專利名稱:具有球形工作元件固定堆芯的氣體冷卻核反應堆的制作方法
本發明涉及一種氣體冷卻核反應堆，它具有球形工作元件(燃料元件、吸收器部件、純石墨元件)固定堆芯的圓柱形核芯。由頂部反射層、側壁反射層、底部反射層組成的石墨反射層將該堆芯圍住。并具有一個補償和停堆裝置，它由側壁反射層垂直通道中可控制的吸收棒構成。
德國專利P3518968.1介紹了這樣一種類型的核反應堆。它具有結構緊湊、構造簡單的優點，由此使所產生的熱能成本低廉。運行燃料的固定堆芯可以在滿負荷運轉的條件下工作約10年至40年。然后更換運行燃料以及吸收棒。具有10至20兆瓦功率的核反應堆主要用來作為供熱反應堆。
為了保證核反應堆起動可靠，在核芯還處于停堆狀態時，就必須測量中子通量。為此，要求有一個中子源和一個起動通量測量裝置。中子源必須滿足兩個條件中子源的中子放射量(源強度)應大到使具有給定靈敏度的起動測量儀表柱中的中子通量探測器每秒至少記錄到5個脈沖;
中子源離探測器的距離必須大到，當反應堆的倍增系數為0.99時，在起動測量儀表柱中指示的中子最多只有5%是直接來自中子源。
第一個條件保證，從統計學的概念看，有足夠精確的測量信號;第二個條件保證，測量信號主要取決于核芯而不是取決于中子源。
迄今為止所建造的具有球形工作元件堆芯的核反應堆中，如釷高溫反應堆THTR-300兆瓦(所謂球形元件反應堆)中，中子源可調節地安放在側壁反射層的孔中。專利DE-OS3047098給出一種將起動-中子源送入高溫反應堆側壁反射層中去的傳送裝置。側壁反射層的靠近核芯部分的中子源所處位置，從中子物理學方面來說是很不利的，而且為了滿足前述的兩個條件，要求中子源的源強很大。
中子源最有利的位置是在核芯中央。但這一最佳位置在釷高溫反應堆THTR-300兆瓦和其它的這種結構型式的核反應堆中卻是無法實現的，因為不管是一次還是多次通過核芯的工作元件在運行期間是循環的。如果工作元件還未循環，則僅在核芯第一次裝料時，可以臨時在核芯中安放中子源。在這種情況，中子源安裝在一根棒中，如像停堆用的吸收棒一樣，可以直接插入堆芯中。
在小型的具有固定堆芯的球形反應堆中，沒有可直接插入堆芯中的吸收棒，中子源安裝在側壁反射層的孔中，問題是很多的，因為這種反應堆的調節和停堆是由在側壁反射層中可控制的吸收棒、所謂反射層吸收棒來實現的，所以反射層要求有足夠的位置。這種小型反應堆的反射層吸收棒要求效率盡可能高，使之除了調節和停堆之外還能滿足反應堆盡可能長的耐用度所要求的剩余反應性。不輸入燃料的高耐用度，要求在反應堆核芯周圍安放盡可能多的反射層棒。因此，在側壁反射層的核芯附近沒有安放中子源的位置。
本發明的任務在于，在前述類型的核反應堆中，中子源的安裝不需要占去反射層吸收棒所要求占有的位置，同時可以實現良好的中子物理學的作用。
本發明是通過下述特征解決這一任務的a)固定堆芯至少含有一個石墨球，石墨球中安放了中子放射物質，在運行期間，石墨球固定在其位置上;
b)具有中子放射物質的石墨球(載體球)直徑與工作元件的直徑相同;
c)具有中子放射物質的石墨球和工作元件一起放入核芯及從核芯中取出。
與較大功率的球形元件反應堆中中子源的結構相比，這里提出的解決措施具有下述優點由于中子源安放在核芯中的最佳位置，所以為了保證前面所要求的兩個工作條件，中子源源強可以較小。在中子源直接放在核芯中時，所有源中子實際上都在核芯中;而位于側壁反射層中的中子源卻只有約一半的源中子進入核芯。從中子物理學的意義上說，在核芯中央比在周圍效果好得多。因此較弱的中子源起動時中子通量測量精度可以很高(因此也比較便宜)。
在起動中子探測器所處的位置上，在來自核芯的中子和直接來自中子源的中子之間存在一個有利的關系，即直接來自中子源的中子所占比例很小。而后裝在側壁反射層中的中子源出來的中子，不穿過核芯就到達了探測器。安放在核芯的中子源不可能使所要求的源中子倍增因子的概率在核芯通過裂變明顯地提高。所以，上述的第二個工作條件在所有的地方都自動得到滿足。這使起動測量儀表的安裝有較多的選擇余地。
側壁反射層中不安放中子源，因此可以盡可能多地安裝反射層吸收棒，大大提高了反射層棒的停堆效果，另一方面，使反應堆有較高的耐用度。
因為在側壁反射層中沒有安裝中子源的孔和固定裝置，所以側壁反射層結構簡單。由此降低了造價。
不要求移動中子源。沒有傳動及固定中子源的裝置，這樣使包圍反應堆和石墨反射層的反應堆壓力殼的拆除工作簡單，而且花費便宜。
本發明的其它具有優點的結構敘述于從屬權利要求
中，并在下面借助附圖對一個實施例的描述進一步加以說明。其中圖1 本發明核反應堆的縱剖面圖2 作為中子源載體的石墨球從圖1可看出安裝于地下的、例如由鋼筋混泥土構成的圓柱形壓力殼1，以及被壓力殼包住的腔體2。壓力殼具有一個可拆下的蓋板3。核反應堆4安裝在腔體2內，其核芯是裝有球形工作元件6的固定堆芯5。核芯功率密度總計約為4至6兆瓦/米3，總功率可達10至20兆瓦。堆芯5全部被石墨反射層7包圍，它是由頂部反射層8、側壁反射層9和底部反射層10組成。
頂部反射層8直接裝在堆芯5的上面，在其與蓋板3之間有一空間11，另一空間12是在底部反射層10和壓力殼底之間，在這一空間中安裝了金屬支撐件13，把核反應堆4支撐在壓力殼底上。
致冷氣體、最好是氦氣從上到下流過堆芯5，利用鼓風機14進行循環。鼓風機的扇葉在空間11中，其拖動電機15安裝在蓋板3的中心孔16中，外面裝有密封件17。
堆芯5的側面和下面被一個鋼制的芯殼18包圍住，該芯殼也容納了側壁反射層9和底部反射層10的一部分以及整個頂部反射層8。側壁反射層和底部反射層可分成內反射層和外反射層兩部分。在側壁反射層9的內反射層中有一豎直通道19，為了補償和停堆的需要，在通道中裝有可控制的吸收棒20。吸收棒20的拖動裝置21裝在蓋板3的孔22中。
在空間11中有氣體控制罩23，它將鼓風機14的吸入側與壓力側分隔開。鼓風機裝在芯殼18的上部。鼓風機從空間11抽入冷卻氣體，將其送入堆芯5。被加熱了的冷卻氣體通過芯殼18和底部反射層10中的孔進入空間12。在空間12中，氣體散開進入環形空間24，而后氣體又回到空間11中。
在壓力殼1的整個內表面安裝了冷卻系統，該系統由流過冷卻水的管子構成，其安置應當使在滿負荷狀態和排除余熱狀態下，能可靠地排掉堆芯5中產生的熱量。為了防止一次回路中冷卻水的擾動，在腔2中冷卻系統25前裝了氣體密封罩26，它構成了環形空間24的外側壁。
在取掉蓋板3之后，芯殼18連同側壁及底部反射層9、10的內反射層、頂部反射層8、工作元件6和吸收棒20就可以從上方拆出。當工作元件燒盡后，就要進行這種拆除工作。
為了保證核反應堆4能可靠地起動，至少要配置一個中子源及必要的起動測量儀表(后者未在圖中未出)。中子源裝在工作元件6的堆芯5的內部，它由作為載體球的石墨球27構成，在石墨球中至少裝有一種中子放射物質。所有的石墨球27具有和工作元件6同樣的直徑。在核反應堆4裝料時，石墨球和工作元件6一起裝入核芯，在反應堆運行期間固定在一定的位置上。在堆芯5的服務期限結束后，石墨球27和工作元件6一起從反應堆4中取出。
在這里給出的例子中，源強較小的四個石墨球27分布在堆芯5中。也可以只有一個載體球。這時，最好以適當的方式將它放在核芯的中央。
圖2為一個作為載體球的石墨球27的放大示圖。石墨球27的中部有一個圓柱形的空腔29，該空腔用一個由石墨制成的螺紋堵頭30封住。在空腔29中放置了兩個中子放射物質28，其中一個(31)為第一個堆芯而設置，而第二個(32)為反應堆運行時設置。也可以將第一個堆芯中的中子放射物質和為反應堆運行的中子放射物質分裝在不同的載體球中。為前述第一個目的，例如可裝入同位素Cf252，為了反應堆運行可采用一種可在中子流中活化的Sb/Be源。
也可以選用與圖2中所示的置有緊湊的圓柱體形式的中子放射物質28的中子源，將中子放射物質以細顆粒形式分布在載體球的石墨中。
權利要求
1.具有由球形工作元件(燃料元件、吸收器部件、純石墨元件)固定堆芯的氣體冷卻核反應堆被一個由頂部、側壁和底部反射層構成的石墨反射層所包圍，具有一個補償和停堆裝置，該裝置由在側壁反射層的垂直通道中可控制的吸收棒構成，其特征在于a)固定堆芯(5)至少包含一個石墨球(27)，在石墨球中安放了中子放射物質(28)，在運行時，它們停留在其位置上；b)具有中子放射物質(28)的石墨球(27)(載體球)的直徑與工作元件(6)的直徑相同；c)具有中子放射物質(28)的石墨球(27)和工作元件(6)一起放入核芯或一起從核芯中取出。
2.按照權利要求
1所述的氣體冷卻核反應堆，其特征在于僅設有一個位于核芯中心的具有中子放射物質的石墨球。
3.按照權利要求
1所述的氣體冷卻核反應堆，其特征在于多個具有較小源強的中子放射物質(28)的石墨球(27)分布在核芯空間中。
4.按照權利要求
1、2或3所述的氣體冷卻核反應堆，其特征在于石墨球(27)中的中子放射物質(28)安裝在中心空腔(29)中，空腔用石墨制成的螺紋堵頭(30)封住。
5.按照權利要求
1、2或3所述的氣冷卻核反應堆，其特征在于中子放射物質分布在一個載體球(或幾個載體球)的石墨中。
6.按照權利要求
4或5所述的氣體冷卻核反應堆，其特征在于作為中子放射物質(28)，為第一個堆芯所設的中子源(31)和一個為運行時所設的在中子流中可活化的中子源(32)共同放在一個或幾個載體球(27)中。
7.按照權利要求
3和4或3和5所述的氣體冷卻核反應堆，其特征在于作為中子放射物質，為第一個堆芯所設的中子源和為運行時所設的在中子流中可活化的中子源安放在不同的載體球中。
專利摘要
本發明涉及一種具有球形工作元件固定堆芯的氣體冷卻核反應堆，它由在側壁反射層的通道中可控制的吸收棒調整或停堆。為了保證這種球形反應堆起動可靠所要求的中子源在大功率的球形反應堆中安裝在側壁反射層的孔中，而按本發明是裝在固定堆芯中的，因此效率高，而且不必在側壁反射層占有位置。中子源裝在一個或多個石墨球中，這些石墨球的直徑與工作元件的直徑相同。這些所謂載體球與工作元件一起裝入核芯及從核芯中取出，在運行時固定在其位置上。
文檔編號G21C7/34GK87100673SQ87100673
公開日1987年8月26日 申請日期1987年2月12日
發明者科妮莉亞·馮查澤斯基, 迪特里希·萊特納赫爾曼·施米特, 約瑟夫·舍恩寧 申請人:高溫反應器制造股份公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan