專利名稱:一種用于液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆的控制棒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反應(yīng)堆裝備領(lǐng)域，屬于反應(yīng)堆工程技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及鉛鉍/鉛冷卻反應(yīng)堆的控制棒。
背景技術(shù)：
目前一種常用的反應(yīng)堆反應(yīng)性控制方式是通過插入反應(yīng)堆中控制棒的移動來控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性。反應(yīng)堆的臨界運行是通過中子引起鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)來保持的，而控制棒中的吸收體擁有較大的中子吸收能力，用來吸收反應(yīng)堆的中子，從而調(diào)節(jié)反應(yīng)堆中的中子平衡，從而 達到反應(yīng)性控制和停堆的目標(biāo)。在反應(yīng)堆的控制中，通過控制棒的上下移動來改變堆芯中吸收體的多少來控制反應(yīng)性，若控制棒向上提時，部分吸收體出除堆芯，控制棒吸收中子的能力減弱，鏈?zhǔn)搅炎儺a(chǎn)生的中子數(shù)越來越多，反應(yīng)堆處于臨界或超臨界狀態(tài)；當(dāng)控制棒下插時，反應(yīng)堆中的吸收體增加，中子吸收能力增加，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)被吸收的部分增加，導(dǎo)致反應(yīng)堆中子數(shù)越來越少，反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)，實現(xiàn)安全停堆?，F(xiàn)有反應(yīng)堆的控制棒材料通常選用B4C或者銀-銦-鎘，這些材料在中子能量較低的區(qū)域有很大的吸收截面，同時現(xiàn)有的壓水堆和鈉冷快堆由于冷卻劑的密度很小，這些材料的密度都大于冷卻劑，不需要外力控制棒也能保持插入堆芯的狀態(tài)而克服浮力的影響。而在鉛鉍冷卻反應(yīng)堆中，中子能量高，而吸收材料對中子的吸收是隨著中子能量的升高而降低的，所以重金屬冷卻反應(yīng)堆對中子吸收體的截面要求比較高；同時，重金屬冷卻反應(yīng)堆由于其特有的高密度冷卻劑，傳統(tǒng)的控制棒材料密度較輕，如果將傳統(tǒng)的控制棒吸收體材料用于重金屬冷卻反應(yīng)堆中，將使密度較低的控制棒組件浮起來，不能沉于堆底。在快堆的換料中，需要控制棒驅(qū)動機構(gòu)松開控制棒組件為換料機構(gòu)騰出空間，此時將無外力作用于控制棒上，此時密度較輕的控制棒將受到浮力的作用不能停留在堆芯中，將引發(fā)事故。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆的控制棒，在滿足鉛鉍和鉛冷卻反應(yīng)堆反應(yīng)性控制能力基礎(chǔ)上，以解決傳統(tǒng)的控制棒在鉛鉍和鉛冷卻劑環(huán)境中由于密度過小，而不能在事故狀態(tài)下依靠重力下落和在反應(yīng)堆換料操作時穩(wěn)定停留在堆芯中的問題；且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、可靠、便于維修。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆的控制棒，包括(I)高密度吸收體(密度大于IOg / Cm3)，位于控制棒結(jié)構(gòu)的中心，用于吸收中子，滿足反應(yīng)性控制和停堆要求，吸收體的尺寸取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，吸收體密度大于鉛鉍和鉛密度(常溫下密度分別為10.71g / era3,11.4g / cm3)，鉛鉍隨密度變化的公式為:
(11096-1.3236xT) / 1000(I)
高密度吸收體有兩類實施方式，第一類為重金屬吸收體鎢(常溫密度為19.3g /cm3)、錸(常溫密度為21.0g / cm3)、鉭(常溫密度為16.6g / cm3),第二類為重金屬吸收體(鎢、錸、鉭)與碳化硼混合，kiB的富集度不小于19.8%，吸收體形狀為長條形，截面形狀有圓形，六邊形，長方形，正方形，十字形；(2)為空隙，里面是真空或填充惰性氣體，位于高密度吸收體的外圍，厚度取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，高度與吸收體高度相同，防止包殼與控制棒直接接觸，降低二者的熱導(dǎo)率，以及防止二者直接接觸而承受應(yīng)力；(3)為包殼，包裹住空隙，包殼的厚度取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，高度與吸收體高度相同，目的是防止冷卻劑與吸收體直接接觸，三者之間無連接關(guān)系；
控制棒材料有鎢、鉭、錸、鎢與碳化硼的混合物(鎢的體積比不小于45.6% )、鉭與碳化硼的混合物(鉭的體積比不小于54.2% )、錸與碳化硼的混合物(錸的體積比不小于41.5% )，保證吸收體的密度大于鉛鉍和鉛冷卻劑的密度，鎢和碳化硼混合物鎢的最小體積比由公式(2)與公式(5)得出，鉭和碳化硼混合物鎢的最小體積比由公式(3)與公式
(5)得出，錸和碳化硼混合物鎢的最小體積比由公式(4)與公式(5)得出，Vw為鎢在鎢和碳化硼混合物中的體積比，Vla為鉭在鉭和碳化硼混合物中的體積比，VEe為錸在錸和碳化硼混合物中的體積比，Vm為在計算相應(yīng)金屬在吸收體混合物中的體積比，Vb4c為碳化硼在吸收體混合物中的體積比；
19.3 Vff+2.2VB4C>10 (2)
19.3Vff+2.2VB4C>10 (3)
19.3Vff+2.2VB4C>10 (4)
VM+VB4C=1(5)
混合材料控制棒有兩種布置方式，一種是所有材料均勻混合布置，另一種是不同材料分區(qū)非均勻布置，分區(qū)布置采用不同材料分層布置，均勻混合布置的優(yōu)點是控制棒內(nèi)功率分布相對均勻，不同材料分區(qū)非均勻布置的優(yōu)點是碳化硼吸收體兼做中子吸收劑和慢化劑，高能中子通過慢化劑的慢化，更容易被中子吸收體吸收，碳化硼吸收體與重金屬吸收體混合能降低重金屬吸收體的選材要求；
在滿足鉛鉍/鉛冷卻反應(yīng)堆反應(yīng)性控制能力和安全停堆的基礎(chǔ)上，克服了傳統(tǒng)的控制棒在鉛鉍和鉛冷卻劑環(huán)境中由于密度過小，而不能在事故狀態(tài)下依靠重力下落和在反應(yīng)堆換料操作時穩(wěn)定停留在堆芯中的問題。安全停堆的計算采用蒙特卡羅粒子輸運程序SuperMC,即通過對反應(yīng)堆進行建模，模型的溫度取反應(yīng)堆實際運行的熱態(tài)零功率狀態(tài)，同時采用保守的方法，一根中子吸收能力最大的控制棒卡在堆頂不能下落，程序通過模擬粒子在反應(yīng)堆內(nèi)與材料的核反應(yīng)和輸運過程，得出反應(yīng)堆的有效增殖系數(shù)k，有效增殖系數(shù)即為上一代反應(yīng)堆的中子數(shù)除以下一代反應(yīng)堆的中子數(shù)，反應(yīng)堆的有效增殖系數(shù)與次臨界度P的關(guān)系式為:
P = 1-(6)
k
當(dāng)P滿足反應(yīng)堆設(shè)計的規(guī)定值時，達到安全停堆要求。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:本發(fā)明在滿足鉛鉍和鉛冷卻反應(yīng)堆反應(yīng)性控制能力和安全停堆的基礎(chǔ)上，克服了傳統(tǒng)的控制棒在鉛鉍和鉛冷卻劑環(huán)境中由于密度過小，而不能在事故狀態(tài)下依靠重力下落和在反應(yīng)堆換料操作時穩(wěn)定停留在堆芯中的問題，解決了傳統(tǒng)的控制棒在鉛鉍和鉛冷卻劑環(huán)境中由于密度過小，而不能在事故狀態(tài)下依靠重力下落和在反應(yīng)堆換料操作時穩(wěn)定停留在堆芯中的問題；且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、可靠、便于維修。


圖1為本發(fā)明的高密度吸收體形狀為圓形的控制棒徑向剖面圖；
圖2為本發(fā)明的高密度吸收體形狀為正六邊形的控制棒徑向剖面圖；
圖3為本發(fā)明的高密度吸收體形狀為長方形的控制棒徑向剖面圖；
圖4為本發(fā)明的高密度吸收體形狀為正方形的控制棒徑向剖面圖；
圖5為本發(fā)明的高密度吸收體形狀為十字形的控制棒徑向剖面圖；
圖6為本發(fā)明的控制棒的軸向剖面圖。
具體實施方式
如圖1-6所示，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于鉛鉍和鉛冷卻反應(yīng)堆的控制棒，包括高密度吸收體I (密度大于lOg/cm3)、空隙2和包殼3 ；
高密度吸收體1，位于控制棒結(jié)構(gòu)的中心，用于吸收中子，滿足反應(yīng)性控制和停堆要求；所述高吸收體I的尺寸取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，高密度吸收體I的密度大于鉛鉍和鉛的密度，所述高密度吸收體I有兩類實施方式，第一類為重金屬吸收體，包括天然鎢、天然錸或天然鉭；第二類為重金屬吸收體與碳化硼的混合物，包括鎢與碳化硼的混合物、錸與碳化硼的混合物，鉭與碳化硼的混合物，上述三種混合物中的碳化硼中的硼-10富集度不小于19.8% ;所述鎢和碳化硼的混合物中鎢的體積比不小于45.6% ;所述鉭和碳化硼的混合物中鉭的體積比不小于54.2% ;所述錸和碳化硼的混合物中錸的體積比不小于41.5%，混合物吸收體中的保證所述的高密度吸收體密度比反應(yīng)堆的冷卻劑鉛和鉛鉍大，同時能夠滿足反應(yīng)堆的反應(yīng)性控制要求；
所述空隙2里面是真空或填充惰性氣體，位于高密度吸收體I的外圍，厚度取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，高度與吸收體高度相同，防止包殼與控制棒直接接觸產(chǎn)生摩擦；
所述包殼3包裹住空隙2，包殼3的厚度取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，包殼3的高度與高密度吸收體I的高度相同，目的是防止冷卻劑與吸收體直接接觸，高密度吸收體1、空隙2和包殼3三者之間無連接關(guān)系。
高密度吸收體I為長條形、截面形狀有圖1的圓形、圖2的六邊形、圖3的長方形、圖4的正方形或圖5的十字形。
所述控制棒吸收體材料有鎢、鉭、錸、鎢與碳化硼的混合物、鉭與碳化硼的混合物、錸與碳化硼的混合物，鎢和碳化硼的混合物中的鎢體積比不小于45.6%，錸和碳化硼的混合物中的錸體積比不小于41.5%、鉭和碳化硼的混合物中的鉭體積比不小于54.2%。
重金屬吸收體與碳化硼混合物作吸收體材料的混合材料控制棒中的高密度吸收體材料有兩種布置方式，一種是所有吸收體材料均勻混合布置，另一種是不同吸收體材料分區(qū)非均勻布置，均勻混合布置的優(yōu)點是控制棒內(nèi)功率分布相對均勻，不同材料分區(qū)非均勻布置的優(yōu)點是碳化硼吸收體兼做中子吸收劑和慢化劑，高能中子通過慢化劑的慢化，更容易被中子吸收體吸收，碳化硼吸收體與重金屬吸收體混合能降低重金屬吸收體的選材要求。
本發(fā)明適用于液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆的控制棒，具體工作方式如下:
(I)反應(yīng)堆停堆時:在反應(yīng)堆停堆時，控制棒吸收體應(yīng)在由于自身的重力克服鉛鉍冷卻劑的浮力或在控制棒驅(qū)動機構(gòu)的作用下克服鉛鉍冷卻劑的浮力和繞流阻力置于反應(yīng)堆堆芯之內(nèi)，此時，高密度吸收體I置于堆芯內(nèi)，用于吸收反應(yīng)堆的裂變中子，使反應(yīng)堆擁有一定的次臨界度。
(2)反應(yīng)堆啟動時:控制棒在驅(qū)動機構(gòu)的抓取下緩慢從堆芯底部往上提，置于堆芯
的一定位置。
(3)反應(yīng)堆正常工況時:控制棒置于堆芯的一定位置，隨著反應(yīng)堆的運行，燃耗深度的加深，控制棒緩慢提出堆芯，直至燃耗壽期末，控制棒提出堆芯。
(4)反應(yīng)堆換料時:控制棒由于自身的重力克服重金屬冷卻劑的浮力和繞流阻力或在控制棒驅(qū)動機構(gòu)的作用下克服重金屬冷卻劑的浮力和繞流阻力插入堆芯，使反應(yīng)堆停堆，堆芯應(yīng)處于一定的次臨界度下；此時，控制棒抓取機構(gòu)松開控制棒組件，為換料機構(gòu)的轉(zhuǎn)動騰出空間，控制棒此時僅在由于重力的作用下置于堆芯中，克服浮力與繞流阻力，使堆芯達到一定的次臨界度。
(5)反應(yīng)堆緊急停堆時:當(dāng)出現(xiàn)事故工況反應(yīng)堆需緊急停堆時，控制棒在控制棒自身的重力作用下，迅速插入堆芯，使反應(yīng)堆快速進入此臨界狀態(tài)，若控制棒的自身重力不能使控制棒的下落速度達到快速停堆的要求，可以用壓縮狀態(tài)的彈簧給予控制棒初速度或在控制棒驅(qū)動機構(gòu)上配重加大控制棒與冷卻劑的密度差，增大控制棒下落的速度，快速插入堆芯，使反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)，保證反應(yīng)堆的安全。
本發(fā)明未詳 細闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求
限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
權(quán)利要求
1.一種用于液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆的控制棒，其特征在于:包括高密度吸收體(I)、空隙(2)和包殼(3);所述高密度吸收體(I)的密度大于lOg/cm3 ； 所述高密度吸收體(1)，位于控制棒結(jié)構(gòu)的中心，用于吸收中子，滿足反應(yīng)性控制和停堆要求；所述高吸收體(I)的尺寸取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，高密度吸收體(I)的密度大于鉛鉍和鉛的密度；所述高密度吸收體(I)有兩類實施方式，第一類為重金屬吸收體，包括天然鎢、天然錸或天然鉭；第二類為重金屬吸收體與碳化硼的混合物，包括鎢與碳化硼的混合物、錸與碳化硼的混合物，鉭與碳化硼的混合物，上述三種混合物中的碳化硼中的硼- ο富集度不小于19.8% ;所述鎢和碳化硼的混合物中鎢的體積比不小于45.6% ;所述鉭和碳化硼的混合物中鉭的體積比不小于54.2% ;所述錸和碳化硼的混合物中錸的體積比不小于41.5% ； 所述空隙(2)里面是真空或填充惰性氣體，位于高密度吸收體的外圍，厚度取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，高度與吸收體高度相同，防止包殼與控制棒直接接觸產(chǎn)生摩擦； 所述包殼(3)包裹住空隙(2)，包殼(3)的厚度取決于反應(yīng)堆的設(shè)計要求，包殼(3)的高度與高密度吸收體(I)的高度相同，目的是防止冷卻劑與吸收體直接接觸，(I)高密度吸收體，(2)空隙，(3)包殼三者之間無連接關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種用于液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆的控制棒，其特征在于:所述高密度吸收體(I)為長條形、 截面形狀有圓形、六邊形、長方形、正方形或十字形。
專利摘要
本發(fā)明是一種適用于液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆的控制棒，屬于核反應(yīng)堆領(lǐng)域，控制棒是控制棒組件的一部分，與燃料組件等一起插入反應(yīng)堆的芯部，控制反應(yīng)性。這種控制棒包括(1)高密度中子吸收體，(2)空隙，(3)包殼。本發(fā)明中提出的控制棒在滿足鉛鉍/鉛冷卻反應(yīng)堆反應(yīng)性控制能力基礎(chǔ)上，克服了傳統(tǒng)的控制棒在鉛鉍/鉛冷卻劑環(huán)境中由于密度過小，而不能在事故狀態(tài)下依靠重力下落和在反應(yīng)堆換料操作時穩(wěn)定停留在堆芯中的問題。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、可靠、便于維修。
文檔編號G21C7/103GKCN103236276SQ201310139282
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月21日
發(fā)明者王明煌, 肖會文, 劉超, 吳宜燦 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan