一种棱柱式高温气冷堆堆芯结构

技术领域

本发明属于核工程技术领域，具体涉及一种棱柱式高温气冷堆堆芯结构。

背景技术

高温气冷堆是采用高包容性包覆颗粒弥散型燃料的先进四代堆堆型，堆芯采用耐高温的石墨慢化、化学惰性良好的氦气冷却，能够提供高达950℃以上的高品质工业热源。高温气冷堆根据堆芯结构可以分为球床式和棱柱式两种：球床式采用球形燃料，运行期间可持续换料，燃料球依靠重力由堆底卸出；棱柱式采用柱状燃料元件插入石墨砖块构成燃料组件，燃料组件再依次叠放组成稳固的堆芯。

现有高温气冷堆堆型设计均采用单流程的流动、换热方式，即冷却剂进入反应堆后由堆芯上部向下流经活性区冷却堆芯。对于棱柱式高温气冷堆，堆芯是由燃料组件分层分区堆砌而成的，堆芯径向和轴向的功率、温度都呈现出不均匀分布的特性，为了保护反应压力容器及其它堆内金属构件，功率较高的燃料组件往往布置在堆芯中心区域，功率较低的燃料组件布置在堆芯外围区域，同时，由于堆芯中心区域的导热路径较长，该区域燃料组件的温度要明显高于堆芯外围区域的燃料组件，该区域内的局部高温代表了堆内燃料的最高温度，是衡量燃料完整性以及运行安全性的关键参数。

但是，由于现有高温气冷堆堆型采用的冷却剂单流程方式，导致堆芯中心区域的燃料组件和堆芯外围区域的燃料组件分配到的冷却剂流量相差不大，冷却剂无法更为有效的冷却堆内的高温区域，在局部恶劣工况下不仅会降低反应堆整体运行的安全性，同时还会限制反应堆出口温度的进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的以上不足，提供一种棱柱式高温气冷堆堆芯结构，可在堆芯内构建双流程流道，实现冷却剂两流程式流动方式，使得冷却剂能够更为有效的冷却堆内高温区域的燃料组件，提高反应堆整体性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提供一种棱柱式高温气冷堆堆芯结构，包括堆芯本体，所述堆芯本体包括燃料组件、反射层组件、集气结构组件、以及底板，所述反射组件包括上反射层、中心反射层、侧反射层、以及下反射层，所述燃料组件设于所述中心反射层的外侧，燃料组件内设有第一冷却剂通道和第二冷却剂通道，所述上反射层设于燃料组件的上部，上反射层内设有气腔，所述气腔与所述第一冷却剂通道、所述回程通道分别连通，所述侧反射层设于燃料组件的外侧，侧反射层内设有上升通道，所述上升通道与所述第二冷却剂通道通过回程通道连通，所述下反射层设于燃料组件的下部，下反射层内设有第一分气通道和第二分气通道，所述集气结构组件设于下反射层的下部，集气结构组件内设有进气通道和集气通道，所述底板设于集气结构组件的下部，底板上设有进气口和第二进气口、以及出气口，所述进气口与所述进气通道连通，所述第二进气口与所述上升通道连通，所述进气通道通过所述第一分气通道与所述第一冷却剂通道连通，用于通入冷却剂，所述集气通道通过所述第二分气通道与所述第二冷却剂通道连通，所述出气口与所述集气通道连通，用于排出冷却剂。

优选的是，所述燃料组件包括I区燃料组件和II区燃料组件，所述I区燃料组件设于所述中心反射层的外侧，I区燃料组件内设有第一燃料孔道，所述第一燃料孔道用于装载第一燃料元件，所述第一冷却剂通道设于I区燃料组件内，用于冷却所述第一燃料元件，所述II区燃料组件设于所述I区燃料组件的外侧，II区燃料组件内设有第二燃料孔道，所述第二燃料孔道用于装载第二燃料元件，所述第二冷却剂通道设于II区燃料组件内，用于冷却所述第二燃料元件，所述侧反射层、所述上反射层、以及II区燃料组件之间合围形成回程通道，所述气腔、所述上升通道均通过所述回程通道与所述第二冷却剂通道连通。

优选的是，所述I区燃料组件和所述II区燃料组件的结构相同，I区燃料组件和II区燃料组件的高度均与所述中心反射层的高度相等。

优选的是，所述第一冷却剂通道和所述第二冷却剂通道的数量均为多个。

优选的是，所述进气通道和所述第一分气通道的数量均为与第一冷却剂通道数量相同的多个，每个进气通道分别通过一个第一分气通道与一个第一冷却剂通道分别连通。

优选的是，所述进气通道上对应所述第一进气口的一端设有一个进气孔，所述进气孔与第一进气口连通，进气通道上对应所述第一分气通道的另一端设置多个出气孔，第一分气通道的数量为与第一冷却剂通道的数量相同的多个，多个所述出气孔分别通过第一分气通道与一个第一冷却剂通道连通；或者，所述进气通道与所述第一进气口的数量相同，所述第一分气通道上对应进气通道的一端设有一个进气孔，所述进气孔与进气通道连通，第一分气通道上对应所述第一冷却剂通道的另一端设有多个分气孔，所述分气孔的数量与第一冷却剂通道的数量相同，每个分气孔分别与一个第一冷却剂通道连通。

优选的是，所述集气通道包括主道和多个支道，其中：

所述支道和所述第二分气通道的数量均为与第二冷却剂通道数量相同的多个，每个支道的顶端分别通过一个第二分气通道与一个所述第二冷却剂通道连通，每个支道的底端均与所述主道连通，主道与所述底板上的出气口连通；或者，每个所述支道的顶端设有多个进出孔，所述进出孔的总数量和第二分气通道均与第二冷却剂通道的数量相同，每个进出孔分别通过一个第二分气通道与一个所述第二冷却剂通道连通；或者，所述支道和第二分气通道的数量相同，每个第二分气通道上对应支道的一端设有一个进出孔，并与支道一一对应连通，第二分气通道上对应第二冷却剂通道的另一端设有多个分气孔，所述分气孔的数量与第二冷却剂通道的数量相同，每个分气孔分别与一个第一冷却剂通道连通。

优选的是，进气通道与集气通道相间布置。

优选的是，本结构还包括压力容器，所述堆芯本体设于所述压力容器内。

优选的是，所述压力容器内设有堆内支撑构件，所述堆芯本体通过所述堆内支撑构件支撑在压力容器的下部；

所述压力容器底部设有冷却剂进口导管和冷却剂出口导管，所述冷却剂进口导管与所述第一进气口、所述第二进气口分别连通，所述冷却剂出口导管与所述出气口连通。

有益效果：

本发明的棱柱式高温气冷堆堆芯结构，通过燃料组件分区、冷却剂流道布置规划，在堆芯内构建了双流程流道，在正常运行工况下实现了堆芯冷却剂两流程式流动方式，提高了冷却剂与燃料组件的换热效率，有利于降低堆内高温区域燃料的运行温度，提高整个堆芯的安全性，在失流事故工况下实现了反应堆内冷却剂的自然循环，从而可有效降低堆芯温度，缓解事故进程。

附图说明

图1为本发明实施例棱柱式高温气冷堆堆芯结构的结构示意图；

图2为本发明实施例棱柱式高温气冷堆堆芯结构在正常运行工况下的冷却剂流程示意图；

图3为本发明实施例棱柱式高温气冷堆堆芯结构在失流事故工况下的冷却剂流程示意图。

图中：1、压力容器；2、上反射层；3、中心反射层；4、I区燃料组件；5、II区燃料组件；6、侧反射层；7、下反射层；8、集气结构组件；9、底板；10、堆内支撑构件；11、冷却剂出口导管；12、冷却剂进口导管；13、第一进气口；14、集气通道；15、进气通道；16、第一分气通道；17、第一冷却剂通道；18、第二冷却剂通道；19、上升通道；20、出口；21、回程通道；22、第二进气口；23、第二分气通道。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对本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它实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种棱柱式高温气冷堆堆芯结构，由结构相似的组件砖块叠砌而成，包括堆芯本体，堆芯本体包括燃料组件、反射层组件、集气结构组件8、以及底板9，反射组件包括上反射层2、中心反射层3、侧反射层6、以及下反射层7，其中：

中心反射层3处于堆芯本体的中心位置，燃料组件设于中心反射层3的外侧，燃料组件内设有第一冷却剂通道17和第二冷却剂通道18；

上反射层2设于燃料组件的上部，上反射层2内设有气腔，气腔与第一冷却剂通道17、回程通道分别连通；

侧反射层6设于燃料组件的外侧，侧反射层6内设有上升通道19，上升通道19与第二冷却剂通道18通过回程通道连通；

下反射层7设于燃料组件的下部，下反射层7内设有第一分气通道16和第二分气通道23，集气结构组件8设于下反射层7的下部，集气结构组件8内设有进气通道15和集气通道14，底板9设于集气结构组件8的下部，底板9上设有第一进气口13和第二进气口22、以及出气口，第一进气口13与进气通道15连通，第二进气口22与上升通道19连通，进气通道15通过第一分气通道16与第一冷却剂通道17连通，用于通入冷却剂，集气通道14通过第二分气通道23与第二冷却剂通道18连通，出气口与集气通道14连通，用于排出冷却剂。

本实施例结构，通过燃料组件分区、冷却剂流道布置规划，不仅可以在堆芯内形成由进气通道15、第一分气通道16、第一冷却剂通道17、气腔、以及上升通道19构成的第一流程流道，还可以在堆芯内形成由第二冷却剂通道18、第二分气通道23、以及集气通道14构成的第二流程流道，从而将进入反应堆的冷却剂流动路线划分为不同的流程，实现冷却剂两流程式流动方式，使得冷却剂能够更为有效的冷却堆内高温区域的燃料组件，提高反应堆整体性能。

在正常工况下，冷却剂分为两路通入，其中，一路冷却剂(记为第一路一流程冷却剂)从第一进气口13通入并向上流动，依次经过进气通道15、第一分气通道16、第一冷却剂通道17、以及气腔后进入回程通道，另一路冷却剂(记为第二路一流程冷却剂)从第二进气口22通入，并向上流通直接经过上升通道19进入回程通道，并与第一路一流程冷却剂汇合、搅混，之后，混合后的冷却剂(记为二流程冷却剂)向下流动，依次经过第二冷却剂通道18、第二分气通道23、以及集气通道14，通过集气通道14汇集后，最后从出气口排出。

在失流事故工况下，堆芯失去强迫冷却，堆内燃料发热引起的温度差，会造成冷却剂的密度差，产生自然循环驱动力，第一路冷却剂从底板9上的出气口进入，经过集气通道14经过下反射层7中的第二分气通道23流入对应的第二冷却剂通道18，第二路冷却剂从反应堆下部底板上的第一进气口13进入，经过堆芯下部的集气结构组件中的进气通道15、经过下反射层7中的第一分气通道16流入对应的第一冷却剂通道17，由下向上流动(与重力反向)，两路冷却剂在回程通道汇集，并进入侧反射层6中的上升通道19，并沿上升通道19向下流动，最后经过底板9上的第二进气口22流出，从而构成堆内自然循环。

在一些实施方式中，燃料组件包括I区燃料组件4和II区燃料组件5。

具体来说，I区燃料组件4为燃料功率较高的燃料组件，其设于中心反射层3的外侧，靠近中心反射层3布置，处于堆芯中心区域，I区燃料组件4内设有第一燃料孔道，第一燃料孔道用于装载第一燃料元件，第一冷却剂通道17设于I区燃料组件4内，用于在冷却剂(第一路一流程冷却剂)流通经过第一冷却剂通道17时与第一燃料元件进行换热(不接触)，从而冷却第一燃料元件。

II区燃料组件5为燃料功率较低(至少低于I区燃料组件)的燃料组件，其设于I区燃料组件4的外侧，处于堆芯外围区域，II区燃料组件5内设有第二燃料孔道，第二燃料孔道用于装载第二燃料元件，第二冷却剂通道18设于II区燃料组件5内，用于在冷却剂(二流程冷却剂)流通经过第二冷却剂通道18时与第二燃料元件进行换热(不接触)，从而冷却第二燃料元件。

并且，侧反射层6、上反射层2、以及II区燃料组件之间合围形成回程通道21，气腔、上升通道19均通过回程通道21与第二冷却剂通道18连通，第一路一流程冷却剂由气腔进入回程通道21，第二路一流程冷却剂由上升通道19进入回程通道21。在正常运行工况下，回程通道21可对第一路一流程冷却剂和第二路一流程冷却剂起到汇集、搅混的作用。在失流事故工况下，回程通道21可以汇集I区燃料组件4中的冷却剂和II区燃料组件5中的冷却剂，并将其通过上升通道9向下流动后排出。

气腔处于上反射层2中对应I区燃料组件4的位置，在上反射层2中对应II区燃料组件5的位置开设出口20，气腔通过所述出口20与回程通道21连通，第一路一流程冷却剂通过所述出口20进入回程通道21。

在正常运行工况下，冷却剂刚刚从第一进气口13和第二进气口22通入时，冷却剂的温度较低，冷却剂通过第一流程流道向上流动，即运行第一流程，其中，一部分冷却剂(即第一路一流程冷却剂)直接进入I区燃料组件4中的第一冷却剂通道17，用于冷却功率较高的I区组件，另一部分冷却剂(即第二路一流程冷却剂)直接进入侧反射层6中的上升通道19，用于冷却侧反射层6。由于侧反射层6中一般会有控制棒，这部分冷却剂可以确保控制棒不超温，同时，还可以确保反射层组件外部的压力容器1(详见下文)不超温。第一流程中的两部分冷却剂分别与I区燃料组件4、侧反射层6进行热交换后，温度都有不同程度的升高，在回程通道21中汇集、搅混，使得第一流程中的两部分冷却剂混合均匀后进入第二流程流道。混合后的冷却剂(即第二流程冷却剂)通过第二流程流道向下流动，即运行第二流程，第二流程冷却剂进入II区燃料组件5的第二冷却剂通道，用于冷却功率较低的II区燃料组件5，第二流程冷却剂经过与II区燃料组件5热交换后，经第二分气通道汇入到集气通道14中，最终从底板9上的出气口排出。

第一流程的冷却剂温度相对较低，用于冷却功率较高的I区燃料组件4和温度限值较低的控制棒，第二流程的冷却剂温度相对较高，用于冷却功率较低的II区燃料组件5，有助于堆芯温度的展平，提高冷却剂与燃料组件的换热效率，降低堆内高温区域燃料的运行温度，提高整个堆芯的安全性。

在一些更具体的实施方式中，I区燃料组件4和II区燃料组件5的结构相同、尺寸相同，I区燃料组件4和II区燃料组件5的高度均与中心反射层3的高度相等。但是，在正常运行工况下，I区燃料组件4中的冷却剂为向上流动，II区燃料组件5中的冷却剂为向下流动，可见，I区燃料组件和II区燃料组件的进气方式不同，两者内的冷却剂的流动方向相反；在失流事故工况下，两者内冷却剂自然循环流动方向相同。

在一些更具体的实施方式中，第一冷却剂通道17和第二冷却剂通道18的数量均为多个。进气通道15和第一分气通道16的数量与第一冷却剂通道17的数量可以相同，也可以不相同。

具体来说，可以是：进气通道15和第一分气通道16与第一冷却剂通道17一一对应，即进气通道15和第一分气通道16的数量均为与第一冷却剂通道17的数量相同的多个，多个进气通道15分别与一个第一进气口13连通，即底板9上的第一进气口13的数量为相应的多个，每个进气通道15分别通过一个第一分气通道16与一个第一冷却剂通道17连通，在正常运行工况下，冷却剂经过第一分气通道16分配到I区燃料组件4中的各个第一冷却剂通道17中。

也可以是：进气通道15上对应第一进气口13的一端设有一个进气孔，该进气孔与第一进气口13一一对应并连通，进气通道15上对应第一分气通道16的另一端设有多个出气孔，第一分气通道16的数量为与第一冷却剂通道17的数量相同的多个，多个出气孔分别通过第一分气通道16与一个第一冷却剂通道17连通，也就是说，进气通道15采用了具有一分多的作用的结构。

还可以是：进气通道15与第一进气口13的数量相同，即进气通道15与第一进气口13一一对应并连通，比如，两者的数量均为一个，第一分气通道16上对应进气通道15的一端设有一个进气孔，所述进气孔与进气通道15连通，第一分气通道16上对应第一冷却剂通道17的另一端设有多个分气孔，所述分气孔的数量与第一冷却剂通道17的数量相同，每个分气孔分别与一个第一冷却剂通道17连通，也就是说，第一分气通道16采用了具有一分多的作用的结构。

需要说明的是，除了可以是如上所述的只有进气通道15采用了具有一分多的作用的结构或者只有第一分气通道16采用了具有一分多的作用的结构以外，还可以是进气通道15和第一分气通道16同时采用具有一分多的作用的结构，以及，根据上述情况进行的组合、变换的其他结构，这里不再一一赘述。

集气通道14包括主道和多个支道，主道与底板9上的出气口连通，多个支道的底端均与主道连通，多个支道的顶端均通过第二分气通道23与第二冷却剂通道18连通。支道和第二分气通道23的数量与第二冷却剂通道18的数量可以相同，也可以不相同。

具体来说，可以是：支管和第二分气通道23与第一冷却剂通道18一一对应，即支道和第二分气通道的数量均为与第二冷却剂通道18的数量相同的多个，每个支道的一端(顶端)设置一个进出孔，并分别通过一个第二分气通道23与一个第二冷却剂通道18连通，每个支道的另一端(底端)均与主道连通，主道与底板9上的出气口13连通，在正常运行工况下，II区燃料组件5中的各个第二冷却剂通道18中的冷却剂经过第二分气通道23逐步汇集到集气通道14的主道中。

也可以是：每个支道的顶端设有多个进出孔，所述进出孔的总数量和第二分气通道23均与第二冷却剂通道18的数量相同，每个支管顶端的多个进出孔分别通过一个第二分气通道23与一个第二冷却剂通道18连通，也就是说，支管采用了具有一分多的作用的结构，

还可以是：支道和第二分气通道的数量相同，每个第二分气通道23上对应支道的一端设有一个进出孔，并与支道一一对应连通，第二分气通道23上对应第二冷却剂通道18的另一端设有多个分气孔，所述分气孔的数量与第二冷却剂通道18的数量相同，每个第二分气通道23上的多个分气孔分别与一个第一冷却剂通道17连通，也就是说，第二分气通道23采用了具有一分多的作用的结构。

需要说明的是，除了可以是如上所述的只有支管采用了具有一分多的作用或者只有第二分气通道23采用了具有一分多的作用以外，还可以是支管和第二分气通道23同时采用了具有一分多的作用，以及，根据上述情况进行的组合、变换的其他结构，这里不再一一赘述。

在一些更具体的实施方式中，进气通道15与集气通道14相间布置，各个进气通道15和各个集气通道14互不干涉，分别与其上下游通道进行连通。

在一些实施方式中，本结构还包括压力容器1，堆芯本体设于压力容器1内。

具体来说，压力容器1内设有堆内支撑构件10，底板9设于堆内支撑构件10上，堆芯本体通过堆内支撑构件10支撑在压力容器1的下部，同时，堆内支撑构件10还可以对堆芯本体起到限位作用。压力容器1底部设有冷却剂进口导管12和冷却剂出口导管11，冷却剂进口导管12与第一进气口13、第二进气孔分别连通，以通入冷却剂，冷却剂出口导管11与出气口连通，以排出冷却剂。

本实施例中，如图1所示，压力容器1底部设开口，底板9上的出气口设于底板9的中心位置，具体可设于中心反射层3的正下方，冷却剂出口导管11穿设于压力容器1的底部开口中，并与底板9中心位置的出气口连通，从而可在冷却剂出口导管11与压力容器1器壁之间构成环形通道，该环形通道即可作为冷却剂进口导管12，这样可以避免单独设置的冷却剂进口导管，使结构更简单。

本实施例的棱柱式高温气冷堆堆芯结构，通过燃料组件分区、冷却剂流道布置规划，在堆芯内构建了双流程流道，在正常运行工况下实现了堆芯冷却剂两流程式流动方式，提高了冷却剂与燃料组件的换热效率，有利于降低堆内高温区域燃料的运行温度，提高整个堆芯的安全性，在失流事故工况下实现了反应堆内冷却剂的自然循环，从而可有效降低堆芯温度，缓解事故进程。

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。