CN110299214A - 一种核反应堆反应性控制机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆反应性控制技术领域，具体涉及一种核反应堆反应性控制机构，包括布置在核反应堆的堆芯内部、并能够通过往复运动进出堆芯的安全棒组件，堆芯内部设有安装燃料组件的堆芯栅格；还包括在堆芯外侧的环形的反射层内设置的若干根圆柱状、能够旋转的控制棒组件，通过调节控制棒组件上的内中子反射层或中子吸收体面向燃料组件的角度实现对核反应堆的启动、功率调节和停堆保护。本发明在满足核安全法规反应堆设计独立性和冗余性要求的前提下，具有系统简单、功能可靠、结构紧凑、控制棒快速落棒不单纯依靠重力等优点；不存在多种控制机构共因故障和共同失效的可能性，大大增加了核反应堆的安全性。

Description

一种核反应堆反应性控制机构
技术领域
本发明属于核反应堆反应性控制技术领域，具体涉及一种核反应堆反应性控制机构。
背景技术
反应性控制手段包括对反应堆反应性进行有效控制和调节的各种部件、机构、过程和方法等，通过对反应性进行控制，进而实现反应堆启动、功率调节和停堆等过程或事件，主要有控制棒、化学补偿、固体可燃毒物、反射层移动、改变堆芯局部区域慢化剂组成等手段方式。目前反应堆主要采用的反应性控制方式是上述前三种，即控制棒组件控制、固体可燃毒物控制和化学补偿控制方式，结合反应堆堆型的特殊性，石墨慢化反应堆和重水慢化反应堆只能采用控制棒组件进行反应性控制，而轻水反应堆通常可以选择三种控制方式联合控制。
一般而言，控制棒是强吸收体，它的移动速度快，操作可靠，使用灵活，反应性控制方式准确度高，是反应堆中紧急控制和功率调节所不可缺少的控制部件，每一套控制棒都需要驱动机构驱动，结构较为复杂；固体可燃毒物控制用于补偿反应堆初始较大的剩余反应性，可减少控制棒数目，需要占用一定数量的栅格；化学补偿控制是在一回路冷却剂中加入可溶性化学毒物，用于控制慢变化反应，需要注硼系统，但不占反应堆栅格，不需要驱动机构。
对于某些堆芯紧凑、气体冷却且初始剩余反应性较小的反应堆，通常选择控制棒反应性控制，而目前核反应堆常采用的控制棒驱动机构就其驱动能源而言，有电(磁)、液(水)和气等，按其结构形式分为滚珠螺母丝杠式、齿轮齿条式、磁力提升式、液压驱动式、气压驱动式和钢丝绳滑轮式及其它一些衍生的结构形式等。但上述结构形式的控制机构，第一运行方式均为上、下直线往复运动，控制机构的设计、制造和应用，都要考虑重力的作用；第二上述结构形式均布置在堆芯内部，占用堆芯栅格，堆芯径向尺寸变大，而在一些特殊的使用环境，既要求反应堆堆芯小巧轻便，且控制棒组件快速落棒不能单纯依靠重力条件，对于该类核动力反应堆而言，现有的反应性控制机构均不能满足其功能要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种在特殊使用环境下能实现反应堆反应性控制的控制机构，该机构由三种控制方式组成，一种布置在核反应堆的堆芯内部，占用一定数量的栅格，靠其上、下运动实现核反应堆的启动和停堆保护功能，第二种和第三种均布置在核反应堆的堆芯外围，只可在控制机构本身所处的位置处往复转动，不需占据堆芯栅格位置，也不必在堆芯内部上、下进出扰动堆芯，靠其旋转运动实现反应堆启动、功率调节和停堆保护功能。上述反应性控制机构系统简单、功能可靠、结构紧凑、控制棒快速落棒不单纯依靠重力，且满足核安全法规反应堆设计时关于独立性和冗余性的相关要求。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种核反应堆反应性控制机构，包括布置在核反应堆的堆芯内部、并能够通过往复运动进出所述堆芯的安全棒组件，所述堆芯内部设有安装燃料组件的堆芯栅格；还包括在所述堆芯外侧的环形的反射层内设置的若干根圆柱状、能够旋转的控制棒组件，通过调节所述控制棒组件上的内中子反射层或中子吸收体面向所述燃料组件的角度实现对所述核反应堆的启动、功率调节和停堆保护。
进一步，所述堆芯反射层的轴线与所述燃料组件的轴线平行，所述控制棒组件的轴线与所述燃料组件的轴线平行，所述控制棒组件能够围绕自身的轴线旋转；所述安全棒组件为圆柱状，所述安全棒组件的轴线与所述燃料组件的轴线平行。
进一步，圆柱状的所述控制棒组件由所述中子反射层和所述中子吸收体构成，主体为所述中子反射层，所述中子吸收体构成所述控制棒组件1的一个侧面，所述中子反射层用于向所述堆芯反射裂变中子，进而提高所述核反应堆的反应性，所述中子吸收体用于吸收所述堆芯裂变扩散的中子，进而减小所述核反应堆的反应性。
进一步，还包括位于所述堆芯底端下方的安全棒驱动机构，所述安全棒驱动机构与所述安全棒组件相连，所述安全棒组件通过所述安全棒驱动机构实现往复直线运动，从而实现所述安全棒组件在从所述堆芯底端下方内部可上、下往复运动进出所述堆芯栅格；所述安全棒驱动机构能够驱动一根或多根所述安全棒组件。
进一步，
还包括位于所述堆芯底端下方的第一控制棒驱动机构，所述第一控制棒驱动机构与所述安全棒驱动机构位于所述堆芯的同一端，一部分所述控制棒组件与所述第一控制棒驱动机构相连，在所述第一控制棒驱动机构的驱动下实现围绕自身的轴线的旋转；所述第一控制棒驱动机构与所述安全棒驱动机构靠近所述堆芯；所述第一控制棒驱动机构能够驱动一根或多根所述控制棒组件；
还包括位于所述堆芯的另一顶端之外上方的第二控制棒驱动机构，另一部分所述控制棒组件与所述第二控制棒驱动机构相连，在所述第二控制棒驱动机构的驱动下实现围绕自身的轴线的旋转；所述另一部分所述控制棒组件是指不与所述第一控制棒驱动机构相连的所述控制棒组件；所述第二控制棒驱动机构远离所述堆芯；所述第二控制棒驱动机构能够驱动一根或多根所述控制棒组件。
进一步，
受所述第一控制棒驱动机构驱动的所述控制棒组件和受所述第二控制棒驱动机构驱动的所述控制棒组件均具有负反应性和停堆反应性；受所述安全棒驱动机构驱动的所述安全棒组件具有停堆反应性；
所述负反应性是指当所述核反应堆具有最大的正反应性引入时，能使所述核反应堆在所有运行状态下进入次临界并维持在次临界状态；
所述停堆反应性是指当所述核反应堆在所有运行状态及事故工况下，能使所述核反应堆进入次临界，并维持在有足够停堆深度的次临界状态。
进一步，所述第一控制棒驱动机构和所述安全棒驱动机构和所述第二控制棒驱动机构的控制输入是各自独立的。
本发明的有益效果在于：
1.在满足核安全法规反应堆设计独立性和冗余性要求的前提下，系统简单、功能可靠、结构紧凑、控制棒快速落棒不单纯依靠重力等优点。
2.安全棒驱动机构8和第一控制棒驱动机构7、第二控制棒驱动机构9的工作方式不同，第一控制棒驱动机构7、第二控制棒驱动机构9驱动方式始终为旋转运动，因此控制棒组件1的快速复位为旋转运动，运行过程仅需克服传动过程中摩擦阻力矩即可，而安全棒驱动机构8则是驱动安全棒组件3上、下直线往复运动，因此安全棒组件3的插拔为直线运动，快速落棒时需克服摩擦阻力和安全棒组件3自身的重力，在执行反应性控制和停堆功能时，均不存在共因故障和共同失效的可能性，满足核安全法规独立性、冗余性要求。
3.由于第一控制棒驱动机构7、安全棒驱动机构8和第二控制棒驱动机构9的控制输入是各自独立的，同样在执行反应性控制和停堆功能时，均不存在共因故障和共同失效的可能性，满足核安全法规独立性、冗余性要求。
4.安全棒驱动机构8、第一控制棒驱动机构7和第二控制棒驱动机构9均为机电磁一体化设备，其内部的电磁线圈必然存在辐照老化和热老化等失效的风险，安全棒驱动机构8和第一控制棒驱动机构7距离堆芯较近，反应堆寿期内累计剂量和温度场较高，而第二控制棒驱动机构9则可以设置在距离堆芯较远的地方，甚至在堆芯和其中间位置设置屏蔽层，其累计剂量和温度要远远低于安全棒驱动机构8和第一控制棒驱动机构7，不存在辐照老化和热老化的可能性，大大增加了核反应堆的安全性。
附图说明
图1是核反应堆的堆芯布置示意图，堆芯设置有本发明具体实施方式中所述的核反应堆反应性控制机构；
图2是本发明具体实施方式中所述的控制棒组件的轴向视图；
图3是本发明具体实施方式中所述的一种核反应堆反应性控制机构的侧视图；
图中：1-控制棒组件，2-燃料组件，3-安全棒组件，4-堆芯反射层，5-中子反射层，6-中子吸收体，7-第一控制棒驱动机构，8-安全棒驱动机构，9-第二控制棒驱动机构，10-堆芯。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1、图3所示，本发明提供的一种核反应堆反应性控制机构，包括控制棒组件1、安全棒组件3、堆芯反射层4、第一控制棒驱动机构7、安全棒驱动机构8和第二控制棒驱动机构9等部件。
图1所示为核反应堆堆芯布置图，该类核反应堆堆芯要求极其紧凑，堆芯反射层4为两端开口的环形结构(堆芯反射层4由多块部件拼接而成)，堆芯反射层4内部能够容纳核反应堆的堆芯10，堆芯10中是装有若干根圆柱状的燃料组件2的堆芯栅格。根据堆芯物理设计的结果，堆芯10内部设置一定数量的安全棒组件3，可往复直线运动，进出堆芯栅格，用于核反应堆启动和停堆保护。核反应堆运行时的反应性补偿和调节则依靠堆芯10外部被堆芯反射层4包络的若干根控制棒组件1的旋转来实现，控制棒组件1数量由堆芯物理设计确定，控制棒组件1均匀设置在堆芯反射层4的侧壁内，控制棒组件1为圆柱状、能够旋转，通过控制棒组件1的旋转使得控制棒组件1上的中子反射层5或中子吸收体6面向燃料组件2。
堆芯反射层4的轴线与燃料组件2的轴线平行，控制棒组件1的轴线与燃料组件2的轴线平行，控制棒组件1能够围绕自身的轴线旋转；安全棒组件3为圆柱状，安全棒组件3的轴线与燃料组件2的轴线平行。
如图2所示，圆柱状的控制棒组件1由中子反射层5和中子吸收体6按照一定结构设计组成，主体为中子反射层5，中子吸收体6构成控制棒组件1的一个侧面，中子反射层5用于向堆芯10反射裂变中子，进而提高核反应堆的反应性，中子吸收体6用于吸收堆芯10裂变扩散的中子，进而减小核反应堆的反应性。
如图3所示，安全棒驱动机构8位于堆芯10的底端下方，安全棒驱动机构8与安全棒组件3相连，安全棒组件3通过安全棒驱动机构8实现往复直线运动，从而实现安全棒组件3由堆芯10的底端下方往复进出堆芯栅格(从图3的视角观察，安全棒组件3的往复直线运动为上下运动)；结合核反应堆总体结构和设备布置情况，安全棒驱动机构8能够驱动一根或多根安全棒组件3。
如图3所示，第一控制棒驱动机构7位于堆芯10的底端下方，第一控制棒驱动机构7与安全棒驱动机构8位于堆芯10的同一端，一部分控制棒组件1与第一控制棒驱动机构7相连，在第一控制棒驱动机构7的驱动下实现围绕自身的轴线的旋转，从而实现中子反射层5和中子吸收体6面对堆芯10的角度的调整；结合核反应堆总体结构和设备布置情况，第一控制棒驱动机构7与安全棒驱动机构8靠近堆芯10；结合核反应堆总体结构和设备布置情况，第一控制棒驱动机构7能够驱动一根或多根控制棒组件1。
如图3所示，第二控制棒驱动机构9位于堆芯10的顶端上方，一部分控制棒组件1与第二控制棒驱动机构9相连(这一部分控制棒组件1是指不与第一控制棒驱动机构7相连的控制棒组件1)，在第二控制棒驱动机构9的驱动下实现围绕自身的轴线的旋转，从而实现中子反射层5和中子吸收体6面对堆芯10的角度的调整；第二控制棒驱动机构9远离堆芯10；第二控制棒驱动机构9能够驱动一根或多根控制棒组件1。第一控制棒驱动机构7和第二控制棒驱动机构9相距堆芯10的距离不同，第二控制棒驱动机构9远离堆芯10，工作温度、辐照剂量远低于第一控制棒驱动机构7，无需考虑耐高温耐辐照问题。
受第一控制棒驱动机构7驱动的控制棒组件1和受第二控制棒驱动机构9驱动的控制棒组件1均具有足够的负反应性和足够的停堆反应性；受安全棒驱动机构8驱动的安全棒组件3具有足够的停堆反应性；
负反应性是指当核反应堆具有最大的正反应性引入时，能使核反应堆在所有运行状态下进入次临界并维持在次临界状态；
停堆反应性是指当核反应堆在所有运行状态及事故工况下，能使核反应堆进入次临界，并维持在有足够停堆深度的次临界状态。
第一控制棒驱动机构7和安全棒驱动机构8和第二控制棒驱动机构9的控制输入是各自独立的。
安全棒驱动机构8、第一控制棒驱动机构7和第二控制棒驱动机构9均为机电磁一体化设备，根据实际反应堆堆芯物理、热工、屏蔽设计等综合结果。若安全棒驱动机构8、第一控制棒驱动机构7和第二控制棒驱动机构9所采用的电磁线圈耐高温耐辐照性能，可覆盖安全棒驱动机构8和第一控制棒驱动机构7所处的剂量和温度使用环境，则可取消第二控制棒驱动机构9，安全棒驱动机构8和第一控制棒驱动机构7依然在可实现反应性控制的前提下，满足核安全法规独立性、冗余性要求，保证核反应堆安全。
最后说明本发明所提供的核反应堆反应性控制机构的具体应用：
初始状态时，安全棒组件3完全插入堆芯10，控制棒组件1内的中子吸收体6正对堆芯10。核反应堆启动时，安全棒驱动机构8将安全棒组件3向下拉出堆芯10，第一控制棒驱动机构7和第二控制棒驱动机构9带动控制棒组件1旋转，控制棒组件1内部的中子吸收体6慢慢转出堆芯10位置，中子反射层5面对堆芯10的体积逐渐变大，核反应堆的反应性逐渐增大，核反应堆功率逐渐提升，直至核反应堆处于临界状态。当核反应堆的功率波动变化时，依然通过第一控制棒驱动机构7和第二控制棒驱动机构9驱动控制棒组件1的旋转来调整中子反射层5和中子吸收体6面对堆芯10的角度来调节。当核反应堆正常停堆或事故工况需紧急停堆时，安全棒驱动机构8可将安全棒组件3快速插入堆芯10；第一控制棒驱动机构7和第二控制棒驱动机构9可将控制棒组件1快速旋转复位，保证其内部中子吸收体6正对堆芯10。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种核反应堆反应性控制机构，其特征是：包括布置在核反应堆的堆芯(10)内部、并能够通过往复运动进出所述堆芯(10)的安全棒组件(3)，所述堆芯(10)内部设有安装燃料组件(2)的堆芯栅格；还包括在所述堆芯(10)外侧的环形的反射层(4)内设置的若干根圆柱状、能够旋转的控制棒组件(1)，通过调节所述控制棒组件(1)上的内中子反射层(5)或中子吸收体(6)面向所述燃料组件(2)的角度实现对所述核反应堆的启动、功率调节和停堆保护。
2.如权利要求1所述的一种核反应堆反应性控制机构，其特征是：所述堆芯反射层(4)的轴线与所述燃料组件(2)的轴线平行，所述控制棒组件(1)的轴线与所述燃料组件(2)的轴线平行，所述控制棒组件(1)能够围绕自身的轴线旋转；所述安全棒组件(3)为圆柱状，所述安全棒组件(3)的轴线与所述燃料组件(2)的轴线平行。
3.如权利要求2所述的一种核反应堆反应性控制机构，其特征是：圆柱状的所述控制棒组件(1)由所述中子反射层(5)和所述中子吸收体(6)构成，主体为所述中子反射层(5)，所述中子吸收体(6)构成所述控制棒组件(1)的一个侧面，所述中子反射层(5)用于向所述堆芯(10)反射裂变中子，进而提高所述核反应堆的反应性，所述中子吸收体(6)用于吸收所述堆芯(10)裂变扩散的中子，进而减小所述核反应堆的反应性。
4.如权利要求3所述的一种核反应堆反应性控制机构，其特征是：还包括位于所述堆芯(10)底端下方的安全棒驱动机构(8)，所述安全棒驱动机构(8)与所述安全棒组件(3)相连，所述安全棒组件(3)通过所述安全棒驱动机构(8)实现往复直线运动，从而实现所述安全棒组件(3)从所述堆芯(10)底端下方往复运动进出所述堆芯栅格；所述安全棒驱动机构(8)能够驱动一根或多根所述安全棒组件(3)。
5.如权利要求4所述的一种核反应堆反应性控制机构，其特征是：
还包括位于所述堆芯(10)底端下方的第一控制棒驱动机构(7)，所述第一控制棒驱动机构(7)与所述安全棒驱动机构(8)位于所述堆芯(10)的同一端，一部分所述控制棒组件(1)与所述第一控制棒驱动机构(7)相连，在所述第一控制棒驱动机构(7)的驱动下实现围绕自身的轴线的旋转；所述第一控制棒驱动机构(7)与所述安全棒驱动机构(8)靠近所述堆芯(10)；所述第一控制棒驱动机构(7)能够驱动一根或多根所述控制棒组件(1)；
还包括位于所述堆芯(10)的顶端上方的第二控制棒驱动机构(9)，另一部分所述控制棒组件(1)与所述第二控制棒驱动机构(9)相连，在所述第二控制棒驱动机构(9)的驱动下实现围绕自身的轴线的旋转；所述另一部分所述控制棒组件(1)是指不与所述第一控制棒驱动机构(7)相连的所述控制棒组件(1)；所述第二控制棒驱动机构(9)远离所述堆芯(10)；所述第二控制棒驱动机构(9)能够驱动一根或多根所述控制棒组件(1)。
6.如权利要求5所述的一种核反应堆反应性控制机构，其特征是：
受所述第一控制棒驱动机构(7)驱动的所述控制棒组件(1)和受所述第二控制棒驱动机构(9)驱动的所述控制棒组件(1)均具有负反应性和停堆反应性；受所述安全棒驱动机构(8)驱动的所述安全棒组件(3)具有停堆反应性；
所述负反应性是指当所述核反应堆具有最大的正反应性引入时，能使所述核反应堆在所有运行状态下进入次临界并维持在次临界状态；
所述停堆反应性是指当所述核反应堆在所有运行状态及事故工况下，能使所述核反应堆进入次临界，并维持在有足够停堆深度的次临界状态。
7.如权利要求5所述的一种核反应堆反应性控制机构，其特征是：所述第一控制棒驱动机构(7)和所述安全棒驱动机构(8)和所述第二控制棒驱动机构(9)的控制输入是各自独立的。
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