CN114188047B - 一种反应性控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种反应性控制装置，包括：至少一个反应性调节件，反应性调节件设置成能够朝远离堆芯的方向或靠近堆芯的方向运动；活动件和电磁铁组件，电磁铁组件设置成通电时使活动件连接于至少一个反应性调节件，从而活动件能够带动至少一个反应性调节件运动，电磁铁组件断电时使至少一个反应性调节件脱离活动件；弹性件，设置成：当反应性调节件朝远离堆芯的方向运动时，弹性件被反应性调节件压缩、弹性件储存能量；当反应性调节件朝靠近堆芯的方向运动时，弹性件释放能量；以及当反应堆意外断电时，电磁铁组件失电，弹性件释放能量并推动反应性调节件朝靠近堆芯的方向运动。上述反应性控制装置，用于改善反应性控制灵活性和停堆安全性。

Description

一种反应性控制装置
技术领域
本申请实施例涉及反应堆运行技术领域，具体涉及一种反应性控制装置。
背景技术
反应性控制装置是影响反应堆运行安全性的核心结构，其工作原理为，在驱动机构的作用下，使带有吸收体的控制棒棒体做插入堆芯或提出堆芯的运动，从而实现对堆芯的反应性控制。零功率反应堆的结构灵活多变，为适应零功率反应堆的结构，以及确保其安全运行，增加安全裕度，对反应性控制装置提出了更高的要求。
发明内容
根据本申请的第一方面，提出一种反应性控制装置，包括：至少一个反应性调节件，所述反应性调节件设置成能够朝远离堆芯的方向或靠近堆芯的方向运动；活动件和电磁铁组件，所述电磁铁组件设置成通电时使所述活动件连接于至少一个所述反应性调节件，从而所述活动件能够带动至少一个所述反应性调节件运动，所述电磁铁组件断电时使至少一个所述反应性调节件脱离所述活动件；弹性件，设置成：当所述反应性调节件朝远离堆芯的方向运动时，所述弹性件被所述反应性调节件压缩、所述弹性件储存能量；当所述反应性调节件朝靠近堆芯的方向运动时，所述弹性件释放能量；以及当反应堆意外断电时，所述电磁铁组件失电，所述弹性件释放能量并推动所述反应性调节件朝靠近堆芯的方向运动。
根据本申请的第二方面，提出一种零功率反应堆，包括：堆芯；以及如上述实施方式所述的反应性控制装置，所述反应性控制装置设置于所述堆芯活性区下方。
附图说明
图1是根据本申请实施例的反应性控制装置的结构示意图；
图2是图1装置的驱动结构的示意图；
图3是图1装置的导向件的局部示意图；
图4是图1装置的导向件的示意图；
图5是图1装置的活动件的示意图；
图6是图1装置的支撑结构的示意图。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
反应性控制的方式之一是通过控制棒(组件)实现。控制棒是控制堆芯反应性的可移动部件。控制棒包括中子吸收材料，其在驱动结构作用下能够插入或提出堆芯，以吸收中子的多少来控制裂变反应的强弱。
控制棒可包括调节棒，用于补偿反应性变化，如控制其插入堆芯的深度以适应功率升降。控制棒可包括安全棒，用于反应堆停堆，例如发生事故时，安全棒依靠自身重力作用落入堆芯实现紧急停堆。
控制棒通常设置于堆芯上方，在驱动结构的作用下做进出堆芯的运动。在事故工况下，驱动结构的部分失效，控制棒不受驱动结构的作用，依靠自身重力作用落入堆芯，确保反应堆安全停堆。然而，上述停堆方式及用于停堆的装置有待改善。
本申请实施例的反应性控制装置，不仅能够满足反应堆正常运行时调节其反应性，还能够满足事故工况或紧急工况下使反应堆紧急停堆。事故工况下可利用弹性能量释放推动调节件进入堆芯，停堆时间短、安全系数高。通过控制至少一个调节件单独作用或组合作用，增加了实验的多样性操作，能够满足开展实验的多种需求。
根据本申请实施例的反应性控制装置，包括：至少一个反应性调节件10，反应性调节件10设置成能够朝远离堆芯的方向或靠近堆芯的方向运动；活动件20和电磁铁组件30，电磁铁组件30设置成通电时使活动件20连接于至少一个反应性调节件10，从而活动件20能够带动至少一个反应性调节件10运动，电磁铁组件30断电时使至少一个反应性调节件10脱离活动件20；弹性件40，设置成：当反应性调节件10朝远离堆芯的方向运动时，弹性件40被反应性调节件10压缩、弹性件40储存能量；当反应性调节件10朝靠近堆芯的方向运动时，弹性件40释放能量；以及当反应堆意外断电时，电磁铁组件失电，弹性件40释放能量并推动反应性调节件10朝靠近堆芯的方向运动。
请参阅图1至图6，本申请实施例的反应性控制装置，包括：反应性调节件10、活动件20、电磁铁组件30和弹性件40，其工作原理为：通过控制电磁铁组件30通电或断电，进而控制反应性调节件10和活动件20连接或分离，当两者连接时，活动件20带动反应性调节件10运动使其插入堆芯或移出堆芯，实现反应性控制。其中，反应堆正常运行时，反应性调节件10移出堆芯，反应性调节件10朝向弹性件40运动，并压缩弹性件40；反应堆正常停堆时，反应性调节件10背离弹性件40运动，并插入堆芯；事故工况或紧急工况下，例如机电结构断电，此时被压缩的弹性件40迅速释放能量，推动反应性调节件10朝向堆芯运动并插入堆芯，实现紧急停堆。
反应性调节件10例如为棒状结构，可灵活插入堆芯或移出堆芯。其主体材料设置成具有较强的中子吸收能力，包括合金材料，如银-铟-镉、硼不锈钢；陶瓷材料，如碳化硼、碳化硼-氧化铝烧结块、稀土元素和氧化物的烧结体。
反应性调节件10的数量为一个或多个，根据实际需求设置。每个反应性调节件10为棒状结构，各反应性调节件10的吸收体材料可相同或不同。如图1所示，本实施例设置三个反应性调节件10，可选地，三个反应性调节件10沿预定圆周均匀分布，每两个反应性调节件10形成120°圆周角。其中，三个反应性调节件10可同时或单独运动，以满足多种需求的反应性控制，或者构成冗余、进一步增加安全裕度。
可以理解的是，反应性调节件10的结构、形状和数量可根据实际需求设置，本公开不作限定。
本申请实施例的反应性控制装置使用机电驱动方式。如图2所示，反应性控制装置还包括：电机70，以及设置于电机70和活动件20之间的传动组件80；电机70设置成驱动传动组件80转动，从而传动组件80驱动活动件20向上或向下运动。使用机电驱动方式，有利于装置整体小型化、控制精度好、可靠性高。具体地，电磁铁组件30通电时，至少一个反应性调节件10连接于活动件20，当电机工作时，例如电机正转，电机70驱动活动件20带动反应性调节件10向下运动离开堆芯；电机反转，电机70驱动活动件20带动反应性调节件10向上运动插入堆芯。
在一些实施例中，如图2至4所示，反应性控制装置还包括：导向件50，每个反应性调节件10设置于导向件50中，反应性调节件10能够沿导向件延伸方向相对于导向件50运动。
如图4所示，导向件50例如为空心壳体结构，用于保护反应性调节件10并且为反应性调节件10运动提供导向。
弹性件40设置于导向件50远离堆芯的一端，反应性调节件10相对于导向件50向下运动时，其能够压缩弹性件40，反应性调节件10相对于导向件50向上运动时，其能够脱离弹性件40。反应性调节件10位于弹性件40上方，一旦发生事故工况，弹性件40能够瞬间释放其储存的能量，推动反应性调节件10向上运动直至其插入堆芯。
弹性件40例如为弹簧。弹性件40的长度能够满足：发生事故工况时，其储存的能量足以推动反应性调节件10快速插入堆芯并实现停堆。在一些情况下，弹性件40和反应性调节件10可以是始终接触的，当反应性调节件10快速插入堆芯后，弹性件40呈自然延伸状态(储能完全释放)。
在一些实施例中，如图3所示，导向件50的部分侧壁上形成开口501，开口501沿导向件的轴向延伸。由于反应性调节件10设置在导向件50的中空结构中，为了满足反应性调节件10能够与活动件20连接或分离，导向件50的外壁上形成开口501。
在本实施例中，电磁铁组件30可包括第一磁性件和第二磁性件，第一磁性件设置于反应性调节件10，第二磁性件设置于活动件20，活动件20可滑动地穿过导向件50。如图1或3所示，电磁铁组件30通电时，第一磁性件和第二磁性件通过开口501、在电磁引力作用下吸合，此时至少一个反应性调节件10连接于活动件20，从而活动件20能够带动反应性调节件10运动。其中，第一磁性件和第二磁性件中的之一例如为电磁铁衔铁，另一个为具有电磁线圈结构的铁芯。
在其他一些实施例中，反应性调节件10上形成有第一触点，活动件20上形成有第二触点，第一触点和第二触点发生电磁连接后，反应性调节件10和活动件20连接。
可以理解的是，电磁铁组件还可以具有其他结构。电磁铁组件可以是电磁继电器或电磁离合器。
在一些实施例中，反应性控制装置还包括：传感器，其设置于活动件20，用于检测第一磁性件和第二磁性件发生吸合或相互脱离。如图3所示，传感器301通过传感器支座302固定在活动件20上。传感器支座302包括：与活动件20平行的安装部3021、以及与安装部3021呈垂直连接的支撑部3022，支撑部3022上设有开槽，用于固定并支撑传感器301。安装部3021例如可通过螺钉与活动件20固定。传感器支座302例如可呈“L”型。开槽例如可呈“U”型，传感器301的部分与开槽卡扣并固定。
传感器301例如可以是光电接近开关。例如，传感器301检测到第一磁性件和第二磁性件吸合时其被触发，并通过指示灯亮显示。类似地，传感器301检测到第一磁性件和第二磁性件脱离后时其被触发，并通过指示灯亮显示。上述两种情况下指示灯可以通过不同颜色显示。
如图3所示，每个电磁铁组件30可以对应配置一个传感器301，以便检测其工作状态。当然，传感器301的数量和设置位置等可根据实际需求设置，本公开不作限定。
进一步地，反应性调节件10沿导向件50运动时，操作人员可通过开口501观察其运动情况。如图3所示，通过开口501能够清晰看到弹簧40。开口501的长度与反应性调节件10的有效运动行程相适应，例如反应性调节件10向上运动至上终端位置后停止运动，向下运动至下终端位置后停止运动，开口501的长度至少满足能够使反应性调节件10在上终端和下终端的行程范围内运动。开口501的形状例如为矩形槽，其尺寸根据实际需求设置。
在一些实施例中，如图1或4所示，反应性控制装置还包括：缓冲件60，设置于导向件50靠近堆芯的一端；当反应堆意外断电时，缓冲件60用于缓解反应性调节件10朝靠近堆芯的方向运动时产生的冲击。
导向件50沿其轴向的尺寸大于反应性调节件10的相应的尺寸，反应堆正常停堆时，电机驱动反应性调节件10向上运动插入堆芯，在这种情况下，反应性调节件10不接触缓冲件60。发生事故工况时，反应性调节件10在弹性件40的作用下快速向上运动(插入堆芯)，反应性调节件10接触缓冲件60，从而缓冲件60起到减小冲击，保护反应性调节件10和导向件50的作用。
如图4所示，缓冲件60例如为缓冲弹簧，其上端为导向件50上部端盖，其下端设置缓冲垫片。当然，缓冲件60还可以是其他缓冲结构或材料，本公开不作限定。
在一些实施例中，如图1或2所示，反应性控制装置还包括：第一支撑件90；柱体91，柱体91的一端固定于第一支撑件90，活动件20可滑动地穿过柱体91的另一端。导向件50的一端固定于第一支撑件90，活动件20可滑动地穿过导向件50的另一端。其中，柱体91用于为活动件20运动提供导向，第一支撑件90用于对柱体91和导向件50支撑。图1或2示出了柱体91的数目为两个的示例，当然，柱体91的数目不仅限于两个，在其他实施例中，柱体91的数目还可以是三个、四个或其他数目。
如图5所示，活动件20例如为板状结构，其包括第一开孔201和第二开孔202，第一开孔201用于使柱体91穿过，第二开孔202用于使导向件50穿过。活动件20能够沿柱体91相对于导向件50向上或向下运动。
第一支撑件90可以具有和活动件20相似的结构。第一支撑件90例如为板状结构，其包括相应的安装孔或安装结构，以便柱体91的一端、导向件50的一端固定于第一支撑件90。第一支撑件90相对于柱体91、导向件50以及活动件20固定不动。
活动件20、第一支撑件90以及柱体91的结构和形状根据实际需求设置，并不限于上述方式。
在其他一些实施例中，如图6所示，反应性控制装置包括：第一支撑件90、第二支撑件92和柱体91，第二支撑件92固定于地面，柱体91的一端固定于第二支撑件92，柱体91穿过第一支撑件90并固定于第一支撑件90，柱体91的另一端穿过活动件20，活动件20能够沿柱体91并相对于柱体91向上或向下运动。
本实施例中，反应性控制装置通过第二支撑件92固定于地面，导向件50设置在活动件20和第一支撑件90之间。第一支撑件90、第二支撑件92和柱体91形成支撑框架，为活动件20提供支撑及运动导向。上述反应性控制装置结构紧凑、便于安装，能够满足多应用场景的布置需求。
在一些实施例中，如图2所示，传动组件80包括减速器81、联轴器82和丝杠83，电机70、减速器81和联轴器82依次连接并设置于第一支撑件90的相对的一侧901；丝杠83连接于联轴器82并设置于第一支撑件90的相对的一侧902，丝杠83的一端固定于第一支撑件90，活动件20可滑动地穿过丝杠83的另一端。如图5所示，活动件20上还设有用于安装丝杠83的安装部203。
可选地，伺服电机70和行星减速器81连接并安装在电机座上，传动丝杠83通过轴承支撑后安装在第一支撑件90上，并通过爪式联轴器82与行星减速器81连接。当伺服电机70转动时，其驱动丝杠83推动活动件20向上或向下运动，活动件20例如呈匀速运动。当活动件20与至少一个反应性调节件10连接时，活动件20带动反应性调节件10匀速向上或向下运动，实现反应性控制。
在一些实施例中，如图1或6所示，反应性控制装置还包括：抵挡件911，设置于柱体91，用于限制活动件20的运动范围。抵挡件911用于对活动件20/反应性调节件10运动进行机械限位。每个柱体91可设置一个、两个或更多个抵挡件911。当柱体91设置两个抵挡件911时，两个抵挡件911可分别设置于活动件20所允许运动的柱体91的上端和下端，例如，活动件20向上运动至接触抵挡件911时，反应性调节件10运动至上终端位置(此时反应性调节件10插入堆芯一定深度)，此时活动件20停止运动；活动件20向下运动至接触抵挡件911时，反应性调节件10运动至下终端位置(此时反应性调节件10完全脱离堆芯)，此时活动件20停止运动。
反应堆正常运行或正常停堆时，为了便于快速、清楚地确认反应性调节件10的位置，反应性控制装置还包括传感器，用于检测活动件20的位置。如图1或6所示，传感器201可设置于抵挡件911，当活动件20运动至接触或将要接触(例如存在1～2cm的间隙距离)抵挡件911时，传感器201发出指示信号，以指示运动到位，从而活动件20停止运动。进一步地，通过检测传感器201指示信号，结合活动件20的运动行程和运动速度，可确定电机工作时间，从而设定电机工作时间，实现自动、精确控制活动件运动。
可选地，抵挡件911例如为包围柱体91的空心柱状结构。在一些实施例中，为满足不同实验需求，可通过增加或减少柱体91的长度、抵挡件911的长度改变活动件20/反应性调节件10的运动行程。
传感器201例如可通过传感器支座固定于抵挡件911。传感器支座的结构可参考上述传感器支座302，在此不再赘述。
传感器201例如可以是光电接近开关。例如，传感器201检测到活动件20向上运动至预定位置时，其产生开关量信号，并通过指示灯亮显示，此时电机停止工作、从而活动件20停止运动。类似地，传感器201检测到活动件20向下运动至预定位置时，其产生开关量信号，并通过指示灯亮显示，此时电机停止工作、从而活动件20停止运动。
需要说明的是，传感器201和301可以是其他类型传感器，其设置位置和数量根据实际需求设置，不限于上述方式。
根据本申请实施例的反应性控制装置，其工作过程如下：反应堆开堆时，电机70驱动活动件20带动反应性调节件10向下运动移出堆芯；实验结束，反应堆正常停堆时，电机70驱动活动件20带动反应性调节件10向上运动插入堆芯。发生事故工况时，电磁铁组件失电或失效，反应性调节件10与活动件20脱离，此时被压缩的弹性件40释放能量、推动反应性调节件10向上运动直至插入堆芯，实现紧急停堆。
根据本申请实施例的反应性控制装置，利用一套驱动机构可控制至少一个反应性调节件运动，能够满足多种反应性控制需求，提高了反应性控制灵活性，同时提高了停堆安全性和可靠性。通过传感器检测反应性调节件和活动件的连接状态、活动件的运动位置有助于提高控制精确性，为操作人员提供参考。
本申请实施例还提供一种零功率反应堆或零功率装置，包括：堆芯；以及上述实施例的反应性控制装置，该反应性控制装置设置于堆芯活性区下方。
零功率反应堆是在低功率水平下运行的可控链式核反应装置，用于进行反应堆物理研究。零功率反应堆具有活性区或堆芯灵活易变的特点。本申请实施例的反应性控制装置通过设置至少一个反应性调节件，可极大满足适应各种堆芯结构，确保零功率反应堆安全运行，增加安全裕度。
对于本申请的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种反应性控制装置，其特征在于，包括：
至少一个反应性调节件(10)，所述反应性调节件(10)设置成能够朝远离堆芯的方向或靠近堆芯的方向运动；
活动件(20)和电磁铁组件(30)，所述电磁铁组件(30)设置成通电时使所述活动件(20)连接于至少一个所述反应性调节件(10)，从而所述活动件(20)能够带动至少一个所述反应性调节件(10)运动，所述电磁铁组件(30)断电时使至少一个所述反应性调节件(10)脱离所述活动件(20)；
弹性件(40)，设置成：
当所述反应性调节件(10)朝远离堆芯的方向运动时，所述弹性件(40)被所述反应性调节件(10)压缩、所述弹性件(40)储存能量；
当所述反应性调节件(10)朝靠近堆芯的方向运动时，所述弹性件(40)释放能量；以及
当反应堆意外断电时，所述电磁铁组件失电，所述弹性件(40)释放能量并推动所述反应性调节件(10)朝靠近堆芯的方向运动；
导向件(50)，每个所述反应性调节件(10)设置于所述导向件(50)中，所述反应性调节件(10)能够沿所述导向件延伸方向相对于所述导向件(50)运动；
所述弹性件(40)设置于所述导向件(50)远离堆芯的一端，所述反应性调节件(10)相对于所述导向件(50)向下运动时，其能够压缩所述弹性件(40)，所述反应性调节件(10)相对于所述导向件(50)向上运动时，其能够脱离所述弹性件(40)；
所述导向件(50)的部分侧壁上形成开口(501)，所述开口(501)沿所述导向件的轴向延伸，通过所述开口(501)能够看到所述弹性件(40)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
缓冲件(60)，设置于所述导向件(50)靠近堆芯的一端；
当反应堆意外断电时，所述缓冲件(60)用于缓解所述反应性调节件(10)朝靠近堆芯的方向运动时产生的冲击。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
电机(70)；
设置于所述电机(70)和所述活动件(20)之间的传动组件(80)，所述电机(70)设置成驱动所述传动组件(80)转动，从而所述传动组件(80)驱动所述活动件(20)向上或向下运动。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：
第一支撑件(90)；
柱体(91)，所述柱体(91)的一端固定于所述第一支撑件(90)，所述活动件(20)可滑动地穿过所述柱体(91)的另一端。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第一支撑件(90)；
第二支撑件(92)，所述第二支撑件(92)固定于地面；
柱体(91)，所述柱体(91)的一端固定于所述第二支撑件(92)，所述柱体(91)穿过所述第一支撑件(90)并固定于所述第一支撑件(90)，所述柱体(91)的另一端穿过所述活动件(20)，所述活动件(20)能够沿所述柱体(91)并相对于所述柱体(91)向上或向下运动。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述传动组件(80)包括减速器(81)、联轴器(82)和丝杠(83)；
所述电机(70)、所述减速器(81)和所述联轴器(82)依次连接并设置于所述第一支撑件(90)的相对的一侧(901)，
所述丝杠(83)连接于所述联轴器(82)并设置于所述第一支撑件(90)的相对的一侧(902)，所述丝杠(83)的一端固定于所述第一支撑件(90)，所述活动件(20)可滑动地穿过所述丝杠(83)的另一端。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述电磁铁组件(30)包括第一磁性件(31)和第二磁性件(32)，
所述第一磁性件(31)设置于所述反应性调节件(10)，所述第二磁性件(32)设置于所述活动件(20)，所述活动件(20)可滑动地穿过所述导向件(50)；
所述电磁铁组件(30)通电时，所述第二磁性件(32)能够与所述第一磁性件(31)吸合，以使所述活动件(20)连接于所述反应性调节件(10)，所述活动件(20)能够带动所述反应性调节件(10)沿所述开口(501)相对于所述导向件(50)运动。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
传感器(301)，设置于所述活动件(20)，用于检测所述第一磁性件(31)和所述第二磁性件(32)发生吸合或相互脱离。
9.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，还包括：
抵挡件(911)，设置于所述柱体(91)，用于限制所述活动件(20)的运动范围。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：
至少一个传感器(201)，所述传感器(201)用于检测所述活动件(20)的位置。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，
所述传感器(201)设置于所述抵挡件(911)；和/或
所述传感器(201)为光电接近开关。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述反应性调节件(10)的数量为三个，并沿预定圆周均匀分布。
13.一种零功率反应堆，其特征在于，包括：
堆芯；
权利要求1-12中任一项所述的反应性控制装置，所述反应性控制装置设置于所述堆芯活性区下方。
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