CN112071448A - 用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，包括设置在控制棒棒体下端的缓冲节，在棒体与所述缓冲节之间设置弹簧和薄壁压溃筒，通过弹簧的压缩和薄壁压溃筒的屈曲实现对落棒事故时控制棒下落产生动能的吸收，达到对传统设计中控制棒与下反射层的刚性碰撞进行优化的目的，避免对控制棒及石墨层造成破坏。按照冲击载荷吸收元件所在腔室与冷却剂流道的布置关系，本发明可分为开放腔式及封闭腔式两种结构，均为通体中空式结构，可以根据控制棒设计需要兼容实心式控制棒及中空式控制棒。本发明将两种缓冲元件组合式布置，最大限度的避免由于设计缓冲结构造成的控制棒对反应堆轴向上的反应性控制价值损失，且更易于对缓冲元件进行更换。
Description
技术领域
本发明涉及高温气冷堆的控制棒设计，具体涉及一种用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构。
背景技术
能源是国民经济中重要的产业之一，国民经济的发展离不开能源的支持。目前我国经济正处于高速发展时期，对能源的需求量日益增加，因此必须提供充足的能源以供经济发展所需。由于传统化石能源的资源量限制和环境问题的日益突出，对清洁安全的替代能源的发展已迫在眉睫。核能就是一种可以大规模替代化石燃料的清洁能源。
高温气冷堆(HTGR)是核能反应堆中的一种堆型，是在早期气冷堆，改进型气冷堆基础上发展起来的先进堆型，高温气冷堆商用电站也从原来的向大型化方向发展，转变为开发具有非能动固有安全性的模块式高温气冷堆。落棒事故是高温气冷堆核电站的事故之一，在落棒事故中，部分驱动机构会随控制棒一同下落，故由于驱动机构组件及控制棒组件一同下落产生的总动能较大，从而会造成控制棒下端与堆芯底部石墨层的剧烈碰撞，进而使控制棒及石墨发生结构破坏。
目前针对碰撞问题的解决方案主要包括两种，分别为在控制棒底部设置弹性元件及在下反射层上设置压溃装置。但上述两种方案均存在一定缺点，对于设置弹性元件的方案，控制棒在碰撞后会出现反向跳起的现象，从而对反应性控制性能造成影响；对于在下反射层上设置压溃装置的方案，高温气冷堆的活性区下部温度最高，压溃装置长期处于堆内最高温度区域，存在结构失效的风险，从而对碰撞时的缓冲性能产生影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，在不改变控制棒整体设计的前提下，减小在落棒事故中控制棒下端与下反射层石墨间的碰撞强度，从而保护控制棒本身及石墨不受到损坏。
本发明的技术方案如下：一种用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，包括设置在控制棒棒体下端的缓冲节，在棒体与所述缓冲节之间设置弹簧和薄壁压溃筒，通过弹簧的压缩和薄壁压溃筒的屈曲实现对落棒事故时控制棒下落产生动能的吸收。
进一步，如上所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其中，在所述缓冲节的外侧设有紧定环，所述紧定环与缓冲节之间留有间隙，紧定环与棒体固定连接，缓冲节与紧定环可实现相对运动，并保证缓冲节、紧定环、棒体的同轴度。
更进一步，所述紧定环上设有用于拧紧或脱开操作的紧定凸台。
进一步，如上所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其中，在所述棒体上设有用于限定所述薄壁压溃筒位移的导向凹槽，所述薄壁压溃筒的上端设置在导向凹槽内，薄壁压溃筒的下端设置在缓冲节的凹槽内。
进一步，如上所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其中，在所述棒体上设有连通孔，用于连通薄壁压溃筒外侧腔室与外界环境；所述弹簧设置在薄壁压溃筒内侧。
进一步，如上所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其中，所述的棒体、缓冲节为中空结构；棒体中空结构中通入的冷却剂与所述薄壁压溃筒相通。
进一步，如上所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其中，所述棒体和缓冲节上分别设有用于对所述弹簧进行限位的凸台；
或者，在另一种具体实施方式中，所述棒体内设有与棒体同轴的内包壳，所述弹簧套设在内包壳上，通过所述内包壳进行限位。
更进一步，所述内包壳下端伸入缓冲节内，内包壳下端与缓冲节之间留有间隙，缓冲节与内包壳可实现相对运动，并保证缓冲节与内包壳的同轴度。
更进一步，如上所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其中，所述的棒体、缓冲节和内包壳均为中空结构，控制棒中的冷却剂腔沿所述棒体和内包壳的中空结构延伸，与所述薄壁压溃筒隔离。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明为气冷微堆发生落棒事故时的特殊工况创造了技术条件；降低了对驱动机构设计的技术及操作要求；降低了落棒事故中控制棒与下反射层石墨的碰撞强度，保护了控制棒与石墨的结构完整性，延长使用寿命。
(2)本发明提出的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构通体为中空式设计，中部可供冷却剂流通，可兼容实心式及中空式控制棒设计。
(3)本发明考虑了控制棒下落过程中可能出现的倾斜现象，从多方面保证了下落碰撞过程中薄壁压溃筒与棒体的同轴度，避免薄壁压溃筒在受压过程中出现偏轴屈曲，从而与棒体间接触甚至卡死。保证的方法分别通过棒体与缓冲节上凹槽对薄壁压溃筒限位、紧定环与棒体的螺纹(或焊接)连接、紧定环与缓冲节间的间隙大小及轴向配合长度控制。另外对于弹簧，两种子设计分别通过设置凸台和内包壳对其进行限位。
(4)本发明采用弹簧与薄壁压溃筒两种缓冲元件组合的方式，以适应控制棒不同的初始落棒高度，保证缓冲结构的有效性。相比采用单一缓冲元件的方案，一方面可在冲击载荷作用未达到薄壁压溃筒屈曲临界值时，弹簧依然可以起到缓冲作用；另一方面在冲击载荷较大时，可由两种元件共同作用，避免弹簧压缩量过大之后产生过高的反弹，从而对反应性控制造成影响。
(5)本发明将两种缓冲元件组合式布置，最大限度的避免由于设计缓冲结构造成的控制棒对反应堆轴向上的反应性控制价值损失。且采用将两种缓冲元件置于控制棒下端的设置，相比传统设计中将缓冲元件置于下反射层上的方案，本发明更易于对其进行更换。
(6)本发明共有开放腔式及封闭腔式两种子设计，在实际选用过程中，可根据控制棒底部组合型防撞结构所处位置的气流扰动情况及温度对两种缓冲元件的作用进行相关分析，若寿期内气流扰动不会造成其缓冲性能下降，可选用开放腔式结构；若分析结果为会使其发生性能下降，则选用封闭腔式结构。
附图说明
以下附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。
图1是本发明实施例的开放腔式控制棒底部组合型防撞结构示意图；
图2是图1的A-A向截面示意图；
图3是本发明实施例的开放腔式控制棒底部组合型防撞结构的底部仰视图；
图4是本发明实施例的封闭腔式控制棒底部组合型防撞结构示意图；
图5是图4的C-C向截面示意图；
图6是本发明实施例的封闭腔式控制棒底部组合型防撞结构的底部仰视图。
图中，1.棒体；2.紧定环；3.弹簧；4.薄壁压溃筒；5.缓冲节；6.内包壳；11.连通孔；12.导向凹槽；21.紧定凸台；51.缓冲节凹槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，包括设置在控制棒棒体下端的缓冲节，在所述缓冲节的外侧设有紧定环，在棒体与所述缓冲节之间设置弹簧和薄壁压溃筒，在发生落棒事故时，通过弹簧首先吸收部分冲击载荷，之后由薄壁压溃筒的屈曲与其共同作用进一步吸收载荷。棒体、紧定环、缓冲节设计保证薄壁压溃筒的无偏转压溃。
本发明提供的如下实施例中共包括两种子设计，分别为开放腔式及封闭腔式。对于开放腔式结构如图1所示，由棒体1、紧定环2、弹簧3、薄壁压溃筒4及缓冲节5构成。对于封闭腔式结构如图4所示，主要由棒体1、紧定环2、弹簧3、薄壁压溃筒4、缓冲节5及内包壳6构成。上述两种子设计的各个部件均为同轴设置。本发明整体为中空式设计，可兼容实心式控制棒及中空式控制棒。两种设计的缓冲机理均为当发生落棒事故时，缓冲节与下反射层接触，使薄壁压溃筒发生屈曲，从而吸收控制棒下落产生的冲击载荷，达到对传统设计中控制棒与下反射层的刚性碰撞进行优化的目的，避免对控制棒及石墨层造成破坏。相比采用单一缓冲元件的方案，一方面可在冲击载荷作用未达到薄壁压溃筒屈曲临界值时，弹簧依然可以起到缓冲作用；另一方面在冲击载荷较大时，可由两种元件共同作用，避免弹簧压缩量过大之后产生过高的反弹，从而对反应性控制造成影响。
实施例一
如图1-3所示，本实施例中用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构由棒体1、紧定环2、弹簧3、薄壁压溃筒4及缓冲节5构成。棒体1外壁上设有连通孔11，连通薄壁压溃筒4外侧腔室与外界环境。另外，棒体上设有导向凹槽12，缓冲节5上端设有凹槽51，用于限定薄壁压溃筒4的位移，避免其在受压过程中出现偏轴屈曲，从而与棒体1间接触甚至卡死。弹簧3分别由棒体1、缓冲节4上的凸台进行限位，避免其在工作过程中与棒体1及薄壁压溃筒4相互接触。
紧定环2通过螺纹(或焊接)与棒体1连接固定，应保证其与棒体1的同轴度，紧定环2下端设有紧定凸台21，可供专用工具进行拧紧及脱开。缓冲节4与紧定环2间均留有间隙，在考虑材料辐照蠕变的情况下，保证缓冲节5与紧定环2间的相对轴向运动顺畅。另外，缓冲节4与紧定环2间的配合部分应保证缓冲节5与紧定环2、棒体1的同轴度，从而进一步保证薄壁压溃筒4与棒体1的同轴度，同轴度可通过加长缓冲节5与紧定环2间的配合区域轴向长度及在保证可实现正常相对运动的前提下适当减小间隙的方法来保证。
在反应堆正常运行工况下，控制棒中部冷却剂自上至下流动，对于开放腔式设计，棒体1中空结构中通入的冷却剂与弹簧3及薄壁压溃筒4的周围环境相通。
在发生落棒事故时，切断驱动机构电源，部分驱动机构及控制棒整体由于自身重力作用下落，产生较大的动能。当缓冲节5下端与下反射层石墨接触时本发明的组合型防撞结构开始工作，细节如下。
当下落高度较低时，弹簧3首先受到压缩作用，吸收控制棒的下落动能，控制棒下落速度降低，同时薄壁压溃筒4沿导向凹槽12运动直至两侧受压，在该工况下，其所受载荷未达到其临界屈曲载荷，弹簧3足以吸收足够的下落动能以保护下反射层石墨及控制棒棒体1不造成结构失效。且由于薄壁压溃筒4的设置限定了弹簧3的压缩量，从而使控制棒不会由于弹簧3回弹造成过大的向上反弹，以满足反应堆紧急停堆反应性控制要求。
当下落高度较高时，本发明结构首先完成上面描述的第一阶段缓冲效果。不同在于当薄壁压溃筒4沿导向凹槽12运动直至两侧受压时，其所受载荷达到其临界屈曲载荷。由于控制棒在下落过程中可能存在相对于石墨孔道的倾斜，从而出现不同轴的现象，在缓冲节5下端与下反射层石墨接触时，缓冲节5与紧定环2间的配合间隙、紧定环2与棒体1间的螺纹(或焊接)连接共同限制棒体1、紧定环2、薄壁压溃筒4及缓冲节5的同轴度。此时薄壁压溃筒4开始屈曲，吸收碰撞产生的冲击能量，同时弹簧也处于进一步压缩状态，共同吸收冲击能量。薄壁压溃筒4由于屈曲使其外侧腔室容积减小，该处气体通过棒体1上的连通孔11排出。在该压溃过程中，依然通过缓冲节5与紧定环2间的配合间隙、紧定环2与棒体1间的螺纹(或焊接)连接共同限制棒体1、紧定环2、薄壁压溃筒4及缓冲节5的同轴度，保证薄壁压溃筒4两侧所受压应力与其结构保持同轴，使薄壁压溃筒4不同侧间实现均匀屈曲，避免其由于受压不均造成单侧与棒体1出现部分接触及卡死。
随着薄壁压溃筒4的进一步屈曲及弹簧3的压缩，冲击能量被进一步吸收，直至控制棒下落速度减小为零。由于薄壁压溃筒4和弹簧3的组合式设置，薄壁压溃筒4的能量吸收效率较高，从而使弹簧3不致发生过大的压缩量，从而造成控制棒过高的向上反弹，以满足反应堆紧急停堆反应性控制要求。
在落棒事故结束后，可使用专用工具通过紧定环2上的紧定凸台21将不同部件分离，取出并更换弹簧3及薄壁压溃筒4。
实施例二
如图4-6所示，用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构由棒体1、紧定环2、弹簧3、薄壁压溃筒4及缓冲节5及内包壳6构成。棒体1外壁上设有连通孔11，连通薄壁压溃筒4外侧腔室与外界环境。另外，棒体上设有导向凹槽12，缓冲节5上端设有凹槽51，用于限定薄壁压溃筒4的位移，避免其在受压过程中出现偏轴屈曲，从而与棒体1间接触甚至卡死。弹簧3由内包壳6进行限位，避免其在工作过程中与棒体1及薄壁压溃筒4相互接触。内包壳6沿棒体中心向下延伸至缓冲节5中空结构中，缓冲节5与内包壳6应在可实现相对运动的前提下，保证其同轴度，使控制棒中部冷却剂流道腔与薄壁压溃筒4周围环境隔离。
紧定环2均通过螺纹(或焊接)与棒体1连接固定，应保证其与棒体1的同轴度，紧定环2下端设有紧定凸台21，可供专用工具进行拧紧及脱开。缓冲节4与紧定环2间均留有间隙，在考虑材料辐照蠕变的情况下，保证缓冲节5与紧定环2间的相对轴向运动顺畅。另外，缓冲节4与紧定环2间的配合部分应保证缓冲节5与紧定环2、棒体1的同轴度，从而进一步保证薄壁压溃筒4与棒体1的同轴度，同轴度可通过加长缓冲节5与紧定环2间的配合区域轴向长度及在保证可实现正常相对运动的前提下适当减小间隙的方法来保证。对于封闭腔式设计，其内包壳6与缓冲节5间的间隙及配合轴向长度也应保证两者间流畅的相对运动及同轴度。
在反应堆正常运行工况下，控制棒中部冷却剂自上至下流动，对于封闭腔式设计，内包壳6使控制棒中流向为自上至下的冷却剂腔与弹簧3及薄壁压溃筒4的周围环境隔离。
在发生落棒事故时，切断驱动机构电源，部分驱动机构及控制棒整体由于自身重力作用下落，产生较大的动能。当缓冲节5下端与下反射层石墨接触时本发明的组合型防撞结构开始工作，细节如下。
当下落高度较低时，弹簧3首先受到压缩作用，吸收控制棒的下落动能，控制棒下落速度降低，同时薄壁压溃筒4沿导向凹槽12运动直至两侧受压，在该工况下，其所受载荷未达到其临界屈曲载荷，弹簧3足以吸收足够的下落动能以保护下反射层石墨及控制棒棒体1不造成结构失效。且由于薄壁压溃筒4的设置限定了弹簧3的压缩量，从而使控制棒不会由于弹簧3回弹造成过大的向上反弹，以满足反应堆紧急停堆反应性控制要求。
当下落高度较高时，本发明结构首先完成上面描述的第一阶段缓冲效果。不同在于当薄壁压溃筒4沿导向凹槽12运动直至两侧受压时，其所受载荷达到其临界屈曲载荷。由于控制棒在下落过程中可能存在相对于石墨孔道的倾斜，从而出现不同轴的现象，在缓冲节5下端与下反射层石墨接触时，缓冲节5与紧定环2间的配合间隙、紧定环2与棒体1间的螺纹(或焊接)连接共同限制棒体1、紧定环2、薄壁压溃筒4及缓冲节5的同轴度。此时薄壁压溃筒4开始屈曲，吸收碰撞产生的冲击能量，同时弹簧也处于进一步压缩状态，共同吸收冲击能量。薄壁压溃筒4由于屈曲使其外侧腔室容积减小，该处气体通过棒体1上的连通孔11排出。在该压溃过程中，依然通过缓冲节5与紧定环2间的配合间隙、紧定环2与棒体1间的螺纹(或焊接)连接共同限制棒体1、紧定环2、薄壁压溃筒4及缓冲节5的同轴度，保证薄壁压溃筒4两侧所受压应力与其结构保持同轴，使薄壁压溃筒4不同侧间实现均匀屈曲，避免其由于受压不均造成单侧与棒体1、内包壳6出现部分接触及卡死。
随着薄壁压溃筒4的进一步屈曲及弹簧3的压缩，冲击能量被进一步吸收，直至控制棒下落速度减小为零。由于薄壁压溃筒4和弹簧3的组合式设置，薄壁压溃筒4的能量吸收效率较高，从而使弹簧3不致发生过大的压缩量，从而造成控制棒过高的向上反弹，以满足反应堆紧急停堆反应性控制要求。
在落棒事故结束后，可使用专用工具通过紧定环2上的紧定凸台21将不同部件分离，取出并更换弹簧3及薄壁压溃筒4。
本发明的实施例提供了上述开放腔式及封闭腔式两种子设计，在实际选用过程中，可根据控制棒底部组合型防撞结构所处位置的气流扰动情况及温度对两种缓冲元件的作用进行相关分析，若寿期内气流扰动不会造成其缓冲性能下降，可选用开放腔式结构；若分析结果为会使其发生性能下降，则选用封闭腔式结构。
在反应堆正常运行工况下，控制棒的环境温度可能达到700℃；在事故工况下可能达到1000℃以上，因此本发明中包括弹簧3、薄壁压溃筒4部分在内的所有结构可以全部采用高温持久能力较好的耐高温镍基合金，为防止高温环境下金属接触面材料的相互咬合粘连，相邻金属接触面选用进行固体润滑处理的不同牌号材料，以保持各滑动配合面的灵活性。所有螺纹连接应设置防松结构，防止部件间的螺纹连接脱开。薄壁压溃筒上可设置例如开槽等表面变形设计。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明方法。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，包括设置在控制棒棒体(1)下端的缓冲节(5)，在棒体(1)与所述缓冲节(5)之间设置弹簧(3)和薄壁压溃筒(4)，通过弹簧(3)的压缩和薄壁压溃筒(4)的屈曲实现对落棒事故时控制棒下落产生动能的吸收。
2.如权利要求1所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，在所述缓冲节(5)的外侧设有紧定环(2)，所述紧定环(2)与缓冲节(5)之间留有间隙，紧定环(2)与棒体(1)固定连接，缓冲节(5)与紧定环(2)可实现相对运动，并保证缓冲节(5)、紧定环(2)、棒体(1)的同轴度。
3.如权利要求2所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，所述紧定环(2)上设有用于拧紧或脱开操作的紧定凸台(21)。
4.如权利要求1所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，在所述棒体(1)上设有用于限定所述薄壁压溃筒(4)位移的导向凹槽(12)，所述薄壁压溃筒(4)的上端设置在导向凹槽(12)内，薄壁压溃筒(4)的下端设置在缓冲节的凹槽(51)内。
5.如权利要求1所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，在所述棒体(1)上设有连通孔，用于连通薄壁压溃筒(4)外侧腔室与外界环境；所述弹簧(3)设置在薄壁压溃筒(4)内侧。
6.如权利要求1所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，所述的棒体(1)、缓冲节(5)为中空结构；棒体(1)中空结构中通入的冷却剂与所述薄壁压溃筒(4)相通。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，所述棒体(1)和缓冲节(5)上分别设有用于对所述弹簧(3)进行限位的凸台。
8.如权利要求1-5中任意一项所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，所述棒体(1)内设有与棒体同轴的内包壳(6)，所述弹簧(3)套设在内包壳(6)上，通过所述内包壳(6)进行限位。
9.如权利要求8所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，所述内包壳(6)下端伸入缓冲节(5)内，内包壳(6)下端与缓冲节(5)之间留有间隙，缓冲节(5)与内包壳(6)可实现相对运动，并保证缓冲节(5)与内包壳(6)的同轴度。
10.如权利要求9所述的用于高温气冷堆控制棒的底部组合型防撞结构，其特征在于，所述的棒体(1)、缓冲节(5)和内包壳(6)均为中空结构，控制棒中的冷却剂腔沿所述棒体(1)和内包壳(6)的中空结构延伸，与所述薄壁压溃筒(4)隔离。
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