CN104094359A - 用于将吸收构件和/或缓和剂触发和插入到核反应堆的裂变区域中的装置以及包括该装置的核燃料组件 - Google Patents

用于将吸收构件和/或缓和剂触发和插入到核反应堆的裂变区域中的装置以及包括该装置的核燃料组件 Download PDF

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Abstract

一种用于对中子吸收剂和/或缓和剂(2)进行触发并将其插入到核反应堆的裂变区域中的系统，该触发和插入系统将被安装在有冷却剂循环的核燃料组件中，所述系统包括：装配有用于将吸收剂(2)固定在非插入位置的器件(11)的容舱(10)；形成用于锁定保持器件(11)的器件的止挡表面(24)；以及形成用于释放吸收剂的器件的推力表面(26)，所述两个表面被控制头部(18)支撑。在冷却剂温度升高的作用下，筒夹(19)相对于容舱(10)不均匀地纵向膨胀并且使所述表面(24，26)运动，使得在正常的反应堆运行温度下止挡表面远离保持器件，并且使得在阈值温度下推力表面(26)使吸收剂释放。

Description

用于将吸收构件和/或缓和剂触发和插入到核反应堆的裂变区域中的装置以及包括该装置的核燃料组件
技术领域
本发明涉及一种用于至少一个待被插入的元件的独立的触发和插入装置。待被插入的元件可以仅为总体的堆芯熔化的情况下的吸收材料和/或缓和剂。缓和剂为能够与形成组件中的核燃料棒的包壳的材料形成具有低熔点的共晶体的材料，并且缓和剂防止栓塞的形成，栓塞会妨碍熔化堆芯的排空或对核反应堆的堆芯中的堆芯熔体和/或缓和剂的吸收。
该独立的触发和插入装置尤其用于钠冷却式快反应堆(SFR)以及包括该装置的核燃料组件。
背景技术
为了控制反应堆的堆芯活性并且限制反应堆出故障的后果，计划将包括中子吸收材料的元件插入到核反应堆中。在正常运行期间，这些元件可以为悬吊于堆芯上方的控制棒的形式。当检测到需要降低反应堆的反应性时，将吸收元件插入到裂变区域中。
例如，反应堆故障可以是反应堆冷却系统中的问题(例如在钠冷却式反应堆的情况下，初级冷却系统中由于泵的关闭减慢了液态钠的循环)。反应堆故障可以是散热器的失效，即，通过反应堆冷却剂系统提取的热量不再被适当地疏散。
如果没有被引入的负反应性，这些故障会导致反应堆堆芯温度升高，反应堆堆芯温度升高会引起一个或数个组件的熔化，或甚至总体的堆芯熔化，总体的堆芯熔化会导致反应堆完整性丧失。
将吸收元件插入到堆芯中的目的是抑制中子反应并且针对所考虑的故障将反应堆堆芯稳定在所选择的、满足可接受的标准的温度下。
此外，提供有若干重复、互异并且独立的关闭系统以便保持反应堆控制的最大安全性并且补偿共有的模式缺陷。
过去在SFR反应堆中使用的关闭系统(即，传统的关闭系统)基于有源装置，也就是说吸收元件的插入通过外部电动控制触发或通过电信号的消失触发。
对下一代的SFR反应堆而言，计划在常规关闭系统失效的情况下添加新的关闭系统；因此，该“紧急”关闭系统中的装置一定不能在常规关闭系统之前被触发。基于设备的多样化的逻辑并且为了消除电动仪器、控制和逻辑系统失效的风险，考虑使用被动装置，也就是说吸收元件的插入伴随物理现象而不是电动控制被直接触发。例如，可以设想对流量变化或温度升高敏感的触发器件。这些被动装置已经被详细地研究，但从未在反应堆中被使用。
文献EP 0 392 991公开了一种用于将控制棒自动插入到反应堆中的机构，该机构包括对温度变化敏感的系统(在下文中称作“温度传感器”)以及将控制棒保持在悬吊于燃料元件上方的适当位置的器件。该保持器件包括安装成在反应堆的刚性部分上自由枢转的钩部以及铰接在钩部上并铰接在“温度传感器”上的枢转元件。温度升高增大了“温度传感器”的长度，这引起了枢转元件旋转并且引起钩部的枢转，从而将控制棒释放，控制棒于是在重力作用下落下到燃料元件之间。
首先，该机构包括若干彼此铰接的部件，因此增加了楔咬(例如通过卡咬)的风险，这无益于提高控制棒被触发的可靠性。此外，在旋转铰链处必须设置间隙。因此存在控制棒被意外插入的风险，例如在操控期间钩部能够在震动或振动的作用下充分枢转。
因而，将理解的是应当提高触发的可靠性和不进行触发的可靠性。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种被动式触发和插入装置，该被动式触发和插入装置在堆芯的异常运行导致温度升高超出给定阈值的情况下具有极好的操作可靠性，在异常运行期间吸收元件和/或缓和元件被自动插入，并且还在正常运行期间防止了吸收和/或缓和元件的意外插入。
上述目的通过使用由吸收元件和/或缓和元件组成的待被插入的组件的触发和插入装置而实现，该触发和插入装置包括把待被插入的组件悬吊于插入区域上方的器件、锁定悬吊器件的器件、释放待被插入的组件的器件、以及锁定待被插入的组件的保持器件并且通过简单的运动来解锁和释放待被插入的组件的部件。
根据本发明的触发和插入装置使得防止了待被插入的组件意外落下(如果冷却剂的温度没有超过给定阈值则防止待被插入的组件释放)。
根据本发明的触发和插入装置的设计简单并且非常牢固，显著减小了故障风险。
特别有利地，该触发和插入装置被置于核燃料组件的上部部分，优选地近似位于组件轴线上。实际上，与从标准燃料组件流出的液流等同的、从装载燃料组件的燃料束流出的整体液流随后流经触发和插入装置，这改善了该装置的触发精度和可靠性以及待被插入的组件的释放。
优选地，待被插入的组件容置在容舱中，容舱的顶部部分装配有根据本发明的触发和插入装置。
优选地，形成了不仅包含量核燃料而且包含待被插入的组件的装载组件，组件的插入由根据本发明的装置控制，该装置布置在装载组件的顶部部分。与专用于吸收剂和/或缓和剂的特殊用途组件的情况相比，插入被更快速和更精确地触发，因为燃料组件的冷却剂供给流量远高于吸收组件的冷却剂供给流量。
因此，本发明的主题是一种触发和插入装置，所述触发和插入装置用于待被插入到有冷却剂循环的核反应堆的裂变区域中的组件，所述触发和插入装置具有大致竖直的纵向轴线，所述触发和插入装置包括纵向固定部分(10)和纵向可动部分，所述固定部分包括将所述待被插入的组件保持在悬吊于所述裂变区域上方的适当位置的器件，所述待被插入的组件在所述可动部分的作用下可被释放，所述可动部分包括锁定器件、将所述待被插入的组件保持在悬吊位置的器件和使所述待被插入的组件从所述保持器件释放的器件，所述锁定器件由至少一个称作止挡表面的第一表面形成，并且释放所述待被插入的组件的器件由至少一个称作释放表面的第二表面形成，以及使所述止挡表面(24)和释放表面沿着所述纵向轴线移位的器件，所述移位器件由壳层形成，所述壳层能够在冷却剂温度升高的作用下相对于所述固定部分不均匀地纵向膨胀，所述止挡表面和所述释放表面被布置成：当冷却剂温度升高时，使得所述止挡表面轴向地远离所述保持器件并且所述释放表面轴向地靠近所述保持器件；当冷却剂在正常的反应堆运行温度下时使所述止挡表面远离所述保持器件，进而使得所述保持器件不被解锁；并且当冷却剂的温度超过阈值温度时，所述释放表面在所述保持器件上施加推力，使得所述待被插入的组件被释放。
例如，所述保持器件包括至少两个销，优选地包括三个销，所述销绕所述纵向轴线分布并且安装成可旋转地铰接在所述固定部分上，以便运动到靠近所述纵向轴线的位置以将所述待被插入的组件保持在所述销之间，并且运动到所述待被插入的组件被释放的、距所述纵向轴线一定距离的位置。
所述止挡表面可以为布置在所述销的径向外侧以便在锁定位置时防止所述销远离所述纵向轴线的表面。所述释放表面可以为垂直于所述纵向轴线的表面，并且所述销可以包括凸轮表面，所述释放表面与所述凸轮表面进行配合以使所述销以远离所述纵向轴线的方式枢转。
根据另一特征，所述固定部分可以包括至少一个与所述纵向轴线同轴的大致管状的部分，并且所述待被插入的组件将被悬吊于所述大致管状的部分的内部，所述大致管状的部分被布置在所述可动部分内部，所述销的旋转铰链由所述大致管状的部分的外表面支撑，所述大致管状的部分包括孔，所述销穿过所述孔，所述销的自由端部朝向所述管状部分的内部伸出。例如，所述可动部分可以包括支撑所述释放表面和锁定表面的控制头部，所述控制头部由所述壳层延伸出，所述壳层通过所述固定部分上的与连接到所述控制头部的纵向端部相对的纵向端部来固定。
例如，所述壳层由奥氏体钢制成并且所述固定部分由钨基合金制成。所述壳层可以由Z10CNDT 15.15B钢制成并且所述固定部分可以由W-5Re制成。
根据另一特征，在所述壳层与所述固定部分之间设置有径向间隙，以便在所述壳层与所述固定部分之间限定出冷却剂循环通道，所述壳层包括用于使冷却剂在所述通道中循环的孔口。
本发明的另一主题是一种触发和插入系统，所述触发和插入系统包括根据本发明的触发和插入装置、形成了所述固定部分的具有纵向轴线的容舱以及中子吸收剂，所述容舱包括具有纵向轴线的管状体和夹持头，所述待被插入的组件容纳在所述管状体中，所述系统能够通过所述夹持头被夹持，所述触发和插入装置沿着冷却剂的流动方向被布置在所述夹持头的上游侧。
优选地，所述容舱的下部部分包括冷却剂供给孔口。
在一个示例性实施例中，所述中子吸收剂的纵向尺寸不超过所述容舱的总纵向尺寸的一半。
优选地，所述触发和插入系统包括对所述待被插入的组件的下落进行缓冲的器件。
本发明的另一主题是一种核燃料组件，所述核燃料组件包括：具有纵向轴线的外壳；裂变区域；所述裂变区域中的自由中央空间，所述自由中央空间从所述裂变区域的上端部开始在所述裂变区域的高度的至少一部分的范围内延伸；以及根据本发明的触发和插入系统，所述容舱的下端部被插入到所述自由中央空间中或根据本发明的触发和插入装置(DI)中，所述固定部分被布置至少在所述自由中央空间上方。
所述核燃料组件有利地包括通过超声波遥测来检测所述待被插入的组件的插入的器件。例如，所述检测器件包括至少一个布置在所述容舱的头部上方的超声波传感器以及以面对所述传感器的方式安装在所述容舱的头部上的反射物，所述反射物的纵向位置由所述中子吸收剂是否被所述保持器件保持在适当位置中所控制，所述反射物通过细长元件连接到所述中子吸收剂，所述细长元件安装成可在穿过所述容舱头部的纵向铰孔中自由滑动并且通过抵靠所述待被插入的组件来将所述反射物保持在非插入状态。
所述核燃料组件可以包括弹性器件，所述弹性元件在存在有所述中子吸收剂时被压缩，并且所述弹性器件在所述待被插入的组件不存在时扩张并且在所述细长元件上施加张力以便移动所述反射物。
例如，所述核燃料组件包括界定所述自由中央空间并且保持所述容舱的下端部的套筒。所述套筒具有六边形的外部横截面以及六边形或圆形的内部横截面。
所述待被插入的组件可以包括至少一个中子吸收元件和/或缓和元件。优选地，所述待被插入的组件包括多个吸收元件和/或缓和元件。
本发明的另一主题是一种核反应堆(例如钠冷却式快反应堆)，所述核反应堆包括仅包含核燃料棒的组件以及至少一个根据本发明的燃料组件。
附图说明
在阅读下面的描述以及附图之后将更好地理解本发明，在附图中：
图1示出了例如在操控温度下的根据本发明的触发和插入系统的示例性实施例的正视图；
图2A为图1中的触发和插入装置在操控温度下的纵向截面图；
图2B为图1中的触发和插入装置在正常运行温度下的纵向截面图；
图2C为图1中的触发和插入装置在触发温度下即将把吸材材料插入到堆芯中之前的纵向截面图；
图2D为图1中的触发和插入装置在触发温度下将吸收材料插入到堆芯中期间的纵向截面图；
图3为图1中的系统的俯视图；
图4为沿着图2C中示出的平面A-A剖切的图1中的系统的横截面视图；
图5为图1中的系统示例性地结合到核燃料组件中的全貌图，其中成组的吸收元件被悬吊于裂变区域上方；
图6为图5中的组件的视图，其中成组的吸收元件被插入到裂变区域中；
图7为在裂变区域中并且剖切吸收元件的图6中的组件的截面图。
在下面的描述中，术语“上部”和“下部”用于表示元件中的位于视图的顶部和底部处的部分，这与元件在反应堆中的布置相对应。术语“上游”和“下游”指的是冷却剂在组件中的循环方向，即，从下部部分朝向上部部分。
具体实施方式
在整个说明书中，“装载组件”是指根据本发明的既包括核燃料又包括吸收元件的组件，而“标准组件”是指仅包括核燃料的组件。
此外，“正常运行”是指反应堆在正常温度状态下运行，而“异常运行”是指温度超出安全阈值(导致冷却剂温度升高超过给定温度阈值)的反应堆状态。
此外，在下面的描述中，待被插入的组件被描述为是一组由中子吸收材料制成的元件，然而，本发明也可使用一组缓解元件作为插入件。
通常，核反应堆包括有腔室，在腔室内部有布置成彼此相邻的多个核燃料组件。所述多个组件形成了反应堆堆芯。通常，对于SFR而言，组件具有六边形的外部横截面。对于其它类型的反应堆而言，组件可以具有其它类型的外部横截面，诸如圆形或矩形的横截面。冷却剂在组件中并且在组件之间循环以吸取由核燃料产生的热量，由此形成反应堆冷却剂系统。组件包含有核燃料(例如分布在燃料棒中的核燃料)。组件包括核燃料的部分称作裂变区域。负反应性通过引入中子吸收材料被引入到裂变区域中，以便控制反应堆堆芯的运行。在一些SFR中(例如在法国)，控制棒的吸收材料保持在组件中(更确切地控制棒的运动距离在组件中得到保证)，并且控制棒的插入机构形成了组件与堆芯盖插塞(core cover plug，BCC)之间的连接。在正常运行期间，吸收材料或者被部分地插入到裂变区域(控制棒)中或者被悬吊于裂变区域上方(互补性停机棒)，并且为了使反应堆停止，吸收材料被完全插入到棒束内的裂变区域中。
例如，吸收材料为控制棒、互补性停机棒的形式或有利地为由吸收材料制成的元件(例如细长或圆柱形，并有优选地为球形)的串列。
图1至图4示出了根据本发明的触发和插入系统SI的示例性实施例，该触发和插入系统SI包括触发和插入装置DI，当温度低于阈值温度时触发和插入装置DI将一组吸收元件2保持在裂变区域上方(图1、图2A至图2C)，并且当温度高于阈值温度时触发和插入装置DI将所述成组的吸收元件2释放(图2D和图2E)。
在示出的示例中，组件4包括多个由中子吸收材料制成的球形元件4，所述多个球形元件4穿装在具有一定柔性的缆线6(以虚线示出)上。
在示出的示例中，组件2在其顶端端部包括上端部元件2.1，上端部元件2.1与其它元件的不同之处在于上端部元件2.1被设计成与触发和插入装置进行配合。在特定示例中，元件2.1的形状呈锥形，该锥形由面对球形元件的大基部和侧表面组成。
出于简化的目的，在下文中“成组吸收元件”2将被称为“组件”2并且部件2.1将被称为“附接头部”。
在示出的特定实施例中，系统SI包括由具有纵向轴线X的管状体形成的容舱10，如在图1中能够看到的，组件2容纳在容舱10中。
容舱10包括上部区域ZI，如在图5中可以看到的，当触发和插入系统被安装在装载组件中时，吸收剂组件2处于位于燃料棒上方的悬吊位置。容舱10还包括位于燃料棒内的裂变区域中的下部区域ZII。当吸收剂组件已被释放时下部区域ZII容纳该吸收剂组件(图6)。由触发和插入装置DI形成的组件和容舱10形成了随后将进行描述的触发和插入系统SI。
在容舱的下部区域ZII中设置有在运动的末尾对中子吸收材料的降下进行缓冲的器件。例如，容舱在下部区域ZII处的内径减小。
容舱10还包括夹持头13，该夹持头13将用于操控容舱，更一般地用于操控触发和插入系统SI。在图1中，夹持头13包括通过外部操控装置(未示出)来夹持触发和插入系统的器件。
冷却剂(例如液态钠)在装载组件中沿着纵向轴线X从底部到顶部循环。
容舱10的下部部分设置有用于为容舱10充注冷却剂的供给孔口，下部供给孔口设置有具有非常高的压力损失的多孔通路。这因而使得不论管上输出孔口的尺寸如何，都能够以不产生任何显著流动的方式进行充注。优选地，组件2具有较小的质量，但钠具有较大的粘性，因此容舱中的冷却剂流速应当尽可能小，以便不会减慢中子吸收材料落下并由此增加落下时间。
触发和插入装置DI布置成围绕容舱的顶部区域ZI。装置DI包括保持吸收剂组件2的器件11、锁定保持器件11的器件和在异常状态下释放吸收剂组件2的被动启动器件。
触发和插入装置DI的形状呈具有纵向轴线X的回转体。
触发和插入装置DI包括其下部部分中的壳层19和其上部部分中的控制头部18，壳层19通过其上游端部(考虑冷却剂从底部到顶部循环的方向)固定到容舱10上，控制头部18从壳层延伸出并且轴向固定到该壳层。
控制头部18安装成可围绕容舱10自由滑动。在容舱的外径与控制头部18的内径之间设置有径向间隙。
保持器件11包括销20，销20安装成铰接在容舱10的本体的上部部分上。
控制头部18和销20有利地位于容舱10的上部部分，由此位于中子通量极小的远离裂变芯部的区域中。
优选地，存在有三个销20，所述三个销20布置成彼此相隔大约120°以便为吸收剂组件提供均匀的支撑。然而，可以提供两个销或提供三个或更多的销。在保持位置，销20朝向纵向轴线X倾斜。
每个销20具有第一纵向端部20.1和第二纵向端部20.2，第一纵向端部20.1绕垂直于纵向轴线X的轴线Y可旋转地铰接在容舱10的本体上，第二纵向端部20.2形成了与附接头部2.1接触的支撑表面。容舱10包括纵向槽，销20被安装在所述纵向槽中，使得销20的第二端部20.2位于容舱10内部。
有利地，每个销的第二端部20.2包括的凹口22，所述凹口22由在图2D中可特别清楚地观察到的两个表面22.1、22.2限定。如在图2A至图2C中能够特别清楚地观察到的，一个表面22.1将抵靠附接头部2.1的大基部而另一表面22.2将抵靠侧表面。
控制头部18支撑用于将销20锁定在吸收剂组件2的保持位置中(即锁定在朝向纵向轴线X倾斜的位置中)的器件。
锁定器件包括止挡部24，止挡部24布置在销20的径向外侧以防止销离开其保持位置。在示出的示例中，每个销20包括其边缘上的凸部20.3，凸部20.3面对其止挡表面24。有利地，在凸部和止挡表面24之间设置有径向间隙，以便防止摩擦和卡滞风险。
在示出的示例中，止挡表面24通过形成在控制头部18内部的具有轴线X的单个环形表面实现。在示出的示例中，该表面在容舱10上的销旋转轴线的下游。
此外，控制头部18支撑在异常状态下启动吸收剂组件2的器件。释放器件由沿着横向平面定向(例如垂直于纵向轴线)的推力表面26形成，推力表面26将抵靠销20以在销20上施加推力，并且使销20绕其旋转轴线枢转。
推力表面26将与销20的位于销20的旋转轴线径向向内位置处的凸轮表面28接触。
在示出的示例中，推力表面26位于容舱10上的销20的旋转轴线的上游。
在示出的示例中，控制头部18包括空腔30，销20围绕空腔30的内周装配在空腔30内部。
容舱10的管状体的外表面包括对三个对销20的旋转铰链进行支撑的径向凸出凸缘32。
被动式启动器件由壳层19和控制头部18形成。壳层19和控制头部18由具有高膨胀系数的材料制成，所述膨胀系数高于制成容舱10的材料的膨胀系数。
如在图1至图2D中可以看到的，壳层的内径被选择成在壳层与容舱10的外表面之间形成通道以允许冷却剂流动。在壳层19中并且在上游部分和下游部分中形成有开口36，以便供给和排出冷却剂。
容舱10的外表面与壳层19的内表面之间的直径差被选择成大至足以使得很大一部分的冷却剂液层在该通道中循环。
有利地，将壳层19的轴向尺寸选择成非常大。由壳层的该大的轴向尺寸产生的第一优点是壳层具有大的轴向膨胀。第二优点是壳层具有非常大的与冷却剂热交换区域，使得可能发生的局部温度不均匀性能够得以控制，并因而能够提高触发可靠性。
与小型温度传感器(例如举例来说温度熔线)不同，壳层的大的轴向尺寸在触发可靠性方面非常有吸引力。
有利地，如随后将在对根据本发明的装载组件的描述中看到的，壳层被定位在裂变区域上方足够远的位置处，从而没有因中子通量造成的材料胀大的风险。
触发和插入系统SI被安装在称作装载组件的核燃料组件中。
现在将描述图5和图6中示出的该装载组件A的示例性实施例，装载组件A包括根据本发明的触发和插入系统SI。
根据本发明的装载组件包括具有纵向轴线X1的外壳40，外壳40呈圆筒形并且具有六边形的横截面。这种六边形的横截面决不是限制性的，并且矩形或圆形的横截面也落在本发明的范围内。
外壳40包括称作裂变区域的中央部分42，核燃料棒41装配在裂变区域中。外壳40包括称作组件支脚44的下部部分，组件支脚44将装载组件保持在反应堆中，组件支脚44被设计成安装在称作端梁的支撑体上。外壳40还包括敞开的上部部分48。组件支脚还包括冷却剂供给孔口46。
冷却剂如由箭头F表示的那样从底部到顶部穿过装载组件A并且通过泵进行循环，冷却剂吸取由燃料棒产生的热量。冷却剂还循环到装载组件的外部以及在组件之间(所谓的组件之间的区域中)循环。
根据本发明的组件还包括具有轴线X1的容纳部52，容纳部52的延伸范围覆盖裂变区域的整个高度。该容纳部52由套筒54限定，套筒54的外部截面与外壳的外部截面类似。套筒54将触发和插入装置DI保持在燃料棒束中并且使燃料棒束的结构一致。因而，在SFR的情况下，套筒54具有与外壳相同的六边形外部横截面。在示出的示例中，套筒54的内部截面与容舱10的内部截面都为圆形。替代性地，套筒54的内部截面可以为六边形。
套筒54除了限定出容舱10的容纳部之外，套筒54还改善了触发和插入系统SI与装载组件之间的机械隔离，因为套筒54的刚性结构保护了触发和插入系统SI不受燃料棒在辐射下胀大的影响。因而套筒54通常有助于与阵列间距的机械隔离。
套筒54在下端部处包括一个或若干个冷却剂供给孔口，所述一个或若干个冷却剂供给孔口向所结合的容舱供给冷却剂。
一旦被安装在装载组件中，容舱10即被部分地插入到套筒中，使得容舱10的下端部位于套筒54的中间区域中。
例如，套筒54取代了两圈燃料棒。
容舱10被插入到套筒54中，容舱10的外径略小于套筒54的内径使得容舱10能够被插入。容舱10的头部保持在装载组件中的适当位置。
图7示出了图5和图6中的组件在裂变区域处并且剖切吸收元件的截面图。可以观察到燃料棒41、套筒54、容舱10和吸收剂组件2的元件的相对布置。
现在将描述根据本发明的触发和插入装置DI的运行。
根据施加于触发和插入装置上的温度，根据本发明的触发和插入装置的运行在四个主要状态之间具有差异：
-安装状态(触发和插入系统SI在装载组件中)：在例如20℃的环境温度下，称作“安装温度”；
-操控状态(装配有触发和插入系统SI的装载组件在反应堆堆芯中)：在大约180℃至250℃的温下度，称作“操控温度”；
-运行状态：当装载组件处于运行中的堆芯中时，在大约550℃的运行温度下；
-触发状态：例如在本发明中为大约660℃的阈值温度下，在该温度下所需要的是应当将吸收材料插入到裂变芯部中。
安装状态没有被示出但安装状态非常类似于图2A中示出的状态。在安装状态下，触发和插入系统的各元件不会由于热膨胀而产生变形。销20支撑着吸收剂组件2。止挡表面面对销20的凸部并且推力表面26距凸轮表面28一定距离。因此销20被锁定并且吸收剂组件2不能够被释放。触发和插入系统能够被完全安全地操控而不具有任何意外插入到燃料棒束中的风险。
在操控状态下，触发和插入系统被安装到装载组件(装载组件被布置在反应堆中)中。由于反应堆中的温度以及容舱10的材料与壳层19和控制头部18的材料的膨胀系数差异，在容舱10与由壳层19和控制头部18组成的组件之间会产生不均匀膨胀。因此，在容舱10与由壳层19和控制头部18组成的组件之间存在不均匀变形，并且由控制头部18支撑的止挡表面24和推力表面26相对于销20产生相对移位。
因而，在图2A中示出的操控状态下，触发和插入系统的元件已经开始略微膨胀。该变形主要沿着纵向轴线发生。
然而，尽管安装状态与操控状态之间的不均匀膨胀使得尽管止挡表面24已经相对于销20运动，但止挡表面24仍然部分地面对销20的凸部并且仍然将销锁定在吸收剂组件2的保持位置。因此销20支撑着吸收剂组件2。吸收剂组件不能够被释放。因此，触发和插入系统能够被完全安全地操控而不具有任何插入到裂变堆芯中的风险。
在图2B中示出了运行状态。触发和插入系统的不同元件被浸没在运行温度下的冷却剂中。壳层19通过形成在壳层19与容舱10之间的通道而被冷却剂围绕并因此对装载组件的运行状态是敏感的。
操控状态与运行状态之间冷却剂温度的升高意味着触发和插入系统的元件的变形因热膨胀而继续增大。在运行状态的温度下，壳层19与容舱10之间的不均匀膨胀使得止挡表面24不再面对销20的凸部，因此销20被释放。推力表面26刚刚与凸轮表面28接触，因此销20在吸收剂组件2的保持位置中朝向纵向轴线倾斜。
在运行温度与触发温度之间，随着冷却剂温度升高而元件继续膨胀。推力表面26在销20的凸轮表面28上施加纵向向上推力，这导致销20向外翻转。销20绕其轴线Y的旋转导致吸收剂组件2向上轴向移位。由于触发和插入装置的这种运行的运动特性，因杂质的氧化和凝结而在运动部分与固定部分之间(例如在吸收剂组件2的附接部分与容舱10的本体之间)形成的任何连接都同时失效。
图2C示出了触发状态，其中销20处于最后的旋转阶段并且吸收剂组件2实际上被释放。在图2D中，销已经完成翻转，吸收剂组件2被释放并且朝向裂变芯部落下。
吸收元件的插入抑制了中子链式反应，以便防止堆芯在短期内熔化(适用于保持堆芯支撑结构的完整性的抑制温度在足够长的时段内得到保证以便采取纠正措施)。
由于触发和插入系统被浸没在冷却剂中(由于壳层与容舱之间的通道)，因而该系统的温度类似于冷却剂的温度，并且该系统在非常精确的温度下被触发。
壳层19和控制头部18由具有高膨胀系数的材料(例如钢)制成，更具体地，由与用于燃料棒包壳相同的奥氏体钢(例如硬化的Z10CNDT 15.15B(15/15Ti)钢)制成。
对于容舱10而言，所选择的材料的膨胀系数显著小于形成被动启动器件的材料的膨胀系数。可以选择钨基合金，例如W-5Re合金(即具有5％的铼的钨合金)。诸如W-ODS的合金也可以考虑。除了较低的膨胀系数之外，钨还具有的优点是由于其耐火性而在所考虑温度的辐射下仅发生非常微小的胀大。
有利地，W-5Re合金在所考虑的设计规则下还具有可接受的延展性。
替代性地，通过对触发和插入装置进行相应调整，容舱可以选用ZI0CNDT15.15B合金而壳层可以选用W-5Re合金。
在示出的示例中，止挡表面24形成了径向表面并且推力表面26形成了垂直于纵向轴线的表面。但这种构型决不是限制性的。
优选地设置有检测触发和插入装置的状态的器件，以便检测是否发生了吸收剂组件2的意外插入。第一技术方案可以包括对引入到芯部中的负反应性进行检测，所述检测可直接通过中子检测器进行，或间接地通过“芯部温度处理”(core temperature treatment，TRTC)进行，所述“芯部温度处理”包括使用位于组件顶部的热电偶来测量冷却剂出口温度。如果吸收材料落下，则装载组件的功率下降并且来自支撑组件的冷却剂的出口温度下降。因此，如果检测到冷却剂温度下降，则检测到负反应性的引入。
另一技术方案包括对成组的吸收元件的状态(是否被悬吊)进行检测。
运用该技术方案的检测装置DT在图2A至图2D中示出。检测装置DT为超声波遥测装置，其被设计成对位于组件头部上方的一个或多个传感器与反射物之间的距离进行测量，所述反射物相对于传感器(多个传感器)的位置取决于成组的吸收元件是否被插入。
装置DT包括量杆64，该量杆64安装成：在容舱10的夹持头13中形成的纵向铰孔65中自由滑动。量杆64的长度使得其下端部抵靠吸收元件的组件2的附接头部2.1并且使其上端部从夹持头13的上端部伸出。
量杆64的上端部包括反射物66。量杆64的下端部仅抵靠吸收剂组件的附接头，因此如果量杆被阻滞的话它不会防止串列的插入，因为量杆和串列没有固定到一起。由于量杆64的小截面不足以形成反射物，因此量杆64的上端部的形状的截面大于铰孔中的量杆截面并且形成反射物66。例如，上端部呈锥形而使锥体面向上方，从而圆锥的基部形成反射物。当量杆落下时圆锥止挡地接触铰孔的上部。然而，量杆可以有几厘米的落下以便足以进行超声波检测。例如，可以选择13mm的距离。
由穿过夹持头13的量杆支撑的反射物66被布置成尽可能地靠近组件头部(在图2A至图2D中概略地示出)，这增大了超声波立体反射角度并且限制了围绕夹持头的结构上的回波。
传感器67(概略地示出)被布置在组件头部上方。在吸收剂组件2的插入期间反射物的轴向移位使得能够检测和定位该吸收剂组件。例如，传感器被固定在芯部盖插头栅格上。
有利地，设置有压缩安装在量杆的底端与铰孔的底端之间的弹簧68。该弹簧在正常运行期间(即，当组件2处于非插入位置、附接头部由销20保持在适当位置时)是压缩的。当组件2携带着附接头部落下时，弹簧68扩张，从而使量杆64向下移位。该弹簧68有利地不防止量杆64落下。由于量杆64的质量较小，由于腐蚀现象或例如杂质的出现导致的卡滞会妨碍量杆落下。这种阻塞通过弹簧68扩张时施加的力而被克服，量杆64落下并且装置检测到串列2已经落下。由于弹簧距裂变芯部一定距离，由弹簧施加的力不大可能因辐照蠕变而减弱。因此弹簧68提高了遥测装置的检测可靠性。
作为变型，传感器不与反射物竖向对准。固定的反射镜被定位在组件头部的内部表面上，以便将超声波束引向反射物66。或者由量杆64支撑的反射物66可以具有带有若干小平面的表面以形成三平面反射镜，例如以便改善波束的方向性。这些变型有利地使得能够针对数个组件使用一个传感器。
现在将简要地描述该检测装置的运行。
当在图2A至图2D的情况下吸收剂组件2被悬吊时，量杆64抵靠吸收剂组件2的附接头部，弹簧68被压缩，反射物66被定位在距传感器(多个传感器)一定距离处，该距离与未引入负反应性的状态相对应。
当由于阈值温度达到或在意外触发期间吸收剂组件落下时(图2D)，量杆64不再被支撑在附接头部上，在弹簧68的扩张与重力的作用下，量杆64带着反射物66一起在铰孔65中向下滑动，反射物66运动到抵靠在夹持头13上的第二位置中。传感器67测量到传感器67与反射物66之间的距离的增大并由此检测到吸收剂组件2的插入。
该检测器是特别可靠的。量杆64具有小的截面，因此其具有弯曲柔性并且在铰孔中形成有大的机械间隙；即使由于轴线的形变和/或铰孔的压溃导致夹持头13变得显著变形，也能够防止所有机械阻塞的风险。
该检测装置确保了任何情况下的落下的成组吸收元件的检测以及在堆芯中的定位，而不会以任何方式减小该串列的触发和插入的可靠性。
该检测装置能够除了使用TRTC和/或裂变室之外又进行使用以便使对插入的负反应性进行检测的器件多样化，或可以代替这些技术。
在示出的示例中，触发和插入系统被添加到装载组件中，于是完全独立于装载组件，并因此能够独立于燃料组件进行控制。
因此能够执行操作测试，例如仅针对容舱10执行吸收剂组件2的外部触发和落下测试(即，在反应堆的外部)。这些操作测试能够在最初结合到装载组件A中之前系统地执行。
如有必要，触发和插入装置可以独立于其它燃料组件元件被检查或被替换，或者如果存在有系统故障的话，触发和插入装置可以独立于其它燃料组件元件被重新整装。这种替换或这种重新整装可以在不废弃整个组件的情况下进行。这种可能性具有独立于燃料组件的寿命来控制插入系统的寿命的优点，如果需要降低生产成本或需要针对后续循环最小化活化废料的数量，这会是有用的。
根据本发明的触发和插入装置特别适于可拆卸的触发和插入系统。通过该触发和插入装置，更具体地，由于止挡部24能够确保锁定直至处理温度为止，当进行处理时所有销变为解锁的风险得到避免，并且除非销、附接头部、或缆线被损坏，则成组的吸收元件在将容舱安装到装载组件中期间(例如在震动的情况下)不能够落下。这在将组件结合到堆芯中期间也是有利的(之前所描述的操控状态)。
通过根据本发明的燃料组件结构以及根据本发明的触发和插入系统的结合，燃料比(就体积而言)略微减小，因此堆芯的中子性能也略微降低。
此外，根据本发明的组件的设计使得能够仅通过最少数量的改造而适用于根据现有技术的组件的燃料循环，并因此能够最优化成本。
此外，根据本发明的组件的结构对装载燃料组件的压力损失具有小的影响，并因此对芯部热液力的最优化具有小的影响。
与根据本发明的触发和插入装置相关联的根据本发明的装载组件优化利用了燃料组件的液流，这保证了最大触发速度和精度。由于壳层在装载组件中的中心位置以及其结构，壳层中的液流非常类似于在标准燃料组件中的液流，并因此壳层的膨胀代表了冷却剂温度并进而代表了组件的状态。
本发明最优化了负反应性的插入的可靠性。由于容舱受具有较大刚度的套筒的保护而不受燃料棒束的影响，并且由于在将容舱插入到套筒中之后将存在有大的径向间隙，因此容舱与燃料棒束的变形机械地隔离。由于燃料棒束具有一些适应六边形管的变形的能力(由于燃料棒与间隔线之间的存在间隙)，因此棒束存在于套筒与六边形管之间还意味着容舱能够与影响阵列间距的变形机械地隔离。
吸收元件可以由任何中子吸收材料制成。例如，吸收元件可以是不同程度地富集10B的碳化硼(B4C)。
可以使用铪基材料。铪基材料具有高密度从而能够减少落下时间，铪基材料在辐射下不释放气体并因此不引起气胀，并且铪基材料的负反应性性能在辐射下并不显著降低。
也可以使用耐火硼化物类型的吸收材料，例如HfB2和TiB2，其具有大约3300℃的熔化温度。也可以使用六硼化铕EuB6。也可以使用Eu2O3。这些材料不会在辐射下产生气态产物。这些材料还具有高吸收能力。
在压水反应堆的情况下，用于吸收元件的材料例如可以是铪、Dy11B6、GD11B6、Sm11B6Er11B4、天然HfB2和天然TiB2。
待被插入的组件可以具有缓和作用，例如在总体的堆芯熔化的情况下铪可以被用作缓合剂。
冷却剂可以由例如钠的任何适当的液态金属组成。铅和铅-铋是可以在快反应堆中使用的其它液态金属。
钠将被优先使用，因为钠提供了良好的热传导。此外，在含硼吸收剂的情况下，液态金属介质避免了因源于10B的氦导致的腔室(燃料棒、容舱或其它)的高压的潜在问题。最后，金属介质的高粘度还使得能够在落下距离的末端处进行显著的逐渐减速，从而有力地限制了吸收陶瓷破碎的风险。
作为示例性示例，将给出根据本发明的设定吸收剂组件的尺寸的示例。
关于系统的运行，假设壳层由Z10CNDT15.15制成并且容舱由W-5Re制成，触发温度等于660℃，并且壳层高度为大约800mm作为选定的部件尺寸，壳层相对于容舱的不均匀轴向移位可以计算如下：
-在环境温度与运行温度之间：5.65mm，
-在运行温度与触发温度之间：1.44mm。
在运行温度与触发温度之间，启动销的头部的移位可以计算出：销的线性移位为5.4mm，并且角移位为7.2°。
在运行温度与触发温度之间，组件2的附接头部的轴向移位于是为3.5mm。
由于根据本发明的触发和插入系统完全独立于其它停止系统并且使用了性质不同的设计，因此能够获得非常大的整体安全性等级。
触发和插入装置具有简单和非常牢固的结构并且包括数量较少的部件，特别是数量较少的可动部件。在示出的示例中，该装置包括三个能够自由旋转的销以及能够自由平移的可动环。
根据本发明的触发和插入装置、触发和插入系统以及装载组件特别适合于在钠冷却式快中子反应堆(sodium-cooled fast neutron reactors)中使用。它们还能够适用于其它类型的核反应堆(通过诸如铅或铅-铋的其它液态金属冷却的快反应堆、气冷快速反应堆、压水或沸水反应堆)。

Claims (23)

1.一种触发和插入装置，所述触发和插入装置用于待被插入到有冷却剂循环的核反应堆的裂变区域中的组件，所述触发和插入装置具有大致竖直的纵向轴线(X)，所述触发和插入装置包括纵向固定部分(10)和纵向可动部分，所述固定部分包括将所述待被插入的组件(2)保持在悬吊于所述裂变区域上方的适当位置的器件(11)，所述待被插入的组件在所述可动部分的作用下可被释放，所述可动部分包括锁定器件、将所述待被插入的组件保持在悬吊位置的器件和使所述待被插入的组件从所述保持器件释放的器件，所述锁定器件由至少一个称作止挡表面的第一表面(24)形成，并且释放所述待被插入的组件的器件由至少一个称作释放表面的第二表面(26)形成，并且器件(19)使所述止挡表面(24)和释放表面(26)沿着纵向轴线移位，所述移位器件由壳层(19)形成，所述壳层(19)能够在冷却剂温度升高的作用下相对于所述固定部分(10)不均匀地纵向膨胀，所述止挡表面(24)和所述释放表面(26)被布置成：在冷却剂温度升高时使得所述止挡表面(24)轴向地远离所述保持器件(11)并且所述释放表面(26)轴向地靠近所述保持器件(11)；当冷却剂在正常的反应堆运行温度下时使所述止挡表面(24)远离所述保持器件，进而使得所述保持器件不被解锁；并且当冷却剂的温度超过阈值温度时，所述释放表面(26)在所述保持器件上施加推力，使得所述待被插入的组件被释放。
2.根据权利要求1所述的触发和插入装置，其中，所述保持器件(11)包括至少两个销(20)，优选地包括三个销，所述销绕所述纵向轴线(X)分布并且安装成可旋转地铰接在所述固定部分(10)上，以便运动到靠近所述纵向轴线(X)的位置以将所述待被插入的组件(2)保持在所述销(20)之间，以及运动到所述待被插入的组件(2)被释放的、距所述纵向轴线(X)一定距离的位置。
3.根据权利要求2所述的触发和插入装置，其中，所述止挡表面(24)为布置在所述销(20)的径向外侧以便在锁定位置时防止所述销(20)远离所述纵向轴线(X)的表面。
4.根据权利要求2或3所述的触发和插入装置，其中，所述释放表面(26)为垂直于所述纵向轴线(X)的表面，并且其中，所述销(20)包括凸轮表面(28)，所述释放表面(26)与所述凸轮表面(28)进行配合以使所述销以远离所述纵向轴线的方式枢转。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的触发和插入装置，其中，所述固定部分(10)包括至少一个与所述纵向轴线(X)同轴的大致管状的部分，并且所述待被插入的组件(2)将被悬吊于所述大致管状的部分的内部，所述大致管状的部分被布置在所述可动部分内部，所述销(20)的旋转铰链(Y)由所述大致管状的部分的外表面支撑，所述大致管状的部分包括孔(34)，所述销(20)穿过所述孔(34)，所述销(20)的自由端部朝向所述管状部分的内部伸出。
6.根据权利要求5所述的触发和插入装置，其中，所述可动部分包括支撑所述释放表面和锁定表面的控制头部(18)，所述控制头部(18)由所述壳层(19)延伸出，所述壳层(19)通过所述固定部分上的与连接到所述控制头部(18)的纵向端部相对的纵向端部来固定。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的触发和插入装置，其中，所述壳层(19)由奥氏体钢制成并且所述固定部分(10)由钨基合金制成。
8.根据权利要求7所述的触发和插入装置，其中，所述壳层(19)由Z10CNDT 15.15B钢制成并且所述固定部分(10)由W-5Re制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的触发和插入装置，其中，在所述壳层(19)与所述固定部分(10)之间设置有径向间隙，以便在所述壳层与所述固定部分(10)之间限定出冷却剂循环通道，所述壳层(19)包括用于使冷却剂在所述通道中循环的孔口。
10.一种触发和插入系统，包括根据权利要求1至9中任一项所述的触发和插入装置、形成所述固定部分的具有纵向轴线的容舱(10)以及中子吸收剂(2)，所述容舱(10)包括具有纵向轴线的管状体和夹持头，所述待被插入的组件(2)容纳在所述管状体中，所述系统能够通过所述夹持头被夹持，所述触发和插入装置沿着冷却剂的流动方向被布置在所述夹持头的上游侧。
11.根据权利要求10所述的触发和插入系统，其中，所述容舱(10)的下部部分包括冷却剂供给孔口。
12.根据权利要求10或11所述的触发和插入系统，其中，所述中子吸收剂(2)的纵向尺寸不超过所述容舱(10)的总纵向尺寸的一半。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的触发和插入系统，包括对所述待被插入的组件的下落进行缓冲的器件。
14.一种核燃料组件，包括：具有纵向轴线(X1)的外壳(40)；裂变区域；所述裂变区域中的自由中央空间(52)，所述自由中央空间(52)从所述裂变区域的上端部开始在所述裂变区域的高度的至少一部分的范围内延伸；以及根据权利要求10至13中任一项所述的触发和插入系统(SI)，所述容舱的下端部被插入到所述自由中央空间(52)中或根据权利要求1至9中任一项所述的触发和插入装置(DI)中，所述固定部分被布置为至少在所述自由中央空间(52)上方。
15.根据权利要求14所述的核燃料组件，包括通过超声波遥测来检测所述待被插入的组件的插入的器件。
16.根据权利要求15所述的核燃料组件，其中，所述检测器件包括至少一个布置在所述容舱的头部上方的超声波传感器以及以面对所述传感器的方式安装在所述容舱的头部上的反射物(66)，所述反射物(66)的纵向位置由所述中子吸收剂是否被所述保持器件(11)保持在适当位置所控制，所述反射物(66)通过细长元件(64)连接到所述中子吸收剂，所述细长元件(64)安装成可在穿过所述容舱头部的纵向铰孔中自由滑动并且通过抵靠所述待被插入的组件来将所述反射物(66)保持在非插入状态。
17.根据权利要求16所述的核燃料组件，包括弹性器件(68)，所述弹性器件(68)在存在有所述中子吸收剂时被压缩，并且所述弹性器件(68)在所述待被插入的组件不存在时扩张并且在所述细长元件(64)上施加张力以便移动所述反射物(66)。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的核燃料组件，包括界定所述自由中央空间(52)并且保持所述容舱(10)的下端部的套筒(54)。
19.根据权利要求18所述的核燃料组件，其中，所述套筒(54)具有六边形的外部横截面以及六边形或圆形的内部横截面。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的核燃料组件，其中，所述待被插入的组件(2)包括至少一个中子吸收元件和/或缓和元件。
21.根据权利要求20所述的核燃料组件，其中，所述待被插入的组件(2)包括多个吸收元件(4)和/或缓和元件。
22.一种核反应堆，包括仅包含核燃料棒的组件以及至少一个根据权利要求14至21中任一项所述的燃料组件。
23.根据权利要求22所述的核反应堆，是钠冷却式快反应堆。
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