專利名稱:一種減少端部反應性當量的核反應堆控制棒的制作方法
總的說來，本發(fā)明與核反應堆有關，更具體地說是旨在提出一種改進型的控制棒，聯(lián)同核燃料組件一起供在壓水反應堆內使用。
在大多數(shù)核反應堆內，堆芯部分是由許多細長的燃料元件或燃料棒組成的。它們分成許多組，并用支架加以支撐，整個稱為燃料組件。通常，燃料組件是細長的，兩端由堆芯上下橫向支撐板支撐和對中定位。通常設計的這些燃料組件包括有許多燃料棒和空心管或導向套管，它們借助沿燃料組件長度方向配置的柵格板形成規(guī)則的列陣。這些柵格板與導向套管連接在一起。兩端處的頂部管嘴和底部管嘴又固定在導向套管上，從而形成一個完整的燃料組件。通常在大多數(shù)反應堆內，液態(tài)冷卻劑(如水)是從堆芯下支撐板處的孔板口向上流經(jīng)各燃料組件，從中吸收熱能。
控制堆芯反應堆的一種方法是采用中子吸收元件或棒，通常稱為“控制棒”。在由Donald J.Hill申請獲準的美國專利4，326，919號中，可以見到配置在燃料組件內控制棒的一種常規(guī)布置。其中，控制棒排成固定的列陣，在其上端用星形裝置支撐，然后星形裝置再與控制棒驅動機構相連，從而控制棒能垂直地在燃料組件的中空導向套管中提升和下降(認為是一種步進動作)。按這種裝配采用的典型控制棒結構是形成一種細長的金屬管或包殼，在管內放上中子吸收材料，兩頭用端部塞塊將吸收材料密封在管內。一般說來，中子吸收材料是由緊密疊放的一摞陶瓷或金屬芯塊構成，這些芯塊僅是部分地充滿管內，在芯塊頂部和上端塞塊之間留有空間或軸向間隙，形成一腔室，容納控制棒運行期間產生出來的氣體。在該腔室內配置一個盤簧，并使其在上端塞塊和頂部芯塊之間處于受壓狀態(tài)，以便在控制棒步進運動期間保持該摞芯塊能緊密地排列在一起。
導向套管的內徑通常選為燃料組件柵格允許的最大值，以便能在其中插入最大可能直徑的控制棒。希望最大限制地增大控制棒內吸收劑芯塊的直徑，這是因為控制棒的吸收效率非常強烈地依賴于芯塊的表面積，特別是在熱中子反應堆內。鑒于這種原因和為了增強熱交換，通常在吸收劑芯塊和控制棒包殼(包蓋層)之間以及控制棒和其導向管之間留有狹小的間隙。
通常，控制棒正常運行是由驅動機構的幾步小增量動作組成，例如每步0.6英吋。當控制棒運動時，在鄰近控制棒端處芯塊內功率有一階躍增加(中子通量突然變化)。芯塊功率的這種增加會造成芯塊向包殼熱膨脹，引起包殼內有一相當高的拉應變率。這樣，加上對芯塊內側的化學侵蝕，會使芯塊與包殼發(fā)生相互作用(PCI)。PCI可能損害或破壞包殼的功率，甚至使控制棒破裂，這一切會造成控制棒過早的失效，因而縮短了使用壽命。
在由Anthony等人申請獲準的美國專利4，172，762號中，已認識到中子通量密度引起的控制棒早期失效。Anthony等人解決該問題的辦法是設計了一種控制棒，其下端芯塊的半徑小于其它芯塊的半徑，而且芯塊包上一層線性可壓縮性的襯套，足以承受端部芯塊因輻照引起的徑向膨脹，而不造成包殼有過量的應變。為了達到他們的目標，他們建議襯套用海綿狀347號不銹鋼材料做成。密度為理論密度的22.59。為了做成這樣，棒端部處(碳化硼)芯塊的直徑必須小一些，以便園柱形的海綿狀襯套能夠插在包殼(內徑)和碳化硼芯塊(外徑)之間。雖然這種設計可能有它的好處，但要求某些芯塊的直徑比其它芯塊直徑小一些，而且又附加了一層額外的襯套，這不僅加大了材料費用，而且增加了制造步驟，需要更多的時間，從而造成控制棒更為昂貴。
在美國專利號3，230，147和3，255，086中，雖然Hitchcock沒有特別注意到芯塊與包殼的相互作用(PCI)問題，但他提出了兩種不同的控制棒設計，從核觀點來看，這些設計在控制徑向峰值因子方面可以認為是類似于移動式的可燃毒物棒。在一種設計中，棒是錐形的或者從一端到另一端是有錐度的，造成中子吸收能力是逐漸變化的。這樣，控制棒的運動在核反應堆堆芯結構中不會形成反應性大的階躍變化的區(qū)域。在另一種設計中，棒是由四節(jié)串接組成，其中子吸收能力從一節(jié)到下一節(jié)逐一加大，以便形成錐度效應。在這兩種設計中，基本槪念是控制棒長度必須兩倍于錐芯高度，使控制棒既能通過錐芯底部插入，也能從堆芯頂部抽出。現(xiàn)今壓水反應堆(PWR)并不設計成控制棒從反應堆芯部底板下面伸出。此外，在HitChCoCk設計中，控制棒的下部由不同吸收劑材料(薄壁硼鋼、厚壁硼鋼和軟鋼)做成，上部裝上硼石墨。實際上，硼鋼和軟鋼將在短時間內變脆，所以從材料觀點看這種設計是不現(xiàn)實的。更進一步，下面部分充上水，會造成其特性像“中子通量阱”裝置。除去上述這些缺點外，此種控制棒設計結構復雜，制造昂貴。
因此，本發(fā)明的基本目的是提供一種適于壓水反應堆內采用的控制棒，不僅結構簡單，而且制造費用低，此外還能減輕芯塊和包殼的相互作用(PCI)，從而延長控制棒的使用壽命。
以這個為目標，本發(fā)明是關于在燃料組件內配置的核反應堆控制棒，以便控制棒從燃料組件撥出或插入來控制反應堆的反應性?？刂瓢舭ㄒ粋€細長的管狀包殼，兩端是封閉的，其中裝有中子強吸收材料芯塊。其特點是在該包殼一端部有中子弱吸收能力的惰性材料芯塊填充在上述中子強吸收芯塊之間，因而當控制棒在燃料組件內插入和撥出時，在該包殼上述一端處中子通量所發(fā)生的變化率能逐漸下降，從而減少控制棒失效的可能性。
中子吸收芯塊和惰性芯塊一般是園柱形的，直徑通常彼此相等。在一種具體方案中，中子吸收芯塊的軸向高度從控制棒端部的下部向上逐漸加大，而在中子吸收芯塊之間填充的惰性芯塊有相等的軸向高度。在第二種具體方案中，惰性芯塊的軸向高度從控制棒端部的下部向上逐漸減小，而在惰性芯塊之間填充的中子吸收芯塊有相等的軸向高度。
下面就附圖所示的一種最佳實施方案加以說明(僅示例而已)，從中可更清楚地了解本發(fā)明圖1是傳統(tǒng)的核燃料組件局部斷面正視圖。
圖2是星形裝置及其相連接的控制棒當從圖1所示的燃料組件中移出時的正視圖。
圖3是沿圖2的3-3切面看控制棒下端部分放大了的剖面圖。
圖4類似于圖3，表示了本發(fā)明的另一種具體方案，其中惰性芯塊的軸向高度在控制棒下端部分內從其下部到上部逐漸減小，而填充在其間的中子吸收芯塊有相等的軸向高度。
現(xiàn)在看一下各圖，特別是圖1表示了一組傳統(tǒng)的燃料組件的正視圖，其垂直方向是被壓縮了的，通常用數(shù)字10表示燃料組件。燃料組件10是壓水反應堆中采用的一種類型的燃料組件，主要包括一個下端結構或底部管嘴12，它將組件支撐在反應堆堆芯區(qū)域(圖上沒有表示出)的下堆芯板(圖上沒有表示出)上;若干從底部管嘴12向上伸出的縱向導管或導向套管14;幾個橫向柵格板16，它們沿導向套管14軸向相距配置;規(guī)則排列的細長燃料棒18，它們由柵格板16橫向隔開和支撐;一個位于燃料組件中央的儀表管20;一個上端結構或頂部管嘴，通常用數(shù)字22表示，它連到導向套管14的上端，形成一個完整的組件，因而能夠方便地加以操作，而不損壞組件的部件。
頂部管嘴22包括一個橫向的轉向板24，它有直立的側壁26(正面壁部分地被剖開了)固定在周邊上，形成一個保護罩或外罩。環(huán)狀法蘭28固定到側壁26的頂部。為了防止冷卻劑向上流動造成燃料組件的水力提升，同時又能允許由于堆芯熱膨脹等造成燃料組件長度上的變化，用彈簧片(圖上沒有表示出)適當?shù)貕壕o環(huán)狀法蘭28，彈簧片按常規(guī)方式與上堆芯板(圖上沒有表示出)組裝在一起。在由頂部管嘴22的環(huán)狀法蘭28構成的空腔內配置了一個常規(guī)的星形裝置，一般用數(shù)字30表示，它有若干徑向筋肋32與控制棒34的上端相連接，控制棒可以通過燃料組件10的導向套管14插下去。星形裝置30連接到控制棒驅動機構上(圖上沒有表示出)，它能按很熟悉的方式以較小增量的行程(約0.6英吋)在導向套管14內插入和撥出控制棒34，控制反應堆的反應性。因為燃料組件10和星形裝置30不構成本發(fā)明的組成部分，因而沒有給出進一步的描述，而只是為以實例說明問題為目的，表示出控制棒34使用時的運行環(huán)境，控制棒才是本發(fā)明所討論的題目。關于燃料組件10和星形裝置30更詳細的描述可以參考上述Hill專利(美國專利4，326，919號)。
按本發(fā)明的原理，控制棒34設計成當控制棒在燃料組件10的導向套管14插入和撥出步進運動時，盡可能地減小并從而防止控制棒端部附近芯塊內功率(中子通量)的突然變化。在設計對控制棒端部的吸收劑材料采用了一種特殊的排列，以便減小芯塊與包殼的相互作用，從而降低控制棒早期失效的可能性。
現(xiàn)在看一下圖2、圖3和圖4，圖中詳細地描述控制棒34的結構。因為每一根棒是一樣的，所以下面的描述僅說明圖2中央所示的那根棒的結構。廣義地說，控制棒34包括一個細長的薄壁的金屬管或包殼36(有時稱包復層)，以及分別用來塞住和密封住包殼36兩端的上端塞塊38和下端塞塊40。棒包殼36傾向采用普通固定直徑的不銹鋼，上端塞塊38有一段向上展伸且呈完整形式的桿，頭上帶有外螺紋(圖上沒有表示出)，按常規(guī)方式與星形裝置30的徑向筋肋32的外端部相連接。下端塞塊40是園錐形的。一摞緊密疊放在一起的芯塊可以滑動地裝到包殼36內，并支承在下端塞塊40上(具體的排列和其特性將在下面簡要描述)，這些芯塊僅部分地填充包殼，在芯塊的頂部與上端塞塊38之間留有一空間或軸向間隙，形成一腔室42，容納控制棒運行期間產生出來的氣體。習慣上，盤簧44放在該腔室42內，并使其在上端塞塊與頂部芯塊之間處于受壓狀態(tài)，因而在控制棒34步進運動時能保持該摞芯塊緊密地排列在一起。
如上所述，控制棒34內含有一摞或許多芯塊，它們頭尾相銜接地排列在一起，其中控制棒下端部分的芯塊(下面用34a表示)具有特殊排列，以便當控制棒34在燃料組件10的導向套管14內提升和下降時減小芯塊與包殼的相互作用。更具體地說，如圖3表示了本發(fā)明的一種具體方案，而圖4表示了本發(fā)明的第二種具體方案，棒的下端部分34a包括了第一種類型的第一種芯塊和第二種類型的第二種芯塊，兩種芯塊都頭尾相銜接地排列在包殼36內。一種類型的芯塊，即芯塊46，最好用通常有中子吸收能力的材料做成，例如芯塊化的碳化硼B(yǎng)4C，而另一種類型的芯塊，即芯塊48，通常用中子弱吸收能力的惰性材料如ZrO2做成。在該控制棒34的下端部分34a內，由不同類型的芯塊，即吸收劑芯塊46和惰性芯塊48彼此相間地排列在一起，而控制棒34的其余部分(即下端部分34a之上)僅包含如圖2、圖3和圖4中所示的吸收劑芯塊46。
芯塊46、48在棒的下端部分34a按另一種順序排列就使端部的反應性當量減少，造成控制棒一部分(下端部分34a)的中子吸收能力較低于控制棒其余部分的中子吸收能力。這里所用“反應性當量減少”一語包含了中子吸收能力的階躍變化以及中子吸收能力的逐漸變化。芯塊在控制棒下端部分34a內這種不同排列，就變?yōu)楫斂刂瓢羯仙拖陆禃r所控制的反應性按線性增加或減少的方式變化，而且當控制棒在燃料組件10內撥出和插入運動時，造成棒下端部分34a處中子通量變化率逐漸下降的總效應。這種設計結構防止了反應性急劇的和突然的變化，從而減少了芯塊與包殼的相互作用的可能性，按以前工藝設計造成的早期控制棒失效也減少了。
吸收劑芯塊46和惰性芯塊48最好是園柱形的，吸收劑芯塊46的直徑一般是彼此相等的，通常也等于惰性芯塊的直徑。惰性芯塊一般也有相同的直徑。在控制棒下端部分34a內的另一些芯塊46、48的軸向高度，一般可以是相同的或者有固定的數(shù)值，但是最好只是改變一種類型芯塊的軸向高度，而另一種填充的芯塊仍一般有固定的軸向高度。圖3所示的具體方案中，吸收劑芯塊46的軸向高度在控制棒下端部分34a內從其下部到上部逐塊增加，而在吸收劑芯塊46之間填充的惰性芯塊48一般有相同的軸向高度。而圖4所示的具體方案中，惰性芯塊48的軸向高度在控制棒下端部分34a內從其下部到上部逐塊減小，而填充在惰性芯塊48之間的吸收劑芯塊46一般有相同的軸向高度。
權利要求
1.在燃料組件內配置核反應堆控制棒，以便能在燃料組件內插入和撥出，控制反應堆的反應性，控制棒的組成是細長的管狀包殼，兩頭是封閉住的，其內裝有中子強吸收材料的芯塊，其特征是在包殼的一端部用中子弱吸收能力的惰性材料芯塊填充在上述這些中子強吸收芯塊之間，以便逐漸降低當控制棒從燃料組件插入和撥出時在上述包殼的上述端部處造成的中子通量變化率，從而減少控制棒失效的可能性。
2.根據(jù)權利要求
1的控制棒，其中上述芯塊的軸向高度逐塊變化。
3.根據(jù)權利要求
1的控制棒，其特征是中子吸收材料芯塊為園柱形，且所有芯塊有同樣的直徑，惰性材料的芯塊也是園柱形的，并有同樣的直徑。
4.根據(jù)權利要求
3的控制棒，其特征是中子吸收材料的芯塊和惰性材料芯塊的直徑一般是相等的。
5.根據(jù)權利要求
1或2的控制棒，其特征是上述中子強吸收芯塊的軸向高度在上述控制棒端部內從其下部到上部逐漸增加。
6.根據(jù)權利要求
5的控制棒，其特征是填充在上述中子強吸收芯塊之間的惰性芯塊有相等的軸向高度。
7.根據(jù)權利要求
1或2的控制棒，其特征是上述惰性芯塊的軸向高度在上述控制棒端部內從其下部到上部逐漸減小。
8.根據(jù)權利要求
7的控制棒，其特征是填充在上述惰性芯塊的強中子吸收芯塊一般有相等的軸向高度。
9.根據(jù)權利要求
1至8中任一項的控制棒，其特征是上述中子強吸收材料是碳化硼，而上述中子弱吸收材料是ZrO2。
專利摘要
一種減少端部反應性當量的控制棒供核反應堆采用。它包括一個細長的管狀包殼，兩端是封閉住的，其中下端部分由中子吸收材料(例如B
文檔編號G21C7/00GK85105559SQ85105559
公開日1987年1月28日 申請日期1985年7月20日
發(fā)明者普拉泰普·基拉昌德·多謝, 約翰·弗郎西斯·威爾森 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan