CN113192657B - 一种具有反射层的非均匀控制棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有反射层的非均匀控制棒，包括：内层柱体，其上端连接有控制棒驱动装置连接杆，所述内层柱体设置有间隔分布的中子吸收体Ⅰ和非中子吸收体Ⅰ；外层圆环柱体，其可滑动设置在所述内层柱体的外部，其结构包括：中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ，其在所述外层圆环柱体上间隔分布，所述中子吸收体Ⅱ的外侧设置有反射层。本发明使用反射层取代了非均匀控制棒的外部中子吸收体Ⅱ，通过反射层反射中子的形式阻止中子进入内部中子吸收体中，与外层圆环柱体的中子吸收体一样，反射层起到了自屏蔽的作用，降低了中子的消失率。有助于增加堆芯中子通量密度，从而实现提高堆芯燃耗水平的功能。

Description

一种具有反射层的非均匀控制棒

技术领域

本发明属于核电站安全与控制机械技术领域，更具体地说，本发明涉及一种具有反射层的非均匀控制棒。

背景技术

核电站的安全和控制非常重要，为了控制核电站堆芯的链式反应速率在一个预定的水平上，需要用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒，控制棒用以补偿燃料消耗和调节反应速率。提高压水堆轴向功率偏差的控制性能对压水堆运行的经济性和安全性具有重要意义。基于解耦控制思想的非均匀功率控制棒具有独立的轴向功率偏差和功率级控制功能，构成的功率控制系统控制策略简单。N＝2的AB型非均匀控制棒轴向截面结构如图3和图4所示。图中：H是堆芯的高度，h是吸收体的长度(h＝H/2N)，Δh是控制棒棒位(0≤Δh≤h)，R是控制棒外径，r是内层柱体的直径。

无反射层的非均匀控制棒通过外层圆环柱体的中子吸收体吸收中子，阻止中子进入内中子吸收体，实现“自屏蔽”作用。压水堆功率控制系统采用非均匀控制棒控制堆芯功率时，其外层圆环柱体的中子吸收体常驻堆芯，在整个寿命周期内吸收中子，会降低燃料的燃耗水平。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种具有反射层的非均匀控制棒，包括：

内层柱体，其上设置有间隔分布的中子吸收体Ⅰ和非中子吸收体Ⅰ；

外层圆环柱体，其滑动设置在所述内层柱体的外部，其结构包括：

中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ，其在所述外层圆环柱体上间隔分布，所述中子吸收体Ⅱ的外侧设置有反射层。

优选的是，其中，所述中子吸收体Ⅰ、非中子吸收体Ⅰ、中子吸收体Ⅱ、非中子吸收体Ⅱ和反射层的长度相同。

优选的是，其中，所述内层柱体的上端连接有控制棒驱动装置连接杆。

优选的是，其中，所述非均匀控制棒为A型非均匀控制棒，其结构被设置为：

所述内层柱体的最下端为中子吸收体Ⅰ，所述外层圆环柱体的最下端为带反射层的中子吸收体Ⅱ。

优选的是，其中，所述非均匀控制棒为B型非均匀控制棒，其结构被设置为：

所述内层柱体的最下端为非中子吸收体Ⅰ，所述外层圆环柱体的最下端为非中子吸收体Ⅱ。

优选的是，其中，所述反射层为氧化铍反射层。

优选的是，其中，所述内层柱体的中子吸收体Ⅰ和非中子吸收体Ⅰ的总数量为2N+1，所述外层圆环柱体的中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ的总数量为2N+1，其中N是大于等于1的自然数。

本发明至少包括以下有益效果：本发明使用反射层取代了非均匀控制棒的外部中子吸收体Ⅱ，通过反射层反射中子的形式阻止中子进入内部中子吸收体中，与外层圆环柱体的中子吸收体Ⅱ一样，反射层起到了自屏蔽的作用。由于堆芯的中子被反射层反射回去而不是被吸收，因此降低了中子的消失率。有助于增加堆芯中子通量密度，从而实现提高堆芯燃耗水平的功能。由于其他结构不带反射层的非均匀控制棒相同，所以带有反射层的非均匀控制棒同样保持原有的功能。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明提供的带反射层的A型非均匀控制棒的剖面结构示意图；

图2为本发明提供的带反射层的B型非均匀控制棒的剖面结构示意图；

图3为无反射层的A型非均匀控制棒的剖面结构示意图；

图4为无反射层的B型非均匀控制棒的剖面结构示意图；

图5为氧化铍反射层厚度为0cm时，堆芯轴向中子通量密度分布图；

图6为氧化铍反射层厚度为0.13cm时，堆芯轴向中子通量密度分布图；

图7为氧化铍反射层厚度为0.23cm时，堆芯轴向中子通量密度分布图；

图8所示为反应堆堆芯燃料组件布置示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-2所示：分别为本发明的一种具有反射层的A型非均匀控制棒和具有反射层的B型非均匀控制棒，包括：

内层柱体1，其上设置有间隔分布的中子吸收体Ⅰ11和非中子吸收体Ⅰ12；

外层圆环柱体2，其滑动设置在所述内层柱体1的外部，外层圆环柱体2的结构包括：

中子吸收体Ⅱ21和非中子吸收体Ⅱ22，其在所述外层圆环柱体2上间隔分布，所述中子吸收体Ⅱ21的外侧设置有反射层23。

工作原理：本发明利用反射层23取代非均匀控制棒的外层圆环柱体的中子吸收体，设计了带有中子反射层的非均匀控制棒，反射层通过反射中子的形式阻止中子进入中子吸收体Ⅱ21和中子吸收体Ⅰ11，起到自屏蔽的作用。由于堆芯的中子被反射回去而不是被吸收，降低了中子的消失率，增加了堆芯中子通量密度，从而实现了提高堆芯燃耗水平的功能。由于本发明的非均匀控制棒的其他结构与不带反射层的非均匀控制棒相同，所以本发明提供的具有反射层的非均匀控制棒同样具有原有的功能。

在上述技术方案中，所述中子吸收体Ⅰ11、非中子吸收体Ⅰ12、中子吸收体Ⅱ21、非中子吸收体Ⅱ22和反射层23的长度相同。

在上述技术方案中，所述内层柱体1的上端连接有控制棒驱动装置连接杆3。

在上述技术方案中，所述非均匀控制棒为A型非均匀控制棒，其结构被设置为：

所述内层柱体1的最下端为中子吸收体Ⅰ11，所述外层圆环柱体2的最下端为带反射层23的中子吸收体Ⅱ21。

在上述技术方案中，所述非均匀控制棒为B型非均匀控制棒，其结构被设置为：

所述内层柱体1的最下端为非中子吸收体Ⅰ12，所述外层圆环柱体2的最下端为非中子吸收体Ⅱ22。

在上述技术方案中，所述反射层23为氧化铍反射层。

在上述技术方案中，所述内层柱体1的中子吸收体Ⅰ11和非中子吸收体Ⅰ12的总数量为2N+1，所述外层圆环柱体2的中子吸收体Ⅱ21和非中子吸收体Ⅱ22的总数量为2N+1，其中N是大于等于1的自然数。

以中国秦山300MW压水堆作为模拟对象。反应堆堆芯高度为307.6cm，反应堆堆芯半径为129.7cm。燃料组件总数为121件，包括有15×15根燃料棒。在每个燃料组件中，包括了204根燃料棒，20根控制棒以及1根中子通量密度测量棒。根据不同的²³⁵U浓缩度，初始燃料装载被划分为三个区域，如图8所示，其²³⁵U浓缩度分别为2.4％、2.67％和3.0％。在反应堆中有5根带有非均匀控制棒的燃料组件，其中一根位于反应堆中心位置，另外四根在反应堆中均匀对称分布。在N＝2，带氧化铍反射层的的非均匀控制棒的四个控制棒棒位如表1所示，非均匀控制棒的三个不同氧化铍反射层厚度如表2所示。

表1 N＝2时，具有氧化铍反射层的非均匀控制棒的四个不同控制棒棒位

N	h＝H/2N(cm)	r(cm)	R(cm)	Δh<sub>1</sub>(cm)	Δh<sub>2</sub>(cm)	Δh<sub>3</sub>(cm)	Δh<sub>4</sub>(cm)
								2	76.90	0.40	0.86	0	25.63	51.27	76.90

表2 N＝2时，具有氧化反射层的非均匀控制棒的三个不同反射层厚度

N	h＝H/2N(cm)	r(cm)	R(cm)	ΔL1(cm)	ΔL2(cm)	ΔL3(cm)
							2	76.90	0.40	0.86	0	0.13	0.23

被模拟反应堆的功率为300MW。假设每个中子裂变释放的平均能量为200MeV，每次裂变产生的平均中子数为2.45。中子归一化强度常数的计算公式为：

反应堆中任意点r′的功率密度计算公式为：

P(r')＝E_f∑_fΦ(r')

其中，E_f是转换常数，∑_f是宏观裂变截面，Φ(r')是中子通量密度，P(r')是核反应堆功率。宏观裂变截面恒定不变。通过上式可知，核反应堆功率P(r')与平均热中子通量密度Φ(r')成正比。

利用MCNP5建立秦山核电站的非均匀控制棒系统模型。

MCNP5中模拟试验参数设置如下：在临界源中，有效循环和无效循环的数量分别为700和300，初始中子源为50000，初始k_eff大约为1.0。裂变材料中总共有27个源点。选择F4在沿中子测量管轴向上测量31个均匀分布单元的中子通量密度。

图1和图2中，H是堆芯的高度，h是吸收体的长度(h＝H/2N)，Δh是控制棒棒位(0≤Δh≤h)，R是控制棒外径，ΔL为反射层厚度(0≤ΔL≤(R-r)/2)，图5所示为当氧化铍反射层厚度ΔL₁＝0cm时，反应堆堆芯轴向中子通量密度分布示意图；图6所示为当氧化铍反射层厚度ΔL₂＝0.13cm时，反应堆堆芯轴向中子通量密度分布示意图；图7所示为当氧化铍反射层厚度ΔL₃＝0.23cm时，反应堆堆芯和轴向中子通量密度分布示意图。

从图5～图7可以看出，在三个不同厚度ΔL氧化铍反射层中，堆芯轴向中子通量密度分布基本相同，不随控制棒棒位Δh的变化而变化。这是因为反射层沿着轴向均匀分布，它们对堆芯轴向中子通量密度具有相同的影响。因此，带反射层的非均匀控制棒的轴向功率偏差控制功能与不带反射层(ΔL＝0cm)的非均匀控制棒相同，并且轴向功率偏差控制能力基本上与氧化铍反射层的厚度无关。

如果31个单元的中子通量密度的平均值近似表示为堆芯的轴向平均中子通量密度，则四个控制棒棒位的轴向平均中子通量密度如下式表示：

其中，Φ_ji表示第j个棒位的第i个单元的中子通量密度，

表示第j棒位的平均中子通量密度。

四个控制棒棒位引起的轴向平均中子通量密度变化用下式表示：

根据上述两个公式，AB型非均匀控制棒在分别具有三个不同厚度的氧化铍反射层的情况下，四个控制棒棒位对应的

和

见表3、表4和表5。

表3氧化铍反射层的厚度ΔL₁＝0cm时

和

的值

表4氧化铍反射层的厚度ΔL₂＝0.13cm时

和

的值

表5氧化铍反射层的厚度ΔL₃＝0.23cm时

和

的值

从表3、表4和表5中可以看出，三个不同厚度氧化铍反射层的非均匀控制棒所对应的

和

是不同的。

的值随着氧化铍反射层厚度ΔL的增加而增加，因此通过增加氧化铍反射层的厚度，可以增加堆芯中子通量密度。当ΔL₁＝0cm和ΔL₂＝0.13cm时，

的值与控制棒棒位Δh成反比。当ΔL₃＝0.23cm时，

的值与控制棒棒位成正比。除了反射中子之外，氧化铍反射层也可以产生中子。当非均匀控制棒的内层柱体在外层圆环柱体内部时，被中子吸收体吸收的中子包括从氧化铍反射层泄漏的中子和一些由氧化铍反射层产生的中子。当这些中子的数量大于内层柱体在外层圆环柱体外部时被中子吸收体吸收的中子数量，此时

的值与Δh成正比。否则，

的值与Δh成反比。

与Δh的比值可以通过改变氧化铍反射层的厚度来改变。

因此，对于具有三个不同氧化铍反射层厚度的非均匀控制棒，可以通过改变控制棒棒位来改变中子通量密度。也就是说，可以通过改变控制棒棒位来调整功率水平。因此带氧化铍反射层的非均匀控制棒可以保持与无反射层的非均匀控制棒的功率水平控制能力。功率水平控制能力与氧化铍反射层的厚度有关。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种具有反射层的非均匀控制棒，其特征在于，包括：

内层柱体，其上设置有间隔分布的中子吸收体Ⅰ和非中子吸收体Ⅰ；

外层圆环柱体，其滑动设置在所述内层柱体的外部，所述外层圆环柱体的结构包括：

中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ，其在所述外层圆环柱体上间隔分布，所述中子吸收体Ⅱ的外侧设置有反射层，所述反射层为氧化铍反射层；

所述中子吸收体Ⅰ、非中子吸收体Ⅰ、中子吸收体Ⅱ、非中子吸收体Ⅱ和反射层的长度相同；

具有反射层的非均匀控制棒在反应堆中的布置方式为：在反应堆中有5根带有非均匀控制棒的燃料组件，其中一根位于反应堆中心位置，另外四根在反应堆中均匀对称分布；具有反射层的非均匀控制棒调节堆芯中子通量密度的方法为：通过增加氧化铍反射层的厚度，增加堆芯中子通量密度。

2.如权利要求1所述的具有反射层的非均匀控制棒，其特征在于，所述内层柱体的上端连接有控制棒驱动装置连接杆。

3.如权利要求1所述的具有反射层的非均匀控制棒，其特征在于，所述非均匀控制棒为A型非均匀控制棒，其结构被设置为：

所述内层柱体的最下端为中子吸收体Ⅰ，所述外层圆环柱体的最下端为带反射层的中子吸收体Ⅱ。

4.如权利要求1所述的具有反射层的非均匀控制棒，其特征在于，所述非均匀控制棒为B型非均匀控制棒，其结构被设置为：

所述内层柱体的最下端为非中子吸收体Ⅰ，所述外层圆环柱体的最下端为非中子吸收体Ⅱ。

5.如权利要求1所述的具有反射层的非均匀控制棒，其特征在于，所述内层柱体的中子吸收体Ⅰ和非中子吸收体Ⅰ的总数量为2N+1，所述外层圆环柱体的中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ的总数量为2N+1，其中N是大于等于1的自然数。

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