CN108475545B - 用于核反应堆的吸收棒组件和吸收棒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种吸收棒组件，包括至少第一吸收组件(22)和第二吸收组件(24)，其中每个组件分别包括中子吸收元件(20)，其中每个所述第一吸收组件(22)和所述第二吸收组件(24)的吸收元件(20)由选自中子吸收材料组中的相同材料或相同材料组合制成，所述中子吸收材料组由第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和六硼化钐组成，其中第一吸收组件(22)的吸收元件(20)具有不同于第二吸收组件(24)的吸收元件(20)的横截面结构。

Description

用于核反应堆的吸收棒组件和吸收棒
技术领域
本发明涉及用于压水核反应堆的吸收簇的领域。
背景技术
压水反应堆(PWR)包括一个堆芯，该堆芯包括并置在反应堆容器中的多个核燃料组件。
核燃料组件包括插入支撑结构中的一束燃料棒，其中支撑结构包括下嘴和上嘴，燃料棒布置在下嘴和上嘴，连接下端和上端的导管以及固定在导管上并沿上、下嘴之间的导管分布的定位栅格，其中定位格架保持住燃料棒。
导管的目的是确保支撑结构的刚性，并使用于缓和核反应堆堆芯反应性的中子吸收棒插入核燃料组件。
吸收棒的上端通过支撑件连接在一起。由支撑件和由支撑件支撑的吸收棒束形成的组件称为吸收簇。支撑件通常具有星形形状，有时被称为蜘蛛形(spider)，或者具有称为支撑板或板的大体上为正方形的穿孔形式。
可以提供也被称为控制簇或调节簇的移动吸收簇，其中的每一个吸收簇通过其各自的蜘蛛形悬挂至核反应堆的簇控制机构的控制棒上，并且在反应堆的正常操作期间是垂直可移动的以在核燃料组件的导管中或多或少地延伸降低它们的吸收棒以调节核反应堆堆芯的反应性。
提升这些控制簇以增加核反应堆堆芯的反应性或降低所述控制簇以降低核反应堆堆芯的反应性。
这些控制簇与控制棒分离，以快速并完全降低吸收棒进入核燃料组件以停止核反应堆。
可以在核反应堆堆芯的不同区域提供不同类型的控制簇，例如高吸收性控制簇或黑色簇，以及较少的吸收性控制簇或灰色簇。吸收灰色簇通常具有其吸收性适合于所需水平的吸收棒，并且通常是由钢制成的惰性棒。
也可以提供固定的吸收簇，在核反应堆的正常操作期间，在期望限制堆芯反应性的区域内，由支撑板支承的杆保持插在相应的核燃料组件中。
例如，这种固定的吸收簇布置在位于核反应堆堆芯外围的核燃料组件中，以减少中子活性并限制容器的辐射。
固定的吸收簇具有吸收性能适应于所需水平的吸收棒，并且可以是具有通常呈短钢棒形式的惰性棒。
无论吸收簇是固定的还是可移动的，其吸收棒通常包括管护套和由中子吸收材料制成的圆柱形吸收元件堆叠形成的吸收柱。吸收元件通常以圆柱形芯块的形式提供，其高度为10至20mm，直径为7至9mm，或者以若干节圆柱形棒的形式提供，其截面直径基本上与芯块一样，其长度可达几厘米甚至几米，即吸收柱的总长度。在某些情况下，吸收棒可以直接由无护套棒构成并直接由吸收材料制成。
吸收簇的吸收棒的吸收柱的高度至少等于包含在燃料棒中的可裂变材料柱的高度，以允许当完全插入核反应堆堆芯时通过固定吸收簇和移动吸收簇的吸收柱完全回收可裂变材料柱。
固定吸收簇的吸收棒通常由含有玻璃化硼硅盐的管形钢套组成。
可以使用的护套式吸收棒，其包括由银-铟-镉(SIC)制成的吸收元件、由钛酸镝制成的吸收元件、由铪酸镝制成的吸收元件和/或由碳化硼(B4C)制成的吸收元件，或使用用于移动吸收簇的铪基无护套吸收棒。
特别地，可以使用包含在吸收棒下部由银-铟-镉(SIC)制成的吸收元件和在吸收棒上部由碳化硼(B4C)制成的吸收元件的吸收棒。
一方面，当控制簇完全没有被插入或者只插入一点时，或者当反应堆关闭时，这使得可以具有适应于反应堆正常运行的中子效率，由于当控制簇完全插入时，吸收棒上部的中子吸收较高，另一方面，在核反应堆紧急关闭的情况下，使得具有足够大的质量以确保在安全规则规定的时间内降低控制簇。
但是，SIC的组分是稀有材料(铟)、有毒物质(镉)，或在受辐射后产生显著的放射性活性(银)的材料。此外，在辐照的作用下，SIC膨胀并可能导致护套变形和开裂。
另外，在辐射下碳化硼产生氦气和气体氚。氚通过钢套进入主回路。从850℃开始，碳化硼与护套的钢反应。从1150℃开始反应变得明显，导致护套变脆。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种吸收簇，该吸收簇具有令人满意的中子吸收和质量特性，该吸收簇避免使用银-铟-镉合金，并如果有可能，限制或避免使用碳化硼，并且使用在辐射下无膨胀或低膨胀的吸收材料。
为此目的，本发明提供了一种用于压水核反应堆的吸收簇，其包括吸收棒束，其中每个吸收棒包括管护套和由容纳在管护套内部的堆叠的中子吸收元件形成的吸收柱，其中每个吸收元件沿着纵向轴线延伸并且具有由所述吸收元件的横截面几何形状、成分和孔隙率确定的横截面结构，其中吸收柱包含至少两个吸收组件，并且其中每个吸收组件由具有相同横截面结构的多个吸收元件组成，其中所述簇至少包括第一吸收组件和第二吸收组件，而第一吸收组件和第二吸收组件中的每一个的吸收元件由选自中子吸收材料组的相同材料或相同的材料组合制成，其中所述中子吸收材料组由第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和六硼化钐组成，其中第一吸收组件的吸收元件具有不同于第二吸收组件的吸收元件的横截面结构。
吸收簇单独地或以任何技术可行的组合可选地包括一个或多个以下特征：
-第一铪酸钐含有8mol％至20mol％的氧化钐，第二铪酸钐含有50mol％至60mol％的氧化钐；
-第一铪酸铕含有43mol％至54mol％的氧化铕，第二铪酸铕含有19mol％至26mol％的氧化铕；
-至少一个吸收组件的吸收元件由第一铪酸铕和/或第二铪酸铕制成，
-第一吸收组件的吸收元件仅由第一铪酸钐、仅由第二铪酸钐、仅由第一铪酸铕和/或仅由第二铪酸铕制成，而第二吸收组件的吸收元件仅由碳化铪制成；
-第一吸收组件的吸收元件和第二吸收组件的吸收元件布置在不同的吸收棒中；
-包括与容纳第二吸收组件的吸收元件的吸收棒数量同样多的容纳第一吸收组件的吸收元件的吸收棒；
-第一吸收组件的吸收元件和第二吸收组件的吸收元件布置在两个相邻的不同吸收棒中；
-仅包括第一吸收组件和第二吸收组件；
-包括第三吸收组件，所述第三吸收组件包括仅由碳化硼、仅由六硼化钐或仅由第一铪酸铕和/或第二铪酸铕制成的吸收元件；
-第三吸收组件的吸收元件布置在容纳第一吸收组件和第二吸收组件的吸收元件的吸收棒中，优选地布置在所述吸收棒的上部；
-第一吸收组件和第二吸收组件中至少一个的吸收元件含有所述材料组中的不同材料和/或第一吸收组件中和第二吸收组件中至少一个的吸收元件只包括所述材料组中的一种材料；
-包括至少一个仅含有同一吸收组件的吸收元件的吸收柱和/或至少一个含有至少两个不同吸收组件的吸收元件的吸收柱；
-第一吸收组件的吸收元件和第二吸收组件的吸收元件由所述材料组中的相同材料或相同的材料组合制成，并且它们的横截面的几何形状和/或孔隙率不同；
-至少一个吸收组件的吸收元件仅包含第一铪酸铕和/或第二铪酸铕；
-至少一个吸收组件包括吸收元件，该吸收元件具有多层横截面结构，所述多层横截面结构包括多个层，每个层都由所述材料组中的材料或材料组合制成，其中每个吸收元件包括至少两个不同组成和/或不同的孔隙率水平的层；
-包括至少一个吸收柱，所述吸收柱包括以重复模式沿吸收柱分布的第一吸收组件的吸收元件和第二吸收组件的吸收元件；
-包含在第一吸收组件和第二吸收组件中的吸收元件中的第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和/或六硼化钐为立方晶相。
本发明还涉及一种用于压水核反应堆的吸收棒，包括管护套和由容纳在所述护套内的中子吸收元件堆叠形成的吸收柱，其中所述吸收柱包括至少两个吸收元件并且每个吸收元件由选自中子吸收材料组的材料或材料组合制成，所述中子吸收材料组由第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和六硼化钐组成，其中所述吸收元件的横截面结构不同。
附图说明
通过参考附图阅读以下仅以示例的方式给出的描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：
-图1示出了根据本发明的用于压水核反应堆的，部分地插入到核燃料组件中的可移动吸收簇的透视图；
-图2示出了图1吸收簇的吸收棒的轴向局部视图；和
-图3至图5示出了可插入到图2的棒中的吸收元件的截面图。
-图6示出了根据本发明的固定吸收簇的透视图。
具体实施方式
图1中所示的吸收簇2包括支撑件4和由支撑件4支承的吸收棒束6。
支撑件4将吸收棒6保持为束的形式，其中吸收棒6彼此平行且被布置以配合置于核燃料组件10的导管8中。
在操作时，吸收棒6基本上竖直地延伸。以下，术语“垂直”和“高度”指的是吸收棒6的垂直延伸方向。
图1的吸收簇2的支撑件4具有星形形状。它包括中央鞍形件12，通常称为翅片的臂14由此以星形的形式延伸。每个臂14支承一个或多个吸收棒6。
如图2所示，每个吸收棒6包括管护套16和容纳在管护套16内部的吸收柱18。
吸收柱18由一叠中子吸收材料制成的吸收元件20形成。吸收元件20垂直堆叠在管护套16中。
每个吸收元件20具有圆柱形形状并且沿纵向轴线A延伸。当吸收元件20容纳在管护套16中时，纵向轴线A基本上竖直。
吸收元件20具有圆柱形芯块或圆柱形棒状节段或“棒”的形状。优选地，吸收元件20是圆柱形芯块。
每个吸收元件20具有沿其纵轴A的高度。
每个吸收元件20具有垂直于吸收元件20的纵轴A的横截面。
横截面具有特定的几何形状。横截面例如是管状或实心的。该横截面具体用外径表征，并且在适当的情况下用内径表征。
每个吸收元件20包括至少一个层。每个吸收元件20包括以纵向轴线A为中心的单个或多个同心层。层的数量和厚度还确定吸收元件20的横截面的几何形状。
吸收元件20的两个不同层的组成(即构成这些层的材料或材料的组合)和/或这些层的孔隙率不同。
每个吸收元件20由一种材料或不同材料的组合制成。不同的材料被布置在不同的层中或混合在同一层中。
每个吸收元件20具有由横截面的几何形状(实心、管状、外径、内径、层数、每层的厚度......)、组成(构成的各层的材料或材料组合)和孔隙率(各层的孔隙率)确定的横截面结构。
当吸收元件20包括多个层时，对于每个层，若它们的横截面结构具有相同的横截面几何形状、组成和孔隙率，则两个吸收元件20具有相同的横截面结构。
如果吸收元件包括若干层，那么对于其中至少一个层，如果两个吸收元件20的横截面几何形状、组成和/或孔隙率至少有一种不同，则两个吸收元件20具有不同的横截面结构。
吸收簇2的吸收柱18包含至少两个吸收组件22、24、26，其中每个吸收组件22、24、26由具有相同横截面结构的多个吸收元件20组成。
同一吸收组件22、24、26的吸收元件20具有相同的横截面结构，但可选地具有不同的高度。同一吸收组件的吸收元件20仅在其高度上相同或不同。
吸收柱18至少包括第一吸收组件22和第二吸收组件24。
第一吸收组件22的吸收元件20由选自中子吸收材料组中的相同材料或相同的材料组合制成，所述中子吸收材料组由第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和六硼化钐组成。
第二吸收组件24的吸收元件20也由选自中子吸收材料组中的相同材料或材料的相同组合制成，所述中子吸收材料组由第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和六硼化钐组成。
第一吸收组件22的吸收元件20与第二吸收组件24的吸收元件20的横截面结构不同，即至少是横截面几何形状、组成和/或孔隙率之一不同。
表述“由材料组合制成的吸收元件20”通常指吸收元件20包括多种材料，这些材料在例如由不同吸收材料制成吸收元件20的同一层中混合和/或分别在吸收元件20的不同的层中。
这里所用的表述“相同”、“相同材料”或“相同的材料组合”、“相同横截面结构”、“相同横截面几何形状”和“相同孔隙率”扩展至包括必要的制造或测量公差。
这里使用的表述“吸收柱18包含至少两个吸收组件22、24、26”指吸收组件22、24、26作为整体存在于吸收簇2的吸收柱18中。
每个吸收组件22、24、26包括布置在吸收簇2的同一吸收柱18中的若干吸收元件20和/或分布在若干吸收柱18中的若干吸收元件20。
两个吸收组件22、24、26的吸收元件20可以含在各自不同的吸收柱18中和/或两个吸收组件22、24、26的吸收元件20可以包含在同一吸收柱18中。
表述“第一铪酸铕”和“第二铪酸铕”表示两种限定的化合物，其例如由氧化铪(HfO2)和氧化铕(Eu2O3)之间的反应形成的，具有不同的组成，特别是处于不同范围的铕的摩尔含量。
应该注意的是，“定义的化合物”是在恒温下发生相变的化合物。相图上的垂直线表示存在定义的化合物。
优选地，第一铪酸铕含有43mol％至54mol％的氧化铕，而第二铪酸铕含有19mol％至26mol％的氧化铕。这两种材料具有不同的吸收能力和密度。在这两个范围内，可以得到立方晶相的铪酸铕，其具有在辐射下不膨胀或几乎不膨胀的优点。
相同尺寸的烧结芯块形式的铪酸铕的吸收性稍高一些，并且是碳化硼密度的4倍。
铪酸铕不产生气体辐照产物，并且在高至至少1300℃(约为钢的熔化温度)时不会与不锈钢反应，并且不会与水发生放热反应。
表述“第一铪酸钐”和“第二铪酸钐”表示两种定义的化合物，其例如由具有不同的组成的，并且特别是钐摩尔含量处于不同的范围的氧化铪(HfO2)和氧化钐(Sm2O3)之间的反应形成，。
优选地，第一铪酸钐含有8％mol至20mol％的氧化钐，而第二铪酸钐含有50mol％至60mol％的氧化钐。在这两个范围内，可以得到立方晶相的铪酸钐，其具有在辐射下不膨胀或或几乎不膨胀的优点。
铪酸钐不产生气体辐照产物，在高至至少1300℃时不与不锈钢反应，不会与水发生放热反应。铪酸钐的密度低于与相同尺寸的SIC棒堆叠形式的结烧芯块的SIC：铪酸钐的理论密度比SIC的理论密度低约20％。
相同尺寸的结烧芯块形式中，第一铪酸钐比SIC吸收更少的中子，而第二铪酸钐比SIC吸收更多的中子，其中吸收差异分别约为10％左右。
当第一铪酸钐、第二铪酸钐、第一铪酸铕和第二铪酸铕相互混合并具有相同的烧结条件时，两个或更多的这些吸收材料可混合在同一个烧结过的吸收元件中。
在相同的几何形状下，碳化铪(HfC)的吸收比SIC略小约5％。碳化铪的理论密度比SIC的理论密度高约20％。
碳化铪不会产生气态辐射产物，在低于1300℃时不会与不锈钢护套发生反应，不会与水发生放热反应，并且天然为立方晶相。
当以相同尺寸的烧结芯块形式存在时，与碳化硼相比，六硼化钐(SmB6)的吸收性稍强一些，致密性是碳化硼的三倍，并且天然为立方晶相。
在一个实施方案中，通过粉末烧结获得芯块，如果需要，添加成孔剂以调节孔隙率和/或烧结添加剂。在1400℃至1700℃的温度下，对铪酸铕或铪酸钐在空气中，对六硼化钐在真空下或在中性气体中，连续或分批地进行烧结。对于碳化铪，烧结是在1900℃和2200℃之间的真空下分批进行，或者从细磨粉末(微晶<50μm，优选<20μm)，或者通过添加1-2％MoSi2至烧结碳化铪中进行。
在一个实施方案中，吸收簇2的吸收柱18包含不同的第一吸收组件22和第二吸收组件24，其吸收元件20的组成不同，即选自所述材料组中的材料或材料组合不同。
第一吸收组件22和第二吸收组件24包含在一个或多个吸收柱18中。
可以将第一吸收组件22和第二吸收组件24布置在各自的吸收柱18中，或者使不同的第一吸收组件22和第二吸收组件24位于至少一个相同的吸收柱18中。
可以提供包括第一吸收组件22和第二吸收组件24的吸收元件的至少一个吸收柱18。
也可以设置至少两个吸收柱18，其分别仅包括第一吸收组件22或第二吸收组件24的吸收元件20。
在一个实施方案中，第一吸收组件22的吸收元件20由仅由第一铪酸钐、第一铪酸铕、第二铪酸钐和/或第二铪酸铕组成的材料组中的材料制成，而第二吸收组件24的吸收元件20仅由碳化铪制成。
在一个实施方案中，吸收簇2包括仅包含第一吸收组件22的吸收元件20的吸收柱18，以及仅包含第二吸收组件24的吸收元件20的另一个吸收柱18，其中第一吸收组件22的吸收元件20由仅由第一铪酸钐、第一铪酸铕、第二铪酸钐和/或第二铪酸铕组成的材料组中的材料制成，第二吸收组件24的吸收元件20由仅由碳化铪组成的材料组中的材料制成。
第一吸收组件22的吸收元件20和第二吸收组件24的吸收元件20在两个不同的柱中的布置有利于制造。
这两个吸收柱18优选为吸收簇2的两个相邻的吸收杆6的吸收柱，从而获得与两个相同的含有SIC的吸收柱大体相当的中子吸收。
通常，第一吸收组件22的吸收元件20和第二吸收组件24的吸收元件20设置在不同且成对相邻的吸收棒6中。包含第一吸收组件22的吸收元件20的每个吸收棒6与包含第二吸收组件24的吸收元件20的吸收棒6相邻。替代地或可选地，至少一个吸收柱18，一方面包含第一吸收组件22的吸收元件20，即由仅由第一铪酸钐、第一铪酸铕、第二铪酸钐和/或第二铪酸钐铕组成的材料组中的材料制成，另一方面包含第二吸收组件24的吸收元件20，其由仅由碳化铪组成的材料组中的材料制成。
在一个实施方案中，在这样的吸收柱18中，第一吸收组件22的吸收元件20和第二吸收组件24的吸收元件20沿吸收柱18分布。
在这种情况下，优选地，第一吸收组件22的吸收元件20和第二吸收组件24的吸收元件20以重复的模式分布在吸收柱18中。
第一吸收组件22的吸收元件20和第二吸收组件24的吸收元件20的不同重复模式是可以设想的。优选地，选择重复模式从而在吸收柱18的整个长度上获得期望的平均线性中子吸收。
因此，该实施方案可用于以基本上等同于SIC的中子吸收能力和质量替代现有核反应堆中的SIC，例如通过以适当的比例组合第二铪酸钐(第一吸收剂组件22的吸收元件)和碳化铪(第二吸收组件24的吸收元件)，因为第二铪酸钐比SIC更具吸收性而致密性更低，而碳化铪吸收性比SIC小但更致密。
在新型核反应堆的情况下，对每种吸收材料的比例的调节使得可以获得具有适应反应堆设计人员所确定的需求的质量和吸收的吸收柱18。
在一个实施方案中，并且如图2所示，除了吸收元件20(例如仅由第一铪酸钐、第一铪酸铕、第二铪酸钐和/或第二铪酸铕制成)形成的第一吸收组件22和吸收元件20(例如仅由碳酸铪制成)形成的第二吸收组件24之外，吸收柱18还包括由吸收元件20(例如仅由碳化硼制成)形成的第三吸收组件26。
这样的吸收簇2例如能代替在现有的核反应堆中包含SIC和碳化硼的吸收柱的吸收簇，其中SIC被由第一铪酸钐、第一铪酸铕、第二铪酸钐和/或第二铪酸铕制成的吸收元件和由碳化铪制成的吸收元件的组合代替。其中碳化硼被保留。
在包含由第一铪酸钐、第一铪酸铕、第二铪酸钐和/或第二铪酸铕制成的吸收元件20(第一吸收组件22的吸收元件20)和/或由碳化铪制成的吸收元件20(第二吸收组件24的吸收元件20)和由碳化硼制成的吸收元件20(第三吸收组件26的吸收元件20)的吸收柱18中，第一吸收组件22的吸收元件20和/或第二吸收组件22的吸收元件20吸收组件24优选地设置在吸收柱18的下部，而第三吸收组件26的吸收元件20设置在吸收柱18的上部。
在一个实施方案中，吸收簇2包括在底部包含第一吸收组件22的吸收元件20和在顶部包含第三吸收组件24的吸收元件20的吸收柱18，以及在下部包含第二吸收组件24的吸收元件20和在上部包含第三吸收元件26的吸收元件20的另一个吸收柱18。
所述两个吸收柱18优选为吸收簇2的两个相邻吸收棒6的吸收柱。
六硼化钐可以有利地用于代替第三吸收组件26中的碳化硼，从而从至少相等的吸收能力的更高的簇质量中受益。
因此，上述各种实施方案表明，全部或部分的碳化硼可以被六硼化钐替代。
或者，可以使用足够含量以达到预期的质量和吸收能力的第一铪酸铕、第二铪酸铕或第一铪酸铕和第二铪酸铕的组合来代替第三吸收组件26的吸收元件20中全部或部分的碳化硼。
具体地，在一个实施方案中，吸收簇2的吸收柱18包括由第一铪酸钐、第一铪酸铕、第二铪酸钐和/或第二铪酸铕制成的第一吸收组件22的吸收元件20和由碳化铪制成的第二吸收组件24的吸收元件20，其中第一吸收组件22和第二吸收组件24的吸收元件20位于吸收柱18的下部中，并且第三吸收组件26位于吸收柱18的上部，并由用碳化硼、六硼化钐或选自第一铪酸铕和第二种铪酸铕的材料或材料组合制成的吸收元件20组成。
第一铪酸钐、第二铪酸钐、第一铪酸铕和第二铪酸铕具有不同的吸收能力和不同的密度。因此它们的组合使得可以在中子吸收与作为整体的吸收簇2的质量之间获得令人满意的折中，其中吸收簇2的质量在控制簇的情况下，是足以确保在核反应堆紧急关闭的情况下，在安全规则规定的时间内降低控制簇。
在一个实施方案中，吸收簇2包括仅由碳化铪制成的吸收元件20的第一吸收组件22和由第一铪酸钐、第二铪酸钐、第一铪酸铕和/或第二铪酸铕制成的吸收元件20的第二吸收组件24。第一吸收组件22的吸收元件20和第二吸收组件24的吸收元件20在吸收棒6中混合，或分布在吸收簇2的不同的吸收棒6中。可选地，吸收簇2进一步包括第三吸收组件26，其吸收元件20由六硼化钐制成或由第一铪酸铕和/或第二铪酸铕制成，其中第三吸收组件26的吸收元件20布置在吸收簇2的每个吸收棒6的上部。
为了调整吸收簇2的各个吸收棒6的中子吸收和/或质量，吸收元件20的横截面结构可以通过改变吸收元件20横截面的几何形状和/或吸收材料的孔隙率从而改变构成吸收元件的吸收材料相对于所述材料的理论密度的密度来调整。
也可以制备由所述材料组中的相同材料或相同材料组合制成吸收元件20组成的吸收组件22、24、26，但其横截面结构具有不同的几何形状和/或不同的孔隙率(并因此不同的密度)，从而吸收组件的吸收元件20尽管由所述材料组中的相同材料或相同材料组合制成，但具有与另一个吸收组件的吸收元件20不同的中子吸收能力和/或质量。
在一个吸收元件20中，中子首先被吸收元件的周边区域吸收，然后逐渐通过中间区域直到到达中心区域。
在一个实施方案中，如图3所示，第一吸收组件22的吸收元件20是实心圆柱形的，并且第二吸收组件24的吸收元件20是管状圆柱形的，如图4所示。在该实施方案的变体中，第一吸收组件22的吸收元件20和第二吸收组件24的吸收元件20由相同材料或材料组合制成。
替代地或可选地，第一吸收组件22的吸收元件20具有外径D1，其严格大于第二吸收组件24的吸收元件20的D2，如图3和4所示。
在一个实施方案中，至少一个吸收组件包括含有选自所述材料组的至少两种材料的吸收元件20。
在一个实施方案中，至少一个吸收组件包括吸收元件20，所述吸收元件20包括第一铪酸铕和第二铪酸铕的组合，或者包括第一铪酸钐和第二铪酸钐的组合。
在一个实施方案中，至少一个吸收组件包括含有至少两种铪酸盐的组合吸收元件20，所述哈酸盐选自第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐和第二种铪酸钐。
可以实施各种实施方案来获得这种吸收元件20。
在一个实施方案中，吸收元件20是均质的并且通过将具有所需比例的不同铪酸盐粉末的混合物的实心或管状芯块进行烧结而制得。
如图5所示，在一个实施方案中，吸收元件20包括例如至少两个叠层，所述叠层由选自第一铪酸铕、第二铪酸铕和第一铪酸钐以及第二铪酸钐的不同的铪酸盐制成。
在图5所示的实例中，吸收元件20包括设置在圆柱芯28上的由第一铪酸铕E1制成的层、由第二铪酸铕E2制成的层、由第一铪酸钐S1制成的层和由第二铪酸钐S2制成的层。这些层是同心的并以圆柱形芯块形式的吸收元件20的轴线A为中心。
层E1、E2、S1和/或S2例如通过诸如气相沉积或递增制造依次沉积在圆柱形芯28上。所述芯22由例如吸收材料(HfO2,HfC…)或非吸收剂(ZrO2,C...)制成。
或者，吸收元件20以管状圆柱形芯块的形式提供，其管状圆柱形芯块由无芯核的至少两个叠层组成，所述叠层由不同的铪酸盐(选自第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐和第二铪酸钐)组成。这样的吸收元件20的层例如通过递增制造形成，可选地在随后去除的可熔的或牺牲性的核上形成。
连续层的横截面几何形状(内径、外径、层数、每层厚度)和孔隙率(密度)和组成(材料或材料组合)适合于获得在簇的整个使用寿命期间所需的质量和中子吸收。
吸收棒6的管护套16优选为不锈钢护套，例如AISI304或AISI316L护套或铪基护套。
图1所示的吸收簇2是一个可移动的吸收簇或控制簇或调节簇，其在正常的反应堆操作期间可垂直移动从而驱动其吸收棒6或多或少地进入核燃料组件10中以调节核反应堆堆芯的反应性。对于需要较低吸收能力的反应堆堆芯中的位置处，可以用钢棒代替簇2中的一些吸收棒。
或者，吸收簇2是固定的吸收簇，其吸收棒6在核反应堆的正常运行期间永久地保持降低在核燃料组件10中，其中核燃料组件10位于例如核反应堆堆芯的周围。
所述固定的吸收簇2在图6中示出。它包括由支撑板形式的支撑件4支撑的吸收棒6。它还包括推动器组件40，该推动器组件40包括支撑杆42和置于支撑件4和支撑杆42之间的两个同轴螺旋弹簧44、46。设计弹簧44、46支承在支撑棒42上从而向下推动支撑件4，其中支撑棒42支承在核反应堆的上部芯板上。
吸收棒6的数量、吸收柱18的长度和吸收材料的性质(吸收性或所述材料组中的吸收材料的组合)适合于在目标位置获得期望的中子吸收。固定吸收簇的其他棒，例如是称为塞棒48的短钢棒。图6中所示的吸收簇2包括吸收棒6和塞棒48。
借助于本发明，可以使吸收棒6具有令人满意的中子吸收能力，其至少等于使用SIC和/或碳化硼的吸收棒的吸收能力，同时获得具有相当的质量的可移动吸收簇2，从而确保相同条件下移动簇的下降。
另外，所述材料组中的吸收材料可以获得更令人感兴趣的性能，特别是在反应堆中或工厂制造中的事件和事故的情况下。
事实上，除了六硼化钐(SmB6)外，这些材料不会产生气态辐照产物，在高温下不会与不锈钢护套发生反应，并且在吸收棒发生泄漏时不会与水发生放热反应。

Claims (20)

1.一种用于压水核反应堆的吸收簇(2)，所述吸收簇(2)包括一簇吸收棒(6)，其中每个吸收棒(6)包括管护套(16)和吸收柱(18)，其中所述吸收柱(18)由在管护套中的中子吸收元件(20)堆叠形成，其中每个吸收元件(20)沿着纵轴(A)延伸并具有由吸收元件(20)的横截面几何形状、组成和孔隙率确定的横截面结构，其中所述吸收柱(18)含有至少两个吸收组件(22、24、26)，并且每个吸收组件(22、24、26)由具有相同的横截面结构的多个吸收元件(20)组成，
其中所述簇包括至少第一吸收组件(22)和第二吸收组件(24)，而所述第一吸收组件(22)和所述第二吸收组件(24)的吸收元件(20)分别由选自中子吸收材料组中的一种相同的材料或相同的材料组合制成，所述中子吸收材料组由第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和六硼化钐组成，
所述第一铪酸铕和所述第二铪酸铕表示两种定义的化合物，分别由氧化铪(HfO2)和氧化铕(Eu2O3)之间的反应形成，并具有不同的组成，
所述第一铪酸钐和所述第二铪酸钐表示两种定义的化合物，分别由氧化铪(HfO2)和氧化钐(Sm2O3)之间的反应形成，并具有不同的组成，
其中第一吸收组件(22)的吸收元件(20)具有不同于第二吸收组件(24)的吸收元件(20)的横截面结构。
2.根据权利要求1所述的簇，其中第一铪酸钐含有8mol％至20mol％的氧化钐，而第二铪酸钐含有50mol％至60mol％的氧化钐。
3.根据权利要求1或2所述的簇，其中第一铪酸铕含有43mol％至54mol％的氧化铕，而第二铪酸铕含有19mol％至26mol％的氧化铕。
4.根据权利要求1所述的簇，其中至少一个吸收组件(22、24、26)的吸收元件(20)由第一铪酸铕和/或第二铪酸铕制成。
5.根据权利要求1所述的簇，其中第一吸收组件(22)的吸收元件(20)仅由第一铪酸钐、第二铪酸钐、第一铪酸铕和/或第二铪酸铕制成，而第二吸收组件(24)的吸收元件(20)仅由碳化铪制成。
6.根据权利要求5所述的簇，其中第一吸收组件(22)的吸收元件(20)和第二吸收组件(24)的吸收元件(20)设置在不同的吸收棒中。
7.根据权利要求6所述的簇，所述簇包括与容纳第二吸收组件(24)的吸收元件(20)的吸收棒(6)的数量同样多的容纳第一吸收组件(22)的吸收元件(20)的吸收棒(6)。
8.根据权利要求5所述的簇，其中第一吸收组件(22)的吸收元件(20)和所述第二吸收组件(24)的吸收元件(20)布置在相邻成对的不同的吸收棒中。
9.根据权利要求5所述的簇，所述簇仅包括第一吸收组件(22)和第二吸收组件(24)。
10.根据权利要求5所述的簇，所述簇包括第三吸收组件(26)，所述第三吸收组件(26)包括仅由碳化硼、六硼化钐或第一铪酸铕和/或第二铪酸铕制成的吸收元件(20)。
11.根据权利要求10所述的簇，其中，所述第三吸收组件(26)的吸收元件(20)布置在容纳第一吸收组件(22)和第二吸收组件(24)的吸收元件(20)的吸收棒中。
12.根据权利要求1所述的簇，其中，第一吸收组件(22)和第二吸收组件(24)中至少一个的吸收元件(20)包含来自所述材料组中的多种不同材料。
13.根据权利要求1所述的簇，其中，第一吸收组件(22)和第二吸收组件(24)中至少一个的吸收元件(20)包含所述材料组中的单一材料。
14.根据权利要求1所述的簇，所述簇包括仅包含同一吸收组件(22、24、26)的吸收元件(20)的至少一个吸收柱(18)和/或包含至少两个不同吸收组件(22、24、26)的吸收元件(20)的至少一个吸收柱(18)。
15.根据权利要求1所述的簇，其中，第一吸收组件(22)和第二吸收组件(24)的吸收元件由所述材料组中的相同的材料或相同的材料组合制成，并且它们的横截面的几何形状和/或孔隙率不同。
16.根据权利要求1所述的簇，其中至少一个吸收组件(26)具有多层吸收元件(20)，所述多层吸收元件(20)具有多层横截面结构，该多层横截面结构包括多个层，每个层由所述材料组中的材料或材料组合制成，其中每个吸收元件(20)包括至少两个不同组成和/或不同孔隙率的层。
17.根据权利要求1所述的簇，所述簇包括至少一个吸收柱(18)，所述吸收柱包含沿着所述吸收柱(18)以重复模式分布的第一吸收组件(22)的吸收元件(20)和第二吸收组件(24)的吸收元件(20)。
18.根据权利要求1所述的簇，其中包含在第一吸收组件和第二吸收组件(22，24)的吸收元件(20)中的第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和/或六硼化钐为立方晶相。
19.一种用于压水核反应堆的吸收棒(6)，其包括管护套(16)和由容纳在所述管护套内的中子吸收元件(20)堆叠形成的吸收柱(18)，其中所述吸收柱(18)包括至少两个吸收元件(20)，其中每个吸收元件(20)由选自中子吸收材料组中的材料或材料组合制成，其中吸收元件(20)的由横截面几何形状、组成和孔隙率确定的横截面结构不同，其中所述中子吸收材料组由第一铪酸铕、第二铪酸铕、第一铪酸钐、第二铪酸钐、碳化铪和六硼化钐组成，所述第一铪酸铕和所述第二铪酸铕表示两种定义的化合物，分别由氧化铪(HfO2)和氧化铕(Eu2O3)之间的反应形成，并具有不同的组成，所述第一铪酸钐和所述第二铪酸钐表示两种定义的化合物，分别由氧化铪(HfO2)和氧化钐(Sm2O3)之间的反应形成，并具有不同的组成。
20.根据权利要求10所述的簇，其中第三吸收组件(26)的吸收元件(20)布置在容纳有第一吸收组件(22)和第二吸收组件(24)的吸收元件(20)的吸收棒的上部。
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