CN112837831B - 一种节省旁流的控制棒和导向管组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节省旁流的控制棒和导向管组合结构，其特征在于，导向管和控制棒由底端向顶端延伸方向的横截面棒径同步线性减小，所述控制棒全部插入时，导向管和所述控制棒之间环缝宽度保持恒定，所述导向管底端内径为最大值，所述导向管顶端内径为最小值，所述控制棒底端外径为最大值，所述控制棒顶端外径为最小值。当控制棒完全拔出时，对应环缝摩擦阻力系数达到最大，此时旁通流量达到可实现的最小值，从而达到了节省旁通流量的目的。

Description

一种节省旁流的控制棒和导向管组合结构

技术领域

本发明属于反应堆热工水力设计技术领域，特别是涉及导向管内插控制棒旁通流量控制技术。

背景技术

反应堆棒束控制棒插入燃料组件导向管内，用来启停反应堆和调节功率。控制棒插入导向管受到中子福照会在其中释放热量，需要一定的冷却剂加以冷却；而用于冷却控制棒的冷却剂旁路了堆芯燃料棒区域，是反应堆的旁通流量之一。反应堆热工水力设计中通常约有3％的反应堆流量流经导向管，这部分流量对于冷却燃料棒是无效的。

通常设计的控制棒和导向管都是等直径结构，设计中控制棒与导向管间会预留一定尺寸的环缝，允许一定量的冷却剂进入均匀环状空间以冷却导向管中的控制棒，同时给控制棒和导向管膨胀预留空间。

在导向管尺寸基本固定的情况下，控制棒和导向管之间环缝不能太小，其主要原因是考虑到控制棒全部插入堆芯时必须保证足够的冷却剂流经导向管内，以确保此时导向管中流体不发生沸腾，满足验收准则要求。但是在反应堆运行过程中，控制棒通常处于拔出状态，为了满足冷却分析预留的较大尺寸环缝会使得进入导向管中的流量(即堆芯旁通流量之一)会增加。由于堆芯内控制棒数量一般有数百根，因此这部分旁流份额占比较大。目前的这种设计对于堆芯冷却是不利的。

本发明提出一种新型的控制棒和导向管组合结构，在确保控制棒完全插入时导向管内有一定的流量，但是在控制棒提出堆芯时可以减少常规设计中导向管内旁通流量。对于采用自然循环冷却的反应堆以及采用更多控制棒的堆芯，本发明显得更加重要。

发明内容

本发明是一种节省旁流的控制棒和导向管组合结构，通过导向管和控制棒棒径沿轴向高度非均匀的尺寸设计，在控制棒提出堆芯时可以节省常规设计中导向管内较大的旁通流量。导向管和控制棒由底端向顶端延伸方向的横截面直径同步线性减小，所述导向管和所述控制棒之间环缝宽度保持恒定，所述导向管底端内径为最大值，所述导向管顶端内径为最小值，所述控制棒底端外径为最大值，所述控制棒顶端外径为最小值；全插时所述导向管与所述控制棒的对应位置之间环缝为2mm。

优选的，所述导向管下部的缓冲段以上设置侧面流水孔以及所述导向管底部下端塞锁紧螺钉上设置流水孔方便冷却剂流动。

优选的，控制棒完全拔出时，所述控制棒底端插入所述导向管内的长度应大于150mm。

对于本发明控制棒和导向管组合结构设计，导向管和控制棒由底端向上延伸，横截面直径同步线性减小，当控制棒完全下插时，控制棒与导向管之间环缝尺寸在整个轴向方向上恒定。当控制棒向上拔出时，控制棒底端棒径较大部分逐步到达导向管内径变小部分，使得两者之间环缝逐渐变小(同时满足膨胀预留要求)，控制棒底端部分对应环缝高度约150mm摩擦阻力系数逐渐增大。当控制棒完全拔出时，该部分对应环缝摩擦阻力系数达到最大。此时旁通流量达到可实现的最小值，从而达到了节省旁通流量的目的。

附图说明

图1是常规设计控制棒插入状态示意图；

图2是常规设计控制棒完全提出示意图；

图3是本发明的控制棒全插状态示意图；

图4是本发明的控制棒全部提出状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

对于常规控制棒导向管组合结构设计，控制棒和导向管沿轴向等直径设计，图1为控制棒插入导向管状态示意图。图2为控制棒完全提出导向管状态示意图。对于本发明导向管组合结构设计，导向管和控制棒由底端向上延伸，横截面棒径同步线性减小，两者之间环缝宽度保持恒定，图3为本发明的控制棒插入导向管状态示意图，图4为本发明的控制棒全部提出导向管状态示意图。

假设控制棒全部插入导向管时，插入深度为4300mm，完全提出时留在导向管内深度为150mm。采用常规设计时，为保证控制棒充分冷却，保持控制棒与导向管环缝在整个轴向上恒为2mm，控制棒外径为8mm，导向管内径为12mm。采用本发明设计时，导向管内径最大值(底端)为13mm，最小内径为10mm(顶端)，控制棒外径最大值(底端)为9mm，最小外径为6mm(顶端)，全插时控制棒与导向管间环缝恒为2mm。本说明书计算中不考虑控制棒和导向管膨胀的影响。在具体设计时，应考虑控制棒和导向管膨胀后，相应尺寸作一定的调整。

冷却剂主要通过导向管下部的缓冲段以上设置的侧面流水孔以及导向管底部下端塞锁紧螺钉上设置的较小直径的流水孔进入导向管，从而旁路了堆芯燃料棒区域。基于堆芯压降和导向管内压降相匹配的原则，计算导向管旁通流量时，主要考虑的阻力系数包括：导向管侧面流水孔形阻、锁紧螺钉流水孔形阻、导向管与控制棒之间环缝摩阻、导向管空管部分的摩阻、导向管出口形阻等。流体流过导向管内的压降为：

其中：K是第i个步长内的棒端部、突扩或突缩的形阻，或导向管缓冲段底部端塞的形阻；f是第i个步长内的摩擦因子。

控制棒插入导向管中时，由于环缝较小，且长度较大，因此对整个阻力的贡献最大。

对于导向管与控制棒之间环缝摩擦因子：

其中D_o为导向管内径，D_i为控制棒外径，Re为雷诺数。

则导向管与控制棒之间环缝阻力系数K为：

对于常规设计控制棒和导向管组合结构设计，导向管和控制棒沿轴向直径不变，当控制棒完全拔出时，控制棒底端到达导向管顶端，导向管和控制棒之间环缝不变，控制棒底端部分对应环缝高度约150mm摩擦阻力系数不变。

1)常规设计与本发明设计对比

当控制棒完全拔出时，采用常规设计，环缝为2.0mm时，控制棒与导向管之间环缝摩擦阻力系数为：

当控制棒完全拔出时，采用本设计时，环缝平均值为0.5mm时，环缝摩擦阻力系数为：

控制棒完全拔出时，对于相同Re条件下，采用本设计发明的导向管与控制棒之间环缝摩擦阻力系数约为传统设计的3.1倍。这可以使得导向管导向管中流体阻力增大，旁流减少。

以某典型压水堆工况为例，导向管内流动阻力的来源有：导向管侧面流水孔形阻、锁紧螺钉流水孔形阻、导向管与控制棒之间环缝摩阻、导向管空管部分的摩阻、导向管出口形阻等引起的压降。其中，导向管与控制棒环缝间压降占比最大。本发明设计主要使得控制棒完全拔出的情况下导向管与控制棒环缝阻力最大。

采用常规设计和本发明设计导向管内旁通流量计算结果如表1所示。通过结果可以看出常规设计的控制棒完全拔出工况的单根导向管旁通流量是大于控制棒全插情况的，但是本设计可以实现控制棒完全拔出工况小于控制棒全插情况。当控制棒完全拔出时，在采用常规设计时(环缝2.0mm)单根导向管旁通流量为0.15kg/s，采用本设计(环缝0.5mm)时单根导向管中旁通流量为0.09kg/s，相比常规设计旁通流量减小约40％。

表1常规设计与本设计旁通流量对比

*：等效估算结果。

2)本发明设计全插状态与完全拔出状态对比

当控制棒处于全插状态时，控制棒与导向管环缝保持2mm恒定，与常规设计基本一致。当控制棒完全拔出时，控制棒底端150mm高度对应环缝平均值为0.5mm远小于常规设计的2mm，因此完全拔出时，环缝摩擦阻力系数增大，对应的阻力增大，从而导致更少的旁流。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种节省旁流的控制棒和导向管组合结构，其特征在于，导向管和控制棒由底端向顶端延伸方向的横截面棒径同步线性减小，所述导向管和所述控制棒之间环缝宽度保持恒定，所述导向管底端内径为最大值，所述导向管顶端内径为最小值，所述控制棒底端外径为最大值，所述控制棒顶端外径为最小值。

2.如权利要求1所述的一种节省旁流的控制棒和导向管组合结构，其特征在于，所述导向管下部的缓冲段以上设置侧面流水孔以及所述导向管底部下端塞锁紧螺钉上设置流水孔方便冷却剂流动。

3.如权利要求1所述的一种节省旁流的控制棒和导向管组合结构，其特征在于，控制棒完全拔出时，所述控制棒底端插入所述导向管内有一定长度。