CN102915773B - 一种灰控制棒及吸收体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种灰控制棒及吸收体，该吸收体材料中含有钽、钽合金或钽的化合物，其中钽元素占该吸收体材料质量百分比的30～99.8％。该灰控制棒为细长实心管状结构，该灰控制棒由含有钽、钽合金或钽的化合物的材料制成，其中钽元素占灰控制棒总质量百分比的30～99.8％。本发明采用钽、钽合金或钽的化合物，获得的灰控制棒的反应性价值随燃耗降低的趋势被显著地推迟，而且辐照肿胀和辐照蠕变效应也很低，大大延长了灰控制棒组件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于核电站反应性控制技术领域，具体涉及一种灰控制棒及吸收体材料。
背景技术
核电站通常是利用控制棒组件的提升和插入来控制反应堆的功率。核电站所使用的控制棒一般分为两类，黑控制棒和灰控制棒。灰控制棒的中子吸收体的吸收能力较弱，因此其反应性价值比黑控制棒要低。
在反应堆运行期间，运用机械补偿(MSHIM)的运行模式进行反应性控制，即利用灰控制棒代替化学补偿(调节硼浓度)为负荷跟踪过程提供反应性控制和全功率运行提供反应性控制，可以把日常处理主反应堆冷却剂的需要降到最低，从而大大简化化学和容积控制系统及其操作。
现有的灰控制棒的设计采用Ag-In-Cd合金(In的质量分数约为15％，Cd的质量分数约为5％，余量为Ag)作为吸收体。而Ag-In-Cd合金具有相对较大的中子吸收截面，尤其是Ag、In和Cd三种元素天然存在的同位素嬗变后的产物的中子吸收截面显著降低，这将导致灰控制棒组件的反应性价值大约5年的时间内就降低到初始值的80％左右，不再满足MSHIM模式对灰控制棒组件反应性价值的要求，因此必须更换新的控制棒组件。
另外，在核电站的正常运行期间，黑控制棒组件通常插入堆芯的时间很少，辐照导致Ag-In-Cd合金的肿胀和蠕变都比较少，在使用很长时间后也不会出现包壳破裂的情况，因此作为黑控制棒的吸收体是合适的。但是，灰控制棒组件约有一半的时间是停留在堆芯内部，Ag-In-Cd合金的辐照肿胀和辐照蠕变都很严重，这将导致灰控制棒的包壳在很短的时间内就达到了其应变限值，限制了灰控制棒组件的使用寿命。
因此，采用Ag-In-Cd合金作灰控制棒组件吸收体存在很多问题，仍然有很多改进的空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灰控制棒及吸收体，其具有反应性价值损耗速率低、较小的辐照肿胀和辐照蠕变效应等特点。
实现本发明目的的技术方案：一种灰控制棒用吸收体，该吸收体材料中含有钽、钽合金或钽的化合物，其中钽元素占该吸收体材料质量百分比的30～99.8％。
如上所述的一种灰控制棒用吸收体，该吸收体材料中包括A组分和B组分：所述的A组分为：钽、钽合金或钽的化合物中的一种或几种；所述的B组分为：硼、硼的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、钆、钆合金、钆的化合物中的一种或几种；其中，A组分中每采用1份钽元素，则B组分中对应加入0.002～0.09份的硼元素、或0.1～2.5份的铪元素、或0.01～0.06份钆元素；以质量份计。
如上所述的一种灰控制棒用吸收体，该吸收体材料中包括A组分和B种组分：所述的A组分为：钽或钽合金；所述的B组分为：硼、硼化合物、铪、铪合金、铪的氧化物、钆、钆合金、或钆的氧化物中的一种；其中，A组分中钽元素与B组分中硼元素的质量含量比例为1∶(0.002～0.09)；A组分中钽元素与B组分中铪元素的质量含量比例为1∶(0.1～2.5)；A组分中钽元素与B组分中钆元素的质量含量比例为1∶(0.01～0.06)。
如上所述的一种灰控制棒用吸收体，该吸收体材料中包括A组分和B组分：所述的A组分为：钽或钽合金；所述的B组分为：Ag-In-Cd合金；其中，A组分中钽元素与B组分中Ag-In-Cd合金的质量含量比例为1∶(0.2～1.5)。
本发明所述的一种灰控制棒，该灰控制棒为细长实心管状结构，该灰控制棒由含有钽、钽合金或钽的化合物的材料制成，其中钽元素占灰控制棒总质量百分比的_30～99.8％。
本发明所述的一种灰控制棒，该灰控制棒为同心设置的内外两层细长实心管状结构，所述的内层管或/和外层管由含有钽、钽合金或钽的化合物的材料制成，其中钽元素占灰控制棒总质量百分比的30～99.8％
如上所述的一种灰控制棒，制成该灰控制棒的材料中包含A组分和B组分：所述的A组分为：钽、钽合金或钽的化合物中的一种或几种；所述的B组分为：硼、硼的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、钆、钆合金、钆的化合物中的一种或几种；其中，A组分中每采用1份钽元素，则B组分中对应加入0.002～0.09份的硼元素、或0.1～2.5份的铪元素、或0.01～0.06份钆元素；以质量份计。
如上所述的一种灰控制棒，制成该灰控制棒的材料中包含A组分和B组分：所述的A组分为：钽或钽合金；所述的B组分为：硼、硼化合物、铪、铪合金、铪的氧化物、钆、钆合金、或钆的氧化物中的一种；其中，A组分中钽元素与B组分中硼元素的质量含量比例为1∶(0.002～0.09)；A组分中钽元素与B组分中铪元素的质量含量比例为1∶(0.1～2.5)；A组分中钽元素与B组分中钆元素的质量含量比例为1∶(0.01～0.06)。
如上所述的一种灰控制棒，制成该灰控制棒的材料中包含A组分和B组分：所述的A组分为：钽或钽合金；所述的B组分为：Ag-In-Cd合金；其中，A组分中钽元素与B组分中Ag-In-Cd合金的质量含量比例为1∶(0.17～1.3)。
如上所述的一种灰控制棒，所述的灰控制棒外包覆不锈钢或镍基合金制成的包壳管。
本发明的效果在于：本发明提出了一种灰控制棒及吸收体，其采用钽、钽合金或钽的化合物，获得的灰控制棒的反应性价值随燃耗降低的趋势被显著地推迟，而且辐照肿胀和辐照蠕变效应也很低，大大延长了灰控制棒组件的使用寿命。中子吸收体材料(例如：硼、铪、钆元素的合金或化合物或Ag-15％In-5％Cd合金等)的反应性价值随燃耗下降较快，用于补偿钽、钽合金或钽的化合物在燃耗初期较小的反应性价值。
附图说明
图1为实施例1中Ag-In-Cd合金吸收体和Ta棒与Ag-In-Cd合金管组合吸收体的反应性价值随燃耗的变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种灰控制棒及吸收体作进一步说明。
实施例1～3
本发明所述的一种灰控制棒，该灰控制棒为同心设置的内外两层细长实心管状结构；灰控制棒外包覆不锈钢或镍基合金制成的包壳管。
所述的内层管由钽金属制成，该内层管直径为1.8mm；
所述的外层管由Ag-In-Cd合金制成，该外层管内径为1.8mm，外径为2.4mm。
该灰控制棒具体组成如下表1所示。
表1
如图1所示，现有的灰控制棒的设计采用Ag-In-Cd合金作为吸收体。而Ag-In-Cd合金具有相对较大的中子吸收截面，尤其是Ag、In和Cd三种元素天然存在的同位素嬗变后的产物的中子吸收截面显著降低，因此以Ag-In-Cd合金作为吸收体的灰控制棒的反应性价值随燃耗下降非常快，大约5年的时间内就降低到初始值的80％左右，不再满足MSHIM模式对灰控制棒组件反应性价值的要求。
钽元素在燃耗初期反应性价值会出现快速的显著的升高，之后随燃耗增加其反应性价值逐渐趋于稳定，可保持该平坦的状态超过20年。如图1所示，本实施例中灰控制棒采用纯钽棒与随燃耗下降较快的中子吸收体材料Ag-In-Cd合金组合，以补偿纯钽在燃耗初期的反应性价值，该吸收体材料可使灰控制棒组件的反应性价值在较长的时间内不随燃耗发生明显变化。另外，钽、钽合金或钽化合物，具有良好的抗腐蚀性能，尤其是具有很好的抗辐照性能，在中子注量非常高的情况下，辐照肿胀和辐照蠕变量也很小。因此，可显著改善Ag-In-Cd吸收体的辐照效应所带来的问题，显著延长灰控制棒组件的使用寿命。
实施例4～28
本发明所述的灰控制棒用吸收体材料中包含A组分和B组分，该吸收体材料具体组成及配比如下表2所示。(该吸收体材料中还可能带有Mo、Nb、N、Si等不超过2％的杂质成分)
表2
实施例29～31
本发明所述的一种灰控制棒，其为细长实心管状结构，由钽合金制成。该灰控制棒外包覆不锈钢或镍基合金制成的包壳管。该灰控制棒具体组成见表3。(该吸收体材料中还可能带有Mo、Nb、N、Si等不超过2％的杂质成分。)
表3
| 钽合金组成 | 钽元素占该灰控制棒总质量百分比 | |
| 实施例30 | Ta-10W | 90％ |
| 实施例31 | Ta-8W-2Hf | 90％ |
| 实施例32 | Ta-Hf | 50％ |
本发明并不严格地局限于所述实例。根据本发明提出的方法，可以应用于任何核反应堆，为负荷跟踪过程提供反应性控制和全功率运行提供反应性控制。
Claims (8)
1.一种灰控制棒用吸收体，其特征在于，该吸收体材料中含有钽、钽合金或钽的化合物，其中钽元素占该吸收体材料质量百分比的30～99.8％；
具体为该吸收体材料中包括A组分和B组分：
所述的A组分为：钽、钽合金或钽的化合物中的一种或几种；
所述的B组分为：硼、硼的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、钆、钆合金、钆的化合物中的一种或几种；
其中，A组分中每采用1份钽元素，则B组分中对应加入0.002～0.09份的硼元素、或0.1～2.5份的铪元素、或0.01～0.06份钆元素；以质量份计。
2.根据权利要求1所述的一种灰控制棒用吸收体，其特征在于，该吸收体材料中包括A组分和B种组分：
所述的A组分为：钽或钽合金；
所述的B组分为：硼、硼化合物、铪、铪合金、铪的氧化物、钆、钆合金、或钆的氧化物中的一种；
其中，
A组分中钽元素与B组分中硼元素的质量含量比例为1:(0.002～0.09)；
A组分中钽元素与B组分中铪元素的质量含量比例为1:(0.1～2.5)；
A组分中钽元素与B组分中钆元素的质量含量比例为1:(0.01～0.06)。
3.一种灰控制棒用吸收体，其特征在于，该吸收体材料中含有钽、钽合金或钽的化合物，其中钽元素占该吸收体材料质量百分比的30～99.8％；
具体为该吸收体材料中包括A组分和B组分：
所述的A组分为：钽或钽合金；
所述的B组分为：Ag-In-Cd合金；
其中，A组分中钽元素与B组分中Ag-In-Cd合金的质量含量比例为1：(0.2～1.5)。
4.一种灰控制棒，该灰控制棒为细长实心管状结构，其特征在于，该灰控制棒由含有钽、钽合金或钽的化合物的材料制成，其中钽元素占灰控制棒总质量百分比的_30～99.8％；
制成该灰控制棒的材料中包含A组分和B组分：
所述的A组分为：钽、钽合金或钽的化合物中的一种或几种；
所述的B组分为：硼、硼的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、钆、钆合金、钆的化合物中的一种或几种；
其中，A组分中每采用1份钽元素，则B组分中对应加入0.002～0.09份的硼元素、或0.1～2.5份的铪元素、或0.01～0.06份钆元素；以质量份计。
5.一种灰控制棒，该灰控制棒为同心设置的内外两层细长实心管状结构，其特征在于，所述的内层管或/和外层管由含有钽、钽合金或钽的化合物的材料制成，其中钽元素占灰控制棒总质量百分比的30～99.8％；
制成该灰控制棒的材料中包含A组分和B组分：
所述的A组分为：钽、钽合金或钽的化合物中的一种或几种；
所述的B组分为：硼、硼的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、钆、钆合金、钆的化合物中的一种或几种；
其中，A组分中每采用1份钽元素，则B组分中对应加入0.002～0.09份的硼元素、或0.1～2.5份的铪元素、或0.01～0.06份钆元素；以质量份计。
6.根据权利要求4或5所述的一种灰控制棒，其特征在于，制成该灰控制棒的材料中包含A组分和B组分：
所述的A组分为：钽或钽合金；
所述的B组分为：硼、硼化合物、铪、铪合金、铪的氧化物、钆、钆合金、或钆的氧化物中的一种；
其中，
A组分中钽元素与B组分中硼元素的质量含量比例为1:(0.002～0.09)；
A组分中钽元素与B组分中铪元素的质量含量比例为1:(0.1～2.5)；
A组分中钽元素与B组分中钆元素的质量含量比例为1:(0.01～0.06)。
7.一种灰控制棒，该灰控制棒为同心设置的内外两层细长实心管状结构，其特征在于，所述的内层管或/和外层管由含有钽、钽合金或钽的化合物的材料制成，其中钽元素占灰控制棒总质量百分比的30～99.8％；
制成该灰控制棒的材料中包含A组分和B组分：
所述的A组分为：钽或钽合金；
所述的B组分为：Ag-In-Cd合金；
其中，A组分中钽元素与B组分中Ag-In-Cd合金的质量含量比例为1：(0.2～1.5)。
8.根据权利要求4或5所述的一种灰控制棒，其特征在于，所述的灰控制棒外包覆不锈钢或镍基合金制成的包壳管。
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Legal Events
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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