CN86104957A - 考虑到零反应性再分布因素而应用轴向不均匀吸收材料的全长控制棒 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种中子吸收控制棒，该棒装有由不同中子吸收能力的两种不同中子吸收材料(50、52)构成的不均匀中子吸收体。低吸收能力的材料(52)是银-铟-镉，它从邻接棒的前端向后端装填，成为中子吸收体全长的主要部分(3/4)。高吸收能力的材料(50)是碳化硼，它从邻接低吸收能力的材料处装填到棒的后端。成为中子吸收体的小部分(1/4)。中子吸收体的不均匀性使在寿命末期期间和在零功率堆芯条件下的轴向通量不平衡减到最小。

Description

本发明一般涉及核反应堆，特别涉及一种供停堆反应堆中是核燃料组件用的改进的控制棒。

在典型的核反应堆中，反应堆堆芯包括许多由顶部和底部管咀组成的燃料组件、许多细长的横向彼此隔开的在管咀之间延伸的控制棒导向套管、许多沿导向套管轴向彼此隔开的横向格架，和许多细长的燃料元件或燃料棒，这些燃料元件或燃料棒在横向既彼此隔开，又同导向套管隔开，并由格架支承在顶部和底部管嘴之间。每一燃料棒包括裂变材料，燃料棒被组合在一起，构成排列有序的阵列，使其在堆芯中达到足够的中子通量以维持高速度的核裂变，从而以热量的形式释放出大量的能量。为了从堆芯提取所产生的热量生产有用的功，液体冷却剂向上泵入、穿过堆芯。

因为在反应堆堆芯中产生热量的速度正比于核裂变的速度，而核裂变速度又由堆芯中的中子通量决定，所以改变中子通量，便可以控制在反应堆起动时、运行期间和停堆时热量的产生。改变中子通量的一种普通方法是利用含有中子吸收材料的控制棒吸收过量的中子，导向套管被用作为将中子吸收控制棒插入到反应堆堆芯内的通道。中子通量的水平，也即堆芯的热能输出量通常采用将控制棒移入和移出导向套管的方法来进行调整。在美国专利NO3，088，898、NO3，230，147、NO3，255，086、NO3，485，717、NO3，519，535、NO3，734，825、NO4，123，328，NO4，126，759和NO4，172，762中公开的控制棒和系统是代表性的先有技术。

在本申请人的美国专利NO4，326，919中叙述了一种采用控制棒与燃料组件结合的普通配置方法，该专利展示了一种控制棒阵列，控制棒上端部由一辐射形组件支承，而辐射形组件又连接到将燃料组件的空心导向套管中的控制棒垂直降下和提升（称作为步进动作）的控制棒驱动机构。用在这种配置中的每一根控制棒典型地由一根细长的装有中子吸收材料而且其相反的两端部由端塞密封的金属包套管组成。一般说来，中子吸收材料是一种具有高中子吸收截面的材料，例如碳化硼、钽、银-铟-镉的复合体，或在这种技术中已知的许多其它中子吸收材料中的一种。材料普通呈叠柱的形式，叠柱由紧密装填的陶瓷或金属芯块叠置而成，芯块仅部分地充满管子，在芯块的端部和上端塞之间留有一空的空间，或留有一轴向间隙，此间隙形成一充气腔用以储存在运行时产生的气体。一个螺旋弹簧被放在充气腔中，并在上部端塞和顶端芯块之间保持部分压缩的状态，使得在控制棒步进期间，芯块牢固地保持叠置状态。

在反应堆的寿命末期（EOL）和热零功率（HZP）堆芯条件下，通常对堆芯顶端发生一种有害的功率（通量）分布漂移。例如，对于典型的压水反应堆，轴向通量不平衡（AFI）处于50一60%的数量级。由于这样一种极端的轴向通量不平衡，因此存在了相当大的反应性再分布，核设计者在事故分析中必须根据可以利用的铀棒价值利用反应性亏损说明这种反应性再分布。这种亏损通常称作反应性再分布因数（RRF），在寿命末期，它约为0.85%△P，在停堆裕度计算中，它被考虑进去。

迄今所用的控制棒设计不能充分地改变这种在反应堆停堆时堆芯轴向功率分布的不平衡，因此本发明的目的是抑止这种情况，以便在反应堆停堆期间减小反应性再分布因数。

大体上说，由于提供了一种采用轴向不均匀的吸收材料的控制棒，达到了本发明的主要目的。不像普通的控制棒，按照本发明所述的控制棒在其上部约为棒的25%长的区域的吸收材料比棒上其余区域的吸收材料吸收性强。根据这种设计概念，高价值控制棒吸收材料将把热零功率通量模式和寿命末期通量模式推进到更典型的在反应堆堆芯的中间部分被适当补偿的热全功率模式。按照这种方式，对功率再分布因数亏损的需要消除了。本设计被用于包括停堆机组堆芯中的所有控制棒。如上面所述，用通常的均匀控制棒，在热零功率和寿命末期的轴向通量不平衡大约为60%，而按照本发明，将高价值的吸收材料放在占控制棒25%的上部时，在同样条件下轴向能量不平衡变到仅4%。

因此本发明属于一种包括细长管状件的中子吸收控制棒，相对于控制棒插入到燃料组件的方向，细长管状件有一前端和后端，并且在上述的前端和后端之间构成气密封闭的管腔，中子吸收控制棒的特征在于，上述管腔包括第一中子吸收材料和第二中子吸收材料，第一中子吸收材料偏置于管状件的后端，而第二中子吸收材料偏置后管状件的前端，上述第一中子吸收材料的中子吸收能力比上述第二中子吸收材料的吸收能力高，第二中子吸收材料的量比上述第一中子吸收材料的量大。

更具体讲，第一中子吸收材料最好是碳化硼，它比第二中子吸收材料具有更高的中子吸收能力，第二中子吸收材料最好是银-铟-镉。另外，第二中子吸收材料在量上比第一中子吸收材料大。具体讲，第一和第二中子吸收材料的量可由棒上相应的长度表示，第二吸收材料大约三倍于第一吸收材料。

下面参照附图，仅作为例子叙述本发明的最佳实施例，附图中：

图1是以垂直透视缩短的形式例示的燃料组件的正视图，图中，部分地分成段，并且为清楚起见，有些部件被截开;

图2是体现本发明的控制棒的放大而垂直透视缩短的截面图。

在以下的叙述中，对于全部附图，相同的参考号表示相同的或对应的部件，像“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”和类似的词被用作为方便用语，不能看作为限制性术语。

参照附图，特别参照图1，其中例示的而且一般用序数10表示的燃料组件基本上包括用于将组件支承在在反应堆（未示出）堆芯区域中的下部堆芯板（未示出）上的下端结构件或底部管嘴12、从底部管嘴12向上延伸的导向管或导向套管14、沿导向套管14轴向彼此隔开的横向格架16、由格架16支承并沿横向彼此隔开的排列有序的细长燃料棒18的阵列、仪表监测管20和连接到导向套管14上端部的上端结构件或顶部管嘴22。部件这样排列后，燃料组件10便形成一种在处理时不会损伤组件部件的整体的单元。

每一根燃料棒18包含由裂变材料构成的核燃料芯块24，并且有用端塞26、28气密封闭的相对端部，通常将充气腔的弹簧30放置在上端塞26和芯块24之间以保持芯块被牢固地叠置在燃料棒18中。在运行时，将水或含硼水这样的液体慢化剂-冷却剂向上泵入，使其通过堆芯的燃料组件，从而将热能从中提取出来生产有用的功。

裂变过程用控制棒32控制，控制棒在燃料组件10中可相对于固定在预定位置的导向套管14进行往复运动。顶部管嘴22包括顶部棒束控制机构34，棒束控制机构具有内螺纹圆柱件36和许多辐射形伸出的连接到控制棒32的锚钩或支臂38，可以操纵控制机构34使控制棒32在导向套管内垂直移动。

现在参考图2，图中示出了实施本发明的并适合于被应用在反应堆要停堆之前的寿命末期期间的控制棒。

实施本发明的控制棒总的用40表示，它包括一根细长的空心的管状件42，管状件在它的相对端部44、46之间形成气密封闭的管腔48。相对于控制棒40进入燃料组件10的运动，管状件42的下端部46是它的前端，而其上的上端部44是它的后端。控制棒40还包含第一中子吸收材料50和第二中子吸收材料52，第一中子吸收材料最好以碳化硼芯块的形式被装在管腔48中并偏置在管状件42的上端部44，而第二中子吸收材料最好以银-铟-镉芯块的形式装在管腔48中并偏置在管状件42的下端部46。

第一中子吸收材料50（碳化硼）的中子吸收能力比第二中子吸收材料52（银-铟-镉）的中子吸收能力高，具体说，大约高25%。另外，第二中子吸收材料52的量比第一中子吸收材料50的量大。特别是，第一和第二中子吸收材料50、52的量由管状件上相应的长度表示。第二种材料52的长度大约为第一种材料50长度的三倍，或者换言之，第一种吸收材料50在管状件管腔48中大约占据所有吸收材料全长上部的25%，而第二种吸收材料52则大约占据下部剩下的75%。因此第二种中子吸收材料52的长度大约为第一种中子吸收材料50长度的三倍。

像普通的控制棒一样，控制棒40的管状件42由细长的薄壁的金属色套或管54构成，用端塞56、58封闭管状件42的相对的两端44、46。上端塞56整体地形成向上伸出的柄部分，柄部分有一外螺纹端部60，用以使控制棒同控制机构34相连接。下端塞58为圆锥形。

吸收材料50、52的芯块被滑入放置到管腔48中，使其一块叠置在另一块上，靠着下端塞58。充气腔弹簧62被插放在芯块的叠柱和上端塞56之间，使它们保持轴向彼此隔开的状态，这样在管状件42中便保持了空间，该空间用于储存芯块50在控制反应中吸收中子时产生的气体。

因为碳化硼吸收材料仅占吸收材料上部的25%，所以碳化硼的膨胀基本上没有影响，因为在反应堆处于低功率或停堆之前，碳化硼决不会进入堆芯。另外，因为（a）控制棒不允许插入很深;（b）对于特定的反应堆，还是同一吸收材料，在此情况下即是银-铟-镉，并没有变得与从前使用的不同，所以在高功率水平时不会对棒状峰值因素产生影响。

Claims (6)

1、在反应堆的核燃料组件中，或对于反应堆的核燃料组件，一种中子吸收控制棒包括一根细长的管状件，相对于控制棒插入到燃料组件的方向，管状件有一前端和后端，并且在上述的前端和后端之间形成气密封闭的管腔，这种中子吸收棒的特征在于，上述管腔(48)包括偏置在管状件(42)后端(44)的第一种中子吸收材料(50)和偏置在管状件(42)前端(46)的第二种中子吸收材料，上述第一种中子吸收材料(50)的中子吸收能力比上述第二种中子吸收材料(52)的中子吸收能力高，第二种中子吸收材料(52)的量比上述第一种中子吸收材料(50)的量大。

2、按照权利要求1所述的控制棒，其特征在于，上述第一种中子吸收材料（50）的中子吸收能力约比上述第二种中子吸收材料（52）的中子吸收能力高25%。

3、按照权利要求1或2所述的控制棒，其特征在于，上述第二种中子吸收材料（52）的量基本上相当于三倍上述第一种中子吸收材料（50）的量。

4、按照权利要求3所述的控制棒，其特征在于，上述第二种中子吸收材料（52）的长度约为上述第一种中子吸收材料（50）的三倍。

5、按照上述任何一项权利要求所述的控制棒，其特征在于，上述第一种中子吸收材料（50）是碳化硼。

6、按照上述任何一项权利要求所述的控制棒，其特征在于，上述第二种中子吸收材料（52）是银-铟-镉。

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