專利名稱:一種球床反應堆燃料元件氣力輸送減速的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利涉及核反應堆燃料輸送技術，特別涉及球床反應堆燃料元件氣力輸送旁通分流減速方法及系統(tǒng)。
背景技術：
模塊化高溫球床氣冷堆是目前正在研究開發(fā)的第四代新型核反應堆，是當前世界公認的固有安全性最高的核反應堆型。此堆型核燃料元件輸送的最大特點是依靠氣力輸送系統(tǒng)提供的氣壓推力或燃料自重實現(xiàn)燃料元件(球狀)循環(huán)加料與卸料。堆芯外部管路系統(tǒng)中，燃料元件在高速氣流推動下從堆芯的底部運行至頂部。為了避免管路系統(tǒng)出口燃料元件沖擊其它系統(tǒng)的設備以及提高燃料球自身完整性，輸送系統(tǒng)設計時對燃料元件的出口最大運行速度進行了限制。然而，系統(tǒng)高速氣流的引入以及球形燃料元件特殊外形使得僅依靠輸送管路結構很難安全地將燃料元件出口運行速度降到設計安全值以下，這給燃料元件輸送系統(tǒng)以及整個反應堆運行帶來了安全隱患，為此需要設計一種結構簡單、運行高可靠性的燃料元件減速系統(tǒng)。
已有一項球床堆燃料元件減速的發(fā)明(ZL 02805719. 8)，這種減速系統(tǒng)在位于反應堆壓力容器內燃料元件輸送管的排出端引入與燃料元件運動方向相返的逆向氣流，高速運行的燃料元件在逆向氣流的作用下速度降低至安全值以下。該發(fā)明的不足為這種減速系統(tǒng)安裝在反應堆壓力殼內部，為此，多條逆向氣流引入和輸出管線需穿過堆芯壓力殼邊界，這就增加了管路系統(tǒng)結構復雜性以及設備維修的難度。另外，這種減速系統(tǒng)不能實現(xiàn)燃料元件運行速度的檢測，燃料元件出口速度的調節(jié)具有不確定性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的為克服已有技術的不足，提出一種在堆芯壓力容器外部進行燃料元件減速的方法及相應的系統(tǒng)，該方法使得燃料元件通過此系統(tǒng)后獲得較大減速、減速程度可調、系統(tǒng)結構及控制邏輯簡單，能夠保證燃料元件高可靠、高安全輸送。
本發(fā)明的特征在于提出了一種球床反應堆燃料元件氣力輸送減速的方法，該減速方法包括
燃料元件在主提升氣流的作用下沿著壓力容器外部的氣力輸送管線，從底部向頂部運行，在進入壓力容器前從主提升氣流中引出部分分氣流，燃料元件氣力輸送管中仍保留部分分流后的主提升氣流，并且其輸送方向同燃料元件運行方向一致；燃料元件運行至壓力容器之前，分流后的主氣流被全部引出燃料元件輸送管，燃料元件依靠重力進入壓力容器；
燃料元件從主提升氣流區(qū)進入分流后的主提升氣流區(qū)時瞬間失去氣動推力，并通過彎管管道內壁減速作用使得燃料元件進入堆芯或其它壓力容器前將速度降到設計安全值以下。
通過控制從主提升氣流引出的分氣流流量，達到改變燃料元件輸送管路中分流后的主提升氣流平均流速的目的，并且使其調整在小于燃料元件的運行速度、大于燃料元件在管路中的懸浮速度的范圍以內，并接近燃料元件輸送的懸浮速度。此分流后的主提升氣流用以保證燃料元件能夠獲得通過輸送管道的動力。
本發(fā)明的特征還在于，依據(jù)以上提出的分流減速原理設計了一種球床堆燃料元件氣力輸送旁通分流減速系統(tǒng)，該減速系統(tǒng)，沿著燃料元件運動方向依次安裝的設備或元件包括入口過球測速器1、前端氣體分離器2、終端氣體分離5、出口過球測速器4，以上設備或元件包括連接管道，構成減速系統(tǒng)燃料元件輸送及主提升氣流通道20 ；減速系統(tǒng)中入口過球測速器1靠近燃料元件及主氣流入口端19 ；出口過球測速器4靠近減速系統(tǒng)出口端 13，并與壓力容器進料緩沖管11連接，壓力容器進料緩沖管11穿過壓力容器12的邊界；前端氣體分離器2和終端氣體分離器5引出兩氣體支路；前端氣體分離器2引出的氣體支路上設置了分氣流調節(jié)閥9、分氣流流量計8，終端氣體分離器5引出的氣體支路上設置了主氣流調節(jié)閥6、主氣流流量計7 ；
入口過球測速器1和出口過球測速器4分別用于測量燃料元件進入和離開減速系統(tǒng)時的速度，前端氣體分離器2和終端氣體分離器5用于從燃料元件輸送管中弓丨出氣流；主氣流調節(jié)閥6和分氣流調節(jié)閥9用于氣流管中的流量調節(jié)；主氣流流量計7和分氣流流量計8用于測量氣路中氣流的流量；
主氣流調節(jié)閥6和分氣流調節(jié)閥9的開度大小控制減速系統(tǒng)燃料元件輸送管中分流后的主氣流平均速度以及分量流量的大小，進而改變燃料元件在減速系統(tǒng)中的運行狀態(tài)，調節(jié)出口 13運行速度。
前端氣體分離器2和終端氣體分離5之間設置減速彎管3，增加燃料元件的制動阻力。
前端氣體分離器2和終端氣體分離器5引出兩氣體支路在接口 17匯合后進入氣流回流管。
高壓氣體的流向是主氣流進入減速系統(tǒng)后首先經(jīng)過入口過球測速器1，經(jīng)過前端氣體分流器2后分為兩路，一路為分流后的主提升氣流，與燃料球的流向相同，作為“儲備”氣動推力，經(jīng)過減速彎管3、后端氣體分流器5、主氣流調節(jié)閥6以及主氣流流量計7，與另外一路經(jīng)過前端氣體分流器后的分氣流調節(jié)閥9和分氣流流量計8的氣體匯合后形成回流。
燃料元件輸送的氣體動力由壓縮機或風機提供。
該減速系統(tǒng)控制裝置的主程序接收入口過球測速器1、出口過球測速器4、主氣流調節(jié)閥6、分氣流調節(jié)閥9及主氣流流量計7和分氣流調節(jié)閥9的輸出信號；主控程序接收入口過球測速器1的信號后，調用燃料元件運行速度計算程序，計算出燃料球的速度并與給定的系統(tǒng)安全運行允許速度作比較，如果速度小于安全允許值，減速系統(tǒng)不作任何動作； 如果運動速度大于安全允許值，主控程序調用調節(jié)閥開度計算程序，根據(jù)入口過球測速器1 和出口過球測速器4以及主氣流流量計7和分氣流流量計8的返回測量值，計算給出主氣流調節(jié)閥6和分氣流調節(jié)閥9的開度調節(jié)量，調節(jié)信號傳給調節(jié)閥驅動機構調節(jié)閥的開度， 減小燃料元件輸送管中分流后的主氣流的流量，最終達到改變輸送管中燃料元件的運行速度，減小燃料元件出口速度的目的。
球床堆燃料元件氣力輸送旁通分流減速系統(tǒng)的優(yōu)點[0018]1、燃料元件通過減速系統(tǒng)后可以獲得較大減速比，同時，可根據(jù)系統(tǒng)運行不同工況進行燃料元件減速比的調節(jié)；
2、具有燃料元件氣力輸送安全運行監(jiān)測功能。通過過球測速器采集燃料元件出口運動速度信息，流量計、調節(jié)閥采集氣體流量及調節(jié)閥開度大小的信息并反饋給主控系統(tǒng)， 作為調節(jié)燃料元件出口運動速度的依據(jù)；
3、系統(tǒng)結構及控制邏輯簡單，能夠保證球床堆氣力輸送燃料元件運行的高可靠、 高安全要求。


圖1所示為球床堆燃料元件氣力輸送旁通分流減速系統(tǒng)結構示意圖，
其中1.入口過球測速器，2.前端氣體分流器，3.減速彎管，4.出口過球測速器， 5.終端氣體分流，6.主氣流調節(jié)閥，7.主氣流流量計，8.分氣流流量計，9.分氣流調節(jié)閥， 10.堆芯燃料區(qū)，11.進料緩沖管，12.壓力容器(局部剖視圖)，13.減速系統(tǒng)出口端，14.氣流管道，15.分流后的主氣流流向，16.分流的氣流流向，17.氣流接口，18.燃料元件(即燃料球)，19減速系統(tǒng)入口端(即燃料元件和主提升氣流入口端)，20.燃料元件輸送通道。
圖中，實線箭頭表示燃料元件運行方向，虛線箭頭表示提升氣流的運行方向(下同)。
圖2所示為氣體分流器結構簡圖，
其中21.進球口，22.進球接管法蘭，23.輸球主管，24.氣體倉室套管，25.氣流支管，26.出氣接管法蘭，27.出氣口，28.氣體引流槽，29.出球口
圖3所示為過球測速器工作原理圖，
其中31.輸球管道，32.外套，33.通電線圈，34相關計數(shù)器
圖4所示為引入旁通分流減速系統(tǒng)前后燃料元件減速效果對比，
旁通分流減速系統(tǒng)的主要參數(shù)為供氣氣流平均流速10m/s ；主氣流閥節(jié)閥(6) 阻力系數(shù)20 ；分氣流閥節(jié)閥(9)阻力系數(shù)5 ；燃料元件直徑60mm ；
圖5所示為燃料元件運行速度與調節(jié)閥調節(jié)量的對應關系，
圖4和圖5橫坐標表示旁通分流減速系統(tǒng)中沿燃料元件運行方向管線長度坐標， 縱坐標表示燃料元件運行至減速系統(tǒng)管路相應坐標位置時的瞬態(tài)速度或分流后主提升氣流瞬態(tài)流速。圖5右邊中部所給數(shù)值表示分氣流調節(jié)閥(9)開度對應的阻力系數(shù)，圖中1， 1’至5，5’分別表示減速系統(tǒng)中燃料元件在管路中的瞬態(tài)運行速度和分流后主提升氣流瞬態(tài)流速曲線。
圖6所示為球床堆燃料元件氣力輸送旁通分流減速系統(tǒng)控制框圖。
具體實施方式
本發(fā)明提出了一種球床反應堆燃料元件氣力輸送減速的方法，該減速方法包括
燃料元件在主提升氣流的作用下沿著堆芯或其它容器外的氣力輸送管線從底部向頂部高速運行；在接近堆芯或其它容器頂部入口前，從主提升氣流中引出部分分氣流，燃料元件輸送管中仍保留部分主提升氣流，并且其輸送方向同燃料元件運行方向一致；燃料元件進入堆芯或其它容器之前，分流后的主氣流全部引出燃料元件輸送管，燃料元件依靠重力流入堆芯或其它容器；可以使分流后的主提升氣流與引出的部分分氣流匯合形成回流；主氣流入口壓力和回流氣體的引出可以由壓縮機或其它氣體輸送設備單獨提供；
通過控制引出的分氣流流量使分流后的主提升氣流平均速度小于燃料元件的運行速度，并且大于燃料元件在管路中的懸浮速度；燃料元件從主提升氣流區(qū)域進入分流后的主提升氣流區(qū)域時將瞬間失去氣動推力，并通過彎管管道內壁減速作用達到減速運行的目的，使得燃料元件進入堆芯或其它容器前將速度降到安全值以下；當燃料元件運行至提升管路系統(tǒng)終端時，分流后的主氣流被引出燃料元件輸送管，此后燃料元件將完全失去氣動推力，依靠重力流入堆芯或其它容器；
減速方法的原理如下所述
燃料元件在提升管平穩(wěn)運行時存在延遲速度，及燃料元件運行速度小于主氣流平均速度，由于延遲速度的存在使得燃料元件前后產(chǎn)生氣體壓力差，推動燃料元件沿管道中運行，因此，延遲速度是產(chǎn)生氣動推力的必要條件。燃料元件從主提升氣流區(qū)域進入分流后的主提升氣流區(qū)域時，由于分流后管路中的主提升氣流平均速度小于燃料元件運行速度， 因此燃料元件將瞬間失去氣動推力，并沿彎管內壁作減速運動，直到燃料元件的運行速度小于分流后的主提升氣流平均速度時，重新獲得氣動推力。可以看出之所以保證分流后的主提升氣流平均速度小于燃料元件的運行速度，是為了使燃料元件迅速失去氣動推力，增加垂直彎管對燃料元件的減速作用；而保證分流后的主提升氣流平均速度大于燃料元件在管路中的懸浮速度是為了將分流后的主提升氣流作為“儲備”氣動推力，用以保證燃料元件能夠運行至輸送管路出口端，避免停滯在輸送管路中出現(xiàn)運行事故。
球床反應堆燃料元件氣力輸送旁通分流減速系統(tǒng)安裝在需要限制燃料元件運動速度的管路系統(tǒng)中，其硬件設備(或元件)包括氣體分流器、過球測速器、調節(jié)閥、流量計、 各種管件等；軟件部分主要包括燃料元件運動速度控制主程序及其調節(jié)閥開度調節(jié)量計算程序。
過球測速器可以采用外裝結構，如圖3，直接裝夾在管道外壁上。測速是基于電磁感應原理，輸球管道外壁纏繞兩束間距固定的螺線管，螺線管分別通以電流，在管道內部產(chǎn)生磁場，當燃料元件通過測速器時依次改變兩螺線管磁阻，進而產(chǎn)生具有延遲時間At的兩個電壓信號，結合螺線管的間距L通過相關分析就可計算出燃料元件在距離L以內的平均運行速度。
氣體分流器是用來引出部分(或全部)輸送用氣體的部件。如圖2所示，氣體分流器結構形式為套管型，輸球主管23外焊接一氣體倉室套管M，輸球主管23內徑大于燃料球18的外徑，并且側壁上開有多個氣體引流槽觀。主管兩端22與燃料元件輸送系統(tǒng)管道連接。球形燃料元件18可直接通過輸球主管23，氣流全部或部分通過氣體引流槽觀引出，從氣流支管25中流出，進入氣路管道17。
主氣流調節(jié)閥6、分氣流調節(jié)閥9用來調節(jié)氣流流量，可以選擇電動或手動，為了實現(xiàn)減速比的自動調節(jié)，其優(yōu)選方式應當選取電動調節(jié)閥，可調比應較大，一般選擇20，及氣流支管中的最大流量與最小流量之比為20。
主氣流流量計7、分氣流流量計8用來檢測氣管中的氣體流量，可以采用孔板流量計或流量噴嘴等。檢測的流量信號通過壓差變送器傳至主控系統(tǒng)。
減速系統(tǒng)的管件主要包括各種直管、彎管3、法蘭等，其主要作用是連結各種設備、保證燃料元件順暢通過以及弓丨導氣流流向等。
以上設備與管道及管件的連接可以選擇法蘭或直接焊接的形式，為了保證一定的泄露率，應當盡量選擇焊接連接。
沿著燃料元件運動方向，在輸送管路上依次安裝入口過球測速器1、前端氣體分流器2、減速彎管3、終端氣體分流器5、出口過球測速器4。以上設備或元件之間用輸球管道連接，構成減速系統(tǒng)燃料元件輸送通道20。減速系統(tǒng)中入口過球測速器1靠近燃料元件及主氣流入口端19 ；出口過球測速器4靠近減速系統(tǒng)出口端13，并與堆芯或其它容器進料緩沖管11連接，堆芯或其它容器進料緩沖管11穿過堆芯或壓力容器12的邊界。
前端氣體分離器2和終端氣體分離器5引出兩氣體支路；前端氣體分離器2引出的氣體支路上設置了分氣流調節(jié)閥9、分氣流流量計8，終端氣體分離器5引出的氣體支路上設置了主氣流調節(jié)閥6、主氣流流量計7。
高壓氣體的流向是主氣流進入減速系統(tǒng)后首先經(jīng)過入口過球測速器1，經(jīng)過前端氣體分流器2后分為兩路，一路為分流后的主提升氣流，與燃料球的流向相同，作為“儲備”氣動推力，經(jīng)過減速彎管3、終端氣體分流器5、主氣流調節(jié)閥6以及主氣流流量計7，與另外一路經(jīng)過前端氣體分流器、分氣流調節(jié)閥和分氣流流量計的氣體在氣流接口 17匯合后形成回流。17、19兩處氣流的壓降可以由單獨的氣體壓縮機或風機提供。以上設備或元件之間用氣流管道14連接。
入口過球測速器1和出口過球測速器4分別用于測量燃料元件進入和離開減速系統(tǒng)時的速度，前端氣體分流器2、終端氣體分流器5用于從燃料元件輸送管中引出氣流，減速彎管3用于增加燃料元件制動阻力，主氣流調節(jié)閥6和分氣流調節(jié)閥9用于氣流管中的流量調節(jié)，主氣流流量計7和分氣流流量計8用于測量支路中氣流的流量。過球測速器、流量計、調節(jié)閥的信號上傳至主控系統(tǒng)。
圖6為球床堆燃料元件氣力輸送旁通分流減速系統(tǒng)控制框圖，減速系統(tǒng)運行過程描述如下出口過球測速器4檢測燃料元件到達時間差，信號上傳至主控系統(tǒng)；主控程序調用燃料元件速度計算程序，計算出燃料球的速度并與給定的系統(tǒng)安全運行允許速度作比較，如果速度小于安全允許值，減速系統(tǒng)不作任何動作；如果運動速度大于安全允許值，主控程序調用調節(jié)閥開度計算程序，根據(jù)入口過球測速器1和出口過球測速器4以及主氣流流量計7和分氣流流量計8的返回測量值，計算給出主氣流調節(jié)閥6和分氣流調節(jié)閥9的開度調節(jié)量，調節(jié)信號傳給調節(jié)閥驅動機構，調節(jié)閥的開度，減小燃料元件輸送管中分流后的主氣流的流量。實際運行過程可以先固定主氣流調節(jié)閥6的開度，通過調節(jié)分氣流調節(jié)閥9的開度來控制分流后的主氣流的流量大小。其調節(jié)量的選擇可依據(jù)圖5給出的燃料元件運行速度與調節(jié)閥調節(jié)量的對應關系曲線圖。
權利要求
1.一種球床反應堆燃料元件氣力輸送減速的方法，其特征在于所述方法為，燃料元件在主提升氣流的作用下沿著壓力容器外部的氣力輸送管線從底部向頂部運行，在進入壓力容器前從主提升氣流中引出部分分氣流，燃料元件氣力輸送管中仍保留部分分流后的主提升氣流，并且其輸送方向同燃料元件運行方向一致；燃料元件運行至壓力容器之前，分流后的主提升氣流被全部引出燃料元件輸送管，燃料元件依靠重力進入壓力容器；燃料元件從主提升氣流區(qū)進入分流后的主提升氣流區(qū)時瞬間失去氣動推力，并通過彎管管道內壁減速作用使得燃料元件進入壓力容器前，運行速度降到設計安全值以下。
2.根據(jù)權利要求
1所述的方法，其特征在于所述方法通過控制從主提升氣流引出的分氣流流量，達到改變燃料元件輸送管路中分流后的主提升氣流平均流速的目的，并且使其調整在小于燃料元件的運行速度、大于燃料元件在管路中的懸浮速度的范圍以內，并接近燃料元件輸送的懸浮速度。
3.一種實現(xiàn)球床反應堆燃料元件氣力輸送減速方法的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)沿著燃料元件運動方向，在輸送管路上依次安裝的設備或元件包括入口過球測速器(1)、前端氣體分離器O)、終端氣體分離(5)、出口過球測速器G)，以上設備或元件包括連接管道，構成減速系統(tǒng)燃料元件輸送及主提升氣流通道00)；入口過球測速器(1)靠近燃料元件及主氣流入口端(19)；出口過球測速器(4)靠近減速系統(tǒng)出口端(13)，并與壓力容器進料緩沖管(11)連接，壓力容器進料緩沖管(11)穿過壓力容器(1 的邊界；前端氣體分離器( 和終端氣體分離器(5)引出兩氣體支路；前端氣體分離器O)引出的氣體支路上設置了分氣流調節(jié)閥(9)、分氣流流量計(8)，終端氣體分離器(5)引出的氣體支路上設置了主氣流調節(jié)閥(6)、主氣流流量計(7)；燃料元件輸送的氣體動力由壓縮機或風機提供；入口過球測速器⑴和出口過球測速器⑷分別用于測量燃料元件進入和離開減速系統(tǒng)時的速度，前端氣體分離器( 和終端氣體分離器( 用于從燃料元件輸送管中引出氣流；主氣流調節(jié)閥(6)和分氣流調節(jié)閥(9)用于氣流管中的流量調節(jié)，主氣流流量計(7)和分氣流流量計(8)用于測量氣路中氣流的流量；主氣流調節(jié)閥(6)和分氣流調節(jié)閥(9)的開度大小控制減速系統(tǒng)燃料元件輸送管中分流后的主氣流平均速度以及分量流量的大小，進而改變燃料元件在減速系統(tǒng)中的運行狀態(tài)，調節(jié)出口(1 燃料元件的運行速度。
4.根據(jù)權利要求
3所述的減速系統(tǒng)，其特征在于在前端氣體分離器(2)和終端氣體分離器(5)之間設置減速彎管(3)，以增加燃料元件的制動阻力。
5.根據(jù)權利要求
3所述的減速系統(tǒng)，其特征在于前端氣體分離器(2)和終端氣體分離器(5)引出兩氣體支路在接口(17)匯合后進入氣流回流管。
6.根據(jù)權利要求
3所述的減速系統(tǒng)，其特征在于該減速系統(tǒng)控制裝置的主程序接收入口過球測速器(1)、出口過球測速器G)、主氣流調節(jié)閥(6)、分氣流調節(jié)閥(9)及主氣流流量計(7)和分氣流流量計(8)的輸出信號；主控程序接收入口過球測速器(1)的信號后， 調用燃料元件運行速度計算程序，計算出燃料球的速度并與給定的系統(tǒng)安全運行允許速度作比較，如果速度小于安全允許值，減速系統(tǒng)不作任何動作；如果運動速度大于安全允許值，主控程序調用調節(jié)閥開度計算程序，根據(jù)入口過球測速器(1)和出口過球測速器(4)以及主氣流流量計(7)和分氣流流量計(8)的返回測量值，計算給出主氣流調節(jié)閥(6)和分氣流調節(jié)閥(9)的開度調節(jié)量，調節(jié)信號傳給調節(jié)閥驅動機構調節(jié)閥的開度，減小燃料元件輸送管中分流后的主氣流的流量。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種球床反應堆燃料元件氣力輸送減速的方法及系統(tǒng)，屬于核反應堆燃料輸送技術領域：
。沿著輸送管道燃料元件運行方向，設備或元件包括入口過球測速器、前、終端氣體分流器、減速彎管、出口過球測速器；前端氣體分流器和中端氣體分流器引出的氣流管道上裝有調節(jié)閥和流量計。利用前端氣體分流器的引流，在減速系統(tǒng)燃料元件輸送管路中形成氣動推力突降，借助管道機械結構達到減速目的。主控程序通過過球測速器、調節(jié)閥、流量計的反饋值判斷減速系統(tǒng)工作的啟停，并且計算、輸出調節(jié)閥的調節(jié)量，控制燃料元件出口速度。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多工況燃料元件減速比的可調性，減速效果明顯，能夠適應反應堆燃料元件運行高可靠、高安全性要求。
文檔編號G21C19/20GKCN101702330SQ200910237132
公開日2011年11月9日 申請日期2009年11月6日
發(fā)明者張文增, 張海泉, 曾凱, 沈鵬, 王力, 都東 申請人:清華大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5), 非專利引用 (1),