CN106257596A - 一种小型反应堆异形控制棒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型反应堆异形控制棒，所述控制棒圆周面上设有多个凹槽，实现了利用本申请中的控制棒提高了反应性控制能力，降低了寿期末可燃毒物棒的反应性惩罚，提高了小型反应堆经济性与安全性的技术效果。

Description

一种小型反应堆异形控制棒
技术领域
本发明涉及核反应堆技术研究领域，具体地，涉及一种小型反应堆异形控制棒。
背景技术
小型反应堆用途非常广泛，如边远地区及海岛供电、海水淡化或水电热联产。为了简化系统，实现紧凑布置，降低建造成本，小型反应堆通常采用固体控制棒及可燃毒物棒进行后备反应性控制，以实现快速灵活的功率调节，并不采用核电站常用的可溶硼控制系统。但堆芯布置可供插入控制棒及可燃毒物棒的导向管数量是极为有限的，堆芯核设计还必须满足苛刻的“卡棒准则”要求（即堆芯在最大价值一束控制棒卡在堆外时，其余控制棒全部插入堆芯底部，可使堆芯处于次临界）。此外，长换料周期是当前小型反应堆的重要发展方向及重点，用于降低燃料成本，这对于小型反应堆的反应性控制能力及灵活性提出了更高要求。因此，在小型反应堆堆芯控制棒及可燃毒物棒布置数量不变的条件下，提高反应性控制能力及灵活性成为了小型反应堆堆芯设计需要解决的关键技术问题。
在现有小型反应堆堆芯设计中，为了提高控制棒及可燃毒物棒的反应性控制能力，通常导向管会占用多个棒栅位置，即采用粗导向管设计方案，以增加控制棒及可燃毒物棒外径，从而提高堆芯的反应性控制能力。但是，控制棒及可燃毒物棒中子吸收体材料的空间自屏效应，导致控制棒及可燃毒物棒外径增大后，中子吸收能力并没有大幅度增加。此外，可燃毒物棒外径增大，中子吸收体材料装量增加，在寿期末不能充分燃耗，会引起较大的反应性惩罚，减小堆芯的循环长度，降低经济性，这对于小型反应堆堆芯设计极为不利。
综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的控制棒及可燃毒物棒存在中子吸收能力增加幅度较小，容易引起较大的反应性惩罚，降低了小型反应堆的经济性和安全性的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种小型反应堆异形控制棒，解决了现有的控制棒及可燃毒物棒存在中子吸收能力增加幅度较小，容易引起较大的反应性惩罚，降低了反应堆的经济性和安全性的技术问题，实现了利用本申请中的控制棒提高了反应性控制能力，降低了寿期末可燃毒物棒的反应性惩罚，提高了小型反应堆经济性与安全性的技术效果。
本发明旨在克服现有小型反应堆控制棒及可燃毒物棒设计的不足及限制，在布置数量不变的条件下，通过改变控制棒及可燃毒物棒的设计形式，提高反应性控制能力，同时降低可燃毒物棒寿期末的吸收体残留量，从而提高小型反应堆的安全性与经济性。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种小型反应堆异形控制棒，所述控制棒圆周面上设有多个凹槽。
其中，所述多个凹槽均匀分布在所述控制棒圆周面上。以增加控制外表面积，减轻控制棒重量。
其中，所述控制棒圆周面轴向上设有多个凹槽。
其中，所述控制棒圆周面上均匀设有4个凹槽。
其中，所述凹槽为圆弧凹槽，凹槽的半径为控制棒半径的50%至60%，弧度大小为150度至160度。在保证控制棒结构强度条件下，实现控制棒外表面积最大化。
其中，燃料组件中的燃料棒按16×16栅格排列，每个导向管占4个栅格位置，共设置9个导向管，导向管中插入权利要求1-5中任意一个所述的控制棒。
基本原理：在适度减少控制棒（可燃毒物棒）中子吸收体装量的条件下，尽可能增加控制棒（可燃毒物棒）的外表面积，即增大与冷却剂的接触面积，以增加中子吸收并弱化空间自屏效应，从而提高反应性控制能力。
实现方式：在保证控制棒（可燃毒物棒）结构强度满足设计要求且不改变控制棒（可燃毒物棒）外径（最大几何尺寸）条件下，在控制棒（可燃毒物棒）外表面，切出多个不连续的、相互对称的且光滑的凹面。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提出应用于小型反应堆的异形控制棒（可燃毒物棒）设计方法，代替小型反应堆常用的大外径控制棒（可燃毒物棒）及设计方案，在适度减少吸收体重量条件下，能够显著增加控制棒（可燃毒物棒）得外表面积，弱化空间自屏效应，进一步提高控制棒（可燃毒物棒）的反应性控制能力，获得更大的堆芯安全裕量。此外，异形控制棒与导向管之间的接触面积显著减少，可以减少控制棒摩擦阻力，增加控制棒下插速度，从而提高小型反应堆安全性。另外，还可以使可燃毒物棒的中子吸收体得以充分燃耗，减少寿期末吸收体残留量，非常有利于延长换料周期。本发明提出的异形控制棒及可燃毒物棒设计方法，可以显著提高控制棒及可燃毒物棒的反应性控制能力，增强小型反应的安全性及经济性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请中小型反应堆圆柱形控制棒组件布置示意图；
图2是本申请中小型反应堆异形控制棒截面示意图；
图3是本申请中小型反应堆异形控制棒组件结构示意图；
其中，1-导向管，2-圆柱形控制棒，3-异形控制棒。
具体实施方式
本发明提供了一种小型反应堆异形控制棒，解决了现有的控制棒及可燃毒物棒存在中子吸收能力增加幅度较小，容易引起较大的反应性惩罚，降低了反应堆的经济性和安全性的技术问题，实现了利用本申请中的控制棒提高了反应性控制能力，降低了寿期末可燃毒物棒的反应性惩罚，提高了小型反应堆经济性与安全性的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一：
在实施例一中，请参考图1-图3，在如图1所示现有技术中小型反应堆圆柱形控制棒（可燃毒物棒）组件布置示意图中，燃料棒外径为9.5mm，栅距为12.7mm，燃料棒按16×16栅格布置。每个导向管占用4个栅格，共布置9个导向管，其内外径分别为24.0mm、26.0mm。圆柱状控制棒（可燃毒物棒）的外径为20.0mm，在单位高度上控制棒（可燃毒物棒）的外表面积仅为62.8mm2。
在如图2所示的异形控制棒（可燃毒物棒）横截面示意图中，异形控制棒（可燃毒物棒）是在如图1所示的外径为20.0mm的圆柱形控制棒（可燃毒物棒）基础上，在X-Y平面4个象限内，各切出1个半径为6.0mm且弧度为156o的凹面，4个凹面关于X轴和Y轴对称。在单位高度上控制棒（可燃毒物棒）的外表面积为87.7mm2。
如图3所示异形控制棒（可燃毒物棒）组件，与如图1所示传统圆柱形控制棒（可燃毒物棒）组件相比，控制棒（可燃毒物棒）的中子吸收外表面积增加了约40%，横截面积减少了约42%，控制棒（可燃毒物棒）与导向管的接触面减少了80%以上，不仅中子吸收能力显著增加，而且控制棒下插时的各类阻力显著降低。
本发明中的控制棒在不改变传统圆柱形状控制棒（可燃毒物棒）最大几何尺寸的条件下，在传统圆柱形控制棒（可燃毒物棒）外表面，切出多个不连续的、相互对称的且光滑的凹面。本发明提出的异形控制棒（可燃毒物棒）设计方法，能够显著增加吸收体外表面积，弱化其空间自屏效应，从而提高控制棒（可燃毒物棒）的后备反应性控制能力，获得更大的堆芯安全裕量或更长的换料周期，提高经济性。此外，异形控制棒与导向管之间的接触面积显著减少，控制棒下插速度更快，可进一步提高小型反应堆安全性。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提出应用于小型反应堆的异形控制棒（可燃毒物棒）设计方法，代替小型反应堆常用的大外径控制棒（可燃毒物棒）及设计方案，在适度减少吸收体重量条件下，能够显著增加控制棒（可燃毒物棒）得外表面积，弱化空间自屏效应，进一步提高控制棒（可燃毒物棒）的反应性控制能力，获得更大的堆芯安全裕量。此外，异形控制棒与导向管之间的接触面积显著减少，可以减少控制棒摩擦阻力，增加控制棒下插速度，从而提高小型反应堆安全性。另外，还可以使可燃毒物棒的中子吸收体得以充分燃耗，减少寿期末吸收体残留量，非常有利于延长换料周期。本发明提出的异形控制棒及可燃毒物棒设计方法，可以显著提高控制棒及可燃毒物棒的反应性控制能力，增强小型反应的安全性及经济性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种小型反应堆异形控制棒，其特征在于，所述控制棒圆周面上设有多个凹槽。
2.根据权利要求1所述的小型反应堆异形控制棒，其特征在于，所述多个凹槽均匀分布在所述控制棒圆周面上。
3.根据权利要求1所述的小型反应堆异形控制棒，其特征在于，所述控制棒圆周面轴向上设有多个凹槽。
4.根据权利要求1所述的小型反应堆异形控制棒，其特征在于，所述控制棒圆周面上均匀设有4个凹槽。
5.根据权利要求1所述的小型反应堆异形控制棒，其特征在于，所述凹槽为圆弧凹槽，凹槽的半径为控制棒半径的50%至60%，弧度大小为150度至160度。
6.一种小型反应堆正方形燃料组件，其特征在于，燃料组件中的燃料棒按边长为16个栅格的正方形进行排列，每个导向管占4个栅格位置，共设置9个导向管，导向管中插入权利要求1-5中任意一个所述的控制棒。
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