CN106941013B - 触发与插入设备及系统、核燃料组件、核反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及触发与插入设备及包括该设备的系统，该系统用于触发和将中子吸收剂和/或缓和剂插入到核反应堆的裂变区域中，该系统被安装在其中流动有冷却剂的核燃料组件中，系统包括设有用于将吸收剂(2)固定在未插入位置的保持装置(11)的容器(10)，该保持装置包括形成了用于待插入的组件(2)的端部构件(2.1)的座的至少三个挠性构件(20)，组件布置在挠性构件(20)之间，在冷却剂的温度处于触发温度之下时，锁定表面(31)防止端部构件自身从保持座脱离，在解锁定之后，通过挠性构件(20)的变形来释放端部构件(2.1)，变形由待插入的组件的质量所施加的力产生。本发明还涉及核燃料组件、核反应堆及钠冷快中子核反应堆。

Description

触发与插入设备及系统、核燃料组件、核反应堆

技术领域

本发明涉及一种用于触发和插入至少一个待插入的构件的自主的设备。如果发生普遍的堆芯熔化，该待插入的构件可以仅为吸收剂和/或缓和剂。缓和剂是指能够与构成组件的核燃料棒的包层的材料形成低熔点的共熔混合物的材料，并且这避免了形成将会妨碍核反应堆的堆芯中熔化的堆芯或堆芯熔体吸收剂和/或缓和剂的排空的堵塞物。

背景技术

自发的触发与插入设备尤其用于钠冷快中子反应堆(被称为SFR，sodium-cooledfast neutron reactor)和包括这种设备的核燃料组件中。

为了调控核反应堆的堆芯的活性以及限制反应堆的功能异常的影响，将该设备设置为将包括中子吸收剂材料的构件插入该反应堆中。在常规的运行中，这些构件可能是悬吊在堆芯上方的控制棒的形式。当探测到有必要降低反应堆的反应性时，将吸收剂构件插入到裂变区域中。

例如，反应堆的功能异常可能在于反应堆冷却回路中(例如在主回路中)的问题，在钠冷反应堆的情况下，泵停机减慢了液态钠的循环。这可能失去冷源，即，由主回路吸收的卡路里不再被正确地转移。

缺乏抗反应性的插入件时，这些功能异常则可能导致反应堆的堆芯的温度升高，这可能导致一个或多个组件熔化，或甚至导致堆芯的普遍熔化，这可能导致丧失反应堆的完整性。

通过将吸收剂构件插入到堆芯中，目的在于抑制中子反应以及在于使得反应堆的堆芯稳定在一定的温度，该温度适合于对所考虑的功能异常可接受的标准。

此外，为了确保在反应堆控制方面的最大的安全性，设置若干冗余的、多样化的和独立的停堆系统，以抵消普通模式的缺陷。

直至现今仍在SFR中应用的停堆系统(该停堆系统可被认为是传统的)从由外部电子指令或电信号丢失来触发将吸收剂构件插入的意义上来讲，是基于有源设备的。

对下一代SFR而言，设想如果发生传统的停堆系统失效，则增加新的停堆系统；因此，该“紧急”停堆系统的设备不可以在传统的停堆系统之前被触发。在装备多样化的逻辑下，并且为了摆脱仪器电路链与指令以及逻辑链的失效，设想从由物理现象而不是通过电子指令来直接触发将吸收剂构件插入的意义上来讲应用被动式的设备。例如能够想象对流率变化或对温度升高敏感的触发装置。已经对这些被动式的设备进行了大量的研究，但是如之前所说明的，该被动式的设备从未被应用于反应堆中。

文件US5051229描述了一种用于对待插入的组件进行触发和插入的被动式的设备。该设备包括填充有钠并且一端悬吊的波纹管，该钠随着反应堆之内的温度膨胀。将构件联接以插入的装置具有杯形状，该杯形状包括圆形的底部和两个侧壁，这两个侧壁在无变形的状态下是向外倾斜的，以使得侧壁的自由端部在该位置处支撑悬吊的构件。钠的膨胀引起波纹管的伸长。当反应堆之内的温度超过给定的温度时，波纹管的自由端部在小的杯状部的圆形底部上施加压力，这使得侧壁靠近到一起，去除了对待插入的组件进行的支撑，该组件由于重力而掉落。

该触发设备包括一种组件，该组件具有小的能够相对于彼此进行移动的自由部件，这需要对数个区域实行显著的间隙，以避免在反应堆的运行中尤其由于摩擦风险、腐蚀、存在杂质、扩散焊接而造成的卡住，以及以保证上述自由部件的相对移动。这些间隙的存在不利于设备的触发精度。

此外，该设备要求能够保证波纹管随时间的可靠性。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种生产上简化并且可靠的被动式触发与插入设备，该设备提供极大的安全性和更高的运行精度。

前述目的是通过一种用于对包括至少一个吸收剂和/或缓和剂构件的待插入的组件进行触发和插入的设备来实现的，该设备包括将所述待插入的组件悬吊在插入区域上方的装置和锁定悬吊装置的装置，悬吊装置由挠性构件构成，该挠性构件能够使待插入的构件处于至少一个第一悬吊位置和释放组件的第二位置，通过在挠性构件上施加压力或者通过待插入的组件的重量的作用，在由锁定装置解除锁定之后，该组件从第一位置转移到第二位置。对触发与插入设备的致动是至少部分地通过壳层的膨胀来实现的，其中，该壳层的膨胀控制锁定装置和如果需要时的压力的施加。

根据本发明的触发与插入设备具有简单的设计并且非常坚固耐用，以显著的方式降低了功能异常的风险。事实上，本发明未应用有卡住风险的任何机械铰合连接，这增加了该设备插入的可靠性。在堆芯异常运行导致了温度升高到给定的阈值之上，要确实将吸收剂构件和/或缓和剂插入的情况下，以及在常规运行中，要避免不适时地插入吸收剂和/或缓和剂构件的情况下，该设备均提供高水平的安全性和高运行精度。

在实施例中，挠性构件足够地刚性以支撑待插入的组件而不需要对挠性构件进行保持，并且通过由于壳层而产生的挠性构件的变形来对待插入的组件进行释放。

在另一个实施例中，挠性构件不是足够地刚性以单独地支撑组件到进行释放，锁定装置弥补了挠性构件的低刚性。一旦由待插入的组件的质量施加的力去除了锁定，就发生待插入的组件的释放。

以特别有利的方式，触发与插入设备被布置在核燃料组件的上部部分中，优选地基本布置在组件的轴线上。触发与插入设备则直接监察从承载组件的燃料束流出的总流率，该总流率实际上等于标准燃料组件的输出，这增进了设备进行触发和待插入的组件进行释放的精度和可靠性。

优选地，待插入的组件容纳在包括上部部分的容器中，在该上部部分的位置处布置有根据本发明的触发与插入设备。

优选地，承载组件被制造为既包括核燃料又包括待插入的组件，由根据本发明的设备控制该待插入的组件的插入，该设备被布置在组件的上部部分中。相比于仅专注于吸收剂和/或缓和剂的组件，对插入进行的触发更为快速并且更准确，因为燃料组件的冷却剂供给流率远比吸收剂组件的流率更为重要。

本发明的主题则是一种用于触发并且将待插入的组件插入到其中流动有冷却剂的核反应堆的裂变区域中的设备，所述设备具有基本竖直的纵向轴线并且包括纵向固定的部分和纵向能够移动的部分，固定的部分包括将待插入的组件保持悬吊在裂变区域上方的位置的保持装置，所述待插入的组件在能够移动的部分的作用下能够被至少部分地释放，能够移动的部分至少包括将保持装置锁定在待插入的组件的悬吊位置处的锁定装置和沿着所述锁定表面的纵向轴线移位的移位装置，锁定装置由被称为锁定表面的至少一个第一表面构成，移位装置由壳层构成，该壳层在冷却剂的温度上升的影响下能够以相对于固定的部分有差异的方式纵向地膨胀，所述锁定表面被布置以使得在冷却剂的温度升高期间，锁定表面轴向地移动离开保持装置，至少当冷却剂处于触发温度时锁定表面移动离开保持装置。保持装置包括围绕纵向轴线分布的至少三个挠性构件，所述挠性构件的形状被设置以使得形成用于待插入的组件的一端的座，所述组件被布置在挠性构件之间。锁定表面相对于挠性构件布置，以使得至少在冷却剂的温度处于小于或等于触发温度的给定温度之下时防止端部构件自身从保持座脱离，通过挠性构件的变形来实现端部构件的释放，所述变形是由壳层的膨胀或由待插入的组件的质量所施加的力而产生的。

有利地，挠性构件界定了能够径向变形的郁金香形状的保持座。

在优选的示例中，锁定表面为径向地布置在挠性构件的外部的表面。

在第一实施例中，挠性构件具有如下的刚性，该刚性使得在不存在锁定表面，给定的温度等于触发温度时，在由待插入的组件的质量施加的力作用下该挠性构件径向相互远离地移动。挠性构件则具有例如介于0.5mm到1.5mm之间的厚度。

在第二实施例中，挠性构件具有如下刚性，该刚性使得在不存在锁定表面时，该挠性构件支撑待插入的组件，其中给定的温度严格地处于触发温度之下。能够移动的部分可以包括启动表面，该启动表面因壳层而移位并且用于与挠性构件配合，以使得至少在处于触发温度时通过移动离开纵向轴线来使上述挠性构件变形。挠性构件则具有例如介于2mm到4mm之间的厚度。

在第二实施例中，启动表面可以是由固定到壳层的下游端部和该壳层内部的套管的纵向端部形成的环形表面，每个挠性构件例如均包括朝向纵向轴线倾斜的区域，该区域通过与启动表面配合而移动离开纵向轴线。

根据附加的特征，固定的部分包括与纵向轴线同轴的基本为管状的至少一个部分，壳层被布置在该至少一个部分内部。设备还可以包括使壳层和固定的部分的上游端部轴向地固定的装置，所述装置由于冷却剂的温度而被启动。

使壳层和固定的部分的上游端部轴向地固定的装置可以包括套管，该套管介于壳层与固定的部分之间并且与壳层和固定的部分通过肋与槽的组合配合。

设备可包括支撑套管，带状物被固定在该支撑套管上，所述支撑套管插入到固定的部分中。

在第一实施例中，能够移动的部分例如可包括承载锁定表面的控制头，所述控制头通过壳层延伸。

在第二实施例中，能够移动的部分可包括承载锁定表面的控制头和启动表面，所述控制头通过壳层延伸。

例如，壳层是由奥氏体钢制成的，并且固定的部分是由钨基合金制成的。替代地，壳层是由奥氏体钢制成的，并且固定的部分是由铁素体钢或铁素体-马氏体钢制成的。

本发明的另一个主题为一种包括根据本发明的触发与插入设备、沿纵向轴线形成固定的部分的容器和待插入的组件的触发与插入系统，所述容器包括沿纵向轴线的管状主体和夹持头，待插入的组件被容纳在该管状主体中，系统可通过该夹持头被夹持住，触发与插入设备沿冷却剂流动的方向被布置在夹持头的上游。

以有利的方式，容器在其下端部位置处为开放的，以使得冷却剂能够进入与壳层相接触。

待插入的组件有利地可包括端部构件，该端部构件被容纳在由挠性构件限定的座中，端部构件的形状与挠性构件的构造是使得在端部构件与座之间具有转节连结件。

以极为有利的方式，端部构件包括至少一个具有外径的半球状的部分，处于无变形状态的座的内径与端部构件的半球状的部分的外径之间的差大于锁定表面与挠性构件的面对部分之间的距离。

本发明的另一个主题为一种核燃料组件，该核燃料组件包括沿纵向轴线的壳体、裂变区域、从裂变区域的上端部延伸到所述裂变区域的高度的至少一部分的所述裂变区域中的中央自由空间、根据本发明的触发与插入系统、插入到所述中央自由空间中的容器的下端部，以及悬吊在所述触发与插入系统中的待插入的组件。

组件可包括护套，该护套形成中央自由空间的边界并且容纳容器的下端部。

待插入的组件可包括至少一个中子吸收剂和/或缓和剂构件。

有利地，待插入的组件包括多个相互铰接安装的构件，端部构件中的一个形成与保持触发与插入设备的装置配合的联接头，有利地，构件的至少一部分为球形形状的。构件例如被穿在线缆上。

例如，吸收剂构件至少包括第一吸收剂材料的构件和第二吸收剂材料的第二构件。

本发明的另一个主题为一种包括仅包含核燃料棒的组件和至少一个根据本发明的燃料组件的核反应堆，该反应堆有利地为钠冷快中子反应堆。

附图说明

基于以下的说明以及附图，本发明将被更好地理解，在附图中：

图1为示意性地示出了实现触发与插入系统的原理的示例的纵向截面图，该触发与插入系统包括根据本发明的第一实施例的触发与插入设备；

图2为在操作温度下在图1的控制头位置处的详细视图；

图3为在解锁定温度下图1的系统的详细视图；

图4为在标称运行温度下图1的系统的详细视图；

图5为在触发温度下图1的系统的详细视图；

图6A为图1的系统在容器与壳层之间的连接位置处的壳层与固定的部分之间的机械连结(为冷缩配合型的)的详细视图；

图6B为沿着图6A的平面A-A的截面图；

图7为示意性地示出了触发与插入系统的原理的一部分、在操作温度下在控制头位置处的纵向截面图，该触发与插入系统包括根据本发明的第二实施例的触发与插入设备；

图8为在操作温度下图7的系统的视图；

图9为在触发温度下图7的系统的视图；

图10A为图7的触发与插入设备的局部截面图；

图10B为图10A的视图的等距透视图。

应当理解的是，附图示出了本发明的原理并且是非限制性的。

具体实施方式

在本说明中，“承载组件”将指代根据本发明的包括核燃料和吸收剂构件的组件，以及“标准组件”将指代仅包括核燃料的组件。

此外，“常规运行”或“标称运行”指代反应堆在常规的温度条件下运行，以及“异常状况”指代反应堆的下述状态：在该状态下，该反应堆的温度超过安全阈值，这反映在冷却剂的温度上升到给定的阈值温度之上。

术语“上游”和“下游”是就冷却剂流体的流而言来考虑的，即，在附图中表现为该流是从底部向上的。术语“下部”和“上部”在本申请中可认为与“上游”和“下游”是同义的，触发与插入系统是竖直布置的。

另外，在以下的说明中，待插入的组件被描述为由中子吸收剂材料制成的构件的组件，然而本发明也适用于插入缓和构件的组件。

总的来说，核反应堆包括容纳部，多个核燃料组件彼此相近排布地布置在该容纳部中。组件构成了反应堆的堆芯。总体上，对钠冷快中子反应堆(SFR)而言，组件具有六边形的外横截面。对其它类型的反应堆而言，上述组件可具有诸如圆形或矩形截面之类的其它类型的外横截面。冷却剂在组件中和组件之间流动以吸收核燃料产生的热量，形成了主回路。组件包含例如分布在棒中的核燃料。组件包括核燃料的部分被称为裂变区域。为了调控反应堆的堆芯的运行，通过引入中子吸收剂材料来在裂变区域中提供抗反应性的插入件。在某些SFR(例如在法国)中，控制棒的吸收剂材料保持在组件中(更准确地，确保该吸收剂材料在组件中移动，并且该吸收剂材料的插入机构提供了组件与堆芯盖塞(CCP)之间的连结)。在常规的运行中，吸收剂材料部分地插入裂变区域中(控制棒)或者悬吊在裂变区域上方(附加的停堆棒)，并且为了关停反应堆，上述控制棒与停堆棒被全部地引入裂变区域到燃料棒束之内。

吸收剂材料例如是以控制棒、附加的停堆棒的形式，或者有利地，是以由吸收剂材料制成的构件的串的形式，该构件例如为椭圆、圆柱形的形状，或者以优选的方式为球形的形状。

在图1至图6B中可见实现根据本发明的触发与插入系统SI的第一实施例的示例，该触发与插入系统包括触发与插入设备DI，该触发与插入设备用于当温度处于阈值温度之下时将吸收剂构件组件2保持在裂变区域上方(图1至图4)，以及用于当温度在阈值温度之上时释放吸收剂构件组件2(图5)。

系统被设施C中的联接构件悬吊(图1)，以使得该系统被布置在核组件的上方。

在示出的示例中，组件2包括用于与触发与插入设备配合的端部构件和一个或多个由中子吸收剂材料制成的构件。如上文所描述的，吸收剂材料可以为控制棒或附加的停堆棒的形式。以有利的方式，组件包括多个由中子吸收剂材料制成的构件，该构件为球形形状并且被穿到确保一定的挠性的线缆上。

在示出的示例中，端部构件2.1包括基本为半球的形状，该半球的形状的凸面部分定向为上游。

出于简明的目的，“吸收剂构件组件”2在后文中将由“组件”2来指代。

在示出的特定示例中，如在图1中可见的，系统SI包括由管状的主体构成的容器10，该主体沿纵向轴线X在其下端部和上端部处开放，组件2被容纳在该主体中。容器被固定在组件中。

容器10的开放的下端部使得一方面对待插入的组件而言能够掉落到裂变区域中，并且另一方面对冷却剂流体而言能够进入到容器中以及能够与一部分在容器中的触发设备相接触。

容器是由耐火材料制成的，例如由钨基合金制成，该钨基合金例如为包括5％的铼的钨合金W-5Re，或者为WE-ODS，这些合金具有适于例如以机加工进行制造的延展性和回复性以及在处理期间和在反应堆中的操作期间合适的机械强度。

由触发与插入设备DI构成的组件和容器10构成了将在后文中进行描述的触发与插入系统SI。

容器10还包括使得触发与插入系统SI与该系统的柄部(handling)能够进行联接的联接构件9。

例如为液态钠的冷却剂在组件中沿着纵向轴线X从底部到顶部进行流动。

在图2中更为具体可见，触发与插入设备DI被部分地布置在容器10内部。设备DI包括保持组件2的装置11、锁定保持装置11的装置13和确保在异常状况下释放组件2的启动装置15。

触发与插入设备DI具有绕纵向轴线X旋转的形状。

触发与插入设备DI包括控制头18和壳层19。以有利的方式，壳层19位于容器10内部并且有利地延伸过容器的整个高度。该壳层则具有大的高度，并且相比于容器可产生更大的膨胀。壳层的大的高度还具有使壳层具有非常大的与冷却剂进行热交换的表面的优点，这使得能够将该壳层可能经受的局部热非均匀性整体化，并且因此改善了触发可靠性。

优选地，壳层19是固体的，冷却剂则在壳层与容器之间流动以确保冷却。

壳层19由具有高热膨胀系数的材料制成，该热膨胀系数大于容器10的材料的热膨胀系数。壳层19以及控制头18由提供了高热膨胀系数的材料制成，该材料例如为钢，更具体地为奥氏体钢，诸如用于棒的包层的奥氏体钢，诸如冷轧钢Z10 CNDT 15.15B(15/15Ti)。

壳层19可以是由奥氏体钢制成的，并且固定的部分可以是由铁素体钢或铁素体-马氏体钢制成的。

壳层19和容器10在它们的下端部位置处至少轴向地彼此刚性连接。

在示出的示例中并且以有利的方式，连接套管21在容器10的上游端部位置处被布置在该容器的内部并且该连接套管围绕壳层19的上游端部。

在示出的示例中，连接套管21在其上游端部处包括压靠容器的上游端部的基座21.1。此外，如在图6A和图6B中示出的，连接套管21例如在其圆筒形的外壁上包括轴向延伸的肋，该肋伸入到在容器10的内表面上形成的轴向的槽中。

在示出的示例中，连接套管21在其内表面上还包括轴向的槽，被制成在壳层19的外表面上的纵向的肋伸入到该轴向的槽中。由此实现了壳层19与容器10之间围绕轴线X的旋转锁定。肋与槽的配合还使得能够相对于郁金香状部10旋转地调节壳层。

以有利的方式，由于产生于连接套管21与容器10之间的有差异的径向膨胀，连接套管的外尺寸使得呈现嵌入式的连结。事实上，连接套管21例如由与壳层19相似的钢制成。在温度上升期间，连接套管21比容器更大地径向地膨胀，引起连接套管21与容器10之间产生紧缩。

有利地，装置(未示出)限制了在操作温度下壳层相对于套管的平移移位，对于该操作温度，未实现嵌入式的连结。

在变型中，连接套管21与壳层19之间的组件和连接套管21与容器10之间的组件可以以不同的方式来实现。

另外，无论温度为何，均可实现永久性的嵌入式连结。在变型中，可实现通过螺钉固定的连结。替代地，该连结可以是通过卷折实现的连结。壳层19例如可具有由机加工产生的特定的形状。

在另外的变型中，连接套管21和壳层19可由单件制成。

控制头18被固定在壳层上并且包括承载用于保持组件2的保持装置11和用于锁定该保持装置11的锁定装置13的主体。此外，在该实施例中，控制头18还包括释放装置15。

插入设备的“固定的部分F”指代至少包括容器10和连接到容器10上的保持装置11的组件。插入设备的“能够移动的部分M”指代至少包括锁定装置13和壳层19的组件。如将在后文中说明的，由于壳层19与容器10之间的膨胀系数差异，能够移动的部分M能够相对于固定的部分纵向地进行移动。

在示出的示例中，主体与壳层19是由单件制成的。此外，主体包括联接构件9。

保持装置11包括至少三个挠性构件20，这至少三个挠性构件围绕纵向轴线X分布并且其形状被设置以使得共同限定了用于组件2的端部构件2.1的保持座。

有利地，挠性构件20以规则的方式围绕纵向轴线分布。

在以透视的形式示出了根据第二实施例的设备的图10A和图10B中，可见在这些附图中以120指代的挠性构件，该挠性构件的数量为六个但仅示出了五个。挠性构件120的分布与其数量适用于根据第一实施例的设备。

在示出的示例中，每个挠性构件20均具有窄带的形状，该窄带的形状被设置以使得构成保持座。在本申请的剩余部分中，将使用术语“带状物”和词语“挠性带状物”来指代挠性构件。

如在图2中可见，每个挠性带状物20从上游到下游均包括第一部分20.1、第二部分20.2、第三部分20.3和第四直线区域20.4，该第一部分包括用于对该第一部分进行固定的基本为平的区域22和朝向纵向轴线X弯曲用于与启动装置15配合的区域24，该第二部分为相对于轴线X定向为向外的凹面并且构成了保持座的一部分，该第三部分为朝向轴线X定向的凹面，该第四直线区域基本平行于纵向轴线并且包括带状物的用于与锁定装置13配合的下游自由端部。

例如，带状物可以由奥氏体类型的钢制成。

有利地，带状物的组件限定了形状为杯状或郁金香状的保持座。组件2的端部构件2.1与带状物20的第二部分配合。由于该端部构件的半球形的上游部分，控制头18与端部构件2.1之间的连结为球铰连结，这使得能够确保控制头的被动重力置中。

应当理解的是，带状物的数量和带状物的形状不是限制性的。选择带状物的形状以使得带状物的组与构件2.1形成使得吸收剂组件能够被动重力置中的连结，该连结有利地为球铰连结。

例如在端部构件可具有另一种形状的情况下，保持座可具有另一种形状。例如，如果端部构件具有截头圆锥的形状，则带状物可以是模制的，以形成圆锥形的座。

带状物20相对于容器10被固定并且相对于壳层19进行布置，以使得上述带状物包围壳层19的下游端部，以及使得带状物的第一部分20.1的弯曲的区域24位于壳层19的自由端部的下游。

在示出的示例中，带状物20被固定在支撑套管26上，该支撑套管安装在容器10的上部区域中。支撑套管26在其下游端部处包括压靠容器10的下游端部的基座28。有利地，对支撑套管26进行的安装相似于对连接套管21进行的安装。

在示出的示例中，带状物20通过螺钉固定到支撑套管26上。

如在图10B中可见，有利地，支撑套管26的下表面包括用于每个带状物的纵向的外壳30。

在该实施例中，带状物为足够地刚性，以确保对待插入的组件进行自支撑(self-supporting)，即，上述带状物为足够地刚硬，使得在运行中不会蠕变或烧毁，因此如将在下文中说明的，当锁定装置13不径向地保持带状物20的自由端部时以及当对该带状物施加推力时，该带状物在组件2的重量作用下仅相互远离地移动。例如对于质量介于3kg到9kg之间的待插入的吸收剂构件而言，上述带状物具有介于2mm到4mm之间的厚度。

根据要插入的吸收剂组件的质量和壳层19的接入(implantation)限制与机械强度限制来选择带状物的厚度和数量。

锁定装置13被布置在壳层19的下游，并且用于在只要温度在所谓的解锁定温度之下的情形下用于形成带状物的自由端部的径向外止动部。

在第一实施例中，当温度处于标称功率温度之下时，锁定装置13避免了不适时地进行插入的风险。

在给定的温度之下时，锁定装置13使得形成了用于带状物的径向止动部，防止上述带状物彼此充分远离地移动，以致于使得待插入的组件不适时地掉落。

在示出的示例中，环形的表面31被径向地布置在处于锁定阶段的带状物20的下游端部的外侧。

在示出的示例中，锁定装置13有利地通过螺钉连接到壳层19，使得能够精准地调节触发。在变型中，可以由单件来生产锁定装置13和壳层。

如在图10A和图10B中清楚可见的，壳层19和锁定装置13通过杆32连接，带状物被布置在上述杆之间。因此，在示出的示例中，六个杆32限定了六个连接锁定装置13与壳层19的窗格34。

J1指代处于无变形状态下的带状物20的径向外面与锁定表面31之间的距离。J2指代端部构件2.1的半球状的部分的外径与由处于无变形状态下的带状物20界定的通道的内径之间的差。

以优选的方式，J2被严格地选定为大于J1。因此在锁定的状态下，如果带状物20彼此远离地移动，它们不能够彼此远离地移动以致形成具有足够直径的通道，以使得待插入的组件2的端部构件2.1能够通过。

启动装置15由启动表面36形成，该启动表面位于被界定在带状物20之间的空间中，并且轴向刚性地连接到壳层19的下游端部和带状物的部分24的上游。

更具体地，在处于触发温度之下的温度时，启动表面36轴向地位于带状物的区域24的上游，这些区域24朝向纵向轴线倾斜，并且在触发温度时，启动表面在区域24上施加足够的压力，以通过使带状物20移动远离纵向轴线来使上述带状物向外变形并且释放端部构件2.1。

在示出的示例中并且以优选的方式，启动表面36由固定到壳层内侧、在壳层19的下游端部处的套管38的下游端部形成，使得启动表面36被轴向地固定到壳层。启动表面36则位于带状物的内面24的旋转轴线的下游，这有利于带状物的变形。

套管38例如通过销固定在壳层上，该销受力被安插到套管38和壳层19中。

控制头18的主体在其下游端部面上包括窗格40(图10B)，该窗格使得冷却剂流体能够流动，所述流体也可经由轴32之间的窗格34流动。

现在将描述触发系统的运行。

在根据本发明的触发与插入系统运行过程中可根据该系统所经受的温度分为四个主要的状态：

-触发与插入系统SI在承载组件中的安装状态：该状态是在例如20℃的环境温度下，该环境温度被称为“安装温度”，

-设置有触发与插入系统SI的承载组件在反应堆的堆芯中的操作状态：该状态是在量级为180℃到250℃的温度下，该温度被称为“操作温度”，

-运行状态：该状态是在被称为标称功率温度的运行温度下，当组件在堆芯中处于运行时该温度的量级为550℃，

-触发状态：该状态是在本发明中的例如量级为660℃的阈值温度下，当处于该阈值温度时需要将吸收剂材料插入裂变堆芯中。

安装状态未示出，但该状态与图1和图2中所示出的非常相似。在安装状态下，触发与插入系统的各构件未由于热膨胀而变形。带状物20支撑组件2。锁定表面31所处的位置与形成带状物的下游端部的第四部分20.4一致，启动表面36位于相距倾斜区域24一定的距离处并且在倾斜区域24的上游。因此，带状物20被锁定并且组件2不能够被释放。则可以完全安全地对系统进行操作，而没有任何不期望地插入到燃料棒束中的风险。

作为示例，带状物的面对锁定表面的部分20.4沿着轴线X的尺寸等于5mm。

在操作状态下，触发与插入系统被安装在承载组件中，该承载组件布置在反应堆中。由于反应堆中的温度以及容器10的材料与壳层19和控制头18的材料之间的热膨胀系数的差异，在组件的容器10与壳层19和控制头18之间产生了有差异的膨胀。因此，在组件的容器10与壳层19和控制头18之间具有有差异的变形，并且锁定表面31与带状物20存在相对移位。由于有差异的膨胀，带状物20移动远离锁定表面31。在图3中可见锁定表面31与带状物的部分20.4之间的相对移位。

因此，在图3中示出的操作状态下，触发与插入系统的构件开始轻微地膨胀。该变形主要是沿着纵向轴线X发生的。

然而，在安装状态与操作状态之间，有差异的膨胀使得带状物20虽然相对于锁定表面31移位，但仍部分地面对锁定表面31，并且因此一直被锁定在保持组件2的位置处。因此，带状物20支撑组件2。组件2不能够被释放。则可以完全安全地对系统进行操作，而没有插入到裂变堆芯中的风险。

在图4中示出了运行状态。触发与插入系统的各构件在运行温度下被浸没在冷却剂中。壳层19与经由容器10的上游端部渗入的冷却剂相接触。因此，壳层19对组件的运行状态是敏感的。

在操作状态与运行状态之间，冷却剂的温度升高导致触发与插入系统的构件由于热膨胀的变形持续增大。在运行状态温度下，壳层19与容器10之间有差异的膨胀使得锁定表面31不再面对带状物20，并且带状物20因此被解锁定。此外，启动表面36与带状物20相接触。但带状物20仍然足够地朝向纵向轴线X倾斜，以确保对组件2进行保持(图4)。这种解锁定发生在例如量级为380℃的温度下。

在运行温度与触发温度之间，构件由于冷却剂的温度升高而继续膨胀。推挤表面在带状物20的区域24上施加向上的纵向压力。由于上述区域朝向纵向轴线X倾斜的定向，压力使上述区域向外移动远离。因此，带状物20径向向外地变形，这具有使得端部构件的座变形的效果。

当温度达到触发温度时，启动表面36和带状物20的相对移位使得带状物20彼此充分远离地移动，以在上述带状物之间界定了通道，该通道的内径大于端部构件20.1的外径。如图5所示，组件2沿裂变堆芯的方向掉落。

插入吸收剂构件确保了对链式反应进行中子抑制，以避免堆芯在短期内熔化，并具有与保持堆芯支撑结构的完整性相容的温度，用以有足够长的时间来实施校正功能。

因为触发与插入系统由于壳层与容器之间的通道被浸没在冷却剂中，所以系统的温度接近于冷却剂的温度，结果是系统的触发具有高精度。

触发系统完全是被动式的。此外，该触发系统不包括彼此铰接的部件，这避免了卡住的风险。

在图7至图10B中，示出了触发与插入系统S1'的第二实施例。

将使用相同的附图标记来指代根据第二实施例的系统的具有与根据第一实施例的系统的构件相同或相似的形状和功能的构件。

根据第二实施例的触发与插入系统S1'不同于第一实施例的系统，在该第二实施例中该系统不包括启动装置。

带状物120的形状和/或尺寸则被选择以具有足够低的刚性，以使得在上述带状物在其之间未形成用于待插入的组件的自支撑的座。例如，为此上述带状物具有介于0.5mm到1.5mm之间的厚度。

因此，为了带状物能够确保对待插入的组件进行悬吊，该带状物直到触发温度都被锁定装置保持在下述构型：该构型是用于待插入的组件的端部构件的座的形式的。

在该实施例中，与其中总体存在间隙J1的第一实施例不同，带状物的下游端部由于带状物的低刚性而压靠在锁定表面31上。

现在将描述触发系统的运行。

安装状态未示出，但该状态与图7中示出的状态非常相似。在安装状态下，触发与插入系统的各构件未由于热膨胀而变形。带状物120支撑组件2。带状物的第四部分120.4压靠在锁定表面31上。带状物120被锁定在保持组件2的位置处。则可以完全安全地对系统进行操作，而没有不期望地插入到燃料棒束中的风险。

作为示例，带状物的面对锁定表面的部分120.4沿着轴线X的尺寸等于10mm。

在操作状态下，触发与插入系统被安装在承载组件中，该承载组件布置在反应堆中。由于反应堆中的温度和容器10的材料与壳层19和控制头18的材料之间的膨胀系数的差异，在容器10与壳层19-控制头18组件之间产生了有差异的膨胀。因此，在容器10与壳层19和控制头18之间具有有差异的变形，并且锁定表面与带状物之间存在相对移位。由于有差异的膨胀，带状物向上游移位。在图8中可见锁定表面与带状物的部分20.4之间的相对移位。该移位是相对轻微的。

因此，在图7中示出的操作状态下，触发与插入系统的构件开始轻微地膨胀。该变形主要是沿着纵向轴线发生。

在图9中示出了运行状态。触发与插入系统的各构件在运行温度下被浸没在冷却剂中。

在操作状态与运行状态之间，冷却剂的温度升高导致触发与插入系统的构件由于热膨胀的变形持续增大。在运行状态温度下，壳层19与容器10之间的有差异的膨胀使得面对带状物和锁定表面的表面基本减小，但带状物20保持锁定在保持待插入的组件的位置处(图8)。

在运行温度与触发温度之间，构件由于冷却剂的温度升高而继续膨胀。锁定表面面对带状物120的部分仍确保了对带状物进行锁定。

当温度达到触发温度时，带状物的下游端部完全从锁定表面脱离。因此，上述下游端部不再锁定在保持待插入的组件的位置处。由于带状物的低刚性，所述带状物在待插入的组件的重量作用下彼此远离地移动，使得端部构件能够从被带状物保持到被释放，以及使组件由于重力而掉落(图9)。

在该实施例中，没有存在膨胀差异的部件在弹性的带状物上施加压力，以使得该带状物变形并且引起对吸收剂组件进行释放。

另外，该实施例没有将待插入的组件不适时地插入的风险，因为带状物被锁定表面所保持，直至冷却剂达到插入温度。

关于第一实施例，触发与插入系统完全是被动式的。此外，由于缩短的动态链，该系统具有极好的触发与插入精度。

以下的说明适用于两个实施例。就容器10而言，选择膨胀系数明显低于构成被动式启动装置的材料的膨胀系数的材料。可以选择钨基合金，该合金例如为合金W-5Re，即，钨与5％的铼的合金。还可以设想诸如W-ODS之类的合金。除了其低膨胀系数之外，钨由于其折射特性而具有在辐照下在所考虑的温度下膨胀微小的优点。

有利地，对所考虑的设计规范而言，合金W-5Re进一步地提供了令人满意的延展性。

替代地，可选择合金Z10 CNDT 15/15B用于容器并且将合金W-5Re用于壳层，因此该合金同时适合于触发与插入设备。

有利地，吸收剂组件包括多个由穿到确保一定的挠性的线缆6上的球形中子吸收剂材料制成的构件4。吸收剂组件在其上部端部处可包括上部端部构件，该上部端部构件区别于其它的构件，区别之处在于，该上部端部构件用于与触发与插入设备配合。该上部端部构件可具有截头圆锥的形状，该形状由朝向球形形状的构件定向的宽大的基底和侧面的表面构成。

吸收剂构件可由任何中子吸收剂材料制成。例如，该材料可以为或多或少地富集有¹⁰B的碳化硼(B₄C)。在申请WO2012/079664中描述的材料全部适用于本申请。吸收剂组件可包括一个或多个第一吸收剂材料的构件或者一个或多个另一种吸收剂材料的构件。

冷却剂可由任何合适的液态金属例如钠构成。可以设想快中子反应堆中的其它液态金属为铅和铅-铋。

优选能够良好地传导热量的钠。此外，在硼吸收剂的情况下，液态的金属介质使得能够避免容纳部由于来自¹⁰B的氦而高度增压的潜在问题。最后，金属介质的高黏度进一步地使得在掉落行程结束处能够确切地逐渐减速，这显著地限制了吸收剂陶瓷破碎的风险。

根据本发明的触发与插入设备由于构件2.1与带状物之间的连结使得实现了吸收剂组件以重力的方式进行置中，有利地，该连结为球铰连结。

在示出的示例中，触发与插入系统形成了组件，该触发与插入系统则完全独立于承载组件，并且因此有利地可独立于燃料组件进行管控。

因此，可以执行运行测试，例如对组件2进行非原位的(ex-situ)触发和掉落，即，在反应堆的外部，唯一地以容器10的比例来进行。在组件A中进行初步整合之前，可系统化地执行这些运行测试。

在系统功能异常的情况下如果需要可以核校或更换触发与插入设备，或者代替地可以重置该设备，以及可以独立于燃料组件的其它构件进行上述操作。可以不必整体地撤回组件而进行这种更换或这种重置。这种可能性具有独立于燃料组件的寿命来管控插入系统的寿命的优点，如果希望降低制造成本或者希望在周期的最后阶段的情况下使活性废料的量最小化，可以有利地利用该系统。

根据本发明的触发与插入设备尤其适合于可拆卸的触发与插入系统。事实上，由于触发与插入设备，更具体地由于在操作温度下确保锁定的锁定装置，避免了任何在操作状况下使带状物解锁定的风险，因此在将容器安装在承载组件中期间，以及例如在冲击的情形下，吸收剂构件的组件不能够分离，除非带状物、联接头或线缆出现断裂。在将组件整合到堆芯中期间(之前所描述的操作状态)也会体现出该优点。

由于根据本发明的燃料组件的结构和根据本发明的触发与插入系统的整体性，燃料的体积分数几乎不减小，并且事实上堆芯的中子性能也几乎不降低。

此外，根据本发明的组件的设计使得能够以最小的修改应用现有技术的组件的燃料循环，并且因此能够优化成本。

另外，根据本发明的组件的结构对燃料承载组件的水头损失几乎没有影响，并且因此对堆芯的热工水力的优化也几乎没有影响。

与根据本发明的触发与插入设备相关联地，根据本发明的组件以优化的方式使用燃料组件的流率，这确保了快速性和最大的触发精度。事实上，由于壳层在组件中的中心位置与该壳层的结构，看得出流率非常接近于标准燃料组件的流率，因此该壳层的膨胀代表了冷却剂的温度，并且因此代表了组件的状态。

由于根据本发明的触发与插入系统，达到了非常高水平的总体安全性，因为该系统完全独立于其它停堆系统并且具有多样化的设计。

根据本发明的触发与插入设备、触发与插入系统和承载组件尤其适合于在钠冷快中子反应堆中进行应用。也可将它们应用于其它类型的核反应堆中(以诸如铅或铅-铋之类的其它液态金属冷却的快反应堆、以气体冷却的快反应堆、压水式反应堆或沸水反应堆)。

Claims (27)

1.一种触发与插入设备，所述触发与插入设备用于触发并且将待插入的组件插入到其中流动有冷却剂的核反应堆的裂变区域中，所述触发与插入设备具有基本竖直的纵向轴线(X)，包括纵向固定的部分(F)和纵向能够移动的部分(M)，所述固定的部分(F)包括用于将所述待插入的组件(2)保持在所述裂变区域上方的悬吊位置处的保持装置(11)，所述待插入的组件在所述能够移动的部分(M)的作用下能够被至少部分地释放，所述能够移动的部分(M)至少包括用于将所述保持装置(11)锁定在所述待插入的组件(2)的悬吊位置处的锁定装置(13)和沿着所述锁定表面(31)的所述纵向轴线(X)移位的移位装置，所述锁定装置(13)由被称为锁定表面的至少一个第一表面(31)构成，所述移位装置由壳层(19)构成，所述壳层在冷却剂的温度上升的影响下能够以相对于所述固定的部分(F)有差异的方式纵向地膨胀，所述锁定表面(31)被布置以使得在冷却剂的温度升高期间，所述锁定表面(31)轴向地移动离开所述保持装置(11)，所述锁定表面(31)至少当冷却剂处于触发温度时远离所述保持装置(11)，

其中，所述保持装置包括围绕所述纵向轴线分布的至少三个挠性构件(20)，所述挠性构件的形状被设置以使得形成用于所述待插入的组件的端部构件的座，所述组件被布置在所述挠性构件之间，以及

其中，所述锁定表面(31)相对于所述挠性构件(20)进行布置，以使得至少在冷却剂的温度处于小于或等于所述触发温度的给定温度之下时防止所述端部构件自身从所述保持座脱离，所述端部构件的释放通过所述挠性构件的变形来实现，所述变形是由所述壳层的膨胀或由所述待插入的组件的质量所施加的力而产生的。

2.根据权利要求1所述的触发与插入设备，其中，所述挠性构件界定了能够径向变形的郁金香形的保持座。

3.根据权利要求1或2所述的触发与插入设备，其中，所述锁定表面(31) 为径向地布置在所述挠性构件(20)的外部的表面。

4.根据权利要求1或2所述的触发与插入设备，其中，所述挠性构件具有如下的刚性：该刚性使得在不存在所述锁定表面并且所述给定温度等于所述触发温度时，在由所述待插入的组件的质量施加的力作用下所述挠性构件径向相互远离地移动。

5.根据权利要求4所述的触发与插入设备，其中，所述挠性构件具有介于0.5mm到1.5mm之间的厚度。

6.根据权利要求1或2所述的触发与插入设备，其中，所述挠性构件(20)具有如下刚性：该刚性使得在不存在所述锁定表面(31)时所述挠性构件支撑所述待插入的组件，其中，所述给定温度严格低于所述触发温度，并且所述能够移动的部分(M)包括启动表面(38)，所述启动表面被配置为由于所述壳层而进行移位以及与所述挠性构件(20)配合，以使得所述挠性构件至少在所述触发温度下变形并移动远离所述纵向轴线。

7.根据权利要求6所述的触发与插入设备，其中，所述挠性构件具有介于2mm到4mm之间的厚度。

8.根据权利要求6所述的触发与插入设备，其中，所述启动表面(38)为由固定到所述壳层(19)的下游端部和所述壳层内部的套管的纵向端部形成的环形表面，每个挠性构件(20)均包括朝向所述纵向轴线倾斜的区域，该区域通过与所述启动表面配合而移动远离所述纵向轴线。

9.根据权利要求1或2所述的触发与插入设备，其中，所述固定的部分(F)包括与所述纵向轴线(X)同轴的基本为管状的至少一个部分，所述壳层(19)被布置在所述至少一个部分的内部，所述设备包括用于使所述壳层和所述固定的部分(F)的上游端部轴向固定的固定装置，所述固定装置由于冷却剂的温度而被启动。

10.根据权利要求9所述的触发与插入设备，其中，所述固定装置包括套管(21)，所述套管介于所述壳层(19)与所述固定的部分(F)之间并且与所述壳层和所述固定的部分(F)通过肋与槽的组合配合。

11.根据权利要求1或2所述的触发与插入设备，其中，所述触发与插入设备包括支撑套管(26)，带状物(20)被固定在所述支撑套管上，所述支撑套管(26)插入到所述固定的部分(F)中。

12.根据权利要求4所述的触发与插入设备，其中，所述能够移动的部分(M)包括承载所述锁定表面(31)的控制头(18)，所述控制头(18)通过所述壳层(19)延伸。

13.根据权利要求6所述的触发与插入设备，其中，所述能够移动的部分(M)包括承载所述锁定表面(31)的控制头(18)和启动表面(38)，所述控制头(18)通过所述壳层(19)延伸。

14.根据权利要求1或2所述的触发与插入设备，其中，所述壳层(19)由奥氏体钢制成，并且所述固定的部分(10)由钨基合金制成。

15.根据权利要求1或2所述的触发与插入设备，其中，所述壳层(19)由奥氏体钢制成，并且所述固定的部分由铁素体钢或铁素体-马氏体钢制成。

16.一种触发与插入系统，所述触发与插入系统包括根据权利要求1至15中任一项所述的触发与插入设备、沿纵向轴线形成所述固定的部分(F)的容器(10)和待插入的组件(2)，所述容器(10)包括沿纵向轴线的管状主体和夹持头(9)，所述待插入的组件(2)被容纳在所述管状主体中，所述系统通过所述夹持头被夹持住，所述触发与插入设备沿冷却剂流动的方向被布置在所述夹持头的上游。

17.根据权利要求16所述的触发与插入系统，其中，所述容器(10)在其下端部位置处为开放的，以使得冷却剂能够进入与所述壳层(19)相接触。

18.根据权利要求16或17所述的触发与插入系统，其中，所述待插入的组件(2)包括端部构件(2.1)，所述端部构件被容纳在由所述挠性构件(20)限定的座中，所述端部构件的形状与所述挠性构件的构造使得在所述端部构件与所述座之间具有球铰连结件。

19.根据权利要求18所述的触发与插入系统，其中，所述挠性构件(20)具有如下刚性：该刚性使得在不存在所述锁定表面(31)时所述挠性构件支撑所述待插入的组件，其中，所述给定温度严格低于所述触发温度，并且所述能够移动的部分(M)包括启动表面(38)，所述启动表面被配置为由于所述壳层而进行移位以及与所述挠性构件(20)配合，以使得所述挠性构件至少在所述触发温度下变形并移动远离所述纵向轴线，所述端部构件(2.1)包括具有外径的至少一个半球状部分，处于无变形状态下的所述座的内径与所述端部构件(2.1)的半球状部分的外径之间的差大于所述锁定表面(31)与所述挠性构件(20)的面对部分之间的距离。

20.一种核燃料组件，所述核燃料组件包括沿纵向轴线的壳体、裂变区域、从所述裂变区域上端部延伸到所述裂变区域的高度的至少一部分的所述裂变区域中的中央自由空间、根据权利要求16至19中任一项所述的触发与插入系统(SI)、插入到所述中央自由空间中的容器的下端部，以及悬吊在所述触发与插入系统(SI)中的待插入的组件(2)。

21.根据权利要求20所述的核燃料组件，其中，所述核燃料组件包括护套(54)，所述护套形成所述中央自由空间(52)的边界并且容纳所述容器(10)的下端部。

22.根据权利要求20或21所述的核燃料组件，其中，所述待插入的组件(2)包括至少一个中子吸收剂和/或缓和剂构件。

23.根据权利要求22所述的核燃料组件，其中，所述待插入的组件(2)包括多个相互铰接安装的构件(4)，所述端部构件中的一个形成与保持所述触发与插入设备(DI)的保持装置(11)配合的联接头。

24.根据权利要求23所述的核燃料组件，其中，所述构件(4)被穿在线缆(6)上。

25.根据权利要求23或24所述的核燃料组件，其中，吸收剂构件(4)至少包括第一吸收剂材料的构件和第二吸收剂材料的第二构件。

26.一种核反应堆，所述核反应堆包括组件，该组件仅包含核燃料棒和至少一个根据权利要求20至25中任一项所述的燃料组件。

27.一种钠冷快中子核反应堆，所述钠冷快中子核反应堆仅包含核燃料棒和至少一个根据权利要求20至25中任一项所述的燃料组件。

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