CN103236276A - 一种用于液态重金属冷却反应堆的控制棒 - Google Patents

Abstract

本发明是一种适用于液态重金属冷却反应堆的控制棒，属于核反应堆领域，控制棒是控制棒组件的一部分，与燃料组件等一起插入反应堆的芯部，控制反应性。这种控制棒包括：（1）高密度中子吸收体，（2）空隙，（3）包壳。本发明中提出的控制棒在满足铅铋/铅冷却反应堆反应性控制能力基础上，克服了传统的控制棒在铅铋/铅冷却剂环境中由于密度过小，而不能在事故状态下依靠重力下落和在反应堆换料操作时稳定停留在堆芯中的问题。本发明结构简单、可靠、便于维修。

Description

一种用于液态重金属冷却反应堆的控制棒

技术领域

本发明涉及反应堆装备领域，属于反应堆工程技术领域，具体涉及铅铋/铅冷却反应堆的控制棒。

背景技术

目前一种常用的反应堆反应性控制方式是通过插入反应堆中控制棒的移动来控制反应堆的反应性。反应堆的临界运行是通过中子引起链式裂变反应来保持的，而控制棒中的吸收体拥有较大的中子吸收能力，用来吸收反应堆的中子，从而调节反应堆中的中子平衡，从而达到反应性控制和停堆的目标。在反应堆的控制中，通过控制棒的上下移动来改变堆芯中吸收体的多少来控制反应性，若控制棒向上提时，部分吸收体出除堆芯，控制棒吸收中子的能力减弱，链式裂变产生的中子数越来越多，反应堆处于临界或超临界状态；当控制棒下插时，反应堆中的吸收体增加，中子吸收能力增加，链式反应产生的中子数被吸收的部分增加，导致反应堆中子数越来越少，反应堆处于次临界状态，实现安全停堆。现有反应堆的控制棒材料通常选用B₄C或者银-铟-镉，这些材料在中子能量较低的区域有很大的吸收截面，同时现有的压水堆和钠冷快堆由于冷却剂的密度很小，这些材料的密度都大于冷却剂，不需要外力控制棒也能保持插入堆芯的状态而克服浮力的影响。而在铅铋冷却反应堆中，中子能量高，而吸收材料对中子的吸收是随着中子能量的升高而降低的，所以重金属冷却反应堆对中子吸收体的截面要求比较高；同时，重金属冷却反应堆由于其特有的高密度冷却剂，传统的控制棒材料密度较轻，如果将传统的控制棒吸收体材料用于重金属冷却反应堆中，将使密度较低的控制棒组件浮起来，不能沉于堆底。在快堆的换料中，需要控制棒驱动机构松开控制棒组件为换料机构腾出空间，此时将无外力作用于控制棒上，此时密度较轻的控制棒将受到浮力的作用不能停留在堆芯中，将引发事故。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种用于液态重金属冷却反应堆的控制棒，在满足铅铋和铅冷却反应堆反应性控制能力基础上，以解决传统的控制棒在铅铋和铅冷却剂环境中由于密度过小，而不能在事故状态下依靠重力下落和在反应堆换料操作时稳定停留在堆芯中的问题；且本发明结构简单、可靠、便于维修。

本发明采用的技术方案为：一种液态重金属冷却反应堆的控制棒，包括(1)高密度吸收体(密度大于10g／cm³)，位于控制棒结构的中心，用于吸收中子，满足反应性控制和停堆要求，吸收体的尺寸取决于反应堆的设计要求，吸收体密度大于铅铋和铅密度(常温下密度分别为10．71g／cra³，11．4g／cm³)，铅铋随密度变化的公式为：

(11096-1．3236xT)／1000        (1)

高密度吸收体有两类实施方式，第一类为重金属吸收体钨(常温密度为19．3g／cm³)、铼(常温密度为21．Og／cm³)、钽(常温密度为16．6g／cm³)，第二类为重金属吸收体(钨、铼、钽)与碳化硼混合，¹⁰B的富集度不小于19．8％，吸收体形状为长条形，截面形状有圆形，六边形，长方形，正方形，十字形；(2)为空隙，里面是真空或填充惰性气体，位于高密度吸收体的外围，厚度取决于反应堆的设计要求，高度与吸收体高度相同，防止包壳与控制棒直接接触，降低二者的热导率，以及防止二者直接接触而承受应力；(3)为包壳，包裹住空隙，包壳的厚度取决于反应堆的设计要求，高度与吸收体高度相同，目的是防止冷却剂与吸收体直接接触，三者之间无连接关系；

控制棒材料有钨、钽、铼、钨与碳化硼的混合物(钨的体积比不小于45．6％)、钽与碳化硼的混合物(钽的体积比不小于54．2％)、铼与碳化硼的混合物(铼的体积比不小于41．5％)，保证吸收体的密度大于铅铋和铅冷却剂的密度，钨和碳化硼混合物钨的最小体积比由公式(2)与公式(5)得出，钽和碳化硼混合物钨的最小体积比由公式(3)与公式(5)得出，铼和碳化硼混合物钨的最小体积比由公式(4)与公式(5)得出，V_W为钨在钨和碳化硼混合物中的体积比，V_Ta为钽在钽和碳化硼混合物中的体积比，V_Re为铼在铼和碳化硼混合物中的体积比，V_M为在计算相应金属在吸收体混合物中的体积比，V_B4C为碳化硼在吸收体混合物中的体积比；

19.3V_W+2.2V_B4C>10     (2)

19.3V_W+2.2V_B4C>10     (3)

19.3V_W+2.2V_B4C>10     (4)

V_M+V_B4C=1             (5)

混合材料控制棒有两种布置方式，一种是所有材料均匀混合布置，另一种是不同材料分区非均匀布置，分区布置采用不同材料分层布置，均匀混合布置的优点是控制棒内功率分布相对均匀，不同材料分区非均匀布置的优点是碳化硼吸收体兼做中子吸收剂和慢化剂，高能中子通过慢化剂的慢化，更容易被中子吸收体吸收，碳化硼吸收体与重金属吸收体混合能降低重金属吸收体的选材要求；

在满足铅铋/铅冷却反应堆反应性控制能力和安全停堆的基础上，克服了传统的控制棒在铅铋和铅冷却剂环境中由于密度过小，而不能在事故状态下依靠重力下落和在反应堆换料操作时稳定停留在堆芯中的问题。安全停堆的计算采用蒙特卡罗粒子输运程序SuperMC，即通过对反应堆进行建模，模型的温度取反应堆实际运行的热态零功率状态，同时采用保守的方法，一根中子吸收能力最大的控制棒卡在堆顶不能下落，程序通过模拟粒子在反应堆内与材料的核反应和输运过程，得出反应堆的有效增殖系数k，有效增殖系数即为上一代反应堆的中子数除以下一代反应堆的中子数，反应堆的有效增殖系数与次临界度ρ的关系式为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{k-1}{k}---\left(6\right)$

当ρ满足反应堆设计的规定值时，达到安全停堆要求。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在满足铅铋和铅冷却反应堆反应性控制能力和安全停堆的基础上，克服了传统的控制棒在铅铋和铅冷却剂环境中由于密度过小，而不能在事故状态下依靠重力下落和在反应堆换料操作时稳定停留在堆芯中的问题，解决了传统的控制棒在铅铋和铅冷却剂环境中由于密度过小，而不能在事故状态下依靠重力下落和在反应堆换料操作时稳定停留在堆芯中的问题；且本发明结构简单、可靠、便于维修。

附图说明

图1为本发明的高密度吸收体形状为圆形的控制棒径向剖面图；

图2为本发明的高密度吸收体形状为正六边形的控制棒径向剖面图；

图3为本发明的高密度吸收体形状为长方形的控制棒径向剖面图；

图4为本发明的高密度吸收体形状为正方形的控制棒径向剖面图；

图5为本发明的高密度吸收体形状为十字形的控制棒径向剖面图；

图6为本发明的控制棒的轴向剖面图。

具体实施方式

如图1-6所示，本发明提出一种应用于铅铋和铅冷却反应堆的控制棒，包括高密度吸收体1（密度大于10g/cm³）、空隙2和包壳3；

高密度吸收体1，位于控制棒结构的中心，用于吸收中子，满足反应性控制和停堆要求；所述高吸收体1的尺寸取决于反应堆的设计要求，高密度吸收体1的密度大于铅铋和铅的密度，所述高密度吸收体1有两类实施方式，第一类为重金属吸收体，包括天然钨、天然铼或天然钽；第二类为重金属吸收体与碳化硼的混合物，包括钨与碳化硼的混合物、铼与碳化硼的混合物，钽与碳化硼的混合物，上述三种混合物中的碳化硼中的硼-10富集度不小于19.8%；所述钨和碳化硼的混合物中钨的体积比不小于45.6%；所述钽和碳化硼的混合物中钽的体积比不小于54.2%；所述铼和碳化硼的混合物中铼的体积比不小于41.5%，混合物吸收体中的保证所述的高密度吸收体密度比反应堆的冷却剂铅和铅铋大，同时能够满足反应堆的反应性控制要求；

所述空隙2里面是真空或填充惰性气体，位于高密度吸收体1的外围，厚度取决于反应堆的设计要求，高度与吸收体高度相同，防止包壳与控制棒直接接触产生摩擦；

所述包壳3包裹住空隙2，包壳3的厚度取决于反应堆的设计要求，包壳3的高度与高密度吸收体1的高度相同，目的是防止冷却剂与吸收体直接接触，高密度吸收体1、空隙2和包壳3三者之间无连接关系。

高密度吸收体1为长条形、截面形状有图1的圆形、图2的六边形、图3的长方形、图4的正方形或图5的十字形。

所述控制棒吸收体材料有钨、钽、铼、钨与碳化硼的混合物、钽与碳化硼的混合物、铼与碳化硼的混合物，钨和碳化硼的混合物中的钨体积比不小于45.6%，铼和碳化硼的混合物中的铼体积比不小于41.5%、钽和碳化硼的混合物中的钽体积比不小于54.2%。

重金属吸收体与碳化硼混合物作吸收体材料的混合材料控制棒中的高密度吸收体材料有两种布置方式，一种是所有吸收体材料均匀混合布置，另一种是不同吸收体材料分区非均匀布置，均匀混合布置的优点是控制棒内功率分布相对均匀，不同材料分区非均匀布置的优点是碳化硼吸收体兼做中子吸收剂和慢化剂，高能中子通过慢化剂的慢化，更容易被中子吸收体吸收，碳化硼吸收体与重金属吸收体混合能降低重金属吸收体的选材要求。

本发明适用于液态重金属冷却反应堆的控制棒，具体工作方式如下：

（1）反应堆停堆时：在反应堆停堆时，控制棒吸收体应在由于自身的重力克服铅铋冷却剂的浮力或在控制棒驱动机构的作用下克服铅铋冷却剂的浮力和绕流阻力置于反应堆堆芯之内，此时，高密度吸收体1置于堆芯内，用于吸收反应堆的裂变中子，使反应堆拥有一定的次临界度。

（2）反应堆启动时：控制棒在驱动机构的抓取下缓慢从堆芯底部往上提，置于堆芯的一定位置。

（3）反应堆正常工况时：控制棒置于堆芯的一定位置，随着反应堆的运行，燃耗深度的加深，控制棒缓慢提出堆芯，直至燃耗寿期末，控制棒提出堆芯。

（4）反应堆换料时：控制棒由于自身的重力克服重金属冷却剂的浮力和绕流阻力或在控制棒驱动机构的作用下克服重金属冷却剂的浮力和绕流阻力插入堆芯，使反应堆停堆，堆芯应处于一定的次临界度下；此时，控制棒抓取机构松开控制棒组件，为换料机构的转动腾出空间，控制棒此时仅在由于重力的作用下置于堆芯中，克服浮力与绕流阻力，使堆芯达到一定的次临界度。

（5）反应堆紧急停堆时：当出现事故工况反应堆需紧急停堆时，控制棒在控制棒自身的重力作用下，迅速插入堆芯，使反应堆快速进入此临界状态，若控制棒的自身重力不能使控制棒的下落速度达到快速停堆的要求，可以用压缩状态的弹簧给予控制棒初速度或在控制棒驱动机构上配重加大控制棒与冷却剂的密度差，增大控制棒下落的速度，快速插入堆芯，使反应堆处于次临界状态，保证反应堆的安全。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种用于液态重金属冷却反应堆的控制棒，其特征在于：包括高密度吸收体（1）、空隙（2）和包壳（3）；所述高密度吸收体（1）的密度大于10g/cm³；

所述高密度吸收体（1），位于控制棒结构的中心，用于吸收中子，满足反应性控制和停堆要求；所述高吸收体（1）的尺寸取决于反应堆的设计要求，高密度吸收体（1）的密度大于铅铋和铅的密度；所述高密度吸收体（1）有两类实施方式，第一类为重金属吸收体，包括天然钨、天然铼或天然钽；第二类为重金属吸收体与碳化硼的混合物，包括钨与碳化硼的混合物、铼与碳化硼的混合物，钽与碳化硼的混合物，上述三种混合物中的碳化硼中的硼-10富集度不小于19.8%；所述钨和碳化硼的混合物中钨的体积比不小于45.6%；所述钽和碳化硼的混合物中钽的体积比不小于54.2%；所述铼和碳化硼的混合物中铼的体积比不小于41.5%；

所述空隙（2）里面是真空或填充惰性气体，位于高密度吸收体的外围，厚度取决于反应堆的设计要求，高度与吸收体高度相同，防止包壳与控制棒直接接触产生摩擦；

所述包壳（3）包裹住空隙（2），包壳（3）的厚度取决于反应堆的设计要求，包壳（3）的高度与高密度吸收体（1）的高度相同，目的是防止冷却剂与吸收体直接接触，（1）高密度吸收体，（2）空隙，（3）包壳三者之间无连接关系。

2.根据权利要求1所述的一种用于液态重金属冷却反应堆的控制棒，其特征在于：所述高密度吸收体（1）为长条形、截面形状有圆形、六边形、长方形、正方形或十字形。

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