CN101504872A

CN101504872A - 先进灰棒控制组件

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Publication number: CN101504872A
Application number: CNA2008101781262A
Authority: CN
Inventors: K·J·德鲁迪; W·R·卡尔森; M·E·康纳; M·戈登菲尔德; M·J·霍恩; 小C·J·朗; J·帕金森; R·O·波默莱亚努
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2028-11-19
Also published as: RU2480851C2; EP2088601B1; ZA200809786B; EP2088601A3; KR20090086302A; RU2009104101A; JP2009186480A; CN101504872B; KR101523101B1; EP2088601A2; JP5702522B2; US8537962B1; ES2395692T3

Abstract

一种用于核反应堆的先进灰棒控制组件(GRCA)。该GRCA使得灰棒组件可控制地插入核反应堆，由此控制该反应堆产生的功率比率且在全功率下提供反应性控制。每个灰棒组件包括细长管状元件、设置在管状元件中的主中子吸收剂，所述中子吸收剂包括吸收材料，优选地为钨，该吸收材料具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。内支承管可设置在主吸收剂和管状元件之间，作为辅助吸收剂以改善中子吸收、吸收剂损耗、组件重量和组件热传递特性。

Description

先进灰棒控制组件

技术领域

[0001]本发明一般地涉及核反应堆，且更具体地涉及灰棒控制组件(GRCA)的先进设计。

背景技术

[0002]核电站反应堆产生的功率一般通过提升或降低反应堆堆芯中的控制棒组件来控制，并且为了适应发电厂电力输出的需求变化所必需的反应堆功率输出的改变通常称为负载跟随。例如在美国专利NO.4,079,236中所述的，负载跟随存在许多操作问题。例如，在压水反应堆中(PWR)的负载跟随过程中，必须控制反应性，且必须解决响应于功率水平变化的堆芯中轴向功率分配的变化。

[0003]现代反应堆堆芯的燃料组件典型使用两种类型的棒控制组件来控制反应性，即棒束控制组件(RCCA)和灰棒控制组件(GRCA)。两者都由在其顶端处紧固到共用的毂盘或多脚架组件上的多个中子吸收棒组成。棒体一般包括不锈钢管，该不锈钢管封装中子吸收材料，例如银-铟-镉吸收材料，且棒通过控制驱动机构在燃料组件的管状导向套管中滑动，该控制驱动机构位于多脚架组件顶部附近且用于控制棒在导向套管中的运动。这样，棒的受控插入和抽出大体控制反应堆产生的功率量。此外，如下所述在全功率运行过程中使用GRCA。

[0004]典型地，在负载跟随操纵中使用GRCA，因为它们由本领域中通常称之为“灰”棒的降低反应性当量(reactivity worth)棒组成，且对堆芯分配具有更少的影响。这里所用的术语“灰”指吸收棒的中子吸收特性，且指GRCA仅吸收进入吸收剂的热和超热能量中子的一部分，这与用于吸收大多数这种中子从而关闭反应堆的“黑”控制棒不同。已知的灰棒提供机械补偿(MSHIM)反应性控制机构，这与需要改变反应堆冷却剂中可溶硼浓度的化学补偿剂(chemicalshim)不同。这样，灰棒的使用把日常处理主反应堆冷却剂的需要降到最低，因此大大简化了操作。该反应性控制功能用在全功率运行和负载跟随过程中。更特别地，现有的GRCA设计由在顶端处紧固到多脚架的24个小棒组成。在棒束内的24个小棒中，仅四个棒是吸收棒，且密封在吸收棒中的中子吸收材料典型地由合金组成，该合金包括大约80％的银(Ag)、大约15％的铟(In)和大约5％的镉(Cd)。这种设计造成几个缺点。

[0005]已知的Ag-In-Cd GRCA设计的缺点包括铟和镉具有相对大的中子横截面，这导致它们在相对短的时间中损耗。结果，根据设计和使用量，该GRCA设计的棒当量在大约5到10年内就降低到可接受值以下。超过该时间的持续使用导致进一步损耗，最后GRCA对于负载跟踪过程中的反应堆控制和在全功率中提供反应性控制变得无效。这导致的GRCA的频繁更换是不被希望的。第二个缺点涉及与包含吸收棒的四个导向套管相邻的燃料棒的局部棒功率的改变。特别地，由于在已知的设计中吸收材料局限在四个小棒中，相对大的功率变化(一般称为燃料棒的功率增量(delta-power))在例如棒拉出过程中发生。棒是拉出将GRCA从燃料组件中抽出的过程。在已知的GRCA设计中，棒拉出能导致相邻燃料棒中的功率增量峰值，其可大于指示燃料失效风险增大的允许极限。作为已知设计的变型且包括在全部24个小棒中均匀分布的更少量的Ag-In-Cd的GRCA设计能缓和该问题。由于铟和镉的更低的自我防护，这种设计也将以明显更高的速率损耗，且将在少于五年内损耗到可接受棒当量以下。另外，多年来，由于在银合金控制棒设计中的辐射诱导嬗变导致的吸收剂膨胀已经是该工业中持续很长时间的问题。特别地，银和铟暴露于中子辐射导致形成大数量的镉和锡，这可能由于材料密度的变化而导致膨胀。吸收剂的过多膨胀能导致吸收剂接触并可能裂开围绕吸收剂的包层。

[0006]降低当量的灰棒典型地具有明显低于用于关闭反应堆或提供总反应性控制能力的标准(或黑)RCCA控制棒的反应性当量。灰控制棒的目标反应性当量可以根据设备的要求和预定操纵策略而变化。另外，如果灰控制棒和黑控制棒与反应堆中其他元件的交界面相同，灰控制棒的重量应该与用于同一核电站中的黑控制棒相似。灰控制棒的反应性当量和重量可以由棒的所选材料和最终结构决定。典型地，使用单一吸收材料不能满足重量和反应性当量要求两者。这样，存在用于改进核反应堆的GRCA设计的余地。

发明内容

[0007]本发明满足这些和其他需求，本发明涉及先进灰棒控制组件(GRCA)设计，该设计提供改进的中子吸收材料、改进的灰棒组件和灰棒组件的分布，其适应负载跟踪操作且适于克服传统上与其相关的已知不利条件。

[0008]如本发明的一个方面，提供了一种用于核反应堆棒控制组件的灰棒，所述灰棒包括：细长管状元件，该细长管状元件具有第一端、第二端、外径和长度；在所述细长管状元件中大致朝向其第一端设置的中子吸收剂，所述中子吸收剂包括吸收材料，所述吸收材料具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。

[0009]如本发明的另一方面，提供了一种用于核反应堆的先进灰棒控制组件，所述先进灰棒控制组件包括多个灰棒，其中每个所述灰棒包括：细长管状元件，该细长管状元件具有第一端、第二端、外径和长度；在所述细长管状元件中大致朝向其第一端设置的中子吸收剂，所述中子吸收剂包括吸收材料，所述吸收材料具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。

[0010]中子吸收剂可分布在多个灰棒组件的全部灰棒组件中。更特别地，先进灰棒控制组件可包括24个灰棒，其中中子吸收剂大致平均分布在该组件的全部24个灰棒之中。

[0011]如本发明的又一方面，提供了一种具有用于核反应堆的灰棒控制组件的核反应堆，所述灰棒控制组件包括多个灰棒，其中每个所述灰棒包括：细长管状元件，该细长管状元件具有第一端、第二端、外径和长度；在所述细长管状元件中大致朝向其第一端设置的中子吸收剂，所述中子吸收剂包括吸收材料，所述吸收材料具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。

附图说明

[0012]从以下结合附图阅读的优选实施例的描述，可以得到对本发明的进一步理解，附图中：

[0013]图1是以竖直缩短形式示出的燃料组件以及部分以虚线示出的控制组件的正视图；

[0014]图2A是已经从燃料组件移除的图1控制组件的局部剖视图；

[0015]图2B是用于图2A的控制组件的控制棒多脚架组件的俯视图；

[0016]图3是用于对比使用Ag-In-Cd合金作为吸收剂的GRCA设计中各种中子吸收剂材料损耗率的曲线图；

[0017]图4是用于比较按照本发明的钨吸收剂GRCA的相对反应性当量和Ag-In-Cd吸收剂GRCA设计的相对反应性当量的曲线图；

[0018]图5是按照本发明的先进灰棒组件的局部剖视图；

[0019]图6是沿图5的线6-6所取的剖视图；

[0020]图7是1/8的燃料组件的示意性图表，示出在棒拉出过程中将现有技术的GRCA从堆芯移除之后的棒功率变化；和

[0021]图8是1/8的燃料组件的示意性图表，示出在GRCA已经从堆芯移除之后使用本发明先进GRCA的燃料组件的棒功率的变化。

具体实施方式

[0022]为简单起见，将参考商业上已知的标识为AP1000的压水反应堆(PWR)来描述本发明。AP1000反应堆是一种WestinghouseElectric Company LLC反应堆设计。Westinghouse Electric CompanyLLC在宾夕法尼亚州大匹兹堡设有公司办事处。参考AP1000仅用于提供说明性示例，而不是对本发明范围的限定。因此，可以认识到本发明的示例性GRCA设计可应用在广泛的各种其他反应堆设计中。

[0023]这里使用的方向术语，例如上、下、顶部、底部、左、右及其派生词涉及图中所示元件的方向，且除非在此明确叙述，其不是对权利要求的限定。

[0024]如这里所用的，两个或更多部件“联接”在一起的叙述将意味着这些部件直接或通过一个或更多中间部件接合在一起。

[0025]如这里所用的，术语“数量”指的是一个或多于一个(也就是多个)。

燃料组件

[0026]现在参见附图，特别参见图1，其示出以竖直缩短形式且以附图标记10总体表示的核反应堆燃料组件正视图。燃料组件10是用于压水反应堆(PWR)的类型，且具有结构骨架，该结构骨架包括在其下端处用于将燃料组件10支承在反应堆(未示出)堆芯区域中的下堆芯支承板14上的底喷嘴12、在其上端处的顶喷嘴16、以及在底喷嘴12和顶喷嘴16之间纵向延伸且在相反两端处刚性联接到底喷嘴12和顶喷嘴16的多个导管或套管18。

[0027]燃料组件10还包括沿导向套管18轴向间隔开且安装到导向套管18上的多个横向栅格20、以及横向间隔开且由栅格20支承的有组织阵列的细长燃料棒22。组件10还具有位于其中央的仪器管24，该仪器管24在底喷嘴12和顶喷嘴16之间延伸且安装到这两个喷嘴。由于部件的前述设置，应该理解到燃料组件10形成为能不损坏组件部件而方便操纵的整体单元。

[0028]如前所述，燃料组件10中的成阵列的燃料棒22由沿燃料组件长度间隔开的栅格20保持彼此间隔的关系。每个燃料棒22包括核燃料芯块26且在其相反两端处由上端塞28和下端塞30封闭。芯块26由设置在上端塞28和芯块堆叠顶部之间的充气弹簧32保持成堆叠。由可裂变材料组成的燃料芯块26用于产生反应堆的反应功率。液体慢化剂/冷却剂(例如水或含硼水)被向上泵送通过下堆芯板14中的多个流动开口而送至燃料组件。燃料组件10的底喷嘴12使冷却剂向上沿着组件的燃料棒22通过导管18，以吸收其中所产生的热量来产生有用功。为控制裂变过程，多个控制棒34可在位于燃料组件10中的预定位置处的导向管套18中往复运动。位于顶喷嘴16上方的多脚架组件39支承控制棒34。

[0029]图2A和2B示出已经从图1的燃料组件10移除之后的控制棒组件36。一般地，控制组件36具有柱形元件37，该柱形元件具有包括多脚架组件39的多个径向延伸锚爪或臂38，在图2B中最优示出。如前所述，每个臂38与控制棒34相互连接，这样控制棒组件36可操作以使控制棒34在导向套管18(图1)中竖直移动，从而控制燃料组件10(图1)中的裂变过程，这些都是以已知方式进行的。除了包括具有现在将描述的改进灰棒组件34的先进灰控制棒组件(GRCA)36的示例性控制棒组件之外，前述的全部都是本领域已有且一般已知的。

先进GRCA

[0030]继续参考图2A和2B描述一般的控制棒结构。如上所述，为了利用低当量或灰棒提供的MSHIM能力，例如用于WestinghouseElectric Company LLC的AP1000反应堆的现有控制组件的已知控制棒组件使用GRCA。但是，如上文中提到的，虽然用于现有AP1000反应堆设计的GRCA设计具有24个大致如图2B中设置的棒，但24个棒中的20个是不锈钢(例如SS-304，但不作为限定)水位移棒，且这些棒中仅4个是中子吸收棒，以获得用于GRCA的目标低反应性当量。因此，基本上全部中子吸收材料局限且隔离在GRCA中的仅四个棒位置中。

[0031]此外，在现有AP1000设计中，吸收材料包括由大约80％的银、大约15％的铟和大约5％的镉组成的Ag-In-Cd合金吸收剂，该吸收材料将吸收进入吸收剂区域的全部热和超热能量中子中的大部分。该中子吸收剂是本领域中已知的“黑”吸收剂。该吸收材料由已知的标准等强度棒束控制组件(RCCA)构成，该控制组件中的全部24个棒是Ag-In-Cd。如所述的和将参考图3描述的，铟和镉被公知的快速损耗。在功率运行过程中，RCCA在堆芯中的时间很少。因此，这种损耗不是问题。但是对于AP1000的机械补偿(MSHIM)操作，例如，预期GRCA在堆芯中停留多达操作循环的一半时间。在这些操作条件下，由于快速吸收剂损耗，现有的GRCA设计需要在大约每5至10年更换。如这里详细叙述的，在其他优点之中，本发明的先进GRCA设计解决了这种快速损耗的缺点，且也基本避免了当具有四个RCCA棒的传统GRCA从堆芯中抽出时经历不期望的局部功率峰值。

[0032]参考图3会对上述吸收剂损耗问题有进一步了解。图3示出银的两种不同同位素、铟的两种不同同位素和镉的损耗率的曲线图。更具体地，为了对比，用于其中自我屏蔽最小的GRCA设计的银-107(Ag-107)、银-109(Ag-109)、铟-113(In-113)、铟-115(In-115)和镉(Cd)的损耗率分别用线100、102、104、106和108绘制。如所示的，银100、102的两种同位素分别具有低损耗率，而铟-115、106和镉108具有快损耗率。特别地，在该设计运行仅5年之后，铟-115、06和镉108的快速损耗导致吸收强度损失大约20％。负载跟随操作特性的变化可能变成在具有小到5％的GRCA吸收剂强度损失的Westinghouse AP1000反应堆中的问题。如果增加GRCA设计的初始棒当量来补偿预期的损耗以延长GRCA的寿命，由于抽出GRCA棒带来的对堆芯功率分配的影响与这种增加相对应，由此导致燃料失效风险的增大。如上所述，黑中子吸收剂同位素的快速损耗不期望地导致在负载跟随过程中降低GRCA控制反应堆的能力，且最终导致频繁的GRCA更换。本发明通过使用改进的灰棒组件设计来解决这些缺点，除其他改进之外，该灰棒组件设计使用与现有Ag-In-Cd吸收剂相比具有改善损耗的不同中子吸收剂材料。

[0033]特别地，图4示出对比包含本发明示例性吸收剂材料110的GRCA相对棒当量和包括现有Ag-In-Cd吸收剂112的相同初始当量的GRCA的曲线图。图4中绘制的两个设计包括在全部GRCA小棒中均匀分布的吸收剂以将功率分配影响最小化。类似图3的曲线图，棒当量的变化通过相对当量对吸收剂110、112以年为单位的寿命来绘制。期望GRCA中使用的吸收剂110在长期暴露在中子辐射下时具有缓慢的变化或基本平坦的损耗当量曲线。该操作对于GRCA是典型的，这与标准黑RCCA不同，所述标准黑RCCA在功率操作过程中通常不在堆芯中操作且因此不经历这么多的中子辐射。特别地，本发明用吸收剂110替换现有Ag-In-Cd吸收剂112，该吸收剂110包括具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面的吸收材料。还可以在选择用于GRCA的示例性吸收材料时考虑超热和快速中子能量范围中的相对吸收能力以及所产生的损耗产物的吸收横截面特性。吸收材料110能以柱形几何形状设置在GRCA小棒中。另外，吸收剂110可以是轴向分段的，或者该吸收剂可以是覆盖圆筒整个轴向长度的实心片。适当的吸收剂材料的非限定示例能包括但不限于接近或完全是理论密度的基本纯的钨；减小密度或多孔钨金属；钨基合金，例如钨-铼和钨-镍-铁；钨基化合物，例如碳化钨；基本纯的钪、镱和锰；钪基、镱基和锰基合金；以及钪基、镱基和锰基化合物。如这里所用的，术语“基本纯”和“纯”可互换地用于几乎完全由元素(例如，钨、钪、镱或锰)组成的吸收剂，其中存在于吸收剂中的任何杂质的量相当低以致于一般可以忽略不计。用于示例性吸收剂110的图4中所示的相对棒当量行为的图用于使用纯钨作为主中子吸收剂的GRCA。

[0034]本发明中使用例如钨的吸收材料110代替可替换吸收材料，例如银、银-铟-镉、硼、铪等，这导致至少一种下述好处。钨的相对低捕获横截面导致该吸收剂的损耗相对其他黑吸收剂的损耗缓慢。如图4所示，由于产生铼-187，钨基110 GRCA设计的棒当量在初始时具有稍微增加趋势，并保持相对稳定。铼-187由钨-186中的中子吸收和后来的钨-187的β衰变而产生。铼-187的中子吸收横截面大于母同位素，且几乎相等地补偿了最初存在于钨中的所有吸收同位素的缓慢损耗，不对GRCA的中子吸收产生消极影响，且因此是有效的。计算得到，在20年的堆芯内辐射史中，钨吸收剂当量将增加大约3％至5％，在这之后该当量将开始缓慢减少。由于低中子捕获横截面，基于钪、镱或锰的其他可能吸收剂也被期望在GRCA中具有相对平坦的损耗当量特性。但是，并不知道这些材料会嬗变为任何强中子吸收剂同位素，且因此可能表现出棒当量对时间的单调减少。对于钨吸收剂，导致在灰棒设计寿命中材料特性明显变化的嬗变反应可以被最小化。纯钨的长期中子辐射将产生钨-铼合金，该钨-铼合金具有接近于与最初材料相同的中子捕获横截面和材料特性。钨的平坦损耗当量曲线允许灰棒的初始设计匹配理想目标棒当量，而不必过度设计棒当量以补偿吸收剂损耗影响，这对于黑吸收材料可能高达20％或更多。设计为理想目标棒当量且不过度设计20％或更多的灰棒能使与反应堆中燃料失效有关的芯块和包层相互作用的风险更低(由于燃料棒中更低的功率增量)，由此导致反应堆冷却剂中的更少的放射性。钨不会像Ag-In-Cd吸收剂一样膨胀，这样消除了与Ag-In-Cd设计相关的包壳开裂的担心。此外，钨具有明显高于银-铟-镉的熔点(分别为6192℉和1472℉)，这导致事故存活能力的改善。结果，可以相信在反应堆操作条件下钨吸收剂比例如银或银合金吸收剂产生更少的变形。另外，可以相信与银相比，反应堆中钨的活化可导致明显更低的放射源期限。

[0035]在本发明的一个实施例中，其中吸收材料包括：接近或完全理论密度的基本纯的钨；钨基合金，例如钨-铼和钨-镍-铁；钨基化合物，例如碳化钨；基本纯的钪、镱和锰；钪基、镱基和锰基合金；以及钪基、镱基和锰基化合物，该吸收剂110具有16.5至19.4g/cm³的材料密度。在用于AP1000应用的中子吸收剂的一实施例中，使用具有大约19.3g/cm³材料密度的吸收剂材料，例如基本纯的钨。另外，对于AP1000的应用，使用具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面的材料。

[0036]如图4所示，钨吸收剂110的使用显著降低了吸收剂的损耗率，将改进的GRCA 36(图2A)的可用核寿命延长到20年以上。不仅相对于现有Ag-In-Cd吸收剂仅大约5至10年的使用寿命是显著的改善，而且与Ag-In-Cd吸收剂112的快速损耗不同，该示例性吸收剂110的当量保持相对恒定。示例性吸收剂110的延长使用寿命使得改善的GRCA 36(图2A)满足对控制棒寿命的需求。

[0037]图5和6示出本发明的先进灰棒组件34。如图5所示，灰棒组件34一般包括按照在堆芯中的方向(图1)为底端的第一端40、和第二端42(例如，从图1预计的上端)。第一或底端40具有锥形端塞44。该锥形设计便于棒34被引导插入燃料组件10(图1)的套管18(图1)中。第二或顶端42具有顶端塞46，该顶端塞构造为使用已知方式(例如但不限于，互补的阴/阳螺纹固定装置)与多脚架组件39接合且固定到该多脚架组件上(图2A中最优示出)。细长管状元件48在顶端塞46和底端塞44之间延伸。虽然可以使用由例如但不限于锆和镍基合金的其他已知的或合适的可替换材料制成的管，但是该示例性管状元件是由304-不锈钢制成的不锈钢管48。在这里所述的所示示例中，管48的外径50是大约0.38英寸(0.97厘米)，且从底端塞44的顶部到顶端塞46的底部的棒34的整体长度52是大约175英寸(444.5厘米)。但是，可以认识到本发明的概念可同样应用于在广泛变化的反应堆中使用的具有任何合适长度和宽度的棒。

[0038]在本发明一个实施例中，吸收剂110包含在细长管状元件48中且尺寸设置为基本充满管状元件48的内径。在一实施例中，吸收剂材料110的外径为0.15至0.40英寸；管状元件48的外径为0.37至0.45英寸。在另一实施例中，例如用于AP1000，吸收剂110的外径是0.17至0.35英寸；管状元件48的外径是0.37至0.39英寸。吸收剂110包括减小密度或多孔的金属钨、钨基合金、或钨基化合物。

[0039]如图5所示，吸收材料110一般设置在细长管状元件48中。图5还示出，吸收剂110可以是首先通过内支承管58，而后通过细长管状元件48的双重密封。内支承管58构造为基本围绕吸收剂110且密封吸收剂110的套筒，且细长管状元件48(即包壳)将吸收剂110和支承管58与主冷却水隔离。内支承管58由在预期操作条件下具有很好的机械强度和导热特性的金属制成。而且，熔点应该足够高，从而在该环境中支持该吸收材料的持续完整性。用于支承管58的合适材料能包括但不限于：锆和锆基合金；铝和铝基合金；镍基合金，例如合金718(UNS N07718)和合金625(UNS N06625)；和不锈钢，例如SS-304L和SS-316L。内支承管58的两端被盖住在细长管状元件48破裂的情况下隔离吸收剂110。支承管58也便于将热从吸收剂110传递出去并对吸收剂110提供结构支承。

[0040]在本发明一个实施例中，内支承管58可由辅助吸收材料构造，选择该辅助吸收材料除了能便于热传递和提供结构支承之外，还能提高中子吸收和/或最优化小棒重量。该辅助吸收剂具有比吸收材料110也就是主吸收剂更低的捕获横截面。辅助吸收剂可具有2至6靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。而且，辅助吸收剂可具有7至9g/cm³的密度。合适辅助吸收材料的非限定性实施例可包括但不限于：镍基金属合金，例如合金718(UNS N07718)和合金625(UNSN06625)；和不锈钢，例如SS-304L和SS-316L。

[0041]不受任何理论限制，可以相信辅助吸收剂的较低中子捕获横截面用于平衡主吸收剂的较高中子捕获横截面。相似地，辅助吸收剂的较低密度用于平衡主吸收剂的较高密度。通过控制主吸收剂和辅助吸收剂的相对比例和所选材料，可能获得同时将棒当量和重量优化到目标值、而同时显著改善热传递特性的GRCA设计。该套筒和/或包壳能充满惰性气体，例如但不限于氦或氩，以防止在高操作温度的主吸收剂的氧化，且还改善热传递。在该套筒或包壳中，主吸收剂可以是直圆柱体堆、单柱体或微粒(例如，粉末)的形式。

[0042]本发明的中子吸收剂可基本同心地设置在细长管状元件48中。本发明的中子吸收剂也可基本同心地设置在支承管58中，且该支承管可以在管状元件48中。支承管58可具有基本由吸收剂110外径和细长管状元件48内径之间的间隔形成的壁厚。如图6的剖视图所示，该示例性吸收剂110的直径54小于棒管48的外径50。

[0043]支承管58具有大于管48壁厚的壁厚60。支承管58能用于使用高导热材料替代主吸收剂和外包壳之间的直径缝隙部分，这样便于主吸收剂的热量传递到冷却剂且显著降低灰棒中的操作温度。支承管58也能支承且密封主吸收剂以降低在很少出现的外包壳失效情况下的主吸收剂重分布的可能性或主吸收剂释放到冷却剂的可能性。

[0044]在一个实施例中，吸收剂110的外径为0.10至0.38英寸；管状元件48的外径为0.37至0.45英寸；且支承管58的壁厚为0.01至0.10英寸。在另一实施例中，例如使用AP1000，吸收剂110的外径为0.16至0.24英寸；管状元件48的外径为0.37至0.39英寸；和支承管58的壁厚为0.05至0.07英寸。

[0045]因此，本发明示例性灰棒组件34通过使用这里所述吸收材料提供延长的核寿命。本发明的整个GRCA设计36一般地改善棒操纵过程中的线性热耗容限(linear heat rate margin)。特别地，示例性GRCA将吸收剂110分布在控制组件36的全部24个棒34上，这与前述现有AP1000设计中将吸收剂仅限制在4个棒中不同。将吸收剂110分布在全部GRCA棒34之间降低了当GRCA 36从堆芯中移除时局部燃料棒功率(功率增量)的变化，这改善了操作容限。特别地，将吸收材料110分布在全部24棒上降低了每个棒34中吸收剂110的量，这降低了在抽出棒的过程中在每个棒34附近局部反应性变化的量。与现有设计的四个Ag-In-Cd吸收剂相比，吸收材料110的量降低的确切量不意味着对本发明的限定。

[0046]由于前述内容，示例性灰棒组件34已经被重新设计以包括例如支承管58、含由辅助吸收材料密封的主吸收剂的组合的完全不同吸收材料、减少量的高中子吸收材料、以及在全部棒34之间分布吸收剂的改进特征的组合。因此，本发明GRCA 36通过降低每个棒34的中子吸收材料110的量，且通过将吸收材料110基本均匀分布在组件36的全部灰棒34之间从而解决且基本克服前述的本领域已知缺点。将参考图7和8进一步理解和认识该示例性先进GRCA设计36的优点。

[0047]图7是1/8的传统燃料组件10’的示意或简化图，为对比图8的示例性设计的目的，该视图示出当传统GRCA(未示出)从燃料组件10’抽出时，由围绕先前包含吸收剂棒(图7中未示出)的套管18’的燃料棒22’产生的局部功率的相对大的增加。图7所示的数表示与GRCA从燃料组件10’抽出相应的棒功率的百分比变化。示出已知的、局部吸收剂的不利影响。特别地，如所示的，与容纳Ag-In-Cd吸收剂的套管18’相邻的燃料棒22’经历功率变化的隔离或局部峰值。如前所述，不希望产生该明显的功率变化，因为由于堆芯和包壳的相互作用，它增大了燃料失效的风险。

[0048]图8证实本发明GRCA设计36(图2)克服这些问题。特别地，比较图8和图7，示出在棒抽出操作之后的燃料组件10的相同1/8部分，在该棒抽出操作中该示例性GRCA 36(图2)和灰棒34(图2、5和6)从燃料组件10中抽出。如所示的，与图7示例的数值相比，绕容纳吸收剂棒(图8中未示出)的套管18的棒功率变化被大大降低。特别地，如图8示例所示，对于本发明GRCA 36的棒功率中的最大变化百分比是大约7％。这明显改善了图7所示传统GRCA设计的大约22％的棒功率变化百分比。如上文所述，这种改善很大程度上是由于吸收剂棒34(图8中未示出)在全部24个套管位置18之间的示例性分布，这与总共仅四个套管位置18’不同。例如，在图7的燃料组件10’的1/8部分中示出一个吸收位置18’，而吸收位置18在图8的示例性设计中示出。总的来说，吸收剂110、每个棒34的减小吸收剂尺寸、吸收剂支承管58、和在本发明GRCA 36的全部棒34中的吸收剂110的分布的组合导致GRCA 36的每个棒34的中子吸收能力降低到大约1/6，因此，例如当GRCA 36从组件10抽出时，该组合降低了局部棒功率的变化(功率增量)。可以认识到本发明的GRCA 36的先进特征可以单独使用或以任何已知或合适的组合而使用。例如，不做限定，不同于这里所述的示例性吸收剂110的可替换吸收材料可用于本发明的示例性减小尺寸、分布结构，而不背离本发明的范围。

[0049]用于在减少数量(24个中的4个)的棒中使用Ag-In-Cd的设计的吸收棒线性热耗率可以导致套管18内表面和细长管48外表面之间的冷却水的整体沸腾。将吸收材料110分布到控制组件的全部24个棒中使得套管整体沸腾最小化或防止套管整体沸腾的发生。

[0050]因此，本发明提供先进GRCA 36，除其他好处之外，该先进GRCA 36表现出改善的损耗率、对在棒抽出过程中的局部功率分布的巨大变化抵抗性、对套管整体沸腾的抵抗性、和对吸收剂合金膨胀和包壳开裂的改善抵抗性。

结论

[0051]本发明涉及用于低当量的改进设计，或用于核反应堆的灰棒控制组件(GRCA)。为了控制反应堆产生的功率量的目的，GRCA用于先进核反应堆概念中以通过机械方式提供良好反应性控制能力。典型的GRCA包括多脚架组件，该多脚架组件构造为使得多达24个灰小棒组件能受控的插入或抽出位于核反应堆堆芯中的燃料组件的导向套管中。本发明的改进GRCA设计包括使用多个改进灰小棒组件，该灰小棒组件包括中子吸收剂和结构材料的新颖组合和配置。改进的灰小棒组件用于GRCA中的全部可用小棒位置以获得所需反应性当量和构件重量，同时将GRCA运动对燃料组件中燃料棒上的局部功率分配影响最小化。

[0052]每个改进灰小棒组件包括使用由外包壳内部的内支承管支承的灰主中子吸收材料。主中子吸收材料由设置为柱形几何形状的基本纯的钨，或具有相似中子吸收横截面和密度特性的材料构成。钨是用于灰控制棒应用的优选主中子吸收材料，因为它具有目标范围内的中子吸收横截面，且在长期暴露于中子辐射时具有非常小的由于吸收剂损耗效应导致的随时间的反应性当量变化。钨也具有非常高的材料密度和熔化温度、低活化可能，且具有比其他更通常使用的黑中子吸收材料更小的辐射诱发膨胀。包含其他元素的钨基合金或化合物也可用于改进设计中的主中子吸收剂。作为内支承管公知的细长管状元件支承或约束主中子吸收剂。该内支承管由镍合金、不锈钢、锆合金或核工业中使用的其他相似结构材料组成，该材料如果暴露给反应堆冷却剂不会产生不利的后果。该内支承管主要用于方便热传递、提供结构支承、以及防止外包壳失效时主中子吸收材料的重分配或逸出。但是，内支承管的中子吸收横截面和密度也可以在以下这些参数必须被精确控制的情况中用于优化总体中子吸收能力和获得用于灰小棒组件的目标重量。内支承管和主中子吸收剂包含在已知的作为外包壳的细长管状元件中。外包壳通常是不锈钢，但也可以由镍合金或核工业中使用的其他相似结构材料构成，该材料已经成功用于包括长期暴露于反应堆冷却剂的应用中。用于主中子吸收剂、内支承管和外包壳的材料的尺寸和选择允许同时最优化反应性当量、总构件重量和改进灰小棒组件的热传递特性。

[0053]在可以建立主中子吸收剂和外包壳的可靠长期完整性的情况中，可以应用不使用内支承管的灰小棒组件的另一实施例。该可替换形式能用于获得所需反应性当量和热传递特性，同时以不优化总体构件重量的代价简化制造过程。在该可替换形式中作为主中子吸收剂使用的合适材料包括但不限于：各种钨金属合金，例如但不限于钨-铼或钨-镍-铁；钨基化合物，例如但不限于碳化钨；或减小密度形式的纯钨金属。中子吸收剂的外径可以根据所选材料变化。在吸收剂外径和外包壳内径之间可能存在相对小或大的径向缝隙。在使用更稀释主中子吸收材料的一实施例中，吸收剂外径可以几乎充满外包壳内径。

[0054]用于本发明的主中子吸收材料包括设置为柱形的具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面的材料。在长期暴露于中子辐射下，该吸收材料具有缓慢变化的或平坦的损耗当量曲线，这是用于将其与几乎不会经历这么多中子辐射的标准黑RCCA区分开的GRCA操作所需的特性。该主吸收剂可以是轴向分段的，或可以是基本覆盖该圆筒整个轴向长度的实心片。用于主中子吸收剂的合适材料可以包括以下：

A)处于或接近完全理论密度的基本纯的钨金属；

B)包含充足数量的钨和其他金属的合金，例如但不限于W-Re和W-Ni-Fe；

C)包含钨和其他元素的化合物，例如但不限于碳化钨；

D)基本纯的钪(Sc)、镱(Yb)或锰(Mn)；和

E)包含Sc、Yb或Mn的化合物或合金。

[0055]在实施例中这些材料能用作主中子吸收剂，其中该吸收剂包含在内支承管和包壳中，或其中该吸收剂仅包含在不具有支承管的包壳中。而且，在不使用支承管的实施例中，主中子吸收剂也能包括减小密度或多孔的金属钨，也就是该密度小于理论密度。

[0056]在灰棒应用中使用钨基吸收剂能产生至少一个以下好处：

A)钨的相对低捕获横截面能导致相对其他黑吸收剂(例如Ag-In-Cd、硼、铪)的缓慢的吸收剂损耗；

B)钨的长期中子辐射趋于产生钨-铼合金，该钨-铼合金可以具有接近于与初始材料相同的中子捕获横截面，这导致随时间相对平坦的损耗当量曲线；

C)该平坦损耗当量曲线允许将灰棒设计优化为没有“过量设计”灰棒当量以补偿吸收剂损耗影响的目标灰棒当量，该损耗影响可以高达黑吸收材料的20％或更多；

D)由于燃料棒中更低的“功率增量”，被最优化到目标棒当量且未过量设计20％或更多的灰棒设计将具有更少的在反应堆中引起与芯块包壳相互作用相关的燃料失效的风险，且最终能导致反应堆冷却剂中更少的放射能；

E)钨的高材料密度能允许更高重量灰棒设计，该灰棒设计可能更少地经历不完全棒插入情形；和

F)钨的非常高熔化温度能导致更好的事故存活能力并减少由于考虑热导致的设计约束。

[0057]用于本发明中的内支承管能包括具有现有核工业经验的结构材料，该结构材料已知在暴露于反应堆冷却剂时不会产生不利结果。该支承管材料可以是在预料操作条件下具有良好机械强度和导热性特征的金属。允许的工作温度应该是足够高的从而在吸收材料周围的环境中支持延续的完整性。在选择材料以优化总中子吸收能力和获得灰棒组件的目标重量的实施例中，具有2至6靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面和7至9g/cm3的密度的材料也是期望的。内支承管可以在两端部被盖住以在外包壳开裂的情况下提供对主中子吸收剂的隔离。用作内支承管的合适材料包括以下：

A)镍基合金，包括但不限于合金718(UNS N07718)和合金625(UNS N06625)；

B)不锈钢，包括但不限于SS-304L和SS-316L；

C)锆基合金；和

D)铝金属。

[0058]锆基合金和铝金属通常不用在依赖于该支承管材料来优化总中子吸收能力和获得灰棒组件的目标重量的实施例中。

[0059]使用这里所述的内支承管材料能产生至少一个以下好处：

A)该内支承管材料的横截面和密度特性能向设计者提供另外的自由度，这允许同时优化反应性当量、棒重量和热传递特性的灰小棒设计的研制；

B)该内支承管能通过在吸收剂和外包壳之间的内缝隙中充满高导热材料以提高主中子吸收剂的向外热传递，由此有效地降低吸收剂运行温度；

C)该内支承管能除外包壳之外在反应堆冷却剂和主中子吸收剂之间提供第二阻碍，该附加的阻碍提供关于吸收剂最终不接触冷却剂的更高水平保证，这可以导致在能考虑最终用于主吸收剂的材料类型中的更大灵活性；和

D)如果吸收剂变脆，该内支承管能最小化主中子吸收材料的潜在重分布。

[0060]虽然已经详细描述本发明特别实施例，本领域技术人员可以认识到可以根据所公开内容的全部教导进行对这些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定设置仅作为示例但不是对本发明范围的限定，本发明的范围通过所附权利要求及其任何和全部等同方案的全部范围给出。

Claims

1.一种用于核反应堆棒控制组件的灰棒，所述灰棒包括：

细长管状元件，所述细长管状元件具有第一端、第二端、外径和长度；

中子吸收剂，所述中子吸收剂在所述细长管状元件中大致朝向所述细长管状元件的第一端设置，所述中子吸收剂包括具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面的吸收材料。

2.如权利要求1的灰棒，其中所述吸收材料从由以下成分组成的组中选择：接近或完全理论密度的基本纯钨；减小密度或多孔钨金属；钨基合金，例如钨-铼和钨-镍-铁；钨基化合物，例如碳化钨；基本纯的钪、镱和锰；钪基、镱基和锰基合金；以及钪基、镱基和锰基化合物。

3.如权利要求1的灰棒，其中所述吸收材料构造为柱形几何形状。

4.如权利要求1的灰棒，其中所述中子吸收剂具有16.5至19.4g/cm³的材料密度。

5.如权利要求1的灰棒，其中所述中子吸收剂是基本纯的钨。

6.如权利要求1的灰棒，其中所述中子吸收剂在长期暴露于中子辐射下时具有基本平坦的损耗当量曲线。

7.如权利要求1的灰棒，其中所述中子吸收剂具有0.15至0.40英寸的外径，且所述细长管状元件具有0.37至0.45英寸的外径。

8.如权利要求1的灰棒，还包括支承管，所述支承管构造成围绕所述细长管状元件中的所述中子吸收剂。

9.如权利要求8的灰棒，其中所述支承管包括从由锆和锆基合金、铝和铝基合金、镍基合金和不锈钢组成的组中选择的材料。

10.如权利要求9的灰棒，其中选择所述支承管的材料以提高中子吸收剂的中子吸收。

11.如权利要求10的灰棒，其中所述支承管的材料具有比中子吸收剂低的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。

12.如权利要求10的灰棒，其中所述支承管的材料具有2至6靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。

13.如权利要求10的灰棒，其中所述支承管的材料具有7至9g/cm³的密度。

14.如权利要求10的灰棒，其中所述支承管的材料从镍基金属合金和不锈钢组成的组中选择。

15.如权利要求8的灰棒，其中所述中子吸收剂具有0.10至0.38英寸的外径，所述细长管状元件具有0.37至0.45英寸的外径，且所述支承管具有0.01至0.10英寸的壁厚。

16.如权利要求8的灰棒，其中所述中子吸收剂基本同心地设置在所述细长管状元件中，且所述支承管具有基本由所述中子吸收剂的外径和所述细长管状元件的内径之间的间隔限定的壁厚。

17.一种用于核反应堆的先进灰棒控制组件，所述先进灰棒控制组件包括：

多个灰棒，其中每个所述灰棒包括：

细长管状元件，所述细长管状元件具有第一端、第二端、外径和长度，

18.如权利要求17的先进灰棒控制组件，其中所述中子吸收剂分布在所述多个灰棒的全部所述灰棒之中。

19.如权利要求18的先进灰棒控制组件，其中所述多个灰棒包括24个灰棒；且所述中子吸收剂大致均匀分布在全部24个灰棒之中。

20.如权利要求17的先进灰棒控制组件，其中所述吸收材料从由以下成分组成的组中选择：接近或完全理论密度的基本纯钨；减小密度或多孔钨金属；钨基合金，例如钨-铼和钨-镍-铁；钨基化合物，例如碳化钨；基本纯的钪、镱和锰；钪基、镱基和锰基合金；以及钪基、镱基和锰基化合物。

21.如权利要求17的先进灰棒控制组件，其中所述中子吸收剂是基本纯的钨。

22.如权利要求17的先进灰棒控制组件，其中所述中子吸收剂具有16.5至19.4g/cm³的材料密度。

23.如权利要求17的先进灰棒控制组件，还包括支承管，所述支承管构造为围绕所述细长管状元件中的所述中子吸收剂。

24.如权利要求23的先进灰棒控制组件，其中所述支承管包括从由锆和锆基合金、铝和铝基合金、镍基合金和不锈钢组成的组中选择的材料。

25.如权利要求23的先进灰棒控制组件，其中所述支承管的材料具有2至6靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。

26.如权利要求23的先进灰棒控制组件，其中所述支承管的材料具有7至9g/cm³的密度。

27.如权利要求24的先进灰棒控制组件，其中所述支承管的材料从镍基金属合金和不锈钢组成的组中选择。

28.一种具有灰棒控制组件的核反应堆，所述灰棒控制组件包括：

多个灰棒，其中每个所述灰棒包括：

29.如权利要求28的核反应堆，其中所述中子吸收剂分布在所述灰棒控制组件的全部所述灰棒之中。

30.如权利要求29的核反应堆，其中所述多个灰棒包括24个灰棒；且所述中子吸收剂大致均匀分布在所述灰棒控制组件的全部24个灰棒之中。

31.如权利要求28的核反应堆，还包括支承管，所述支承管构造成围绕所述细长管状元件中的所述中子吸收剂。