中子反射器块、包括中子反射器块的侧反射器以及具有该侧反射器的核反应堆

摘要

本发明涉及一种中子反射器块(10)。该中子反射器块包括第一部分(12)和第二部分(18)。所述第一部分具有第一端面(14)以及与所述第一端面间隔开的对置地定位的中间肩部(16A，16B)。所述第一端面和所述中间肩部由间隔开的侧面(22A，22B)和间隔开的上部面和下部面(24A，24B)界定。第二部分在所述中间肩部之间从所述第一部分突出，并且具有间隔开的侧面(26A，26B)和间隔开的上部面和下部面(28A，28B)。所述第二部分的侧面相比于所述第一部分的侧面更窄地间隔开。所述第二部分还具有与所述第一端面对置地定位的第二端面(20)。

说明书

本发明涉及核反应堆。更具体地，本发明涉及用于高温气冷式核反应堆的侧反射 器。本发明提供用于中子反射器块和用于中子反射器块组件。本发明还扩展到包括中 子反射器块组件的侧反射器以及具有这样的侧反射器的核反应堆。

在高温气冷式反应堆(该反应堆典型地为球床型反应堆)中，芯部结构是是这样 的结构部件，这些结构部件围绕芯部设置并且限定和维持构成芯部的球床的几何结 构。芯部结构通常包括两个主要部件，即，芯部结构陶瓷体(core structure ceramics) 和芯部围桶组件。所述芯部结构陶瓷体典型地包括顶反射器、侧反射器、以及底反射 器。这些反射器典型地由合适的中子反射材料(通常是石墨)制成，并且呈堆叠成竖 直构造的块(block)的形式，从而形成了多个柱状物。这些柱状物在竖直方向上由 芯部围桶组件支撑，并且在横向上借助横向约束件支撑。这些反射器的主要作用是将 中子反射回到芯部中，从而提高芯部中的裂变行为。当将石墨用作反射材料时，反射 器也作为中子慢化体。本发明特别地涉及芯部结构陶瓷体的侧反射器，并且尤其涉及 组成该侧反射器的中子反射器块。

在高温气冷式核反应堆(尤其是其侧反射器)中用作中子反射器块的石墨块暴露 在极端高温和快速中子通量水平之下。暴露于这些极端条件下起初会引起石墨收缩， 然后又膨胀，从而导致在石墨反射器块中产生不均匀的内部应力。进一步地，在这些 极端条件下，石墨的固有材料特性也倾向于改变。这些额外的固有材料特性的改变导 致石墨块的内部应力分布非比寻常地复杂化以及石墨块的行为是违反直觉的。在某些 情形下，在石墨块内产生的内部应力可能会超过石墨的强度，从而导致石墨块破裂。 这些内部应力有时甚至可能导致危及石墨块的结构完整性。因此有必要限制在反射器 块中产生的内部应力。

申请人意识到限制在中子反射器块中产生内部应力的一种可行途径是限制或最 小化所述块的尺寸，从而限制在所述块内产生的内部应力的大小。在这种情况下，用 于传统芯部构造的侧反射器典型地必须包含两层或更多层反射器石墨，其中内层的块 比外层的小。然而，据申请人的经验可知，缩减所暴露的块(即，内层中所包含的那 些块)的尺寸会带来其他的困难和缺点。缺点之一就是由于使用了额外的反射器层因 此通过侧反射器的气流泄露可能增加，从而对反应堆的热效率带来负面影响。另一个 缺点是块层间的热流会减少，并导致芯部的被动冷却能力降低。此外，由侧反射器构 成的热流路径因为双层构造而被中断，并且有必要对反射器块的内侧进行冷却，其中 反射器块的内侧温度是最高的，并且块体的大部分与冷却通道之间的温差带来的影响 也是最严重的。这些温差再次导致反射器块内产生应力，因此可达到的/可操作的最 大温差受材料的强度所限。这继而限制了冷却气体入口温度和出口温度之间的最大温 差，而直接影响整个设备的效率。

本发明试图提供一个具有良好的应力操作性并减小的应力生成性能的反射器块， 并且本发明试图在减小由中子反射器块承受的应力的同时保持侧反射器块的热流路 径。

按照本发明的第一方面，提供了一个中子反射器块，该中子反射器块包括：

第一部分，该第一部分具有第一端面以及与所述第一端面间隔开的对置地定位的 中间肩部，所述第一端面和所述中间肩部由间隔开的侧面和间隔开的上部面和下部面 界定；以及

第二部分，该第二部分在所述中间肩部之间从所述第一部分突出，并且具有间隔 开的侧面和间隔开的上部面和下部面，所述第二部分的侧面相比于所述第一部分的侧 面更窄地间隔开，并且所述第二部分还具有与所述第一端面对置地定位的第二端面。

应该认识到，与第一部分相比，第二部分因此具有横向上变窄的轮廓。

反射器块的第一部分和第二部分两者的宽度(即，在它们的侧面之间的面间距上) 都可以沿从第一端面朝向第二端面的方向逐渐减小。应该认识到，当反射器块部分的 宽度这样逐渐减小时，以并排的关系定位多个相似形状的反射器块可能导致足够数量 的中子反射器块形成闭合形状的几何排列，其中在多个相似形状的反射器块以并排的 关系定位时，它们彼此抵接，典型地为相应的相邻反射器块的第一部分和第二部分的 对应侧面互相邻近，并且第一部分的侧面互相抵接。当然，形成这样的闭合形状的设 置所需的反射器块的数量典型地取决于反射器块的第一部分和第二部分逐渐减小所 处的角度。

第一部分和第二部分中的至少一者可以具有从其上部面贯穿到其下部面的通道。 典型地，提供一个或多个通道是为了在使用中容纳控制杆和/或为了允许冷却液从中 流过。典型地，第一部分具有贯穿其的冷却流体流通道，第二部分具有贯穿其的控制 杆通道。

在本发明的一个实施例中，第二部分的侧面可以是平坦的。另选地，当以俯视的 方式观看中子反射器块时，第二部分的侧面也可以是曲面。在这种情形下，第二部分 的侧面可以典型地具有凸起的弯曲，并且其可以朝着中间肩部比朝着第二端面向内更 深地延伸到第二部分中。因此，当第二部分有贯穿其的控制杆通道时，第二部分的侧 面在弯曲时会典型地在朝着中间肩部的方向上向内部分地围绕控制杆通道弯曲。在一 些情况下，相比于第二部分的侧面是平面时的情况，这可以导致中间肩部更深地延伸 到第二部分中。

中子反射器块可以优选地关于一平面对称，所述平面沿着中子反射器块的操作上 部面或下部面的纵向中线与中子反射器块相交。此外，第一部分和第二部分可以有相 同的厚度(即，其操作上部面和下部面之间的面距离)。因此第一部分和第二部分的 操作上部面和下部面典型地互相齐平，从而限定了反射器块的一致的操作上部面和下 部面。

中子反射器块可以由任何合适的中子反射材料构成。优选地，中子反射器块由石 墨制成。

在第二部分的每一侧面中，邻近于每个中间肩部均可以限定有凹部。应该认识到， 与没有限定凹部时的情形相比，这样的凹槽典型地会导致肩部更深地延伸到第二部分 中。这些凹处典型地沿着第二部分的宽延伸，通到第二部分的上部面和下部面处。

在使用中，多个中子反射器块可以并排地组装以形成中子反射器块组件，典型地 使相邻的反射器块的相邻的第一部分的侧面互相抵接。在这样的组件中将反射器块相 对于彼此固定可以通过键块来实现，这些键块被构造成互补地插设在限定于相邻的中 子反射器块的相邻的第二部分的侧面之间的空间中。如果合适，即，如果反射器块具 有如前所述的凹部，那么键块典型地可以具有突起，这些突起构造成与所述凹部中的 凹槽互补。

因此，根据本发明的第二方面，提供了一种中子反射器块组件，该中子反射器块 组件包括：

一对根据本发明的第一方面的中子反射器块，并且如上所述在其第二部分的侧面 中限定有凹部，所述反射器块以并排的关系抵接，使得这些中子反射器块的相邻的第 一部分的侧面相互抵接，其中在这些中子反射器块的相邻的第二部分的侧面之间限定 有空间；以及

键块，该键块定位于所述中子反射器块的相邻的第二部分的侧面之间的所述空间 中，并将所述中子反射器块锁定在一起。

所述键块可以具有互补的突起，这些突起接合所述中子反射器块的第二部分的侧 面中的凹部。特别地，键块可以包括间隔部和固定部，其中固定部提供了互补的突起。 所述间隔部可以成形为与所述中子反射器块的第二部分的侧面之间的空间互补，并且 因而操作地填充在所述空间中。因此，当第二部分的侧面是平坦的时，键块的间隔部 的对应侧面也可以是平坦的，在这种情况下，间隔部与第二部分之间的缝隙的轮廓典 型地是直的。与此类似，当第二部分的侧面是曲面时，间隔部分的侧面在其俯视图的 轮廓中可以具有互补的弯曲，在这种情况下，间隔部与第二部分之间的缝隙的轮廓是 弯曲的。

典型地，在使用中，所述组件可以包括多个并排地抵接设置的中子反射器块以及 相关联的键块，其中中子反射器块被设置成使得：所述中子反射器块组件具有闭合形 状的几何轮廓，其中所述中子反射器块组件的第一个中子反射器块的第一部分的侧面 与所述中子反射器块组件的最后一个中子反射器块的第一部分的侧面相互抵接，并且 所述键块将相邻的中子反射器块互相连接。可以预想到，所述中子反射器块组件的将 典型地具有等角多边形的轮廓或类圆多边形轮廓。应该认识到，基于所述中子反射器 块组件的构造，在正常情况下所述中子反射器块组件可以包含数量等于在所述中子反 射器块组件中采用的反射器块的数量的固定嵌件。在本发明的优选实施例中，所述中 子反射器块组件具有大体环形构型，但轮廓不必一定是圆形的，从而在使用中所述中 子反射器块组件可以围绕在反应堆芯部设置，所述反应堆芯部典型地为用于核反应堆 的环形侧反射器的一部分。

应该认识到，所述中子反射器块组件的反射器块不必完全相同，并且固定嵌件也 不必完全相同。可以设想，所述中子反射器块组件中的一些反射器块的第二部分可以 比中子反射器块组件中的其他反射器块从中间面进一步突出(即，操作地向内突出)， 并且，单独的反射器块也可以具有不同尺寸的第二端面。在这种情形下，反射器组件 可以典型地具有所谓的棋盘外观，其中一些反射器块比另一些反射器块更向内突出。 这同样也适用于键块的间隔部。因此，所述组件的操作内部面可以非均匀的。然而， 预计用于反应堆中的反射器块的第一部分在尺寸和形状上将会是基本相同的，从而限 定反射器块组件的均匀的操作外表面。典型地设置在所述块的第二部分中的控制杆通 道的直径也可以不同。

本发明扩展到用于核反应堆的侧反射器，所述侧反射器包括至少一个根据本发明 的第二方面的中子反射器块组件。

本发明同样扩展到具有侧反射器的核反应堆，所述侧反射器包括至少一个根据本 发明的第二方面的中子反射器块组件。核反应堆可以是高温气冷式反应堆，典型地为 球床型核反应堆。

现在将参照下述附图仅以示例的方式来描述本发明：

附图中：

图1示出了依据本发明的中子反射器块的立体图；

图2示出了一个键块(key block)的立体图，该键块在包括图1的多个中子反射 器块的中子反射器组件中使用；

图3示出了呈互补接合配置的形式的图1的反射器块以及图2的键块的立体图；

图4示出了依据本发明的反射器块组件的立体图。

参照附图特别是图1，附图标记10总体上表示依据本发明的反射器块。

所述块10是由石墨制成的。

所述块10包括第一部分12，该第一部分具有第一端面14以及与该第一端面14 间隔开的、对置地定位的中间肩部16A、16B。

所述块10还包括第二部分18，该第二部分限定了与第一端面14对置地定位的 第二端面20。该第二部分18在所述中间肩部16A、16B之间从所述第一部分12突 出。

所述第一端面14和所述中间肩部16A、16B由间隔开的第一部分侧面22A、22B 和间隔开的第一部分上部面24A和第一部分下部面24B界定。相似地，所述第二端 面20和所述中间肩部16A、16B由第二部分侧面26A、26B以及第二部分操作上部 面28A和第二部分操作下部面28B界定。应该认识到，上部面24A、28A和下部面 24B、28B分别相互齐平，从而构成了中子反射器块10的连续的上部面和连续的下部 面。

所述第二部分侧面26A、26B相比于第一部分侧面22A、22B更窄地间隔开，从 而第二部分18具有比第一部分12大体上更窄的横向轮廓。

中间肩部16A、16B均具有开口29A、29B，所述开口在位于第一部分12和第二 部分18之间的界面27处被限定为邻近于所述中间肩部。开口29A、29B伸入到第二 部分18，并在延伸达至第二部分的上部面28A和下部面28B。

中子反射器块10(并且更具体地是其第一部分12和第二部分18)的宽度分别从 第一端面14到第二端面20逐渐减小。

第一部分12具有冷却液通道25，该冷却液通道从第一部分的上部面24A贯穿到 该第一部分的下部面24B。第二部分18具有控制杆通道23，该控制杆通道从第二部 分的上部面28A贯穿到该第二部分的下部面28B。在某些情形下，该通道23也可以 作为备用关断系统通道。

应该认识到，该中子反射器块10关于以下平面对称，所述平面沿着反射器块10 的上部面的纵向中线A-A与所述块10相交。

参照附图2，附图标记30总体上表示固定嵌件(securing insert)，或键块(key  block)，以用于将图1的至少两个反射器块10相地于彼此固定。

该固定嵌件30包括间隔部32和固定部34，其中所述固定部34具有两个横向突 出的凸缘部34A、34B。

凸缘部34A、34B被成形为与图1的反射器块10中限定的凹部29A、29B互补， 并且从而如图3和图4中更清楚地所示的能以互补的方式接收在相应的凹部中。

嵌件30的间隔部32的尺寸和形状确定为与限定在相邻反射器块10的第二部分 18的相邻侧面26A/26B之间的空间互补。因此，如在图4中更清楚地示出的，在使 用中，特定固定嵌件30A的间隔部的一个侧面36A与一个中子反射器块10A的侧面 26A相紧邻，同时，该嵌件30A的间隔部32的另一侧面36B与和所述中子反射器块 10A相邻定位的另一个中子反射器块10B的侧面26B相紧邻。因此，在使用中，凸 缘部34A、34B分别被接收在分别相邻地定位的中子反射器块10A、10B的凹处29A、 29B，从而将中子反射器块10A、10B锁定在一起。

嵌件30还具有操作内端面38.

图3示出了处于连接或组装状态下的图1的块10以及图2的嵌件30，其中该嵌 件30的一个侧面36B紧邻该中子反射器块10的一个侧面26B。嵌件30的一个凸缘 部34B被接收在中子反射器块10的一个凹处29B中。应该认识到，由于紧邻的侧面 26B、36B均是平坦的，因此嵌件30的侧面36B和块10的侧面26B之间的缝隙31 的轮廓是直的。依据本发明，如果侧面26A、26B是弯曲的，则侧面36A、36B也将 分别和侧面26A、26B的曲率互补地弯曲，并且从而导致缝隙31的轮廓同样也弯曲。

图4中，附图标记40总体上表示依据本发明的一个侧反射器块组件。该侧反射 器块组件40适合于包含在高温气冷式核反应堆的侧反射器中，典型地与其他类似的 侧反射器块组件以堆叠的构造使用，而构成侧反射器。

所述组件40包括多个图1的反射器块10，这些反射器块10借助图2的多个键 块或固定嵌件30而相对于彼此被固定。值得注意的是，在此组件中包含有相同数量 的块10和嵌件30。

如前所述，与其中所有的块10和所有的嵌件30都分别相同的所示的实施方式不 同，可以设想中子反射器块10(尤其是其第二部分18)在尺寸和形状上可以有所不 同。

块10以并排的方式定位，其中反射器块10的第一部分12的相应侧面24A与相 邻反射器块10的第一部分12的侧面24B对齐连接或彼此紧邻。

固定嵌件30被设置在限定于相邻的中子反射器块10的第二部分18之间的空间 中，其中每个固定嵌件30的凸缘部34A、34B被接收在相邻的反射器块10的相应凹 部29A和29B中。

应该认识到，所述组件40限定了闭合形状的几何排列，更具体地为等角多边形， 所述等角多边形的边，在所述组件的内部面52上由块10的第二部分18的第二端面 20以及嵌件30的操作内端面限定，并且在所述组件的外表面54上由中子反射器块 10的第一端面14限定。

应该认识到，通过提供具有如前所述的第一部分和第二部分的反射器块，并且同 样如前所述通过使第二部分相对于第一部分变窄，该侧反射器块包括互相连接的较小 操作内部或中子入射部以及较大的操作外部。因此其中中子通量最高的中子入射部中 的石墨量减少。申请人认为这是本发明的独特优势，如描述中的那样，通过这样的构 造，由于中子入射部的尺寸减小而使中子入射部中的内部应力减小，同时不中断沿着 第一部分和第二部分形成的热流通道。因此，申请人认为相比于如前所述的双层侧反 射器构造，本发明的中子反射器块和因而依据本发明的中子反射器块组件降低了内部 应力产生特性并且提高了热传递特性。因此该反射器块的内部应力产生特性降低，同 时也不影响该中子反射器块的热传递特性。

本申请人进一步认为，如前所述本发明的独特优势在于，根据本发明的中子反射 器块和键块或固定嵌件可以适用于平衡它们的内部应力产生特性并使这些特性最小 化。

当操作采用根据本发明的反射器块与反射器块组件的反应堆时，所述反射器块与 反射器块组件中的减小的应力产生特性和由此导致的减小的应力导致改进了安全裕 度。

申请人期望与现有反射器块相比，根据本发明的反射器块会具有增加的使用寿 命。

申请人还认为本发明的独特优势在于，当反射器块的第二部分的侧面是曲面并且 相关联的固定嵌件或键块的对应侧面也是互补的曲曲时，将所述面彼此抵靠地放置将 在反射器块的第二部分和键块的间隔部之间限定出缝隙的弯曲轮廓，与当缝隙的轮廓 是直线时可能出现的中子流相比，这将降低所述缝隙中的中子流。此外，所述缝隙的 弯曲轮廓预期会降低两个相邻块之间的气体泄漏流。

延伸交替反射器块的第二面来形成棋盘模式将还可能破坏球床的压实 (packing)，从而降低燃料的压实密度。降低的压实密度将可能降低施加到燃料上并 由燃料承受的最大接触力，并且还将可能降低球床的流阻。