CN113178268B - 一种卧式耐高温多节式控制鼓 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卧式耐高温多节式控制鼓，包括设置在控制鼓孔道内的石墨芯轴、石墨节、B4C板，石墨芯轴两端固定，石墨节套设在石墨芯轴上，B4C板位于石墨节内部，石墨节由驱动机构控制旋转。本发明的石墨芯轴与石墨节的组合设计填充了控制鼓内部，充分利用了其空间，保证了反应堆的慢化效果；并且降低了需转动部分的重量，降低了运行过程中的应力及磨损。石墨节可设计为多节结构，从而降低转动过程中每节石墨节受扭矩产生的最大应力，并分散了热膨胀及辐照肿胀，避免由此产生开裂。B4C板装配于石墨节内部的设计，可通过控制二者间隙，避免由于热膨胀及辐照肿胀引起的尺寸变化造成二者间产生相互作用力；同时可以避免B4C板作为控制鼓外缘与孔道摩擦。
Description
技术领域
本发明属于卧式反应堆控制装置的设计，具体涉及一种卧式耐高温多节式控制鼓。
背景技术
核反应堆是能维持可控自持链式核裂变反应，以实现核能利用的装置。目前，大部分反应堆为立式设计，但其通常高度较高，不利于布置。因此，卧式堆芯的方案被提出。相比立式堆芯，卧式堆芯高度较矮，布置更为方便，甚至可满足可移动堆的设计要求，优势明显。
作为中子吸收体芯块的容器结构，传统反应堆中大部分采用控制棒的结构形式，但由于控制棒需要具备完全提出的条件，故其总体设计尺寸较大。相比控制棒，控制鼓可节省反应性调节过程中堆芯轴向方向的设计尺寸，从而减小了整个反应堆的总尺寸。另一方面，控制鼓普遍布置在反射层中，故对辐射屏蔽也可起到一定的有益作用，从而减小辐射屏蔽层的布置总量，从而减小反应堆的尺寸及重量。
卧式堆方案中，控制鼓往往也需采用卧式设计，故其需承受自身重量产生的挠度而不发生结构破坏。此外，控制鼓的服役温度可能较高，故其发生结构失效的风险较大。另外，若控制鼓设计尺寸较大，其中空结构会造成严重的慢化效果下降，若采用实心结构则会加剧元件结构失效风险及转动中的磨损。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种卧式耐高温多节式控制鼓，进而解决如下技术问题：一、克服控制鼓布置使慢化剂量过度减小，从而造成反应堆慢化效果不佳的问题；二、克服重力作用对控制鼓本身结构强度的影响，解决其产生过大挠度及磨损，从而造成结构失效，甚至危及反应堆安全性的问题；三、避免使用金属外包壳，解决控制鼓不能适应较高服役温度的问题。
本发明的技术方案如下：一种卧式耐高温多节式控制鼓，包括设置在控制鼓孔道内的石墨芯轴、石墨节、B4C板，所述石墨芯轴两端固定，所述石墨节套设在石墨芯轴上，B4C板位于石墨节内部，石墨节由驱动机构控制旋转。
进一步，如上所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其中，所述控制鼓孔道两端分别设有上反射层、下反射层，上反射层一侧设有与反应堆压力容器连接的上支撑板，所述石墨芯轴两端分别通过所述上支撑板和下反射层支撑固定。
进一步，如上所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其中，所述石墨节为多节结构，相邻石墨节之间通过销钉连接，第一节所述石墨节与驱动封头连接，驱动机构控制驱动封头带动多个石墨节旋转。
更进一步，所述驱动封头一端通过螺栓与第一节石墨节固定，另一端设有环形爪状凸台，与驱动机构相连，从而传递驱动机构扭矩。
更进一步，所述销钉分为两组，分别为常用销钉及备用销钉，两组销钉在相邻石墨节连接处呈圆周交替设置；所述备用销钉与对应的销钉槽间的设计间隙略大于常用销钉与对应的销钉槽间的设计间隙。常用销钉和备用销钉可采用不同的材料，常用销钉采用耐磨、抗腐蚀性能相对更好的材料，备用销钉采用抗热震性能更优且长寿期中尺寸肿胀量相对较小的材料。
进一步，如上所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其中，所述B4C板为弧形板，所述石墨节上开有与B4C板适配的扇形槽，B4C板插入所述扇形槽内。
进一步，如上所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其中，所述石墨节与控制鼓孔道之间填充石墨粉。
进一步，如上所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其中，所述石墨节由控制鼓孔道支撑，所述石墨芯轴与石墨节之间留有间隙，正常运行过程中石墨芯轴不与石墨节接触。
进一步，如上所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其中，所述石墨芯轴为中空式结构，内部可通入冷却剂。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明为卧式反应堆的控制鼓设计创造了技术条件。石墨芯轴与石墨节的组合设计一方面填充了控制鼓内部，充分利用了其空间，保证了反应堆的慢化效果；另一方面分散了重量，尤其降低了需转动部分的重量，降低了运行过程中的应力及磨损。
(2)本发明的多节式设计降低了转动过程中每节石墨节受扭矩产生的最大应力。另外，分散了热膨胀及辐照肿胀(收缩)，避免由此产生开裂，更不易发生结构失效。
(3)本发明的石墨节轴向上开扇形槽，插入B4C板的设计，一方面可通过控制二者间隙，避免由于热膨胀及辐照肿胀(收缩)引起的尺寸变化造成二者间产生相互作用力；另一方面可以避免B4C板作为控制鼓外缘与孔道摩擦，从而造成损耗。
(4)本发明考虑了摩擦损耗对控制鼓使用寿命的影响，其一，设置两套连接销钉，相互补偿保持石墨节间连接长期有效；其二，在石墨节与孔道间填有石墨粉，以减小摩擦损耗。
(5)本发明对卧式反应堆具有较强的适应能力、易于布置，相比传统控制鼓结构在保证慢化性能的前提下直径可调范围更大，且活性区内未使用金属材料，而采用高温下力学性能更优的石墨，可适应服役温度较高的环境。总体对整堆的小型化具有明显的优势，可广泛应用于各种型号的卧式反应堆。
附图说明
图1是本发明实施例的卧式耐高温多节式控制鼓的总体布局结构示意图；
图2是本发明实施例的相邻石墨节连接处结构示意图；
图3是本发明实施例的驱动封头处结构示意图。
图中，1.驱动封头；2.石墨芯轴；3.石墨节；4.B4C板；5.销钉；51.常用销钉；52.备用销钉；6.石墨粉；7.上支撑板；8.上反射层；9.控制鼓孔道；10.下反射层。
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。
如图1所示，为本实施例提供的卧式反应堆用多节式控制鼓的总体布局结构示意图，该卧式耐高温多节式控制鼓包括：驱动封头1、石墨芯轴2、石墨节3、B4C板4、连接销钉5及石墨粉6，与其配合的元件主要包括上支撑板7、上反射层8、控制鼓孔道9及下反射层10。其中上支撑板7与反应堆压力容器连接固定实现定位，正常运行时，整个控制鼓插入控制鼓孔道9中，石墨芯轴2两端分别与上支撑板7和下反射层10连接，由上支撑板7及下反射层10支撑固定，其余控制鼓结构由控制鼓孔道9支撑。
作为优选实施方式，石墨节3为环形，轴向分为多节，这种多节结构能够降低转动过程中每节石墨节受扭矩产生的最大应力。另外，分散了热膨胀及辐照肿胀(收缩)，避免由此产生开裂。相邻两节石墨节通过连接销钉进行装配定位及传递扭矩。石墨节3轴向上开有扇形槽，可供B4C板4插入，B4C板4为弧形板。一方面可通过控制二者间隙，避免由于热膨胀及辐照肿胀(收缩)引起的尺寸变化造成二者间产生相互作用力；另一方面可以避免B4C板作为控制鼓外缘与孔道摩擦，从而造成损耗。
转动驱动扭矩由一端的驱动封头1施加，由靠近上反射层8一侧的石墨节通过连接销钉依次向另一侧的各石墨节传动。如图3所示，驱动封头1套设在石墨芯轴2上，其一端通过螺栓与石墨节固定，另一端设有环形爪状凸台，与驱动机构相连，从而传递驱动机构扭矩。
需要调整控制鼓中B4C板4的角度时，驱动机构转动推动驱动封头1的环形爪状凸台，从而使驱动封头1旋转。同时，驱动封头1通过与靠近上反射层8的第一级石墨节间的螺栓传递扭矩，从而使石墨节3旋转。由于石墨节3间布有连接销钉5，故由靠近上反射层8的第一级石墨节向远端逐级传动扭矩，使各级石墨节旋转，由于B4C板4布置于石墨节3中的腔室中，故石墨节3带动B4C板4转动，从而达到控制反应堆反应性的目的。
上述过程中，对于各级石墨节3中用于传递扭矩的连接销钉5共分为两组，分别为常用销钉51及备用销钉52，两种采用不同材料，作为具体实施例，常用销钉可采用SiC，备用销钉可采用石墨。两种材料相比SiC耐磨及抗腐蚀性能更好，石墨的抗热震性能更佳及长寿期中尺寸肿胀量较小。由于常用销钉在正常工况下使用，故利用其优良的耐磨性能及抗腐蚀性能可维持较长的寿命；备用销钉在面对热震环境时可有较高容错，且在长寿期中尺寸肿胀量更小，可保持与销钉孔的设计间隙。从功能上两组销钉相互补偿。两组销钉在两节石墨节3连接处界面上呈圆周交替均匀布局，如图2所示。备用销钉52与对应的销钉槽间的设计间隙略大于常用销钉51与对应的销钉槽间的设计间隙。服役初期，常用销钉51主要用于传递扭矩，经一段时间摩擦损耗后，个别销钉尺寸会有所减小，当其与对应销钉槽的间隙大于备用销钉52与对应销钉槽的间隙时，其相邻的备用销钉52启用，传递转鼓过程中的扭矩，起到相互补偿作用，保证各节控制鼓间连接长期有效。
另外，在控制鼓转动同时石墨节3外侧与控制鼓孔道9间存在摩擦作用，填充于其间的石墨粉6可起到增大摩擦面积及润滑的作用，降低摩擦损耗，提高控制鼓使用寿命。石墨芯轴2由上支撑板7及下反射层10支撑，与石墨节3间留有间隙，正常运行过程中不与各节石墨节3接触。由于石墨芯轴2重量未施加于石墨节3上，且不随控制鼓旋转，故在保证控制鼓内部石墨填充量保证慢化的同时减小了控制鼓中需旋转部分的重量，降低了石墨节3外缘与控制鼓孔道9间的摩擦损耗。作为优选方案，石墨芯轴2为中空结构，其轴向空间内可通入冷却剂，为控制鼓降温。
运行一段时间后，石墨节3扇形槽及B4C板4会由于热膨胀及辐照肿胀(收缩)引起部分尺寸变化，开槽式设计可通过控制设计间隙避免二者发生相互作用力，同时可以避免B4C板4直接暴露于控制鼓与孔道9的摩擦面上，避免对其造成摩擦损耗，延长使用寿命。
在反应堆正常运行工况下，控制鼓的环境温度可能达到800℃；在事故工况下可能达到1000℃以上，因此本发明中除驱动封头1外的材料均采用石墨及其他耐高温陶瓷材料，驱动封头1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(例如驱动机构与驱动封头1间、驱动封头1与螺栓间)应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。
本发明适用于卧式反应堆的设计。石墨节结合石墨芯轴的设计一方面充分利用了控制鼓的内部空间，保证了反应堆的慢化效果；另一方面缓解了控制鼓与孔道间的摩擦损耗，结合填充的石墨粉，以此延长控制鼓的使用寿命。B4C板装配于石墨节上扇形腔室的设计，一方面可通过控制二者间隙，避免由于热膨胀及辐照肿胀(收缩)引起的尺寸变化造成二者间产生相互作用力；另一方面可以避免B4C板作为控制鼓外缘与孔道摩擦，从而造成损耗。对于本控制鼓驱动方式，其由单侧驱动封头驱动，在多级石墨节中通过销钉传递扭矩的设计形式避免了使用金属外包壳，且石墨在高温下的力学性能相比常温下更优，从而使本发明的设计可适用于温度较高的环境中，可靠性高。
对于本领域技术人员而言，显然本发明的结构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。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 (8)
1.一种卧式耐高温多节式控制鼓，其特征在于，包括设置在控制鼓孔道（9）内的石墨芯轴（2）、石墨节（3）、B4C板（4），所述石墨芯轴（2）两端固定，所述石墨节（3）套设在石墨芯轴（2）上，B4C板（4）位于石墨节（3）内部，石墨节（3）由驱动机构控制旋转；控制鼓孔道（9）两端分别设有上反射层（8）、下反射层（10），上反射层（8）一侧设有与反应堆压力容器连接的上支撑板（7），所述石墨芯轴（2）两端分别通过所述上支撑板（7）和下反射层（10）支撑固定；所述石墨节（3）为多节结构，相邻石墨节之间通过销钉（5）连接，第一节所述石墨节与驱动封头（1）连接，驱动机构控制驱动封头（1）带动多个石墨节（3）旋转。
2.如权利要求1所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其特征在于，所述驱动封头（1）一端通过螺栓与第一节石墨节固定，另一端设有环形爪状凸台，与驱动机构相连，从而传递驱动机构扭矩。
3.如权利要求1所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其特征在于，所述销钉（5）分为两组，分别为常用销钉（51）及备用销钉（52），两组销钉在相邻石墨节连接处呈圆周交替设置；所述备用销钉（52）与对应的销钉槽间的设计间隙略大于常用销钉（51）与对应的销钉槽间的设计间隙。
4.如权利要求3所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其特征在于，常用销钉（51）和备用销钉（52）采用不同的材料，常用销钉（51）采用耐磨、抗腐蚀性能相对更好的材料，备用销钉（52）采用抗热震性能更优且长寿期中尺寸肿胀量相对较小的材料。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其特征在于，所述B4C板（4）为弧形板，所述石墨节（3）上开有与B4C板（4）适配的扇形槽， B4C板（4）插入所述扇形槽内。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其特征在于，所述石墨节（3）与控制鼓孔道（9）之间填充石墨粉（6）。
7.如权利要求6所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其特征在于，所述石墨节（3）由控制鼓孔道（9）支撑，所述石墨芯轴（2）与石墨节（3）之间留有间隙，正常运行过程中石墨芯轴（2）不与石墨节（3）接触。
8.如权利要求7所述的卧式耐高温多节式控制鼓，其特征在于，所述石墨芯轴（2）为中空式结构，内部可通入冷却剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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