CN103971760A - 控制棒包壳管、控制棒组件及控制棒缓冲结构 - Google Patents

控制棒包壳管、控制棒组件及控制棒缓冲结构 Download PDF

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刘博�
陈晓明
李长征
林少芳
王军
杨建伟
李锐
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Abstract

本发明公开了一种控制棒包壳管、控制棒组件和控制棒缓冲结构，所述控制棒包壳管沿轴向穿设有通孔；其特征在于，所述控制棒包壳管包括缓冲段、过渡段和插入段，所述过渡段位于所述缓冲段与所述插入段之间；所述缓冲段的外径大于所述插入段的外径，且所述过渡段的外径由所述缓冲段向所述插入段逐渐缩径；本发明将控制棒包壳管设置为具有不同外径的缓冲段和插入段，以及逐渐缩径的过渡段，从而增加了插入段与导向管之间的径向间隙，降低了控制棒组件不能正常下落的风险，提高了核电站的安全性；增加了控制棒组件的机械强度，延长了控制棒组件的使用寿命；简化了加工工艺，节约了加工及运行成本。

Description

控制棒包壳管、控制棒组件及控制棒缓冲结构
技术领域
本发明涉及核电站反应堆设备，尤其涉及控制棒包壳管、控制棒组件及控制棒缓冲结构。
背景技术
在压水堆堆芯中使用反应性控制棒束组件进行快速的反应性控制，目前，国外、国内压水堆中使用的反应性控制棒束组件一般由若干根控制棒组件和上部连接部件组成。如图1所示，图1是现有技术中控制棒组件缓冲结构示意图；而每个控制棒组件又由等壁厚包壳管1、上端塞2、下端塞3、吸收体4和吸收体4压紧弹簧5等组成。在反应堆紧急停堆过程中，反应性控制棒束组件连同其驱动杆自由下落，在其下落行程的末端中需要对反应性控制棒束组件进行缓冲减速，以降低反应性控制棒束组件对燃料组件的冲击力。目前，如图1所示，通常在压水堆控制组件的导向管6下部采用缩内径的缓冲设计，在控制棒组件进入此过渡段后，控制棒组件下端与导向管6的径向间隙减小，进而使过渡段内的水压增大，对控制棒组件产生向上的缓冲力。但是，压水堆控制棒组件的通常设计的不足之处在于：其下端在堆芯内接近活性区，承受较大的中子辐照，由于辐照肿胀的作用会使控制棒组件下端外径增大，在其寿期末，使控制棒组件下端与导向管6的径向间隙过小，进而存在增加反应性控制棒束组件的下落时间或者不能正常下落的风险。另外，反应性控制棒束组件也可通过步进动作进行反应性控制，在步进过程中，包壳管1与上端塞2的焊接处承受大的拉或压应力，机械强度设计裕量较小；同时反应性控制组件在堆内长期承受流致振动的影响，使包壳管1上端、包壳管1与上端塞2的焊接处有微振磨蚀及振动疲劳失效的风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种可以降低控制棒组件不能正常下落风险的控制棒包壳管、控制棒组件以及控制棒缓冲结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种控制棒包壳管，沿轴向穿设有通孔，所述控制棒包壳管包括缓冲段、过渡段和插入段，所述过渡段位于所述缓冲段与所述插入段之间；所述缓冲段的外径大于所述插入段的外径，且所述过渡段的外径由所述缓冲段向所述插入段逐渐缩径。
优选地，所述过渡段为圆台，所述缓冲段与所述插入段均为与所述过渡段同轴的圆柱体。
优选地，所述通孔为圆柱孔，且所述通孔与所述过渡段、所述缓冲段及所述插入段同轴。
本发明还提供一种控制棒组件，包括上述的控制棒包壳管，还包括连接于所述缓冲段一端的上端塞、连接于所述插入段上远离所述缓冲段一端的下端塞、与所述通孔适配的吸收体、设置于所述吸收体与所述上端塞之间的压紧装置，所述压紧装置及所述吸收体均位于所述通孔中，所述压紧装置将所述吸收体压紧在所述下端塞上。
优选地，所述上端塞包括第一主体及连接于所述第一主体的第一连接部；所述第一连接部对应于所述缓冲段上所述通孔的一端后，所述第一主体连接于所述第一连接部的端面抵接于所述缓冲段连接于所述上端塞。
优选地，所述下端塞包括第二主体及连接于所述第二主体的第二连接部；所述第二连接部插入对应的所述插入段上的所述通孔的一端后，所述第二主体连接于所述第二连接部的端面抵接于所述插入段连接于所述下端塞的端面。
优选地，所述第一主体与所述缓冲段之间、所述第二主体与所述插入段之间的连接方式为焊接。
本发明还提供一种控制棒缓冲结构，包括上述的控制棒组件；还包括导向管，所述导向管上设有与所述控制棒组件适配的容置部；所述容置部顶端设有入口，所述导向管底端设有与所述容置部相通的缓冲口；所述控制棒组件落入所述容置部时，所述缓冲段和所述过渡段使得所述控制棒组件在下落过程中，导向管内的冷却剂对所述过渡段和所述下端塞产生连续的向上的缓冲力。
优选地，所述导向管为圆柱体，所述容置部为与所述导向管同轴的圆柱孔。
优选地，所述导向管的侧壁设有排水孔。
实施本发明具有以下有益效果：
本发明将控制棒包壳管设置为具有不同外径的缓冲段和插入段，以及逐渐缩径的过渡段，从而增加了插入段与导向管之间的径向间隙，降低了控制棒组件不能正常下落的风险，提高了核电站的安全性；增加了控制棒组件的机械强度，延长了控制棒组件的使用寿命；简化了加工工艺，节约了加工及运行成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术中控制棒组件缓冲结构示意图；
图2是本发明控制棒包壳管一实施例的结构示意图；
图3是本发明控制棒组件一实施例的结构示意图；
图4是本发明控制棒缓冲结构的结构示意图；
图5是图4中A部的局部放大图；
图6是本发明多个控制棒组件与连接部件的结构示意图。
具体实施方式
本发明针对现有技术中控制棒组件寿命末期时，控制棒组件与导向管之间的间隙变小导致的控制棒组件不能正常下落或下落时间长，连接处产生微振磨蚀及振动疲劳等缺陷的问题提供一种控制棒包壳管、控制棒组件及控制棒缓冲结构；控制棒包壳管采用了外部变径的结构，降低了现有技术中控制棒组件不能正常下落的风险，提高了核电站运行的安全性。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。如图2所示，图2所示的是本发明控制棒包壳管一实施例的结构示意图，本发明提供了一种控制棒包壳管，控制棒包壳管10沿轴向穿设有通孔101；控制棒包壳管10还包括缓冲段102、过渡段104和插入段103，过渡段104位于缓冲段102与插入段103之间，缓冲段102的外径大于插入段103的外径，过渡段104的外径由缓冲段102向插入段103的方向逐渐缩径。如图2所示，控制棒包壳管10的长度为L，缓冲段102的长度为L1，过渡段104的长度为L3，插入段103的长度为L2，L＝L1+L2+L3；过渡段104与缓冲段102之间有夹角a，缓冲段102和过渡段104用于提高控制棒包壳管10的缓冲性能；作为优选，a的取值范围为大于0度小于90度；但是，本发明并不限定于a的取值为上述范围，只要能达到提高控制棒包壳管10的缓冲性能即可，比如，若过渡段104的长度L3为零，则缓冲段102和插入段103直接连接，此时可以认为夹角a的取值为90度。
本实施例控制棒包壳管10缓冲段102的外径大于插入段103的外径，过渡段104的外径由缓冲段102向插入段103的方向逐渐缩径；由于控制棒包壳管10的缓冲段102的外径设计为大于插入段103的外径，因此缓冲段102的外径与导向管80的内壁之间的间隙减小，增大了缓冲段102的缓冲阻力，提高了缓冲性能；同时插入段103的外径与导向管80的内壁之间的间隙增加，防止了在下落过程中由于插入段103的外径过大，从而阻碍控制棒组件正常下落的情况出现；并且，过渡段104的外径缩径设计，使得在下落过程中，导向管80内的冷却剂对过渡段104产生连续的向上的缓冲力，增强了控制棒组件下落时的缓冲性能，提高了核电站运行的安全性。
进一步地，如图2所示，过渡段104为圆台，缓冲段102与插入段103均为与过渡段104同轴的圆柱体同时通孔101为圆柱孔，且通孔101与缓冲段102、过渡段104和插入段103同轴。也即，缓冲段102、过渡段104与插入段103内径均相等，以便于设置于通孔101中的部件可以上下滑动。
本发明还提供了一种控制棒组件，如图3所示，图3是本发明控制棒组件一实施例的结构示意图，控制棒组件70包括控制棒包壳管10，还包括连接于缓冲段102一端的上端塞20，连接于插入段103远离缓冲段102一端的的下端塞30，与通孔101适配的吸收体40，设置于吸收体40和上端塞20之间的压紧装置50，吸收体40和压紧装置50均位于通孔101内，压紧装置50将吸收体40压紧在下端塞30上。作为优选，压紧装置50为压紧弹簧，但在本发明中，压紧装置并不仅限于压紧弹簧，只要能达到将吸收体40压紧在下端塞30上的效果即可。
本实施例控制棒组件70中，由于控制棒包壳管10的缓冲段102的外径设计为大于插入段103的外径，因此缓冲段102的外径与导向管80的内壁之间的间隙减小，增大了缓冲段102的缓冲阻力，提高了缓冲性能；同时插入段103的外径与导向管80的内壁之间的间隙增加，防止了在下落过程中由于插入段103的外径过大，从而阻碍控制棒组件正常下落的情况出现；并且，过渡段104的外径缩径设计，使得在下落过程中，导向管80内的冷却剂对过渡段104产生连续的向上的缓冲力，增强了控制棒组件下落时的缓冲性能；提高了核电站运行的安全性。
进一步地，如图3所示，上端塞20包括第一主体201及连接于第一主体201的第一连接部202，第一主体201的外径与缓冲段102的外径相等，均为D2；第一连接部202插入对应通孔101的一端后，第一主体201连接于第一连接部202的端面抵接于缓冲段102连接于上端塞20的端面。在本实施例中第一主体201与控制棒包壳管10之间的连接方式为焊接，第一主体201与缓冲段102之间的焊接深度为(D2-D3)/2，由于缓冲段102的外径D2大于插入段103的外径D1，因此第一主体201的外径D2同样大于插入段103，该设计增强了上端塞20与控制棒包壳管10的焊接强度，降低了控制棒包壳管10、控制棒包壳管10与上端塞20的焊接处因拉压应力过大或振动疲劳而断裂的风险，增加了核电机组运行的安全性；但在本发明中，第一主体201与缓冲段102之间的焊接深度并不局限于此实施例的焊接深度，在符合生产要求和安全的情况下也可根据具体情况调整焊接深度。同时，由于缓冲段102的壁厚的增加，上端塞20与控制棒包壳管10的连接强度也相应增强，进而降低了第一主体201与缓冲段102的连接处因拉压应力过大、微振磨蚀及振动疲劳而断裂的危险，增加了核电机组运行的安全性。
进一步地，如图3所示，下端塞30包括第二主体301及连接于第二主体301的第二连接部302；第二连接部302插入对应于插入段103上的通孔101的一端后，第二主体301连接于第二连接部302的端面抵接于插入段103连接于下端塞30的端面。在本实施例中第二主体301与插入段103之间的连接方式为焊接，第二主体301的外径与插入段103的外径相等，均为D1；且第二主体301与插入段103的焊接深度为(D1-D3)/2，由于插入段103的外径D1设计小于缓冲段102，且第二主体301的外径与插入段103的外径相等，因此第二主体301的外径D1同样小于缓冲段102，该设计使得插入段103以及连接于插入段103的下端塞30的外径与导向管80的内壁之间的间隙增加，防止了在控制棒组件下落过程中由于插入段103以及下端塞30的外径过大，从而阻碍控制棒组件正常下落的情况出现，增加了核电机组运行的安全性。本发明中，上端塞20与下端塞30在与控制棒包壳管10连接后使得通孔101内形成一个封闭的空间，以容纳放置于其内部的吸收40及压紧装置50。同时，如图6所示，图6是本发明多个控制棒组件与连接部件的结构示意图，各控制棒组件的上端塞20与连接部件60的连接端子连接，本发明中，连接部件并不局限于图示的形状，只要能达到连接各控制棒组件，并通过连接部件60来控制各控制棒组件的集体上升和下降即可。
本发明还提供一种控制棒缓冲结构。如图4及图5所示，图4是本发明控制棒缓冲结构的结构示意图，图5是图4中A部的局部放大图，控制棒缓冲结构包括控制棒组件70，还包括导向管80，导向管80设有与控制棒组件70适配的容置部801，如图4及图5所示，导向管80的内径D4大于缓冲段102的外径D2，容置部801顶端设有入口8011，导向管80底端设有与容置部801相通的缓冲口8012；控制棒组件70通过入口8011进入于导向管80的容置部801。
本实施例中，控制棒组件70的控制棒包壳管10的缓冲段102的外径设计为大于插入段103的外径，因此缓冲段102的外径与导向管80的内壁之间的间隙减小，增大了缓冲段102的缓冲阻力，提高了缓冲性能；同时插入段103的外径与导向管80的内壁之间的间隙增加，防止了在下落过程中由于插入段103的外径过大，从而阻碍控制棒组件正常下落的情况出现，由于插入段103与导向管80内壁的径向间隙增加，给控制棒组件70的辐照肿胀以更大的径向空间，在不影响控制棒组件70的使用的情况下延长了其使用寿命，降低了核电机组的运行成本；并且，过渡段104的外径缩径设计，使得在下落过程中，导向管80内的冷却剂对过渡段104产生连续向上的缓冲力，增强了控制棒组件下落时的缓冲性能；提高了核电站运行的安全性。
进一步地，如图4及图5所示，导向管80为圆柱体，容置部801为与导向管10同轴的圆柱孔。也即，导向管80为等壁厚的圆柱套筒，区别于现有技术中的变径设计，其加工方式简化，降低了生产成本。
进一步地，导向管80的侧壁还设有排水孔802，本实施例中，排水孔802为相对设置于导向管80上的两通孔，且排水孔802沿导向管80的径向设计，穿过导向管80的轴心；但是在本发明中，排水孔80并不限定于为本实施例中所示的数量及形状，只要能达到排水的效果即可。本发明通过控制棒包壳管10外径的变化使得缓冲段102与导向管80之间的径向间隙减小，使得导向管80内冷却剂对控制棒组件产生向上的缓冲力，而且本实施例中的导向管80内部下端不再使用缩径段，使得插入段103与导向管80之间的径向间隙增加，给控制棒组件插入段的辐照肿胀以更大的径向空间，延长了控制棒组件的使用寿命，降低了核电机组的运行成本；同时，通过增加控制棒包壳管10上端缓冲段102的壁厚，进而增强了上端塞20与控制棒包壳管10的连接强度，降低了其连接处因拉压应力过大、微振磨蚀及振动疲劳而断裂的危险，增加了核电机组运行的安全性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种控制棒包壳管，沿轴向穿设有通孔(101)；其特征在于，所述控制棒包壳管包括缓冲段(102)、过渡段(104)和插入段(103)，所述过渡段(104)位于所述缓冲段(102)与所述过渡段(104)之间；所述缓冲段(102)的外径大于所述插入段(103)的外径，且所述过渡段(104)的外径由所述缓冲段(102)向所述插入段(103)逐渐缩径。
2.根据权利要求1所述的控制棒包壳管，其特征在于，所述过渡段(104)为圆台，所述缓冲段(102)与所述插入段(103)均为与所述过渡段(104)同轴的圆柱体。
3.根据权利要求1所述的控制棒包壳管，其特征在于，所述通孔(101)为圆柱孔，且所述通孔(101)与所述过渡段(104)、所述缓冲段(102)及所述插入段(103)同轴。
4.一种控制棒组件，其特征在于，包括权利要求1至3任一项所述的控制棒包壳管，还包括连接于所述缓冲段(102)一端的上端塞(20)、连接于所述插入段(103)上远离所述缓冲段(102)一端的下端塞(30)、与所述通孔(101)适配的吸收体(40)、设置于所述吸收体(40)与所述上端塞(20)之间的压紧装置(50)，所述压紧装置(50)及所述吸收体(40)均位于所述通孔(101)中，所述压紧装置(50)将所述吸收体(40)压紧在所述下端塞(30)上。
5.根据权利要求4所述的控制棒组件，其特征在于，所述上端塞(20)包括第一主体(201)及连接于所述第一主体(201)的第一连接部(202)；所述第一连接部(202)插入对应于所述缓冲段(102)上所述通孔(101)的一端后，所述第一主体(201)连接于所述第一连接部(202)的端面抵接于所述缓冲段(102)连接于所述上端塞(20)的端面。
6.根据权利要求5所述的控制棒组件，其特征在于，所述下端塞(30)包括第二主体(301)及连接于所述第二主体(301)的第二连接部(302)；所述第二连接部(302)插入对应的所述插入段(103)上的所述通孔(101)的一端后，所述第二主体(301)连接于所述第二连接部(302)的端面抵接于所述插入段(103)连接于所述下端塞(30)的端面。
7.根据权利要求6所述的控制棒组件，其特征在于，所述第一主体(201)与所述缓冲段(102)之间、所述第二主体(301)与所述插入段(103)之间的连接方式为焊接。
8.一种控制棒缓冲结构，其特征在于，包括权利要求4至7任一项所述的控制棒组件；还包括导向管(80)，所述导向管(80)上设有与所述控制棒组件适配的容置部(801)；所述容置部(801)顶端设有入口(8011)，所述导向管(80)底端设有与所述容置部(801)相通的缓冲口(8012)；所述控制棒组件落入所述容置部(801)时，所述缓冲段(102)和所述过渡段(104)使得所述控制棒组件在下落过程中，导向管(80)内的冷却剂对所述过渡段(104)和所述下端塞(30)产生连续的向上的缓冲力。
9.根据权利要求8所述的控制棒缓冲结构，其特征在于，所述导向管(80)为圆柱体，所述容置部(801)为与所述导向管(10)同轴的圆柱孔。
10.根据权利要求8所述的控制棒缓冲结构，其特征在于，所述导向管(80)的侧壁设有排水孔(802)。
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