TWI547955B - 控制棒／控制棒驅動機構聯結器 - Google Patents

控制棒／控制棒驅動機構聯結器 Download PDF

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TWI547955B
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馬修 艾列斯
保羅 狄珊堤斯
約翰 麥隆林
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巴布考克及威科斯核子行動集團股份有限公司
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Description

控制棒/控制棒驅動機構聯結器
下文有關核能產生技藝、核子反應控制技藝、控制棒操作技藝、及相關技藝。
於習知核電廠中，核反應器核心包括易分裂材料，該易裂材料具有被選擇來支撐預期之核分裂連鎖反應的尺寸及成份。為緩和該反應，中子吸附介質可被提供，諸如於光水反應器的案例中之光水(H2O)、或於重水反應器的案例中之重水(D2O)。其進一步已知藉由將包括中子吸附材料之“控制棒”插入該反應器核心內的對齊通道來控制或停止該反應。當被插入時，該等控制棒吸附中子，以便使該連鎖反應慢下來或停止。
該等控制棒係藉由控制棒驅動機構(CRDMs)所操作。於所謂之“灰色”控制棒中，該等控制棒之插入係可連續地調整，以便提供可連續地調整之反應速率控制。於所謂之“停堆”控制棒中，該插入係完全進入或完全抽出。於正常操作期間，該停堆棒係由該反應器核心完全縮回；於SCRAM期間，該停堆棒係迅速地完全插入，以便迅速地停止該連鎖反應。控制棒亦可被設計來施行灰棒及停堆棒功能。於一些此等雙重功能控制棒中，如果為SCRAM，該控制棒被建構成可與該CRDM分開，使得該被分離之控制棒在重力的影響之下落入該反應器核心。於一些系統中，諸如軍艦系統，液壓壓力或另一正向力(異於重力)亦被提供，以驅動該被分離之控制棒進入該核心。
為完成該控制系統，控制棒/CRDM聯結器被提供。習知聯結器包含具有該控制棒被鎖固之處的下端之連接棒。該連接棒的上部與該CRDM操作地連接。提供灰棒功能性之習知CRDM包括驅動導螺桿的馬達，該導螺桿係與該連接棒一體成形或牢牢地連接，使得該馬達之操作能以連續之方式上或下驅動該導螺桿及一體或牢牢地連接之連接棒。提供停堆功能性的習知CRDM被建構成在該舉起位置(亦即，舉出該反應器核心)主動地固持該控制棒；於SCRAM中，該主動舉起力量被移去，且該控制棒與該一體或連接之連接棒一起落下朝向該反應器核心(使該控制棒真正進入該反應器核心)。提供雙重灰色/停堆功能性的習知CRDM包含馬達/導螺桿配置，且該馬達及該導螺桿間之連接被設計，以於SCRAM期間釋放該導螺桿。譬如，該馬達可為經由可分開的滾珠螺帽與該導螺桿連接，該滾珠螺帽係於正常(灰色)操作期間主動地夾至該導螺桿，且如果為SCRAM即分開，以致該控制棒、該連接棒、及該導螺桿SCRAM在一起(亦即，一起落下朝向該反應器核心)。
2010年3月12日提出之標題為“用於核反應器之控制棒驅動機構”的相關申請案序號第12/722,662號、及2010年3月12日提出之標題為“用於核反應器之控制棒驅動機構”的相關申請案序號第12/722,696號係皆全部以引用的方式併入本文中。這些申請案揭示該馬達及該導螺桿間之連接不可被釋放，而是使分開之閂鎖器被設在該導螺桿及該連接棒之間的組構，以便實現SCRAM。於這些另外選擇組構中，該導螺桿不會SCRAM，而是僅只該解開之連接棒及控制棒一起SCRAM朝向該反應器核心，同時該導螺桿保持與該馬達嚙合。該CRDM係一複雜之裝置，且典型被電及/或液壓地驅動。於停堆或雙重灰棒/停堆棒之案例中，包含該CRDM的控制棒系統亦可被分類為安全相關零組件--此狀態將嚴格之可靠性需求強加在至少該CRDM之停堆功能性上。
為減少成本及整個系統複雜性，其係已知經由習知為“多腳架”的額外之聯結元件聯結單一CRDM與複數控制棒。於此一案例中，與單一CRDM單元聯結的所有該等控制棒一起移動。實際上，許多CRDM單元被提供，該等CRDM單元之每一者係與複數控制棒聯結，以便提供一些備份。該多腳架橫側地延伸遠離該連接棒的下端，以為複數控制棒之附接提供一大的“表面積”。該多腳架典型包括由中心附接點往外延伸之金屬管或支臂，該多腳架在該附接點與該連接棒附接。於一些多腳架中，額外之支撐件橫構架可被提供於該等徑向延伸管之間。包括該多腳架的金屬管或支臂之直徑(或更為普遍地係，尺寸)被保持為低至可施行的，以便於SCRAM期間使該多腳架之液壓阻抗減至最小，且能夠在該等控制棒的升起或下降期間，使該控制棒支撐結構接觸及用凸輪帶動抵靠著所有控制棒。
包括該連接棒及該多腳架之聯結器係一重量相當輕之結構，其使原料成本及該複雜CRDM上之重量負載減至最小。用於各種理由、諸如強度及穩固性、低成本、可製造性、及與該反應器容器環境之相容性，該連接棒及該多腳架兩者通常為不銹鋼元件。
在該揭示內容的一態樣中，一設備包括：至少一控制棒，包括中子吸附材料；控制棒驅動機構(CRDM)單元；及控制棒/CRDM聯結器，連接該控制棒及該CRDM單元，使得該CRDM單元為該至少一控制棒提供灰棒控制及停堆棒控制之至少一者；其中該控制棒/CRDM聯結器在室溫之平均密度大於不銹鋼之密度。
在該揭示內容之另一態樣中，一設備，包括：核反應器之控制棒總成的連接棒。該連接棒包括中空或局部中空之連接棒管，包括在室溫具有第一密度之第一材料；及填料，設置在該中空或局部中空之連接棒管中，該填料包括在室溫具有第二密度之第二材料，該第二密度係大於該第一密度。
在該揭示內容之另一態樣中，一設備包括：核反應器高壓容器；及控制棒總成，包括含有中子吸附材料之至少一可移動控制棒、用於控制該至少一控制棒之移動的控制棒驅動機構(CRDM)、及操作地連接該至少一控制棒與該CRDM之聯結器。該聯結器包含至少一連接棒，該連接棒包括中空或局部中空之連接棒管，包括在室溫具有第一密度之第一材料；及填料，設置在該中空或局部中空之連接棒管中，該填料包括在室溫具有第二密度之第二材料，該第二密度係大於該第一密度。
在該揭示內容之另一態樣中，一設備包括核反應器高壓容器；及控制棒總成，包括含有中子吸附材料之至少一可移動控制棒、用於控制該至少一控制棒之移動的控制棒驅動機構(CRDM)、及操作地連接該至少一控制棒與該CRDM之聯結器。該聯結器包含第一部份，包括在室溫具有第一密度之第一材料；及第二部份，包括在室溫具有第二密度之第二材料，該第二密度係大於該第一密度。
在此中所揭示者係控制棒/CRDM聯結器總成中之典範改變。於現存控制棒/CRDM聯結器總成中，該控制棒係藉由重量輕之“細長的”多腳架所終止，該多腳架具有被側邊導向至該SCRAM方向之最小的重量及表面積。該多腳架被建構成為控制棒之附接提供大的“有效”區域，但於SCRAM期間促成液壓阻抗之小的“實際”區域，該多腳架及該連接棒兩者為不銹鋼零組件，以便提供諸如強度及穩固性、低成本、可製造性、及與該反應器容器環境之相容性的利益。
在此中所揭示者係控制棒/CRDM聯結器總成，其包含以下態樣的一或兩者：(i)以端子加重元件替換該傳統重量輕之多腳架，及/或(ii)以較密集材料替換該控制棒/CRDM聯結器總成之不銹鋼的相當大部份，該較密集材料諸如鎢(選擇性地呈粉末狀或顆粒狀形式)、鉬、鉭等等。所揭示之控制棒/CRDM聯結器總成大體上係比傳統連接棒/多腳架總成較重的，其有利地增強重力場誘導式SCRAM之速率及可靠性。
於採用所揭示之端子加重元件的控制棒/CRDM聯結器總成之案例中，如與傳統之重量輕的多腳架比較，藉由該端子加重元件所提供之增加的重量能夠使該端子加重元件向側邊至該SCRAM方向選擇性地具有較大的實際表面積(譬如，為了提供該額外之重量)，如與該傳統的多腳架比較。
參考圖1，說明性核子反應器壓力容器10之相關部分包含位於鄰近至該壓力容器10的底部之核心形成線路12。該核心形成線路12包含或含有反應核心(未示出)，該反應核心含有或包含放射性材料，當作說明性範例，諸如濃縮的氧化鈾(亦即，被處理至具有升高之235U/238U比率的UO2)。控制棒驅動機構單元(CRDM)14被圖樣地說明。該說明性CRDM 14係一被設置在該壓力容器10內之內部CRDM；另一選擇係，外部CRDM可被採用。圖1顯示該單一個說明性CRDM單元14當作說明範例；然而，更為普遍的是，典型有多個CRDM單元，每一個CRDM單元與不同之複數控制棒耦合(雖然這些額外之CRDM單元係未於圖1中示出，該壓力容器10被描繪出顯示用於此等額外的CRDM單元之空間)。
在該CRDM單元14下方者係控制棒導引架16，其在圖1之立體圖中阻斷觀看該連接棒/CRDM聯結器總成(於圖1中未示出)。延伸在該導引架16下方者係複數控制棒18。圖1顯示該等控制棒18於其完全插入位置中，其中該等控制棒18被最大地插入該核心形成線路12。於該完全插入位置中，該端子加重元件(或，於另外選擇實施例中，該多腳架)係位在該控制棒導引架16內的下方位置20(且因此在圖1中再次看不見)。於圖1之說明性實施例中，該CRDM單元14及該控制棒導引架16係藉由支座22隔開，該支座包括具有分別與該CRDM單元14及該導引架16耦合之相反端部的中空管件，且該連接棒(於圖1中未示出)通過該中空管件。
圖1僅只顯示該說明性壓力容器10的下部。於一操作核子反應器中，該圖示的開放式上端24係與一個以上的上壓力容器部分連接，該等上壓力容器部分隨同該壓力容器10之所說明的下部形成一圍起的高壓體積，並含有該反應器核心(藉由該說明性核心形成線路12所指示)、該控制棒18、該導引架16、及該內部CRDM單元14。於另一選擇實施例中，該CRDM單元係在外部地位於該反應器壓力容器上方。於此等實施例中，該外部CRDM係藉由控制棒/CRDM聯結器總成與該等控制棒連接，其中該連接棒伸過該壓力容器的上部中之入口。
參考圖2，包含該CRDM單元14、該控制棒導引架16、該介入之支座22、及該等控制棒18的控制總成被說明為與該反應器壓力容器隔離。再者，於圖2之視圖中，該控制棒/CRDM聯結器總成被該控制棒導引架16及該支座22所隱藏。
參考圖3，該控制棒導引架16及該支座22再次被說明，但使該CRDM單元被移除，以便顯露在該支座22上方向上延伸之連接棒30的上端。如果該CRDM單元具有灰棒功能性，則該連接棒30之此說明性上端與該CRDM單元嚙合，以能夠使該CRDM單元升高或降低該連接棒30，且因此升高或降低該等附接之控制棒18(在圖3中未示出)。如果該CRDM單元具有停堆棒功能性，則此說明性上端係可於SCRAM期間由該CRDM單元分開。於圖1-4之每一者中，SCRAM方向S被指示，如果為SCRAM，其係該等落下控制棒之加速度的往下方向。
參考圖4，該控制棒18及該連接棒30被顯示，而沒有任何遮蔽零組件(例如沒有該導引機架、支座、或CRDM單元)。於圖4之視圖中，說明性端子加重元件32係可看見的，其提供該複數控制棒18與該連接棒30的下端之連接。其將被注意到不像傳統多腳架，該端子加重元件32沿著該SCRAM方向S具有相當大的伸長部。所說明之端子加重元件32具有提供增加之重量的優點，其有利於快速SCRAM；然而，其係亦意圖以傳統“細長的”多腳架替換所說明端子加重元件32。
參考圖5及6，該端子加重元件32之立體圖及側面剖視立體圖被分別地顯示。該端子加重元件32包含大體上中空之殼體40，該殼體具有藉由上及下殼體蓋板42,44所密封的上及下端。四塊上殼體蓋板42被說明在圖5中，且該等上殼體蓋板42之二者被顯示於圖6之側面剖視立體圖中。圖5之立體圖的傾斜遮蔽該等下蓋板而看不到，但於圖6之側面剖視圖中，該等下蓋板44之二者係可“在邊緣上”看見的。該說明性端子加重元件32包含四塊下殼體蓋板44，且類似於圖5所說明之四塊上殼體蓋板42配置。
該說明性端子加重元件32之進一步顯像係藉由圖7所提供，其省略該等蓋板地顯示該中空殼體40之俯視圖。如在圖7所視，該中空殼體40係圓柱形，具有與該SCRAM方向S平行之圓柱體軸線及橫亙於該圓柱體軸線之均勻的橫截面。該橫截面係複雜的，且界定一中心通道50及在90度間隔繞著該中心通道50徑向地隔開的四個孔腔52。該中空殼體40之橫截面亦界定二十四個小通道54(亦即，與該中心通道50比較為小的)，僅只部份該二十四個小通道54係在圖7中明確地被標明。圖7與圖5及6之比較顯示該等通道50,54之每一者完全地通過該殼體50，且不被該上或下蓋板42,44所遮蓋。
首先考慮該二十四個小通道54，這些提供用於鎖固複數控制棒18之結構。於一些實施例中，二十四個小通道54之每一者保留一控制棒，使得該複數控制棒18精確地由二十四支控制棒所組成。於其他實施例中，該二十四個小通道54之一或多個可為空的，或可被使用於另一目的，諸如被用作堆芯測量儀表用之導管，在該案例中，該複數控制棒18由比二十四支控制棒較少者所組成。其被進一步了解該端子加重元件32僅只為說明性範例，且該端子加重元件可具有其他橫截面組構，而提供用於不同數目之控制棒、例如比二十四支控制棒更多或較少。
其次考慮在90度繞著該中心通道50徑向地隔開之四個孔腔52。該大體上中空之殼體40及該上與下蓋板42,44係適當地由不銹鋼所製成，雖然其他材料亦被考慮。該上與下蓋板42,44密封該四個孔腔52。如在圖6之側面剖視圖中所示，該四個孔腔52被以包含沈重材料的填料56充填，在此該“沈重材料”一詞標示具有比該不銹鋼(或其他材料)較高密度的材料，其形成該中空殼體40。譬如，該填料56可包含沈重的材料，諸如鎢(選擇性為粉末或顆粒形式)、貧化鈾、鉬、或鉭，當作一些說明性範例。經由說明性範例，不銹鋼具有約7.5-8.1公克/立方公分之密度，而鎢具有約19.2公克/立方公分的密度，且鉭具有每立方公分約16.6公克之密度。於一些較佳實施例中，包含該填料56之沈重材料的密度至少為包括該殼體40的材料之密度的兩倍。於一些較佳實施例中，其中該殼體40包括不銹鋼，包括該填料56之沈重材料較佳地係具有至少每立方公分16.2公克之密度(所有在此中所指定之定量性密度係用於室溫)。
於一些實施例中，該填料56不會促成該端子加重元件32之結構性強度或硬度。據此，包括該填料56之沈重材料能被選擇，而不考慮其機械性質。用於相同之理由，該填料56可為固體插入件之形式，其尺寸及形狀可被設計，以裝入該等孔腔52，或該填料56可為粉末、顆粒、或另一組成。該蓋板42,44密封該等孔腔52，且如此其係亦意圖使包括該填料56之沈重材料成為一材料，其係與流動於該高壓容器10中之主要冷卻劑不相容。另一選擇係，如果包括該填料56之沈重材料係一與流動於該高壓容器10中之主要冷卻劑相容的材料，則其係意圖省略該上蓋板42，在此案例中，該等孔腔52不被密封。實際上，如果該填料56係牢牢地固持在該等孔腔52內側之固體材料，則其係意圖省略該上蓋板42及該下蓋板44兩者。
持續參考圖5-7及進一步參考圖8，當該控制棒18藉由該CRDM單元14之作用所升高或降低時，該端子加重元件32通過該控制棒導引架16。遍及該端子加重元件32之長度沿著該SCRAM方向S具有恆定之橫截面的圓柱形組構簡化此設計態樣。再者，該控制棒導引架16將以凸輪抵靠著每一控制棒18，以提供該預期之控制棒導引。朝向此目的，該端子加重元件32之橫截面被設計成具有壁凹58(其一部分被標示於圖7中)。如在圖8中所示，該控制棒導引架16之匹配延伸部60裝入這些壁凹58。亦在圖8中所指示之間隙G於該端子加重元件32的外表面及該控制棒導引架16的近側表面之間提供一小容差。該導引架16的二十四個局部圓形開口圍繞該端子加重元件32之二十四個小通道54，並設計其尺寸，以用凸輪控制抵靠著該控制棒18。用於完整性，圖8亦顯示設置在該端子加重元件32的中心通道50內側之連接棒30。
圖5-7顯示提供用於該四個孔腔52之空間大體上增加該端子加重元件32之實際橫截面積(亦即，配置在該SCRAM方向S側邊之面積)，如與可被達成之實際橫截面積比較，而沒有這些四個孔腔52。於一些實施例中，用於側邊導向至該SCRAM方向S之橫截面的“充填因素”(包含藉由該等蓋板42,44所圍繞之面積)係至少50%，且圖7示範用於該說明性端子加重元件之充填因素係實質上大於50%。如此，該端子加重元件32之設計係與典型多腳架之“細長的”設計不同，該設計被最佳化，以使至該SCRAM方向S側邊之實際表面積減至最小，且大致上具有實質上少於50%之充填因素，以便減少液壓阻抗。大致上，藉由該端子加重元件32的重量所達成之SCRAM力量超過補償藉由該四個孔腔52所強加之較大實際側邊表面積的增加之液壓阻抗。
克服該液壓阻抗及增強SCRAM速率之額外重量係藉由在該SCRAM方向S中延長該端子加重元件32所獲得。換一種說法，該端子加重元件32於該SCRAM方向S中之長度對側邊導向至該SCRAM方向S的最大尺寸之比率，係選擇性地等於或大於1，且更佳地係等於或大於1.2。按照典型之多腳架，該說明性端子加重元件32大致上不是平面式元件，而是為體積測定的零組件，其對該連接棒30的下端提供相當大的端子重量。
該說明性端子加重元件32具有相當大的優點，其中該端子加重元件將包括沈重材料之填料56放置於該放射性核心(包含於或藉由位於近接至該高壓容器10的底部之核心形成線路12所支撐，如圖1中所示)與該CRDM單元14之間。包括該填料56之沈重材料係密集材料，其大致上能被期待為高度吸收的，而用於藉由該反應器核心所產生之輻射。經由說明性範例，高輻射吸收係沈重材料之特性，諸如鎢、貧化鈾、鉬、或鉭。如此，包括沈重材料之填料56提供輻射屏蔽作用，其保護該昂貴及(於一些實施例中與至各種程度)輻射靈敏CRDM單元14。
該端子加重元件32於該SCRAM方向S中之伸長部具有額外之利益，該等利益係與提供重量無關。於該SCRAM方向S中之伸長部提供較長的長度，遍及該長度，每一控制棒18可被鎖固至該端子加重元件32，並同樣地提供一較長的長度，遍及該長度，該連接棒30可被鎖固至該端子加重元件32。這提供一更好之機械式聯結器，且亦提供增強之穩定扭矩，以防止該控制棒18傾斜。大致上，該SCRAM方向S中之端子加重元件32的伸長部提供更堅固的機械結構，其減少該連接棒/端子加重元件/控制棒總成之有問題的(或甚至災難的)變形之可能性。
該端子加重元件32於該SCRAM方向S中之伸長的另一優點係其選擇性地允許用於在該SCRAM方向S中流線型化該端子加重元件32。此變動未被說明；然而，其係意圖修改圖5之組構(經由說明性範例)，以具有較狹窄的下橫截面及更寬廣的上橫截面，使增加直徑之錐形表面由該較狹窄的下橫截面延伸至該更寬廣的上橫截面。用於鎖固該控制棒的小通道54將與該SCRAM方向S平行地保持被精確導向(及，因此，將為較短，用於位在該最外邊位置的控制棒)。此流線型化代表液壓阻抗(藉由該流線型化所減少)及藉由該流線型化所造成的重量減少間之取捨。
代替所論及之選擇性流線型化，該端子加重元件之橫截面可被以別的方式建構，以減少液壓阻抗。譬如，該橫截面能包含類似於該小通道54之額外通道(未示出)，但其不被以控制棒或其他任何東西充填，且替代地提供液體流動路徑，以於SCRAM期間減少該端子加重元件之液壓阻抗。
藉由包括沈重材料(其將該端子加重元件32之平均密度增加至大於不銹鋼的平均密度之值)之填料56與該端子加重元件32之伸長部(其增加該端子加重元件32之總體積)的組合，該說明性端子加重元件32提供預期之重量。該總質量(等同於重量)係藉由該體積與該平均密度之乘積所給與。為達成預期之重量，各種設計取捨在以下之中作成：(1)該填料56之尺寸或數量或體積；(2)包括該填料56的沈重材料之密度；及(3)該端子加重元件32之伸長部。
於一些實施例中，其係意圖藉由使用包括沈重材料之填料達成該預期之重量，而沒有伸長該端子加重元件。於此等實施例中，該端子加重元件32可選擇性地具有傳統實質上平面式及“細長的”多腳架組構，其中該多腳架之管件或其他連接元件係局部或完全地中空的，以界定含有包括沈重材料之填料的孔腔。此一端子加重元件可被想為“沈重的多腳架”。
於其他另一之實施例中，其係意圖完全地省略該填料，且代替完全依靠伸長部以提供該預期之重量。譬如，所說明之端子加重元件32能藉由省略該四個孔腔52及該填料56而被修改。於此組構中，該殼體40能被具有與該殼體40相同之外周邊的單一實心之不銹鋼元件所替換，使該單一之實心不銹鋼元件的頂部及底部界定(或可能較佳陳述為，替換)該上及下殼體蓋板42,44。如果完全由不銹鋼所製成之伸長的端子加重元件32提供充分之重量，此等省略包括沈重材料之填料的實施例被適當地採用。如果該端子元件之重量不是一項考慮，但該伸長之端子元件的其他利益係想要的、諸如提供一較長的長度供與該控制棒及/或該連接棒30牢牢連接、或於該SCRAM方向S中提供一可修正為流線型化之伸長的幾何形狀，此等實施例亦適當地被採用。
所揭示之端子加重元件的各種實施例使用不銹鋼殼體，其不會妥協提供用於將該控制棒聯結至該連接棒的下端之合適結構的主要功能。同時，該不銹鋼殼體留下充分之空隙或孔腔容量，以允許一包括沈重材料之填料被插入。雖然不銹鋼被提及為一用於該殼體之較佳材料，應了解具有預期之結構特徵的其他材料及反應器高壓容器相容性亦可被使用。包括沈重材料之填料適當地為鎢、貧化鈾、或另一適當的密集材料。
所揭示之端子加重元件的各種實施例於該SCRAM方向S中亦具有伸長部。此伸長設計被輕易地建構，以裝入該控制棒導引架，而沒有該導引架之任何重新設計(例如加寬)，且因此不會影響該整個控制棒總成之空間範圍。該伸長部係一可調整之設計參數，且能被設定為較大或較小，以提供該預期之重量。增加該伸長部大致上增加該控制棒總成高度，且這可在該伸長部上強加一上限，而用於特別之反應器設計。(這可為至少局部地藉由減少該連接棒長度所補償，但該連接棒具有一藉由該預期之最大行程所強加的最小長度)。
所揭示之端子加重元件的另一優點係其能提供可調整之重量。譬如，於一些實施例中，不同CRDM單元可為位在不同高度，或可支撐不同質量之控制棒，使得與不同CRDM單元有關連的不同平移組件係不完全相同的。如果用於與各種CRDM單元有關連的所有平移組件具有相同之重量被視為有益的，則不同數量之包括沈重材料的填料可被包含在不同端子加重元件32之孔腔52中，以便等化該等平移組件之重量。於一些案例中，這可導致一些孔腔52僅只局部地以該填料56充填。選擇性地，該等孔腔52之未充填空間能被以重量輕之填料、諸如不銹鋼燃料棒(未示出)充填，或能含有壓縮加載彈簧(未示出)，以防止包括沈重材料之填料56大約在該等孔腔52內移動。於選擇沈重材料的填料56之數量中，該重量輕之填料或加載彈簧的重量被適當地考慮，以達成一預期之總重量。通過範例，等化各種平移組件之重量可為有用的，以允許於每一平移組件中使用普通柱塞或另一動能吸收元件。當該控制棒抵達該完全(亦即最大)插入點時，該動能吸收元件(在圖5-8中未示出)被設計來對遭受SCRAM之平移組件提供“軟性止動”。
該說明性端子加重元件32之殼體40用作提供機械式支撐之結構零件。與該連接棒30及該控制棒18間之聯結有關連的所有負載被傳送進入該殼體40，其用作每一控制棒用之附接位置。
參考圖9,10及11，各種附接結構能被使用於將該連接棒30鎖固於該端子加重元件32之殼體40的附接通道50中。於一種此附接結構之說明性範例中，該殼體40的中心通道50容置一J形鎖母附接組件70，其係適當地同軸向設置在該殼體40的中心通道50內側。圖9說明該J形鎖母附接組件70之側面剖視圖，而圖10顯示該連接組件之側視圖，且圖11顯示該連接組件之側面剖視圖。特別參考圖9，該說明性J形鎖母附接組件70包含中軸殼72，其在該說明性實施例中包括同軸地焊接或以別的方式鎖固於該殼體40的中心通道50之圓形圓柱體。另一選擇係，該中軸殼可為與該中心通道50的內側表面一體或藉由其所界定。該中軸殼72具有該殼體40及該J形鎖母附接零組件間之介面的作用，其包含設置在該中軸殼72內側的三個J形鎖栓銷74(其之兩個可在圖9的剖視圖中看見)。這些栓銷74提供用於設置在該連接棒30的下端之J形鎖公附接組件80(看圖11)的連接點。一旦其已與該端子加重元件32嚙合(圖11中所示之鎖定配置)，J形鎖柱塞76及J形鎖彈簧84將該連接棒30之J形鎖公附接組件80保持在適當位置中。
該說明性J形鎖母附接組件70另包含下柱塞82、內部彈簧78、及彈簧墊圈86，該等元件配合來於SCRAM期間吸收該下平移組件(亦即，該等控制棒18、該端子加重元件32、該連接棒30、及選擇性之導螺桿(未示出)的平移組件)之衝擊。
該連接棒30的下端及該端子加重元件32間之說明性J形鎖連接係一範例。更大致言之，實質上任何型式之連接、包含可分開連接或永久地焊接連接或一體配置之另一型式被考慮。該J形鎖配置具有能夠使該連接棒30將藉由簡單之“推動及扭轉”操作從該端子加重元件32(及因此，從該控制棒18)分離之優點。這允許該連接棒30於該核反應器之補給燃料期間將由該平移組件之其餘部分(亦即，該端子加重元件32及該附接之控制棒18)分開地移動。
該端子加重元件32之殼體40能使用各種技術被製成。於一些實施例中，採用電火花加工(EDM)之製造被考慮。該EDM方法在不銹鋼之實心塊料上操作，該塊料接著被切割，以界定該多腳架殼體40。有利地係，EDM係快速又精確的。其他意圖之方法包含鑄造技術或擠壓，該兩者係快速及具有低原料成本。
包括該等控制棒18、端子加重元件32、連接棒30、及選擇性之導螺桿(未示出)的平移組件有利地係為沈重的，以便如果反應器緊急停爐，有利於該平移組件之快速及可靠的SCRAM朝向該反應器核心。為朝向此目的，該端子加重元件32建構為沈重的。藉由加入包括沈重材料之填料56(在此“沈重”標示一大於不銹鋼或另一包括該殼體40的材料之密度的密度)，在此中所揭示之達成此目的之一方式係藉由將該端子加重元件32之平均密度增加至一大於不銹鋼的平均密度之值(或，更大致言之，將其平均密度增加至一大於包括該殼體40的材料之平均密度的值)。在此中所揭示之達成此目的之另一方式係藉由在該SCRAM方向S中伸長該端子加重元件32。該說明性端子加重元件32採用經由填料56增強之平均密度及於該SCRAM方向S中之伸長兩者。
參考圖10及11，用於該平移組件之額外重量係藉由增強該連接棒30之密度所額外或另一選擇地獲得。朝向此目的，該說明性連接棒30包含中空(或局部中空)的連接棒管90，其(如在圖11之剖視圖中所看見)含有包括沈重材料的填料92。如此，該連接棒管90用作類似於該端子加重元件32的殼體40之結構目的，而包括沈重材料之填料92用作類似於該端子加重元件32的填料56之加重(或平均密度增強)目的。該中空連接棒管90能使用諸如EDM(雖然用於此目的，較長之管件長度可為有問題的)、鑄造、擠壓、銑削等等各種技術被製成。
於一合適之實施例中，包括沈重材料之填料92係呈鎢棒之形式，其每一者具有實質上與該連接棒管90的內徑一致之直徑，且被堆疊於該連接棒管90中，並選擇被堆疊之鎢棒的數目，以達成該預期的重量。如果鎢棒之數目係不足以充填該連接棒管90的內部體積，且其係想要避免這些鎢棒之移動，則藉由合適之偏向配置或藉由以諸如不銹鋼棒之重量輕的材料充填該連接棒管90的內部體積內之剩餘空間，該填料92被防止移位。於圖11之說明性範例中，偏向配置被採用，其中該連接棒管90的內部體積係藉由上及下焊接插塞94,96所密封，且壓縮彈簧98沿著該SCRAM方向S佔用任何空隙，並可藉由該連接棒管90的內部體積用該填料92之不完全充填所導入。通過某些其它說明性範例，代替鎢，包括該填料之沈重材料可為貧化鈾、鉬、鉭等等。該填料92可包括一或多個固體燃料棒或棒材、粉末、顆粒等等。就該連接棒30之情況而言，該“沈重材料”一詞意指具有一密度之材料，該密度係大於該不銹鋼或包括該連接棒管90的其它材料之密度。通過說明性範例，不銹鋼具有約7.5-8.1公克/立方公分之密度，而鎢具有約19.2公克/立方公分的密度，且鉭具有每立方公分約16.6公克之密度。於一些較佳實施例中，包括該填料92之沈重材料的密度至少為包括該中空連接棒管90的材料之密度的兩倍。於一些較佳實施例中，其中該中空連接棒管90包括不銹鋼，包括該填料92之沈重材料較佳地係具有至少每立方公分16.2公克之密度(所有在此中所指定之定量性密度係用於室溫)。
持續參考圖10及11，該說明性連接棒30具有一上端，其包含一環狀溝槽100，用於與CRDM單元14之閂鎖器鎖固(閂鎖器未示出)；及一磁鐵102，供會同控制棒位置感測器(未示出)使用。包含用於連續(灰棒)調整之馬達/導螺桿配置的CRDM單元14、及用於分離該連接棒30與該CRDM單元14的分開閂鎖器(使該導螺桿維持與該馬達操作地連接)之合適實施例，被敘述於2010年3月12日提出之標題為“用於核反應器之控制棒驅動機構”的相關申請案序號第12/722,662號、及2010年3月12日提出之標題為“用於核反應器之控制棒驅動機構”的相關申請案序號第12/722,696號中，其兩者係皆全部以引用的方式併入本文中。
另一選擇係，於其他實施例中，導螺桿(未示出)係與該連接棒管90鎖固或一體的，且該導螺桿隨同該連接棒/端子加重元件(或多腳架)/控制棒SCRAMs(換句話說，該導螺桿於SCRAM期間形成該平移組件的一部份)。於一些此等另外選擇實施例中，該馬達係藉由可分開之滾珠螺帽與該導螺桿適當地聯結，該滾珠螺帽分開，以釋放該導螺桿及開始SCRAM。
該說明性連接棒30包含八個零組件。該連接棒30組件之重量係藉由使用該中空連接棒管90所增加。這可為僅只局部中空的-譬如，僅只下部可為中空的。位在該中空連接棒管90內側者係包括沈重材料之填料92。於一些實施例中，該填料92包括數支較小的鎢棒或燃料棒。該中空連接棒管90內側的鎢棒或燃料棒之數目被選擇，以達成預期之重量。如果以不同的CDRM單元採用不同的平移組件，該等中空連接棒管90之每一者內側的鎢棒或燃料棒之數目可為不同，且被選擇，以便確保該數個CDRM單元之每一連接棒具有相同的重量。這是有利的，因為其隨後可設計所有該等CRDM單元，以舉起單一重量，而與諸如連接棒長度、控制棒成份等等因素無關。
如業已注意者，此重量“調諧”亦可藉由調整該端子加重元件32中之填料56所達成。如果兩填料56,92被採用，則該等填料56,92之組合重量能藉由調整該等填料56,92之任一者、或兩者之數量及/或密度被調諧。如果重量調諧之數量被期待為小的，則於一些此等實施例中，該等填料56,92可為標準尺寸/重量之固體元件，且該總重量可接著藉由加入額外之包括沈重材料的填料所減縮，該沈重材料為粉末、顆粒、小燃料棒或燃料棒等等之形式。
如果該中空連接棒管90的內部體積僅只局部地被該填料92所充填，則不銹鋼棒或另外之重量輕的填料(未示出)可被插入該剩餘之內部體積，以完全充填該充填物。額外或另一選擇係，該彈簧98或另一機械式偏向配置可被採用。其係意圖具有“鬆弛地”配置於該棒管90中之填料92；然而，此一配置可在該SCRAM下降之終止處使動能的吸收複雜化。
該填料92大致上具有比該中空連接棒管90之不銹鋼(或其它材料)較低的熱膨脹係數。該連接棒30係在室溫組裝，且接著被加熱至其操作溫度。用於具有例如250公分或較大之長度的連接棒，該熱膨脹將導致該棒管90增加達數公分或更多之數量等級。該填料92之較低的熱膨脹係數導致該填料92之實質上較低的長度增加。該彈簧98適當地補償此效應。另外，如果該彈簧98係位在該填料92下方(如圖11所示)，則其能在該SCRAM下降之終止處輔助消散該填料92的動能。
如在圖11所描述之說明性實施例中所示，該中空連接棒管90可為少於該連接棒30之總長度。於所說明之案例中，該連接棒30在該棒管90下方包含對應於該J形鎖公附接組件80之額外長度，且在該棒管90上方亦包含對應於上管之額外長度，該上管包含該閂鎖器溝槽100與容置位置指示器磁鐵102。該上及下焊接插塞94,96被選擇性地提供，以密封該中空連接棒管90的內部體積。這些插塞94,96被分別附接至該中空連接棒管90的上端及下端，以便在裡面密封該填料92及該選擇性彈簧98。於該說明性實施例中，插塞94,96的外端被建構，以分別有利於該上連接棒及該J形鎖公附接組件80之連接。
該連接棒30亦具有相當大的優點，其中該連接棒將包括沈重材料之填料92放置於該放射性核心(被包含於或藉由位於近接至圖1所示壓力容器之底部的該核心形成線路12所支撐)與該CRDM單元14之間。包括該填料92之沈重材料係一密集之材料，其大致上能被期待為對於藉由該反應器核心所產生之輻射具有高度吸收性。通過說明性範例，高輻射吸收性係諸如鎢、貧化鈾、鉬、或鉭之沈重材料的特性。如此，包括沈重材料之填料92提供輻射屏蔽，其保護該昂貴及(於一些實施例中與至各種程度)輻射靈敏CRDM單元14。如果兩填料56,92被使用，則兩填料促成此有利的CRDM屏蔽效應。
該說明性控制棒/CRDM聯結器包含(1)包含伸長部之端子加重元件32及該填料56及(2)包含該填料92的連接棒30之組合。
於其他控制棒/CRDM聯結器實施例中，其係意圖包括含有伸長部之端子加重元件32及該填料56之組合，但與傳統實心之不銹鋼連接棒(沒有該填料92)聯結。
於其他控制棒/CRDM聯結器實施例中，其係意圖包括含有伸長部之端子元件(其可為或不是加重元件)的組合，但沒有該填料56，而與(i)包含該填料92的連接棒30或(ii)傳統實心之不銹鋼連接棒(沒有該填料92)的其中之一聯結。
於其他控制棒/CRDM聯結器實施例中，其係意圖包含沒有伸長部(譬如，具有類似於傳統多腳架之“細長的”佈局)的端子加重元件之組合，但其包含設置在該端子加重元件之管件或其他構件的中空區域中之填料56，而與(i)包含該填料92的連接棒30或(ii)傳統實心之不銹鋼連接棒(沒有該填料92)的其中之一聯結。
於其他控制棒/CRDM聯結器實施例中，其係意圖包含(I)沒有伸長部及沒有該填料56之傳統多腳架及(II)包含該填料92的連接棒30之組合。
該等較佳實施例已被說明及敘述。顯然地，對於其他人在閱讀及了解該前述之詳細敘述時，修改及變更將發生。其係意欲將本發明解釋為包含所有此等修改及變更，只要它們落在所附申請專利或其同等項之範圍內。
10．．．高壓容器
12．．．核心形成線路
14．．．控制棒驅動機構單元
16．．．導引架
18．．．控制棒
20．．．下方位置
22．．．支座
24．．．上端
30．．．連接棒
32．．．端子加重元件
40．．．中空殼體
42．．．蓋板
44．．．蓋板
50．．．中心通道
52．．．孔腔
54．．．小通道
56．．．填料
58．．．壁凹
60．．．延伸部
70．．．附接組件
72．．．中軸殼
74．．．栓銷
76．．．柱塞
78．．．內部彈簧
80．．．附接組件
82．．．柱塞
84．．．彈簧
86．．．墊圈
90．．．連接棒管
92．．．填料
94．．．插塞
96．．．插塞
98．．．彈簧
100．．．溝槽
102．．．磁鐵
本發明可於各種零組件及零組件之配置中、及於各種製程操作及製程操作的配置中採取各種形式。該等圖面係僅只用於說明較佳實施例之目的，且將不被解釋為限制本發明。
圖1圖樣地顯示包含說明性控制棒總成(CRA)之說明性核子反應器壓力容器的下部之立體剖視圖。
圖2圖樣地顯示圖1之說明性CRA的立體圖。
圖3圖樣地顯示已移除該CRDM單元之控制棒導引架的立體圖，以便顯露該CRA之連接棒的上端。
圖4圖樣地顯示圖1-3之CRA的控制棒及連接棒之立體圖，並移除將遮蔽這些零組件之視野的零組件。
圖5圖樣地顯示圖1-4之CRA的端子加重元件之立體圖。
圖6圖樣地顯示圖5之端子加重元件的立體剖視圖。
圖7圖樣地顯示圖5及6之端子加重元件的殼體之俯視圖。
圖8圖樣地顯示位於圖1-3之CRA的控制棒引導引架中之圖5-7的端子加重元件之殼體的俯視圖。
圖9圖樣地顯示安置或設置在圖5-7之端子加重元件的中心通道中之J形鎖母附接組件的立體圖剖視圖。
圖10圖樣地顯示該連接棒、端子加重元件、及包含該J形鎖聯結器的上部之控制棒的組件之立體圖。
圖11圖樣地顯示該連接棒、端子加重元件、及包含該J形鎖聯結器的細部之控制棒的組件於其鎖定組構中之立體剖視圖。
10．．．高壓容器
12．．．核心形成線路
14．．．控制棒驅動機構單元
16．．．導引架
18．．．控制棒
20．．．下方位置
22．．．支座
24．．．上端
S．．．SCRAM方向

Claims (36)

  1. 一種核反應器設備，包括：至少一控制棒，包括中子吸附材料；控制棒驅動機構(CRDM)單元；及控制棒/CRDM聯結器，連接該控制棒及該CRDM單元，使得該CRDM單元為該至少一控制棒提供灰棒控制及停堆棒控制之至少一者；其中，該控制棒/CRDM聯結器包括連接棒，該連接棒在室溫之平均密度大於不銹鋼之密度，其中，該連接棒包括：中空或局部中空之連接棒管；填料，設置在該中空或局部中空之連接棒管中，該填料包括在室溫之密度大於不銹鋼的密度之材料；以及焊接插塞，密封該中空或局部中空之連接棒管之內部體積，且該填料被設置在該內部體積中。
  2. 如申請專利範圍第1項之核反應器設備，其中，該中空或局部中空之連接棒管係由不銹鋼所製成。
  3. 如申請專利範圍第1項之核反應器設備，其中，該填料在室溫具有每立方公分至少16.2公克之密度。
  4. 如申請專利範圍第1項之核反應器設備，其中，該中空或局部中空之連接棒管包括具有第一密度之材料，且包括該填料的材料的密度係該第一密度之至少兩倍。
  5. 如申請專利範圍第1項之核反應器設備，其中，該連接棒另包括： 額外元件，設置在該中空或局部中空之連接棒管中，該額外元件不是該填料，該填料包括在室溫之密度大於不銹鋼的密度之材料，該額外元件防止該填料在該中空或局部中空之連接棒管內側移動。
  6. 如申請專利範圍第1項之核反應器設備，其中，該連接棒另包括：壓縮彈簧，設置在該中空或局部中空之連接棒管中及壓按抵靠著該填料。
  7. 如申請專利範圍第6項之核反應器設備，其中，該彈簧被設置在該中空或局部中空的連接棒管中之該填料下方，使得該彈簧至少促成耗散於急停(SCRAM)期間藉由該填料所產生之動能。
  8. 如申請專利範圍第3項之核反應器設備，其中，該中空或局部中空之連接棒管係由不銹鋼所製成。
  9. 如申請專利範圍第1項之核反應器設備，其中，該填料包含選自由鎢、耗乏鈾、鉬、及鉭所組成之群組的材料。
  10. 如申請專利範圍第2項之核反應器設備，其中，該填料包含選自由鎢、耗乏鈾、鉬、及鉭所組成之群組的材料。
  11. 如申請專利範圍第1項之核反應器設備，其中，該中空或局部中空之連接棒管具有250公分或更大的長度。
  12. 如申請專利範圍第1項之核反應器設備，另包 括：可分開附接組件，該連接棒的下端透過該可分開附接組件與該至少一控制棒連接，該可分開附接組件包括匹配的公和母附接零組件；其中，設置在該中空或局部中空之連接棒管中的該填料係不同於該可分開附接組件的該公和母附接零組件。
  13. 一種核反應器設備，包括：至少一控制棒，包括中子吸附材料；控制棒驅動機構(CRDM)單元；及控制棒/CRDM聯結器，連接該控制棒及該CRDM單元，使得該CRDM單元為該至少一控制棒提供灰棒控制及停堆棒控制之至少一者；其中，該控制棒/CRDM聯結器在室溫之平均密度大於不銹鋼之密度，且該控制棒/CRDM聯結器包括：第一部份，包括在室溫具有第一密度之第一材料；及第二部份，包括在室溫具有第二密度之第二材料，其中，該第二密度係該第一密度之至少兩倍。
  14. 如申請專利範圍第13項之核反應器設備，其中，該第一材料為不銹鋼，且該第一部份包括封閉該第二部份之封閉件。
  15. 如申請專利範圍第13項之核反應器設備，其中，該第一材料為不銹鋼，且該第一部份包括封閉件，該封閉件封閉該第二部份並密封該第二部份使其免於暴露至周遭 反應器冷卻劑，該控制棒/CRDM聯結器係設置在該反應器冷卻劑中。
  16. 一種核反應器設備，包括：至少一控制棒，包括中子吸附材料；控制棒驅動機構(CRDM)單元；及連接棒，具有與該控制棒連接的下端以及與該CRDM單元連接的上端，使得該CRDM單元為該至少一控制棒提供灰棒控制及停堆棒控制之至少一者；其中，該連接棒包括：(i)中空或局部中空之不銹鋼棒管，其具有250公分或更大的長度；以及(ii)填料，設置在該中空或局部中空之不銹鋼棒管中，該填料在室溫具有大於不銹鋼的密度之密度。
  17. 如申請專利範圍第16項之核反應器設備，其中，該至少一控制棒包括複數控制棒，且該核反應器設備另包括：多腳架，該連接棒的該下端透過該多腳架與該複數控制棒連接。
  18. 如申請專利範圍第16項之核反應器設備，其中，該連接棒另包括：焊接插塞，密封該中空或局部中空之連接棒管之內部體積。
  19. 如申請專利範圍第16項之核反應器設備，另包括：可分開附接組件，該連接棒的下端透過該可分開附接 組件與該至少一控制棒連接，該可分開附接組件包括匹配的公和母附接零組件；其中，設置在該中空或局部中空之棒管中的該填料係不同於該可分開附接組件的該公和母附接零組件。
  20. 一種核反應器設備，包括：至少一控制棒，包括中子吸附材料；控制棒驅動機構(CRDM)單元；連接棒，具有與該控制棒連接的下端以及與該CRDM單元連接的上端，使得該CRDM單元為該至少一控制棒提供灰棒控制及停堆棒控制之至少一者；及可分開附接組件，該連接棒的該下端透過該可分開附接組件與該至少一控制棒連接，該可分開附接組件包括匹配的公和母附接零組件，其中，該連接棒包括：(i)由棒管材料所製成的中空或局部中空之棒管；以及(ii)設置在該中空或局部中空之棒管中的沉重材料，該沉重材料的密度大於該棒管材料的密度，設置在該中空或局部中空之棒管中的該沉重材料係不同於該可分開附接組件的該公和母附接零組件。
  21. 如申請專利範圍第20項之核反應器設備，其中，該棒管材料為不銹鋼。
  22. 如申請專利範圍第21項之核反應器設備，其中，該沉重材料包含鎢。
  23. 如申請專利範圍第21項之核反應器設備，其中，該沉重材料包含耗乏鈾。
  24. 如申請專利範圍第21項之核反應器設備，其中，該沉重材料包含鉬。
  25. 如申請專利範圍第21項之核反應器設備，其中，該沉重材料包含鉭。
  26. 如申請專利範圍第20項之核反應器設備，其中，該沉重材料包含鎢。
  27. 如申請專利範圍第20項之核反應器設備，其中，該沉重材料包含耗乏鈾。
  28. 如申請專利範圍第20項之核反應器設備，其中，該沉重材料包含鉬。
  29. 如申請專利範圍第20項之核反應器設備，其中，該沉重材料包含鉭。
  30. 如申請專利範圍第20項之設備，其中，該沉重材料的密度為該棒管材料的該密度之至少兩倍。
  31. 如申請專利範圍第30項之核反應器設備，其中，該棒管材料為不銹鋼。
  32. 如申請專利範圍第20項之核反應器設備，其中，該至少一控制棒包括複數控制棒，且該核反應器設備另包括：多腳架，該連接棒的該下端透過該多腳架與該複數控制棒連接，該多腳架包括該可分開附接組件的該母附接零組件，且該連接棒的該下端包括該可分開附接組件的該公附接零組件。
  33. 如申請專利範圍第20項之核反應器設備，其中， 該中空或局部中空之連接棒管具有250公分或更大的長度。
  34. 如申請專利範圍第20項之核反應器設備，其中，該連接棒另包括：焊接插塞，密封該中空或局部中空之連接棒管之內部體積。
  35. 一種核反應器設備，包括：至少一控制棒，包括中子吸附材料；控制棒驅動機構(CRDM)單元；及連接棒，具有與該控制棒連接的下端以及與該CRDM單元連接的上端，使得該CRDM單元為該至少一控制棒提供灰棒控制及停堆棒控制之至少一者；其中，該連接棒包括：(i)由棒管材料所製成的中空或局部中空之棒管；以及(ii)包含耗乏鈾的沉重材料，該沉重材料設置在該中空或局部中空之棒管中，該沉重材料的密度大於該棒管材料的密度。
  36. 如申請專利範圍第35項之核反應器設備，其中，該棒管材料為不銹鋼。
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