CN111081394A - 一种小型核反应堆反应性控制装置 - Google Patents

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王留兵
柴晓明
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Abstract

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种小型核反应堆反应性控制装置。本发明包括内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构、上部轴承、控制棒、下部轴承、涡卷弹簧、止动螺母，内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构与控制棒的顶部连接，在控制棒上端和下端分别安装了上部轴承和下部轴承，在下部轴承的下面，安装了涡卷弹簧，并用止动螺母进行防松。本发明通过旋转控制棒角度即可实现反应堆反应性控制，能够有效降低反应堆高度和简化反应堆结构。

Description

一种小型核反应堆反应性控制装置
技术领域
本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种小型核反应堆反应性控制装置。
背景技术
小型核反应堆具有长寿期甚至全寿期无换料、高固有安全性、高功率体积重量比、系统设备简单可靠等技术特点，结合热电偶发电、热声电发电、热光伏发电等多种先进发电技术技术实现热电转换，可广泛应用于水下空间站、陆上应急救灾、岛礁供电及海水淡化、海上能源开采、小型城市供电供热等领域作为能源供应选项。
反应堆反应性控制结构(控制棒驱动线)是反应堆控制及核安全保护系统的执行机构，也是反应堆内唯一具有相对运动的设备单元，其结构可靠性关系到反应堆的启动、功率调节、功率维持、正常停堆及事故工况下的安全停堆等。
一般商用压水堆控制棒驱动线结构，主要由控制棒驱动机构、控制棒组件、控制棒导向组件、燃料组件的控制棒导向管等组成，设置在堆芯区域。反应堆压力容器顶盖组件、堆内构件分别对控制棒驱动机构、控制棒导向组件、燃料组件起支承和定位作用，燃料组件则为控制棒导向管提供定位和固定。
对于小型核反应堆如热管反应堆的研究，国内外相关研究单位均进行了大量的研究，但是公开报道的都大多为宏观性的报道，对于本发明所提及的控制棒驱动线并未有详细描述。
发明内容
本发明解决的技术问题：
本发明针对小型核反应堆结构总体布置需求，提供一种反应性控制装置，通过旋转控制棒角度即可实现反应堆反应性控制，能够有效降低反应堆高度和简化反应堆结构。
本发明采用的技术方案：
一种小型核反应堆反应性控制装置，包括内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构、上部轴承、控制棒、下部轴承、涡卷弹簧、止动螺母，内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构与控制棒的顶部连接，在控制棒上端和下端分别安装了上部轴承和下部轴承，在下部轴承的下面，安装了涡卷弹簧，并用止动螺母进行防松。
所述上部轴承、控制棒、下部轴承、涡卷弹簧、止动螺母的中心同轴。
若干组反应性控制装置安装在反应堆堆芯外围区域，处于反应堆容器和堆芯之间，布置方向与堆芯轴向方向相同，内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构安装在反应堆容器上。
所述内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构，通过减速齿轮组减速，将扭矩传递到控制棒上端，带动控制棒转动；减速传动比的范围在5:1至10:1之间。
所述控制棒包括齿轮头、上部轴承轴、吸收体、反射体、内部填充反射体、轴肩、下部轴承轴、涡卷弹簧安装轴、涡卷弹簧安装槽、止动螺纹、限位块，反射体与吸收体配合组成一道圆环，圆环之间为内部填充反射体，三者构成实体机构；上部轴承轴插入内部填充反射体内部，上部轴承轴上部连接有齿轮头；轴肩与上部轴承轴连接，并位于吸收体、反射体的下部，轴肩下部与下部轴承轴连接，轴肩和下部轴承轴用于安装下部轴承并实现定位和限位；下部轴承轴下部与涡卷弹簧安装轴连接，涡卷弹簧安装轴下部设有限位块，涡卷弹簧安装轴上设有涡卷弹簧安装槽、止动螺纹，涡卷弹簧安装轴、涡卷弹簧安装槽用于安装涡卷弹簧；止动螺纹用于安装制动螺母，并通过点焊防松的方式来保证涡卷弹簧的位置。
所述齿轮头用于连接控制棒驱机构，通过与控制棒驱动机构减速齿轮配合，实现对控制棒转动角度和速度的控制。
上部轴承轴为光轴，通过与上部轴承的配合实现对控制棒的定位和转动。
所述吸收体为扇环结构，扇环角度为120°至180°，材料为B4C；反射体、吸收体、内部填充反射体，材料为BeO。
在反应堆处于冷态零功率尚未启堆时，控制棒的吸收体中心正对堆芯中心，此时涡卷弹簧处于自由状态，控制棒的限位块位于堆内构件的限位块限位孔的一侧；当反应堆发生功率改变时，控制棒驱动机构开始工作，步进式电机驱动减速齿轮组，将扭矩通过齿轮头传递到控制棒，带动控制棒转动，涡卷弹簧随着控制棒转动角度开始蓄能并保持自身所蓄能量稳定，限位块随控制棒一起转动并转动角度完全相同；当反应堆获得指令需要紧急停堆时，控制棒驱动机构与控制棒的齿轮头脱开，控制棒处于自由状态，在涡卷弹簧所蓄能量转化的扭矩下快速复位，直至限位块退回到初始状态，使得控制棒的吸收体中心正对堆芯中心，实现反应堆反应性的控制。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种小型核反应堆反应性控制装置，结构简单可靠，易于制造安装；
(2)本发明提供的一种小型核反应堆反应性控制装置，布置在堆芯外部，不需要进行控制棒提升下插操作，只需对控制棒进行角度旋转即可实现对堆芯反应性的控制；
(3)本发明提供的一种小型核反应堆反应性控制装置，能够有效降低反应堆轴向高度，有利于反应堆内部流道结构设计，特别适用于用气体冷却的反应堆或固体反应堆的总体结构设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。
图1小型核反应堆正视图；
图2小型核反应堆俯视图；
图3本发明提供的反应性控制装置结构示意图；
图4控制棒结构示意图；
图5控制棒局部结构示意图；
图6涡卷弹簧安装示意图；
图7限位块安装示意图；
其中，附图标记对应的零部件名称如下：
图中：1-内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构，2-上部轴承，3-控制棒，4-下部轴承，5-涡卷弹簧，6-止动螺母，7-反应性控制装置，8-反应堆容器，9-堆芯，10-堆内构件，301-齿轮头，302-上部轴承轴，303-吸收体，304-反射体，305-内部填充反射体，306-轴肩，307-下部轴承轴，308-涡卷弹簧安装轴，309-涡卷弹簧安装槽，310-止动螺纹,311-限位块。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
如图1和图2所示：若干组反应性控制装置7安装在反应堆堆芯9外围区域，处于反应堆容器8和堆芯9之间，布置方向与堆芯9轴向方向相同。控制棒驱动机构1安装在反应堆容器上，控制棒3安装在堆内构件内部，由上部轴承2和下部轴承4提供限位和转动方式。
如图3所示：本发明提供的一种小型核反应堆反应性控制装置，包括内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构1、上部轴承2、控制棒3、下部轴承4、涡卷弹簧5、止动螺母6，为保证控制棒3的良好运行，上部轴承2、控制棒3、下部轴承4、涡卷弹簧5、止动螺母6的中心同轴，内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构1与控制棒3的顶部连接，为了降低控制棒3的旋转摩擦力，提高控制棒3的使用寿命和电机扭矩要求，在控制棒3上端和下端分别安装了上部轴承2和下部轴承4。在下部轴承4的下面，安装了涡卷弹簧5，并用止动螺母6进行防松。
控制棒驱动机构1为内置步进式电机和减速齿轮组的一体化新型驱动机构，步进式电机旋转带动小齿轮，通过减速齿轮组减速，将扭矩传递到控制棒上端的齿轮头301上，带动控制棒转动。为便于控制反应堆控制棒3的旋转角度，根据计算结果，整个驱动线结构的减速传动比范围一般选择在5:1至10:1之间。
如图4所示：控制棒3为组装好的整体结构，包括齿轮头301、上部轴承轴302、吸收体303、反射体304、内部填充反射体305、轴肩306、下部轴承轴307、涡卷弹簧安装轴308、涡卷弹簧安装槽309、止动螺纹310、限位块311，如图5所示，反射体304与吸收体303配合组成一道圆环，圆环之间为内部填充反射体305，三者构成实体机构；上部轴承轴302插入内部填充反射体305内部，上部轴承轴302上部连接有齿轮头301，
齿轮头301用于连接控制棒驱机构1，通过与控制棒驱动机构1减速齿轮配合，实现对控制棒3转动角度和速度的控制，齿轮头301的齿数根据计算分析结果确定；轴肩306与上部轴承轴302连接，并位于吸收体303、反射体304的下部，轴肩306下部与下部轴承轴307连接，轴肩306和下部轴承轴307用于安装下部轴承4并实现定位和限位；下部轴承轴307下部与涡卷弹簧安装轴308连接，涡卷弹簧安装轴308下部设有限位块311，涡卷弹簧安装轴308上设有涡卷弹簧安装槽309、止动螺纹310，涡卷弹簧安装轴308、涡卷弹簧安装槽309用于安装涡卷弹簧5。止动螺纹310用于安装制动螺母6，并通过点焊防松的方式来保证涡卷弹簧5的位置。
上部轴承轴302为光轴，通过与上部轴承2的配合实现对控制棒3的定位和转动。
吸收体303为扇环结构，根据核设计的需要，扇环角度一般为120°至180°，材料一般选择B4C。反射体304与吸收体303，材料一般选用BeO。内部填充反射体305一般选BeO材料。
限位块311，用于限制控制棒的转动角度为0°至180°，防止旋转超过位置。
如图6所示：涡卷弹簧5内侧一端卡装在控制棒3的涡卷弹簧安装槽309内，外侧一端安装在堆内构件设计的涡卷弹簧安装槽内。
如图7所示：堆内构件提供的限位块限位孔由半径不一致的两个半圆孔构成，安装初始状态时，限位块311位于大半圆孔一侧，运动时沿着大圆方向向另一侧转动，最大旋转180°。
本发明的工作原理为：控制棒3布置在堆芯外围区域，在反应堆运行时，通过控制棒3旋转，改变吸收体303或反射体304投影到堆芯的面积来吸收或反射堆芯产生的中子，达到控制整个反应堆中子数量的目的，实现反应堆功率控制。
在反应堆处于冷态零功率尚未启堆时，控制棒3的吸收体303中心正对堆芯中心，此时涡卷弹簧5处于自由状态，控制棒3的限位块311位于堆内构件的限位块限位孔的一侧；当反应堆发生功率改变时，控制棒驱动机构1开始工作，步进式电机驱动减速齿轮组，将扭矩通过齿轮头301传递到控制棒3，带动控制棒3转动，涡卷弹簧5随着控制棒3转动角度开始蓄能并保持自身所蓄能量稳定，限位块311随控制棒3一起转动并转动角度完全相同；当反应堆获得指令需要紧急停堆时，控制棒驱动机构1与控制棒3的齿轮头301脱开，控制棒3处于自由状态，在涡卷弹簧5所蓄能量转化的扭矩下快速复位，直至限位块311退回到初始状态，使得控制棒3的吸收体303中心正对堆芯中心，实现反应堆反应性的控制。整个复位过程所消耗时间必须在核安全规定的时间限制以内。

Claims (9)

1.一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：包括内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构(1)、上部轴承(2)、控制棒(3)、下部轴承(4)、涡卷弹簧(5)、止动螺母(6)，内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构(1)与控制棒(3)的顶部连接，在控制棒(3)上端和下端分别安装了上部轴承(2)和下部轴承(4)，在下部轴承(4)的下面，安装了涡卷弹簧(5)，并用止动螺母(6)进行防松。
2.根据权利要求1所述的一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：所述上部轴承(2)、控制棒(3)、下部轴承(4)、涡卷弹簧(5)、止动螺母(6)的中心同轴。
3.根据权利要求1所述的一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：若干组反应性控制装置安装在反应堆堆芯(9)外围区域，处于反应堆容器(8)和堆芯(9)之间，布置方向与堆芯(9)轴向方向相同，内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构(1)安装在反应堆容器上。
4.根据权利要求1所述的一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：所述内置减速齿轮组的步进式控制棒驱动机构(1)，通过减速齿轮组减速，将扭矩传递到控制棒上端，带动控制棒(3)转动；减速传动比的范围在5:1至10:1之间。
5.根据权利要求1所述的一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：所述控制棒(3)包括齿轮头(301)、上部轴承轴(302)、吸收体(303)、反射体(304)、内部填充反射体(305)、轴肩(306)、下部轴承轴(307)、涡卷弹簧安装轴(308)、涡卷弹簧安装槽(309)、止动螺纹(310)、限位块(311)，反射体(304)与吸收体(303)配合组成一道圆环，圆环之间为内部填充反射体(305)，三者构成实体机构；上部轴承轴(302)插入内部填充反射体(305)内部，上部轴承轴(302)上部连接有齿轮头(301)；轴肩(306)与上部轴承轴(302)连接，并位于吸收体(303)、反射体(304)的下部，轴肩(306)下部与下部轴承轴(307)连接，轴肩(306)和下部轴承轴(307)用于安装下部轴承(4)并实现定位和限位；下部轴承轴(307)下部与涡卷弹簧安装轴(308)连接，涡卷弹簧安装轴(308)下部设有限位块(311)，涡卷弹簧安装轴(308)上设有涡卷弹簧安装槽(309)、止动螺纹(310)，涡卷弹簧安装轴(308)、涡卷弹簧安装槽(309)用于安装涡卷弹簧(5)；止动螺纹(310)用于安装制动螺母(6)，并通过点焊防松的方式来保证涡卷弹簧(5)的位置。
6.根据权利要求5所述的一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：所述齿轮头(301)用于连接控制棒驱机构(1)，通过与控制棒驱动机构(1)减速齿轮配合，实现对控制棒(3)转动角度和速度的控制。
7.根据权利要求5所述的一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：上部轴承轴(302)为光轴，通过与上部轴承(2)的配合实现对控制棒(3)的定位和转动。
8.根据权利要求5所述的一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：所述吸收体(303)为扇环结构，扇环角度为120°至180°，材料为B4C；反射体(304)、吸收体(303)、内部填充反射体(305)，材料为BeO。
9.根据权利要求1-8的任意一项所述的一种小型核反应堆反应性控制装置，其特征在于：在反应堆处于冷态零功率尚未启堆时，控制棒(3)的吸收体(303)中心正对堆芯中心，此时涡卷弹簧(5)处于自由状态，控制棒(3)的限位块(311)位于堆内构件的限位块限位孔的一侧；当反应堆发生功率改变时，控制棒驱动机构(1)开始工作，步进式电机驱动减速齿轮组，将扭矩通过齿轮头(301)传递到控制棒(3)，带动控制棒(3)转动，涡卷弹簧(5)随着控制棒(3)转动角度开始蓄能并保持自身所蓄能量稳定，限位块(311)随控制棒(3)一起转动并转动角度完全相同；当反应堆获得指令需要紧急停堆时，控制棒驱动机构(1)与控制棒(3)的齿轮头(301)脱开，控制棒(3)处于自由状态，在涡卷弹簧(5)所蓄能量转化的扭矩下快速复位，直至限位块(311)退回到初始状态，使得控制棒(3)的吸收体(303)中心正对堆芯中心，实现反应堆反应性的控制。
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