專利名稱:沸水反應(yīng)堆的一種改進(jìn)型控制棒的制作方法
本發(fā)明一般地涉及核反應(yīng)堆的控制棒，特別是涉及一種具有改進(jìn)的結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的吸收材料分布方式的控制棒。它降低了控制棒內(nèi)的拉應(yīng)力，并提供一種補(bǔ)償能力低的控制棒端部，該端部暴露在與控制棒裝在一起的燃料組件的各根燃料棒中。
在反應(yīng)堆底部，把控制棒從堆芯內(nèi)的燃料組件中插入和抽出，是沸水堆(BWR)這類核反應(yīng)堆控制輸出功率和堆芯內(nèi)的功率分布的一般方法。在沸水堆中，每一個(gè)燃料組件包含許多根燃料棒向反應(yīng)堆提供核燃料，其型式是，在一根兩端密封的細(xì)長(zhǎng)包復(fù)管中排列著一組頭尾相接的燒結(jié)芯塊。燃料組件的典型組合方式為四個(gè)一組，每一組裝有一根控制棒。在人們熟知的一種設(shè)計(jì)中(如美國(guó)專利U.S.4，285，769中的一個(gè)例子)，控制棒的橫截面形狀為十字形，并帶有四個(gè)葉片，當(dāng)控制棒插入到燃料組件中時(shí)，控制棒的葉片就位于相鄰的兩個(gè)燃料組件之間的空間中，每一圍繞著控制棒的四個(gè)燃料組件一般地稱作反應(yīng)堆芯的一個(gè)燃料柵元。
沸水反應(yīng)堆中，具有十字形截面的控制棒通常是用碳化硼粉末作中子吸收材料的，碳化硼粉通過振動(dòng)方法緊密地裝入到小直徑不銹鋼管中，每一個(gè)控制棒葉片外面有一個(gè)不銹鋼護(hù)套，它們呈十字形排列，在運(yùn)行時(shí)，控制棒通過液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械，以分步增加的方式(例如6吋步長(zhǎng))垂直向下移動(dòng)，來增加反應(yīng)堆功率。
這種結(jié)構(gòu)的控制棒忌諱兩點(diǎn)(1)不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂(SCC);(2)燃料芯塊與包殼間的相互作用(PCI)、一方面，SCC是由于裝有碳化硼粉的不銹鋼管子中相當(dāng)高的拉應(yīng)力引起的。拉應(yīng)力是由于如下幾種情況產(chǎn)生的(1)壓實(shí)振動(dòng)密實(shí)的碳化硼粉末時(shí);(2)由于幅射導(dǎo)致生成氦氣，由此而造成的內(nèi)壓力;(3)幅射導(dǎo)致粉末膨脹。SCC時(shí)常引起管子破裂，使控制棒中的碳化硼粉漏失。另一方面，PCI是由于控制棒端頭附近的包復(fù)管內(nèi)的燃料芯塊的功率分步增加時(shí)而引起的。PCI經(jīng)常造成燃料棒包殼穿孔。可以預(yù)料，鄰近控制棒的拐角燃料棒端部的功率增加可達(dá)150%芯塊功率的這種突然增加引起芯塊溫度上升，從而導(dǎo)致芯塊向外徑向膨脹，并與燃料棒的包殼接觸。由此產(chǎn)生的包殼應(yīng)力，加上包殼內(nèi)部的化學(xué)腐蝕，就引起了PCI問題的發(fā)生。
減緩PCI問題的一種方法是，在反應(yīng)堆功率高時(shí)，限制控制棒的運(yùn)動(dòng)。在控制棒可以運(yùn)動(dòng)之前，先通過流體來控制降低功率。第二種方法是在燃料棒內(nèi)部放置一些可以防止PCI發(fā)生的材料。從反應(yīng)堆的實(shí)用效率和燃料的制造費(fèi)用看，這兩種方法都是昂貴的。
上述專利中介紹的控制棒結(jié)構(gòu)，為減緩PCI問題所提出的解決辦法是把控制棒端部制成一個(gè)“灰端”(GREY TIP)，也就是使葉片端部裝碳化硼粉末的垂直管子短一些，或者在葉片端部使用一小段鉿。這樣，該灰端的組成形式是，十字形控制棒的中心整個(gè)長(zhǎng)度上都是吸收材料，而隨著葉片向外延伸，吸收材料的長(zhǎng)度逐漸變短。就單根燃料棒而論，不能把它看成是灰端，當(dāng)控制棒移動(dòng)時(shí)，燃料組件的拐角燃料棒中的芯塊在反應(yīng)性上(即中子通量上)經(jīng)受與用標(biāo)準(zhǔn)控制棒時(shí)同樣大幅度的變化，這是由于在控制棒中心的吸收體管子直徑是同樣的，且端部也充滿吸收材料的緣故。從PCI觀點(diǎn)看，由于拐角燃料棒是限制棒，所以上面引證的專利結(jié)構(gòu)沒有改善PCI問題。另外這一結(jié)構(gòu)對(duì)控制棒中的SCC問題也未能有所補(bǔ)益。在這一結(jié)構(gòu)中還會(huì)出現(xiàn)由于氦氣壓力積累和硼粉的膨脹所造成的拉應(yīng)力(這兩種作用都是由于硼原子吸收中子而產(chǎn)生的)，碳化硼將會(huì)從控制棒中洩漏出來，并因此而限制了棒的壽命。
因而，本發(fā)明的基本目的在于提供一種改進(jìn)的控制棒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)旣能減緩SCC問題，又能減緩PCI問題。
為此，本發(fā)明為沸水反應(yīng)堆提供了一種控制棒結(jié)構(gòu)，它包括如下部分一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的中央芯柱，形成縱向延伸的內(nèi)部氣體的中心通道;數(shù)個(gè)葉片連到上述芯柱上，并從芯柱向外徑向擴(kuò)展;在所述的各片葉片內(nèi)分布有一系列的內(nèi)部空腔，以及排布在上述空腔內(nèi)的一系列中子吸收材料芯塊。這種控制棒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，使上述各個(gè)內(nèi)部空腔與氣體的中心通道相連通，以便在上述芯塊受到輻射時(shí)，它所產(chǎn)生的氣體能從空腔內(nèi)擴(kuò)散到所述的氣體通道中。
也可以用壓制的碳化硼塊代替碳化硼粉，將其置于控制棒的空腔內(nèi)，該空腔設(shè)計(jì)尺寸偏大些，以適應(yīng)輻射作用下的硼的腫脹。通過減小移動(dòng)控制棒時(shí)芯塊功率變化的幅度來減緩PCI問題。吸收材料在控制棒端部的分布狀態(tài)可使接近控制棒端部的每根燃料棒產(chǎn)生逐漸變化的中子通量，而不是象上面提過那種使燃料棒產(chǎn)生突然的變化的控制棒結(jié)構(gòu)。所以，當(dāng)控制棒移動(dòng)時(shí)，每一塊燃料芯塊的功率變化幅度將大為減小，這將降低芯塊的溫度變化，同時(shí)也就減小了由于控制棒移動(dòng)造成的包殼應(yīng)力。這一應(yīng)力的減小，大大降低了PCI問題發(fā)生的可能性。
每個(gè)葉片內(nèi)部的一連串空腔最好以縱列和橫行的方式排列在葉片的整個(gè)長(zhǎng)度及寬度上，而中子吸收機(jī)構(gòu)則作成一系列的中子吸收材料芯塊，每一塊芯塊置于一個(gè)空腔中，芯塊尺寸比腔的尺寸要小。并且，端頭部分葉片的補(bǔ)償能力低的區(qū)域的芯塊可采取各種形式的結(jié)構(gòu)，以便產(chǎn)生所要求的梯度。一個(gè)實(shí)施例中，低補(bǔ)償區(qū)的芯塊采取一種三角形的排列方式，另一實(shí)施例中，葉片端部芯塊的間距很寬，靠近葉片本體部分則間距逐漸變小，以形成所要求的梯度。如果想以臺(tái)階變化方式代替逐漸變化的方式，則可以在葉片端部放置比葉片有正常補(bǔ)償能力的部位(正常補(bǔ)償區(qū))的芯塊寬度小的吸收芯塊。其他的排布方式也是可能的。
下面介紹的一種實(shí)施方案有助于更好地理解本發(fā)明，這僅僅是一個(gè)例子，結(jié)合附圖來加以說明。
圖1是裝有本發(fā)明提供的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的控制棒的沸水反應(yīng)堆(BWR)示意圖。
圖2是BWR堆芯的一個(gè)燃料柵元的放大平面示意圖，圖中示出沿圖1中線2-2剖切的改進(jìn)的控制棒截面。
圖3是改進(jìn)的控制棒及將其從燃料柵元中抽出和插入的驅(qū)動(dòng)機(jī)械的放大分段透視圖。
圖4是沿圖3中線4-4剖切的改進(jìn)控制棒的放大斷面圖。
圖5是一個(gè)縮小的剖面圖，它示出沿圖4中線5-5剖切的、控制棒的低補(bǔ)償區(qū)。
圖6到圖9是與圖5類似的剖面圖，但是它們示出改進(jìn)控制棒低補(bǔ)償區(qū)的幾種不同的實(shí)施方案。
現(xiàn)在參見附圖。首先看圖1中，它示出一個(gè)沸水型核動(dòng)力反應(yīng)堆(BWR)的示意圖，其總體以(10)代表，其中，使用了許多個(gè)本發(fā)明提供的改進(jìn)控制棒(12)，在常見的那種沸水堆中，BWR(10)包括一個(gè)壓力容器(14)，壓力容器含有一個(gè)核反應(yīng)堆的堆芯(16)，該堆芯浸沒在諸如輕水一類的冷卻劑-減速劑中，堆芯(16)是由一個(gè)環(huán)狀圍筒(18)圍起來的，它包含許多個(gè)可更換的燃料組件(20)，燃料組件安裝在上部堆芯柵格(22)及下部堆芯板(24)之間，相互隔開。
在堆芯(16)的下面，有許多個(gè)對(duì)準(zhǔn)燃料組件(20)布置的驅(qū)動(dòng)裝置套管(26)。套管(26)內(nèi)裝有控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(28)(見圖3)，為了控制堆芯的反應(yīng)性，通過操縱控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(28)可以有選擇地把這些改進(jìn)的控制棒(12)從堆芯(16)的下面插入到燃料組件(20)之間。每一個(gè)套管(26)配上一個(gè)燃料系統(tǒng)支撐件(30)。每個(gè)支撐件(30)與管座(32)排在一起，而管座(32)是用來容納鄰近的四個(gè)燃料組件(20)的頭部(34)的。支撐件(30)和管座(32)就形成了冷卻劑的通道，或者說是通往冷卻劑供給室(36)的出口，供給室(36)位于堆芯(16)下面的壓力容器(10)中。
冷卻劑循環(huán)泵(38)壓縮供給室(36)中的冷卻劑，使冷卻劑從供給室(36)中向上流過支撐件(30)和管座(32)的開口。然后，冷卻劑又流到燃料組件(20)頭部(34)的開口，由此向上流過燃料組件。一部分冷卻劑返回冷卻劑循環(huán)泵(38)，而另外一部分變?yōu)檎羝?，蒸汽通過一個(gè)圖上用虛線表示的分離-干燥裝置(40)然后就進(jìn)入到諸如透平機(jī)(42)那樣的一個(gè)使用裝置中。與透平(42)連在一起的冷凝器(44)中形成的凝結(jié)水可作為給水，用泵(46)把它打回到壓力容器(10)中去。
一根改進(jìn)的控制棒(12)和圍繞控制棒的四個(gè)燃料組件(20)組成了反應(yīng)堆芯(16)的一個(gè)燃料柵元(48)。一個(gè)這樣的燃料柵元示于圖2，其中圍繞著一個(gè)改進(jìn)的控制棒(12)的四個(gè)燃料組件(20)的上端側(cè)向掛在上部堆芯支撐柵格(22)上，柵格的一部分是由幾對(duì)相互交叉連接的梁(50)和(52)組成的。
在一現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)可更換的燃料組件(20)是由許多根裝在上、下固定板(圖中沒有示出)之間，并相互隔開的燃料棒(54)組成，每一燃料組件(20)的這些燃料棒(54)周圍都有一個(gè)管形的流體通道它引導(dǎo)燃料棒之間的冷卻劑向上流動(dòng)。
除了在下文將詳述的改進(jìn)控制棒之外，上述的BWR堆(10)的基本部件在已有技術(shù)中為公眾所知，在前述的美國(guó)專利U.S 4，285，769中及其所引證的更早的專利中已經(jīng)公開。
現(xiàn)在看圖3和圖4，同時(shí)參照?qǐng)D2，現(xiàn)在將要說明的是與從前專利中公布的控制棒不同的改進(jìn)型控制棒的各個(gè)部分。改進(jìn)的控制棒(12)包括一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的芯柱(58)，它作為控制棒中縱向延伸的內(nèi)部氣體的中心通道;幾個(gè)葉片(62)(葉片數(shù)量最好是4個(gè))與芯柱相連通并且從芯柱向外徑向延伸。相對(duì)的一對(duì)葉片(62)位于第一個(gè)公共平面內(nèi)，而另一對(duì)相對(duì)的葉片在第二個(gè)公共平面內(nèi)，第二個(gè)公共平面與第一個(gè)公共平面成正交關(guān)系，這樣一來，葉片(62)使控制棒(12)的橫截面成十字形。
在一種實(shí)施例中，葉片(62)及芯柱(58)由四塊不銹鋼板(64)構(gòu)成，它們互成直角，彼此之間的連接方式采用周邊銲(66)，插接銲(68)以及帶端頭銲(72)的銷釘(70)。板(64)具有一系列的由嚙合表面(75)形成的凹槽(74)，下面將會(huì)看到這些凹槽的用途。
各個(gè)葉片(62)的特征可以看成是具有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的本體部分(76)，它一直延伸到端頭部分(78)為止。當(dāng)改進(jìn)的控制棒(12)進(jìn)入燃料柵元(48)的燃料組件群中時(shí)，控制棒端頭部分(78)就把葉片本體部分(76)導(dǎo)入到圖2上所示的鄰近的幾個(gè)燃料組件(20)之間的空間位置。
構(gòu)成每一葉片(62)的板(64)的嚙合表面(75)中的凹槽(74)形成一系列的內(nèi)部空腔(80)，這些內(nèi)部空腔在葉片(62)的整個(gè)長(zhǎng)度和寬度方向上排成竪列和橫行，把中子吸收材料做成許多個(gè)芯塊(82)，這些芯塊置于各個(gè)空腔(80)中。各個(gè)芯塊(82)的尺寸比它們對(duì)應(yīng)的空腔(80)都要偏小一些，以便有多余的空間供控制棒進(jìn)入燃料柵元(48)時(shí)，由于芯塊溫度上升而引起體積膨脹用。為了與芯柱(58)中的中心通道(60)溝通各個(gè)腔(80)還通過葉片(62)中的內(nèi)溝槽(84)互相連通，這樣，當(dāng)諸如碳化硼這樣成份的芯塊(82)吸收中子并產(chǎn)生氦氣體時(shí)，該氣體能擴(kuò)散到氣體通道(60)中去。
在每一片葉片(62)中有些芯塊(82)排列成較長(zhǎng)的正常補(bǔ)償區(qū)、一般來說它與葉片本體部分(76)一樣長(zhǎng)。在正常補(bǔ)償區(qū)的芯塊(82)具有基本上相同的中子吸收能力，因此，當(dāng)控制棒(12)插入燃料組件群中，葉片(62)的本體部分(76)移動(dòng)通過燃料棒時(shí)，在燃料組件(20)中鄰近的燃料棒(54)里的芯體能維持一個(gè)一般來說是相同的反應(yīng)功率。在每一葉片(62)中的其它芯塊則排列一個(gè)較短的低補(bǔ)償區(qū)，通常，它的長(zhǎng)度與葉片的端頭部分(78)一樣長(zhǎng)。低補(bǔ)償區(qū)的芯塊在接近葉片(62)的端頭部(86)時(shí)其中子吸收能力呈遞減的趨勢(shì)。因而在控制棒(12)插入燃料組件群、葉片端頭部分通過燃料棒時(shí)，在接近控制棒葉片(62)的端頭部分(78)附近的各根燃料棒中芯體的反應(yīng)功率是逐漸產(chǎn)生變化的、或者說反應(yīng)功率呈梯度分布。
圖5至圖9示出幾種不同的可供選擇的中子吸收芯塊(82)的排布方法和結(jié)構(gòu)形式，這是用于如上所述的低補(bǔ)償區(qū)的。
在圖5中，葉片(62)的端頭部分(78)中的低補(bǔ)償區(qū)由一排芯塊(89)組成的，這種排列方式一般以(88)表示。其中每一塊芯塊的形狀都是三角形，并且三角形角尖指向葉片的端頭部(86)。越靠近端頭每一個(gè)三角形芯塊的橫截面越小，并且其中子吸收能力也越小。圖6示出芯塊(91)的另一種排列方式(90)，芯塊(91)的體積基本相同，但是，當(dāng)趨近葉片(62)的頂端部(86)時(shí)，芯塊(91)之間的間距進(jìn)一步加大，這樣，通過芯塊之間的不同間距，而不是通過芯塊與芯塊之間不同的形狀來達(dá)到所希望的梯度分布要求。圖7描述了一種臺(tái)階式(STEP-WISE)降低芯塊(93)的中子吸收性能的方式，芯體(93)采用了另一種排列方式(92)，其中在葉片(62)的端頭部分(78)的低補(bǔ)償區(qū)中的芯塊寬度要比本體部分(76)中正常補(bǔ)償區(qū)的芯塊寬度小。在圖8中示出芯塊(95)的另一種排列形式(94)，其中，芯塊橫行之間的垂直間距是相等的。但是，在接近葉片(62)的頂端部分(86)的橫行比起接近葉片本體(76)中正常補(bǔ)償區(qū)的橫行中子吸收能力小得多。最后，在圖9中，示出一種葉片(62)的頂部(78)中的低補(bǔ)償區(qū)，其中，芯塊(97)的一種排列方式(96)是把有吸收中子能力的芯塊(97)和惰性芯塊(98)交替地排布，芯塊(97)、(98)組成的縱列的橫向間隔是一樣的。越接近葉片(62)的頂端(86)，惰性芯塊的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，通過這種辦法來產(chǎn)生中子吸收性能的梯度分布。
為收到效果，葉片(62)的端頭部(78)中的這一低補(bǔ)償區(qū)至少等于或稍稍大于控制棒運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)增量，一般這一步進(jìn)量大約為6吋。這樣，控制棒(12)移動(dòng)一步之后，在它作下一步移動(dòng)之前可以允許芯塊和包殼達(dá)到平衡。由于BWR反應(yīng)堆的控制棒運(yùn)動(dòng)是預(yù)先計(jì)劃好的，這一操作方法可以在普通的控制系統(tǒng)中實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種用于沸水型核動(dòng)力反應(yīng)堆的控制棒結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)作為縱向延伸的內(nèi)部氣體中心通道(60)的細(xì)長(zhǎng)的中心芯柱(58)，和幾個(gè)連到上述芯柱(58)上并從芯柱向外徑向延伸的幾個(gè)葉片(62)，該控制棒結(jié)構(gòu)的特征是；在所述的各個(gè)葉片(62)中有一系列的內(nèi)部空腔(80)，許多塊中子吸收材料芯塊(82)就置于所述空腔(80)內(nèi)；并且，控制棒結(jié)構(gòu)中還有一個(gè)將所述各個(gè)空腔與內(nèi)部氣體的中心通道(60)連通起來的機(jī)構(gòu)(84)，當(dāng)所述芯塊(82)由于受到輻射而產(chǎn)生氣體時(shí)，它能使氣從空腔(80)中擴(kuò)散到中心通道(60)中去。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1.規(guī)定的一種控制棒結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的空腔(80)在葉片(62)的整個(gè)長(zhǎng)度和寬度上排成縱列和橫行，并且所說的空腔(80)的尺寸比置于其中的芯塊(82)的尺寸要大。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1.或2.規(guī)定的一種控制棒結(jié)構(gòu)，其中所述的各個(gè)葉片(62)包括一個(gè)長(zhǎng)的本體部分(76)和位于其端頭部(78)的終端部分，該控制棒結(jié)構(gòu)的特征在于，各個(gè)葉片(62)中的芯塊(82)排列成一種較長(zhǎng)的正常補(bǔ)償區(qū)，一般說來正常補(bǔ)償區(qū)的長(zhǎng)度與葉片(62)的本體部分(76)一樣長(zhǎng);以及另外一種較短的低補(bǔ)償區(qū)而低補(bǔ)償區(qū)一般與葉片(62)的端頭部分(78)一樣長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3.規(guī)定的一種控制棒結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述葉片(62)的端頭部分(78)中形成低補(bǔ)償區(qū)的芯塊(82)是由一批中子吸收能力遞減的三角形芯塊(89)組成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3.規(guī)定的一種控制棒結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述葉片端頭部分形成低補(bǔ)償區(qū)的芯塊(91)，由一些基本相同的芯塊排列成行，但是隨著向葉片(62)的頂部(86)靠近，這些排列成行的芯塊之間的間距逐漸變大。
6.根據(jù)權(quán)利要求
3.規(guī)定的一種控制棒結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述葉片的端頭部分形成低補(bǔ)償區(qū)的芯塊是由一批寬度比位于葉片本體部分的芯塊寬度小的芯塊組成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求
3.規(guī)定的一種控制棒結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述葉片的端頭部分形成低補(bǔ)償區(qū)的芯塊是由縱向放置的一排排芯塊組成的，在所述排列形式中的一些芯塊由中子吸收材料組成，而另一些芯塊由惰性材料組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7.規(guī)定的一種控制棒結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的惰性材料和中子吸收材料芯塊在上述的各個(gè)縱列的芯塊中是交替排布的。
專利摘要
一種控制棒有一個(gè)形成縱向內(nèi)部氣體中心通道的長(zhǎng)芯柱，以及正交安裝的、形成十字形結(jié)構(gòu)的二對(duì)葉片，葉片與芯柱相連并由芯柱向外徑向延伸，在葉片的整個(gè)長(zhǎng)度寬度上有一系列呈縱列橫行分布的內(nèi)部空腔，中子吸收芯塊置于腔中。內(nèi)腔與中心通道相連通，并且和芯塊排列成位于葉片本體部分較長(zhǎng)的正常補(bǔ)償區(qū)和位于葉片端部的較短的低補(bǔ)償區(qū)。當(dāng)控制棒運(yùn)動(dòng)到燃料組件中間以控制反應(yīng)堆功率時(shí)，葉片端部引導(dǎo)葉片本體插入到相鄰的燃料組件之間的空間位置上。
文檔編號(hào)G21C7/10GK85106168SQ85106168
公開日1987年4月8日 申請(qǐng)日期1985年8月15日
發(fā)明者約翰·弗朗西斯·威爾森, 普拉塔普·基拉昌德·多奇 申請(qǐng)人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan