CN113241201B - 一种具有非均匀反射层的非均匀控制棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有非均匀反射层的非均匀控制棒，包括：内层柱体，其上端和下端分别设置有多个反射层Ⅰ，内层柱体上端的反射层Ⅰ与下端的反射层Ⅰ之间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，其滑动设置在内层柱体的外部，外层圆环柱体的结构包括：反射层Ⅱ，其分别设置在外层圆环柱体的上端和下端，外层圆环柱体上端的反射层Ⅱ与下端的反射层Ⅱ之间设置有间隔分布的中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ；中子吸收体Ⅱ的外侧设置有反射层Ⅲ，外层圆环柱体中部的中子吸收体Ⅱ外侧未设置反射层Ⅲ。本发明通过在非均匀控制棒中增加非均匀分布的中子反射层实现了堆芯轴向的中子补偿作用，改善了堆芯轴向功率分布。

Description

一种具有非均匀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非均匀反射层的非均匀控制棒。

背景技术

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学和安全性具有重要意义。中子泄漏对轴向功率偏差控制有很大影响，减小轴向中子泄漏可以提高轴向功率偏差控制性能。

在现有的压水堆功率控制棒系统中，中子泄漏加剧了轴向功率畸变。先进的反应堆使用中子补偿来减少轴向中子泄漏。主要有：①改变堆芯轴向中子产生能力，以补偿轴向中子泄漏，新燃料棒通过在轴向层中布置不同的裂变物质富集，改变堆芯轴向中子产生能力。在堆芯中部，燃料棒的富集很小，产生中子的能力很弱。燃料棒靠近上下底部的富集量大。产生中子的能力强，可以补偿堆芯上、下底面的中子泄漏。当控制功率水平时，棒位的变化会改变堆芯的初始轴向功率分布，导致轴向不均匀燃烧(燃耗可视为燃料棒裂变物质富集程度降低的过程)。这会改变初始设计中燃料棒裂变材料的轴向富集分布，削弱了中子泄漏补偿能力。②提高堆芯底部和顶部的中子泄漏补偿能力，第四代先进反应堆IRIS通过在堆芯上、下端增加中子反射层，防止中子泄漏。压水堆冷却剂从堆芯下部进出，这给轴向中子层的布置带来了挑战。同时，控制棒位置变化引起的轴向功率畸变峰值仍然存在，削弱了补偿中子泄漏的能力。因此，通过改变燃料棒的轴向富集度和增加轴向中子反射器的方式实现中子补偿以改善轴向功率分布的作用有限，降低了轴向功率偏差控制性能。

基于解耦控制思想的非均匀控制棒具有独立的轴向功率偏差和功率水平控制功能，构成的功率控制系统控制策略简单。N＝8的AB型非均匀控制棒轴向截面结构如图6和图7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≤△h≤h)，R是控制棒外径，r是内层柱体的直径。

压水堆功率控制系统采用非均匀控制棒控制堆芯功率时，由于其轴向上由2N+1(N为大于等于1的自然数)个等长、交错排列的中子吸收体和非中子吸收体在整个堆芯高度吸收中子的能力一致，不具有阻挡堆芯轴向的种植泄漏作用。为达到中子补偿作用，一种能够展平轴向功率分布的梭型非均匀控制棒被提出了，它是通过改变非均匀控制棒外层圆环柱体的中子吸收体的厚度，以改变外层吸收体在堆芯轴向上的吸收能力。非均匀控制棒外层圆环柱体的中子吸收体，在堆芯中部时的厚度最大，吸收中子能力最强。在堆芯的上、下底面时厚度最小，吸收中子能力最弱。这样就起到轴向的中子补偿作用，从而达到展平堆芯轴向功率分布的功能。由于控制棒的外径尺寸小，会限制外层圆环柱体的中子吸收体等厚度改变的范围，大大限制了非均匀控制棒的中子补偿作用。

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，提供了一种具有非均匀反射层的非均匀控制棒，包括：

内层柱体，其上端和下端分别设置有多个反射层Ⅰ，所述内层柱体上端的反射层Ⅰ与下端的反射层Ⅰ之间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：

多个反射层Ⅱ，其分别设置在所述外层圆环柱体的上端和下端，所述外层圆环柱体上端的反射层Ⅱ与下端的反射层Ⅱ之间设置有间隔分布的中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ；所述中子吸收体Ⅱ的外侧设置有反射层Ⅲ，且所述外层圆环柱体中部的中子吸收体Ⅱ外侧未设置反射层Ⅲ；

所述反射层Ⅲ在非均匀控制棒的径向对称分布。

优选的是，其中，所述反射层Ⅰ、中子吸收体Ⅰ、非中子吸收体Ⅰ、反射层Ⅱ、中子吸收体Ⅱ、非中子吸收体Ⅱ、反射层Ⅲ的长度相等。

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，带反射层Ⅲ的中子吸收体Ⅱ的数量大于等于2。

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：

所述内层柱体最下端的中子吸收体Ⅰ被替代为反射层Ⅰ，所述外层圆环柱体最下端的中子吸收体Ⅱ被替代为反射层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：

所述内层柱体最下端的非中子吸收体Ⅰ被替换为反射层Ⅰ，所述外层圆环柱体最下端的非中子吸收体Ⅱ被替换为反射层Ⅱ。

优选的是，其中，所述反射层Ⅰ、反射层Ⅱ和反射层Ⅲ均为氧化铍反射层。

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。

本发明至少包括以下有益效果：本发明通过在非均匀控制棒中增加非均匀分布的中子反射层实现了堆芯轴向的中子补偿作用，改善了堆芯轴向功率分布。本发明将非均匀控制棒两端的中子吸收体Ⅰ、非中子吸收体Ⅰ、中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ替换为反射层Ⅰ、反射层Ⅱ，反射层Ⅰ、反射层Ⅱ的数量用N₁表示；将非均匀控制棒中部附近的外层圆环柱体的中子吸收体Ⅲ替换为反射层Ⅲ，反射层Ⅲ的数量用N₂；处于非均匀控制棒中间的吸收体没有反射层，没有反射层的中子吸收体Ⅱ的数量用N₃表示。非均匀控制棒两端的反射层Ⅰ、反射层Ⅱ数量最多，中子吸收能力最弱。非均匀控制棒中间没有反射层，中子吸收能力最强。带有非均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒可以起到轴向中子补偿的作用。通过改变N₁、N₂、N₃的值就能够改变反射层Ⅰ、反射层Ⅱ和反射层Ⅲ在非均匀控制棒轴向上的分布从而改变轴向的中子补偿能力。

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N＝8时，具有非均匀氧化铍反射层的A型非均匀控制棒轴向截面结构示意图；

图2为N＝8时，具有非均匀氧化铍反射层的B型非均匀控制棒轴向截面结构示意图；

图3为不带氧化铍反射层的非均匀控制棒轴向中子通量密度分布图；

图4为具有均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒轴向中子通量密度分布图；

图5为具有非均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒轴向中子通量密度分布图；

图6为现有技术中A型非均匀控制棒轴向截面结构示意图；

图7为现有技术中B型非均匀控制棒轴向截面结构示意图；

图8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：本发明的一种具有非均匀反射层的A型非均匀控制棒以及具有非均匀反射层的B型非均匀控制棒，包括：

内层柱体1，其上端和下端分别设置有多个反射层Ⅰ11，所述内层柱体1上端的反射层Ⅰ11与下端的反射层Ⅰ11之间设置有间隔分布的中子吸收体Ⅰ12和非中子吸收体Ⅰ13；如图1和图2所示，内层主体1的上端和下端分别设置有三个反射层Ⅰ11；

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

多个反射层Ⅱ21，其分别设置在所述外层圆环柱体2的上端和下端，所述外层圆环柱体上端的反射层Ⅱ21与下端的反射层Ⅱ21之间设置有间隔分布的中子吸收体Ⅱ22和非中子吸收体Ⅱ23；所述中子吸收体Ⅱ22的外侧设置有反射层Ⅲ24，且所述外层圆环柱体2中部的中子吸收体Ⅱ22外侧未设置反射层Ⅲ；如图1和图2所示，外层圆环柱体2的上端设置有四个反射层Ⅱ21，外层圆环柱体2的下端设置有三个反射层Ⅱ21；

所述反射层Ⅲ24在非均匀控制棒的径向对称分布。

工作原理：本发明在非均匀控制棒中增加了非均匀分布的反射层Ⅰ11、反射层Ⅱ21、反射层Ⅲ24，实现了堆芯轴向的中子补偿作用，改善了堆芯轴向功率分布。位于非均匀控制棒两端的反射层Ⅰ11、反射层Ⅱ21的数量用N₁表示，将带有反射层Ⅲ24的中子吸收体Ⅱ22的数量用N₂表示，将未带有反射层Ⅲ24的中子吸收体Ⅱ22的数量用N₃表示，非均匀控制棒两端的反射层Ⅰ11、反射层Ⅱ21的数量最多，非均匀控制棒吸收能力最弱，因此本发明提供的具有非均匀反射层的非均匀控制棒能够展平堆芯轴向功率分布，减少控制棒棒位变化引起的轴向功率畸变峰。非均匀控制棒中部的中子吸收体Ⅱ22没有设置反射层Ⅲ24，中子吸收能力最强。带有非均匀反射层的非均匀控制棒可以起到轴向中子补偿作用。通过改变N₁、N₂和N₃的值就能够改变反射层Ⅰ11、反射层Ⅱ21、反射层Ⅲ24在非均匀控制棒轴向上的分布从而改变堆芯轴向的中子补偿能力。

在上述技术方案中，所述反射层Ⅰ11、中子吸收体Ⅰ12、非中子吸收体Ⅰ13、反射层Ⅱ21、中子吸收体Ⅱ22、非中子吸收体Ⅱ23、反射层Ⅲ24的长度相等。

在上述技术方案中，所述内层柱体1的中子吸收体Ⅰ12和非中子吸收体Ⅰ13的总数量为2N+1，所述外层圆环柱体2的中子吸收体Ⅱ22和非中子吸收体Ⅱ23的总数量为2N+1，其中N是大于等于1的自然数，带反射层Ⅲ24的中子吸收体Ⅱ22的数量大于等于2。

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最下端的中子吸收体Ⅰ12被替换为反射层Ⅰ11，所述外层圆环柱体2最下端的中子吸收体Ⅱ22被替换为反射层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最下端的非中子吸收体Ⅰ13被替换为反射层Ⅰ11，所述外层圆环柱体2最下端的非中子吸收体Ⅱ23被替换为反射层Ⅱ21。

在上述技术方案中，所述反射层Ⅰ11、反射层Ⅱ21和反射层Ⅲ24均为氧化铍反射层。

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。

如图1和图2所示，在具有非均匀反射层的A型非均匀控制棒和具有给均匀反射层的B型非均匀控制棒中，内层柱体1和反射层Ⅰ11的厚度用r表示，非均匀控制棒的直径用R表示，氧化铍反射层Ⅱ21的厚度用ΔL表示(0≤ΔL≤(R-r)/2)；由于内层柱体1可相对于外层圆环柱体2轴向滑动，反射层Ⅲ和与之相对应的中子吸收体Ⅰ或非中子吸收体Ⅰ的相对高度为控制棒棒位，控制棒棒位用Δh表示(0≤Δh≤h)，其中h是非中子吸收体Ⅰ13、中子吸收体Ⅰ12、反射层Ⅰ11、非中子吸收体Ⅱ23、中子吸收体Ⅱ22、反射层Ⅱ21、反射层Ⅲ24的长度，反应堆堆芯高度为H，对于N＝8的非均匀控制棒，h＝H/2N。

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＝8时，具有非均匀反射层的非均匀控制棒的四个不同控制棒棒位和三种氧化铍反射层厚度如表1所示：

表1在N＝8时，非均匀控制棒的四个不同控制棒棒位和三种氧化铍反射层厚度

N	h＝H/2N(cm)	r(cm)	R(cm)	Δh<sub>1</sub>(cm)	Δh<sub>2</sub>(cm)
						8	19.23	0.50	0.86	0	6.41
Δh<sub>3</sub>(cm)	Δh<sub>4</sub>(cm)	N<sub>1</sub>	N<sub>2</sub>	N<sub>3</sub>	ΔL(cm)
						12.82	19.23	6	4	1	0.08

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3所示为不带氧化铍反射层的非均匀控制棒轴向中子通量密度分布图，图4为具有均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒轴向中子通量密度分布图，图5为具有非均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒轴向中子通量密度分布图。从图3～图5可以看出，不带氧化铍反射层的非均匀控制棒、具有均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒和具有非均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒，其轴向中子通量密度分布不同。当非均匀控制棒具有均匀反射层时，由于反射层沿轴向均匀分布，且对轴向中子通量密度的影响相同，因此轴向中子通量密度分布更接近与没有反射层时的中子通量密度分布。对于具有非均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒，由于氧化铍反射层厚度不连续，轴向中子通量密度与没有反射层的中子通量密度有很大的不同。当非均匀控制棒中存在均匀氧化铍反射层时，轴向中子通量密度峰值最大。当非均匀控制棒具有非均匀的氧化铍反射层时，反应堆堆芯上端和下端的中子通量密度峰值最大。

因此，具有非均匀氧化铍反射层的非均匀控制棒不仅具有功率偏差控制功能，还具有轴向中子补偿功能。

如果31个单元的中子通量密度的平均值近似表示为反应堆堆芯轴向平均中子通量密度，四个控制棒棒位的轴向平均中子通量密度的计算公式为：

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：

其中，

表示第j个棒位相对于第j-1个棒位的中子通量密度变化。

根据上述两个式子，AB型非均匀控制棒在没有反射层、有均匀反射层和非均匀反射层，四个控制棒棒位对应的

和

见表2、表3和表4。

表2没有氧化铍反射层时

和

的值

表3具有均匀分布氧化铍反射层时

和

的值

表4具有非均匀分布氧化铍反射层时

和

的值

从表2、表3和表4可以看出，当非均匀控制棒没有反射层、具有均匀反射层和具有非均匀反射层时，对应的

和

的值是不同的。具有氧化铍反射层的非均匀控制棒有较高的

这有助于提高燃料棒的燃耗。

的值与控制棒棒位Δh成反比，所以具有氧化铍反射层的非均匀控制棒可以实现功率水平控制功能。

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 (7)

1.一种具有非均匀反射层的非均匀控制棒，其特征在于，包括：

内层柱体，其上端和下端分别设置有多个反射层Ⅰ，所述内层柱体上端的反射层Ⅰ与下端的反射层Ⅰ之间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：

多个反射层Ⅱ，其分别设置在所述外层圆环柱体的上端和下端，所述外层圆环柱体上端的反射层Ⅱ与下端的反射层Ⅱ之间设置有间隔分布的中子吸收体Ⅱ和非中子吸收体Ⅱ；所述中子吸收体Ⅱ的外侧设置有反射层Ⅲ，且所述外层圆环柱体中部的中子吸收体Ⅱ外侧未设置反射层Ⅲ；

所述反射层Ⅲ在非均匀控制棒的径向对称分布。

2.如权利要求1所述的具有非均匀反射层的非均匀控制棒，其特征在于，所述反射层Ⅰ、中子吸收体Ⅰ、非中子吸收体Ⅰ、反射层Ⅱ、中子吸收体Ⅱ、非中子吸收体Ⅱ、反射层Ⅲ的长度相等。

3.如权利要求1所述的具有非均匀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，带反射层Ⅲ的中子吸收体Ⅱ的数量大于等于2。

4.如权利要求1所述的具有非均匀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：

所述内层柱体最下端的中子吸收体Ⅰ被替代为反射层Ⅰ，所述外层圆环柱体最下端的中子吸收体Ⅱ被替代为反射层Ⅱ。

5.如权利要求1所述的具有非均匀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：

所述内层柱体最下端的非中子吸收体Ⅰ被替换为反射层Ⅰ，所述外层圆环柱体最下端的非中子吸收体Ⅱ被替换为反射层Ⅱ。

6.如权利要求1所述的具有非均匀反射层的非均匀控制棒，其特征在于，所述反射层Ⅰ、反射层Ⅱ和反射层Ⅲ均为氧化铍反射层。

7.如权利要求1所述的具有非均匀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。

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