CN101228592B - 用于压水核反应堆的控制棒 - Google Patents

Abstract

一种用于压水核反应堆的控制棒，包括一个吸收棒(2)，它设置在一个套管(3)中，并且它至少在下部的区段(9)中配有至少一个凹部(10a-d)，使得在包围所述吸收棒的套管(3)内有一自由空间。通过这个措施减少伴随吸收棒(2)体积膨胀带来的问题。

Description

用于压水核反应堆的控制棒

技术领域

本发明涉及一种用于压水核反应堆的控制棒。

背景技术

压水核反应堆的控制棒主要由圆柱形套管(Huellrohr)组成，在其中设置一个圆柱形吸收棒。该套管向外密封地封闭并且充满气体、例如惰性气体，其充填压力在室温时最大为1.5bar。在运行过程中在具有高中子流密度的区域、即尤其在控制棒的下部区域内产生由于中子吸收引起的吸收棒体积加大。这种称为膨胀的并且随着运行时间的延长而逐渐增加的吸收棒体积加大可能在这个区域内导致套管径向扩张并且在最不利的情况下导致其损坏，因此控制棒在其计算使用寿命结束之前、即在控制棒本身还能够起到足够的中子吸收作用的时刻就必需进行更换。

由于加工技术的原因，以吸收棒与套管之间的约100μm的直径间隙加工控制棒(参考设计)。在控制棒运行期间由于套管的下行蠕变、即由于中子辐射和过压引起的套管直径减小并且由于吸收棒的膨胀使现有的间隙减小。

为了减小上述的由于在下部区域内明显出现的吸收棒膨胀带来的问题，并且为了延迟在那里的间隙闭合，在现有技术中已知，使吸收棒在下部中直到约350mm的长度上的直径减小，由此在那里使环形间隙以进一步最大130μm在直径上加大。由此提供一个自由空间供使用，吸收棒可以膨胀进入其中。但是通过这个措施不能令人满意地减小伴随吸收棒膨胀出现的套管扩张。

发明内容

因此本发明的目的是，给出一种用于压水核反应堆的控制棒，在其中减少由于吸收棒膨胀引起的套管扩张的程度。

上述目的按照本发明通过具有以下特征的控制棒得以实现。按照这些特征，所述控制棒包括一个吸收棒，它设置在套管中并且至少在下部区段中配有至少一个凹部，它最多占据这个区段的圆周面的一部分。

按本发明的用于压水核反应堆的控制棒，该控制棒具有一个吸收棒，该吸收棒设置在一个套管中，并且所述吸收棒至少在一个下部的区段中最多在其圆周面一部分上配有至少一个凹部，使得在包围所述吸收棒的套管内有一自由空间。

本发明基于这种认识，在现有技术中已知的并且在整个圆周上并且在较大路段上延伸的加大的间隙在下部区段中与从吸收棒到套管并且从套管到冷却水的热传递的明显变差有关，因此使吸收棒在这个区段中明显更多地加热。这导致吸收棒更大变形，这个变形由于在控制棒移动时由于高的加速度作用于吸收棒上的轴向力而引起。这种蠕变变形增加已知为“流动惰性(slumping)”并且导致所获得的自由空间的更快速地减小，使这个自由空间不再或者只能部分地供用于容纳由于吸收中子而膨胀的吸收棒。

因为按照本发明不只通过在包围吸收棒的空心圆柱形套管内部的凹部提供一个自由空间，膨胀的吸收棒通过由于膨胀产生的塑性变形可以进入到该自由空间中，而且附加地负责承担，使吸收棒在这个区段中在其圆周面的最多一部分上配有凹部，即，在这个区段中在其圆周面的一部分上没有相对于参考设计加大的间隙，由此保证，尽管加入凹部也可以对外产生足够的热传递。通过这种方式在这个区域内只产生在吸收棒中可忽略的温升，由此使伴随这种温升的蠕变变形增加实际上是不重要的，并且通过由于凹部产生的自由空间明得到显过补偿。此外，通过加入凹部使吸收棒的表面加大并由此改善其效能。

因此通过这个措施减小控制棒在其计算使用寿命结束之前必需进行更换的危险。

所述凹部可以通过螺旋形地在外圆周上环绕的沟槽、通过环形的沟槽、通过在吸收棒外圆周上延伸的纵向沟槽或者通过在轴向延伸的孔构成。这些结构措施不仅可以单独而且可以相互组合地使用。

也可以选择或对此补充地这样产生加大的自由空间，使吸收棒至少在其下端上配有一个倒角，其长度大于1mm并且其倒角角度小于30°，尤其是在2°与30°之间。

如果控制棒还充满惰性气体、最好是氦气He，其充填压力在室温下测量大于1.5bar(绝对值)、尤其是大于10bar(绝对值)，在凹部区域内通过随之而来的热传递改善，附加地减少吸收材料的温升。通过较高的充填压力还减少上述的套管下行蠕变，因为充填压力反作用于外部压力。在此已经证实，通过将充填压力提高到约50bar就可以期待使运行时间附加地提高2至4个运行循环。

附图说明

为了进一步解释本发明请参阅附图所示的实施例。附图中：

图1a、1b以侧视图和吸收棒端面之一的俯视图示出一个按照本发明的吸收棒，

图2以局部纵向截面图示出带有按照图1a、1b的吸收棒的控制棒，

图3a、3b和4a、4b分别以侧视图和端面的俯视图示出按照本发明的吸收棒的可选择实施例。

具体实施方式

按照图1，一个吸收棒2具有一个基本上圆柱形的形状。吸收棒在其下端4和上端6锥形地成形，即，配有倒角7或8。在轴向可以由许多分棒组成的吸收棒2安装于在附图中只以点划线表示的套管3中，由套管气密地包围吸收棒。作为“下端”在此可以理解为吸收棒2的以下端部，通过该端部，吸收棒在安装状态和在运行中与套管3共同地导引到燃料元件的控制棒导引管中。

在连接于这个锥形区域7上的下部区段9中，所述吸收棒2配有许多以环形环绕的沟槽10a或槽形式的凹部。因此在这些凹部区域内吸收棒2垂直于其纵轴线具有一个横截面积，它明显小于在附图中以点划线表示的圆柱形套管3的垂直于纵轴线的横截面积。在沟槽10a之间或连接在沟槽10a上的区域13中吸收棒2具有圆柱形的形状并且在那里具有一个直径，它只略小于套管3的直径，由此在这个区域13中相对于套管3只存在一个小的、在附图中几乎难以识别的数量级为约100μm的间隙s。换言之：只在下部区段9的圆周面的部分区域中，吸收棒2配有凹部。在本实施例中沟槽的深度d为约1mm并且其宽度为约2mm，由此对于七个分别以约1cm相互间隔的沟槽得到一个具有数量级为约270mm³的容积的自由空间。膨胀的吸收棒2可以扩展到这个自由空间中，而不会导致套管3的膨胀。

从图1a中还可以看出，吸收棒2在区段9中在安装状态下与套管接触的面积在本实施例中只略微小约10-20％。

代替环形沟槽10a也可以设有螺旋形的沟槽10b，如同在附图中虚线所示的那样。

现在图2示出控制棒的一个局部视图，在其套管3中设置按照图1a、1b的吸收棒2。可明显看出，在吸收棒2与套管3的内表面之间在其连接在沟槽10a上的区域13内只存在一个小的间隙，由此在那里产生良好的热传送。

在按照图3a和3b的扩展结构中，所述凹部通过许多在轴向上延伸的纵向沟槽10c构成，它们在所示实施例中在吸收棒2的整个长度上延伸，由此使吸收棒2是对称的，并且下端4和上端6可以互换。在实践中已经证实，如果纵向沟槽10c从下端4开始在约100-300mm的长度l上延伸就足够了，因为只在这个范围内中子负荷是非常高的并且导致明显的膨胀。在纵向沟槽10c之间存在区域13，在这些区域中在吸收棒2与套管3之间只呈现小的间隙。

在按照图4a和4b的实施例中，锥形区域或倒角7、8通过缩小倒角角度α到2°与30°之间的数值以及通过加大倒角7、8的长度h、即锥形区域的高度到大于1mm的数值而加以改变。通过这种方式实现加大的自由空间，吸收材料可以膨胀到该自由空间中。因为使倒角角度α变小同时锥形区域的高度h加大，可以使通过该倒角7、8产生的自由空间在吸收棒2的端面A保持不变的情况下加大。在这种情况下只改变倒角7、8中一个也就足够了。如果只改变一个倒角，例如倒角7，则使吸收棒2的下端4固定。换言之：吸收棒还只能以一个方向设置在控制棒的套管中。

在附图中在下端上还加入一个中心轴向孔10d形式的凹部，它同样作为自由空间并且可以对上述和下面描述的措施作为补充或二者择一地加以执行。这种孔10d一般具有约3mm的直径D和约50-100mm的深度T。如果加入一个这样的孔10d，需要注意的是，同时作为吸收棒2在套管内表面上的接触面的端面A不会通过相应的倒角7造型被减小。

在此，在图4a、4b中所示的措施也可以与在图1a、1b中所示的环绕沟槽10a、10b或者在图3a、3b中所示的纵向沟槽10d组合使用。代替所示的沟槽、槽或者轴向孔也，可以设有其它几何形状的凹部，例如凹窝形的凹坑或者小孔。重要的只是，通过它们产生一个附加的自由空间，吸收棒可以膨胀到该自由空间中，并且它们最多只占据下部区段的圆周面的一部分。

Claims (9)

1.一种用于压水核反应堆的控制棒，该控制棒具有一个吸收棒(2)，该吸收棒设置在一个套管(3)中，并且所述吸收棒至少在一个下部的区段(9)中最多在其圆周面一部分上配有至少一个凹部(10a-d)，使得在包围所述吸收棒的套管(3)内有一自由空间。

2.如权利要求1所述的控制棒，其特征在于，所述至少一个凹部是一个在吸收棒(2)外圆周上环绕的沟槽(10a、b)。

3.如权利要求2所述的控制棒，其特征在于，所述沟槽(10b)是螺旋形的。

4.如权利要求2所述的控制棒，其特征在于，所述沟槽(10a)是环形的。

5.如权利要求1所述的控制棒，其特征在于，所述至少一个凹部是一个在外圆周上沿吸收棒(2)轴向延伸的纵向沟槽(10c)。

6.如权利要求1所述的控制棒，其特征在于，所述至少一个凹部是一个在轴向上延伸的孔(10d)。

7.如权利要求1至6中任一项所述的控制棒，其特征在于，所述吸收棒至少在其一个端部上设有一倒角(7、8)，该倒角的长度(h)大于1mm并且倒角的角度(α)小于30°。

8.如权利要求7所述的控制棒，其特征在于，所述倒角的角度(α)为2°与30°之间。

9.如权利要求1至6中任一项所述的控制棒，其特征在于，该控制棒充满惰性气体，其充填压力在室温下测量大于1.5bar。

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