CN113782231B - 一种控制棒组件及核反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种控制棒组件及核反应堆，控制棒组件包括控制棒外套筒和控制棒移动体，控制棒移动体插入到控制棒外套筒中；控制棒移动体的周向表面和控制棒外套筒的内壁中的一者设置有若干个定位凸起，另一者设置有多个相互隔离的插接通道，插接通道包括插拔子通道以及位于插拔子通道周向一侧的锁止子通道，插拔子通道和锁止子通道之间形成有间隔壁，间隔壁设置有连通插拔子通道和锁止子通道的连通口；在锁止状态下，控制棒移动体能够在外力作用下带动控制棒外套筒沿轴向同步移动。本发明实施例中的控制棒通过定位凸起和插接通道之间的配合，实现了控制棒外套筒随控制棒移动体一同沿轴向移动，便于两者寿期末进行更换作业。

Description

一种控制棒组件及核反应堆

技术领域

本发明涉及核技术领域，具体涉及一种控制棒组件及核反应堆。

背景技术

在核反应堆中，为了控制核裂变链式反应的速率在一个预定的水平上，需要用吸收中子的材料做成控制棒组件来补偿燃料消耗和调节反应速率，控制棒组件中通常采用易于吸收中子的材料。

我国新型示范快堆属于第四代核电技术，它采用分体式的控制棒组件，控制棒组件由控制棒移动体与控制棒外套筒两部分组成，采取该结构能有效降低堆容器的高度，提高材料的利用率并降低核废物量。

控制棒组件采取分体式结构后，控制棒移动体与控制棒外套筒均需要进行换料作业。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种能够使控制棒外套筒随控制棒移动体移动的控制棒组件，以便两者进行换料作业。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

一种控制棒组件，该所述控制棒组件包括：

控制棒外套筒；

控制棒移动体，所述控制棒移动体插入到所述控制棒外套筒中；

所述控制棒移动体的周向表面和所述控制棒外套筒的内壁中的一者设置有若干个定位凸起，另一者设置有多个相互隔离的插接通道，所述插接通道包括插拔子通道以及位于所述插拔子通道周向一侧的锁止子通道，所述插拔子通道和所述锁止子通道之间形成有间隔壁，所述间隔壁设置有连通所述插拔子通道和所述锁止子通道的连通口；

所述控制棒组件包括锁止状态和解锁状态，在所述解锁状态下，所述控制棒移动体能够相对所述控制棒外套筒轴向移动；在所述锁止状态下，所述定位凸起被约束在所述锁止子通道中，所述间隔壁能够阻挡所述控制棒移动体相对所述控制棒外套筒转动，所述控制棒移动体能够在外力作用下带动所述控制棒外套筒沿轴向同步移动。

在一些实施例中，所述插拔子通道的一侧敞开以形成用于所述定位凸起进出所述插接通道的出入口，所述锁止子通道朝向所述出入口的一侧封闭，在所述锁止状态下，所述定位凸起可以与所述锁止子通道的封闭侧所对应的内壁抵接，以使所述控制棒外套筒可以随所述控制棒移动体沿轴向移动。

在一些实施例中，所述插拔子通道的一侧敞开以形成用于所述定位凸起进入所述插拔子通道的出入口，插接通道背离出入口的一侧封闭。

在一些实施例中，所述插拔子通道的一侧敞开以形成用于所述定位凸起进入所述插拔子通道的出入口，所述连通口与所述出入口间的距离为第一间距，所述插拔子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁与所述出入口间的距离为第二间距，所述第二间距大于所述第一间距。

在一些实施例中，所述插拔子通道的一侧敞开以形成用于所述定位凸起进入所述插拔子通道的出入口，所述连通口与所述出入口间的距离为第一间距，所述锁止子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁与所述出入口间的距离为第三间距，所述第三间距大于所述第一间距。

在一些实施例中，所述插拔子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁与所述出入口间的距离为第二间距，所述第二间距与所述第三间距相等。

在一些实施例中，所述插拔子通道的一侧敞开以形成用于所述定位凸起进入所述插拔子通道的出入口，所述控制棒移动体沿周向设有限位凸起，所述限位凸起与所述控制棒外套筒沿轴向的一端抵接时，所述定位凸起与所述插拔子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁抵接，或者所述定位凸起与所述锁止子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁抵接。

在一些实施例中，所述插拔子通道和所述锁止子通道均沿轴向延伸。

在一些实施例中，多个所述定位凸起间隔设置在所述控制棒移动体的周向表面，所述控制棒外套筒对应的内壁的局部区域凹陷以形成所述插接通道。

在一些实施例中，所述控制棒移动体包括沿周向设置的若干个吸收体，所述吸收体由易于吸收中子的材料制成，若干个所述吸收体均位于所述控制棒移动体中。

本发明实施例还提供了一种核反应堆，所述核反应堆包括前述实施例中所述控制棒组件、用于控制所述控制棒移动体沿轴向移动的抓取设备以及安装底座，所述控制棒外套筒沿轴向与所述安装底座可拆卸连接。

本发明实施例中的控制棒组件通过定位凸起和插接通道之间的配合，实现了控制棒外套筒随控制棒移动体一同沿轴向移动，便于两者寿期末进行更换作业。定位凸起和插接通道的结构简单，两者间的配合变化操作步骤简单，仅需要沿轴向移动和沿周向转动，提高了作业过程中的安全性，同时，零部件少提高了控制棒组件尺寸的紧凑程度，便于生产制造。

附图说明

图1为本发明一实施例中控制棒外套筒的剖切示意图；

图2为图1中A位置的放大示意图；

图3为本发明一实施例中控制棒移动体的示意图；

图4为本发明一实施例中的控制棒移动体插入到控制棒外套筒的剖切示意图；

图5为解锁状态下，图4中B-B位置的剖切示意图；

图6为锁止状态下，图4中B-B位置的剖切示意图。

附图标记说明

控制棒外套筒10；安装腔10a；安装口10b；插接通道11；出入口11a；锁止子通道111；第二侧壁1111；第三侧壁1112；插拔子通道112；第一侧壁1121；间隔壁113；连通口113a；控制棒移动体20；定位凸起21；限位凸起22；吸收体23；第一间距d；第二间距D1；第三间距D2

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

在本申请的描述中，“轴向”、“上”、“下”方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本申请和简化描述，而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申请的限制。

本发明实施例提供一种控制棒组件，参阅图1至图6，该控制棒组件包括控制棒移动体20和控制棒外套筒10，控制棒移动体20插入到控制棒外套筒10中。通过控制控制棒移动体20的插入深度来调节控制棒沿轴向的尺寸，从而降低了对反应堆容器高度的要求，提高了控制棒组件的适配性。通过在核反应堆工作的过程中调节控制棒移动体20的插入深度，能够提高材料的利用率并降低核废物量。

具体地，参阅图1，控制棒外套筒10中设有安装腔10a，安装腔10a沿控制棒外套筒10的轴向延伸，安装腔10a的一侧敞开形成安装口10b，控制棒移动体20的至少部分可以沿轴向穿过安装口10b进入到安装腔10a中。

控制棒移动体20的周向表面和控制棒外套筒10的内壁中的一者设置有若干个定位凸起21，另一者设置有多个相互隔离的插接通道11，插接通道11包括插拔子通道112以及位于插拔子通道112周向一侧的锁止子通道111，插拔子通道112和锁止子通道111之间形成有间隔壁113，间隔壁113设置有连通插拔子通道112和锁止子通道111的连通口113a。

参阅图1、图2、图5和图6，控制棒组件包括锁止状态和解锁状态，在解锁状态下，控制棒移动体20能够相对控制棒外套筒10轴向移动。

在解锁状态下，定位凸起21可以在插拔子通道112中沿轴向移动，或者定位凸起21位于控制棒外套筒10之外沿轴向移动，以使得控制棒移动体20可以在设计限度的范围内控制其插入到控制棒外套筒10中的深度，而不会使定位凸起21与插拔子通道112沿轴向所对应的内壁相抵接。在反应堆工作时，通过控制控制棒移动体20在控制棒外套筒10内的深度来调节反应堆中链式反应的速率，从而控制反应堆的输出功率。

需要说明的是，定位凸起21被约束在锁止子通道111中指的是，位于锁止通道中的定位凸起21沿轴向移动无法从锁止子通道111中脱离。

在锁止状态下，定位凸起21被约束在锁止子通道111中，间隔壁113能够阻挡控制棒移动体20相对控制棒外套筒10转动，控制棒移动体20能够在外力作用下带动控制棒外套筒10沿轴向同步移动。锁止状态下，外力使得控制棒移动体20沿轴向朝远离控制棒外套筒10的方向移动，直至定位凸起21与锁止子通道111所对应的内壁抵接，以使得控制棒移动体20与控制棒外套筒10沿轴向的相对位置固定，而后，控制棒移动体20进一步沿轴向移动，控制棒外套筒10随之一同沿轴向移动。

由于插拔子通道112和锁止子通道111沿周向布置，且连通口113a设置在两者之间的间隔壁113上，使得定位凸起21在插拔子通道112和锁止子通道111之间移动的过程中，需要沿周向发生移动。避免了定位凸起21在锁止状态下沿轴向移动的过程中直接从锁止子通道111进入到插拔子通道112的情况，降低了锁止状态失效的可能性。

间隔壁113可以限制定位凸起21沿周向的移动范围，减小了控制棒外套筒10随控制棒移动体20沿轴向同步移动的过程中因发生震动、冲击而使得定位凸起21从锁止子通道111进入到插拔子通道112的概率，降低了锁止状态失效的可能性。

各个插接通道11之间相互隔离，使锁止子通道111与其相邻的另一插接通道11的插拔子通道112之间隔断，防止定位凸起21从锁止子通道111因震动、冲击滑移到另一插接通道11的插拔子通道112内，降低了锁止状态失效的可能性。

本发明实施例中的控制棒组件通过定位凸起21和插接通道11之间的配合，实现了控制棒外套筒10随控制棒移动体20一同沿轴向移动，便于两者寿期末进行更换作业。定位凸起21和插接通道11的结构简单，两者间的配合变化操作步骤简单，仅需要沿轴向移动和沿周向转动，提高了作业过程中的安全性，同时，零部件少提高了控制棒组件尺寸的紧凑程度，便于生产制造。

在一些实施例中，参阅图2，插拔子通道112的一侧敞开以形成用于定位凸起21进出插接通道11的出入口11a。也就是说，定位凸起21只能从出入口11a进出对应的插接通道11中，插接通道11的其余部位均是封闭的。插拔子通道112沿轴向远离出入口11a的一侧所对应的内壁，即形成第一侧壁1121。锁止子通道111沿轴向远离出入口11a的一侧所对应的内壁，即形成第二侧壁1111，锁止子通道111沿轴向靠近出入口11a的一侧所对应的内壁，即形成第三侧壁1112。

可以理解的是，在锁止状态下，第二侧壁1111和第三侧壁1112可以分别与定位凸起21抵接，以限制定位凸起21沿轴向的移动。

例如，在设有出入口11a的一些实施例中，参阅图2，，在锁止状态下，定位凸起21可以与第三侧壁1112抵接，以使控制棒外套筒10可以随控制棒移动体20沿轴向移动。通过第二侧壁1111和第三侧壁1112，锁止子通道111限制了定位凸起21靠近远离控制棒外套筒10方向的位移，实现了在该方向上对定位凸起21的定位。

可以理解的是，通过定位凸起21与第一侧壁1121或者定位凸起21与第二侧壁1111来限制控制棒移动体20沿轴向的移动，使得控制棒移动体20的插入深度始终处于设计限度的范围内，防止控制棒移动体20的端部因插入过深而与控制棒外套筒10发生碰撞，降低控制棒组件发生损坏的可能性。

可以理解的是，由于核反应堆内部环境的特殊性，一般采用机械手等抓取设备(图中未示出)来操作控制棒移动体20的插入作业。由于抓取设备内部机械结构的制造误差以及传动产生的误差，需要在插接通道11内设置能够作为定位基准的结构，以便确定定位凸起21在插接通道11内的位置，便于抓取设备控制控制棒移动体20移动、以使定位凸起21在插接通道11内移动以及穿过连通口113a，减少碰撞的可能性。

例如，在一些实施例中，第一侧壁1121和第二侧壁1111为定位基准的结构。定位凸起21沿背离出入口11a的方向移动，直至与第一侧壁1121或者第二侧壁1111抵接而无法移动，此时抓取设备以该位置为基准，控制定位凸起21沿背离出入口11a的方向移动预设距离，使定位凸起21与连通口113a位于同一轴向高度，从而便于定位凸起21穿过连通口113a，降低了定位凸起21与间隔壁113发生碰撞的可能。

需要说明的是，上述所提及的机械手等抓取设备在相关技术中已有成熟应用，其具体机械结构以及相关控制算法在此不加以赘述。

可以理解的是，定位凸起21沿轴向移动至定位基准结构的位置后，需要设置相应结构来降低定位凸起21沿周向发生移动的概率。

例如，在一些实施例中，参阅图2，连通口113a与出入口11a间的距离为第一间距，插拔子通道112远离出入口11a一侧所对应的内壁，即第一侧壁1121，与出入口11a间的距离为第二间距，第二间距大于第一间距，即D1＞d。使得连通口113a远离出入口11a一侧的边缘与第一侧壁1121之间错开。当定位凸起21在位于插拔子通道112远离出入口11a一侧时，降低因震动、冲击而导致定位凸起21发生周向移动并直接进入到锁止子通道111中的可能性，保证连接的安全性。

例如，在一些实施例中，参阅图2，锁止子通道111远离出入口11a一侧所对应的内壁与出入口11a间的距离为第三间距，即第二侧壁1111，第三间距大于第一间距，即D2＞d。使得连通口113a远离出入口11a一侧的边缘与第二侧壁1111错开。当定位凸起21在与第二侧壁1111抵接时，降低因震动、冲击而导致定位凸起21发生周向移动并直接进入到插拔子通道112中的可能性，保证连接的安全性。

可以理解的是，当定位凸起21与第一侧壁1121或者第二侧壁1111抵接时，控制棒移动体20的插入深度最深，此时控制棒移动体20的插入深度应当满足反应堆的停堆要求。此时，插接通道11的结构需满足解锁状态或者锁止状态下均实现反应堆停堆。

例如，在一些实施例中，参阅图2，第二间距与第三间距相等，即D1＝D2。在此情况下，无论定位凸起21位于插拔子通道112或者锁止子通道111，当定位凸起21与第一侧壁1121或者第二侧壁1111抵接时，均能够实现反应堆停堆，便于工作人员根据现场情况迅速执行停堆作业，从而提高了系统的安全性。

可以理解的是，在控制棒移动体20上可以设置限位结构，以分担定位凸起21在与插接通道11所对应的内壁抵接时所产生的冲击。

例如，在一些实施例中，参阅图3和图4，控制棒移动体20沿周向设有限位凸起22，限位凸起22与控制棒外套筒10沿轴向的一端抵接时，定位凸起21与插拔子通道112远离出入口11a一侧所对应的内壁抵接，即与第一侧壁1121抵接，或者定位凸起21与锁止子通道111远离出入口11a一侧所对应的内壁抵接，即与第二侧壁1111抵接。控制棒移动体20与控制棒外套筒10接触时，限位凸起22吸收了一部分冲击，从而减少了定位凸起21所受到的冲击，降低了定位凸起21因为受到冲击而发生过度变形导致无法在插接通道11内正常移动或者无法穿过连通口113a的几率。

可以理解的是，在一些实施例中，参阅图2，插拔子通道112和锁止子通道111均沿轴向延伸。插拔子通道112和锁止子通道111的延伸方向与控制棒移动体20的插拔方向相同，降低了定位凸起21在插接通道11内移动时与插接通道11所对应的内壁发生碰撞的可能性。

可以理解的是，多个定位凸起21和多个插接通道11均沿周向等距间隔分布。以使控制棒外套筒10在随控制棒移动体20移动的过程中，各个定位凸起21受力均匀，降低了定位凸起21因受力不均从插接通道11中脱出的几率。

可以理解的是，定位凸起21和插接通道11的设置位置应便于控制棒移动体20和控制棒外套筒10的制作。

具体地，在一些实施例中，参阅图1至图3，多个定位凸起21间隔设置在控制棒移动体20的周向表面，控制棒外套筒10对应的内壁的局部区域凹陷以形成插接通道11。将插接通道11设置在控制棒外套筒10上，相比与将定位凸起21设置在控制棒外套筒10上，能够减少加工过程中所需去除的材料，从而降低加工的工时和制造成本。

可以理解的是，控制棒外套筒10凹陷形成插接通道11，参阅图2，使得插拔子通道112形成靠近出入口11a一侧敞开的通槽，锁止子通道111形成沿轴向封闭的盲槽。

可以理解的是，参阅图5和图6，控制棒移动体20转动轴线到定位凸起21的最远位置的距离应小于控制棒移动体20转动轴线到插接通道11所对应的内壁的最近位置的距离。以使控制棒移动体20转动过程中，降低定位凸起21与插接通道11所对应的内壁之间所发生干涉的概率。

控制棒组件的锁紧操作具体如下：

S10：控制棒移动体20沿轴向向下进入到控制棒外套筒10中，定位凸起21随之进入到插接子通道中，直至定位凸起21与第一侧壁1121抵接；

S11：控制棒移动体20沿轴向向上移动预设距离；

S12：控制棒移动体20沿周向旋转预设角度，使定位凸起21穿过连通口113a进入到锁止子通道111中；

S13：控制棒移动体20沿轴向向下移动，直至定位凸起21与第二侧壁1111抵接，控制棒组件处于锁止状态。

控制棒外套筒10随控制棒移动体20沿轴向离开核反应堆后，控制棒组件的解锁操作具体如下：

S20：控制棒移动体20沿轴向向下移动，直至定位凸起21与第二侧壁1111抵接；

S21：控制棒移动体20沿轴向向上移动预设距离；

S22：控制棒移动体20沿周向旋转预设角度，使定位凸起21穿过连通口113a进入到插接子通道中；

S23：控制棒移动体20沿轴向向下移动，直至定位凸起21与第一侧壁1121抵接，控制棒组件处于解锁状态。

可以理解的是，控制棒移动体20具有吸收核反应堆内链式反应所产生中子的作用，以实现控制核反应堆链式反应速率的作用。因此，控制棒移动体20上布置吸收中子材料的位置应当便于锁止状态下吸收中子。

具体地，在一些实施例中，参阅图3，控制棒移动体20包括沿周向设置的若干个吸收体23，吸收体23由易于吸收中子的材料制成，若干个吸收体23均位于控制棒移动体20中。使得锁止状态下，核反应堆处于较低功率运行状态甚至停堆状态，进一步提高了作业的安全性。

可以理解的是，控制棒移动体20的下端为锥形，在控制棒移动体20插入到控制棒外套筒10的过程中起到导向的作用。

可以理解的是，出入口11a的边缘设有导向斜面，便于定位凸起21进入到插接通道11中。

可以理解的是，定位凸起21沿轴向和沿周向的边缘设有倒角或者倒圆角，便于定位凸起21穿过出入口11a和连通口113a。

本发明实施例还提供了一种核反应堆，核反应堆包括前述实施例中控制棒组件、用于控制控制棒移动体20沿轴向移动的抓取设备以及安装底座(图中未示出)，控制棒外套筒10沿轴向与安装底座可拆卸连接。核反应堆正常工作时，安装底座与控制棒外套筒10连接，为控制棒外套筒10提供支撑。当进行换料作业时，控制棒外套筒10随控制棒移动体20沿轴向移动，控制棒外套筒10与安装底座分离。

本申请提供的各个实施例/实施方式在不产生矛盾的情况下可以相互组合。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种控制棒组件，用于核反应堆，其特征在于，所述控制棒组件包括：

控制棒外套筒；

控制棒移动体，所述控制棒移动体插入到所述控制棒外套筒中；

所述控制棒移动体的周向表面和所述控制棒外套筒的内壁中的一者设置有若干个定位凸起，另一者设置有多个相互隔离的插接通道，所述插接通道包括插拔子通道以及位于所述插拔子通道周向一侧的锁止子通道，所述插拔子通道和所述锁止子通道之间形成有间隔壁，所述间隔壁设置有连通所述插拔子通道和所述锁止子通道的连通口；

所述插拔子通道的一侧敞开以形成用于所述定位凸起进入所述插拔子通道的出入口，所述连通口远离出入口一侧所对应的内壁与所述出入口间的距离为第一间距，所述插拔子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁为第一侧壁，所述第一侧壁与所述出入口间的距离为第二间距，所述第二间距大于所述第一间距，所述锁止子通道沿轴向远离出入口的一侧所对应的内壁为第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁为定位基准的结构；

所述控制棒组件包括锁止状态和解锁状态，在所述解锁状态下，所述控制棒移动体能够相对所述控制棒外套筒轴向移动；在所述锁止状态下，所述定位凸起被约束在所述锁止子通道中，所述间隔壁能够阻挡所述控制棒移动体相对所述控制棒外套筒转动，所述控制棒移动体能够在外力作用下带动所述控制棒外套筒沿轴向同步移动。

2.根据权利要求1所述的控制棒组件，其特征在于，所述插拔子通道的一侧敞开以形成用于所述定位凸起进出所述插接通道的出入口，所述锁止子通道朝向所述出入口的一侧封闭，在所述锁止状态下，所述定位凸起可以与所述锁止子通道的封闭侧所对应的内壁抵接，以使所述控制棒外套筒可以随所述控制棒移动体沿轴向移动。

3.根据权利要求1所述的控制棒组件，其特征在于，所述锁止子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁与所述出入口间的距离为第三间距，所述第三间距大于所述第一间距。

4.根据权利要求3所述的控制棒组件，其特征在于，所述插拔子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁与所述出入口间的距离为第二间距，所述第二间距与所述第三间距相等。

5.根据权利要求1所述的控制棒组件，其特征在于，所述插拔子通道的一侧敞开以形成用于所述定位凸起进入所述插拔子通道的出入口，所述控制棒移动体沿周向设有限位凸起，所述限位凸起与所述控制棒外套筒沿轴向的一端抵接时，所述定位凸起与所述插拔子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁抵接，或者所述定位凸起与所述锁止子通道远离所述出入口一侧所对应的内壁抵接。

6.根据权利要求1所述的控制棒组件，其特征在于，所述插拔子通道和所述锁止子通道均沿轴向延伸。

7.根据权利要求1所述的控制棒组件，其特征在于，多个所述定位凸起间隔设置在所述控制棒移动体的周向表面，所述控制棒外套筒对应的内壁的局部区域凹陷以形成所述插接通道。

8.根据权利要求1所述的控制棒组件，其特征在于，所述控制棒移动体包括沿周向设置的若干个吸收体，所述吸收体由易于吸收中子的材料制成，若干个所述吸收体均位于所述控制棒移动体中。

9.一种核反应堆，其特征在于，所述核反应堆包括权利要求1-8中任一一种所述控制棒组件、用于控制所述控制棒移动体沿轴向移动的抓取设备以及安装底座，所述控制棒外套筒沿轴向与所述安装底座可拆卸连接。