反应性控制系统、核反应堆和核反应堆的控制方法

摘要

本发明提供了用于一种用于核反应堆的反应性控制系统，该反应性控制系统包括：控制管道，所述控制管道的至少一部分适于设置在核反应堆的堆芯中；第一控制流体输入管道，所述第一控制流体输入管道与控制管道连接，用于将第一控制流体输入控制管道；第二控制流体输入管道，所述第二控制流体输入管道与控制管道连接，用于将第二控制流体输入控制管道；以及流体输出管道，用于从控制管道输出由第一控制流体和第二控制流体混合成的混合流体。根据本发明的实施方式，例如可以提高控制材料对中子的吸收率。

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及一种用于核反应堆的反应性控制系统、核反 应堆和核反应堆的控制方法。

背景技术

目前常用的反应堆反应性控制方法是通过将控制棒插入反应堆 堆芯并进行上下移动来控制中子反应性，其原理是通过控制棒中吸收 体对反应堆中的中子进行吸收，调节反应堆内的中子平衡，从而达到 反应性控制和停堆的目的。反应堆的控制棒材料通常选用B₄C或者银- 铟-镉等固体金属。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供反应性控制系统、核反应堆和核反 应堆的控制方法，由此例如，可以提高控制材料对中子的吸收率。

根据本发明的实施例，提供了一种用于核反应堆的反应性控制系 统，该反应性控制系统包括：控制管道，所述控制管道的至少一部分 适于设置在核反应堆的堆芯中；第一控制流体输入管道，所述第一控 制流体输入管道与控制管道连接，用于将第一控制流体输入控制管 道；第二控制流体输入管道，所述第二控制流体输入管道与控制管道 连接，用于将第二控制流体输入控制管道；以及流体输出管道，用于 从控制管道输出由第一控制流体和第二控制流体混合成的混合流体。

根据本发明的实施例，所述控制管道包括围绕核反应堆堆芯的中 心线排列的多个分支控制管道，该多个分支控制管道中的每一个的一 个端部与所述第一控制流体输入管道和第二控制流体输入管道连接 并且另一个端部与所述流体输出管道连接。

根据本发明的实施例，第二控制流体输入管道包括环形主管道， 所述多个分支控制管道中的每一个的一个端部与第二控制流体输入 管道的环形主管道连接。

根据本发明的实施例，第一控制流体输入管道和第二控制流体输 入管道中的每一个都包括环形主管道，所述多个分支控制管道中的每 一个的一个端部与第一控制流体输入管道的环形主管道和第二控制 流体输入管道的环形主管道连接。

根据本发明的实施例，第一控制流体输入管道和第二控制流体输 入管道中的每一个都包括环形主管道，所述多个分支控制管道中的每 一个的一个端部与第一控制流体输入管道的环形主管道和第二控制 流体输入管道的环形主管道连接，并且流体输出管道包括环形主管 道，所述多个分支控制管道中的每一个的另一个端部与流体输出管道 的道环形主管道连接。

根据本发明的实施例，第二控制流体输入管道包括环形主管道， 所述多个分支控制管道中的每一个的一个端部与第二控制流体输入 管道的环形主管道连接，并且流体输出管道包括环形主管道，所述多 个分支控制管道中的每一个的另一个端部与流体输出管道的道环形 主管道连接。

根据本发明的实施例，控制管道包括围绕核反应堆堆芯的中心排 列的多个分支控制管道，所述第二控制流体输入管道和流体输出管道 由包括内部管道和外部管道的第一双层管道构成，其中第一双层管道 的内部管道形成流体输出管道，而第一双层管道的外部管道形成所述 第二控制流体输入管道，所述分支控制管道由包括内部管道和外部管 道的第二双层管道构成，第一双层管道的外部管道和内部管道与第二 双层管道的外部管道和内部管道在第二双层管道的一个端部处分别 连接，第二双层管道的内部管道和外部管道在第二双层管道的另一个 端部处相互连通。

根据本发明的实施例，在第二双层管道的所述另一个端部处，第 二双层管道的外部管道是封闭的，且第二双层管道的内部管道是开口 的，使得第二双层管道的内部管道与外部管道相连通。

根据本发明的实施例，第一双层管道包括环形主管道，作为第二 控制流体输入管道的环形主管道的第一双层管道的环形主管道的外 部管道与第二双层管道的外部管道在第二双层管道的一个端部处连 接，作为流体输出管道的环形主管道的第一双层管道的环形主管道的 内部管道与第二双层管道的内部管道在第二双层管道的所述一个端 部处连接。

根据本发明的实施例，第一控制流体输入管道包括环形主管道， 第一控制流体输入管道的环形主管道与第二双层管道的外部管道在 第二双层管道的所述一个端部处连接。

根据本发明的实施例，所述分支控制管道具有大致C状形状。

根据本发明的实施例，所述控制管道的所述至少一部分竖直延 伸。

根据本发明的实施例，所述第二双层管道的所述一个端部是所述 第二双层管道的上端部，而所述第二双层管道的所述另一个端部是所 述第二双层管道的下端部。

根据本发明的实施例，所述的用于核反应堆的反应性控制系统还 包括：设置在第二控制流体输入管道的环形主管道内的第一泵，用于 使混合流体在所述控制管道中循环。

根据本发明的实施例，所述的用于核反应堆的反应性控制系统还 包括：设置在流体输出管道的环形主管道内的第二泵，用于使混合流 体在所述控制管道中循环。

根据本发明的实施例所述的用于核反应堆的反应性控制系统还 包括：用于使第一控制流体输入管道与多个分支控制管道连接和断开 的阀门。

根据本发明的实施例，所述阀门设置在第一控制流体输入管道的 下游。

根据本发明的实施例，第一控制流体包含的控制材料比第二控制 流体包含的控制材料的浓度高，且第一控制流体能使反应堆停堆。

根据本发明的实施例，提供了一种核反应堆，该核反应堆包括： 堆芯；以及上述的反应性控制系统，其中所述控制管道的至少一部分 设置在所述堆芯中。

根据本发明的实施例，提供了一种核反应堆的控制方法，该控制 方法包括：将第一控制流体和第二控制流体同时输入控制管道中，控 制管道的至少一部分设置在核反应堆的堆芯中，以及使由第一控制流 体和第二控制流体混合成的混合流体在所述管路中循环。

根据本发明的实施方式，例如可以提高控制材料对中子的吸收 率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部 分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限 制。在附图中：

图1为根据本发明实施例的核反应堆反应性控制系统的示意图；

图2为根据本发明的一个示例的反应性控制系统的示意图；

图3为根据本发明的一个示例的反应性控制系统的示意框图；

图4为根据本发明的另一个示例的反应性控制系统的示意图；以 及

图5为本发明的另一个示例的反应性控制系统的控制管道的截 面示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处 所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的核反应堆反应性控制 系统，图2和3示出了根据本发明的一个示例的反应性控制系统，且 图4示出了根据本发明的另一个示例的反应性控制系统。

参见图1至4，根据本发明的实施例的核反应堆包括：堆芯；以 及反应性控制系统。反应性控制系统的控制管道的至少一部分设置在 所述堆芯中。

如图1至4所示，根据本发明的实施例的用于核反应堆的反应性 控制系统100包括：控制管道5，所述控制管道5的至少一部分适于 设置在核反应堆的堆芯6中；第一控制流体输入管道10，所述第一 控制流体输入管道10与控制管道5连接，用于将第一控制流体输入 控制管道5；第二控制流体输入管道20，所述第二控制流体输入管道 20与控制管道5连接，用于将第二控制流体输入控制管道5；以及流 体输出管道30，用于从控制管道5输出由第一控制流体和第二控制 流体混合成的混合流体。所述控制管道5的所述至少一部分竖直延 伸。第一控制流体包含的控制材料比第二控制流体包含的控制材料的 浓度高，且第一控制流体能使反应堆停堆。

如图1和3所示，反应性控制系统100还包括：反应性检测装置 101、反应性控制装置102、补充装置103及废料回收装置104。该反 应性控制系统可以安装在任意类型反应堆系统中，多个分支控制管道 51可以围绕反应堆堆芯6的中心轴线对称分布。分支控制管道51的 数量可以根据实际反应堆情况具体设置，可以选用与堆芯6相同的结 构材料制成。分支控制管道51可以是如图2所示的单层C状管道， 也可以是如图3所示的入口和出口在同一端的双层管道，分支控制管 道51的方向既可如图2、图3所示设置，也可将上下颠倒设置。

如图1至3所示，所述控制管道5包括围绕核反应堆堆芯6的中 心线排列的多个分支控制管道51，该多个分支控制管道51中的每一 个的一个端部与所述第一控制流体输入管道10和第二控制流体输入 管道20连接并且另一个端部与所述流体输出管道30连接。

根据本发明的一个示例，如图2所示，第一控制流体输入管道 10包括环形主管道12，所述多个分支控制管道51中的每一个的一个 端部与第一控制流体输入管道10的环形主管道12连接，第二控制流 体输入管道20包括环形主管道20，所述多个分支控制管道51中的 每一个的一个端部与第二控制流体输入管道20的环形主管道22连 接，并且流体输出管道30包括环形主管道32，所述多个分支控制管 道51中的每一个的另一个端部与流体输出管道30的道环形主管道 32连接。所述分支控制管道51可以具有大致C状形状。分支控制管 道51的至少一部分竖直延伸。

根据本发明的另一个示例，如图4所示，控制管道5包括围绕核 反应堆堆芯的中心排列的多个分支控制管道51，所述第二控制流体 输入管道20和流体输出管道30由包括内部管道和外部管道的第一双 层管道40构成，第一双层管道40的内部管道形成流体输出管道30， 而第一双层管道40的外部管道形成所述第二控制流体输入管道20， 所述分支控制管道51由包括内部管道和外部管道的第二双层管道构 成，第一双层管道40的外部管道和内部管道与第二双层管道的外部 管道和内部管道在第二双层管道的一个端部处分别连接，第二双层管 道的内部管道和外部管道在第二双层管道的另一个端部处相互连通， 如图5所示。分支控制管道51的至少一部分竖直延伸。

如图5所示，在第二双层管道的所述另一个端部处，第二双层管 道的外部管道18是封闭的，且第二双层管道的内部管道17是开口的， 使得第二双层管道的内部管道17与外部管道18相连通。

如图4所示，第一双层管道包括环形主管道，作为第二控制流体 输入管道20的环形主管道22的第一双层管道的环形主管道的外部管 道与第二双层管道的外部管道在第二双层管道的一个端部处连接，作 为流体输出管道30的环形主管道32的第一双层管道的环形主管道的 内部管道与第二双层管道的内部管道在第二双层管道的所述一个端 部处连接。第一控制流体输入管道10可以包括环形主管道12，第一 控制流体输入管道10的环形主管道12与第二双层管道的外部管道在 第二双层管道的所述一个端部处连接。

如图4所示，所述第二双层管道的所述一个端部是所述第二双层 管道的上端部，而所述第二双层管道的所述另一个端部是所述第二双 层管道的下端部。

如图3所示，反应性控制系统100还包括：设置在第二控制流体 输入管道20的环形主管道22内的第一泵70，用于使混合流体在所 述控制管道5中循环。反应性控制系统100还可以包括：设置在流体 输出管道30的环形主管道32内的第二泵80，用于使混合流体在所 述控制管道5中循环。

如图3所示，反应性控制系统100还包括：用于使第一控制流体 输入管道10与多个分支控制管道51连接和断开的阀门90。所述阀 门90可以设置在第一控制流体输入管道10的下游。

如图1、图2、图3所示，反应性检测装置101包括在每根分支 控制管道51的上方入口处和下方出口处设置的中子吸收检测装置 1011和材料浓度检测装置1012，按照预先设定的时间间隔对管道内 的流体进行检测。中子吸收检测装置1011和控制材料浓度检测装置 1012均设置在每根分支控制管道51的入口和出口位置，分别采集各 个位点的相关参数，用以检测分支控制管道51内中子吸收是否趋于 饱和、控制材料的浓度以及响应时间。中子吸收检测装置可选用中子 检测仪，控制材料浓度检测装置可选用气体/液体浓度检测仪。

补充装置103包括高浓度控制材料补充装置1031和低浓度控制 材料补充装置1032。补充装置位于与主管道连接的入口管道11、21 处，备用的中子控制材料储存在补充装置103内，其可根据反应性检 测装置101反馈的数据及时对控制材料的浓度进行动态调节，并将控 制材料补充至每根分支控制管道51中。

反应性控制装置102包括位于主管道12、22、32的入口管11和 21和出口管31上的泵112、212和阀门111、211、311，该反应性控 制装置102的作用是根据反应性检测装置101反馈的数据，对多个分 支控制管道51及主管道12、22、32中的中子控制材料进行更换，反 应性控制装置102可调节管道内中子控制材料的浓度和响应时间。

存储在高浓度控制材料补充装置1031和低浓度控制材料补充装 置1032中的高浓度控制材料和低浓度控制材料分别通过设置在入口 管11和21上的阀门111和211，由诸如气体泵和液体泵的泵泵入入 口主管道12和22，通过三通管，入口主管道12和22中的控制材料 流入设置在堆芯6内的各分支控制管道51并被混合，随后汇集于下 方出口主管道32中。当管道内充满流体后，关闭入口管11、21上的 阀门111和211、出口管31上的阀门311及入口主管道12与每个分 支控制管道51连接处的阀门90，使入口主管道22、分支控制管道 51和出口主管道32形成一个密闭空间，同时在入口主管道22和出 口主管道32中均设有诸如气体泵和液体泵的泵70和80对密闭空间 内的控制材料进行循环推动。

当发现某一个分支控制管道51内中子吸收检测装置1011和材料 浓度检测装置1012的参数达到设定阈值，则开启入口管11、21上的 阀门111和211、出口管31上的阀门311及主管道12与每个分支控 制管道51连接处的阀门90，吸收中子后的流体从出口管31的阀门 311输出至废料回收装置104，并进行下一步处理。与此同时，新的 中子吸收材料从补充装置的高浓度控制材料补充装置1031和低浓度 控制材料补充装置1032经入口管11和12泵入入口主管道12和22 中进行动态调节，混合后的控制材料分别流入分支控制管道51中。 当中子吸收检测装置1011和材料浓度检测装置1012检测到的参数符 合设定条件，则关闭入口管11、21上的阀门111和211、出口管31 上的阀门311及入口主管道12与每个分支控制管道51连接处的阀门 90，使入口主管道22、分支控制管道51和出口主管道32重新形成 一个密闭空间，控制材料的更换不影响反应堆的正常运行。

若需拆卸更换本实施例中的分支控制管道51，则可先使用机械 臂将位于堆芯6上方或下方的分支控制管道51的竖直管道与弯管的 接头9拧松，使弯管与直管分开，再用机械臂将其从堆芯中抽出。

如图4，图5所示，在第二实施例中采用了入口和出口在同一端 的双层管道(显然，也可以采用入口和出口在同一端的双管道)，因 此除了高浓度控制材料输入管道11是单层的之外，其他管道均设置 为双层管。首先，存储在高浓度控制材料补充装置1031和低浓度控 制材料补充装置1032中的高浓度控制材料和低浓度控制材料分别通 过设置在入口管11和双层管道40的外管构成的入口管21上的阀门 111、211，由泵112、212泵入主管道12和外管构成的主管道22中， 之后经过混合流入设置在堆芯6内的各分支控制管道51的外管18 中，接着流体从分支控制管道51头部14流入内管17，并汇集于由 双层管道40的内管构成的主管道32中，最后控制材料从与双层管道 40的内管构成的主管道32相连的出口管31上的阀门311输出至废 料回收装置104而被收集。当管道内充满流体后，关闭入口管11、 21上的阀门111和211、出口管31上的阀门311及入口主管道12与 每个分支控制管道51连接处的阀门90，使入口主管道22、分支控制 管道51和出口主管道32形成一个密闭空间，同时在入口主管道22 和出口主管道32中均设有诸如气体泵和液体泵的泵70和80对密闭 空间内的控制材料进行循环推动。

在每根分支控制管道51的入口、出口及分支控制管道51的头部 14处均设置有中子吸收检测装置1011和材料浓度检测装置1012，按 照预先设定的时间间隔对管道内的流体参数进行检测，当发现某一个 分支控制管道51内中子吸收检测装置1011和材料浓度检测装置1012 的参数达到设定阈值，则开启入口管11、21上的阀门111和211、出 口管31上的阀门311及主管道12与每个分支控制管道51连接处的 阀门90，吸收中子后的流体从出口管31的阀门311输出至废料回收 装置104，并进行下一步处理。与此同时，新的中子吸收材料从补充 装置的高浓度控制材料补充装置1031和低浓度控制材料补充装置 1032经入口管11和12泵入入口主管道12和22中进行动态调节， 混合后的控制材料分别流入分支控制管道51中。当中子吸收检测装 置1011和材料浓度检测装置1012检测到的参数符合设定条件，则关 闭入口管11、21上的阀门111和211、出口管31上的阀门311及入 口主管道12与每个分支控制管道51连接处的阀门90，使入口主管 道22、分支控制管道51和出口主管道32重新形成一个密闭空间， 控制材料的更换不影响反应堆的正常运行。

若需拆卸更换本实施例中的分支控制管道51，则可使用机械臂 直接将分支控制管道51从堆芯6中抽出即可。

根据本发明的实施例，含有中子强吸收剂的流体作为主要材料， 如硼酸、四硼酸钠、硝酸钆(Gd(NO₃)₃·xH₂O)等可溶性中子毒物。

根据本发明的实施例，分支控制管道51可均匀分布并插在反应 堆堆芯6内部预留的空腔中，其与反应堆堆芯相互独立，可使用机械 臂对其进行拆卸、更换，分支控制管道51的数量由实际需要决定。 分支控制管道51采用和堆芯相同的结构材料，管道壁厚2～5mm，直 径20～30cm，若选用双层管道，则其内层管道横截面面积应大于外层 管道与内层管道横截面面积之差。

作为反应性控制材料的流体存储在补充装置103中，补充装置 103包括高浓度控制材料补充装置1031和低浓度控制材料补充装置 1032，低浓度控制材料可为水或空气等稀释剂，高浓度控制材料可为 能使相应反应堆停堆浓度的中子吸收剂。在反应堆堆芯的外部，设置 有主管道12、22、32，将分支控制管道51连接在一起。

废料回收装置104设置于与出口主管道32连接的出口管31处， 其可根据需要将分支控制管道51中吸收中子后的废料流体导出并回 收。

根据本发明的实施例的一种核反应堆的控制方法，该控制方法包 括：将第一控制流体和第二控制流体同时输入控制管道中，控制管道 的至少一部分设置在核反应堆的堆芯中，以及使由第一控制流体和第 二控制流体混合成的混合流体在所述管路中循环。

本发明的实施例具有以下有益效果：第一、使用流体作为控制材 料，使控制材料与中子接触面大大增加，可有效提高中子的吸收率； 第二、可通过反馈参数对控制材料的浓度进行实时动态调控，大大提 高了响应时间；第三、与传统的固体金属作为控制材料的控制棒只能 应用于某一相应的反应堆相比，本发明可根据反应堆的类型，选择具 有不同中子捕获截面的控制材料，适用性更广；第四、无须像传统反 应堆控制棒一样使用机械装置驱动，结构简化，制造成本降低，同时 还可有效节省反应堆内部空间；第五、由于控制材料选用的是流体， 能够直接从分支控制管道51内输入或输出，可有效减少放射性污染 环节，安全、便捷。

以上实施例中，流体在入口主管道22、分支控制管道51和出口 主管道32形成一个密闭空间中循环，但是流体也可以以任何合适的 方式循环，例如，在堆芯6中的任何通过阀门形成的封闭环路中循环， 或在部分设置在堆芯6中的管路，部分设置在堆芯6外面的管路构成 的回路中循环。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。