CN105321583A

CN105321583A - 用于核反应堆的控制棒组件中连接连接杆和控制棒的终端元件

Info

Publication number: CN105321583A
Application number: CN201510621116.1A
Authority: CN
Inventors: S·J·夏高茨; M·W·阿莱斯
Original assignee: Babcock and Wilcox Nuclear Energy Inc
Current assignee: BWXT Nuclear Energy Inc
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2016-02-10
Also published as: JP2013540994A; AR082634A1; TW201230062A; CN102667951A; EP2609596A1; US8526563B2; RU2013102922A; WO2012027128A1; KR20130097707A; CN102667951B; CA2805917A1; JP5873087B2; US20120051482A1; TWI509629B; EP2609596B1; EP2609596A4

Abstract

核反应堆包括压力容器和包括至少一个可移动控制棒的控制棒组件(CRA)，用于控制至少一个控制棒的运动的控制棒驱动机构(CRDM)。所述偶联包括与CRDM接合的连接杆和与连接杆下端连接并还与至少一个控制棒连接的终端元件。在某些实施例中，终端元件包括第一部分和第二部分，第一部分包括具有第一密度的第一材料，第二部分包括具有第二密度的第二材料，第二密度大于第一密度。在某些实施例中，终端元件具有平行于连接杆的最大尺寸，其大于或等于横向于连接杆的最大尺寸。

Description

用于核反应堆的控制棒组件中连接连接杆和控制棒的终端元件

本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2011/047447，国际申请日为2011年8月11日，进入中国国家阶段的申请号为201180004466.3，名称为“用于核反应堆的控制棒组件中连接连接杆和控制棒的终端元件”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及核电反应堆领域、核反应控制装置领域、控制棒组件领域以及相关领域。

背景技术

在已知的核电厂中，核反应堆堆芯包括一定数量和成分的裂变材料，裂变材料的数量和成分被选择为以支持所要求的核裂变链式反应。为了慢化反应，可提供中子吸收介质，在轻水反应堆的情形中，介质为轻水(H₂O)，而在重水反应堆的情形中，介质则为重水(D₂O)。人们还知道，通过将包括中子吸收材料的“控制棒”插入反应堆堆芯内对齐的通道内来控制或停止反应。当控制棒插入时，控制棒吸收中子而慢化或停止链式反应。

控制棒由控制棒驱动机构(CRDM)操作。在所谓的“灰”控制棒中，控制棒的插入是连续地调整的，以提供连续可调的反应率控制。在所谓的“停堆”控制棒中，该插入是完全地插入或完全地拔出。在正常运行过程中，停堆棒从反应堆堆芯中完全拔出；在紧急停堆过程中，停堆棒快速完全地插入，从而快速停止链式反应。控制棒还可设计成既执行灰棒功能也执行停堆棒的功能。在某些如此双重功能的控制棒中，控制棒构造成可在紧急停堆事件中与CRDM脱开，以使脱开的控制棒在重力作用下落入反应堆堆芯内。在诸如海军系统的某些系统中，还可提供液压压力或其它正向力(重力之外)来将脱开的控制棒驱动入堆芯。

为了完成控制系统，提供了控制棒/CRDM联接器。已知的联接器包括具有下端的连接杆，控制棒固定在该下端处。连接杆的上部可操作地连接到CRDM。已知的提供灰棒功能的CRDM包括驱动导螺杆的电动机，导螺杆与连接杆形成一体或刚性地连接到连接杆，这样，电动机的操作可以连续方式驱动导螺杆和一体的或刚性连接的连接杆上下运动。已知的提供停堆功能的CRDM构造成主动地将控制棒保持在提升的位置(即，提出反应堆堆芯外)；在紧急停堆中，移去该主动提升力，控制棒和一体的或连接的连接杆一起朝向反应堆堆芯落下(使控制棒实际进入反应堆堆芯内)。已知的提供灰棒/停堆棒双重功能的CRDM包括电动机/导螺杆布置，电动机和导螺杆之间的连接设计成在紧急停堆期间释放开导螺杆。例如，电动机可通过可分离开的球螺母连接到导螺杆，该球螺母在正常(灰棒)运行过程中主动夹紧导螺杆，而在紧急停堆事件中，则分开，这样，控制棒、连接杆和导螺杆一起起到紧急停堆作用(即，朝向反应堆堆芯一起落下)。

本文以参见方式引入以下两个相关申请的全部内容：2010年3月12日提交的题为“用于核反应堆的控制棒驱动机构”的相关申请系列号12/722,662；2010年3月12日提交的题为“用于核反应堆的控制棒驱动机构”的相关申请系列号12/722,696。这两个申请披露了这样的构造，其中，电动机和导螺杆之间的连接不是可释放的，但在导螺杆和连接杆之间提供了可分开的锁闩以便实现紧急停堆。在这样的替代构造中，导螺杆不作紧急停堆，但相反，仅在导螺杆保持与电动机啮合时，脱开闩定的连接杆和控制棒才一起朝向反应堆堆芯作紧急停堆。

CRDM是复杂装置，其通常用电力和/或液压驱动。在停堆棒或双重的灰棒/停堆棒的情形中，包括CRDM的控制棒系统也可被分级为安全相关的部件，该状态至少对于CRDM的停堆功能强加严格的可靠性要求。

为了降低成本和整个系统的复杂性，大家知道，通过称之为“蛛状结构”的附加的连接元件将单一CRDM连接到多个控制棒。在如此情形中，所有与单一CRDM单元连接的控制棒一起移动。在实践中，提供多个CRDM单元，每个单元与多个控制棒连接，以提供某些冗余性。蛛状结构远离连接杆的下端侧向地延伸，以提供大的用于附连多个控制棒的“表面面积”。

尽管要求蛛状结构具有大的有效面积，但蛛状结构还通过控制棒支承组件。当控制棒移入或移出反应堆时，该支承组件导向控制棒，以防止任何控制棒沿所要求的“上/下”方向之外的任何方向作弯曲或侧向运动。支承组件应凸轮地作用在各个控制棒上的周界部分上(横向于紧急停堆方向)，足以防止控制棒的弯曲或侧向运动。

对蛛状结构有效面积的另一限制在于，在紧急停堆过程中，蛛状结构不应提供大的液压阻力，该阻力在紧急停堆过程中，限制脱开的控制棒/蛛状结构/连接杆(以及可供选择的导螺杆)组件朝向反应堆堆芯的加速运动。由于蛛状结构用于控制棒附连的“有效表面”定向为紧急停堆方向的侧边，所以，这是很大的问题。

鉴于这些考虑，蛛状结构通常包括金属管或臂，金属管或臂从蛛状结构与连接杆附连的中心附连点向外延伸。在某些蛛状结构中，附加的支承横向构件可设置在径向延伸的管子之间，但如此横向构件的使用受到要使定向为紧急停堆方向的侧边的实际面积为最小的愿望限制。包括蛛状结构的金属管或臂的直径(或更一般地说，各种尺寸)保持尽可能小，以使蛛状结构在紧急停堆过程中水力阻力为最小，并在控制棒提升或下降过程中使控制棒支承结构接触和凸轮作用在所有控制棒上。蛛状结构因此重量轻，“蛛网状或蛛状的”结构在管子或臂之间具有大的侧向开口，以减小朝向紧急停堆方向定向在侧面的实际表面面积。出于诸如强度和结实度、低成本、可制造性以及与反应堆容器环境的相容性之类的各种原因，连接杆和蛛状结构通常为不锈钢元件。

发明内容

在本发明的一个方面，控制棒/控制棒驱动机构(CRDM)连接包括与CRDM单元可操作地连接的连接杆，以提供以下的至少一个功能：灰棒控制功能和停堆棒控制功能；与连接杆下端连接的终端元件，该终端元件包括形成至少一个空腔的壳体和设置在至少一个空腔内的填料。该填料包括密度比包括壳体的材料密度高的重材料。终端元件还连接到至少一个控制棒的上端。

在本发明的另一个方面，装置包括终端元件，该终端元件适于使连接杆的下端和核反应堆的至少一个控制棒连接。终端元件具有比不锈钢密度高的平均密度。

在本发明的另一个方面，控制棒/控制棒驱动机构(CRDM)连接包括与CRDM单元可操作地连接的连接杆，以提供以下的至少一个功能：灰棒控制功能和停堆棒控制功能；以及与连接杆下端连接的终端元件。该终端元件具有沿紧急停堆方向的伸长的长度，其至少与横向于紧急停堆方向的终端元件的最大尺寸相同。终端元件还连接到至少一个控制棒的上端。

在本发明的另一个方面，装置包括核反应堆压力容器和控制棒组件，控制棒组件包括至少一个可移动的控制棒，该控制棒包括中子吸收材料，控制棒驱动机构(CRDM)用于控制至少一个控制棒的运动，以及可操作地连接至少一个控制棒和CRDM的联接器。该联接器包括与CRDM接合的连接杆，以及与连接杆下端连接的终端元件。终端元件包括第一部分和第二部分，第一部分包括具有第一密度的第一材料，第二部分包括具有第二密度的第二材料，第二密度大于第一密度。终端元件还连接到至少一个连接杆。

在本发明的另一个方面，装置包括核反应堆压力容器和控制棒组件，控制棒组件包括至少一个可移动的控制棒，该控制棒包括中子吸收材料，控制棒驱动机构(CRDM)用于控制至少一个控制棒的运动，以及可操作地连接至少一个控制棒和CRDM的联接器。该联接器包括与CRDM接合的连接杆，以及与连接杆下端连接的终端元件。终端元件具有平行于连接杆的最大尺寸，其大于或等于横向于连接杆的最大尺寸。

附图说明

本发明可成形为各种部件和部件的布置，成形为各种过程运行和过程运行的布置。附图只是为了说明优选的实施例并不可认为限制本发明。

图1用图示方式示出示例的核压水堆压力容器下部的剖视立体图，该压力容器包括示例的控制棒组件(CRA)。

图2用图示方式示出图1的示例CRA的立体图。

图3用图示方式示出控制棒导向框架的立体图，其中CRDM已移去以露出CRA连接杆的上端。

图4用图示方式示出图1-3的CRA的控制棒和连接杆的立体图，其中，阻挡上述部件观察的那些部件已经移去。

图5用图示方式示出图1-4的CRA的终端配重元件的立体图。

图6用图示方式示出图5终端配重元件的立体图。

图7用图示方式示出图5和6的终端配重元件壳体的俯视图。

图8用图示方式示出位于图1-3的CRA的控制棒导向框架内的图5-7的终端配重元件的壳体(casing)的俯视图。

图9用图示方式示出J型锁阴附连组件的立体图，其容纳或设置在图5-7的终端配重元件的中心通道内。

图10用图示方式示出包括J型锁联接器的上部的控制棒、终端配重元件以及J型锁控制棒的组件立体图。

图11用图示方式示出包括处于锁定结构中的J型锁联接器的细节的控制棒、终端配重元件以及J型锁控制棒的组件的剖视立体图。

具体实施方式

这里披露的是控制棒/CRDM联接组件的范例。在现有的控制棒/CRDM偶联组件中，控制棒由重量轻的“蛛网或蛛状的”蛛状结构终止，该蛛状结构具有最小重量和朝向紧急停堆方向的侧面(侧向)定向的表面面积。蛛状结构构造成提供大的用于附连控制棒的“有效”面积，但在紧急停堆过程中对于水力阻力却提供小的“实际”面积。蛛状结构和连接杆都是不锈钢部件，以提供诸如强度和结实度、低成本、可制造性和与反应堆容器环境相容的诸多优点。

这里披露的是控制棒/CRDM联接组件，该组件包括以下方面中的一个或两个方面：(i)用终端配重元件替换传统的重量轻的蛛状结构，和/或(ii)用诸如钨(可供选择地为粉末或颗粒形式)、钼、钽等的高密度材料替代控制棒/CRDM联接组件的大部分的不锈钢。所披露的控制棒/CRDM联接组件基本上比传统的控制棒/蛛状结构组件重，这有利地提高重力诱发的紧急停堆的速度和可靠性。

在使用这里所披露的终端配重元件的控制棒/CRDM联接组件的情形中，与传统的重量轻的蛛状结构相比，由终端配重元件提供的增加的重量，能使终端配重元件可供选择地具有比传统蛛状结构大的朝向紧急停堆方向侧面的实际表面面积，例如，为了提供附加的重量。

参照图1，图示核反应堆压力容器10的相关部分包括靠近压力容器10底部定位的堆芯围板12。该堆芯围板12包括或包含反应性的堆芯(未示出)，其包含或包括放射性材料，举例来说，诸如浓缩的二氧化铀(即，经处理过的UO₂，具有升高的²³⁵U/²³⁸U比)。图中示意地示出了控制棒驱动机构(CRDM)单元14。示例的CRDM14是设置在压力容器10的内部的CRDM；替代地，也可采用外部的CRDM。作为说明性实例，图1示出示例的单一CRDM单元14；然而，更一般的说，通常有多个CRDM单元，每个单元与不同的多个控制棒联接(但这些附加的CRDM单元未在图1中示出，绘出压力容器10，显示用于如此附加CRDM单元的空间)。

位于CRDM单元14下面的是控制棒导向框架16，其在图1的立体图中挡住控制棒/CRDM联接组件(图1中未示出)的视图。延伸在控制棒导向框架16下面的是多个控制棒18。图1示出处于完全插入位置中的控制棒18，其中，控制棒18最大程度地插入堆芯围板12内。在完全插入位置中，终端配重元件(或在替代实施例中，蛛状机构)位于控制棒导向框架16内的下部位置20(因此在图1中还是未示出)。在图1图示的实施例中，CRDM单元14和控制棒导向框架16被隔离物22间隔开，该隔离物22包括分别与CRDM单元14和控制棒导向框架16联接的相对端的中空管，而连接杆(图1中未示出)可通过其中。

图1仅示出示例的压力容器10的下部。在运行的核反应堆中，示例的敞开上端24与一个或多个上部压力容器部分相连，它们和图示的压力容器10下部一起形成封闭的压力体积，该体积含有反应堆堆芯(由所示的堆芯围板12表示)、控制棒18、导向框架16和内部CRDM单元14。在替代的实施例中，CRDM单元是外部的，位于反应堆压力容器上方。在如此的实施例中，外部CRDM通过控制棒/CRDM联接组件连接到控制棒，其中，连接杆延伸通过压力容器上部的入口。

参照图2，包括CRDM单元14、控制棒导向框架16、隔离物22和控制棒18的控制组件，显示为与反应堆压力容器隔离。还有，在图2的视图中，控制棒/CRDM联接组件被控制棒导向框架16和隔离物22遮住。

参照图3，图中又示出控制棒导向框架16和隔离物22，但CRDM单元已经移去，以露出在隔离物22上方延伸的控制棒30的上端。如果CRDM单元具有灰棒功能，则连接杆30的该示例的上端与CRDM单元接合，以提升或下降连接杆30和由此的附连的控制棒18(图3中未示出)。如果CRDM单元具有停堆棒功能，则该图示的上端在紧急停堆过程中能够与CRDM单元脱开。在图1-4的每一幅图中，指示出紧急停堆方向S，它在紧急停堆事件中是下落控制棒加速的向下方向。

参照图4，图中示出控制棒18和连接杆30，而没有任何挡住的部件(例如，没有控制棒导向框架、隔离物或CRDM单元)。在图4的视图中，可见图示的配重元件32，它提供多个控制棒18与连接杆30下端的连接。应该指出的是，与传统的蛛状结构不同，终端配重元件32具有沿着紧急停堆方向S的实质性的伸长。所示的终端配重元件32具有的优点在于，提供提高的重量，以促使紧急停堆快速进行；然而，也可考虑用传统的“蛛网或蛛状的”蛛状结构来替代图示的终端配重元件32。

参照图5和6，图中分别示出终端配重元件32的立体图和侧视剖视立体图。终端配重元件32包括基本上中空的壳体40，壳体具有上端和下端，上下端被上和下壳体盖板42、44密封住。四个上壳体盖板42图示在图5中，两个上壳体盖板42显示在图6的侧视剖视立体图中。图5的斜向立体图挡住了下部盖板不可见，但在图6的侧向剖视图中可“在边缘上”看见两个下部盖板44。图示的终端配重元件32包括四个下部壳体盖板44，它们类似于图5中所示四个上部壳体盖板42布置。

图7进一步提供图示的终端配重元件32，图7示出中空壳体40的俯视图，略去了盖板。如图7所示，中空壳体40为圆柱形，其具有平行于紧急停堆方向S的圆柱轴线，以及横向于圆柱轴线的均匀横截面。该横截面是复杂的，形成了中心通道50和四个围绕中心通道50径向地间隔90°的空腔52。中空壳体40的横截面还形成24个小通道54(即，与中心通道50相比是小的)，其中在图7中仅示出24个小通道54中的某些通道。图7与图5和6相比，显示通道50、54中的每一个完全地通过壳体50，并没有被上或下盖板42、44盖住。

首先考虑24个小通道54，它们提供用来固定多个控制棒18的结构。在某些实施例中，24个小通道54中的每一个保持住控制棒，以使多个控制棒18精确地由24个控制棒组成。在其它的实施例中，24个小通道54中的一个或多个可以是空的，或可以用作其它用途，例如，用作堆芯仪表导线的导管，在此情形中，多个控制棒18由少于24个控制棒组成。还应该认识到，终端配重元件32仅是说明性的实例，终端配重元件可具有其它横截面构造，其提供不同数量的控制棒，例如，多于或少于24个。

下面来考虑围绕中心通道50径向地间隔开90°的四个空腔52。基本上中空的壳体40和上及下盖板42、44合适地由不锈钢制成，但也可考虑采用其它材料。上及下盖板42、44密封四个空腔52。如图6中的侧视剖视图所示，四个空腔52用包括重材料的填料56填充，其中，术语“重材料”是指密度比形成中空壳体40的不锈钢(或其它材料)密度高的材料。例如，填料56可包括重材料，举某些实例来说，重材料诸如是钨(可供选择地呈粉末或颗粒形式)、耗尽的铀、钼、或钽。举例来说，不锈钢的密度约为7.5-8.1g/cm³，而钨的密度约为19.2g/cm³，钽的密度约为16.6g/cm³。在某些优选实施例中，组成填料56的重材料的密度至少是组成壳体40的材料密度的两倍。在壳体40包括不锈钢的某些优选实施例中，组成填料56的重材料的密度较佳地至少为16.2g/cm³(这里规定的量化的密度都是在室温下的密度)。

在某些实施例中，填料56对终端配重元件32的强度或刚度没有贡献。因此，可选择组成填料56的重材料而无需考虑其机械特性。出于相同的理由，填料56可呈实心插入件的形式，其尺寸和形状适于配装到空腔52内，或填料56可以是粉末、颗粒或其它的构造。盖板42、44密封空腔52，于是，也可考虑组成填料56的重材料是与压力容器10内流动的一次冷却剂不相容的材料。替代地，如果组成填料56的重材料是与压力容器10内流动的一次冷却剂相容的材料，则可考虑省略上盖板42，在此情形中，空腔52不密封。的确，如果填料56是固定地保持在空腔52内的固体材料，则可考虑省略上盖板42和下盖板44两者。

继续参照图5-7，并还参照图8，当控制棒18通过CRDM单元14的作用提升或下降时，终端配重元件32通过控制棒导向框架16。沿着紧急停堆方向S在终端配重元件32的长度上具有不变横截面的圆柱形构造简化了该设计方面。此外，控制棒导向框架16应像凸轮那样作用在每个控制棒18上，以提供希望的控制棒导向作用。为此目的，终端配重元件32的截面设计成有凹陷58(图7中表示出其中的某些凹陷)。如图8所示，控制棒导向框架16的匹配延伸部分60配装入这些凹陷58内。还在图8中示出的间隙G提供终端配重元件32外表面和控制棒导向框架16的接近的表面之间小的公差。控制棒导向框架16的24个部分圆形的开口包括终端配重元件32的24个小通道54，它们的尺寸适于像凸轮那样作用在控制棒18上。为完整起见，图8还示出设置在终端配重元件32中心通道50内的连接杆30。

图5-7示出，与没有四个空腔52而达到的实际横截面面积相比，对四个空腔52提供空间可大大地提高终端配重元件32的实际横截面面积(即，朝向紧急停堆方向S的侧面布置的面积)。在某些实施例中，朝向朝向紧急停堆方向S的侧面定向的横截面(包括盖板42、44包围的面积)的“填充系数”至少为50％，图7表明，对于图示的终端配重元件，填充系数基本上大于50％。因此，终端配重元件32的设计不同于典型的蛛状结构的“蛛网”设计，其优化成使朝向紧急停堆方向S的侧面的实际表面面积为最小，并且通常填充系数基本上小于50％以减小水力阻力。一般地，终端配重元件32的重量所获得的紧急停堆力更多偏置由四个空腔52赋予的较大的实际侧面表面面积的增大的水力阻力。

通过沿紧急停堆方向S拉长终端配重元件32，就可获得克服水力阻力和提高紧急停堆速度的附加的重量。所述另一方法，沿紧急停堆方向S的终端配重元件32的长度对朝向紧急停堆方向S侧面定向的最大尺寸之比可选择地等于或大于1，且更佳地等于或大于1.2。所示的终端配重元件32不是如典型的蛛状结构那样为大致平面的元件，但相反是体积的部件，其对连接杆30的下端提供基本上的终端重量。

所示的终端配重元件32具有的主要优点在于，它将包括重材料的填料56放置在放射性堆芯(包含在如图1所示的压力容器10底部附近的堆芯围板12内或被堆芯围板12支承)和CRDM单元14之间。组成填料56的重材料是密度高的材料，其通常有望高度吸收由反应堆堆芯产生的放射性。高放射性吸收是诸如钨、耗尽的铀、钼或钽之类重材料的特性，这些材料是说明性的实例。因此，包括重材料的填料56提供辐射屏蔽，其保护昂贵的(在某些实施例中，在各种程度上)对辐射敏感的CRDM单元14。

终端配重元件32沿紧急停堆方向S的伸长具有附加的益处，这些益处无关于提供的重量。沿紧急停堆方向S的伸长提供较长的长度，各个控制棒18可在该长度上固定到终端配重元件32，同样还提供较长的长度，连接杆30可在该长度上固定到终端配重元件32。这提供更好的机械联接，还提供提高的稳定扭矩以防止控制棒18倾斜。一般地，终端配重元件32沿紧急停堆方向S的伸长提供更加刚性的机械结构，其减小连接杆/终端配重元件/控制棒组件成问题的(或甚至成灾难的)变形的可能性。

终端配重元件32沿紧急停堆方向S的伸长的另一优点在于，它可供选择地允许终端配重元件32沿紧急停堆方向S成流线型。该变化未予示出；然而，可考虑修改图5的构造(举例来说)，使下横截面变窄，而使上横截面变宽，具有从较窄的横截面到较宽的横截面直径增大的锥形表面。用于固定控制棒的小通道54保持精确地平行于紧急停堆方向S定向(因此，位于最外位置的控制棒变得更短)。如此的流线型代表水力阻力(因流线型而减小)和由流线型造成的重量减轻之间的权衡。

代替上述可选的流线型，终端配重元件的横截面可以另外方式构造来减小水力阻力。例如，横截面可包括类似于小通道54的附加的通道(未示出)。但它们不填充控制棒或任何物件，代之以提供流体流动通道，以在紧急停堆过程中减小终端配重元件的水力阻力。

通过组合包括重材料(其增大终端配重元件32的平均密度，增大到大于不锈钢平均密度的值)的填料56和终端配重元件32的伸长(其增加终端配重元件32的总体积)，所示的终端配重元件32提供要求的重量。体积与平均密度的乘积给出了总质量(等于重量)。为了达到要求的重量，可在以下诸项中作出各种设计的权衡：(1)填料56的尺寸或数量或体积；(2)组成填料56的重材料的密度；以及(3)终端配重元件32的伸长长度。

在某些实施例中，可考虑使用包括重材料的填料而不伸长终端配重元件来达到要求的重量。在如此的实施例中，终端配重元件32可选地具有传统的基本上平面的和“蛛网”的蛛状结构，其中，蛛状结构的管子或其它连接元件是部分中空或完全中空，以形成含有包括重材料的填料的凹陷。如此的终端配重元件可被认为是“重蛛状结构”。

在其它实施例中，可考虑完全地省略填料材料，代之以完全依赖于伸长来提供所要求的重量。例如，通过省略四个空腔52和填料56，对所示的终端配重元件32可进行修改。在该构造中，壳体40可用单一实心不锈钢元件替代，其具有与壳体40相同的外周界，该单一实心不锈钢元件的顶部和底部形成(或也许更确切说，替代)上和下壳体盖板42、44。如此的实施例省略了包括重材料的填料，如果完全由不锈钢制成的细长的终端配重元件32提供足够的重量，那么就可合适地采用如此的实施例。如果不考虑终端元件的重量，但需要有细长终端元件的其它益处，诸如是提供较长的长度以使控制棒和/或连接杆30可靠地连接，或提供应是流线型的沿紧急停堆方向S的细长几何形，则也可合适地采用如此的实施例。

所披露的终端配重元件的各种实施例使用不锈钢壳体，其不损害提供用于将控制棒连接到连接杆的下端的合适结构的主要功能。同时，不锈钢壳体留出足够的空间或空腔体积，以允许包括重材料的填料可被插入。尽管不锈钢被认作壳体的优选材料，但应该理解到，还可使用具有理想的结构特性和反应堆压力容器相容性的其它材料。包括重材料的填料合适地是钨、耗尽的铀，或其它合适致密材料。

所披露的终端配重元件的各种实施例还具有沿紧急停堆方向S的伸长的长度。该伸长设计容易构造成配装到控制棒导向框架内，而无需对导向框架作任何的再设计(例如，放宽)，因此不影响整个控制棒组件的空间包络。该伸长的长度是可调整的设计参数，可设置得大一些或小一些以提供所要求的重量。加大伸长的长度通常提高控制棒组件的高度，且这可对特殊反应堆设计的伸长强加一个上限。(这可以至少部分地通过减小连接杆长度来补偿，但连接杆具有由要求的最大行程强加的最小长度)。

所披露的终端配重元件的另一优点在于，它可提供可调的重量。例如，在某些实施例中，不同的CRDM单元可位于不同的高度，或可支承不同质量的控制棒，这样，与不同CRDM单元相连的不同平移组件不相同。如果认为所有与各种CRDM单元相连的平移组件具有相同重量是有益的话，那么，可在不同终端配重元件32的空腔52内纳入不同量的包括重材料的填料，以平衡平移组件的重量。在某些情形中，这可导致某些空腔52内仅部分地填充有填料56。可供选择地，空腔52内未填充的空间可用诸如小块不锈钢(未示出)那样重量轻的填料材料填充，或可含有压缩的负载弹簧(未示出)以防止包括重材料的填料56在空陷52内移动。在为达到理想的总重量而选择重材料的填料56数量时，应合适地考虑到重量轻的填料或负载的弹簧的重量。举例来说，各种平移组件的平衡重量可以是有用的，以在各个平移组件中使用通用的柱塞或其它动能吸收元件。设计动能吸收元件(未示出)是为了在控制棒到达完全(即，最大)插入点时对经受紧急停堆的平移组件提供“软止挡”。

示例的终端配重元件32的壳体40用作能提供机械支承的结构部件。与连接杆30和控制棒18之间联接相关的所有载荷被传递到壳体40，该壳体用作各个控制棒的附连部位。

参照图9、10和11，各种附连构造可用来将连接杆30固定在终端配重元件32的壳体40的附连通道50内。在如此附连构造的一个说明性实例中，壳体40的中心通道50容纳J型锁阴附连组件70，其合适地同轴设置在壳体40的中心通道50内。图9示出J型锁阴附连组件70的侧视剖视图，而图10示出连接组件的侧视图，图11则示出连接组件的侧视剖视图。特别地参照图9，所示J型锁阴附连组件70包括套筒72，在所示实施例中该套筒72包括圆形的圆柱体，其同轴地焊接或其它方式固定在壳体40的中心通道50内。替代地，该套筒可与中心通道50的内表面做成一体，或由该内表面形成。套筒72用作壳体40和J型锁阴附连部件之间的接口，这些J型锁阴附连部件包括设置在套筒72内的三个J型锁销74(其中两个可在图9的剖视图中可见)。这些销74为设置在连接杆30下端处的J型锁阳附连组件80(见图11)提供连接点。一旦J型锁阳附连组件80与终端配重元件32接合，则J型锁柱塞76和J型锁弹簧78将连接杆30的J型锁阳附连组件80保持就位。(锁定结构显示在图11中)。

所示J型锁阴附连组件70还包括下柱塞82、内弹簧84和弹簧垫圈86，它们在紧急停堆过程中合作以吸收下部平移组件的冲击(即，控制棒18、终端配重元件32、连接杆30以及可选的导螺杆(未示出)平移的组合)。

所示的连接杆30下端和终端配重元件32之间的J型锁连接仅是一个实例。更一般的说，可考虑基本上任何类型的连接，包括其它类型的可拆卸的连接或永久性的焊接连接或一体的结构。J型锁结构具有的优点在于，通过简单的“推-和扭转”操作就可使连接杆30与终端配重元件32(和由此的控制棒18)脱开连接。这可使连接杆30在核反应堆换料过程中独立于平移组件的其余部分(即，终端配重元件32和附连的控制棒18)移动。

终端配重元件32的壳体40可使用各种工艺进行制造。在某些实施例中，可考虑使用电火花加工(放电加工)(EDM)技术来制造。EDM方法在不锈钢实心块上操作，然后将不锈钢块切割成蛛状的壳体40。有利的是，EDM既快又精密。其它构思的方法包括铸造技术或挤压成形技术，两种技术都是制造快速和材料成本低。

平移组件包括控制棒18、终端配重元件32、连接杆30以及可选的导螺杆(未示出)，该平移组件有利地是重量很重，以在反应堆紧急停堆事件中便于平移组件朝向反应堆堆芯快速和可靠地作紧急停堆。为此目的，终端配重元件32构造成重量重。这里披露的一种方法是通过增大终端配重元件32的平均密度来实现，通过添加包括重材料的填料56(这里，“重”是指大于不锈钢密度或组成壳体40的其它材料密度的密度)，使平均密度达到大于不锈钢密度的值(或更一般地，将平均密度提高到大于组成壳体40的材料密度的值)。为达到这一点，这里披露的另一种方法是沿紧急停堆方向S来伸长终端配重元件32。所示的终端配重元件32通过填料56和沿紧急停堆方向S的伸长终端配重元件32，使用提高的平均密度。

参照图10和11，添加地或替换地，增加平移组件的重量可通过提高连接杆30的密度来达到。为此目的，所示的连接杆30包括中空(或部分中空)的连接杆管90(如图11剖视图中所示)，其包含包括重材料的填料92。因此，连接杆管90起到类似于终端配重元件32壳体40的结构目的，而包括重材料的填料92起作类似于终端配重元件32的填料56的配重(或提高平均密度)目的。中空连接杆管90可采用诸如EDM(但较长管子长度对于此方法可能有问题)、铸造、挤压成型、铣切之类的各种技术进行制造。

在一个合适的实施例中，包括重材料的填料92呈钨小块的形式，每个小块的直径基本上与连接杆管90内直径相一致，并堆叠在连接杆管90内，选择堆叠的钨小块的数量以达到要求的重量。如果钨小块的数量不足以填满连接杆管90的内部体积，且要求连接杆管90避免这些小块移动，则可可选地通过合适的偏置结构，或用诸如不锈钢小块那样重量轻的材料来填充连接杆管90内部体积内的剩余空间，以此防止填料92移动。在图11所示实例中，采用了偏置结构，其中，连接杆管90的内部体积被上和下焊接的塞子94、96密封住，且压缩弹簧98占据沿紧急停堆方向S的任何宽松的部分，该宽松的部分可因填料92不完全填满连接杆管90的内部体积而产生。替代钨材，组成填料的重材料可以是耗尽的铀、钼、钽等，它们仅是某些其它的说明性的实例。填料92可包括一个或多个实心小块或棒、粉末、颗粒等。在连接杆30的情形中，术语“重材料”是指密度大于不锈钢或组成连接杆管90的其它材料密度的材料。举例来说，不锈钢的密度约为7.5-8.1g/cm³，而钨的密度约为19.2g/cm³，钽的密度约为16.6g/cm³。在某些优选实施例中，组成填料92的重材料的密度至少是组成中空连接杆管90的材料密度的两倍。在中空连接杆管90包括不锈钢的某些优选实施例中，组成填料92的重材料的密度较佳地至少为16.2g/cm³(这里规定的所有量化的密度都是在室温下的密度)。

继续参照图10和11，所示的连接杆30具有上端和磁铁102，该上端包括用来与CRDM单元14的锁闩(锁闩未示出)相固定的环形槽100，而磁铁102用于与控制棒位置传感器(未示出)连接。以下两个相关的专利申请描述了CRDM单元14的合适实施例，该CRDM单元14包括用于连续(灰棒)调整的电动机/导螺杆结构和用于使连接杆30与CRDM单元14脱开的分离的锁闩(导螺杆保持可操作地与电动机连接)：2010年3月12日提交的题为“用于核反应堆的控制棒驱动机构”的申请系列号12/722,622，以及2010年3月12日提交的题为“用于核反应堆的控制棒驱动机构”的申请系列号12/722,696，本文以参见方式引入它们的全部内容。

替代地，在其它的实施例中，导螺杆(未示出)与连接杆管90固定，或与连接杆管90形成一体，导螺杆与连接杆/终端配重元件(或蛛状结构)/控制棒一起实施紧急停堆(换句话说，导螺杆在紧急停堆过程中形成平移组件的一部分)。在某些如此替代的实施例中，电动机通过可分离的球螺母合适地联接到导螺杆，该球螺母分开后就可释放导螺杆和启动紧急停堆。

图示的连接杆30包括八个部件。使用中空的连接杆管90可增加连接杆30组件的重量。连接杆管90可以仅是部分中空，例如，仅是下部可以是中空的。包括重材料的填料92位于中空的连接杆管90内。在某些实施例中，填料92包括好几个较小的钨棒或小块。中空连接杆管90内钨棒或小块的数量被选择为达到要求的重量。如果采用具有不同CRDM单元的不同平移组件，则每个中空连接杆管90内的钨棒或小块的数量可以不同，且合适地选择以确保若干个CRDM单元的每个连接杆具有相同的重量。这一点是有利的，因为可以得出这样的结果：所有的CRDM单元可设计成不依赖于诸如连接杆的长度、控制棒组成等的诸多因素来提升单一重量。

如上所述，如此的重量“调节”也可通过调节终端配重元件32内的填料56来实现。如果同时采用填料56、92，则填料56、92的组合重量可通过调整填料56、92中一个或两个的数量和/或密度来调节。如果重量调节量预计较小，则在某些如此的实施例中，填料56、92可以是标准化的规格/重量的实心元件，然后，通过添加呈粉末、颗粒、小块或诸如此类状态的包括重材料的附加填料，可使总重量得到修整。

如果中空的连接杆管90的内部体积仅是被填料92部分地填充，则不锈钢棒或某些其它重量轻的填料(未示出)可插入其余的内部体积，以完全地填充该填装。附加地或替代地，可使用弹簧98或其它的机械偏置结构。可考虑让填料92“疏松地”布置在连接杆管90内；然而，如此的布置可在紧急停堆下落终止时使得动能的吸收变得复杂。

填料92通常具有比中空的连接杆管90的不锈钢(或其它材料)小的热膨胀系数。连接杆30在室温下组装，然后加热到其运行温度。对于长度例如为250厘米或以上的连接杆来说，热膨胀会导致连接杆管90增大几厘米或以上的数量或量级。填料92低的热膨胀系数使得填料92长度显著减少。弹簧98合适地补偿该效应。此外，如果弹簧98位于填料92下方(如图11所示)，则它可在紧急停堆下落终止时辅助耗散掉填料92的动能。

如图11中所示的实施例所示，中空的连接杆管90可短于连接杆30的总长度。在图示的情形中，连接杆30包括对应于J型锁阳附连组件80的位于连接杆管90下方的附加长度，并还包括对应于上部管的位于连接杆管90上方的附加长度，所述上部管包括锁闩槽100并容纳位置指示器磁铁102。可供选择地可提供上和下焊接塞94、96以密封中空连接杆管90的内部体积。这些塞94、96分别附连到中空连接杆管90的上和下端以密封内部的填料92和可选的弹簧98。在所示的实施例中，塞94、96的外端构造成便于分别连接上连接杆和J型锁阳附连组件80。

连接杆30还具有的实质优点在于，它将包括重材料的填料92放置在放射性堆芯(装在靠近如图1所示的压力容器10底部的堆芯围板12内或由堆芯围板12支承)和CRDM单元14之间。组成填料92的重材料是致密材料，该致密材料通常有望高度吸收由反应堆堆芯产生的放射性。高放射性吸收是诸如钨、耗尽的铀钼或钽之类重材料的特性，这些重材料是说明性的实例。因此，包括重材料的填料92提供辐射屏蔽，其保护昂贵的(在某些实施例中，在各种程度上)对辐射敏感的CRDM单元14。如果同时采用填料56、92，则该两种填料对CRDM有利的屏蔽效应作出贡献。

所示的控制棒/CRDM偶联包括以下的组合：(1)包括伸长的长度和填料56的终端配重元件32，以及(2)包括填料92的连接杆30。

在其它的控制棒/CRDM偶联实施例中，可考虑包括以下的组合：包括伸长的长找和填料56的终端配重元件32，但与传统的实心不锈钢连接杆(不带填料92)联接。

在其它的控制棒/CRDM偶联实施例中，可考虑包括以下的组合：包括伸长的长度但不包括填料56的终端元件(其可以是也可以不是配重元件)，其与以下联接：(i)包括填料92的连接杆30，或(ii)传统的实心不锈钢连接杆(不带填料92)。

在其它的控制棒/CRDM联接实施例中，可考虑包括以下的组合：没有伸长的长度的终端配重元件(例如，具有类似于传统蛛状结构的“蛛网”拓扑形)，但它包括设置在管中空区域或终端配重元件其它构件内的填料56，其与以下联接：(i)包括填料92的连接杆30，或(ii)传统的实心不锈钢连接杆(不带填料92)。

在其它的控制棒/CRDM联接实施例中，可考虑包括以下的组合：(i)不带伸长和填料56的传统蛛状结构，以及(ii)包括填料92的连接杆30。

已经图示和描述了多个优选实施例。显然，其它技术人员在阅读和理解以上详细描述后将会想到各种修改和替代方案。本发明应被认为包括所有如此的修改和替代，只要它们落入附后权利要求书或其等价物的范围之内。

Claims

1.一种装置，包括：

终端元件，所述终端元件适于将连接杆的下端和核反应堆的至少一个控制棒连接，终端元件具有比不锈钢密度高的平均密度。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，终端元件包括联接部分，所述联接部分构造成可拆卸地与设置在连接杆下端的匹配联接部分锁定，以便使终端元件与连接杆的下端连接。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，终端元件包括不锈钢和附加材料，其中，附加材料具有室温下至少为每立方厘米16.2克的密度。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，终端元件包括第一材料和第二材料，其中，在室温下第二材料的密度至少是第一材料密度的两倍。

5.控制棒/控制棒驱动机构(CRDM)联接器，包括：

与控制棒驱动机构单元可操作地连接的连接杆，以提供以下的至少一个功能：灰棒控制功能和停堆棒控制功能；以及

与连接杆下端连接的终端元件，该终端元件具有沿紧急停堆方向的伸长的长度，其至少与横向于紧急停堆方向的终端元件的最大尺寸相同，终端元件还连接到至少一个控制棒的上端。

6.如权利要求5所述的控制棒/控制棒驱动机构联接器，其特征在于，终端元件沿紧急停堆方向的伸长的长度至少是横向于紧急停堆方向的终端元件最大尺寸的1.2倍。

7.如权利要求5所述的控制棒/控制棒驱动机构联接器，其特征在于，终端元件具有大于不锈钢密度的平均密度。

8.一种装置，包括：

核反应堆压力容器；以及

控制棒组件，控制棒组件包括至少一个可移动的控制棒，该控制棒包括中子吸收材料，控制棒驱动机构(控制棒驱动机构)用于控制至少一个控制棒的运动，以及可操作地连接至少一个控制棒和控制棒驱动机构的联接器，该联接器包括与控制棒驱动机构接合的连接杆，以及与连接杆下端连接的终端元件，终端元件包括第一部分和第二部分，第一部分包括具有第一密度的第一材料，第二部分包括具有第二密度的第二材料，第二密度大于第一密度，终端元件还连接到至少一个连接杆。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，连接杆可拆卸地与控制棒驱动机构接合，所述可拆卸地接合的拆卸使平移组件朝向设置在核反应堆压力容器下部区域内的反应堆堆芯下落，该平移组件包括至少连接杆、终端元件以及至少一个控制棒。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，终端元件的第一部分支承或包含终端元件的第二部分。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，终端元件的第一部分包括钢制封闭构件，所述封闭构件封闭终端元件的第二部分。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，第二密度在室温下至少为每立方厘米16.2克。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，控制棒驱动机构设置在核反应堆压力容器内。

14.一种装置，包括：

核反应堆压力容器；以及

控制棒组件，控制棒组件包括至少一个可移动的控制棒，该控制棒包括中子吸收材料，控制棒驱动机构(CRDM)用于控制至少一个控制棒的运动，可操作地连接至少一个控制棒和控制棒驱动机构的联接器，该联接器包括与控制棒驱动机构啮合的连接杆，以及与连接杆下端连接的终端元件，终端元件具有平行于连接杆的最大尺寸，该尺寸大于或等于横向于连接杆的最大尺寸。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，平行于连接杆的终端元件的最大尺寸至少是横向于连接杆的终端元件最大尺寸的1.2倍。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，控制棒驱动机构提供以下的至少一个：至少一个控制棒运动的灰棒控制和停堆棒控制。