CN204130191U - 十字形控制棒组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及核反应堆控制棒技术领域，具体公开了一种十字形控制棒组件，包括连接柄组件和多个控制棒（3）；所述连接柄组件包括中心筒（1）和4个翼板（2），4个翼板（2）垂直于中心筒（1）的径向平面连接在中心筒（1）下端外壁，且相邻两个翼板（2）相互垂直；每个翼板（2）下方安装有一排竖直布置的控制棒（3），控制棒（3）的上端固定在翼板（2）上；所有控制棒（3）呈十字形排列在翼板（2）下，所述中心筒（1）内还安装有缓冲装置。本实用新型的十字形控制棒组件从堆芯顶部自上而下插入堆芯时，不仅可以实现堆芯反应性的控制，还可以实现控制棒的落棒缓冲，具有结构简单紧凑、控制方便、稳定性好等优点。

Description

十字形控制棒组件

技术领域

本实用新型涉及核反应堆技术领域，具体地，涉及一种十字形控制棒组件。

背景技术

核反应堆的安全可靠和经济运行取决于反应堆停堆和调节系统运行的可靠性，而反应堆的反应性控制主要通过控制棒组件实现。控制棒组件具有反应堆启动、停堆、变更堆功率和保护反应堆的功能。

在压水反应堆中，控制棒组件结构如图1所示，由星形架和若干根控制棒组成。在反应堆正常运行期间通过把控制棒逐步插入燃料组件以调节反应性，在紧急工况下则靠自身重力将控制棒快速插入燃料组件实现紧急停堆。紧急停堆时，控制棒组件主要通过控制棒插入到导向管缓冲段的水力缓冲作用吸收驱动线快速下落后的大部分能量，然后通过控制棒连接柄缓冲弹簧的机械缓冲作用吸收剩余动能，以最大程度地减小燃料组件受到的冲击载荷。

在沸水反应堆中，控制棒组件的机构如图2所示，由十字形骨架和铪板（或控制棒）组成。控制棒组件从堆芯底部插入到燃料组件中，其缓冲设计采用水力缓冲，控制棒组件的下端有一个速度控制器，控制棒的中间留有冷却剂流道，通过增加水力阻力缓冲控制棒落棒。但控制棒自堆底引入后就不能在控制动力源丧失后靠重力自动插进堆芯，因此沸水堆的控制棒驱动机构必须非常可靠，通常都采用液压驱动，每个机构或每两个机构配有一个单独的蓄压器。

在超临界水冷堆中，十字形控制棒组件设计成从堆芯顶部插入，控制棒组件既要满足反应堆反应性控制的要求，又要满足控制棒落棒缓冲的需求。目前，压水堆控制棒组件不适应具有十字形通道的超临界燃料组件结构，而沸水堆十字形控制棒组件设计成从堆芯底部插入，与超临界燃料组件从堆芯顶部插入完全不同，因此压水堆控制棒组件和沸水堆控制棒组件结构均无法满足这两个要求。专利CN203070781U公开了一种十字形控制棒组件，包括控制棒本体，控制棒本体由横截面呈正交垂直连接的四个翼板构成，在控制棒本体的轴线顶部设置有缺口，在控制棒本体顶部安装有中心筒，在中心筒内安装有缓冲装置，所述缓冲装置位于缺口内；该控制棒组件适用于从堆芯顶部自上而下插入堆芯，可以实现堆芯反应性的控制，但是该控制棒组件在实现落棒缓冲时通过缓冲杯实现一定的机械缓冲，但其缓冲作用有限，仍然无法从根本上解决控制棒落棒冲击力过大的问题，仍然无法保证燃料组件受冲击后的结构完整性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种十字形控制棒组件，该十字形控制棒组件从堆芯顶部自上而下插入堆芯时，不仅可以实现堆芯反应性的控制，还可以实现控制棒的落棒缓冲，解决现有控制棒组件无法同时满足超临界水冷堆中反应性控制的要求和控制棒落棒缓冲需求的问题。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：

十字形控制棒组件，包括连接柄组件和多个控制棒；所述连接柄组件包括中心筒和4个翼板；4个翼板垂直于中心筒的径向平面连接在中心筒下端外壁，且相邻两个翼板相互垂直；每个翼板下方安装有一排竖直布置的控制棒，控制棒的上端固定在翼板上；所有控制棒呈十字形排列在翼板下方；所述中心筒内还安装有缓冲装置。前述十字形控制棒组件除了设置有机械缓冲结构外，还增加了水力缓冲结构，即呈十字形排列在翼板下的控制棒，这些控制棒能够与燃料组件中的导向管相配合实现控制棒的落棒时的水力缓冲，而且相对于机械缓冲，该水力缓冲在落棒缓冲中起着主要的缓冲作用。当十字形控制棒组件从堆芯顶部自上而下快速下落时，控制棒插入到燃料组件中，燃料组件中的水吸收了控制棒的大部分动能，产生水力缓冲的作用；在下落结束时，连接柄组件中的缓冲装置冲击到燃料组件上，实施机械缓冲，吸收剩余的少部分动能，从而最大程度上减少了控制棒对燃料组件的落棒冲击力，使落棒冲击力在燃料组件所能承受的范围之内。该十字形控制棒组件可以同时实现水力缓冲和机械缓冲，既实现了堆芯反应性的控制，又实现了控制棒的落棒缓冲。解决了超临界水冷堆中现有的十字形控制棒组件的十字形吸收体在控制棒组件插入燃料组件中时无法提供足够的水力缓冲，仅仅依靠缓冲杯的机械缓冲作用尚无法将落棒冲击力减至燃料组件所能承受的范围之内，因而不能较好地实现控制棒落棒缓冲的问题。

作为本实用新型的进一步改进，所述控制棒下端为圆弧结构，以减少控制棒落棒时受到的阻力。

进一步，所述控制棒包括上端连接段、中部吸收体和呈圆锥形的下端圆弧段。

进一步，所述上端连接段包括连接段本体、缩径段、圆柱段、螺纹段，螺纹段、圆柱段、缩径段、连接段本体自上而下依次设置。该上端连接段中，圆柱段具有定位作用，螺纹段用于连接，缩径段使上部连接具有较高的柔性，且将不同驱动线部件的错对中所引起的不利影响减至最小。

进一步，所述控制棒为中空管或实心棒，所述中部吸收体采用银-铟-镉合金或碳化硼或铪制成。前述中部吸收体用于在反应堆运行期间提供堆芯反应性控制，实现反应堆的启动、停堆、功率调节；银-铟-镉合金或碳化硼或铪具有较高的中子吸收截面和共振吸收截面，具有较好的吸收价值。

进一步，所述翼板上沿水平方向设置有一排安装孔，所述控制棒穿过该安装孔，控制棒上端还通过连接螺母固定在翼板上。

进一步，所述连接螺母还点焊在翼板上。

进一步，所述翼板与中心筒之间还设置有加强筋，以增强翼板的结构强度。

进一步，所述中心筒为厚壁管结构，其内腔中设置有分隔段，分隔段上方的内腔设置成环形齿槽，分隔段下方安装缓冲装置。

进一步，所述缓冲装置包括上端设置有螺纹的拉紧螺杆、套装在拉紧螺杆上的缓冲弹簧和安装在拉紧螺杆末端的缓冲杯，所述分隔段上设置有螺孔，所述拉紧螺杆上端固定在该螺孔内。

综上，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的十字形控制棒组件增设了水力缓冲结构，即呈十字形排列在翼板下的控制棒，这些控制棒能够与燃料组件中的导向管相配合实现控制棒的落棒时的水力缓冲，实现落棒缓冲中的主要缓冲作用，最大程度上减少了控制棒对燃料组件的落棒冲击力，使落棒冲击力在燃料组件所能承受的范围之内；

2、本实用新型在连接柄组件的中心筒内设置有缓冲装置，可以实现控制棒落棒的机械缓冲；

3、本实用新型的十字形控制棒组件从堆芯顶部自上而下插入堆芯时，可以实现堆芯反应性的控制；

4、本实用新型的十字形控制棒组件的控制棒下端为圆弧结构，既能进行平滑导向又可以有效减小插入燃料组件时受到的阻力；

5、本实用新型结构简单紧凑，各部件之间连接稳定性强。

附图说明

图1为现有技术中典型压水堆控制棒组件的结构示意图；

图2为现有技术中沸水堆十字形控制棒组件结构示意图；

图3为本实用新型的十字形控制棒组件的结构示意图；

图4为连接柄组件的结构示意图；

图5为连接柄组件的剖面图；

图6为控制棒的结构示意图；

图7为控制棒与连接柄的连接处剖面图；

图8为与本实用新型相配合的一种燃料组件十字形通道示意图；

图9为与本实用新型相配合的一种燃料组件十字形通道的导向管缓冲段示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1-中心筒、2-翼板、3-控制棒、4-加强筋、5-连接螺母、6-缓冲杯、7-拉紧螺杆、8-缓冲弹簧、9-上端连接段，10-中部吸收体、11-下端圆弧段、12-缩径段、13-圆柱段、14-螺纹段、15-导向管、16-十字形支撑块、17-非缓冲段、18-过渡段、19-缓冲段、20-十字形骨架、21-速度控制器、91-连接段本体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

如图3所示，十字形控制棒组件包括连接柄组件和多个悬挂在连接柄组件上的控制棒3：

所述连接柄组件包括竖直布置的中心筒1和4个连接在中心筒1下端外壁的翼板2，4个翼板2垂直于中心筒1的径向平面，即中心筒1的轴线平行于翼板2所在平面，且相邻两个翼板2相互垂直，使4个翼板2构成十字形结构；翼板2可采用与中心筒1整体加工、一体成型的方式与中心筒1固定连接，也可以采用焊接方式与中心筒1固定连接。

每个翼板2上安装有一排竖直布置的控制棒3，这样所有控制棒3也排列成十字形结构，控制棒3的上端固定在翼板2上。

所述中心筒1内还安装有缓冲装置，该缓冲装置在十字形控制棒组件落棒时对十字形控制棒组件产生机械缓冲。

本实施例的十字形控制棒组件除了设置有机械缓冲结构外，还增加了水力缓冲结构，即在四个翼板2下设置了呈十字形排列的控制棒3，这些控制棒3能够与燃料组件中的导向管相配合实现控制棒3的落棒时的水力缓冲，而且相对于机械缓冲，该水力缓冲在落棒缓冲中起着主要的缓冲作用，解决了现有的控制棒组件无法实现足够的水力缓冲、无法保证燃料组件受冲击后的结构完整性问题。

本实施例中，十字形控制棒组件可以同时实现水力缓冲和机械缓冲：当控制棒组件快速下落时，控制棒3插入到燃料组件中，燃料组件中水吸收了控制棒3的大部分动能，产生水力缓冲的作用；在下落结束时，连接柄组件中的缓冲装置冲击到燃料组件上，实施机械缓冲，吸收剩余的少部分动能，从而最大程度上减少了控制棒对燃料组件的落棒冲击力，使落棒冲击力在燃料组件所能承受的范围之内。因而，本实施例中的十字形控制棒组件既实现了堆芯反应性的控制，又实现了控制棒的落棒缓冲。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例对控制板、翼板和中心筒的连接作进一步限定：

如图4所示，所述翼板2上沿水平方向设置有一排安装孔，本实施例中该安装孔为垂直阶梯孔，所述控制棒3穿过该安装孔，上端还通过连接螺母5固定在翼板2上，使得控制棒3稳定地连接在翼板2上。进一步，为了加强控制棒3与翼板2连接的稳定性，可对连接螺母5进行点焊防松处理，将连接螺母5点焊在翼板2上。

实施例3：

在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中，为了提高翼板2与中心筒1的连接强度，所述翼板2与中心筒1之间还设置有三角形的加强筋4，加强筋4的两条直角边中一条边固定在翼板2顶端，另一条边固定在中心筒1外壁。作为加强筋4的简单替换，也可以采用任意的多边形或者不规则形状，只要其具有两个垂直的边即可。

实施例4：

在实施例1至实施例3中的任一实施例基础上，本实施例中对控制棒3的结构作进一步改进：

如图6和图7所示，控制棒3为圆棒形结构，包括上端连接段9、中部吸收体10和呈圆锥形的下端圆弧段11；所述上端连接段9包括连接段本体91、缩径段12、圆柱段13、螺纹段14。

连接段本体91有一个缩径段12，可增加控制棒的柔性；缩径段12上方设置有圆柱段13，该圆柱段13为配合段，以与翼板2中的安装孔相配合；圆柱段13的上方为螺纹段14，以与连接螺母5相配合，通过连接螺母5将控制棒3的上端连接段9与连接柄组件的翼板2连接起来。

本实施例中，控制棒3下端具有圆弧形结构，以减少落棒阻力，并在控制棒3进入燃料组件时起平滑导向作用。

根据堆芯反应性的需求，控制棒3布置的数量和中部吸收体10材料根据需要设置和选择，中部吸收体10可以采用银-铟-镉合金或碳化硼或铪制，控制棒3的结构既可以做成中空管状，也可以做成实心棒状。前述中部吸收体10用于在反应堆运行期间提供堆芯反应性控制，实现反应堆的启动、停堆、功率调节；银-铟-镉合金或碳化硼或铪具有较高的中子吸收截面和共振吸收截面，具有较好的吸收价值。

实施例5：

如图5所示，在上述任一实施例基础上，本实施例中，对缓冲装置及其在中心筒1中的安装进行进一步限定：

所述中心筒1为圆筒型厚壁管结构，其内腔中设置有分隔段，分隔段上方的内腔加工成环形齿槽，与驱动轴爪头匹配，以实现远距离连接或脱开操作；分隔段下方的加工成能安装缓冲装置的结构，缓冲装置安装其中以起到快速落棒时吸收冲击能量进行机械缓冲的作用；所述分隔段上设置有螺孔。

所述缓冲装置为弹性结构件：包括上端设置有螺纹的拉紧螺杆7、套装在拉紧螺杆7上的缓冲弹簧8和安装在拉紧螺杆7末端的缓冲杯6，具体地，

拉紧螺杆7的上端通过螺纹与固定在中心筒1的分隔段的螺孔内并焊接固定；拉紧螺杆7与中心筒1同轴，但是其直径不同，使得中心筒1与拉紧螺杆7之间存在空隙，从而可以在拉紧螺杆7上套装缓冲弹簧8，缓冲弹簧8的两端分别限制在分隔段和缓冲杯6上且可以在拉紧螺杆7上沿其轴线移动。缓冲杯6的横截面呈圆环状，缓冲杯6的直径小于中心筒1的直径，使得缓冲杯6在拉紧螺杆7上可以有一定的位移，十字形控制棒组件冲击到燃料组件上时，缓冲杯6下端被燃料组件撞击，向上进入中心筒1内，压缩缓冲弹簧8，缓冲弹簧8对中心筒1产生向上的压力，从而起缓冲作用。

缓冲弹簧8可以是单弹簧、双弹簧、螺旋弹簧、碟形弹簧或其他弹簧，可以根据所承受的冲击力而定。

图8和图9为燃料组件中与本实用新型十字形控制棒组件相配的一种十字形通道结构形式，但本实用新型的十字形控制棒组件并不局限使用于该种结构，该种结构仅仅为了说明十字形控制棒组件插入燃料组件后如何进行水力缓冲和机械缓冲。在图8中，燃料组件设置有十字形通道，十字形通道中间设置有十字形支撑块16，导向管15紧密排列在十字形通道内未被十字形支撑块16占用的间隙内，十字形支撑块16用于支撑导向管15与燃料组件，加强燃料组件的结构强度，导向管15内充满冷却水。

图9中，导向管15由非缓冲段17，过渡段18与缓冲段19构成，十字形控制棒组件下落后插入到十字形通道中的导向管15，导向管15中的水对控制棒3产生较大缓冲作用，尤其是缓冲段19的水对控制棒3的中部吸收体10进行缓冲，控制棒3与导向管缓冲段19的水力缓冲作用吸收控制棒3的大部分落棒动能；落棒结束时，十字形控制棒组件的缓冲杯6就冲击到燃料组件上，实施机械缓冲，从而减少控制棒落棒冲击力。另外，由于导向管15的挤水作用，控制棒组件提棒状态的组件功率分布得到明显改善，组件功率峰因子降低。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.十字形控制棒组件，其特征在于，包括连接柄组件和多个控制棒（3）；所述连接柄组件包括中心筒（1）和4个翼板（2）；4个翼板（2）垂直于中心筒（1）的径向平面，连接在中心筒（1）下端外壁，且相邻两个翼板（2）相互垂直；每个翼板（2）下方安装有一排竖直布置的控制棒（3），控制棒（3）的上端固定在翼板（2）上；所有控制棒（3）呈十字形排列在翼板（2）下方；所述中心筒（1）内还安装有缓冲装置。

2.根据权利要求1所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述控制棒（3）下端为圆弧结构。

3.根据权利要求2所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述控制棒（3）包括上端连接段（9）、中部吸收体（10）和呈圆锥形的下端圆弧段（11）。

4.根据权利要求3所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述上端连接段（9）包括连接段本体（91）、缩径段（12）、圆柱段（13）、螺纹段（14），螺纹段（14）、圆柱段（13）、缩径段（12）、连接段本体(91)自上而下依次设置。

5.根据权利要求3所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述控制棒（3）为中空管或实心棒，所述中部吸收体（10）采用银-铟-镉合金或碳化硼或铪制成。

6.根据权利要求1至5任一所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述翼板（2）上沿水平方向设置有一排安装孔，所述控制棒（3）穿过该安装孔，控制棒（3）上端还通过连接螺母（5）固定在翼板（2）上。

7.根据权利要求6所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述连接螺母（5）还点焊在翼板（2）上。

8.根据权利要求1至5任一所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述翼板（2）与中心筒（1）之间还设置有加强筋（4）。

9.根据权利要求1至5任一所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述中心筒（1）为厚壁管结构，其内腔中设置有分隔段，分隔段上方的内腔设置成环形齿槽，分隔段下方的安装缓冲装置。

10.根据权利要求9所述的十字形控制棒组件，其特征在于，所述缓冲装置包括上端设置有螺纹的拉紧螺杆（7）、套装在拉紧螺杆（7）上的缓冲弹簧（8）和安装在拉紧螺杆（7）末端的缓冲杯（6），所述分隔段上设置有螺孔，所述拉紧螺杆（7）上端固定在该螺孔内。