CN1155968C - 水冷却容器式反应堆中的控制棒 - Google Patents

Abstract

本发明是关于核技术，特别是关于水冷却容器式反应堆的控制和保护系统中的设施，和能被用于以单个的或集合在一起装配的棒的形式实现的控制机构中。控制棒包括有一包壳，具有配置在其中并由二部分组成的中子吸收器栈，此二部分之一由与中子作(n，α)反应的材料例如碳化硼制成。另一个最先插进堆芯的部分其长度由包括中子吸收器栈的长度和带有各种参数的控制棒的效率值的数学式确定。由上述数学式所确定的镝基材料作成的部分的长度使得能制造具有最大重量的棒，同时考虑到密度明显大于碳化硼的镝基材料的特定份额的增加而导致的其吸收特性的改变。

Description

水冷却容器式反应堆中的控制棒

发明领域

本发明是关于核技术，特别是关于水冷却容器式反应堆(water-cooledvessel reactor)的控制和保护系统(CPS)中的设施，能被用于以具有各种截面的单个棒形式实现或结合到包括有一组控制棒或一组燃料和控制棒的装配中来实现的控制机构中，被设计来补偿剩余反应性(excess reactivity)，特别是作为安全棒在动力操作的过程中、以及在施用于具有组合功能的控制系统时控制反应性。

发明背景

为提供核反应堆的正常和安全操作，在反应堆的起动、抑制、跃迁过程期间就应保持所需的反应性水平，而在反应堆停堆期间反应性急剧降低。为此目的，反应堆装备有各种设计的控制棒，它们被连接到用于使控制棒沿堆芯高度位移以在所要求范围内改变反应性的推动机构。

水冷却反应堆的特点是，由于核燃料在相当长时间内操作无需再装填和高的燃料定额值，在燃料燃耗方面具有相当高的剩余反应性。而且，这样的反应堆呈现出可观的温度和动力效应。综合到一起，这些因素最终导致一水冷却容器式反应堆的堆芯在使用周期开始可能包含有高达数十个临界质量(critical masses)，为其补偿将要求所有CPS机构的可观的组合效率，从而出现机械控制系统的反应问题。

在近代水冷却反应堆中，特别是VVER-1000，对燃料燃耗的反应性限度由溶解在主系统冷却剂中的硼酸补偿，硼酸随燃料供给的燃耗被逐渐取出。在发生这种情况时，控制机构的操作群(总数的接近10％)处于半插入状态。其余的控制机构(其总数的约90％)被从堆芯取出而处于应急保护模式(APM)中。在这种模式中，吸收单元的下部实际上是在顶部反射器区域内作强烈的燃耗。水冷却反应堆中采用吸收单元的这个特点使得吸收器燃耗在控制机构中沿其长度方向随相对于堆芯的位置而明显地不规律。

鉴于这一原因，在为这一类型反应堆设计和改进引吸收单元时，主要重点被放在选择中子吸收材料和合成物上。特别是在反应堆操作中，控制机构的一部分随时间从堆芯提高，控制机构的其他部分改变其功能，悬于堆芯之上的控制机构这里可能是由各种原因被引入。因此，在设计控制棒中必须考虑反应堆运行的不同情况下它们的特性，特别是，以便在棒运行在应急保护模式中时提供所谓的吸收能力分布。

沿棒长度的所需吸收能力分布可由各种不同设计提供。例如可采用被置于碳化硼芯块(pellets)之间的棒下面部分中的由具有较低中子吸收能力的材料如二氧化铝构成的芯块(见US专利No.4624827，Int.Cl.G21C 7/10，1986)。

所需的棒下面部分中吸收能力的降低可由芯块直径自上向下减低同时减少吸收材料、碳化硼的浓度来达到(见FR专利申请No.2570214，Int.Cl.G21C 7/10，1986)。

US专利No.4062725(Int.Cl.G21C 7/10，1977)中说明一包括有三部分的棒，其中上面部分具有最大的吸收截面并由碳化硼制成，下面部分容纳带有较上面部分低的吸收截面的吸收器材料，置于它们之间的中央部分是基本上不吸收中子的材料。这一设计也实现沿棒的预定吸收能力。

所有上面提到的设计均是采取在上面的棒部分采用碳化硼或包括有硼-10的材料，它们均为优良的中子吸收器，因为当棒运行于应急保护模式中时这很重要。但是，当在(n，α)反应中吸收中子时，碳化硼膨胀并强烈地放出气体从而降低控制机构的寿命并要求改善棒中的设计和处理。

在首先插进堆芯的棒的下面部分配置与中子作(n，γ)反应的银合金(Ag-In-Cd)，确保了碳化硼膨胀和生成气体的根本降低，这是由于当棒在运行过程中被置于堆芯上面部分内或是其上方时，从具有高中子流的区域取出棒对碳化硼具有防护效用(见US专利No.4699756，G21C 7/10，1985)。

但是，反应堆作业期间的辐射过程中，因银合金中子吸收效率改变，导致其对碳化硼的防护效用变化，结果导致棒在其运行期间特性改变，特别是使得棒的组合物理重量变化。

而且，Ag-In-Cd合金的吸收中子的效率作为中子流的函数按非线性规律变化，实际上排除了按滞留在堆芯的不同区域及其上面的时间来准确计算整个棒的效率的可能性。这防碍了预计棒寿命和设计棒位移系统(监视装置、驱动机构等等)，因为棒的二部分以无法预测的状态无规律地燃耗。

与本发明最接近的为一水冷却容器式反应堆的控制棒，包括一包壳，其中配置一中子吸收器材料栈，所述栈在长度L方向上由二部分组成，一个部分包括与中子作(n，α)反应的材料，而另一被首先插入堆芯的部分则包括有镝基材料(见V.M.Chernyshov，V.I.Ryakhovskikh等的“改善的吸收棒，Reactor VVER-1000，Report at VVER Fuel Reliability and Flexibility”，Czechia，Rzhezh，June 17-22 1996)。

选择镝化合物(Dy₂O₃·TiO₂，Dy₂O₃·TiO₇，Dy₂O₃·HfO₂)作为与中子作(n，γ)反应的材料提供棒参数的稳定性，因为前述镝化合物第一仅造成辐射过程的中子吸收效率的微小改变，第二，改变中子吸收效率的规率具有明显的线性特性。在当镝基材料所占有的部分具有不小于中子吸收器栈的整个长度的2％时提供防止碳化硼膨胀的相当可靠的防护。

而且，在栈的部分中包括镝基材料大大增加组合的棒重量，因为镝的密度为碳化硼的4倍以上。棒重量的增加提高在应急保护模式中因重力降落使棒插进堆芯的速度，从而改善反应堆的安全。

但是，为镝基材料所占据的中子吸收器栈部分的相当大的长度，在现有技术设备中占总栈长度20％以上，削弱了棒整体上的效率，因为这实质上降低了与镝相比具有较大吸收能力的碳化硼的量，结果产生对控制机构特性的不利效果。

发明内容

本发明的目的是提供一具有增大的实际重量而同时具有合理的效率(吸收能力)的控制机构。

本发明的技术效果是在保持所需的中子吸收特性的情况下在应急保护模式中增加控制机构下降的速度。

本发明的此目的在一水冷却容器式反应堆的控制棒中实现，该棒包括一包壳，该包壳具有被置于其中的中子吸收器栈，所述栈由沿长度L方向的二部分组成，一个部分包括与中子作(n，α)反应的材料，而首先插入堆芯的另一部分则包括镝基材料，其中包括镝基材料的中子吸收器栈的部分的长度l由下式选择：

$\frac{1}{L}\≤{\left[\frac{l}{L}\right]}_{\max }={\left[\frac{l}{L}\right]}_0[1+\frac{E_{\mathrm{ad}}}{E_0}]...\left(1\right)$

式中，

为提供所需效率的l/L比的最大可能值；

为控制棒的效率等于长度为L的棒的最小所需效率(E₀)时的计算值，所述棒在沿长度方向上是均匀的并被与中子作(n，α)反应的吸收器完全充满；

E_ad为在与中子作(n，γ)反应的吸收器的长度增加时沿一控制机构长度提供最小所需组合效率的附加效率。

而且，与中子作(n，α)反应的材料为碳化硼，与中子作(n，γ)反应的材料则为单钛酸镝(Dy₂O₃·TiO₂)或二钛酸镝(Dy₂O₃·TiO₇)，和/或铪酸镝(Dy₂O₃·HfO₂)。

碳化硼和镝基材料均可作粉末和/或粒状加以应用。

在粉末形式时，碳化硼最好具有大小为从5至160μm的粒度，此粉末被振荡固结到不低于1.7g/cm³的密度。

当为粉末形式时，镝基材料具有由5至315μm的粒度，单钛酸镝或二钛酸镝的密度在作振荡固结后为从4.9至7.0g/cm³。粉末化的铪酸镝被振荡固结到密度7或9.0g/cm³。

本发明与众不同的特点在于包括镝基材料的中子吸收器栈的部分的长度l按一受棒的组合重量的最大可能值所限制并考虑到棒的所需效率(吸收能力)的特定关系进行选择。导致棒的组合重量增加、因此导致其插(落)入堆芯的速度增加的由镝基材料组成的中子吸收栈的部分的长度l仅可能增加到1/L比不超过一最大(阈)值时的值。在一方面，最大l/L比值受到1/L比的计算值的限制，在该比率1/L下，控制机构的效率等于一长度为L的棒的最小所需效率(E₀)，所述棒沿长度为均匀的并被与中子作(n，α)反应的吸收器完全填满，而在另一方面，可通过提供附加效率(E_ad)来增加最大l/L比值，以便在与中子作(n，γ)反应的吸收器的长度增加时提供沿控制机构长度的最小所需总效率。此附加效率例如通过增加控制机构总数、增加棒的部分的吸收能力、以及由任何传统装置来得到。

在阅读以下描述的发明优选实施例后本发明的前述的优点和特征将成为很显见。

附图说明

图1表示一水冷却容器式反应堆的控制棒的概貌；

图2表示一控制棒实施例，其中与中子作(n，α)反应的材料(碳化硼)为芯块形式而镝基材料为经振荡固结的粉末形式；

图3表示一与中子作(n，α)反应的材料(碳化硼)为经振荡固结的粉末形式而镝基材料为芯块形式的设计的实施例；和

图4表示整个中子吸收器栈为由芯块形式的不同材料构成的实施例。

优选实施例的详细说明

附图说明

现在参看附图，图示为核反应堆的控制棒1，包括有一其中设置了长度为L的中子吸收器栈3的包壳2。栈3的一部分4包括与中子作(n，α)反应的材料例如碳化硼。首先被插入堆芯(未图示)的长度为l的另一部分5包括与中子作(n，γ)反应的材料例如镝基化合物。部分5的高度l不小于栈3的高度L的2％。包壳利用下端塞6和上端塞7被例如作焊接加以密封。

上端塞7与栈3之间可设置一空腔8以收集气体和容纳栈3的保持器9。由于在栈3的部分4受中子辐射时，从碳化硼发射的气体因为由镝所占据的部分5的存在而被忽略，可将棒加重部件10置入空腔8。栈3的部分4和5可被填充以经振荡固结的粉末11或者由芯块12加以装配。

按照本发明的控制机构以如下方式运行。取决于运行条件和所需维持的功率水平，棒可被定位于相对堆芯的不同位置。当棒被置于堆芯上方或被部分地插入堆芯时，中子吸收器栈的部分4没有明显的燃耗不规律并且几乎不受中子的造成其膨胀和从其发射由包括镝的部分5提供的气体的有害影响。

在一应急保护信号到达后，棒1在由加重部件10促成的重力下降作用下完全插入堆芯。但由加重部件10引起的棒重的增加受可用于容纳其的空间尺寸所限制。而且，棒重的增加可通过增加填充以具有大于碳化硼的密度的镝基材料的棒部分5的长度l来实现。长度l而特别是l/L比的增加导致棒总重的增加，因而使得棒降落进堆芯的速度增加。但长度l的最大值受组合棒效率值限制。因此，进一步增加l值使棒的总效率降低，必须借助改善其在核反应堆的控制机构中的应用方面的组合棒效率的方法和装置来加以补偿。因此在设计和构成一个在棒插入堆芯的时间内、具有给定的棒下降速度的新棒时，必须考虑到效率(吸收能力)的变化，该效率(吸收能力)的变化可以被多个棒、棒的直径和其他惯常的装置和方法加以补偿。在任何情况下，包括二部分并且其中被首先插入堆芯的一个部分由镝基材料构成而第二部分由碳化硼构成的容器式反应堆的控制棒不应具有部分5的长度1，该部分5的长度1会使1/L比值超过由式(1)所确定的该参数的最大可能值。

棒单元可由任一惯常方法制造。棒可被独立应用并具有个别的位移驱动器。可将一组棒装配到一带有公共驱动机构的组件。这些棒可被安装进燃料组件而不是燃料元件。以惯常方式还完成棒的不同应用。

工业应用性

按照本发明的水冷容器式反应堆的控制棒展现出由吸收元件在最大可能的重量时的组合带来的改善的参数稳定性，它对反应堆的反应性具有有利影响并可被应用于激活核反应堆中和新构成的反应堆中。本发明整体地考虑棒吸收能力中的变化，这由增加镝基材料在中子吸收器栈的总长度中的特定份额来达到。

Claims (9)

1.水冷却容器式反应堆的控制棒，包括：一包壳，该包壳具有配置在其中的中子吸收器栈，所述中子吸收器由沿长度L方向的二部分组成，其中一个部分包括与中子作(n，α)反应的材料，而首先插入堆芯的另一部分则包括镝基材料，其中由镝基材料构成的中子吸收器栈的部分的长度l按下式选择：

$\frac{l}{L}\≤{\left[\frac{l}{L}\right]}_{\max }={\left[\frac{l}{L}\right]}_o[1+\frac{E_{\mathrm{ad}}}{E_0}]$

式中， 为提供所需效率的l/L比的最大可能值；

为控制机构的效率等于长度为L的棒的最小所需效率(E₀)时的计算值，所述棒沿长度是均匀的并被与中子作(n，α)反应的吸收器完全填充；

E_ad为在与中子作(n，γ)反应的吸收器长度增加时提供沿控制机构长度的最小所需的组合效率的附加效率。

2.如权利要求1所述的水冷却容器式反应堆的控制棒，其特征是与中子作(n，α)反应的材料为碳化硼。

3.如权利要求2所述的水冷却容器式反应堆的控制棒，其特征是碳化硼为具有5至160μm的粒度的粉末形式，此粉末经振荡固结到不低于1.7g/cm³的密度。

4.权利要求1至3中任一项所述的水冷却容器式反应堆的控制棒，其特征是与中子作(n，γ)反应的材料为单钛酸镝(Dy₂O₃·TiO₂)和/或二钛酸镝(Dy₂O₃·TiO₇)和/或铪酸镝(Dy₂O₃·HfO₂)。

5.如权利要求4所述的水冷却容器式反应堆的控制棒，其特征是单钛酸镝或二钛酸镝为具有5至315μm的粒度的粉末形式，所述粉末被振荡固结到从4.9至7.0g/cm³的密度。

6.如权利要求4所述的水冷却容器式反应堆的控制棒，其特征是铪酸镝为具有5到315μm的粒度的粉末形式。

7.如权利要求6所述的水冷却容器式反应堆的控制棒，其特征是铪酸镝被振荡固结到密度为7.0g/m³。

8.如权利要求6所述的水冷却容器式反应堆的控制棒，其特征是铪酸镝被振荡固结到密度为9.0g/cm³。

9.如权利要求1或2所述的水冷却容器式反应堆的控制棒，其特征是与中子作(n，α)反应的材料和/或镝基材料为芯块形式。

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