CN114913997A - 控制棒及控制棒组件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种控制棒及控制棒组件，包括芯块、衬套组件及包壳，衬套组件包括套设于芯块的第一衬套，包壳套设于第一衬套，其中，第一衬套被构造为用于形成围绕于芯块的约束结构，以限制芯块沿芯块的径向方向的膨胀。如此，当芯块因发生辐照肿胀或碎裂现象时，因第一衬套套设于芯块，进而使第一衬套能够限制芯块的膨胀，且能够限制芯块的碎片的运动方向。从而避免芯块和包壳相互接触，最终改善了目前的控制棒的芯块容易和包壳发生相互作用，进而引发包壳破损的问题。

Description

控制棒及控制棒组件

技术领域

本申请涉及核电技术领域，特别是涉及一种控制棒及控制棒组件。

背景技术

相关技术中，快中子反应堆的控制棒的芯块主要以碳化硼为吸收体材料，在辐照运行过程中碳化硼发生辐照肿胀，并受热应力、氦滞留等因素的影响发生碎裂，碎裂后的碎片与控制棒中的包壳发生相互作用，可能引起包壳破损，进而影响控制棒完整性和缩短控制棒寿命。

发明内容

基于此，有必要针对目前的控制棒的芯块容易和包壳发生相互作用，进而引发包壳破损和缩短控制棒寿命的问题，提供一种控制棒及控制棒组件。

本申请实施例提供了一种控制棒，包括：芯块；衬套组件，包括套设于所述芯块的第一衬套；以及包壳，套设于所述第一衬套；其中，所述第一衬套被构造为用于形成围绕于所述芯块的约束结构，以限制所述芯块沿所述芯块的径向方向的膨胀。

在其中一个实施例中，所述衬套组件还包括设置于所述第一衬套和所述包壳之间的第二衬套，所述第二衬套沿其周向的方向上弯曲延伸。

在其中一个实施例中，所述第一衬套和所述第二衬套同轴设置。

在其中一个实施例中，所述第一衬套和所述第二衬套之间设有第一间隙空间；所述第一衬套具有第一豁口，所述第一豁口从所述第一衬套靠近所述芯块的一侧沿所述第一衬套的径向向外延伸，且所述第一豁口连通于所述第一间隙空间。

在其中一个实施例中，所述第二衬套和所述包壳之间设有第二间隙空间；所述第二衬套具有第二豁口，所述第二豁口沿所述第二衬套靠近所述第一衬套的一侧沿所述第二衬套的径向向外延伸，且所述第二豁口分别连通于所述第一间隙空间和所述第二间隙空间。

在其中一个实施例中，所述第一豁口的中心线和所述第二豁口的中心线呈角度设置。

在其中一个实施例中，所述第一豁口的中心线和所述第二豁口的中心线之间的夹角为180°。

在其中一个实施例中，所述控制棒还包括分别连接于所述包壳的相对两端的第一端塞和第二端塞。

在其中一个实施例中，所述第一衬套包括钼合金衬套。

本申请实施例还提供一种控制棒组件，包括：上述的控制棒。

本申请的一种控制棒及控制棒组件，包括芯块、衬套组件及包壳，衬套组件包括套设于芯块的第一衬套，包壳套设于第一衬套，其中，第一衬套被构造为用于形成围绕于芯块的约束结构，以限制芯块沿芯块的径向方向的膨胀。如此，当芯块因发生辐照肿胀或碎裂现象时，因第一衬套套设于芯块，进而使第一衬套能够限制芯块的膨胀，且能够限制芯块的碎片的运动方向。从而避免芯块和包壳相互接触，最终改善了目前的控制棒的芯块容易和包壳发生相互作用，进而引发包壳破损的问题。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的控制棒的结构示意图；

图2为图1所示的控制棒的A-A向的剖视图；

图3为图2所示的控制棒的B处的局部放大图。

附图标记说明：100、芯块；200、衬套组件；210、第一衬套；211、第一豁口；220、第二衬套；212、第二豁口；300、包壳；400、第一间隙空间；500、第二间隙空间；600、第一端塞；700、第二端塞；800、容纳空间；L1、第一豁口的中心线；L2、第二豁口的中心线。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等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。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

控制棒在核反应堆中起补偿和调节中子反应性以及紧急停堆的作用。将控制棒完全插入反应堆中心时，能够大量吸收中子，可阻止链式裂变反应的进行。当将控制棒拔出时，反应堆的正反应性增加。其中，将控制棒拔出的越多，控制棒对中子的吸收越少，就会有越多的中子参与裂变反应，引入更多的正反应性，提升或维持反应堆核反应。快中子反应堆的相关技术中，控制棒的芯块主要以碳化硼为制作材料，控制棒的设计结构为“芯块-包壳”，即控制棒沿径向方向由内至外依次为芯块和包壳。

在快中子反应堆中的辐照运行过程中，碳化硼发生辐照肿胀，并受热应力、氦滞留(Helium Retention)等因素影响发生碎裂，芯块的体积膨胀和其碎片的产生是影响控制棒寿命的重要因素。主要机理是芯块或碎片与包壳材料发生相互作用，进而可能引起包壳破损，影响控制棒的完整性。并且细小的芯块碎片在控制棒内部重新分配，容易导致芯块的长度发生改变，进而影响轴向位置上芯块的排列完整性和反应性分布，从而损坏控制棒的功能。另外，碳化硼辐照产生游离碳元素向包壳渗透，引起包壳材料脆化，也是导致威胁控制棒完整性的因素。

基于此，本申请发明人经过深入研究，设计出一种控制棒及控制组件，以解决目前的控制棒的芯块容易和包壳发生相互作用，进而引发包壳破损的问题。

图1为本申请一个实施例提供的控制棒的结构示意图，图2为图1所示的控制棒的A-A向的剖视图，图3为图2所示的控制棒的B处的局部放大图。

本申请一实施例提供了一种控制棒，如图1和图3所示，控制棒包括芯块100、衬套组件200及包壳300，衬套组件200包括套设于芯块100的第一衬套210，包壳300套设于第一衬套210，其中，第一衬套210被构造为用于形成围绕于芯块100的约束结构，以限制芯块100沿芯块100的径向方向的膨胀。

如此，当芯块100发生辐照肿胀或碎裂现象时，因第一衬套210套设于芯块100，进而使第一衬套210能够限制芯块100的膨胀，且能够限制芯块100的碎片的运动方向。从而避免芯块100和包壳300相互接触，最终改善了目前的控制棒的芯块100容易和包壳300发生相互作用，进而引发包壳300破损的问题。

同时，芯块100在受快中子辐照过程中会碎裂，因第一衬套210套设于芯块100，进而芯块100受快中子辐照过程中碎裂所产生的碎片，只能落入芯块100沿其纵长延伸方向的相对的两端。示例地，当芯块100沿其纵长延伸方向的一端的某一部分破损产生碎片，碎片可能向径向四周运动，而因受到第一衬套210的限制，碎片只能沿芯块100的轴线的方向运动，最终，碎片其只能再次落回芯块100的一端。因碎片的再次落回，因此由芯块100组成的吸收体段的长度也并未发生较大的改变。如此，通过第一衬套210内的空间收容芯块100在运行过程中碎裂产生的碎片，且限制碎片的沿芯块100的径向迁移，进而有效避免了产生影响芯块100的轴向位置上排列完整性和反应性的分布的问题。

需要说明的是，控制棒的主要作用是控制核反应堆的启、停和核功率的调节，其主要原理是通过改变核反应堆内的中子数和中子密度，进而改变核反应堆的反应性，从而实现控制核反应堆的启、停和核功率的调节。其中，芯块100的作用是作为吸收材料吸收中子，因此，控制棒的芯块100的制造材料主要是硼或镉等易于吸收中子的元素，其中，碳化硼使用的较为广泛。包壳300的作用是防止吸收体材料逃逸，保证控制棒反应性当量，同时有效地导出热能。

而在辐照运行过程中，芯块100的制造材料碳化硼容易发生辐照肿胀，进而导致碳化硼和不锈钢包壳300接触。一方面，碳化硼和不锈钢包壳300接触产生机械作用，形成局部应力，可能导致包壳300破损。另一方面碳化硼和不锈钢包壳300发生渗碳作用，渗碳作用的发生会造成不锈钢包壳300的材料脆化，进而进一步破坏不锈钢包壳300的自身结构。如果包壳300的结构遭到破坏，吸收体材料就会逸出，减少控制棒反应性当量，无法有效控制反应堆的核反应，进而造成十分严重的后果。

本申请通过在芯块100和包壳300之间设置第一衬套210，如此，通过第一衬套210隔离芯块100及芯块100的碎片和包壳300，以使芯块100及芯块100的碎片和包壳300之间不会发生局部接触，确保芯块100不会与包壳300发生机械作用，同时延缓碳化硼和不锈钢包壳300之间发生渗碳作用，从而进一步保护包壳300。

在一些实施例中，芯块100和第一衬套210之间设有容纳空间800，如此，芯块100膨胀程度较小的时候，芯块100不会对第一衬套210产生拉应力。同时，芯块100膨胀程度较大的时候，芯块100不会对第一衬套210产生过大的拉应力，从而提高第一衬套210的使用寿命。示例地，芯块100和第一衬套210之间的间隙为0.1mm，具体设计可根据实际情况做灵活变动，在此不做限定。

在一些实施例中，衬套组件200还包括设置于第一衬套210和包壳300之间的第二衬套220，第二衬套220沿其周向的方向上弯曲延伸。如此，通过第二衬套220进一步限制芯块100的膨胀，且进一步延缓碳化硼和不锈钢包壳300之间发生渗碳作用，防止包壳300材料的脆化，进而提高对包壳300的保护效果。

可以理解的是，第一衬套210充当第一道保护屏障，第二衬套220充当第二道保护屏障，当第一衬套210因受到芯块100的作用力的出现破损时，此时第二衬套220依旧可以限制芯块100的膨胀。如此，通过第一衬套210和第二衬套220的共同作用限制芯块100在运行过程中的肿胀，避免芯块100和包壳300相互作用，进而起到保护包壳300的作用。

同时，第二衬套220沿其周向的方向上弯曲延伸，示例地，第二衬套220在延其轴向延伸的方向上，第二衬套220的截面的形状为波浪形状。通过波浪形状的设计，提高第二衬套220的塑性变形能力，第二衬套220在形变过程中会产生弹性力，借助弹性力将第一衬套210和芯块100进行定位。

具体至一些实施例中，第一衬套210和第二衬套220同轴设置。进一步地，第二衬套220具有一轴线，第二衬套220将第一衬套210和芯块100进行定位的同时，第一衬套210的轴线和芯块100的轴线均与第二衬套220的轴线重合，依次实现第一衬套210、芯块100和第二衬套220三者同轴。

如此，通过第一衬套210、芯块100和第二衬套220三者同轴，使芯块100因受辐照所产生的拉应力依次传递给第一衬套210和第二衬套220时，保证第一衬套210的各表面受力均匀，和第二衬套220的各表面受力均匀，以提高第一衬套210的使用寿命和第二衬套220的使用寿命。

同时，通过第一衬套210、芯块100和第二衬套220三者同轴，能够保证控制棒组件运输过程中芯块100在控制棒内的不会晃动，保障芯块100与包壳300的间隙的周向均匀性。

在一些实施例中，第一衬套210和第二衬套220之间设有第一间隙空间400，第一衬套210具有第一豁口211，第一豁口211从第一衬套210靠近芯块100的一侧沿所第一衬套210的径向向外延伸，且第一豁口211连通于第一间隙空间400。如此，通过第一豁口211使第一衬套210形成一个开环结构，当第一衬套210受到芯块100膨胀所产生的拉应力发生形变的时候，通过开环结构的设计能够增加第一衬套210的形变量，进而提高第一衬套210抗拉应力的能力。同时，第一豁口211能够降低第一衬套210受到芯块100膨胀时所产生的拉应力，进而减小拉应力对第一衬套210的损坏，提高第一衬套210的使用寿命。

在一些实施例中，第二衬套220和包壳300之间设有第二间隙空间500，第二衬套220具有第二豁口212，第二豁口212沿第二衬套220靠近第一衬套210的一侧沿第二衬套220的径向向外延伸，且第二豁口220分别连通于第一间隙空间400和第二间隙空间500。如此，通过第二豁口212使第二衬套220形成一个开环结构，当第二衬套220受到第一衬套210变形所产生的拉应力发生形变的时候，通过开环结构的设计能够增加第二衬套220的形变量，进而提高第二衬套220抗拉应力的能力。同时，第二豁口212能够降低第二衬套220受到芯块100膨胀时所产生的拉应力，进而减小拉应力对第二衬套220的损坏，提高第二衬套220的使用寿命。

在一些实施例中，第一豁口的中心线L1和第二豁口的中心线L2呈角度设置。具体地，沿第一衬套210的纵长延伸的方向上，第一豁口211的截面的形状为轴对称图形，沿第二衬套220的纵长延伸的方向上，第二豁口212的截面的形状均为轴对称图形，且第一豁口的对称中心线和第二豁口212的对称中心线呈角度设置。

具体至一些实施例中，沿第一衬套210的纵长延伸的方向上，第一豁口211的截面的形状为矩形，沿第二衬套220的纵长延伸的方向上，第二豁口212的截面的形状也为矩形。具体设计可根据实际情况做灵活变动，在此不做限定。

可以理解的是，通过第一豁口的中心线L1和第二豁口的中心线L2呈角度设置，使第一豁口211和第二豁口212沿芯块100的轴向交错设置。如此，当芯块100膨胀所产生的拉应力集中作用于第一豁口211，导致第一豁口211破裂，进而使第一衬套210受损时，因第一豁口211和第二豁口212沿芯块100的轴向交错设置，此时拉应力作用于第二衬套220的位置没有豁口，进而第二衬套220依旧能限制芯块100的膨胀，进而起到保护包壳300的作用。

具体至一些实施例中，第一豁口的中心线L1和第二豁口的中心线L2之间的夹角为180°。通过第一豁口的中心线L1和第二豁口的中心线L2之间的夹角为180°，使第一豁口211和第二豁口212沿芯块100的轴向交错设置，且，使第一豁口211和第二豁口213之间的相距的距离最远。

可以理解的是，当芯块100膨胀所产生的拉应力集中作用于第一豁口211，导致第一豁口211破裂，进而使第一衬套210受损的时候，此时第一豁口211处所承受的拉应力是最大的。因第一豁口211破裂，拉应力会传递至第二衬套220与第一豁口211相接触的表面，此时，第二衬套220与第一豁口211相接触的表面所承受的拉应力也是最大值，与此同时，第二衬套220的各个分表面上，距离此表面越远的位置所承受的拉应力最小。通过，第一豁口的中心线L1和第二豁口的中心线L2之间的夹角为180°，并使第一豁口211和第二豁口212之间的相距的距离最远，进而，第二豁口212处所承受的拉应力最小，以此使第二衬套220限制芯块100膨胀的同时，也进一步有效保护了第二衬套220。

在另一些实施例中，第一豁口的中心线L1和第二豁口的中心线L2之间的夹角也可以为90°或60°，第一豁口211和第二豁口212沿芯块100的轴向交错设置即可。具体设计可根据实际情况做灵活变动，在此不做限定。

在一些实施例中，控制棒还包括分别连接于包壳300的相对两端的第一端塞600和第二端塞700。具体地，第一端塞600和第二端塞700分别密闭设于包壳300的两端，以将芯块100封闭在包壳300内，使其寿期中产生的吸收体碎片或粉末不会泄漏至回路中，保证控制棒的正常工作。

在一些实施例中，第一衬套110和第二衬套220包括钼合金衬套，钼合金的延展性和塑性变形的能力较好。在其他实施例中，第一衬套110和第二衬套220包括铁素体/马氏体不锈钢材料或钼，具体设计可根据实际情况做灵活变动，在此不做限定。

本申请一实施例还提供了一种控制棒组件，该控制棒组件包括上述的控制棒，控制棒组件包括至少一个固定部件或格栅，控制棒固定于固定部件或格栅中，其中控制棒的数量和排布形式是可以变化的。该控制棒包括芯块100、衬套组件200及包壳300，衬套组件200包括套设于芯块100的第一衬套210，包壳300套设于第一衬套210，其中，第一衬套210被构造为用于形成围绕于芯块100的约束结构，以限制芯块100沿芯块100的径向方向的膨胀。

如此，当芯块100因发生辐照肿胀或碎裂现象时，因第一衬套210套设于芯块100，通过第一衬套210限制吸收体芯块100在运行过程中的体积膨胀。同时，第一衬套210包容芯块100在运行过程中碎裂产生的碎片，限制碎片的径向迁移，第一衬套210形成包壳300与芯块100的径向物理隔离，避免因芯块100肿胀、碎裂现象引起包壳300与芯块100的面面接触，最终提高了控制棒组件的性能，以及延长控制棒组件的使用寿命。

本申请实施例提供了一种控制棒，该包括芯块100、衬套组件200及包壳300，衬套组件200包括套设于芯块100的第一衬套210，包壳300套设于第一衬套210，其中，第一衬套210被构造为用于形成围绕于芯块100的约束结构，以限制芯块100沿芯块100的径向方向的膨胀。如此，当芯块100因发生辐照肿胀或碎裂现象时，因第一衬套210套设于芯块100，进而使第一衬套210能够限制芯块100的膨胀，且能够限制芯块100的碎片的运动方向。从而避免芯块100和包壳300相互接触，最终改善了目前的控制棒的芯块100容易和包壳300发生相互作用，进而引发包壳300破损的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种控制棒，其特征在于，包括：

芯块；

衬套组件，包括套设于所述芯块的第一衬套；以及

包壳，套设于所述第一衬套；

其中，所述第一衬套被构造为用于形成围绕于所述芯块的约束结构，以限制所述芯块沿所述芯块的径向方向的膨胀。

2.根据权利要求1所述的控制棒，其特征在于，所述衬套组件还包括设置于所述第一衬套和所述包壳之间的第二衬套，所述第二衬套沿其周向的方向上弯曲延伸。

3.根据权利要求2所述的控制棒，其特征在于，所述第一衬套和所述第二衬套同轴设置。

4.根据权利要求2所述的控制棒，其特征在于，所述第一衬套和所述第二衬套之间设有第一间隙空间；

所述第一衬套具有第一豁口，所述第一豁口从所述第一衬套靠近所述芯块的一侧沿所述第一衬套的径向向外延伸，且所述第一豁口连通于所述第一间隙空间。

5.根据权利要求4所述的控制棒，其特征在于，所述第二衬套和所述包壳之间设有第二间隙空间；

所述第二衬套具有第二豁口，所述第二豁口沿所述第二衬套靠近所述第一衬套的一侧沿所述第二衬套的径向向外延伸，且所述第二豁口分别连通于所述第一间隙空间和所述第二间隙空间。

6.根据权利要求5所述的控制棒，其特征在于，所述第一豁口的中心线和所述第二豁口的中心线呈角度设置。

7.根据权利要求6所述的控制棒，其特征在于，所述第一豁口的中心线和所述第二豁口的中心线之间的夹角为180°。

8.根据权利要求1所述的控制棒，其特征在于，所述控制棒还包括分别连接于所述包壳的相对两端的第一端塞和第二端塞。

9.根据权利要求1所述的控制棒，其特征在于，所述第一衬套包括钼或钼合金衬套。

10.一种控制棒组件，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一项所述的控制棒。

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