CN111933311B - 一种新型反应堆控制棒及控制棒组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核反应堆控制棒及核反应堆控制棒组件，该控制棒包括I型控制棒和II型控制棒，其中，I型控制棒为非均匀控制棒，放置在核反应堆的中央，II型控制棒为均匀控制棒，放置在核反应堆的边缘。本发明在核电厂反应堆的反应性控制领域有较高的工程应用价值，不仅能使核反应堆堆芯径向功率与轴向功率的畸变峰分解并展平，而且能够削弱温度场震荡对反应性控制的影响，提升了核反应堆的安全性。

Description

一种新型反应堆控制棒及控制棒组件

技术领域

本发明属于核能发电与机械制造领域，适用于核动力厂堆芯反应性控制领域，尤其适用于第三代与第四代核反应堆堆芯反应性控制领域，具体涉及一种核反应堆控制棒及控制棒组件。

背景技术

在现有反应堆反应性控制系统中，控制棒分为功率调节棒，温度调节棒与停堆棒。以上三种控制棒均由均匀分布的中子吸收材料构成，所以可定义为均匀功率控制棒。均匀控制棒插入堆芯调节反应堆反应性时，会对反应堆的功率分布畸变、温度场造成震荡，增加了反应堆功率控制难度。同时强烈的温度场震荡不仅影响反应堆堆内组件的热疲劳与热老化，而且影响堆芯出口温度的测量精度，对反应性控制极具破坏性。

专利CN201720511668.3的公开了一种能展平堆芯轴向功率分布的控制棒及控制棒组件，并没有解决因为中子泄露而引起的堆芯轴向功率畸变的问题，仅仅达到部分展平轴向功率分布的目的，仍使得反应堆运行的安全性和经济性都会受到影响。

专利CN201810643965.0公开了一种新型反应堆控制棒及棒组件，该专利虽然在理论上能消除由控制棒移动和中子泄漏引起的轴向功率畸变峰的控制棒，达到完全展平轴向功率分布的目的，但是其无法展平径向功率，也忽略了温度场畸变对反应堆反应性控制的影响，只能适用于压水堆领域，应用面较为狭窄，并不能完全解决堆芯反应性控制的问题。

因此，亟需开发一种结构简单、模块化设计、针对性强、适用范围广的控制棒及控制棒组件，用于展平反应堆堆芯功率分布畸变和削弱温度场震荡对反应性控制的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种新型核反应堆控制棒及控制棒组件，该控制棒包括由黑体和灰体组成的I型控制棒和由灰体和燃料芯块组成的II型控制棒。其中，I型控制棒放置在核反应堆的中央，II型控制棒放置在核反应堆的边缘。该控制棒能使核反应堆堆芯径向功率与轴向功率的畸变峰分解并展平，消除核反应堆总功率在径向与轴向功率上的耦合，削弱温度场震荡对反应性控制的影响，从而完成了本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

本发明一方面提供了一种核反应堆控制棒，所述控制棒包括I型控制棒和II型控制棒，其中，I型控制棒为非均匀控制棒，II型控制棒为均匀控制棒；优选地，所述I型控制棒包括内层棒11和外层棒12，所述内层棒11和外层棒12均由间隔排布的黑体6和灰体7构成。

本发明另一方面提供了一种核反应堆控制棒组件，所述组件包括本发明第一方面所述的控制棒、导热肋片2、星型架3和驱动杆4。

本发明所具有的有益效果包括：

1)本发明提供的控制棒，在黑体的质量分布方程中引入零阶贝塞尔函数，可以展平核反应在轴向上的功率，在黑体质量分布方程中引入的余弦函数，可以展平核反应在轴向上的功率，对核反应堆的控制效果好，提升了核反应堆的安全性；

2)本发明提供的控制棒，包括I型控制棒和II型控制棒，I型控制棒放置在核反应堆的中央，II型控制棒放置在核反应堆的边缘，I型控制棒和II型控制棒共同作用，可展平反应堆中子通量密度，进而减小功率分布畸变；

3)本发明提供的控制棒组件，在控制棒包壳外设置有导热肋片，能够起到增大热传导截面，改善堆芯内对流换热速率的作用，并能进一步减小堆芯内温度场的畸形分布；

4)本发明提供的控制棒组件，选用“特种钢-钒合金-特种钢”新型合金材料作燃料棒包壳，不仅能适用于压水堆，也能在第四代核能系统(如钠冷快堆、铅冷快堆)中使用，适用范围广。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的I型控制棒的横截面的剖面图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的I型控制棒的纵截面的剖面图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的II型控制棒的纵截面的剖面图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的中子自屏区的示意图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的控制棒组件的局部结构图；

图6示出根据本发明一种优选实施方式中插入控制棒与未插入控制棒反应堆堆芯中子通量随着反应堆径向，轴向，距离变化图；

图7示出根据本发明一种优选实施方式的放置控制棒的排布图；

图8示出根据本发明一种优选实施方式的未采用导热肋片时堆芯内温度场的分布情况示意图；

图9示出根据本发明一种优选实施方式的采用导热肋片时堆芯内温度场的分布情况示意图；

图10示出根据本发明一种优选实施方式的星形架结构的侧视图；

图11示出根据本发明一种优选实施方式的星形架结构的俯视图。

附图标号说明：

11-内层棒；

12-外层棒；

13-包壳；

2-导热肋片；

3-星型架；

31-连接柄；

32-翼片；

33-指状物；

4-驱动杆；

6-黑体；

7-灰体；

8-燃料芯块

91-I型控制棒

92-II型控制棒。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

控制棒在核反应堆中起补偿和调节中子反应性以及紧急停堆的作用。将控制棒完全插入反应中心时，能够大量吸收中子，可阻止裂变链式反应的进行。当将控制棒拔出时，反应堆就开始运转。其中，将控制棒拔出的越多，控制棒对中子的吸收越少，就会有越多的中子参与裂变反应。

现有的控制棒一般由均匀分布的中子吸收材料构成，将其插入堆芯调节反应堆反应性时，会引起反应堆的轴向及径向功率分布畸变，对温度场造成震荡，增加了反应堆功率的控制难度。

为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种核反应堆控制棒，所述控制棒包括I型控制棒和II型控制棒，其中，I型控制棒放置在核反应堆的中央，II型控制棒放置在核反应堆的边缘。

其中，I型控制棒放置在反应堆径向与轴向功率峰顶部(即中子通量密度最大)的堆芯中央，主要起到调节中子通量密度的作用，进而降低核反应堆中央处的功率。II型控制棒放置在中子通量密度较小的核反应堆边缘，主要起到补偿功率的作用，用于增大核反应堆边缘处的功率。通过I型控制棒和II型控制棒共同作用，可展平反应堆中子通量密度，进而减小功率分布畸变。

在一个优选的实施方式中，所述I型控制棒包括内层棒11和外层棒12，所述内层棒11和外层棒12均由黑体6和灰体7构成，其中，黑体6和灰体7的数量相同，高度也相同，如图1-2所示。

在一个优选的实施方式中，所述黑体6为强中子吸收材料，所述黑体6选自碳化硼-氧化复合材料或银-铟-镉合金。

其中，天然硼元素有两种稳定同位素，¹⁰B和¹¹B，其中，¹⁰B对中子具有高吸收的独特特性，碳化硼-氧化复合材料中¹⁰B富集度越高，I型控制棒对中子的吸收能力越强，控制作用越好。

在本发明中，所述碳化硼-氧化复合材料优选为¹⁰B富集度为70～100％的碳化硼-氧化铝复合材料，进一步优选为¹⁰B富集度为75～95％的碳化硼-氧化铝复合材料，更优选为¹⁰B富集度为80～90％的碳化硼-氧化铝复合材料。

其中，银-铟-镉合金是以银为基体元素同铟元素、镉元素组成的合金，具有中子吸收截面大、耐中子辐照、抗高温水腐蚀的优点，使用银-铟-镉合金制作核反应堆控制棒，能增强反应堆内运行的安全性和使用寿命。

在本发明中，所述银-铟-镉合金中，优选地，铟的质量分数为5-20％，镉的质量分数为40-70％，余量为银；进一步优选地，铟的质量分数为10-20％，镉的质量分数为50-70％，余量为银；更优选地，铟的质量分数为15％，镉的质量分数为60％，余量为银。

在一个优选的实施方式中，所述I型控制棒为非均匀控制棒，I型控制棒中的黑体6的质量分布为非均匀分布。

其中，I型控制棒中的黑体6的质量分布方程如下：

z∈[2qh,(2q+1)h]；(q＝0、1、2…(p-1))

其中，M为黑体6的质量；

J₀为零阶贝塞尔函数；

R为外层棒2的外径；

r为外层棒2的内径；

r'为中子在吸收材料中的平均自由程，所述吸收材料中的平均自由程是指中子在黑体和灰体中的自由程的平均值；

H为控制棒的高度；

p为外层棒的黑体6的个数；

h为黑体6的长度；

π为圆周率。

专利CN201810643965.0中公开的中子吸收体A的质量分布方程中只有正弦函数，只能展平轴向上的功率，无法展平径向上的功率。但是在本申请中，在黑体质量分布方程中引入的余弦函数可以展平轴向上的功率，在黑体质量分布方程中引入的零阶贝塞尔函数，可用于调节反应堆的径向功率分布畸变；所述引入的贝塞尔函数是展平径向功率，从而避免出现波动。

优选地，图6中示出了插入控制棒与未插入控制棒反应堆堆芯中子通量随着反应堆径向、轴向和距离的变化图；图6为示意图，其中坐标中心即表示堆芯中心位置，横坐标表示负二分之H，纵坐标表示正二分之H，H表示堆芯高度，该图中将径向与轴向合并在一起。

图7中示出了一种放置控制棒的排布图，其中II型控制棒92放置于堆芯最外部黑色区域，即由白色网格分割形成的黑色块状位置处，I型控制棒91放置于堆芯内部黑色区域。

在一个优选的实施方式中，所述灰体7的质量分布为均匀分布，所述灰体7为弱中子吸收材料，所述灰体7选自碳化硼-氧化铝复合材料或不锈钢。

其中，所述灰体7优选选自¹⁰B富集度为10～30％的碳化硼-氧化铝，进一步优选选自¹⁰B富集度为15～25％的碳化硼-氧化铝，更进一步优选选自¹⁰B富集度为20％的碳化硼-氧化铝。

所述不锈钢优选选自奥体式不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢或沉淀硬化不锈钢，进一步优选选自奥体式不锈钢或奥氏体-铁素体双相不锈钢，更进一步优选选自奥体式不锈钢。

在一个优选的实施方式中，所述内层棒11和外层棒12中的黑体6和灰体7均间隔排布，进一步优选地，内层棒11的最下端为灰体7。

其中，灰体7的中子吸收能力比黑体6小，灰体7-黑体6-灰体7的排布方式，使得I型控制棒在轴向方向上，对中子的吸收能力呈现波浪状，属于非均匀控制棒，能够将一个较大的畸变峰分解为数个波动比较小的功率畸变峰，起到展平轴向功率分布的作用，进而能遏制堆芯内温度场分布的紊乱。

在一个优选的实施方式中，所述内层棒11中的黑体6与外层棒12中的灰体7位置相对应，所述内层棒11中的灰体7与外层棒12中的黑体6位置相对应，如图2所示，这样的排布方式有助于将较大的功率分布峰分解为多个小峰。

在一个优选的实施方式中，所述内层棒11的高度与外层棒12的高度相同，所述内层棒11的外径与外层棒12的内径相同，内层棒11贯穿外层棒12，二者之间为滑动连接。优选地，内层棒11相对于外层棒12的位移量小于等于一个黑体7或灰体6的高度。

现有的核反应堆控制棒由包壳和棒芯组成，其中，棒芯一般是由中子吸收材料制作的实心棒，而本发明中，将控制棒的棒芯分为内层棒11和外层棒12，内层棒11可以在外层棒12内上下滑动，一方面能够实现对裂变链式反应的微调，另一方面能够实时改变堆芯径向与轴向功率的畸形分布。

其中，在进行反应时，可以将内层棒11和外层棒12作为一个整体，一起插入反应堆，也可以保持外层棒12不变，单独插入内层棒11。跟现有的实心控制棒相比，本发明将原来的一级控制变更为二级控制，使得控制棒对反应堆的调控更加精确。

除此之外，该内层棒11可以在外层棒12内上下滑动，可以实时改变堆芯径向与轴向功率的畸形分布。当黑体6的厚度的一半比中子在黑体6的平均自由程大时，中子就被外层棒12中的黑体6所吸收，不能到达内层棒12中的灰体7，此时外层棒12就对内层棒11有一个“中子自屏”作用，内外层的黑体与灰体会形成一个“中子自屏”区域。通过控制“中子自屏区”的长度大小进而能够控制控制棒吸收中子能力的大小。

在一个优选的实施方式中，如图4中所示，所述“中子自屏”区域的大小与棒位的变化成正比。内层棒11的最下端是灰体7，相对应的，外层棒12的最下端是黑体7。内层棒11的灰体7与外层棒12的黑体6之间滑动距离Δh的大小与中子自屏区的大小成反比。

其中，该“中子自屏”区域表征了非均匀功率控制棒内层棒11调节径向与轴向堆芯功率的能力。其大小与内层棒11在外层棒12内的滑动距离Δh成正比。当内层棒11相对与外层棒12未滑动时，Δh＝0，此时“中子自屏区”的区域最大，控制棒的吸收能力最弱。当内层棒11下插至最底部时，即Δh为最大值，此时“中子自屏区”的区域最小，控制棒的吸收能力最强。当Δh为最大值时，反应堆功率畸变峰的峰值最小，较Δh＝0时峰值几乎缩小了一半。

在一个优选的实施方式中，所述I型控制棒还包括包壳13，所述包壳13选自纯金属材料或合金材料。

其中，包壳13可以采用能耐受高温、高压、强烈的中子辐照、冷却剂腐蚀等多重考验的纯金属材料或合金材料。由于合金的性能一般都优于纯金属，所述包壳13优选选自合金材料。

在进一步优选的实施方式中，所述包壳13选自“特种钢-钒合金-特种钢”新型合金材料。

其中，本发明中的特种钢指的是铬-镍-锰奥氏体不锈钢，可以选自200系不锈钢或300系不锈钢。这种特种钢的耐腐蚀性好，而钒合金则指的是钒钛铬合金(V-4Ti-4Cr)，这种钒合金具有耐热、抗辐射照射的优势。这种新型合金材料可以在温度高达700℃时表现出高度的机械坚固性与耐辐射照射性，足够抵御核反应堆特殊环境的影响。新型的包壳材料的选用也扩大了本发明中的控制棒的应用范围，不仅能适用于压水堆，也能在第四代核能系统(如钠冷快堆、铅冷快堆)中使用。

在更优选的实施方式中，可在钒钛铬合金(V-4Ti-4Cr)中添加0.1％-0.8wt％，优选0.2wt％-0.5wt％，例如0.3wt％的钼(Mo)以增强其机械性能与耐热程度。在一个优选的实施方式中，所述II型控制棒与I型控制棒结构相同，材质不同，在II型控制棒中，用燃料芯块8替代I型控制棒中的黑体6，如图3所示。

由于II型控制棒放置在中子通量密度较小的核反应堆边缘，此处的功率相较于核反应堆中央而言较小，II型控制棒选用中子吸收能力较弱的灰体7和燃料芯块8主要是为了弥补核反应堆中央与边缘之间的功率差，起到补偿功率的作用。

在一个优选的实施方式中，所述II型控制棒为均匀控制棒，II型控制棒中的灰体7和燃料芯块8的质量分布为均匀分布。

在一个优选的实施方式中，所述燃料芯块8选自易裂变核素或可裂变核素组成的氧化物，进一步优选选自易裂变核素或可裂变核素组成的稳定氧化物。

在进一步优选的实施方式中，所述燃料芯块8选自二氧化铀(UO₂)或铀钚混合氧化物MOX(PuO₂-UO₂)。

在更优选的实施方式中，所述燃料芯块8选自二氧化铀(UO₂)。

本发明另一方面提供了一种核反应堆控制棒组件，所述组件包括I型控制棒、II型控制棒、导热肋片2、星型架3和驱动杆4，如图4所示。

在一个优选的实施中，所述导热肋片2包括多个，均匀安装在I型控制棒和II型控制棒的包壳13外，所述导热肋片2的材质与控制棒包壳13的材质相同。

其中，所述导热肋片2能够起到增大热传导截面，改善堆芯内对流换热速率的作用，并能进一步减小堆芯内温度场的畸形分布，导热肋片对堆芯内温度场的畸形分布影响结果如图8和图9所示。由图8和图9可知，导热肋片2能在反应堆冷却剂通道显著地改善传热性能，热泳与湍流作用对燃料棒，控制棒周围冷却剂温度起到了调和作用，使温度场分布更加均匀，避免燃料棒包壳周围局部传热恶化，进而诱发堆芯熔毁事故。具体地，控制棒插入堆芯后，控制棒的周围都是冷却剂，在控制棒包壳外设置导热肋片能够改变冷却剂的湍流程度，增大冷却剂流体的雷诺数，使得湍流程度加剧，加大冷却剂与控制棒之间的换热，迅速导出核反应堆处的温度，使得中子达不到反应温度，无法进行反应，从而减小堆芯内温度场的畸形分布，起到控制堆芯功率的目的。图8中示出未采用导热肋片时堆芯内温度场的分布情况示意图，图9中示出采用导热肋片时堆芯内温度场的分布情况示意图。

在一个优选的实施方式中，所述导热肋片2与包壳13之间的连接方式为固定连接，所述固定连接优选为焊接，所述焊接更进一步优选为点焊或压焊。

在一个优选的实施方式中，所述星型架3包括连接柄31、翼片32和指状物33，其中，所述星型架3的材质为合金，优选为不锈钢。

在一个优选的实施方式中，所述连接柄31、翼片32和指状物33之间的连接方式优选为焊接，更进一步优选为点焊或压焊。

其中，指状物33分为内外两层，内层位于核反应堆的中央，外层位于核反应堆的边缘。在本发明中，I型控制棒安装在指状物33的内层，II型控制棒安装在指状物33的外层，所述星形架的结构图如图10和图11中所示。

在一个优选的实施方式中，所述连接柄31与驱动杆4相连，驱动杆4与内层棒11和外层棒12相连。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种核反应堆控制棒，其特征在于：所述控制棒包括I型控制棒和II型控制棒，其中，I型控制棒为非均匀控制棒，II型控制棒为均匀控制棒；

所述I型控制棒包括内层棒(11)和外层棒(12)，所述内层棒(11)和外层棒(12)均由间隔排布的黑体(6)和灰体(7)构成；

所述I型控制棒中的黑体(6)的质量分布为非均匀分布，其质量分布方程如下：

其中，

z∈[2qh,(2q+1)h]，q＝0、1、2…(p-1)；

M为黑体(6)的质量；

J₀为零阶贝塞尔函数；

R为外层棒(12)的外径；

r为外层棒(12)的内径；

r'为中子在黑体(6)中的平均自由程；

H为I型控制棒的高度；

p为外层棒(12)的黑体(6)的个数；

h为黑体(6)的长度。

2.根据权利要求1所述的核反应堆控制棒，其特征在于：

所述黑体(6)和灰体(7)的数量相同，高度也相同，

所述黑体(6)为强中子吸收材料，选自碳化硼-氧化复合材料或银-铟-镉合金；

所述灰体(7)为弱中子吸收材料，选自碳化硼-氧化铝复合材料或不锈钢。

3.根据权利要求1所述的核反应堆控制棒，其特征在于：

所述内层棒(11)中的黑体(6)与外层棒(12)中的灰体(7)位置相对应，所述内层棒(11)中的灰体(7)与外层棒(12)中的黑体(6)位置相对应。

4.根据权利要求3所述的核反应堆控制棒，其特征在于：所述内层棒(11)的外径与外层棒(12)的内径相同，内层棒(11)贯穿外层棒(12)，二者之间为滑动连接。

5.根据权利要求1所述的核反应堆控制棒，其特征在于：所述I型控制棒还包括包壳(13)，所述包壳(13)选自纯金属材料或合金材料。

6.根据权利要求5所述的核反应堆控制棒，其特征在于：所述包壳(13)为合金材料。

7.根据权利要求1所述的核反应堆控制棒，其特征在于：所述II型控制棒与I型控制棒结构相同，材质不同。

8.根据权利要求7所述的核反应堆控制棒，其特征在于：在II型控制棒中，用燃料芯块(8)替代I型控制棒中的黑体(6)。

9.根据权利要求8所述的核反应堆控制棒，其特征在于：所述燃料芯块(8)选自易裂变核素或可裂变核素组成的氧化物。

10.根据权利要求1至9之一所述的核反应堆控制棒，其特征在于：I型控制棒放置在核反应堆的中央，II型控制棒放置在核反应堆的边缘。

11.一种核反应堆控制棒组件，其特征在于：所述组件包括权利要求1至10之一所述的控制棒、导热肋片(2)、星型架(3)和驱动杆(4)。

12.根据权利要求11所述的核反应堆控制棒组件，其特征在于：所述导热肋片(2)包括多个，均匀安装在I型控制棒和II型控制棒的包壳(13)外；

所述星型架(3)包括连接柄(31)、翼片(32)和指状物(33)，其中，I型控制棒安装在指状物(33)的内层，II型控制棒安装在指状物(33)的外层；

所述连接柄(31)与驱动杆(4)相连，驱动杆(4)与内层棒(11)和外层棒(12)相连。

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