CN87101877A - 控制棒 - Google Patents

Abstract

带有若干叶片的控制棒，每个叶片都包括一个中子吸收区，其中设有由吸收核链型中子吸收剂制成并从下插入反应堆芯的中子吸收器。该中子吸收区沿轴向上被分为上、下两区；上、下区的边界位于沿轴向距中子吸收区下端为中子吸收区全长的3/8到5/8的范围内。在下区中垂直于轴的截面中的吸收核链型中子吸收剂含量小于在上区中垂直于轴的截面中的吸收核链型中子吸收剂含量。

Description

本发明涉及一种控制棒，更确切地说是涉及一种适用于沸水反应堆的控制棒。

用于沸水反应堆的控制棒截面呈十字形，有四个叶片。每个叶片由布置在-U形屏蔽弯头内大量的中子吸收棒构成。屏蔽套固定在沿控制棒轴向安置的连杆上。中子吸收棒在由连杆，屏蔽套，固定在连杆上部的上支承构件，和固定在连杆上部端区的速度限制器的上表面所确定的空间内列成一行，但并不固定。

由在一复合管中填充B₄C粉末制成的控制棒的中子吸收棒存在机械和核寿命短的问题。

用日本专利公开第74697/1978号和美国专利第4，285，769号（见图9D）中所公布的控制棒，可在一定程度上解决上述问题。按已有的参考工艺，具有长核寿命和长机械寿命的长寿命型中子吸收棒置于控制棒的上端区和叶片端区，那里是控制棒中中子辐照特别大的地方。换言之，在这种控制棒中，长寿命型中子吸收剂如铪（Hf）或铕（Eu）位于上端区和叶片端区，填充有碳化硼（B₄C）并装在一细长不锈钢复合管内的抑制剂管位于其它部位。然而，因为它只在部分区域使用了长寿命型中子吸收剂，这种控制棒还是免不了其工作寿命比完全由长寿命型中子吸收剂制成的控制棒的工作寿命短的缺点：

为解决上述问题，曾尝试用长寿命型吸收剂，如铪（Hf）代替控制棒的中子吸收剂。图4是日本专利发行刊物第192，992/1984号给出的这种控制棒中的一例。其中，控制棒内所有吸收剂都由铪制成。实心铪放置在控制棒的上部，而海棉状铪则放置在下部。实心铪的区域位于中子吸收剂全长由下往上3/4处之上。

另一方面，根据日本专利发行刊物第171，293/1982号，中子吸收剂的上端面和上支承构件之间，以及中子吸收剂的下端面和速度限制器上表面之间水平方向各插有一冲击吸收器，或者说，一具有厚度成薄部分的不锈钢管。放置不锈钢管的目的是在控制棒正常工作或快速停堆时减缓中子吸收剂对上支承构件和速度限制器的冲击。

本发明的一个目的是提供一种在反应堆停止时能获得足够停堆余量的控制棒。

本发明的另一目的是提供一种控制棒，它既能避免构成叶片的屏蔽套的变形，又不显著地减少中子吸收剂数量。

本发明还有一个目的是提供一种控制棒，在反应堆快速停堆时，它能通过一简单结构，在控制棒达到其寿命之前较长一段时间内避免中子吸收棒对控制棒插入侧面上的结构构件的冲击。

本发明的第一个特点在本发明的控制棒带有一中子吸收区域，其中装有多个从下面插入堆芯并包括吸收核链型中子吸收剂的中子吸收器。该中子吸收区沿轴向分成上下两部分，上区和下区的分界线位于沿轴向距中子吸收区下端为该中子吸收区全长的3/8到5/8的范围内。而且，下区内垂直于轴向的截面内所含吸收核链型中子吸收剂的量比垂直于轴向的截面内所含的该吸收剂的量要小。

本发明的第二个特点在于在上述第一个特点上又加有护套变形防护装置，这些装置被设置于设在中子吸收器的凹槽或通孔内，此外，在屏蔽套相向侧壁之间也装有这些装置。

本发明的第三个特点在于在上述第一个特点上又加有若干约束-支承装置，它们被用于约束中子吸收棒沿轴向的运动，并支撑这些吸收棒，使之处于在各叶片内处于悬垂状态。

通过下面的描述连同附图，本发明的上述及其它特点将会变得更加清楚。

图1是反应堆停止工作期间轴向中子强度分布图。

图2是有效增值系数随控制棒的上，下区的边界所处位置而变化的图。

图3是本发明的一个最佳实施方案的控制棒的示意图。

图4是图3中所示一个叶片的结构图。

图5是沿图3和图4中Ⅴ-Ⅴ线取的截面图。

图6是沿图3和图4中Ⅵ-Ⅵ线取的截面图。

图7和图8分别是图4中中子吸收器3A和3B的透视图。

图9是图4中的上支承部分的透视图。

图10是沿图4中Ⅹ-Ⅹ线取的截面图。

图11是图5中Ⅺ部分的放大图。

图12是沿图3和图4中Ⅻ-Ⅻ线取的截面图。

图13是一个说明图，用来解释在反应堆快速停堆时，中子吸收器的直径减小段发生的弯曲。

图14，15，16，19，和20是涉及本发明的其它最佳实施方案的控制棒的示意结构图。

图17是中子吸收器的另一实施方案的透视图。

图18是轴向中子照射分布的特性图。

图21，22和23是避免屏蔽套的外部变形的构件的横截面图。

图24是沿图23中ⅩⅩⅠU-ⅩⅩⅣ线取的截面图。

图25是涉及本发明另一实施方案的控制棒的叶片的结构图。

图26是沿图25中Y-Y线取的截面图。

图27是沿图26中W-W线取的截面图。

图28是图27所示结构的另一例子的结构图。

仔细研究图4所示，由日本专利公开第192，992/1984号给出的采用一控制棒的沸水反应堆的特性的结果，本发明的发明者发现一个问题;由于使用控制棒，反应堆停堆余量变小。本发明就是要解决这个问题。

沸水反应堆停堆时，中子强度沿堆芯轴向的分布在附图1中给出。由图1可见，停堆时中子强度分布在堆芯上部有一峰值。

图2表示当日本专利公开第192，992/1984号所公开的具有铪含量较多的上区和铪含量较低的下区的控制棒，或者更确切地说，装有如下面图4所示上区中直径增大段和下区中直径减小段的断控棒被完全插入堆芯，反应堆停止时，有效增值系数随控制棒上下区的边界的变化而变化。图2所示特性由反应堆决定，它导致图1所示停堆时的中子强度分布，当有效增值系数为1时，反应堆达到临界点。

图2中的横坐标代表上，下区的边界的位置，即从中子吸收器填充区下端算起的边界的位置，在上区，垂直于中子吸收剂填完区的横截面上，中子吸收剂的量大;在下区，该横截面上中子吸收剂的量少。图2中，O值代表中子吸收剂填充区的下端，8/8值代表上端顶点。图2中的纵坐标代表有效增值系数Keff。有效增值系数最好保持在0.99以下，使得即使有一根控制设有按上述方式插入，反应堆也不会因扰动或类似原因而达到临界点。如果上下区间的边界位于沿其轴向从其下端算起的中子吸收剂填充区全长的5/8以上，则虽然图1所示中子强度的峰值仍位于上区，上区铪含量仍将减小，因而有效增值系数急剧增加。这意味着停堆余量急剧减小，停堆时反应堆的安全程度降低。

如果上下区间的边界位于沿其轴向从其下端算起的中子吸收剂填充区全长的3/8之下，则就图1所示中子强度分布来说，有效增值系数与上下区边界位于轴向3/8处时的相等，而且保持不变。这意味着即使上下区边界处于很低的位置，停堆余量也不增加，而只是控制棒的重量增加。控制棒重量的增加使其驱动装置难以平稳地操作。这是一个关键的问题，特别是由于吸收核链型吸收剂，如铪远比B₄C重。所以无论如何要减轻控制棒的重量。

在采用由吸收核链型中子吸收剂（如铪）组成的中子吸收器的控制棒中，上、下区边界必须位于沿轴向以下端算起的中子吸收剂填充区全长的3/8到5/8的范围内（图2表示出这一范围Ra）。如果该上下区边界在这一范围内，则采用由吸收核链型中子吸收剂组成的吸收器的控制棒的重量就能为控制棒驱动装置带动。

这里的术语“吸收核链型中子吸收剂”，是指这样一类中子吸收剂，其中进一步吸收中子的核素为中子吸收反应形成的核素或蜕变核素，并且这类吸收剂的中子吸收作用的衰减速度较低。明确属于这一类吸收剂的有Hf，Eu₂O₃，Ta₂O₃和Ag-In-Cd合金。

现在将参考图3和4描述一种应用于沸水反应堆的本发明的控制棒的实施方案。

本发明的控制棒外现如图3所示。换言之，控制棒1截面呈十字形，有四个叶片2，各叶片都自轴线径向径外延伸。速度限制器17装于叶片2之下，把手18固定在叶片2上端。控制棒以可拆卸方式与反应堆内压力容器内的控制棒驱动装置相互连结起来，这一些在图中设有标出。控制棒驱动装置与速度限制器的下端连结。下面将参考图4，5，6描述控制棒叶片2的形状。单个叶片2包括一个U-形护套12（由SUS制成）和一个中子吸收器3，U-形护套12的两端固定在由SUS制成并装在控制棒1的轴上的连杆11上，中子吸收器3位于屏蔽套12之内。上支承构件6焊接到连杆11的上端区，而下支承构件7焊接到连杆11的下端区上。U形屏蔽套12的上端区环绕上支承构件6并点焊在其上。U形屏蔽套12的下端区环绕下支承构件7并点焊于其上。屏蔽套12上穿了很多孔，以便当控制棒1放入反应堆时，反应堆内的冷却水能通过这些孔流到屏蔽套中。用冷却水冷却控制棒的方法将在以后提及。

把手18装在连杆11的上端并固定在上支承构件6上。速度限制器17装在连杆的下端。下支承构件7固定在速度限制器17上。然而，可以将把手18的下端区用作上支承构件6，而不用专门装一个上支持构件。同样，也可以将速度限制器17的上端区用作支承构件7而不另加一下支承构件7。

如图5和图6所示，中子吸收棒3装在屏蔽套12内，并且位于由SUS制成，固定在连杆11上的上、下支承构件6和7之间。园铪金属棒被用作中子吸收棒3。如图4所示中子吸收棒3有一个大直径段4和一个小直径段5。它们都由园铪棒组成。中子吸收棒3在轴向的全长为360厘米，大直径段4和小直径段5的轴向长度都是180厘米。大直径段4的直径为4.8毫米，小直径5的直径为3.4毫米。大直径段4装在叶片2的上面，小直径5装在叶片2的下面。中子吸收棒3的制备按如下方法，把小直径段5的上端和大直径段4的下端对在一起，使它们同轴，然后焊接到一起。这个连接点形成一个园锥段（沿轴向约有2到3毫米），该园锥段很短，在图上无法表示出来，其直径从大直径段4到小直径段5连续变化。园锥段是小直径段5的一部分。

一个叶片2内装有21根中子吸收棒3。大直径段4和小直径段5沿轴向各占中子吸收棒（或叶片2内的中子吸收剂填充区）长度的1/2。所以，当把从中子吸收剂填充区下端向上延伸至其轴向全长1/2（即中子吸收剂填充区沿轴向的全长的一半）处的下区与在装有中子吸收3的本实施方案的叶片2的中子吸收器填充区之内，下区之上的上区（其长度与下区的相同）相比时，垂直于轴的截面的吸收核链型中子吸收剂的量，即铪的量，在轴向上区的主要区段的下部要小。

更详细地说，如图7和图8所示，本实施方案有两种中子吸收棒。图7所示的中子吸收棒3A在大直径段4的上端区有一个垂直于轴的槽4A。该槽4A的位于从大直径段4的上端区（或中子吸收棒3A的上端）朝向小直径段，间隔很小。所以，大直径段4在槽4A的上方有一个凸块4C。凸块4C被切去一截，从而槽4C在凸块4C一侧的壁高（或从衣4B算起的高度）低于槽4A的另一侧壁的高度（从底4B算起的高度）。中子吸收棒3A中小直径段5的横截面积比大直径段4中其轴向上的大部分区段的横截面积要小，除3其槽4A段。

另一方面，图8中的中子吸收棒3B除具有中子吸收棒3A的结构外，还包括一个槽4D，槽4b位于大直径区4中，绕园周一圈。在棒的轴向共有六个槽4D，每个槽4D在中子吸收棒3的轴向的长度为2厘米。中子吸收棒3的大直径区4中除槽4A外轴向的主要区段的横截面积，以及中子吸收棒3B的大直径区中除了槽4A和六个槽4D处轴向的主要区段的横截面积都大于小直径段的横截面积。中子吸收棒3A和3B中，大直径段4和小直径段5在轴向的线度是相同的。在叶片2的宽度中心装有两根中子吸收棒3B。

下面将描述用以把每一中子吸收棒3安装到支承构件6上的结构。如图9所示，上支承构件6制有槽6A和凸块6B。开在支承构件6的一个侧面的槽6A位于其下端并沿其纵向延伸。槽6A的形成确定了上支承构件6的下端的连续凸块6B。

中子吸收棒3A和3B由上述上支承构件6支承。下面将就这种情况作更详细的描述。中子吸收棒3A和3B的凸块4C嵌入上支承构件6的槽6A中。上支承构件6的凸块6B反过来又嵌入中子吸收棒3A和3B的槽4B中。这样，因为中子吸收棒3A和3B的凸块由上支承构件6的凸块6B支承，所以中子吸收棒3A和3B由上支承构件6支承，并悬挂在屏蔽套12内，如图10所示。

每个具有H形截面的金属条或装配部件9的中心位于屏蔽套12内相邻的中子吸收棒3B之间（见图12）。在叶片2的轴向有12个这样的金属条9。换句话说，有6个金属条9安装在大直径段4所在的叶片2的上区，另6个金属条9装在水直径段5所在的叶片2的下区。位于两个相邻中子吸收棒3B的大直径段之间金属条9的中心区嵌在面对着的大直径段的槽4D内。金属条9的延伸其中心区的两侧壁贴在屏蔽套12的两侧壁上并被焊接固定于其上。

图12显示安装在相邻中子吸收棒3B的小直径段之间的空隙16处的金属条9的装配情况。金属条9的两侧壁被点焊在护套12之上，装在上，下区的金属条9并不与中子吸收棒3相连接。由于轨条9与屏蔽套一样是由SUS制成的，所以它可以和屏蔽套焊接在一起。然而铪与SUS不能焊接在一起。

本实施方案的控制棒中，中子吸收剂还在垂直于叶片2外表面的方向上的厚度在叶片2的轴向上是不同的。换句话说，在中子吸收棒3的大直径段所在的叶片2的上区，吸收核链型中子吸收剂（铪）在垂直于叶片2的侧壁方向上的厚度大，而在中子吸收棒3的小直径段所在的叶片2的下区，这个厚度小。

在护套12的安装有向内突的凸块8。这些凸块8由屏蔽套12结构材料的向内伸出部分构成。如图3和图4所示，每个凸块8都位于吸收核链中子吸收剂在垂直叶片侧面方向上的厚度小的地方，即在控制棒1的装有中子吸收棒3的小直径段的下区，中子吸收棒3的小直径段5被两个相对着安装在屏蔽套12的侧壁上的凸块8卡紧。这样的凸块8对布置在叶片2下区的若干位置上。

将本发明的控制棒1以上把手18些端插入沸水反应堆。中子吸收器区的上支承构件6那端相应于控制棒的填充端。

如前面所述，控制棒1的上，下区边界位于从下面算起中子吸收器填充区全长的1/2。所以，根据图1所示中子强度分布，可在反应堆停止操作期间用插在反应堆内的控制棒得到有效的中子吸收能力。换言之，象图2中可清楚地看到的那样，即使反应堆停堆时具有最大值的控制棒1没有插入堆芯，沸水反应堆的有效增值系数也将变为0.986。采用这种控制棒1能提供较大的停堆余量，并改善反应堆的安全性。

在本实施方案的控制棒1中，每个大直径段4和小直径段5组成的中子吸收棒3被安装在叶片2内，控制棒1的重量基本上等于普通的由填有B₄C的中子吸收棒组成的控制棒的重量。所以本实施方案的控制棒1可以方便地由普通的控制棒驱动装置操纵。或者换句话说控制棒1可获得良好的可操作性。控制棒1叶片2的宽度与普通控制棒叶片的宽度相同。因此，没有必要作任何改装和更换安装在反应堆压力箱内的堆芯下部的控制棒导向管，或更换装在堆芯支承构件上的燃料支承轨条。

所述中子吸收棒3用铪作为中子吸收剂。铪（Hf）是一种吸收核链型中子吸收剂，它吸收中子时不放出气体。这样控制棒1的中子吸收棒3的机械寿命可以延长。因为中子吸收棒3使用吸收核链型中子吸收剂铪，所以中子吸收棒3吸收中子的同时产生一种新的中子吸收剂，这样核寿命也可延长。这里，中子吸收棒3中的大直径段4的直径与用于沸水反应堆的普通控制棒中填有B₄C的中子吸收棒的直径相等。中子吸收棒3的轴向长度基本上等于燃料组件的有效燃料长度（366cm），这一点与普通控制棒中的情形一样。术语燃料组件的“有效燃料长度”是指的是燃料丸填充区的轴向长度。

根据上述构造，控制棒的重量基本上等于常规控制棒的重量。控制棒反应控制能力也基本上等于常规控制棒的反应控制能力。而且，上，下区寿命各常规控制棒寿命的四倍和三倍。

由于在上述实施方案中，中子吸收棒3与固定在连结杆11上的上支承构件6相啮合，所以即使在快速停堆时控制棒快速插入堆芯，也可以完全避免中子棒的插入端区（图4所示的上端区）与上支承构件相撞。换句话说，在大直径段4的上端区构成的槽4A与上支承构件6的凸块6B啮合，槽4A的上、下侧面分别与凸块6B的上、下面贴紧。这种安排可完全避免在快速停堆完成前一瞬间的猛烈减速所引起的中子吸收棒3的向上运动，并可以避免中子吸收棒3的插入端与上支承构件6的碰撞。从结构上说，中子吸收棒3与上述上支承构件6之间的啮合结构很简单。在控制棒的寿命周期内一直保持槽4A与凸块6B的啮合，所以在控制棒1达到其寿命之前的很长时间内不会发生中子吸收棒3与上支承构件6的碰撞。

本实施方案通过提供一根不锈钢管作为冲击吸收器解决了上述日本专利公开第171293/1982号中存在的填有B₄C的中子吸收棒与不锈钢管间存在缝隙这一问题，该专利只是缩小了这个缝隙。要把4中长的叶片内的中子吸收棒的长度做得完全相等是困难的，因此叶片内所有中子吸收棒与不锈钢管之间的缝隙有平均2～3毫米的变化，其最大值为5～6毫米，而不可能完全达到零。在快速停堆时一秒钟之内把控制棒迅速插入堆芯后快速停止时，巨大的加速度作用在每根中子吸收棒上。由于完成插入控制棒时的快速停止前的急剧减速，在确定中子吸收棒与不锈钢管的间隙的中子吸收棒的上端区剧烈撞击不锈钢管。结果，经过一次快速停堆，不锈钢管就会被撞坏（尤其当中子吸收棒与不锈钢管间的间隙较大时），在下一次快速停堆时，不锈钢管将有可能起不到应有的缓冲作用，控制棒中插入端的结构构件有可能受到中子吸收棒的冲击。特别是当中子吸收棒由铪制成时，不锈钢管更容易象前面叙述那样因快速停堆而破裂。然而，本实施方案的控制棒1没有这个问题。

中子吸收棒3与上支承构件6的间的啮合能解决这个问题，这种方法尤其适用于配备有上区包括大直径段4，下区包括小直径段5的中子吸收棒3的控制棒。当包括大，小直径段4，5的中子吸收棒3放入叶片2时，相邻中子吸收棒的大直径段4相互接触（见图4）。然而从图4可见相邻中子吸收棒3的小直径区5之间存在空隙16。因此，除非各中子吸收棒3的小直径段5的下端与下支承构件7啮合，在快速停堆控制棒急剧减速时，中子吸收棒3将向上运动，并撞击上支承构件6，因而中子吸收棒3的小直径段5在撞击时因惯性的力而弯曲，如图13所示，小直径段5的下端上升一段距离H。这意味着当中子吸收棒3与上支承构件6相撞时，中子吸收剂填充区暂时缩短一段距离H，从而当快速停堆时在堆芯下部的中子吸收能力有所下降。

根据本实施方案，中子吸收棒3与上支承构件6相互啮合，前者如图10所示那样悬挂，大直径段4的载荷不作用于小直径段5。所以在快速停堆时控制棒的插入操作期间，图13所示小直径段弯曲现象不容易发生，中子吸收器填充区也不易缩短。因而根据本发明，在快速停堆时，堆芯区下部的中子吸收不受防害。

由相邻小直径段5之间的空隙16而产生的小直径段5在叶片2的宽度方向的偏移可用在每个间隔16中插入一隔片（图上未标出）的方法来防止。而且，小直径段5在垂直于叶片2侧壁的方向上的运动可用屏蔽套口上的凸块8防止，这一点下面就要谈到。

由于在屏蔽套侧壁内表面形成的凸块8卡住了中子吸收棒3的小直径段5，所以有可能控制小直径段5在垂直于屏蔽套12侧壁方向上的运动，即在屏蔽套12内，同叶片2的侧壁的运动。因而中子吸收棒3的小直径段5不可能因地震，冷却水的流动等影响而沿屏蔽套12内的叶片2的厚度方向运动，也不会在控制棒1插入反应堆时妨碍反应控制。提供能制止反应性变化的凸块8能改进屏蔽套12的弯曲硬度，并减小屏蔽套12的厚度。这也导致控制棒1的重量的降低。

在本实施方案的控制棒1中，叶片2中装有轨条9用以连接屏蔽套12的侧壁，从而避免屏蔽套12外部变形。为安装轨条9，只须减小大直径段4一些局部区域的直径作为轨条9的装配区，叶片2内的中子吸收剂因安装轨条9而减少的量很小。若与一插入叶片2，并将屏蔽套12点焊在其上的不锈钢棒（其轴向长度与中子吸收棒3的长度相等）的情况作一比较，这一点将很明显。

下面，将描述使用本实施方案的控制棒的沸水反应堆的堆芯的一个例子。

已有工艺文件-美国专利第4，460，538号（相应于日本专利出版第7397/1982）中的图2所示的堆芯是被作为沸水反应堆的堆芯而高出来的。该专利的堆芯结构如第四栏，第24行到第三栏，第35行所描述。堆芯结构包括一用以调节输出的控制棒，它在反应堆工作期间插入堆芯并调节反应堆输出;一根用以停止反应堆的控制棒，它在反应堆工作期间完全抽出堆芯，在反应堆停止工作时快速全部插入反应堆。在反应堆停止工作时，输出调节控制棒也完全插入反应堆。这些输出调节控制棒和停堆控制棒都一个挨一个交替排列在挡板装置中，如该美国专利的图2所示。

在反应堆工作期间，每根输出调节控制棒都几乎完全插入堆芯，中子连续辐射到该控制棒上。所以前述本实施方案的控制棒1很适宜用作这种输出调节控制棒。因为停堆控制棒在反应堆工作期间完全从堆芯抽出，它的中子吸收量小。所以美国专利第4，285，769号（相当于日本专利出版第44237/1983号）中第15栏，第35行到57行所描述并由图9A表示出的控制棒被用作停堆控制棒。这种控制棒包括往十字形叶片内填充B₄C而形成的大量中子吸收棒，但不包括吸收核链型中子吸收剂。填有B₄C的中子吸收棒的轴向长度基本上等于燃料组件的有效燃料长度。操纵这两种控制棒的控制棒驱动装置是一样的。在沸水反应堆情况下，这种控制器驱动装置装在反应堆储存堆芯的容器的下部，而这些控制棒都是从下插入堆芯的。

下面，将描述本发明的控制棒的另一个实施方案。

本实施方案的控制棒21由在屏蔽套12中交替排列中子吸收棒23和中子吸收棒24而产生。中子吸收棒23的轴的长度与中子吸收棒3的相同，中子吸收棒24的轴向长度是中子吸收棒3的轴长度的一半，屏蔽套12包括呈十字形排列的四个叶片。这些中子吸收棒23和24各自由园铪棒组成。图7所示槽4A和凸块4C位于中子吸收剂23和24各自的上端区。这些中子吸收棒按与前述中子吸收棒3A和3B同样的方式悬挂在上支承构件6（图中未画出）上（参见图10）。中子吸收棒23和24直径相同，除上端区外它们沿轴向的粗细均匀。附带说一句，除去没有凸块8和中子吸收棒的形状不同以外，本实施方案的控制棒21的结构与控制棒1的结构基本相同。下区的轨条9安在相邻中子吸收棒23的空隙中间。在本实施方案中，控制棒21与前述实施方案中的控制棒1一样，也是在从下端算起的中子吸收剂填充区轴向全长的1/2处分成上下两部分。在上区，垂直于轴向截面中的铪量比在下区中同样截面中的铪量要大。

上述控制棒21起到与前述实施方案的控制棒1相同的效果。

在上述实施方案中，由园铪棒组成的中子吸收棒装在叶片内。然而中子吸收棒的横截面可以是方形的。图15和16显示出采用方型截面中子吸收棒的控制棒。这些图表示出了中子吸收棒在控制棒的叶片内的排列。这种控制棒的其它结构与控制棒1的相同。

在图15所示的控制棒26中，许多由方形截面的铪组成的中子吸收棒28被安装在有屏蔽套12的各个叶片27内。每个中子吸收棒都在从其下端算起全长的中心处分成上区29和下区30，截面呈方形的上区29的横截面积比方形截面的下区30的横截面积大。在垂直于叶片27正表面的方向上，与上区29的横截面积相比，下区30的横截面积缩小了。

在图16所示的控制棒31中，许多与中子吸收棒28形状基本相同的中子吸收棒32被安装在包含有叶片33的屏蔽套12中，而中子吸收棒28被旋转了90°。中子吸收棒32也是由铪组成。在垂直于叶片33侧面的方向上，中子吸收棒32在垂直于叶片33的侧面方向上的厚度比中子吸收棒28在叶片22的宽度方向上的厚度大。控制棒26和31可提供与控制棒1同样的作用。然而，控制棒26不需任何方法防止下区30在叶片27宽度方向上的偏移，控制棒31不需在屏蔽套12上加凸块8。

图17显示了由铪制成的板状中子吸收构件33。该中子吸收构件33也在其轴向长度的中心处分成上区34和下区35。按在中子吸收棒3A和3B中同样的方式，在上区34的上端构出一个槽36和一个凸块37。除上端区外，上区34沿轴向的大部分区段的截面积是一致的。下区35的横截面积比上区35沿轴向上的主要区段（除槽36所在区段）的横截面积小。下区35的横截面积在轴向上绝大部分是均匀一致的，只是在其上端与上区34相内连接的区段上有变化。中子吸收构件33代替中子吸收棒3放置在控制棒1的各叶片2内。位于中子吸收构件33上端的槽36和凸块37分别与上支承构件的凸块6B和槽6A相啮合。这种控制棒不仅能起到控制棒1的作用，而且中子吸收构件33的加工非常容易。因为只要把一块铪板下部的两面切去一些便可制得这样的构件。

图18显示了中子吸收器填充区上的中子辐照在控制棒轴向上的分布。图中的上端相应于中子吸收器填充区的上端，图中的下端对应于中子吸收器填充区的下端。图中数值代表以在各处的最大中子照射值为标准的相对值。由图18可知，在从上端到轴向全长的3/4的区域内，中子照射大。图19和20所示为涉及本发明另外一个实施方案的一根控制棒，其中，中子吸收剂的量根据上述事实沿轴向变化。

在图19所示的控制棒40中，许多中子吸收棒42安装在构成各叶片41的屏蔽套12中。这些中子吸收棒42由园铪棒构成。它们的上端区都有一个如图10所示的结构，并与上支承构件6啮合。每根中子吸收棒42在其轴向长度中点被分为大直径段43即上区和小直径段44即下区。下区进一步在其轴向从下算起全长的一半处被分为中间段44A和最下段44B。中子吸收棒42的大直径段43的直径为4.8毫米，中间段44A和最下段44B的直径分别为3.9毫米和2.8毫米。各段直径是在图18所示的中子照射分布的基础上确定的。各段直径沿其轴向均匀一致。控制棒40的其它结构与控制棒1的相应结构一样。本实施方案的控制棒40能起到与控制棒1相同的作用。

图20所示控制棒45是通过把中子吸收棒46安装在构成各叶片47的屏蔽套12内制成的，通过锥削上述实施方案的控制棒40内中子吸收棒42的中间段44，使其直径从大直径段43的直径逐渐变到最低段44B的直径，就可得到中子吸收棒46。这种控制棒的其它结构与控制棒1的相同。

下面，将参考图21描述本发明的另一实施方案。它装在叶片2内，具有用以防止屏蔽套12外部变形（尤其是在上区）的结构。图21是沿图4中Ⅴ-Ⅴ线取的截面图。本实施方案中防止屏蔽套12外部变形的结构采用环状金属14代替图11所示的金属9。每个环状金属嵌入相邻两中子吸收棒3B上形成的槽4D中并环绕之。槽4D的轴向长度大于环状金属14的轴向长度，环状金属14并不与中子吸收棒3B固定在一起。金属14朝着屏蔽套12的两个面被点焊在屏蔽套12上。安装金属14比安装图11中的金属9稍微麻烦些。这种结构能起到与图11所示结构相同的作用。

图22所示为防止屏蔽套12外部变形的构件的另一实施方案。图22表示相应于沿图4中Ⅴ-Ⅴ线取的横截面。各方形铪棒15在叶片2的宽度方向上的中心处的宽度是中心吸收棒3A直径的两倍。沿铪棒15轴向钻有12个贯通孔15A。各贯通都在垂直方向面对叶片2侧壁。每个贯通孔15A中装有一个由SUS制成的外径与贯通孔15A的内径相同的金属条19。金属条19的两端点焊在与之相对的屏蔽套12的侧壁上。本实施方案的结构与图11所示结构的效果一样。

下面，将参考图23和24进一步描述防止在控制棒1的下区屏蔽套外部变形的结构的实施方案，图23显示相应于沿图4Ⅻ-Ⅻ线取的横截面。金属条29为一不锈钢板，其宽度等于屏蔽套12两相对侧壁的间隔。金属条29（或不锈钢板）上有数目与排列在叶片2中的中子吸收棒3的数目相同的孔29A，孔29A的直径与中子吸收棒3的小直径段5的直径相同。沿下区的轴向排列有六个金属条29。各中子吸收棒3的小直径段5装在金属条29的孔29A中。各金属条29的侧面与屏蔽套12的相对侧壁在任意位置被点焊在一起。这模金属条29可以防止屏蔽套12的外部变形，也可防止小直径段5在垂直叶片2侧壁的方向和叶片2的宽度方向上的运动。所以，采用金属条29的控制棒1不需要在屏蔽套12上做出凸块8，也不需要安装任何防止小直径段5在叶片2的宽度方向运动的分立装置。

图21到23中所示构件可应用于图14，15，16，17和20中的控制棒，也可应用于下面将出现在图25中的控制棒。

最后，将参考图25到27解释本发明的又一实施方案中的控制棒。其中，对控制棒1的叶片2内的中子吸收棒3的悬挂结构作了改进。

在本实施方案的控制棒50中，中子吸收棒51安装在屏蔽套12中，换句话说，中子吸收棒51如图25所示被安装在屏蔽套12中，并被夹在由SUS制成并装配在与杆11上的上，下支承构件6和7之间。每个中子吸收棒51不焊接于屏蔽套5及上支承构件6和下支承构件7上，而仅仅安放在由这些构件5，6和7所环绕的空间内。

中子吸收棒51由园铪棒构成，其下段从下端延伸到其全长中点，其上段从全长中点延伸到上端，在上下段之间的横截面积不同。换句话说，中子吸收棒51下段，即小直径段53的直径为3.4毫米，其上段，即大直径段52的直径为4.8毫米。

与前述实施方案中的中子吸收棒3不同，本实施方案的中子吸收棒51的上端设刻有槽4A和4C，而是在大直径段52上刻着槽52A。

中子吸收棒51由点焊于屏蔽套12上的支承构件52在其大直径段52处支承着。因而，中子吸收棒51悬挂在屏蔽套12内，其两端不与支承构件6和7接触。下面将结合图26和27更详细地描述该中子吸收棒的支承结构。

支承构件54包括一对支承段54A和54B。支承段54A和54B上有半园槽55，槽的数目与一个叶片2中的中子吸收棒51的数目相同。支承段54A和54B按如下方式安排在叶片2的上区：沿屏蔽套12内的叶片2的宽度方向垂直于控制棒1的轴的方向），它们的槽55两两相对。支承段54A和54B同屏蔽套12一样由SUS制成，并被点焊在屏蔽套12上。参考数码56代表点焊区。槽52A中子吸收棒51的大直径段52的一个区域上形成，其直径稍小于大直径段52的直径。相对放置的支承段54A和54B的一部分嵌入槽52A。所以各中子吸收棒51由支承段54在大直径段52处支承并悬挂。在中子吸收棒51的上端与上支承构件6之间，以及中子吸收棒51的下端（即控制棒驱动装置连接端）与下支承构件7之间留有间隔17，以容纳中子吸收棒51由于反应堆内的热膨胀而产生的在轴向上的伸长。

本实施方向的控制棒的效果与控制棒1效果相同。

因为支承构件54A和54B被固定在屏蔽套12内，本实施方案能进一步防止屏蔽套12向外扩展。若把支承段54A和54B用螺钉，焊接等方法联接起来，这种防止作用就更可靠。

图28所示为支承构件57的另一个例子。支承构件57包括一个构件，其上有若干个槽57C，槽57C从其中心沿垂直于叶片侧面的方向延伸到支承构件57的一面。槽57C的数目等于中子吸收棒51的数目。支承构件57的一部分嵌入每一个安装在屏蔽套12内的中子吸收棒的槽5A中，支承构件57被在其两侧面点焊到屏蔽套12上。

本实施方案的控制棒能起到与前述实施方案相同的效果。另外，因为支承构件57只包括一个构件，它比前述实施方案的支承构件54容易制造。图27和28所示结构可应用于图14到17，17，19和20中的控制棒。

根据本发明，在叶片轴向上，下区中吸收核链型中子吸收剂用量减小。所以本发明可根据停堆时中子强度分布获得有效的中子吸收能力，因而可以增加停堆余量。另外，因本发明可减小控制棒的重量，所以可得到很好的控制棒可操作性。还有，因为本发明采用吸收核链型中子吸收剂，所以它可以延长控制棒的机械寿命与核寿命。

Claims (23)

1、一种包括中子吸收区和支承装置的控制棒，在中子吸收区中设置有用吸收核链型中子吸收剂制成，并从下方装入反应堆芯的中子吸收器，支承装置用以支承所述中子吸收器，其特征在于：

所述中子吸收区沿轴向被分为上，下两区；

所述上、下两区的边界位于沿轴向距所述中子吸收区下端为所述中子吸收区全长的3/8到5/8的范围内；

在所述下区中垂直于轴向的截面内所含的所述吸收核链型中子吸收剂的量小于在所述上区中垂直于轴向的截面内所含的所述吸收核链型中子吸收剂的量。

2、权利要求1的控制棒，其中所述吸收核链型中子吸收剂在所述上区和所述干区的大部分沿轴向基本均匀一致。

3、权利要求1的控制棒，其中所述中子吸收器为轴向延伸的一块所述吸收核链型中子吸收剂制成的板。

4、由权利要求1所确定的控制棒，其中所述中子吸收器为所述吸收核链型中子吸收剂制成的棒，所述吸收核链型中子吸收剂棒安装在所述中子吸收区中。

5、由权利要求1所确定的控制棒，其中所述吸收核链型中子吸收剂为Hf，Ta，Ag-In-Cd合金，Eu₂O₃或2O₃。

6、一种具有若干叶片，从下方插入反应堆芯的控制棒，以及多个由一种吸收核链型中子吸收剂构成的，并排列在所述叶片中的中子吸收棒，其特点表现为：

所述中子吸收棒在轴向上被分为上、下两区;

所述上、下两区的边界位于从所述中子吸收棒的下端起，所述中子吸收棒全长的3/8到5/8的范围内;

所述中子吸收棒在所述下区比在所述上区细。

7、由权利要求6所确定的控制棒，其中所述中子吸收棒的所述上区与下区的横截面都为园形，所述上区和下区同轴。

8、由权利要求6所确定的控制棒，其中所述中子吸收棒沿轴向的粗细在所述上区和下区的大部分基本上均匀一致。

9、由权利要求6所确定的控制棒，其中吸收核链型中子吸收剂为Hf，Ta，Ag-In-Cd合金，Eu₂O₃或2O₃。

10、一种控制棒，它包括：

一个中子吸收区，其中装有多个由一种吸收核链型中子吸收剂构成的中子吸收器，

多个装有围绕所述中子吸收区并从下方插入反应堆芯的屏蔽套的叶片;

安装在所述中子吸收器上的凹孔或贯通孔中和每个所述屏蔽套的相对侧壁之间，并固定在所述侧壁上的屏蔽套变形保护装置;

所述控制棒特点在于：

所述中子吸收区沿轴向分为上、下两区。

所述上，下两区的边界位于沿轴向从所述中子吸收区下端算起，中子吸收区全长的3/8到5/8范围内;

在所述下区中，垂直于轴的截面内的所述吸收核链型中子吸收剂的含量小于在所述上区中，垂直中轴的截面内的所述吸收核链型中子吸收剂的含量。

11、由权利要求10所确定的控制棒，其中所述吸收核链型中子吸收剂是Hf，Ta，Ag-In-Cd合金，Eu₂O₂或2O₃。

12、一种具有若干叶片的控制棒，叶片从下方插入反应堆芯，并装有若干由吸收核链型中子吸收剂制成的中子吸收棒和围绕所述中子吸收棒的屏蔽套;其特征在于：

各所述中子吸收棒都沿轴向被分为上，下两区。

所述上，下两区的边界位于从所述中子吸收棒的下端起，所述中子吸收棒全长的3/8到5/8范围内;

所述中子吸收棒的所述下区比所述的区细;

它插在所述中子吸收棒的所述上区中的凹槽或贯通孔中和所述屏蔽套两相对侧壁之间并分别固定在所述侧壁上的第一屏蔽套变形保护装置;

第二屏蔽套变形保护装置，它安装在两相邻中子吸收棒的下区间隙处，位于所述屏蔽套的所述相对侧壁之间并分别固定在所述屏蔽套的所述侧壁上。

13、由权利要求12所确定的控制棒，其中所述中子吸收棒轴向上的粗细在所述上区和下区的大部分分别是基本上均匀一致的。

14、由权利要求12所确定的控制棒，其中所述吸收核链型中子吸收剂为Hf，Ta，或Ag-In-Cd合金。

15、由权利要求12所确定的控制棒，其中所述第一屏蔽套变形保护装置为嵌在所述中子吸收棒上区的凹槽中，且其两端面紧贴所述屏蔽套相对两侧壁的金属条，所述金属条由一种能焊接到屏蔽套上的金属材料制成，所述金属条的两端面分别焊在所述屏蔽套的两侧壁上。

16、由权利要求12所确定的控制棒，其中所述屏蔽套变形保护装置为嵌在所述中子吸收棒上区中的凹槽中并环绕所述中子吸收棒的金属条，所述金属条由能焊接到所述屏蔽套上的金属制成并被焊结到所述屏蔽套的所述相对侧壁上。

17、由权利要求12所确定的控制棒，其中所述第一屏蔽套变形保护装置为插在中子吸收棒上的贯通孔中的金属条，所述金属条固定在所述屏蔽套的所述相对侧壁上。

18、由权利要求12所确定的控制棒，其中所述第二屏蔽套变形保护装置为宽度与所述屏蔽套的两所述相对侧壁的间隔宽度相等的金属条，所述金属条有一个贯通孔，用以穿过所述中子吸收棒的小直径段，并且可焊结到所述屏蔽套上。

19、一种具有若干设有一中子吸收区的叶片和约束-支承装置的控制棒。其中多个由吸收核链型中子吸收剂构成的中子吸收器从下面插入反应堆芯，还装备有围绕所述中子吸收区的屏蔽套，所述约束-支承装置约束所述中子吸收器在轴向的运动，并支承所述中子吸收器使其处于悬挂状态，控制棒的特点表现在：

所述中子吸收区在轴向上被分成上、下两区。

所述上、下两区的边界位于沿轴向从所述中子吸收区的下端起，所述中子吸收区全长的3/8到5/8范围内。

在所述下区，垂直于轴的截面上的所述吸收核链型中子吸收剂的含量小于在所述上区，垂直于轴的截面上的所述吸收核链型中子吸收剂的含量。

20、由权利要求19所确定的控制棒，其中所述吸收核链型中子吸收剂为Hf，Ta，Ag-In-Cd合金，Eu₂O₃或2O₃。

21、由权利要求19所确定的控制棒，其中所述中子吸收器的上区由所述约束-支承装置支承。

22、由权利要求19所确定的控制棒，其中所述中子吸收器为若干中子吸收棒，所述中子吸收棒的下区比其上区细。

23、由权利要求22所确定的控制棒，其中所述中子吸收棒的上端区由所述中子约束-支承装置支承。

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