專利名稱:考慮到零反應(yīng)性再分布因素而應(yīng)用軸向不均勻吸收材料的全長(zhǎng)控制棒的制作方法
本發(fā)明一般涉及核反應(yīng)堆，特別涉及一種供停堆反應(yīng)堆中是核燃料組件用的改進(jìn)的控制棒。
在典型的核反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆堆芯包括許多由頂部和底部管咀組成的燃料組件、許多細(xì)長(zhǎng)的橫向彼此隔開(kāi)的在管咀之間延伸的控制棒導(dǎo)向套管、許多沿導(dǎo)向套管軸向彼此隔開(kāi)的橫向格架，和許多細(xì)長(zhǎng)的燃料元件或燃料棒，這些燃料元件或燃料棒在橫向既彼此隔開(kāi)，又同導(dǎo)向套管隔開(kāi)，并由格架支承在頂部和底部管嘴之間。每一燃料棒包括裂變材料，燃料棒被組合在一起，構(gòu)成排列有序的陣列，使其在堆芯中達(dá)到足夠的中子通量以維持高速度的核裂變，從而以熱量的形式釋放出大量的能量。為了從堆芯提取所產(chǎn)生的熱量生產(chǎn)有用的功，液體冷卻劑向上泵入、穿過(guò)堆芯。
因?yàn)樵诜磻?yīng)堆堆芯中產(chǎn)生熱量的速度正比于核裂變的速度，而核裂變速度又由堆芯中的中子通量決定，所以改變中子通量，便可以控制在反應(yīng)堆起動(dòng)時(shí)、運(yùn)行期間和停堆時(shí)熱量的產(chǎn)生。改變中子通量的一種普通方法是利用含有中子吸收材料的控制棒吸收過(guò)量的中子，導(dǎo)向套管被用作為將中子吸收控制棒插入到反應(yīng)堆堆芯內(nèi)的通道。中子通量的水平，也即堆芯的熱能輸出量通常采用將控制棒移入和移出導(dǎo)向套管的方法來(lái)進(jìn)行調(diào)整。在美國(guó)專利NO3，088，898、NO3，230，147、NO3，255，086、NO3，485，717、NO3，519，535、NO3，734，825、NO4，123，328，NO4，126，759和NO4，172，762中公開(kāi)的控制棒和系統(tǒng)是代表性的先有技術(shù)。
在本申請(qǐng)人的美國(guó)專利NO4，326，919中敘述了一種采用控制棒與燃料組件結(jié)合的普通配置方法，該專利展示了一種控制棒陣列，控制棒上端部由一輻射形組件支承，而輻射形組件又連接到將燃料組件的空心導(dǎo)向套管中的控制棒垂直降下和提升(稱作為步進(jìn)動(dòng)作)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。用在這種配置中的每一根控制棒典型地由一根細(xì)長(zhǎng)的裝有中子吸收材料而且其相反的兩端部由端塞密封的金屬包套管組成。一般說(shuō)來(lái)，中子吸收材料是一種具有高中子吸收截面的材料，例如碳化硼、鉭、銀-銦-鎘的復(fù)合體，或在這種技術(shù)中已知的許多其它中子吸收材料中的一種。材料普通呈疊柱的形式，疊柱由緊密裝填的陶瓷或金屬芯塊疊置而成，芯塊僅部分地充滿管子，在芯塊的端部和上端塞之間留有一空的空間，或留有一軸向間隙，此間隙形成一充氣腔用以儲(chǔ)存在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣體。一個(gè)螺旋彈簧被放在充氣腔中，并在上部端塞和頂端芯塊之間保持部分壓縮的狀態(tài)，使得在控制棒步進(jìn)期間，芯塊牢固地保持疊置狀態(tài)。
在反應(yīng)堆的壽命末期(EOL)和熱零功率(HZP)堆芯條件下，通常對(duì)堆芯頂端發(fā)生一種有害的功率(通量)分布漂移。例如，對(duì)于典型的壓水反應(yīng)堆，軸向通量不平衡(AFI)處于50一60%的數(shù)量級(jí)。由于這樣一種極端的軸向通量不平衡，因此存在了相當(dāng)大的反應(yīng)性再分布，核設(shè)計(jì)者在事故分析中必須根據(jù)可以利用的鈾棒價(jià)值利用反應(yīng)性虧損說(shuō)明這種反應(yīng)性再分布。這種虧損通常稱作反應(yīng)性再分布因數(shù)(RRF)，在壽命末期，它約為0.85%△P，在停堆裕度計(jì)算中，它被考慮進(jìn)去。
迄今所用的控制棒設(shè)計(jì)不能充分地改變這種在反應(yīng)堆停堆時(shí)堆芯軸向功率分布的不平衡，因此本發(fā)明的目的是抑止這種情況，以便在反應(yīng)堆停堆期間減小反應(yīng)性再分布因數(shù)。
大體上說(shuō)，由于提供了一種采用軸向不均勻的吸收材料的控制棒，達(dá)到了本發(fā)明的主要目的。不像普通的控制棒，按照本發(fā)明所述的控制棒在其上部約為棒的25%長(zhǎng)的區(qū)域的吸收材料比棒上其余區(qū)域的吸收材料吸收性強(qiáng)。根據(jù)這種設(shè)計(jì)概念，高價(jià)值控制棒吸收材料將把熱零功率通量模式和壽命末期通量模式推進(jìn)到更典型的在反應(yīng)堆堆芯的中間部分被適當(dāng)補(bǔ)償?shù)臒崛β誓Ｊ健０凑者@種方式，對(duì)功率再分布因數(shù)虧損的需要消除了。本設(shè)計(jì)被用于包括停堆機(jī)組堆芯中的所有控制棒。如上面所述，用通常的均勻控制棒，在熱零功率和壽命末期的軸向通量不平衡大約為60%，而按照本發(fā)明，將高價(jià)值的吸收材料放在占控制棒25%的上部時(shí)，在同樣條件下軸向能量不平衡變到僅4%。
因此本發(fā)明屬于一種包括細(xì)長(zhǎng)管狀件的中子吸收控制棒，相對(duì)于控制棒插入到燃料組件的方向，細(xì)長(zhǎng)管狀件有一前端和后端，并且在上述的前端和后端之間構(gòu)成氣密封閉的管腔，中子吸收控制棒的特征在于，上述管腔包括第一中子吸收材料和第二中子吸收材料，第一中子吸收材料偏置于管狀件的后端，而第二中子吸收材料偏置后管狀件的前端，上述第一中子吸收材料的中子吸收能力比上述第二中子吸收材料的吸收能力高，第二中子吸收材料的量比上述第一中子吸收材料的量大。
更具體講，第一中子吸收材料最好是碳化硼，它比第二中子吸收材料具有更高的中子吸收能力，第二中子吸收材料最好是銀-銦-鎘。另外，第二中子吸收材料在量上比第一中子吸收材料大。具體講，第一和第二中子吸收材料的量可由棒上相應(yīng)的長(zhǎng)度表示，第二吸收材料大約三倍于第一吸收材料。
下面參照附圖，僅作為例子敘述本發(fā)明的最佳實(shí)施例，附圖中圖1是以垂直透視縮短的形式例示的燃料組件的正視圖，圖中，部分地分成段，并且為清楚起見(jiàn)，有些部件被截開(kāi);
圖2是體現(xiàn)本發(fā)明的控制棒的放大而垂直透視縮短的截面圖。
在以下的敘述中，對(duì)于全部附圖，相同的參考號(hào)表示相同的或?qū)?yīng)的部件，像“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”和類似的詞被用作為方便用語(yǔ)，不能看作為限制性術(shù)語(yǔ)。
參照附圖，特別參照?qǐng)D1，其中例示的而且一般用序數(shù)10表示的燃料組件基本上包括用于將組件支承在在反應(yīng)堆(未示出)堆芯區(qū)域中的下部堆芯板(未示出)上的下端結(jié)構(gòu)件或底部管嘴12、從底部管嘴12向上延伸的導(dǎo)向管或?qū)蛱坠?4、沿導(dǎo)向套管14軸向彼此隔開(kāi)的橫向格架16、由格架16支承并沿橫向彼此隔開(kāi)的排列有序的細(xì)長(zhǎng)燃料棒18的陣列、儀表監(jiān)測(cè)管20和連接到導(dǎo)向套管14上端部的上端結(jié)構(gòu)件或頂部管嘴22。部件這樣排列后，燃料組件10便形成一種在處理時(shí)不會(huì)損傷組件部件的整體的單元。
每一根燃料棒18包含由裂變材料構(gòu)成的核燃料芯塊24，并且有用端塞26、28氣密封閉的相對(duì)端部，通常將充氣腔的彈簧30放置在上端塞26和芯塊24之間以保持芯塊被牢固地疊置在燃料棒18中。在運(yùn)行時(shí)，將水或含硼水這樣的液體慢化劑-冷卻劑向上泵入，使其通過(guò)堆芯的燃料組件，從而將熱能從中提取出來(lái)生產(chǎn)有用的功。
裂變過(guò)程用控制棒32控制，控制棒在燃料組件10中可相對(duì)于固定在預(yù)定位置的導(dǎo)向套管14進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。頂部管嘴22包括頂部棒束控制機(jī)構(gòu)34，棒束控制機(jī)構(gòu)具有內(nèi)螺紋圓柱件36和許多輻射形伸出的連接到控制棒32的錨鉤或支臂38，可以操縱控制機(jī)構(gòu)34使控制棒32在導(dǎo)向套管內(nèi)垂直移動(dòng)。
現(xiàn)在參考圖2，圖中示出了實(shí)施本發(fā)明的并適合于被應(yīng)用在反應(yīng)堆要停堆之前的壽命末期期間的控制棒。
實(shí)施本發(fā)明的控制棒總的用40表示，它包括一根細(xì)長(zhǎng)的空心的管狀件42，管狀件在它的相對(duì)端部44、46之間形成氣密封閉的管腔48。相對(duì)于控制棒40進(jìn)入燃料組件10的運(yùn)動(dòng)，管狀件42的下端部46是它的前端，而其上的上端部44是它的后端。控制棒40還包含第一中子吸收材料50和第二中子吸收材料52，第一中子吸收材料最好以碳化硼芯塊的形式被裝在管腔48中并偏置在管狀件42的上端部44，而第二中子吸收材料最好以銀-銦-鎘芯塊的形式裝在管腔48中并偏置在管狀件42的下端部46。
第一中子吸收材料50(碳化硼)的中子吸收能力比第二中子吸收材料52(銀-銦-鎘)的中子吸收能力高，具體說(shuō)，大約高25%。另外，第二中子吸收材料52的量比第一中子吸收材料50的量大。特別是，第一和第二中子吸收材料50、52的量由管狀件上相應(yīng)的長(zhǎng)度表示。第二種材料52的長(zhǎng)度大約為第一種材料50長(zhǎng)度的三倍，或者換言之，第一種吸收材料50在管狀件管腔48中大約占據(jù)所有吸收材料全長(zhǎng)上部的25%，而第二種吸收材料52則大約占據(jù)下部剩下的75%。因此第二種中子吸收材料52的長(zhǎng)度大約為第一種中子吸收材料50長(zhǎng)度的三倍。
像普通的控制棒一樣，控制棒40的管狀件42由細(xì)長(zhǎng)的薄壁的金屬色套或管54構(gòu)成，用端塞56、58封閉管狀件42的相對(duì)的兩端44、46。上端塞56整體地形成向上伸出的柄部分，柄部分有一外螺紋端部60，用以使控制棒同控制機(jī)構(gòu)34相連接。下端塞58為圓錐形。
吸收材料50、52的芯塊被滑入放置到管腔48中，使其一塊疊置在另一塊上，靠著下端塞58。充氣腔彈簧62被插放在芯塊的疊柱和上端塞56之間，使它們保持軸向彼此隔開(kāi)的狀態(tài)，這樣在管狀件42中便保持了空間，該空間用于儲(chǔ)存芯塊50在控制反應(yīng)中吸收中子時(shí)產(chǎn)生的氣體。
因?yàn)樘蓟鹞詹牧蟽H占吸收材料上部的25%，所以碳化硼的膨脹基本上沒(méi)有影響，因?yàn)樵诜磻?yīng)堆處于低功率或停堆之前，碳化硼決不會(huì)進(jìn)入堆芯。另外，因?yàn)?a)控制棒不允許插入很深;(b)對(duì)于特定的反應(yīng)堆，還是同一吸收材料，在此情況下即是銀-銦-鎘，并沒(méi)有變得與從前使用的不同，所以在高功率水平時(shí)不會(huì)對(duì)棒狀峰值因素產(chǎn)生影響。
權(quán)利要求
1.在反應(yīng)堆的核燃料組件中，或?qū)τ诜磻?yīng)堆的核燃料組件，一種中子吸收控制棒包括一根細(xì)長(zhǎng)的管狀件，相對(duì)于控制棒插入到燃料組件的方向，管狀件有一前端和后端，并且在上述的前端和后端之間形成氣密封閉的管腔，這種中子吸收棒的特征在于，上述管腔(48)包括偏置在管狀件(42)后端(44)的第一種中子吸收材料(50)和偏置在管狀件(42)前端(46)的第二種中子吸收材料，上述第一種中子吸收材料(50)的中子吸收能力比上述第二種中子吸收材料(52)的中子吸收能力高，第二種中子吸收材料(52)的量比上述第一種中子吸收材料(50)的量大。
2.按照權(quán)利要求
1所述的控制棒，其特征在于，上述第一種中子吸收材料(50)的中子吸收能力約比上述第二種中子吸收材料(52)的中子吸收能力高25%。
3.按照權(quán)利要求
1或2所述的控制棒，其特征在于，上述第二種中子吸收材料(52)的量基本上相當(dāng)于三倍上述第一種中子吸收材料(50)的量。
4.按照權(quán)利要求
3所述的控制棒，其特征在于，上述第二種中子吸收材料(52)的長(zhǎng)度約為上述第一種中子吸收材料(50)的三倍。
5.按照上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求
所述的控制棒，其特征在于，上述第一種中子吸收材料(50)是碳化硼。
6.按照上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求
所述的控制棒，其特征在于，上述第二種中子吸收材料(52)是銀-銦-鎘。
專利摘要
本發(fā)明屬于一種中子吸收控制棒，該棒裝有由不同中子吸收能力的兩種不同中子吸收材料(50、52)構(gòu)成的不均勻中子吸收體。低吸收能力的材料(52)是銀-銦-鎘，它從鄰接棒的前端向后端裝填，成為中子吸收體全長(zhǎng)的主要部分(3/4)。高吸收能力的材料(50)是碳化硼，它從鄰接低吸收能力的材料處裝填到棒的后端。成為中子吸收體的小部分(1/4)。中子吸收體的不均勻性使在壽命末期期間和在零功率堆芯條件下的軸向通量不平衡減到最小。
文檔編號(hào)G21C7/117GK86104957SQ86104957
公開(kāi)日1987年4月1日 申請(qǐng)日期1986年8月7日
發(fā)明者湯·奎克·恩古詹 申請(qǐng)人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan