CN110752044A - 一种内部通水的控制棒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内部通水的控制棒，包括吸收体、以及设于吸收体两端的上端塞和下端塞，所述吸收体内设有液体流通通道，所述下端塞上设有进液孔，上端塞设有排液孔，反应堆内液体由进液孔流入液体流通通道、后经排液孔流出。相对于现有的实心控制棒，本发明提供的控制棒为中空结构，允许反应堆内冷却剂剂慢化剂沿控制棒内部流通，利于提升控制棒的中子吸收性能及控制棒的抗辐照肿胀性能。

Description

一种内部通水的控制棒
技术领域
本发明涉及反应堆核燃料控制棒技术领域，具体涉及一种内部通水的控制棒。
背景技术
现有控制棒组件，如图1所示，通常是将控制棒装在星形架上，构成控制棒组件。星形架由中心筒和翼板及圆柱形指状管钎焊连接成一体。16个翼板各带一个或两个指状管，指状管中攻内螺纹用来连接控制棒。现有控制棒，如图3所示，是将Ag-In-Cd吸收体(或不锈钢短棒)及压紧弹簧装入包壳管内充氦气后密封焊接而成。为改善包壳耐磨性，对包壳外表面及下端塞进行渗氮处理。为减缓Ag-In-Cd合金辐照肿胀影响，吸收体下端直径略小。控制棒下端设计成弹头形，当控制棒插入导向管时起导向作用。上端塞上部带一缩径段，以增加控制棒的柔度，减少与导向管的摩擦。
现有控制棒内部没有冷却剂经过，其中子吸收性能还有很大提升空间；由于现有控制棒采用实心吸收体，导致辐照后吸收体易变形，其抗辐照肿胀性能也还存在改进空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有控制棒的中子吸收性能及抗辐照肿胀性能有待进步提升，本发明提供了解决上述问题的一种内部通水的控制棒。
本发明的目的是提供一种增强抗辐照肿胀、提高中子吸收性能的控制棒。通过改变控制棒吸收体的材料、结构，提高抗辐照肿胀性能和中子吸收性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种内部通水的控制棒，包括吸收体、以及设于吸收体两端的上端塞和下端塞，所述吸收体内设有液体流通通道，所述下端塞上设有进液孔，上端塞设有排液孔，反应堆内液体由进液孔流入液体流通通道、后经排液孔流出。
本发明通过在控制棒下端塞上增加进液孔，其目的是使得反应堆内冷却剂能流入控制棒；增加上端塞上的排液孔，其目的是冷却剂能流出控制棒，在控制棒内形成一个“下端塞流水孔-吸收体-上端塞流水孔”完整的流水通道。吸收体采用内部存在液体流通通道的环形吸收体，一方面相对于实心吸收体，本发明中空吸收体利于增大吸收体与反应堆中慢化剂以及冷却剂的接触面积，增大了中子吸收面积，利于提高中子吸收效率；另一方面，每个吸收体内部中空结构相当于一个独立的小型中子吸收腔室，控制棒外壁吸收反应堆内液体环境中的中子，反应堆内液体进一步再流入吸收体内部的液体流通通道，进入若干个独立的小型吸收腔室内，此时少量的冷却剂(慢化剂)被大表面积的中子吸收体内壁包覆，吸收表面积以及中子到达吸收体的距离相对增加，对中子的吸收性能增加，使得吸收体腔室内的中子通量相对外部的反应堆液体环境中子通量相对较小，进一步提高中子吸收性能。环形吸收体区别于以往实心吸收体是采取中空环形结构，吸收体在受辐照膨胀过程中，可向内扩张，避免控制棒整体外形体积向外膨胀，造成控制棒与导向管适配存在问题，影响控制棒及反应堆正常运行，因此中空结构的吸收体利于缓解控制棒辐照肿胀变形，避免引起控制棒端部直径增大，可增加控制棒机械寿命。最后，对外包壳进行表面强化处理，提高控制棒抗磨蚀性能，延长控制棒机械磨损寿命，外包壳作为环形吸收体的结构支撑，通过以上的结构设计，最终实现得到一种增强抗辐照肿胀、提高中子吸收性能的控制棒的目的。
优选地，所述吸收体外部还包覆设有外包壳。
在吸收体外部采用抗磨损的包壳材料，以提高控制棒抗磨蚀性能。
优选地，所述上端塞和下端塞分别与外包壳管上下两端口密封连接，吸收体和压缩弹簧封装入外包壳管内。
此处，提供的控制棒与现有常规的控制棒结构相同，区别在于在上端塞和下端塞分别对应增加排液孔和进液孔、以及吸收体内设液体流通通道，均为控制棒内部的结构变化，并不影响控制棒整体与星形架的连接。
优选地，所述吸收体的液体流通通道内壁上设有内包壳。
由于反应堆内的冷却剂、慢化剂等液体会与吸收体内壁直接接触，为提高吸收体内壁的耐腐蚀及耐辐照性能，可进一步在吸收体内壁上设置包壳材料。
优选地，所述进液孔位于下端塞上未被内包壳或外包壳覆盖部位；所述排液孔位于上端塞上未被内包壳或外包壳覆盖部位。
为了保障控制棒结构稳定性及安全性，只在上下端塞未被包壳材料覆盖区域开设供液体流通孔段。
优选地，所述液体流通通道的延伸路径包括沿吸收体轴向呈直线延伸、或曲线延伸、或折线延伸或多种延伸路径的组合。
吸收体上液体流通通道的延伸路径包括但不限于沿吸收体轴向呈直线延伸、或曲线延伸、或折线延伸或多种延伸路径的组合，保证冷却剂能从吸收体内部的液体流通通道流过即可。
优选地，所述液体流通通道径向截面形状为曲线和/或直线构成的闭合环结构。
液体流通通道径向截面形状为曲线和/或直线构成的闭合环结构，只要保证吸收体内部中空，内部存在冷却剂和慢化剂可以流经的通道即可。
优选地，所述进液孔包括主孔道和若干分支孔道，分支孔道用于连通主孔道与外部环境，所述主孔道用于连通分支孔道和吸收体的液体流通通道。
优选地，所述排液孔包括主孔道和分支孔道，分支孔道用于连通主孔道与外部环境，所述主孔道用于连通分支孔道和吸收体的液体流通通道。
进液孔和排液孔的形式及数量不限于直线圆孔结构，只要保障反应堆内液体能正常进入液体流通通道，且处于上端塞和下端塞可打孔区域即可，此处所述可打孔区域是指未被外包壳、内包壳覆盖的区域均可设置进液孔或排液孔。
优选地，所述吸收体包括铪吸收体、银-铟-镉吸收体、碳化硼吸收体。吸收体材料包壳但不限于上述三种吸收体。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、现有控制棒内部没有冷却剂经过，其中子吸收性能还有很大提升空间；由于现有控制棒采用实心吸收体，导致辐照后吸收体易变形，其抗辐照肿胀性能也还存在改进空间。本发明通过改进控制棒内部结构，在上端塞和下端塞分别对应增加排液孔和进液孔、以及吸收体内设液体流通通道，可有效提升控制棒的中子吸收性能及抗辐照膨胀性能。
2、本发明通通过吸收体外部和/或内部采用抗磨损的包壳材料，提高控制棒抗磨蚀性能。
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。在附图中：
图1为现有控制棒组件的整体结构示意图；其中图1(a)为整体主视图，图1(b)为整体俯视图。附图1中标记及对应的零部件名称：1a-弹簧，1b-套筒，1c-指状杆，1d-翼板，1e-弹簧座，1f-销钉，1A-新形架，1B-控制棒。
图2为本发明实施例1的控制棒所形成的控制棒组件整体结构示意图；其中图2(a)为整体主视图，图2(b)为整体俯视图。附图2中标记及对应的零部件名称：2a-弹簧，2b-套筒，2c-指状杆，2d-翼板，2e-弹簧座，2f-销钉，2A-新形架，2B-控制棒。
图3为现有控制棒结构示意图。附图3中标记及对应的零部件名称：3a-上端塞，3b-弹簧，3c-外包壳管，3d-吸收体，3e-下端塞。
图4为本发明实施例1提供的控制棒结构示意图。附图4中标记及对应的零部件名称：4a-上端塞，4b-弹簧，4c-吸收体，4d-进液孔，4e-排液孔，4f-外包壳管，4g-下端塞，4h-液体流通通道。
图5为图4的A-A截面结构示意图；其中图5(a)表示液体流通通道截面呈圆形，吸收体外形呈圆形；图5(b)表示液体流通通道截面呈方形，吸收体外形呈圆形；图5(c)表示液体流通通道截面呈菱形，吸收体外形呈圆形；图5(d)表示液体流通通道截面呈三角形，吸收体外形呈圆形；图5(e)表示液体流通通道截面呈方形，吸收体外形呈方形。
图6为本发明实施例4提供的控制棒结构示意图。
图7为图6中A部分对应的控制棒上端塞部位结构示意图。附图7中标记及对应的零部件名称：6a、6b、6c、6d均表示排液分支孔道，6m表示排液主孔道。
图8为图6中B部分对应的控制棒下端塞部位结构示意图。附图8中标记及对应的零部件名称：6e、6f、6g、6h、6i均表示进液分支孔道，6n表示进液主孔道。
图9为本发明实施例5提供的控制棒结构示意图。附图9中标记及对应的零部件名称：7a排液孔，7b-上端塞，7c-吸收体，7d-下端塞，7e-进液孔，7f-液体流通通道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明提供了一种内部通水的控制棒，通过改变控制棒上下端塞结构及吸收体形状结构实现提升控制棒的中子吸收性能和抗辐照肿胀性能。具体如图4所示，包括吸收体4c、以及设于吸收体4c两端的上端塞4a和下端塞4g；吸收体4c内设有液体流通通道4h，液体流通通道4h为圆孔结构、且沿吸收体4c轴向同向延伸，使吸收体4c呈中空圆环形结构；下端塞4g上设有进液孔4d，进液孔4d的输入端用于与反应堆液体环境连通、输出端与液体流通通道4h连通；上端塞4a上设有排液孔4e，排液孔4e的输入端与液体流通通道4h连通、输出端与外部环境连通，反应堆内液体(包括冷却剂和慢化剂)由进液孔4d流入液体流通通道4h、后经排液孔4e流出。
吸收体4c外部还包覆设有外包壳管4f，上端塞4a和下端塞4g分别与外包壳管4f上下两端口密封连接，吸收体4c和压缩弹簧4b封装入外包壳管4f内。为了提高吸收体4c内壁(即液体流通通道4h内壁)耐腐蚀性能，在吸收体4c内壁上设有内包壳管材。进液孔4d位于下端塞4g上未被内包壳和外包壳覆盖部位；排液孔4e位于上端塞4a上未被内包壳或外包壳覆盖部位。
本发明通过在控制棒下端塞4g上增加进液孔4d，其目的是使得反应堆内冷却剂能流入控制棒；增加上端塞4a上的排液孔4e，其目的是冷却剂能流出控制棒，在控制棒内形成一个“下端塞流水孔-吸收体-上端塞流水孔”完整的流水通道。吸收体4c采用内部存在液体流通通道4h的环形吸收体，一方面相对于实心吸收体，本发明中空吸收体利于增大吸收体与反应堆中慢化剂以及冷却剂的接触面积，增大了中子吸收面积，利于提高中子吸收效率；另一方面，每个吸收体内部中空结构相当于一个独立的小型中子吸收腔室，控制棒外壁吸收反应堆内液体环境中的中子，反应堆内液体进一步再流入吸收体内部的液体流通通道，进入若干个独立的小型吸收腔室内，此时少量的冷却剂(慢化剂)被大表面积的中子吸收体内壁包覆，吸收表面积以及中子到达吸收体的距离相对增加，对中子的吸收性能增加，使得吸收体腔室内的中子通量相对外部的反应堆液体环境中子通量相对较小，进一步提高中子吸收性能。环形吸收体区别于以往实心吸收体是采取中空环形结构，吸收体在受辐照膨胀过程中，可向内扩张，避免控制棒整体外形体积向外膨胀，造成控制棒与导向管适配存在问题，影响控制棒及反应堆正常运行，因此中空结构的吸收体利于缓解控制棒辐照肿胀变形，避免引起控制棒端部直径增大，可增加控制棒机械寿命。最后，对外包壳进行表面强化处理，提高控制棒抗磨蚀性能，延长控制棒机械磨损寿命，外包壳作为环形吸收体的结构支撑，通过以上的结构设计，最终实现得到一种增强抗辐照肿胀、提高中子吸收性能的控制棒的目的。
实施例2
本实施例提供一种内部通水的控制棒，与实施例1的区别在于液体流通通道的延伸路径和径向截面不同：
吸收体上液体流通通道的延伸路径包括但不限于沿吸收体轴向呈直线延伸、或曲线延伸、或折线延伸或多种延伸路径的组合，保证冷却剂能从吸收体内部的液体流通通道流过即可。
液体流通通道径向截面形状为曲线和/或直线构成的闭合环结构，只要保证吸收体内部中空，内部存在冷却剂和慢化剂可以流经的通道即可。
如图5(a)所示，吸收体的径向截面呈圆环形；如图5(b)所示，吸收体的径向截面呈外圆内方环形结构；如图5(c)所示，吸收体的径向截面呈外圆内棱形的环形结构；如图5(d)所示，吸收体的径向截面呈外圆内三角形的环形结构；如图5(e)所示，吸收体的径向截面呈外方内方的环形结构。
实施例3
本实施例提供一种控制棒组件，采用实施例1提供的控制棒组成控制棒组件，在上端塞和下端塞分别对应增加排液孔和进液孔、以及吸收体内设液体流通通道，均为控制棒内部的结构变化，并不影响控制棒2B整体与星形架2A的连接。如图2所示，为增加了内部液体流通通道、进液孔和排液孔的控制棒与常规星型架的连接示意图。
实施例4
本实施例提供一种控制棒组件，与实施例1的区别在于进液孔和排液孔结构不同：进液孔包括主孔道和多个分支孔道，分支孔道用于连通主孔道与外部环境，主孔道用于连通分支孔道和吸收体的液体流通通道。排液孔包括主孔道和多个分支孔道，分支孔道用于连通主孔道与外部环境，主孔道用于连通分支孔道和吸收体的液体流通通道。
进液孔和排液孔的形式及数量不限于实施例1提供的结构，只要保障反应堆内液体能正常进入液体流通通道，且处于上端塞和下端塞可打孔区域即可，此处所述可打孔区域是指未被外包壳、内包壳覆盖的区域均可设置进液孔或排液孔。如图6～图8所示，6a、6b、6c、6d均表示排液分支孔道，6m表示排液主孔道；6e、6f、6g、6h、6i均表示进液分支孔道，6n表示进液主孔道。
实施例5
本实施例提供一种控制棒，基于实施例1改进，区别在于：控制棒不存在单独的吸收体与外包壳，而是采用一体化铪吸收体(既起到吸收体作用，也起到包壳管作用)；如图9所示，吸收体7c上端直接与存在排液孔7a的上端塞7b焊接，吸收体7c的下端直接与存在进液孔7e的下端塞7d焊接，吸收体7c内部同样存在让冷却剂和慢化剂经过的液体流通通道7f，实现内部通水的作用。本实施例吸收体内部的液体流通通道形状包括实施例2中所囊括的内部流道，本实施例进液孔和排液孔的形式包括实施例4中所囊括的流孔样式。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内部通水的控制棒，包括吸收体、以及设于吸收体两端的上端塞和下端塞，其特征在于，所述吸收体内设有液体流通通道，所述下端塞上设有进液孔，上端塞设有排液孔，反应堆内液体由进液孔流入液体流通通道、后经排液孔流出。
2.根据权利要求1所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述吸收体外部还包覆设有外包壳。
3.根据权利要求2所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述上端塞和下端塞分别与外包壳管上下两端口密封连接，吸收体和压缩弹簧封装入外包壳管内。
4.根据权利要求1所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述吸收体的液体流通通道内壁上设有内包壳。
5.根据权利要求2或4所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述进液孔位于下端塞上未被内包壳或外包壳覆盖部位；所述排液孔位于上端塞上未被内包壳或外包壳覆盖部位。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述液体流通通道的延伸路径包括沿吸收体轴向呈直线延伸、或曲线延伸、或折线延伸或多种延伸路径的组合。
7.根据权利要求1至4所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述液体流通通道径向截面形状为曲线和/或直线构成的闭合环结构。
8.根据权利要求1至4所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述进液孔包括主孔道和若干分支孔道，分支孔道用于连通主孔道与外部环境，所述主孔道用于连通分支孔道和吸收体的液体流通通道。
9.根据权利要求1至4所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述排液孔包括主孔道和分支孔道，分支孔道用于连通主孔道与外部环境，所述主孔道用于连通分支孔道和吸收体的液体流通通道。
10.根据权利要求1至4所述的一种内部通水的控制棒，其特征在于，所述吸收体包括铪吸收体、银-铟-镉吸收体、碳化硼吸收体。
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