CN103778972B - 一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件，属于核反应堆领域，用于控制重金属冷却反应堆的反应性，控制棒是控制棒组件的一部分，与燃料组件一起插入反应堆的芯部，控制反应性。这种控制棒包括：控制棒组件导向管（1），冷却剂通道（2），控制棒包壳（3），空隙（4），慢化剂棒（5）和重金属吸收体棒（6），本发明中提出的控制棒在满足重金属却反应堆反应性控制能力基础上，克服了传统的控制棒材料密度低于冷却剂，在快中子能谱下中子吸收能力弱的问题，本发明结构简单、可靠、便于维修。
Description
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，具体涉及一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件。
背景技术
通过控制棒的吸收体的移动来控制反应性是现有反应堆反应性控制的一种方式，当进入反应堆堆芯区域的控制棒吸收体体积较多时，堆芯中被控制棒吸收的中子数量增多，反应性下降，当控制棒吸收体进入反应堆堆芯区域的控制棒吸收体体积较少时，堆芯中被控制棒吸收的中子数量减小，反应性上升。在重金属冷却反应堆中，中子能谱高，冷却剂密度大(例如铅铋反应堆中的冷却剂铅铋密度大于10g/cm3)，现有的反应堆的控制棒吸收体材料如B4C和银-铟-镉，这些中子吸收体材料由于密度小于重金属冷却剂，导致控制棒组件的密度小于重金属冷却剂，如果控制棒组件的密度小于重金属冷却剂的密度，将会给反应堆带来安全问题，因此不适宜在重金属吸收体反应堆中使用。而最新的控制棒材料如重金属吸收体材料如钨，钽，铼虽然重金属吸收截面较高，但是由于对高能中子吸收截面小，难以满足重金属冷却反应堆的要求。
在俄罗斯的钠快堆中，为了解决吸收体在高能区吸收截面低的问题，采用慢化剂与B4C等吸收体混合，大大加大了控制棒对快堆快中子的吸收效率。
在法国超凤凰快堆上采用了轴向分区的控制棒，控制棒的中间段为强吸收体，两端为弱吸收体，因为控制棒两端对控制棒总的积分价值和微分价值的影响不大，这样可以减少对强吸收体的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件，解决吸收体材料在快中子区域的吸收截面低，重金属冷却反应堆的密度比控制棒组件大的问题。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件，包括控制棒导向管，用于隔离开控制棒与堆芯作为控制棒组件上下运动的通道；冷却剂通道，边界由包壳与控制棒内套管组成，冷却剂从通道中流过，带走吸收体和慢化剂在于中子的反应过程中产生的热量；控制棒包壳，隔离开冷却剂与吸收体棒，防止冷却剂与吸收体棒和慢化剂棒直接接触，起着支撑吸收体棒和慢化剂棒的作用；空隙，用于隔离开吸收体棒或与控制棒与包壳，防止其直接接触；慢化剂棒，慢化剂棒的材料为氢化物，材料为在0℃至1000℃时为固体的氢化物，用于慢化反应堆的中子，增加吸收体吸收中子的概率，高度取决于反应堆的设计要求；高密度的重金属吸收体棒，吸收反应堆的中子，控制反应性，高度取决于反应堆的设计要求，其中由慢化剂棒与高密度的重金属吸收体棒组成的控制棒的吸收体区的平均密度必须大于相同工况下的冷却剂密度；
其中，慢化剂棒与高密度的重金属吸收体棒的布置可以有多种实施方案，慢化剂棒可以布置在内区，外区，或者慢化剂棒与高密度的重金属吸收体棒交替混合布置；
其中，慢化剂棒有两种实施方案，第一种方案为纯慢化剂组成的慢化剂棒，第二种方案为慢化剂棒轴向分区，慢化剂棒的中部为慢化剂区，高度占吸收体棒总长的0％到100％，慢化剂棒的上端和下端用重金属吸收体代替，为重金属吸收体区，高度占吸收体棒总长度的0到50％。
本发明与现有技术相比的优点为：本发明一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件采用了重金属吸收体与慢化剂组合，并且对控制棒的慢化剂棒采用了轴向分区的设置，增加了控制棒组件的密度，并且增加了控制棒组件对快中子的吸收能力。
附图说明
图1为带轴向分区慢化剂棒与重金属吸收体棒的控制棒组件横截面示意图；
图2为带轴向分区慢化剂棒与重金属吸收体棒的控制棒组件轴向剖面示意图；
图3为轴向两端不同高度的弱吸收体对控制棒积分价值的影响。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
本发明一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件，包括控制棒导向管，冷却剂通道，包壳，空隙，慢化剂棒，吸收体棒。采用轴向分区的慢化剂棒与重金属吸收体棒结合，同时解决重金属冷却反应堆中的反应性控制与控制棒材料的密度比冷却剂低的问题。
如图1和2所示，本发明一种带轴向分区慢化剂棒与吸收体棒的控制棒组件，包括控制棒导向管1，用于隔离开控制棒与堆芯作为控制棒组件上下运动的通道；冷却剂通道2，边界由包壳与控制棒内套管组成，冷却剂从通道中流过，带走吸收体和慢化剂在于中子的反应过程中产生的热量；控制棒包壳3，隔离开冷却剂与吸收体棒，防止冷却剂与吸收体棒和慢化剂棒直接接触，起着支撑吸收体棒和慢化剂棒的作用；空隙4，用于隔离开吸收体棒或与控制棒与包壳，防止其直接接触；慢化剂棒5，慢化剂棒的材料为氢化物，材料为在0℃至1000℃时为固体的氢化物，用于慢化反应堆的中子，增加吸收体吸收中子的概率，高度取决于反应堆的设计要求；高密度的重金属吸收体棒6，吸收反应堆的中子，控制反应性，高度取决于反应堆的设计要求，其中由慢化剂棒5与高密度的重金属吸收体棒6组成的控制棒的吸收体区的平均密度必须大于相同工况下的冷却剂密度；所述的一种带轴向分区慢化剂棒与吸收体棒的控制棒组件，慢化剂与高密度吸收体棒的布置可以有多种实施方案，慢化剂棒可以布置在内区，外区，或者慢化剂棒与吸收体棒交替混合布置。
所述的一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件，慢化剂棒有两种实施方案，第一种方案为纯慢化剂棒，用于慢化反应堆的中子，增加吸收体对中子的吸收能力，第二种方案为慢化剂棒轴向分区，慢化剂棒的中部为慢化剂区，高度占吸收体棒总长的0％到100％，上端和下端用重金属吸收体代替，为重金属吸收体区，高度占吸收体棒总长度的0到50％，因为控制棒组件的上端和下端对控制棒的积分价值的影响很小，例如图3所示，吸收体棒总长度为86cm，吸收体棒的中间段采用纯重金属吸收体，上端和下端采用弱吸收体，当上下两端的弱吸收体长度为10cm时，所占长度超过吸收体棒总长度的23％，但是控制棒的积分价值只减小了不到5％。因此，如果慢化剂棒采用轴向分区的策略，控制棒组件的中间段为慢化剂与重金属吸收体，中子吸收能力很强，而上下两端部分为纯重金属吸收体区，中子吸收能力较弱，这样不致于明显的减小控制棒的积分价值，而大大增加了控制棒的密度。
本发明一种应用于铅铋冷却反应堆的控制棒具体工作方式如下：
反应堆停堆时：
在反应堆停堆时，控制棒组件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，使反应堆拥有一定的次临界度。
反应堆启动时：
控制棒组件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。
反应堆正常工况时：
控制棒组件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。
反应堆停堆时：
控制棒组件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，使堆芯保持一定的次临界度。
反应堆换料时：
控制棒组件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。
反应堆紧急停堆时：
当出现事故工况反应堆需紧急停堆时，控制棒组件在控制棒自身的重力和驱动系统的非能动的作用下，在规定时间内落入反应堆的芯部。
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)
1.一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件，其特征在于：包括控制棒导向管(1)，作为控制棒组件上下运动的通道；冷却剂通道(2)，边界由包壳与控制棒内套管组成，冷却剂从通道中流过，带走吸收体和慢化剂在于中子的反应过程中产生的热量；控制棒包壳(3)，隔离开冷却剂与吸收体棒，防止冷却剂与吸收体棒和慢化剂直接接触，起着支撑吸收体棒和慢化剂棒的作用；空隙(4)，用于隔离开吸收体棒与控制棒包壳，防止其直接接触；慢化剂棒(5)，慢化剂棒的材料为在0℃至1000℃时为固体的氢化物，用于慢化反应堆的中子，增加吸收体吸收中子的概率，慢化剂棒采用轴向分区，慢化剂棒的上端和下端用高密度重金属吸收体代替，其目的是以较小的控制棒价值下降的代价换取控制棒密度的大幅增加，控制棒中上端高密度重金属吸收体，下端高密度重金属吸收体，中间慢化剂之间的长度比例取决于反应堆的设计要求；高密度的重金属吸收体棒(6)，吸收反应堆的中子，控制反应性，其中由慢化剂棒(5)与高密度的重金属吸收体棒(6)组成的控制棒的吸收体区的平均密度必须大于相同工况下的冷却剂密度。
2.根据权利要求1所述的一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件，其特征在于：慢化剂棒(5)与高密度的重金属吸收体棒(6)的布置能够有三种实施方案：慢化剂棒(5)可以布置在控制棒组件的中央区域，外围区域，慢化剂棒(5)与高密度的重金属吸收体棒(6)交替混合布置。
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