專利名稱:壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件及采用該組件的水堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆工程技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種由壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件及采用該組件的水堆，用這種擠水棒組件來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的“譜移控制”，同時(shí)采用 “稠密水柵”和部份利用天然鈾、乏燃料后處理的殘余鈾化合物燃料，大幅度節(jié)省核燃料，降低燃料循環(huán)費(fèi)用，提高安全性。
背景技術(shù)：
“譜移控制”是一種調(diào)節(jié)、控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性的方法，用于補(bǔ)償燃耗引起的反應(yīng)性下降時(shí)，明顯優(yōu)于調(diào)節(jié)水中硼酸濃度，中子吸收體控制棒和可燃毒物三種方法，可大量節(jié)約核電廠核燃料用量和降低燃料循環(huán)費(fèi)用，在燃料循環(huán)之初，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將擠水棒插入擠水棒導(dǎo)向管內(nèi)，減少了水堆堆芯內(nèi)水體積和燃料體積比的平均值，增加轉(zhuǎn)化材料(貧化鈾或釷)，提高了“轉(zhuǎn)化比”和“中子經(jīng)濟(jì)”，隨著燃耗，逐漸把擠水棒由其導(dǎo)向管內(nèi)拔出，堆芯內(nèi)慢化劑水體積和燃料體積比的平均值增加，堆芯中子能譜變化，所得到的正反應(yīng)性可以補(bǔ)償燃耗引起的反應(yīng)性下降。
八十年代法國提出過“轉(zhuǎn)換譜移堆”方案，采用六角形燃料組件，三角形柵元的柵距和現(xiàn)行17X17燃料組件的正方形柵元柵距相近，燃料組件中331根燃料棒位中，除36 根控制棒導(dǎo)向管以外，在M根燃料棒位上安裝擠水棒導(dǎo)向管，堆芯內(nèi)每三個(gè)燃料組件中有一個(gè)燃料組件可插入或抽出棒束控制棒組件，其余的燃料組件中可插入或抽出鋯包殼貧化二氧化鈾芯體的擠水棒，從燃料循環(huán)之初，把擠水棒全部插入堆芯中，到燃耗周期末，擠水棒全部抽出堆芯中，堆芯內(nèi)平均的慢化劑體積和燃料體積比由1.65增加到1.98，堆芯中子能譜變化，所得到的正反應(yīng)性補(bǔ)償了燃耗引起的負(fù)反應(yīng)性。該方案中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為設(shè)置在壓力殼外的“普通的磁力提升機(jī)構(gòu)”。普通壓水堆換料燃料富集度為4. 2%，卸料燃耗達(dá)到 45GWd/tU，由于該方案實(shí)施了上述“譜移控制”以后，降到3. 25%，天然鈾消耗量節(jié)省25%， 燃料循環(huán)費(fèi)用降低了 21%。又如，日本的先進(jìn)壓水堆(APWR)在保留磁力提升型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和棒束控制棒以及調(diào)節(jié)水中硼酸濃度系統(tǒng)的同時(shí)，設(shè)計(jì)了用于“譜移控制”的鋯錫合金擠水棒系統(tǒng)，同時(shí)改進(jìn)了燃料組件的設(shè)計(jì)，以降低燃料循環(huán)費(fèi)用?！癆PWR設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)”(IAEA-TE⑶0C-861譯著“當(dāng)代壓水堆核電站發(fā)展新趨勢(shì)”)一文中指出APWR通過采用
譜移，......等措施，降低燃料循環(huán)造價(jià)約20%。我國核動(dòng)力院八十年代提出的AC-600設(shè)
計(jì)方案中，堆芯的反應(yīng)性控制由傳統(tǒng)壓水堆的控制棒系統(tǒng)和調(diào)硼系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)設(shè)置了 “機(jī)械譜移系統(tǒng)”，即在不插控制棒的燃料組件中插入16根擠水棒，有控制棒的組件插入8根擠水棒，它由不插控制棒的燃料組件中的擠水棒水力驅(qū)動(dòng)裝置聯(lián)動(dòng)，擠水棒占2 X 2 根燃料棒的位置，材料為&_4。以上所提到的“普通的磁力提升機(jī)構(gòu)”和“機(jī)械譜移系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置”均安裝在壓力殼上封頭上面(即壓力殼外)，大量擠水棒組件會(huì)造成對(duì)壓力殼上封頭的大量貫穿，增加了制造難度，降低壓力殼的可靠性，使“譜移控制”方案難以實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)行壓水堆通過調(diào)節(jié)水慢化劑中硼酸濃度來補(bǔ)償燃耗引起的反應(yīng)性變化，水中硼酸可能對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在壓力殼上封頭上的貫穿接管段和壓力殼上封頭造成腐蝕破損，增加了壓力邊界完整性破壞和發(fā)生第四類假想“彈棒事故”的概率。2002年2月，美國Davis-Besse 核電站壓水堆發(fā)現(xiàn)在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接管與上封頭連接處出現(xiàn)了貫穿軸向裂紋，隨后的檢查證明，在壓力殼上封頭中部的三個(gè)接管位置(1#，姊和3#)有貫穿裂紋和大量泄漏， 特別是在3#接管旁壓力殼上封頭178mm厚的金屬母材從外向里被含硼水嚴(yán)重腐蝕，在 130-160cm2面積上只剩下7. 6mm厚的不銹鋼堆焊層。從這一事件看，對(duì)調(diào)節(jié)水中硼酸濃度來補(bǔ)償反應(yīng)性的現(xiàn)行壓水堆，在壓力殼封頭外再安裝大量擠水棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)施“譜移控制”具有很大的風(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓力殼內(nèi)設(shè)置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件及采用這種組件的水堆，從而可以通過擠水棒實(shí)現(xiàn)水堆的“譜移控制”，部分利用乏燃料后處理的殘余鈾、天然鈾和貧化鈾，以進(jìn)一步提高“譜移控制”能力，節(jié)省鈾資源，降低燃料循環(huán)費(fèi)用，
并提高安全性。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其每根擠水棒內(nèi)有芯體、外有金屬包殼，采用這種擠水棒組件的水堆的棒束燃料組件內(nèi)部份燃料棒位上或燃料組件之間設(shè)有擠水棒導(dǎo)向管，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下，與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接的擠水棒能被插入或拔出擠水棒導(dǎo)向管，從而改變堆芯平均水鈾比，改變堆芯能譜，實(shí)現(xiàn)水堆反應(yīng)性的 “譜移控制”，其中，擠水棒的芯體材料采用貧化鈾或釷的化合物，擠水棒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在水堆壓力殼的內(nèi)部。
進(jìn)一步，如上所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其中，所述的水堆包括壓水堆、超臨界水堆或沸水堆。
進(jìn)一步，如上所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其中，所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用水力驅(qū)動(dòng)裝置或防水的磁力提升驅(qū)動(dòng)裝置或有防水殼的電磁耦合驅(qū)動(dòng)裝置。
更進(jìn)一步，如上所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，當(dāng)采用水力驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，水力驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)缸和擠水棒相連，動(dòng)缸上方設(shè)有超聲波定位系統(tǒng)，水力驅(qū)動(dòng)裝置的靜缸固定在堆芯支承板或?qū)蚬苤С邪迳希︱?qū)動(dòng)裝置的動(dòng)缸和靜缸的材料為鋯合金、 不銹鋼、鎳基合金或鈮基含鋁合金。
進(jìn)一步，如上所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，采用橫截面為十字形擠水棒時(shí)，在正方形燃料組件之間或中央安裝十字形導(dǎo)向管；采用橫截面為Y字形擠水棒時(shí)，在六角形燃料組件之間安裝Y字形導(dǎo)向管；有組件盒的燃料組件的組件盒的外壁，或套管燃料組件的外套管的外壁能夠起導(dǎo)向管的作用，導(dǎo)向管的材料為鋯合金或不銹鋼或鎳基合金或鈮基含鋁合金。
更進(jìn)一步，如上所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其中，所述的擠水棒的金屬包殼的材料為鋯合金或不銹鋼或鎳基合金或鈮基含鋁合金；包殼內(nèi)有貧化鈾或釷的化合物的板狀、棒狀或環(huán)形芯體。
一種采用壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的水堆，水堆的棒束燃料組件內(nèi)部份燃料棒位上或燃料組件之間設(shè)有擠水棒導(dǎo)向管，每根擠水棒內(nèi)有芯體、外有金屬包殼，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下，與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接的擠水棒能夠插入或拔出擠水棒導(dǎo)向管，從而改變堆芯平均水鈾比，改變堆芯能譜，實(shí)現(xiàn)水堆反應(yīng)性的“譜移控制”，其中，擠水棒的芯體材料采
5用貧化鈾或釷的化合物，擠水棒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在水堆壓力殼的內(nèi)部；水堆堆芯裝載的部份燃料組件采用天然鈾或乏燃料經(jīng)后處理后得到的殘余鈾和貧化鈾的化合物核燃料，其余燃料組件采用富集度高于0. 714%的鈾的化合物，或者钚化合物和貧化鈾化合物的混合燃料。
進(jìn)一步，如上所述的采用壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的水堆，其中，所述采用富集度高于0. 714%的鈾的化合物，或者钚化合物和貧化鈾化合物的混合燃料的燃料組件的燃料棒的上下兩端0 40cm段采用的核燃料可為天然鈾或壓水堆乏燃料經(jīng)后處理后得到的殘余鈾核燃料或貧化鈾的化合物核燃料。
更進(jìn)一步，如上所述的采用壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的水堆，其中，對(duì)于棒束燃料組件，減小燃料棒柵的柵距，擠水棒全部插入時(shí)水和核燃料體積比在滿足堆芯燃料循環(huán)之初的設(shè)計(jì)要求的情況下應(yīng)大于0. 1，這種堆芯為“稠密水柵”；擠水棒的數(shù)量及大小由燃料循環(huán)末擠水棒全部拔出堆芯時(shí)，中子有效倍增系數(shù)處在最佳值的堆芯平均水鈾比來決定。
另一種采用壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的水堆，其堆芯中燃料組件采用包覆顆粒燃料元件的套管燃料組件或者由棒束燃料組件和套管燃料組件組成，套管燃料組件包括同軸的外套管、中套管和中心管，中套管和中心管之間的環(huán)形空間內(nèi)裝有由熱解碳、 碳化硅或碳化鋯材料包覆的小球形鈾的化合物或鈾、钚化合物的混合核燃料的包覆顆粒燃料元件，中套管和中心管側(cè)壁上有小孔，其中，相鄰的套管燃料組件的外套管外壁作為外有金屬包殼、內(nèi)有貧化鈾或釷的化合物芯體的擠水棒的導(dǎo)向管，擠水棒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在壓力殼內(nèi)。
本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明適用于壓水堆、超臨界水堆和沸水堆，將驅(qū)動(dòng)大量貧化鈾(或釷)化合物擠水棒組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在壓力殼內(nèi)，避免了這些驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接管段對(duì)壓力殼上封頭的貫穿，使“譜移控制”在不影響壓力殼可靠性的條件下得以實(shí)施，對(duì)超臨界水堆這種方法尤其必要。燃料循環(huán)之初將擠水棒插入燃料組件內(nèi)或其間的導(dǎo)向管， 隨著燃耗加深，逐步將其由導(dǎo)向管中抽出，堆芯平均水鈾比改變引起的反應(yīng)性補(bǔ)償了燃耗引起的負(fù)反應(yīng)性，與調(diào)節(jié)水中硼酸濃度、可燃毒物、以及移動(dòng)中子吸收體控制棒三種方法相比，這種方式提高了“轉(zhuǎn)化比”和“中子經(jīng)濟(jì)”，大量節(jié)省鈾資源、大幅度降低燃料循環(huán)費(fèi)用。
本發(fā)明的另一特征在于堆芯設(shè)計(jì)中采用稠密水柵的燃料組件，部份利用乏燃料經(jīng)后處理后的殘留鈾(通常含或天然鈾化合物燃料，不僅提高擠水棒對(duì)反應(yīng)性控制的能力，而且還進(jìn)一步節(jié)省鈾資源，降低燃料循環(huán)費(fèi)用。燃料組件還可以采用SiC-PyC 一類包復(fù)顆粒燃料組件套管燃料組件，這時(shí)擠水棒組件導(dǎo)向管可布置在套管燃料組件之間。
采用“擠水棒”實(shí)施“譜移控制”，在壓水堆燃耗過程中可明顯降低水中硼酸濃度， 從而，避免了發(fā)生類似美國Davis-Besse壓水堆核電站硼酸對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接管段、壓力殼嚴(yán)重腐蝕問題，提高了安全性。


圖1為水堆的壓力殼內(nèi)安裝水力驅(qū)動(dòng)裝置的示意圖；
圖2為齒槽式水力驅(qū)動(dòng)裝置示意圖；[0021]圖3為圖2的局部放大視圖；
圖4為對(duì)孔式水力驅(qū)動(dòng)裝置示意圖；
圖5為圖4的A-A向視圖；
圖6為棒束擠水棒組件和水力驅(qū)動(dòng)裝置的連接關(guān)系示意圖；
圖7為正方形棒束燃料組件采用橫截面為十字形擠水棒的示意圖；
圖8六角形棒束燃料組件采用橫截面為Y字形擠水棒的示意圖；
圖9為套管燃料組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合
和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
本發(fā)明所提供的壓力殼內(nèi)置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的每根擠水棒具有金屬包殼以及置于其內(nèi)的貧化鈾或釷化合物芯體，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和擠水棒相連，水堆堆芯內(nèi)燃料組件內(nèi)或其間設(shè)有擠水棒導(dǎo)向管，在壓力殼內(nèi)置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下，擠水棒能夠插入或拔出擠水棒導(dǎo)向管，改變堆芯平均水鈾比，調(diào)節(jié)和控制水堆反應(yīng)性。擠水棒的金屬包殼材料為鋯合金、不銹鋼、鎳基合金或鈮基含鋁合金；芯體為板狀、棒狀或環(huán)形貧化鈾或釷的化合物，芯體的具體材料可以為貧化鈾的二氧化鈾、碳化鈾、氮化鈾，或二氧化釷以及其它釷化合物。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以采用壓力殼內(nèi)置驅(qū)動(dòng)控制棒的水力驅(qū)動(dòng)裝置、防水磁力提升裝置或有防水殼的電磁耦合驅(qū)動(dòng)裝置等成熟技術(shù)。壓力殼內(nèi)置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒系統(tǒng)必須統(tǒng)籌考慮壓力殼內(nèi)的可用空間和換料的需要，根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)，可以選擇安裝在上部導(dǎo)向管支承板上或下部堆芯支承板上。
圖1給出了對(duì)于壓水堆、超臨界水堆和沸水堆中使用由水力驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的擠水棒的一種布置。如圖1所示，其水力驅(qū)動(dòng)裝置的靜缸2固定在壓力殼1內(nèi)的導(dǎo)向管支承板上，水力驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)缸3設(shè)置在靜缸2內(nèi)側(cè)，動(dòng)缸3下部和擠水棒相連，動(dòng)缸上方設(shè)有超聲波定位系統(tǒng)4。擠水棒的金屬包殼材料為鋯合金、不銹鋼、鎳基合金或鈮基含鋁合金；芯體為板狀、棒狀或環(huán)形貧化鈾或釷的化合物，芯體的具體材料可以為貧化鈾的二氧化鈾、碳化鈾、氮化鈾，或二氧化釷以及其它釷化合物?！柏毣櫋睘楸绢I(lǐng)域的通用表述形式，一般指鈾在濃縮過程的尾料。
德國在發(fā)展低溫供熱堆過程中，為驅(qū)動(dòng)控制棒開發(fā)的齒槽式水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)適用于驅(qū)動(dòng)擠水棒，它由齒槽式步進(jìn)缸、控制單元及循環(huán)泵組成，齒槽式步進(jìn)缸包括動(dòng)缸5和靜缸 6，動(dòng)缸5套在靜缸6外側(cè)，擠水棒7固定在動(dòng)缸5的外壁，其中，靜缸6的下端與壓力殼下部的堆芯支承板8相連接，見圖2、圖3?？刂茊卧斜３滞ǖ?、上升通道和下降通道等三個(gè)通道，每個(gè)通道由電磁閥和阻力節(jié)組成。循環(huán)泵由壓力殼內(nèi)取水，通過控制單元的保持通道向齒槽式步進(jìn)缸內(nèi)提供一定的保持流量，在齒槽對(duì)準(zhǔn)的情況下該流量通過齒槽段的阻力所形成的缸內(nèi)外壓差正好平衡動(dòng)缸以及擠水棒的重力和浮力，擠水棒保持不動(dòng)。當(dāng)通過上升通道的電磁閥打開向齒槽式步進(jìn)缸內(nèi)提供額外的脈沖流量時(shí)，齒槽段的阻力增大，缸內(nèi)外的壓差增大，擠水棒向上運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，由于齒槽對(duì)不準(zhǔn)了，阻力更大，一直上升到槽與下一個(gè)齒逐步對(duì)上，阻力逐步減小，上升通道電磁閥關(guān)閉，所提供的脈沖流量這時(shí)結(jié)束，擠水棒完成了向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒距。當(dāng)控制單元的下降通道脈沖式旁路一部分向齒槽式步進(jìn)缸內(nèi)提供的保持流量時(shí)，擠水棒可以向下運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒距。當(dāng)控制單元的下降通道長時(shí)間旁路向齒槽式步進(jìn)缸內(nèi)提供的保持流量時(shí)，擠水棒可以一次性下降到底。需要說明的是該系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，很容易做到允許保持流量有士50%的偏差。
清華大學(xué)核能院供熱堆控制棒使用的是對(duì)孔式控制棒水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由對(duì)孔式步進(jìn)缸、控制單元及循環(huán)泵組成。對(duì)孔式步進(jìn)缸安裝在供熱堆壓力殼內(nèi)，適用于驅(qū)動(dòng)擠水棒。它由對(duì)孔式步進(jìn)缸、脈沖閥、電磁閥及循環(huán)泵組成。對(duì)孔式步進(jìn)缸由兩層同心套管組成， 如圖4、圖5所示，內(nèi)管(靜缸)9上有多排孔11，外管(動(dòng)缸)10上只有一排孔12，具有鋯合金包殼以及貧化鈾(或釷)化合物芯體的擠水棒13固定在對(duì)孔式步進(jìn)缸的外管(動(dòng)缸)10 上。壓力殼內(nèi)一回路水由內(nèi)管經(jīng)過兩層管上的孔洞流出，內(nèi)管孔與外管孔重合對(duì)準(zhǔn)時(shí)由缸內(nèi)流出的流動(dòng)阻力最小，管內(nèi)形成的水壓也最小，內(nèi)管孔與外管孔偏離時(shí)阻力加大，管內(nèi)壓力隨重合程度的減小而增大。與齒槽式水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一樣，當(dāng)控制單元提供保持流量、額外的脈沖流量、脈沖式旁路一部分保持流量或長時(shí)間旁路保持流量時(shí)，動(dòng)缸相應(yīng)保持在某一位置、上升一個(gè)孔距、下降一個(gè)孔距或一次性下降到底。該系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及所采用的超聲波定位系統(tǒng)也在運(yùn)行中得到了考驗(yàn)。這兩種水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都具有失事安全能力，失去電源、 循環(huán)泵停止、管路破口等事故狀態(tài)擠水棒都能靠自重插入堆芯。另外，阿根廷CAREM水堆設(shè)計(jì)采用的安裝在壓力殼內(nèi)的控制棒水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，原則上也可用以驅(qū)動(dòng)擠水棒組件。
日本一體化小型船用堆MRX的控制棒采用了壓力殼內(nèi)安裝的電磁滾珠螺桿型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鎖閂電磁鐵、可分離滾珠螺母等組成。通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)軸上面與螺桿連接的控制棒上下升降移動(dòng)。緊急停堆時(shí)，通過另外電路使鎖閂電磁鐵失電消磁，帶動(dòng)可分離滾珠螺母脫離螺桿，螺桿連同控制棒靠自重迅速插入堆芯；驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸上面連接的控制棒自動(dòng)插入堆芯。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原則上也可用于驅(qū)動(dòng)連接到驅(qū)動(dòng)軸上面的擠水棒。
日本LSBWR沸水堆研發(fā)了一種安裝在壓力殼內(nèi)上部的控制棒電磁耦合驅(qū)動(dòng)裝置， 由控制棒驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，緊急停堆的鎖閂機(jī)構(gòu)，位置指示器和電磁耦合器組成。運(yùn)作電磁耦合器時(shí)，沒有連線就可以把控制信號(hào)和電力從壓力殼外傳到壓力殼內(nèi)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，裝置的電磁線圈由陶瓷材料所包復(fù)，能耐高溫。這種原理的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原則上也可用以驅(qū)動(dòng)擠水棒組件。
如圖6所示，對(duì)于棒束燃料組件，可采用棒束擠水棒14，其導(dǎo)向管可安裝在棒束燃料組件內(nèi)某些燃料棒棒位上；如圖7所示，在正方形棒束燃料組件15之間或中央可安裝十字形導(dǎo)向管16，采用橫截面為十字形擠水棒17 ；如圖8所示，在六角形棒束燃料組件18之間可安裝Y字形導(dǎo)向管19，采用橫截面為Y字形擠水棒20 ；對(duì)于沸水堆，相鄰燃料組件的組件盒外壁可用作為導(dǎo)向管。在套管燃料組件呈三角形排列的堆芯中，相鄰的套管燃料組件外套管的外壁可以作為橫截面為Y字形擠水棒的導(dǎo)向管；呈正方形排列的堆芯中，相鄰的套管燃料組件外套管的外壁可以作為橫截面為十字形擠水棒的導(dǎo)向管，導(dǎo)向管材料可為鋯合金、不銹鋼、鎳基合金或鈮基含鋁合金。
實(shí)施例一
在一個(gè)IOOOMwe壓水堆的壓力殼內(nèi)，堆芯六角形棒束燃料組件內(nèi)和六個(gè)角點(diǎn)上分別安裝外有鋯合金包殼、內(nèi)有貧化二氧化鈾芯體的擠水棒棒束和橫截面為Y字形擠水棒， 它們分別連接在壓力殼內(nèi)置水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)缸上，其靜缸固定在導(dǎo)向管支承板上，在燃料循環(huán)之初將貧化二氧化鈾擠水棒插入堆芯燃料組件，燃耗過程中分步將其抽出，通過改變堆芯平均水鈾比，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的反應(yīng)性譜移控制，從而大幅度降低運(yùn)行期間壓水堆一回路水的硼濃度，(只有在冷停堆時(shí)才需要提高水中硼的濃度)；大幅度減少燃料元件中為補(bǔ)償反應(yīng)性添加的可燃毒物量；取代全部或大部分現(xiàn)有壓水堆中壓力殼上封頭上設(shè)置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的有控制材料芯體的補(bǔ)償棒組件。
堆芯由163個(gè)六角形燃料組件組成，中心距25. km，堆芯采用低中子泄漏燃料布置，平衡循環(huán)時(shí)裝入堆芯兩種燃料組件，次內(nèi)一圈為(如富集度4. 5%)新裝入的棒束燃料組件，內(nèi)有292根外直徑0. 91cm、Zr-4包殼厚0. 0685cm、U02芯塊直徑0. 757cm(內(nèi)孔直徑 0. 23cm)的燃料棒，三角形柵距1. 185cm，構(gòu)成稠密柵，組件內(nèi)有18根棒束擠水棒導(dǎo)向管，測(cè)量管一根；在六角形燃料組件的角點(diǎn)之間的水隙中設(shè)有橫截面為Y字形的擠水棒，擠水棒翼厚0. 8cm, Zr包殼厚0. Icm,貧化二氧化鈾厚0. 6cm,擠水棒翼寬12cm。中心區(qū)通常呈“棋盤式”布置，裝入經(jīng)過一個(gè)燃料循環(huán)的新裝入的燃料組件和天然二氧化鈾或乏燃料后處理殘留的二氧化鈾棒束燃料組件，后者內(nèi)設(shè)有外直徑1. 308cm、Zr-4包殼厚度0. 0419cm、U02 芯塊直徑1. 22cm的燃料棒，三角形柵距1. 43km，構(gòu)成的稠密水柵，組件內(nèi)有18根棒束擠水棒導(dǎo)向管，測(cè)量管一根；在六角形燃料組件的角點(diǎn)之間的水隙中設(shè)有橫截面為Y字形的擠水棒，擠水棒翼厚0. 8cm, Zr包殼厚0. Icm,貧化二氧化鈾厚0. 6cm,擠水棒翼寬12. Ocm0最外圈基本上布置經(jīng)過兩個(gè)燃料循環(huán)的新裝入的燃料組件，換料時(shí)卸出中子有效倍增系數(shù)最低的燃料組件。由六角形燃料組件盒的中心位置和六個(gè)角分別安裝的壓力殼內(nèi)水力驅(qū)動(dòng)裝置將組件內(nèi)棒束擠水棒組件和六個(gè)角的橫截面為Y字形擠水棒組件(由相鄰三個(gè)組件中最外圈擠水棒的一半組成)插入或拔出導(dǎo)向管，從而改變堆芯中水和二氧化鈾體積比的平均值。采用“富集度高”的棒束燃料組件，燃料棒兩端0-40cm段采用天然二氧化鈾或乏燃料后處理殘留的二氧化鈾芯塊，其余燃料組件活性段采用富集度高于0. 714%的鈾的化合物， 或者钚化合物和貧化鈾化合物的混合燃料。
對(duì)于棒束燃料組件，具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減小燃料棒柵的柵距，擠水棒全部插入時(shí)水和核燃料體積比在滿足堆芯燃料循環(huán)之初的設(shè)計(jì)要求的情況下應(yīng)盡可能小，但應(yīng)大于0. 1，這種堆芯為“稠密水柵”；擠水棒的數(shù)量及大小由燃料循環(huán)末擠水棒全部拔出堆芯時(shí)，中子有效倍增系數(shù)處在最佳值的堆芯平均水鈾比來決定。
采用這種技術(shù)改造，明顯降低運(yùn)行過程中水中硼酸濃度和堆中可燃毒物量，提高了安全性，同時(shí)，節(jié)約大量核燃料、降低燃料循環(huán)成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
實(shí)施例二
在一個(gè)已運(yùn)行的IOOOMwe壓水堆的壓力殼內(nèi)，堆芯正方形棒束燃料組件四個(gè)角點(diǎn)位置上安裝水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的十字形擠水棒組件，擠水棒由鋯包殼和其內(nèi)的貧化二氧化鈾芯體組成，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的反應(yīng)性譜移控制，同時(shí)，保留原有的固體控制棒組件及其電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。堆芯由157個(gè)21. 45cm X 21. 45cm正方形燃料組件組成，柵距1. 26cm, 289(17X 17) 根棒位，有控制棒的燃料組件，其中燃料棒264根，1根測(cè)量管，24根控制棒導(dǎo)管各占1 根燃料棒位置，在燃料組件四角上設(shè)橫截面為十字形擠水棒組件，擠水棒翼厚0. 8cm, Zr包殼厚0. 1cm，貧化二氧化鈾厚0. 6cm，擠水棒翼寬10cm。水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上、下移動(dòng)十字形擠水棒組件時(shí)，擠水棒將同步分別插入或拔出相鄰的四個(gè)燃料組件周邊的擠水棒導(dǎo)向管，從而改變堆芯平均水鈾比，實(shí)現(xiàn)“譜移控制”。
堆芯采用低泄漏燃料布置，最外圈為中子有效倍增系數(shù)最低的燃料組件，新裝入堆芯的燃料組件放在次內(nèi)圈，中心區(qū)通常呈“棋盤式”布置經(jīng)過一個(gè)燃料循環(huán)的新裝入的燃料組件或富集度低(包括天然二氧化鈾或乏燃料后處理殘留的二氧化鈾)的燃料組件。在燃料循環(huán)之初將貧化二氧化鈾擠水棒插入堆芯的導(dǎo)向管，運(yùn)行過程中分步將其由導(dǎo)向管中抽出，通過改變堆芯平均水鈾比，得到的正反應(yīng)性可以用以補(bǔ)償燃耗引起的反應(yīng)性下降。采用這種技術(shù)改造，可以大致節(jié)約25%的天然鈾消耗量及20%的燃料循環(huán)成本。
實(shí)施例三
在一個(gè)凈電功率IOOMwe (熱功率250Mwt)采用套管燃料組件的超臨界水核反應(yīng)堆 (采用套管燃料組件的超臨界水核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)可以參見中國專利200510055365. 5)，內(nèi)直徑M5cm的低碳鐵素體壓力容器內(nèi)壁堆焊有不銹鋼覆蓋層，壁厚20. Ocm,能承受設(shè)計(jì)壓力 27. 5Mpa，超臨界水運(yùn)行壓力25Mpa，堆芯活性區(qū)等效直徑為133cm，堆芯有19根呈三角形排列的套管燃料組件，套管燃料組件的結(jié)構(gòu)如圖9所示，它包括同軸H 5% Nb外套管21、 合金材料(不銹鋼、鎳基合金或鋁基含鈮合金等材料)的中套管22和中心管23，外套管外半徑13. 8cm、壁厚為0. lcm，外套管內(nèi)半徑為13. 7cm ；三角形排列的管間間隙1. 4cm ；壓力管中心間距^cm ；—個(gè)壓力管柵元的面積為730. Ocm2 ；外套管和中套管之間構(gòu)成進(jìn)口水外流道，中套管和中心管之間的環(huán)形空間內(nèi)裝有外直徑2mm的由多層包覆(SiC-PyC等)的直徑為1. 59mm小球形二氧化鈾燃料組件M，后兩管側(cè)壁上有橢圓形小孔，冷卻劑水在外套管和中套管間入口水外流道內(nèi)由下向上流動(dòng)中逐漸分流，沿徑向穿過中套管壁面小孔、包覆顆粒燃料元件的堆積床和中心管壁面小孔進(jìn)入中心管，從垂直方向向上流出套管燃料組件。在套管組件間有水力驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的橫截面為Y字形的擠水棒，實(shí)現(xiàn)“譜移控制”，擠水棒翼厚0. 8cm, Zr包殼厚0. 05cm，貧化二氧化鈾厚0. 7cm。擠水棒導(dǎo)向管可布置在套管燃料組件之間，也可以用三個(gè)相鄰的套管燃料組件的外套管外壁作為貧化二氧化鈾芯體擠水棒的導(dǎo)向管。超臨界水堆運(yùn)行壓力高，在壓力殼內(nèi)置擠水棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，避免擠水棒對(duì)壓力殼上封頭的貫穿，大大提高了壓力殼的可靠性。同時(shí)，大量節(jié)約天然鈾消耗量及燃料循環(huán)成本， 經(jīng)濟(jì)效益明顯。
對(duì)于沸水堆，擠水棒組件的布置形式可以參照壓水堆進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，相鄰燃料組件的組件盒外壁可用作為擠水棒導(dǎo)向管，本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以實(shí)現(xiàn)，此處不再進(jìn)行過多的描述。
考慮到在此公開的對(duì)本發(fā)明的描述和特殊的實(shí)施例，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。這些說明和實(shí)施例僅作為例子來考慮，它們都屬于由所附權(quán)利要求
所指示的本發(fā)明的保護(hù)范圍和精神之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其每根擠水棒內(nèi)有芯體、外有金屬包殼， 采用這種擠水棒組件的水堆的棒束燃料組件內(nèi)部份燃料棒位上或燃料組件之間設(shè)有擠水棒導(dǎo)向管，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下，與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接的擠水棒能被插入或拔出擠水棒導(dǎo)向管， 從而改變堆芯平均水鈾比，改變堆芯能譜，實(shí)現(xiàn)水堆反應(yīng)性的“譜移控制”，其特征在于擠水棒的芯體材料采用貧化鈾或釷的化合物，擠水棒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在水堆壓力殼的內(nèi)部。
2.如權(quán)利要求
1所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其特征在于所述的水堆包括壓水堆、超臨界水堆或沸水堆。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用水力驅(qū)動(dòng)裝置或防水的磁力提升驅(qū)動(dòng)裝置或有防水殼的電磁耦合驅(qū)動(dòng)裝置。
4.如權(quán)利要求
3所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其特征在于當(dāng)采用水力驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，水力驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)缸和擠水棒相連，動(dòng)缸上方設(shè)有超聲波定位系統(tǒng)，水力驅(qū)動(dòng)裝置的靜缸固定在堆芯支承板或?qū)蚬苤С邪迳?，水力?qū)動(dòng)裝置的動(dòng)缸和靜缸的材料為鋯合金或不銹鋼或鎳基合金或鈮基含鋁合金。
5.如權(quán)利要求
1或2所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其特征在于采用橫截面為十字形的擠水棒時(shí)，在正方形燃料組件之間或中央安裝十字形導(dǎo)向管；采用橫截面為Y字形擠水棒時(shí)，在六角形燃料組件之間安裝Y字形導(dǎo)向管；有組件盒的燃料組件的組件盒的外壁，或套管燃料組件的外套管的外壁能夠起導(dǎo)向管的作用，導(dǎo)向管的材料為鋯合金或不銹鋼或鎳基合金或鈮基含鋁合金。
6.如權(quán)利要求
1或2所述的壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件，其特征在于所述的擠水棒的金屬包殼的材料為鋯合金或不銹鋼或鎳基合金或鈮基含鋁合金；包殼內(nèi)有貧化鈾或釷的化合物的板狀、棒狀或環(huán)形芯體。
7.一種采用壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的水堆，水堆的棒束燃料組件內(nèi)部份燃料棒位上或燃料組件之間設(shè)有擠水棒導(dǎo)向管，每根擠水棒內(nèi)有芯體、外有金屬包殼，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下，與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接的擠水棒能夠插入或拔出擠水棒導(dǎo)向管，從而改變堆芯平均水鈾比，改變堆芯能譜，實(shí)現(xiàn)水堆反應(yīng)性的“譜移控制”，其特征在于擠水棒的芯體材料采用貧化鈾或釷的化合物，擠水棒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在水堆壓力殼的內(nèi)部；水堆堆芯裝載的部份燃料組件采用天然鈾或乏燃料經(jīng)后處理后得到的殘余鈾和貧化鈾的化合物核燃料， 其余燃料組件采用富集度高于0. 714%的鈾的化合物，或者钚化合物和貧化鈾化合物的混合燃料。
8.如權(quán)利要求
7所述的采用壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的水堆，其特征在于所述采用富集度高于0.714%的鈾的化合物，或者钚化合物和貧化鈾化合物的混合燃料的燃料組件的燃料棒的上下兩端0 40cm段采用的核燃料為天然鈾或壓水堆乏燃料經(jīng)后處理后得到的殘余鈾核燃料或貧化鈾的化合物核燃料。
9.如權(quán)利要求
7或8所述的采用壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的水堆，其特征在于對(duì)于棒束燃料組件，減小燃料棒柵的柵距，擠水棒全部插入時(shí)水和核燃料體積比在滿足堆芯燃料循環(huán)之初的設(shè)計(jì)要求的情況下應(yīng)大于0. 1，這種堆芯為“稠密水柵”；擠水棒的數(shù)量及大小由燃料循環(huán)末擠水棒全部拔出堆芯時(shí)，中子有效倍增系數(shù)處在最佳值的堆芯平均水鈾比來決定。
10. 一種采用壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件的水堆，其堆芯中燃料組件采用包覆顆粒燃料元件的套管燃料組件或者由棒束燃料組件和套管燃料組件組成，套管燃料組件包括同軸的外套管、中套管和中心管，中套管和中心管之間的環(huán)形空間內(nèi)裝有由熱解碳、碳化硅或碳化鋯材料包覆的小球形鈾的化合物或鈾、钚化合物的混合核燃料的包覆顆粒燃料元件，中套管和中心管側(cè)壁上有小孔，其特征在于相鄰的套管燃料組件的外套管外壁作為外有金屬包殼、內(nèi)有貧化鈾或釷的化合物芯體的擠水棒的導(dǎo)向管，擠水棒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在壓力殼內(nèi)。
專利摘要
本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆工程領(lǐng)域，具體涉及由壓力殼內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擠水棒組件及采用該組件的水堆，通過貧化鈾(或釷)化合物擠水棒來實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆的“譜移控制”，補(bǔ)償燃耗過程中反應(yīng)性的下降，同時(shí)采用“稠密水柵”和部份利用天然鈾、乏燃料后處理的殘余鈾化合物燃料，大幅度節(jié)省核燃料，降低燃料循環(huán)費(fèi)用。本發(fā)明將驅(qū)動(dòng)大量擠水棒組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在壓力殼內(nèi)，避免了這些驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接管段對(duì)壓力殼上封頭的貫穿，使“譜移控制”在不影響壓力殼可靠性的條件下得以實(shí)施，對(duì)壓水堆還可降低運(yùn)行過程中水中的硼濃度，避免出現(xiàn)硼酸對(duì)貫穿壓力殼上封頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接管段和上封頭的嚴(yán)重腐蝕問題，降低“彈棒事故”的可能性，提高安全性。
文檔編號(hào)G21C7/27GKCN101656112SQ200910119756
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2009年3月26日
發(fā)明者張育曼, 李玉崙, 趙翊民 申請(qǐng)人:張育曼, 李玉崙, 趙翊民導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (7), 非專利引用 (2),