第三翻边均沿Z轴方向延伸，且分别设置于第一夹层沿X轴方向相对的两侧，用于限制第一夹层内的金属板在X轴方向上的位移，第二翻边与第四翻边均沿X轴方向延伸，且分别设置于第一夹层沿Z轴方向相对的两侧，用于限制第一夹层内的金属板在Z轴方向上的位移，所述中间板的上端面设有第五翻边和第六翻边，所述顶板的下端面设有第七翻边和第八翻边，所述第五翻边与所述第七翻边均沿Z轴方向延伸，且分别设置于第二夹层沿X轴方向相对的两侧，用于限制第二夹层内的金属板在X轴方向上的位移，所述第六翻边和所述第八翻边均沿X轴方向延伸，且分别设置于第二夹层沿Z轴方向相对的两侧，用于限制第二夹层内的金属板在Z轴方向上的位移，所述中间板上开设有第一通孔，所述金属板上开设有第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔均与所述限位孔对齐，所述限位柱贯穿所述第一通孔和所述第二通孔。

优选的，所述底板、顶板和中间板的平均线膨胀系数小于所述金属板的平均线膨胀系数。

优选的，所述底板、顶板和中间板由9Cr-1Mo-V材料制成，所述金属板由Types316SS材料制成。

优选的，所述中间板的数量为多个，相邻两个中间板之间形成第三夹层，所述第三夹层内也夹设有所述金属板，所述中间板和所述金属板交替叠合放置，位于上层的中间板的第三翻边与位于下层的中间板的第五翻边相互配合，以限制第三夹层内的金属板在X轴方向上的位移，位于上层的中间板的第四翻边和位于下层的中间板的第六翻边相互配合，限制所述第三夹层内的金属板在Z轴方向上的位移。

根据本发明第二方面的实施例，还提供一种卧式气冷堆，包括：堆芯、散体结构以及上述的碳材料体约束结构，所述堆芯沿Z轴方向放置，所述散体结构由多个碳材料体组成，所述碳材料体环绕于所述堆芯的周围，所述碳材料体约束结构的约束结构本体环绕于所述散体结构的外侧，并对多个所述碳材料体进行轴向约束和环向约束。

本发明中的碳材料体约束结构通过将约束环套设于碳材料体组上，从而对碳材料体组进行环向约束。约束环的内侧壁设有多个凸起，这些凸起沿环向排列，并嵌入碳材料体中，以使约束环固定于碳材料体组。气冷堆的散体结构包括一个或多个碳材料体组，通过将固定于碳材料体组上的约束环依次连接，从而实现对散体结构的轴向约束。因此，本碳材料体约束结构能够同时对卧式气冷堆的碳材料体组成的散体结构进行轴向约束和环向约束，可以保证反应堆的紧凑度，以避免散体结构变形。

附图说明

图1是本发明一些实施例中的约束板单元的结构示意图；

图2是本发明一些实施例中的约束结构本体的结构示意图。

图中：1-约束板单元、2-顶板、21-第二接头、22-第八翻边、23-第七翻边、24-第四接头、25-限位孔、3-金属板、31-第一通孔、4-中间板、41-第五翻边、42-第四翻边、43-第三翻边、44-第六翻边、45-第二通孔、5-底板、51-第一翻边、52-第三接头、53-第一接头、54-第二翻边、55-限位柱、56-凸起、6-止挡环、7-碳材料体、8-轴向连接头、9-环向连接头。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“X轴”、“Y轴”、“Z轴”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图1和图2，本发明公开一种碳材料体约束结构，包括约束结构本体。

其中，约束结构本体用于约束气冷堆的散体结构。散体结构呈柱形，包括一个或多个沿Z轴方向排列的碳材料体组，这些碳材料体组为松散排列的。每个碳材料体组包括多个碳材料体7，多个碳材料体7环绕于Z轴堆砌放置。

约束结构本体包括一个或多个约束环，约束环套设于碳材料体组上，用于围紧碳材料体7，从而对碳材料体组进行环向约束。一个或多个约束环沿Z轴方向排列设置，约束环的数量与碳材料体组的数量相同，且与碳材料体组一一对应，分别用于对每个碳材料体组进行环向约束。

进一步地，约束环的内侧壁上设有多个凸起56，这些凸起56沿环向排列，且与碳材料体7一一对应，用于嵌入碳材料体7中，以使约束环固定于碳材料体组上。由于每个碳材料体组上均套设有约束环，通过将这些固定于碳材料体组上的约束环依次连接，从而可以实现对散体结构的轴向约束。

因此，本碳材料体约束结构能够同时对卧式气冷堆的碳材料体组成的散体结构进行轴向约束和环向约束，以避免散体结构变形。

具体如图2所示，在本实施例中，约束环包括多个约束板单元1。多个约束板单元1环绕于散体结构的外侧并依次首尾相连。一个约束环所包含的约束板单元1的数量与一碳材料体组所包含的碳材料体7的数量相同，且约束板单元1与碳材料体7一一对应，多个凸起56分别设置于多个约束板单元1的内侧壁上。

示例性地，碳材料体组由12个类扇形的碳材料体7堆砌而成，呈正12棱柱形。12个碳材料体7的内侧面围合成一个圆柱形的空腔，用于容置气冷堆的堆芯。此时，一个约束环中的约束板单元1的数量为12个。12个约束板单元1分别与12个碳材料体7对应，每个约束板单元1的内侧均设有凸起56，这些凸起56嵌入碳材料体7中，以使碳材料体7与约束板单元1固定。

进一步地，约束板单元1设置有第一接头53和第二接头21，第一接头53和第二接头21沿X轴方向相对设置。第一接头53和第二接头21均开设有铰接孔，同一约束环上的相邻两个约束板单元1之间设有环向连接头9，环向连接头9的两端均设置有铰接轴，环向连接头9两端的铰接轴分别穿设于相邻的第一接头53和第二接头21的铰接孔内，以连接相邻的两个约束板单元1。

示例性地，12块约束板单元1通过12个环向连接头9铰接在一起，其中11个环向连接头9是长度固定的连接头，第12个环向连接头9是长度可调整的连接头。通过拉长第12个连接头的长度，能够便于工作人员将约束环套设于碳材料体组上，然后将第12个连接头缩短，以对碳材料体组进行环向收紧。

更进一步地，散体结构包括多个碳材料体组，多个碳材料体组沿Z轴方向松散排列。约束结构本体也包括多个约束环。每个约束环包括的约束板单元1的数量相同，且相邻两个约束环的约束板单元1一一对齐。约束板单元1还设置有第三接头52和第四接头24，第三接头52和第四接头24沿Z轴方向相对设置。第三接头52和第四接头24上均开设有铰接孔，Z轴方向上相邻的两个约束板单元1之间设有轴向连接头8，轴向连接头8的两端均设置有铰接轴，轴向连接头8两端的铰接轴分别穿设于相邻的第三接头52和第四接头24的铰接孔内，以连接Z轴方向上相邻的两个约束板单元1。

示例性地，碳材料体组的数量为五个，5个碳材料体组沿Z轴方向排列。此时，约束环的数量也为5个，相邻两个约束环通过轴向连接头8铰接连接在一起。轴向连接头8的长度均可微调。约束环内侧的凸起56嵌入碳材料体7内，以使约束环固定于碳材料体组，通过轴向连接头8将这些固定于碳材料体组的约束环连接在一起，从而实现散体结构的轴向紧连接。

优选地，轴向连接头8与环向连接头9由9Cr-1Mo-V材料制成。

具体如图1所示，在本实施例中，约束板单元1包括顶板2和底板5。第一接头53和第三接头52固定安装于底板5，第二接头21和第四接头24固定安装于顶板2。底板5的上端面设置有沿Y轴方向延伸的限位柱55，顶板2上对应地开设有限位孔25。示例性地，限位柱55和限位孔25的数量均为4个。顶板2和底板5叠合安装，并使限位柱55穿设于限位孔25，限位柱55的上端固定连接有止挡环6，用于限制顶板2在Y轴方向上的移动。上述的凸起56设置于底板5的下端面，以便于嵌入碳材料体7中。

值得注意的是，止挡环6与顶板2之间有微小的间隙，并不压紧顶板2，以保证顶板2可以相对滑动，避免约束板单元1在受热膨胀时，止挡环6出现损坏。

进一步地，约束板单元1还包括一个或多个中间板4，中间板4位于顶板2和底板5之间。中间板4与底板5之间形成第一夹层，中间板4与顶板2之间形成第二夹层，第一夹层和第二夹层内均夹设有金属板3。底板5的上端面设有第一翻边51和第二翻边54，中间板4的下端面设有第三翻边43和第四翻边42。第一翻边51与第三翻边43均沿Z轴方向延伸，且分别设置于第一夹层沿X轴方向相对的两侧，用于限制第一夹层内的金属板3在X轴方向上的位移。第二翻边54与第四翻边42均沿X轴方向延伸，且分别设置于第一夹层沿Z轴方向相对的两侧，用于限制第一夹层内的金属板3在Z轴方向上的位移。

更进一步地，中间板4的上端面设有第五翻边41和第六翻边44，顶板2的下端面设有第七翻边23和第八翻边22。第五翻边41与第七翻边23均沿Z轴方向延伸，且分别设置于第二夹层沿X轴方向相对的两侧，用于限制第二夹层内的金属板3在X轴方向上的位移。第六翻边44和第八翻边22均沿X轴方向延伸，且分别设置于第二夹层沿Z轴方向相对的两侧，用于限制第二夹层内的金属板3在Z轴方向上的位移。

中间板4上开设有第一通孔31，金属板3上开设有第二通孔45，第一通孔31和第二通孔45均与限位孔25对齐，限位柱55贯穿第一通孔31和第二通孔45。示例性地，第一通孔31和第二通孔45的数量均为4个。而且，值得注意的是，第一通孔31和第二通孔45的直径应当大于限位柱55的直径，以保证中间板4和金属板3之间可以实现小范围的相对滑动，以避免在受热膨胀时，中间板4和金属板3出现损坏。

当中间板4的数量为多个时，相邻两个中间板4之间形成第三夹层，第三夹层内也夹设有金属板3，中间板4和金属板3交替叠合放置。位于上层的中间板4的第三翻边43与位于下层的中间板4的第五翻边41相互配合，以限制第三夹层内的金属板3在X轴方向上的位移。位于上层的中间板4的第四翻边42和位于下层的中间板4的第六翻边44相互配合，限制第三夹层内的金属板3在Z轴方向上的位移。

在本实施例中，底板5和顶板2的厚度为5mm，中间板4的厚度为3mm、金属板3的厚度为10mm。具体如图1所示，约束板单元1自下向上依次为底板5、金属板3、中间板4、金属板3、中间板4、金属板3、顶板2，约束板单元1整体的最大厚度为46mm。

需要说明的是，气冷堆的碳材料体约束结构要求在承载堆芯散体结构各工况载荷的同时，确保能与碳材料体7在环向和轴向同步热膨胀，从而对堆芯碳材料体7起到约束作用。否则将导致碳材料体7和约束结构分离、碳材料体7产生过大间隙进而导致冷却剂漏流，严重影响反应堆正常运行。因此，在本实施例中，约束结构本体受热膨胀所产生的轴向形变量应当与散体结构受热膨胀所产生的轴向形变量相同，并且使约束结构本体受热膨胀所产生的环向形变量应当与散体结构受热膨胀所产生的环向形变量相同。

然而，目前难以找到一种金属材料的膨胀系数与碳材料体7的膨胀系数相同。因此，需要通过堆叠不同膨胀系数的金属板材，以匹配碳材料体7受热膨胀时产生的变形量。

具体地，底板5、顶板2和中间板4的平均线膨胀系数需要小于金属板3的平均线膨胀系数。优选地，底板5、顶板2和中间板4由9Cr-1Mo-V材料制成，金属板3由Types316SS材料制成。

当气冷反应堆起堆运行后，温度不断升高，碳材料体7温度可达500℃，此时碳材料体7受热膨胀，正12棱柱的横截面尺寸变大、轴向长度变长。高温也使得底板5、顶板2、中间板4和金属板3向X和Z两个方向膨胀。假设底板5和堆叠与底板5上的金属板3为第一板层，以第一板层为例，底板5的第一翻边51向X轴的反向产生膨胀变形量L1，由于约束环处于拉紧状态，与第一翻边51接触的金属板3随第一翻边51向X轴的反向移动L1。但由于金属板3的膨胀系数大与底板5的膨胀系数，金属板3沿X轴产生膨胀变形量L2。因此，第一板层受热后在X轴方向产生的变形量为δL＝L2-L1。

进一步地，约束板单元1还包括堆叠在一起的中间板4和金属板3，假设堆叠在一起的中间板4和金属板3为第二板层，第二板层堆叠于第一板层上。由于中间板4与底板5的材料相同，因此，第二板层的膨胀原理与第一板层的膨胀原理类似，此时第二板层在X方向产生的膨胀变形量也是δL。可以理解的是，由于第二板层堆叠于第一板层上，因此，第一板层和第二板层整体受热时在X方向上的膨胀变形量为2δL。

更进一步地，约束板单元1包括多个中间板4和多个金属板3，即约束板单元1具有多个第二板层，因此约束板单元1整体在X轴方向的整体膨胀变形量为ΔLX，即各个板层的膨胀变形量δL之和。同理，可以得到约束板单元1受热时在Z方向的整体变形量ΔLZ。

容易看出，通过底板5、顶板2、中间板4和金属板3堆叠多层，可以使得约束板单元1在X方向和Z方向上的变形量与碳材料体7在X方向和Z方向的变形量相等，进而使得本约束结构在受热时能够与碳材料体7在轴向和环向上双向同步膨胀变形。约束板单元的堆叠层数可以根据碳材料体的结构尺寸确定。

综上，本碳材料体约束结构能够同时对卧式气冷堆的碳材料体组成的散体结构进行轴向约束和环向约束，使散体结构保持正12棱柱的形状。同时,在受热时，本约束结构能够与碳材料体7在轴向和环向上同步膨胀变形，以避免碳材料体7受损变形。

实施例2

请参阅图2，本发明还公开一种卧式气冷堆，包括：堆芯、散体结构以及实施例1中的碳材料体约束结构。

其中，堆芯沿Z轴方向放置，散体结构由多个碳材料体组成，碳材料体7环绕于堆芯的周围。这些碳材料体7包括石墨反射体和含硼碳砖屏蔽体，用于反射和屏蔽堆芯燃料发射的中子。约束结构本体环绕于散体结构的外侧，并对多个碳材料体7进行轴向约束和环向约束。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。