本發(fā)明涉及核能領(lǐng)域，具體涉及一種具有重液態(tài)金屬冷卻劑的核反應(yīng)堆。更具體地，本發(fā)明涉及一種具有重液態(tài)金屬冷卻劑的整體式核反應(yīng)堆的殼體裝置。

背景技術(shù)：

1、整體式核反應(yīng)堆的特點首先在于其沒有一次回路冷卻劑管道。除堆芯外，反應(yīng)堆殼體內(nèi)還設(shè)有將堆芯熱量排放到二次回路冷卻劑的所有主要設(shè)備。此外，整體式核反應(yīng)堆還包括控制功率所需的反應(yīng)性控制機構(gòu)以及用于監(jiān)測回路各點冷卻劑溫度和流量的系統(tǒng)設(shè)備。所有這些設(shè)備基本上位于反應(yīng)堆殼體上或與其相連。堆芯內(nèi)保持和伴隨中子與輻射遷移的鏈式裂變反應(yīng)，無論是在堆芯內(nèi)還是在反射器及其周邊的結(jié)構(gòu)件內(nèi)，都伴隨熱量釋放。堆芯元件和設(shè)在核反應(yīng)堆殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)件元件，其排熱要求組織循環(huán)和對冷卻劑流量進行分配，以便結(jié)構(gòu)件元件的溫度不超過容許值。為此，在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)件內(nèi)設(shè)有管道、通道、節(jié)流裝置，以確保對冷卻所需的冷卻劑流量進行分配。

2、設(shè)在反應(yīng)堆殼體內(nèi)的重要裝置包括堆芯周圍的元件和執(zhí)行中子反射器功能的元件、輻射防護裝置，該輻射保護裝置提供中子和輻射吸收，在所有不利因子全面作用的條件下，對于反應(yīng)堆中一些必須確保結(jié)構(gòu)件完整性和工作性能的元件，該輻射防護裝置還降低中子和輻射吸收對它們產(chǎn)生的負面影響。

3、所有殼體內(nèi)的裝置和金屬結(jié)構(gòu)件都應(yīng)可靠固定。同時，具有重液態(tài)金屬冷卻劑的核反應(yīng)堆設(shè)備在溫度梯度高達數(shù)百度的條件下運行。結(jié)構(gòu)件元件在不同溫度下有不同的延長率或其尺寸會發(fā)生變化，與此有關(guān)的溫度變化差可能會非常大。如果沒有專門的結(jié)構(gòu)方案確保不同元件在受熱和冷卻時的移動自由度，可能會出現(xiàn)非常大的應(yīng)力，限制結(jié)構(gòu)件的使用壽命或?qū)е缕涫軗p。

4、因此，亟需研發(fā)可防止或降低元件在溫度梯度大時相互產(chǎn)生機械影響的結(jié)構(gòu)件，并且還需消除冷卻劑經(jīng)由間隙不受控或意外溢出，但該間隙又是確保結(jié)構(gòu)件元件相互的熱膨脹自由度所必需的。后一項重要任務(wù)比較復雜，因為反應(yīng)堆為大型設(shè)備，即使冷態(tài)組裝時也要具有補償生產(chǎn)誤差所需的間隙。

5、具有重液態(tài)金屬冷卻劑的反應(yīng)堆還有一個重要特點，即所有結(jié)構(gòu)材料和輻射防護材料的密度實際上都低于冷卻劑的密度。因此，在使用設(shè)備將結(jié)構(gòu)件元件和與此有關(guān)的反應(yīng)堆內(nèi)部裝置固定在殼體底部或殼體側(cè)壁時，由于浮力對上述元件的影響，都會出現(xiàn)拉伸應(yīng)力。從應(yīng)力腐蝕發(fā)展方面來看，結(jié)構(gòu)件和焊縫內(nèi)的拉伸應(yīng)力是最危險的。

6、在制造反應(yīng)堆殼體結(jié)構(gòu)件以及連接反應(yīng)堆內(nèi)部裝置與殼體時，要優(yōu)先對結(jié)構(gòu)件元件的可拆卸和不可拆卸接頭進行壓縮應(yīng)力測試，這也是一項重要的技術(shù)任務(wù)。

7、已公開了一種具有重液態(tài)金屬冷卻劑的整體式核反應(yīng)堆(us10699816，國際專利編號g21c?1/03、g21c?1/32、g21c?5/02、g21c?15/06，于2020年6月30日公開)，包括反應(yīng)堆殼體、位于堆芯上方的熱捕集器，以及包圍該熱捕集器且用隔離結(jié)構(gòu)件隔開的冷捕集器，該冷捕集器內(nèi)有一次流體循環(huán)，特別是重液態(tài)金屬冷卻劑。該反應(yīng)堆包括至少一臺換熱器，特別是蒸汽發(fā)生器，以便通過二次流體，特別是水，從重液態(tài)金屬冷卻劑中排熱。該隔離結(jié)構(gòu)件包括底部元件和頂部元件，該底部元件設(shè)在堆芯周圍，該頂部元件設(shè)在堆芯上方。相對該底部元件，該頂部元件具有更小的徑向距離，通過連接元件與該底部元件相連。該連接元件設(shè)有開孔，垂直通道從該開孔中穿出，以便與一臺或者幾臺換熱器相連，該換熱器設(shè)在隔離結(jié)構(gòu)件的頂部區(qū)域與反應(yīng)堆殼體之間，用于接收來自堆芯的重液態(tài)金屬冷卻劑。該隔離結(jié)構(gòu)件的連接元件和頂部元件形成堆芯限制器，具體是在燃料單元非活性頂部區(qū)域形成徑向限制器。

8、該隔離結(jié)構(gòu)件還設(shè)有復雜形狀的外殼，通過支架固定在反應(yīng)堆的蓋子上。但在這種情況下，外殼底部并未固定，是明顯的不足。如果安裝在該外殼內(nèi)的堆芯尺寸大、重量重，這種結(jié)構(gòu)方案會導致支架固定區(qū)域的載荷加大，受地震載荷時會特別危險。

9、還公開了一種具有重液態(tài)金屬冷卻劑的整體式核反應(yīng)堆(ru2756231，國際專利編號：g21c1/00，于2021年9月28日公布)，包括帶有底腔、堆芯、熱腔、頂腔和換熱器的反應(yīng)堆殼體。該熱腔設(shè)在堆芯上方，包括：熱腔殼體，該熱腔殼體基本上為圓柱形且?guī)в袑崂鋮s劑從堆芯排放到換熱器的排熱管；和塞子，其中，該排熱管從外側(cè)使用來自換熱器出口的冷冷卻劑沖洗。該熱腔殼體包括內(nèi)殼體和至少一個輔助殼體，該輔助殼體在外側(cè)設(shè)有間隙，與內(nèi)殼體同心，且至少形成一條熱腔通道。每根排熱管包括內(nèi)殼體和至少一個輔助殼體，該輔助殼體在外側(cè)設(shè)有間隙，與內(nèi)殼體同心，且至少形成一條管子通道，至少一條熱腔通道和至少一條管子通道與換熱器的出口相通，以便將冷冷卻劑引導至該等通道。

10、該發(fā)明降低了熱腔元件的熱載荷，主要是熱腔整個殼體和熱冷卻劑排熱管的熱載荷，包括調(diào)整和降低了在上述元件產(chǎn)生的溫度梯度，因此提高了這些元件的使用壽命。但排熱管和熱腔的設(shè)計和生產(chǎn)工藝復雜，難以達到上述成果。

11、還公開了一種具有重液態(tài)金屬冷卻劑的反應(yīng)堆(jp2022097583，國際專利編號：g21d1/02、g21c1/02、g21c13/00、g21c15/02，于2022年6月30日公布)，包括用蓋子封閉的殼體，該殼體內(nèi)設(shè)有堆芯、位于該堆芯上方的熱捕集器、包圍該熱捕集器并用分離結(jié)構(gòu)件隔開的冷捕集器，該冷捕集器中有一次流體，用于冷卻該堆芯。該反應(yīng)堆還設(shè)有換熱器，在該換熱器的底部設(shè)有一次流體入口，并且在該冷捕集器內(nèi)一次流體的自由液面附近設(shè)有一個環(huán)繞排出孔。該排出孔設(shè)在相對管束的中間位置，部分凸出于冷捕集器內(nèi)的自由液面，通過輔助設(shè)備加注一次流體，以在換熱器的氣體中建立相對容器內(nèi)氣體的負壓。換熱器凸出設(shè)置，并且其排放孔設(shè)置在一次流體的自由液面附近，以在換熱器內(nèi)的二次流體發(fā)生意外排放時最大程度降低一次流體運動。

12、由于沒有確保反應(yīng)堆不同元件在受熱和冷卻時移動自由度的結(jié)構(gòu)方案，導致反應(yīng)堆的這些元件出現(xiàn)非常大的應(yīng)力，限制了結(jié)構(gòu)件的使用壽命或?qū)е缕涫軗p，使得所公開的核反應(yīng)堆的可靠性不高。

13、還公開了一種具有重液態(tài)金屬冷卻劑的反應(yīng)堆(us20180061513，國際專利編號：g21c1/03、g21c15/14、g21c1/32、g21c5/02，于2020年6月30日公布)，就最多本質(zhì)特征數(shù)量而言，該反應(yīng)堆與本發(fā)明的技術(shù)方案相吻合，可視為原型。該核反應(yīng)堆原型包括用蓋子封閉的反應(yīng)堆殼體，在該反應(yīng)堆殼體內(nèi)設(shè)有堆芯井、位于堆芯上方的熱捕集器和采用隔離結(jié)構(gòu)件隔開的底腔，該底腔內(nèi)設(shè)有一次流體循環(huán)，用于冷卻該堆芯。該反應(yīng)堆還至少包括一臺固定在其蓋子上的換熱器，特別是蒸汽發(fā)生器，用于通過二次流體對一次流體排熱。該隔離結(jié)構(gòu)件包括底部元件和頂部元件，該底部元件設(shè)在堆芯周圍，該頂部元件設(shè)在堆芯上方。相對該底部元件，該頂部元件具有更小的徑向距離，通過連接元件與底部元件相連，該連接元件采用塑料等制造。該連接元件設(shè)有開孔，垂直通道從該開孔中穿出，以便與一臺或幾臺換熱器相連，該換熱器設(shè)在隔離結(jié)構(gòu)件的頂部區(qū)域與反應(yīng)堆殼體之間，用于接收來自堆芯的一次熱流體。該隔離結(jié)構(gòu)件的連接元件和頂部元件形成堆芯限制器，具體是在燃料單元非活性頂部區(qū)域形成徑向限制器。

14、該已知核反應(yīng)堆原型的可靠性不足，這是因為，由于反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)件的不同元件在受熱和冷卻時沒有移動自由度，在浮力作用下，密度低于液態(tài)金屬冷卻劑密度的結(jié)構(gòu)件元件中會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，并且，由于在反應(yīng)堆殼體內(nèi)設(shè)有冷卻劑腔，而冷卻劑的速度極低，導致形成了冷卻劑移動不佳的區(qū)域，由于對冷卻劑質(zhì)量監(jiān)測不力，產(chǎn)生腐蝕損壞。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是開發(fā)一種核反應(yīng)堆，特別是一種具有重液態(tài)金屬冷卻劑的核反應(yīng)堆，通過確保核反應(yīng)堆的各結(jié)構(gòu)件元件在組裝、受熱和冷卻過程中相對于彼此縱向和徑向運動的自由度、提高接觸材料的耐腐蝕性和所需的摩擦性能、均衡底腔和堆芯入口處冷卻劑的速度、以及確保燃料組件在非正常漂浮時可靠固定而不影響溫度膨脹的受控限制壓縮力，提高核反應(yīng)堆的運行安全性和可靠性。

2、通過解決上述問題，本發(fā)明可實現(xiàn)以下技術(shù)效果：

3、-提供不同元件在加熱和冷卻過程中相對于彼此縱向和徑向運動的自由度，若沒有該自由度，冷卻劑可能經(jīng)由間隙不受控或意外溢出，從而降低反應(yīng)堆設(shè)備的冷卻可靠性并產(chǎn)生非常大的應(yīng)力，繼而限制結(jié)構(gòu)件的使用壽命或?qū)е缕淦茐模?/p>

4、-提高材料的耐腐蝕性和所需的摩擦性能；

5、-均衡底腔和堆芯入口處冷卻劑的速度，這對于確保元件可靠冷卻和安全非常重要；

6、-通過限制壓縮力，確保燃料組件在非正常漂浮時可靠固定而不影響溫度膨脹；

7、-提高反應(yīng)堆的運行安全性和可靠性。

8、為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具有重液態(tài)金屬冷卻劑的核反應(yīng)堆，包括：反應(yīng)堆殼體、堆芯、至少一臺一次回路循環(huán)泵、至少一臺換熱器，以及塞子，其中，該反應(yīng)堆殼體采用蓋子封閉且具有由連接至該蓋子的隔離結(jié)構(gòu)件形成的底腔；該一次回路循環(huán)泵位于循環(huán)泵殼體內(nèi)，并且該循環(huán)泵殼體與該蓋子相連；該換熱器位于換熱器殼體內(nèi)，并且該換熱器殼體與該蓋子相連，該換熱器用于從重液態(tài)金屬冷卻劑到二次回路冷卻劑的排熱。其新穎之處在于，該隔離結(jié)構(gòu)件采用固定在該反應(yīng)堆殼體上的環(huán)狀元件；堆芯殼體插在該環(huán)狀元件的導向殼體上且與該反應(yīng)堆的蓋子相連；反應(yīng)堆內(nèi)部裝置包括限制冷卻劑循環(huán)的多個通道，該多個通道相互連接且固定到該反應(yīng)堆的蓋子的周邊；該換熱器殼體的底端設(shè)在該環(huán)狀元件上方；并且，該循環(huán)泵殼體的底端通過該環(huán)狀元件內(nèi)的開孔穿入該底腔。

9、堆芯殼體的底部可以設(shè)有支撐板，該支撐板內(nèi)固定有帶控制與保護系統(tǒng)(cps)通道的燃料組件(fa)和反射器單元。

10、在反應(yīng)堆的塞子內(nèi)，控制與保護系統(tǒng)通道的端頭可以為錐形，并且其內(nèi)表面與燃料組件的頭部接觸。

11、在塞子內(nèi)的頂部下方可以設(shè)有隔板，采用彈性波紋接頭將控制與保護系統(tǒng)通道連接到該隔板上，并且該彈性波紋接頭限制傳輸?shù)饺剂辖M件的頭部的應(yīng)力。

12、在環(huán)狀元件下方可以設(shè)有直徑較小的輔助環(huán)狀元件，該輔助環(huán)狀元件中設(shè)有至少一個開孔，在該環(huán)狀元件與該輔助環(huán)狀元件之間形成環(huán)狀捕集器，該環(huán)狀捕集器的入口與循環(huán)泵的出口相連，并且其出口與底腔相連。

13、在輔助環(huán)狀元件下方可以設(shè)有散熱片，該散熱片固定在反應(yīng)堆殼體的底部，用于將冷卻劑從底腔的周邊引導到其中心。優(yōu)選地，為了均衡流量的方位角分配，在散熱片內(nèi)設(shè)有確保方位角的開孔。

14、在循環(huán)泵殼體內(nèi)可以設(shè)有環(huán)狀溝，在該環(huán)狀溝內(nèi)設(shè)有至少一個活塞密封圈，當該循環(huán)泵殼體徑向移動時，該密封圈可以徑向移動并覆蓋該循環(huán)泵殼體和環(huán)狀元件之間的間隙。

15、在堆芯殼體內(nèi)可以設(shè)有環(huán)狀溝，在該環(huán)狀溝內(nèi)設(shè)有至少一個活塞密封圈，當該堆芯殼體徑向移動時，該密封圈可以徑向移動并覆蓋該堆芯殼體和環(huán)狀元件之間的間隙。

16、活塞密封圈可以采用含層狀石墨且硅含量不少于1％的高強度灰口鑄鐵或者耐腐蝕不銹鋼制造。

17、利用可拆卸或不可拆卸接頭將各殼體與反應(yīng)堆的蓋子剛性連接，在這些殼體內(nèi)設(shè)有最重要的設(shè)備，在反應(yīng)堆運行過程中，可以對反應(yīng)堆進行檢查、維修或者更換。在上述殼體內(nèi)設(shè)有所需開孔，以實現(xiàn)冷卻劑循環(huán)。當受熱或冷卻時，上述殼體可以縱向自由移動，在與結(jié)構(gòu)件其他元件相配合處，設(shè)有不影響此類移動的專用滑動密封件。

18、因此，例如，循環(huán)泵、蒸汽發(fā)生器或一次回路和二次回路之間的換熱器、堆芯支撐結(jié)構(gòu)件、堆芯和徑向反射器的可抽出部分以及堆芯上方的塞子都可以是反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)件的可抽出元件。

19、反應(yīng)堆內(nèi)部裝置的主要部分，包括管道和冷卻劑導向通道，組合為一個總成結(jié)構(gòu)件，并與反應(yīng)堆的蓋子相連。在這種情況下，由密度高于結(jié)構(gòu)件密度的冷卻劑的浮力產(chǎn)生的所有應(yīng)力從下到上被引導并最終傳送到反應(yīng)堆的蓋子?？紤]到反應(yīng)堆內(nèi)部裝置的大部分都位于且固定在反應(yīng)堆的蓋子上，包括帶有傳動裝置的循環(huán)泵、調(diào)節(jié)機構(gòu)傳動裝置、引入腔和引出腔、蒸汽或換熱器管道、外部輻射防護裝置和其他元件，由阿基米德浮力作用產(chǎn)生的應(yīng)力在很大程度上通過這些裝置的重量補償，這有利于蓋子的工作性能。在這種情況下，不屬于堆芯元件的內(nèi)部元件優(yōu)選地固定在反應(yīng)堆的蓋子周圍，這有利于減少彎曲力矩，提高蓋子的工作性能。

20、對于冷卻劑導流元件，應(yīng)確保只有必需的最少數(shù)量固定在反應(yīng)堆的底部，且元件內(nèi)設(shè)有與殼體的接口，以便布設(shè)堆芯和泵。該接口設(shè)有密封件，以確保殼體能夠自由縱向移動且僅產(chǎn)生有限的徑向移動，同時保持密封性或顯著限制溢流。

21、需要在生產(chǎn)時補償尺寸公差和溫度膨脹，從而確定密封件內(nèi)容許的徑向移動值。在這種情況下，反應(yīng)堆不可能出現(xiàn)大的徑向移動，因為當外界條件明顯影響到反應(yīng)堆時，例如地震，大移動會造成危險?？梢詮谋绢I(lǐng)域已公開的現(xiàn)有技術(shù)方案中選擇密封件，但最優(yōu)先地選用活塞密封圈。在這種情況下，含層狀石墨的灰口鑄鐵級材料是最優(yōu)選的材料。該級別鑄鐵中硅和層狀石墨夾雜物的含量為(1-3)重量百分數(shù)，從而提高密封件材料的耐腐蝕性和所需的摩擦性能；壓差不大時，可以采用迷宮式密封圈。通過使用本領(lǐng)域已公開的方法進行液壓計算，可以確定是否可以采用迷宮式密封圈，但在具體實施項目時必須單獨確定計算的泄漏值。