CN113871035A - 一种控制棒及高温气冷堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种控制棒以及包含该控制棒的高温气冷堆，所述控制棒包括棒节组件、导向筒、驱动组件，所述棒节组件设于所述导向筒内，其包括依次连通的多个棒节单元，每个所述棒节单元包括大直径棒节与小直径棒节，所述大直径棒节和所述小直径棒节均为中空结构，大直径棒节嵌套在小直径棒节外，且小直径棒节能够伸缩以伸出或缩入大直径棒节。所述控制棒能有效地降低控制棒的长度，从而可降低反应堆的高度。

Description

一种控制棒及高温气冷堆
技术领域
本发明属于核工业技术领域，具体涉及一种控制棒以及包含该控制棒的高温气冷堆。
背景技术
高温气冷堆是核能反应堆中的一种堆型，包括控制棒与堆芯活性区，在现有技术中，高温气冷堆的控制棒的结构型式多为单棒结构，由于在反应堆满功率运行时，控制棒需要全部提出活性区，受反应堆压力容器高度的限制，控制棒的长度约为堆芯活性区高度的一半，控制棒的长度过长会造成反应堆容器整体在高度上的结构尺寸偏大。
现有的控制棒无法控制棒的长度，从而降低反应堆的整体高度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种控制棒以及包含该控制棒的高温气冷堆，所述控制棒能有效地降低控制棒的长度，从而可降低反应堆的高度上。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种控制棒，包括棒节组件、导向筒、驱动组件，所述棒节组件设于所述导向筒内，其包括依次连通的多个棒节单元，每个所述棒节单元包括大直径棒节与小直径棒节，所述大直径棒节和所述小直径棒节均为中空结构，大直径棒节嵌套在小直径棒节外，且小直径棒节能够伸缩以伸出或缩入大直径棒节，所述驱动组件包括驱动部件，所述驱动部件设于小直径棒节内部，并与处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节的底部相连，用于带动所述小直径棒节上下运动。
优选的，每个棒节单元中，大直径棒节的顶部设有第一轴肩，大直径棒节的底部设有第一限位环，小直径棒节的顶部设有第二轴肩，小直径棒节的底部设有第二限位环，处于最高位置的棒节单元的大直径棒节的第一轴肩支撑于所述导向筒的顶部，上一个棒节单元的小直径棒节的第二限位环设置在下一个棒节单元的大直径棒节内，并处于所述下一个棒节单元的小直径棒节的第二轴肩的上方。
优选的，所述大直径棒节包括第一外套管与第一内套管，所述第一外套管套装在所述第一内套管外，所述第一外套管与第一内套管之间填充有第一芯块，所述小直径棒节包括第二外套管与第二内套管，所述第二外套管套装在所述第二内套管外，所述第二外套管与第二内套管之间填充有第二芯块。
优选的，所述大直径棒节中，第一轴肩与所述第一芯块之间设有第一间隙，在第一间隙中设有第一压紧弹簧，所述第一压紧弹簧的一端与第一轴肩相抵，另一端与第一芯块相抵，所述小直径棒节中，第二轴肩与所述第二芯块之间设有第二间隙，在第二间隙中设有第二压紧弹簧，所述第二压紧弹簧的一端与第二轴肩相抵，另一端与第二芯块相抵。
优选的，所述大直径棒节的第一外套管的下部侧壁上开设有第一排气孔，所述小直径棒节的第二外套管的下部侧壁上开设有第二排气孔。
优选的，所述驱动部件为链条，所述驱动组件还包括电机，所述链条的一端与所述电机相连，链条的另一端通过连接单元与处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节的底部相连，所述连接单元包括钢架，所述钢架的数量为多个，多个所述钢架的一端固定连接在所述小直径棒节的内壁上，另一端固定连接在所述链条上。
优选的，所述连接单元还包括加强筋、锁紧钢丝圈与扁销，所述加强筋设置在所述钢架上，所述锁紧钢丝圈固定连接在所述链条的端头，所述钢架与所述锁紧钢丝圈相连，所述扁销设于所述锁紧钢丝圈的上方，所述锁紧钢丝圈与所述扁销用于限位所述链条。
优选的，所述控制棒还包括冷却组件，所述冷却组件包括冷却通道和在所述冷却通道中流通的冷却介质，所述棒节组件内部构成所述冷却通道，所述冷却通道的入口开设于处于最高位置的棒节单元中的大直径棒节的第一轴肩上，所述冷却通道的出口设于处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节的底部上。
优选的，所述棒节单元采用镍基合金制成。
本发明还提供一种高温气冷堆，包括堆芯，还包括上述控制棒，所述控制棒设于所述堆芯的上方，用于控制堆芯的反应。
本发明中在不改变压力容器高度及其他现有气冷堆总体设计参数的前提下，有效地降低了控制棒的整体长度，从而降低了反应堆在高度上的尺寸。
附图说明
图1是本发明实施例1中控制棒的结构示意图；
图2是本发明实施例1中控制棒位于行程下限时顶部的结构示意图；
图3是本发明实施例1中处于最高位置的棒节单元的大直径棒节的俯视图；
图4是本发明实施例1中控制棒位于行程下限时棒节组件中大直径棒节与小直径棒节的连接结构示意图；
图5是本发明实施例1中控制棒位于行程下限时上一个棒节单元中的小直径棒节与下一个棒节单元中的大直径棒节的连接结构示意图；
图6是本发明实施例1中控制棒中位于最低位置的小直径棒节与链条连接的结构示意图；
图7是本发明实施例1中控制棒位于最低位置的小直径棒节与链条连接的仰视图；
图8是本发明实施例1中控制棒完全收缩时的结构示意图；
图9是本发明实施例1中控制棒完全收缩时控制棒顶部的结构示意图；
图10是本发明实施例1中控制棒完全收缩时上一个棒节单元和下一个棒节单元之间连接的结构示意图。
图中：1-大直径棒节，2-小直径棒节，3-导向筒，4-链条，5-电机，11-第一轴肩，12-第一外套管，13-第一内套管，14-第一芯块，15-第一压紧弹簧，16-第一排气孔，17-第一限位环，21-第二轴肩，22-第二压紧弹簧，23-第二外套管，24-第二内套管，25-第二芯块，26-第二排气孔，27-第二限位环，28-连接单元，281-钢架，282-加强筋，283-锁紧钢丝圈，284-扁销。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、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。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是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。
本发明提供一种控制棒，包括棒节组件、导向筒、驱动组件，所述棒节组件设于所述导向筒内，其包括依次连通的多个棒节单元，每个所述棒节单元包括大直径棒节与小直径棒节，所述大直径棒节和所述小直径棒节均为中空结构，大直径棒节嵌套在小直径棒节外，且小直径棒节能够伸缩以伸出或缩入大直径棒节，所述驱动组件包括驱动部件，所述驱动部件设于小直径棒节内部，并与处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节的底部相连，用于带动所述小直径棒节上下运动。
本发明还提供一种高温气冷堆，包括堆芯，还包括上述控制棒，所述控制棒设于所述堆芯的上方，用于控制堆芯的反应。
实施例1
如图1、8所示，本实施例公开一种控制棒，包括棒节组件、导向筒3、驱动组件，棒节组件设于导向筒3内，其包括依次连通的多个棒节单元，本实施例中，具体来说，各个棒节单元依次嵌套连接。
每个棒节单元包括大直径棒节1与小直径棒节2，大直径棒节1和小直径棒节2均为中空结构，大直径棒节1嵌套在小直径棒节2外，且小直径棒节2能够伸缩从而可以伸出或缩入大直径棒节1，驱动组件包括驱动部件，驱动部件设于小直径棒节2内部，并与处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节2的底部相连，用于带动小直径棒节2上下运动。
在本实施例中，控制棒下降时，驱动部件通过驱动控制棒中的各个棒节单元伸缩以完成对堆芯的控制，控制棒提升时，多个棒节单元的小直径棒节2收缩到大直径棒节1内部，从而有效地解决了控制棒在抽出活性区时，过多占用反应容器空间的问题，降低了反应容器在高度上的尺寸。
如图2、4、5所示，每个棒节单元中，大直径棒节1的顶部设有第一轴肩11，大直径棒节1的底部设有第一限位环17，小直径棒节2的顶部设有第二轴肩21，小直径棒节2的底部设有第二限位环27(处于最低位置的小直径棒节2可以不设置第二限位环)，导向筒3为中空的圆筒结构，其内径大于棒节单元中大直径棒节1与小直径棒节2的外径，大直径棒节1与小直径棒节2均可在导向筒3内滑动，处于最高位置的棒节单元的大直径棒节1的第一轴肩11外径大于导向筒3的内径，从而能够支撑于导向筒3的顶部，上一个棒节单元的小直径棒节2的第二限位环27的外径大于下一个棒节单元的大直径棒节1第一轴肩11的内径，且上一个棒节单元的小直径棒节的第二限位环27设置在下一个棒节单元的大直径棒节1内部，以使得下一个棒节单元的大直径棒节1的第一轴肩11能够搭接在上一个棒节单元的小直径棒节2的第二限位环27上，并处于下一个棒节单元的小直径棒节2的第二轴肩21的上方。
可选的，小直径棒节2的第二轴肩21、第二限位环27与大直径棒节1的第一内套管13内壁之间均留有间隙裕量，以保证经过长时间辐照后材料肿胀或轻微变形时控制棒仍然可以正常伸缩。
如图2所示，大直径棒节1包括第一外套管12与第一内套管13，第一外套管12套装在第一内套管13外，第一外套管12与第一内套管13之间中填充有第一芯块14，小直径棒节2包括第二外套管23与第二内套管24，第二外套管23套装在第二内套管24外，第二外套管23与第二内套管24之间填充有第二芯块25。
在本实施例中，第一芯块14与第二芯块25采用B4C芯块，作为中子吸收体，能有效地吸收反应过程中产生的中子。
如图2、4所示，可选的，大直径棒节1中，第一轴肩11与第一芯块14之间设有第一间隙，在第一间隙中设有第一压紧弹簧15，第一压紧弹簧15的一端与第一轴肩11相抵，另一端与第一芯块14相抵。小直径棒节2中，第二轴肩21与第二芯块25之间设有第二间隙，在第二间隙中设有第二压紧弹簧22，第二压紧弹簧22的一端与第二轴肩21相抵，另一端与第二芯块25相抵。
第一压紧弹簧15/第二压紧弹簧22能有效地缓冲第一芯块14/第二芯块25在运动时的冲击力，同时也有利于固定第一芯块14/第二芯块25。
如图4、5所示，大直径棒节1的第一外套管12的下部侧壁上开设有第一排气孔16，小直径棒节2的第二外套管23的下部侧壁上开设有第二排气孔26，第一排气孔16与第二排气孔26用于维持装有第一芯块/第二芯块的夹层的内部与外部的气压平衡，防止内部气压过高造成第一外套管12或第二外套管23应力过大，甚至变形。
如图1、9、10所示，可选的，本实施例中，驱动部件为链条4，驱动组件还包括电机5，链条4的一端与电机5相连，链条4的另一端通过连接单元28与处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节2的底部相连。当然，驱动部件也可以为驱动绳。
如图6、7所示，连接单元28包括钢架281，用于增加小直径棒节2的底部的结构强度，钢架281的数量为多个，多个钢架281的一端固定连接在小直径棒节2的内壁上，另一端固定连接在链条4上。
如图6、7所示，连接单元28还包括加强筋282、锁紧钢丝圈283与扁销284，加强筋282设置在钢架281的下方，用于进一步增加钢架281的结构强度，钢架281为凸台式结构，钢架281的数量为四根，链条4的下端与四根钢架281连接，锁紧钢丝圈283固定连接在链条4的端头，钢架281与锁紧钢丝圈283相连，扁销284设于锁紧钢丝圈283的上方，锁紧钢丝圈283与扁销284用于限位链条4，保证运动过程中的稳定性。
如图3、4、5、7所示，控制棒还包括冷却组件，冷却组件包括冷却通道和在冷却通道中流通的冷却介质。
所述棒节组件的内部构成冷却通道，冷却通道的入口开设于处于最高位置的棒节单元的大直径棒节1的第一轴肩11上，本实施例中，其形状为间隔分布的扇形开口；冷却通道的出口设于处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节的底部上，由相邻两个加强筋282之间的扇形的间隙构成。
每个棒节单元中的小直径棒节2的第二轴肩21与第二限位环27上均开设有开口，该开口为渐变的喇叭型，小直径棒节2的第二轴肩21上的开口直径从上往下依次递减，小直径棒节2第二限位环27上的开口直径从上往下依次递增，这样的结构保证冷却介质在其内部流通时的阻力较小且阻力变化范围不大。冷却介质从冷却通道的入口流进，沿着棒节组件内部的中空通道，即冷却通道到达棒节组件的底端，再从冷却通道的出口流出。从而有效地降低了控制棒的靠近反应区部分的温度。
本实施例中，对棒节单元的数量不做限定，当各个每个棒节单元中的小直径棒节2完全缩入其外部的大直径棒节1内部时，优选整个棒节组件的长度小于等于导向筒长度的一半。进一步的，同一个棒节单元中，小直径棒节2的长度与大直径棒节1的长度基本一致。
在本实施例中，由于控制棒的工作环境温度在560-1000℃，棒节单元采用镍基合金制成，保证控制棒具有耐高温的性能，防止高温环境下各个棒节单元的接触面材料的粘连，相邻的棒节单元之间接触面选用不同的固体润滑材料，以保持小直径棒节2、大直径棒节1以及链条4能够灵活地滑动。
实施例2
本实施例公开一种高温气冷堆，包括堆芯，还包括实施例1中的控制棒，该控制棒设于堆芯的上方，用于控制堆芯的反应。
在本实施例中，控制棒设于堆芯活性区的上方，用于插入或抽出堆芯来控制堆芯的反应。该控制棒采用多个棒节单元依次嵌套连接，在插入堆芯时，小直径棒节2在大直径棒节1中缓慢下落，并且大直径棒节1下部设有第一限位环17，可以相对地减缓控制棒下落时的冲击，所以本实施例的控制棒相对于现有的控制棒来说，无需在控制棒底部设置缓冲机构。
可选的，高温气冷堆设有安全保障装置，发生事故停堆时，安全保障装置会切断驱动部件的电源，控制棒在自身重力的作用下插入堆芯中，从而实现事故工况下的非能动停堆。
上述高温气冷堆工作过程如下：
控制棒落棒时，棒节组件由完全收缩状态开始下落，电机5驱动链条4下落，控制棒以最短的形态下落，直至位于最高位置的棒节单元的大直径棒节1的第一轴肩11搭接在导向筒3的顶端，然后，位于最低位置的棒节单元中的小直径棒节2在自身重力下开始下落，从相应的棒节单元的大直径棒节1中滑出，直到该小直径棒节2的第二轴肩21搭接在该大直径棒节1的第一限位环17上，带动该大直径棒节1一起沿着导向筒3轴向下落，然后，该大直径棒节1的第一轴肩11搭接在上一个棒节单元的小直径棒节2的第二限位环27上，带动上一个棒节单元的小直径棒节2一起下落，按照这种方式，直到所有的小直径棒节2完全从相应的大直径棒节1中滑出，此时，控制棒底端位于堆芯的最下方，控制棒覆盖整个堆芯的活性区，控制棒的长度达到最长。
控制棒提棒时，电机5驱动链条4向上运动，从而带动位于最低位置的棒节单元的小直径棒节2向上运动，小直径棒节2开始收纳到相应的大直径棒节1内部，当该小直径棒节2的第二轴肩21与上一个棒节单元的小直径棒节2的第二限位环27相抵时，该小直径棒节2已经完全收纳在该大直径棒节1中，链条4继续向上运动，将驱动上一个棒节单元的小直径棒节2收纳到上一个棒节单元的大直径棒节1中，直到所有的小直径棒节2均收纳到相应的大直径棒节1内后，控制棒长度达到最短，链条4继续驱动控制棒向上运动，位于最高位置的棒节单元的大直径棒节1脱离导向筒3，控制棒以最短的形态向上运动到上限位置。
本实施例控制棒中，棒节组件采用嵌套式结构，在落棒时，能有效地缓冲控制棒下落的冲击力，无需在控制棒底端设置缓冲机构，这也很大程度地减少了反应堆在高度上的尺寸。中空式的棒节组件有利于冷却剂顺利流通，及时将控制棒的热量导出，降低控制棒的温度。进一步的，该控制棒为可拆卸式结构，方便运输与现场安装。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种控制棒，其特征在于，包括棒节组件、导向筒(3)、驱动组件，
所述棒节组件设于所述导向筒(3)内，其包括依次连通的多个棒节单元，每个所述棒节单元包括大直径棒节(1)与小直径棒节(2)，所述大直径棒节(1)和所述小直径棒节(2)均为中空结构，大直径棒节(1)嵌套在小直径棒节(2)外，且小直径棒节(2)能够伸缩以伸出或缩入大直径棒节(1)，
所述驱动组件包括驱动部件，所述驱动部件设于小直径棒节(2)内部，并与处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节(2)的底部相连，用于带动所述小直径棒节(2)上下运动。
2.根据权利要求1所述的控制棒，其特征在于，每个棒节单元中，大直径棒节(1)的顶部设有第一轴肩(11)，大直径棒节(1)的底部设有第一限位环(17)，小直径棒节(2)的顶部设有第二轴肩(21)，小直径棒节(2)的底部设有第二限位环(27)，
处于最高位置的棒节单元的大直径棒节(1)的第一轴肩(11)支撑于所述导向筒(3)的顶部，上一个棒节单元的小直径棒节(2)的第二限位环(27)设置在下一个棒节单元的大直径棒节(1)内，并处于所述下一个棒节单元的小直径棒节(2)的第二轴肩(21)的上方。
3.根据权利要求2所述的控制棒，其特征在于，所述大直径棒节(1)包括第一外套管(12)与第一内套管(13)，所述第一外套管(12)套装在所述第一内套管(13)外，所述第一外套管(12)与第一内套管(13)之间填充有第一芯块(14)，
所述小直径棒节(2)包括第二外套管(23)与第二内套管(24)，所述第二外套管(23)套装在所述第二内套管(24)外，所述第二外套管(23)与第二内套管(24)之间填充有第二芯块(25)。
4.根据权利要求3所述的控制棒，其特征在于，大直径棒节(1)中，第一轴肩(11)与所述第一芯块(14)之间设有第一间隙，在第一间隙中设有第一压紧弹簧(15)，所述第一压紧弹簧(15)的一端与第一轴肩(11)相抵，另一端与第一芯块(14)相抵，
所述小直径棒节(2)中，第二轴肩(21)与所述第二芯块(25)之间设有第二间隙，在第二间隙中设有第二压紧弹簧(22)，所述第二压紧弹簧(22)的一端与第二轴肩(21)相抵，另一端与第二芯块(25)相抵。
5.根据权利要求3所述的控制棒，其特征在于，所述大直径棒节(1)的第一外套管(12)的下部侧壁上开设有第一排气孔(16)，所述小直径棒节(2)的第二外套管(23)的下部侧壁上开设有第二排气孔(26)。
6.根据权利要求1所述的控制棒，其特征在于，所述驱动部件为链条(4)，所述驱动组件还包括电机(5)，
所述链条(4)的一端与所述电机(5)相连，链条(4)的另一端通过连接单元(28)与处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节(2)的底部相连，
所述连接单元(28)包括钢架(281)，所述钢架(281)的数量为多个，多个所述钢架(281)的一端固定连接在所述小直径棒节(2)的内壁上，另一端固定连接在所述链条(4)上。
7.根据权利要求6所述的控制棒，其特征在于，所述连接单元(28)还包括加强筋(282)、锁紧钢丝圈(283)与扁销(284)，
所述加强筋(282)设置在所述钢架(281)上，
所述锁紧钢丝圈(283)固定连接在所述链条(4)的端头，所述钢架(281)与所述锁紧钢丝圈(283)相连，所述扁销(284)设于所述锁紧钢丝圈(283)的上方，所述锁紧钢丝圈(283)与所述扁销(284)用于限位所述链条(4)。
8.根据权利要6-7任一项所述的控制棒，其特征在于，所述控制棒还包括冷却组件，所述冷却组件包括冷却通道和在所述冷却通道中流通的冷却介质，
所述棒节组件内部构成所述冷却通道，所述冷却通道的入口开设于处于最高位置的棒节单元中的大直径棒节(1)的第一轴肩(11)上，所述冷却通道的出口设于处于最低位置的棒节单元中的小直径棒节(2)的底部上。
9.根据权利要1所述的控制棒，其特征在于，所述棒节单元采用镍基合金制成。
10.一种高温气冷堆，包括堆芯，其特征在于，还包括权利要求1-9任一项所述的控制棒，
所述控制棒设于所述堆芯的上方，用于控制堆芯的反应。
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