CN106297907B - 一种束状控制棒结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种束状控制棒结构，用于小型反应堆中，所述束状控制棒结构包括：束状控制棒，所述束状控制棒由多个子控制棒组成，所述束状控制棒上套设有多个束缚环对子控制棒进行固定，实现了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

一种束状控制棒结构
技术领域
本发明涉及核反应堆技术研究领域，具体地，涉及一种束状控制棒结构。
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，对于小型反应堆的反应性控制能力提出了更高要求。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，提高其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
本发明提供了一种束状控制棒结构，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，提高其反应性控制能力，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，本申请提供了一种束状控制棒结构，用于热功率为1000MW及以下、以船舶动力、热电联产为主要用途的小型反应堆中，所述束状控制棒结构包括：
束状控制棒，所述束状控制棒由多个子控制棒组成，所述束状控制棒上套设有多个束缚环对子控制棒进行固定。
其中，所述多个束缚环均匀分布在束状控制棒上。
其中，所述束状控制棒由4个子控制棒组成，每个子控制棒由束缚环及其它2个子控制棒构成3点径向定位。
其中，燃料棒按16×16栅格排列，每个导向管占用4个栅格位置，共设置有9个导向管，导向管内插入权利要求3所述的束状控制棒结构。
其中，所述束缚环的外径为21.0mm，厚度为0.5mm。
其中，所述子控制棒的外径为8.0mm。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
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，即增加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：在本申请中为了描述方便，将子控制棒描述为细控制棒，将控制棒描述为粗控制棒，由多个外径较小的细控制棒（可燃毒物棒）构成束状控制棒（可燃毒物棒），外围再利用环状束缚环进行固定，根据控制棒（可燃毒物棒）高度，在轴向可设置多个束缚环，束缚环的外径与单一粗控制棒（可燃毒物棒）的外径相同。
本申请实施例中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压水堆的束状控制棒（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，在适度减少吸收体装量的条件下，能够显著增加控制棒（可燃毒物棒）外表面积，弱化其空间自屏效应，进一步提高控制棒（可燃毒物棒）的反应性控制能力，从而获得更大的堆芯安全裕量或更长的换料周期。此外，束状控制棒与导向管之间的接触面积显著减少，可以增加控制棒下插速度，更快地向堆芯引入负反应性，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，非常有利于延长换料周期。本发明提出的束状控制棒及可燃毒物棒设计方法及设计方案，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是本申请中现有技术中小型反应堆单一控制棒组件布置示意图；
图2是本申请中束状控制棒横截面示意图；
图3是本申请中束状控制棒组件的结构示意图；
其中，1-导向管，2-单一控制棒，3-束缚环，4-子控制棒，5-束状控制棒。
具体实施方式
本发明提供了一种束状控制棒结构，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，本申请提供了一种束状控制棒结构，用于小型反应堆中，所述控制棒结构包括：
束状控制棒5，所述束状控制棒由多个子控制棒4组成，所述束状控制棒上套设有多个束缚环3对子控制棒进行固定。
在如图1所示现有技术中小型反应堆单一控制棒2（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1占用4个栅格，共布置了9个导向管，其外径为26.0mm，内径为24.0mm。控制棒（可燃毒物棒）的外径为21.0mm，在单位高度上控制棒（可燃毒物棒）的外表面积约为66.0mm2。
在如图2所示的束状控制棒（可燃毒物棒）横截面示意图中，束状控制棒（可燃毒物棒）由4个外径较小的控制棒（可燃毒物棒）即子控制棒4构成，束缚环3的外径为21.0mm，厚度为0.5mm。细控制棒（可燃毒物棒）的外径为8.0mm，在单位高度上控制棒（可燃毒物棒）的外表面积为100.5mm2，中子吸收外表面积显著增加。
如图3所示束状控制棒（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，束状控制棒5（可燃毒物棒）的中子吸收外表面积增加了约52%，外径减小了约62%，横截面积减少了约42%。此外，仅束缚环与导向管存在接触面，不仅中子吸收能力显著增加，而且各类阻力显著降低。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本发明提出应用于小型压水堆的束状控制棒（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，在适度减少吸收体装量的条件下，能够显著增加控制棒（可燃毒物棒）外表面积，弱化其空间自屏效应，进一步提高控制棒（可燃毒物棒）的反应性控制能力，从而获得更大的堆芯安全裕量或更长的换料周期。此外，束状控制棒与导向管之间的接触面积显著减少，可以增加控制棒下插速度，更快地向堆芯引入负反应性，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，非常有利于延长换料周期。本发明提出的束状控制棒及可燃毒物棒设计方法及设计方案，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 (4)

1.一种束状控制棒结构，用于小型反应堆中，其特征在于，所述束状控制棒结构包括：
束状控制棒，所述束状控制棒由多个子控制棒组成，所述束状控制棒上套设有多个束缚环对子控制棒进行固定，所述多个束缚环均匀分布在束状控制棒上，所述束状控制棒由4个子控制棒组成，每个子控制棒由束缚环及其它2个子控制棒构成3点径向定位。
2.根据权利要求1所述的束状控制棒结构，其特征在于，所述束缚环的外径为21.0mm，厚度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的束状控制棒结构，其特征在于，所述子控制棒的外径为8.0mm。
4.一种小型反应堆正方形燃料组件，其特征在于，燃料棒按边长为16个栅格的正方形进行排列，每个导向管占用4个栅格位置，共设置有9个导向管，导向管内插入权利要求1所述的束状控制棒结构。
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