與可燃物吸收體形成一體的控制棒導(dǎo)向管的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年12月26日向韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國(guó)專利申請(qǐng) No. 10-2013-0163426的優(yōu)先權(quán)及其權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用全部合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種控制棒導(dǎo)向管，具體地，涉及一種與可燃物吸收體形成一體的控 制棒導(dǎo)向管，該控制棒導(dǎo)向管控制功率分配及反應(yīng)堆堆芯的反應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 核反應(yīng)堆是一種通過(guò)位于反應(yīng)堆堆芯內(nèi)核燃料的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)而產(chǎn)生熱量的裝 置。為了核反應(yīng)堆安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，有必要對(duì)反應(yīng)堆堆芯的功率分配和反應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓?理。在商用加壓輕水反應(yīng)堆（commercialpressurizedlightwaterreactor)的技術(shù)形態(tài) 中，存在三種常用的反應(yīng)和功率分配管理方式。第一種為通過(guò)主冷卻劑與可溶性硼均勻地 混合，所述可溶性硼為中子吸收材料。第二種方法為通過(guò)在燃料組件格架中加入可燃物吸 收體。第三種管理鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)中的中子密度和反應(yīng)的方式為使用由中子吸收材料制成的 控制棒。
[0005] 通過(guò)從反應(yīng)堆堆芯的上端插入或撤出中子吸收棒實(shí)現(xiàn)利用控制棒對(duì)反應(yīng)堆堆芯 反應(yīng)的管理。上述插入或撤出的速度和深度決定了堆芯反應(yīng)管理的性能，其影響比在冷卻 劑中調(diào)節(jié)可溶性硼的方法相對(duì)較快。然而，控制棒局部地分散在反應(yīng)堆堆芯內(nèi)。當(dāng)僅使用 控制棒調(diào)控堆芯反應(yīng)時(shí)，堆芯周圍可能出現(xiàn)局部功率峰值。因此，單獨(dú)使用控制棒可能難以 同時(shí)控制反應(yīng)堆堆芯的功率分配和反應(yīng)。有鑒于這種控制棒的限制性，加壓輕水反應(yīng)堆主 要通過(guò)控制正常運(yùn)行期間冷卻劑中的可溶性硼的濃度進(jìn)行堆芯反應(yīng)的管理。為了使功率分 配的控制平滑和減少堆芯反應(yīng)管理對(duì)含硼水的依賴，在核燃料組件中廣泛使用各種類型的 可燃物吸收體。
[0006] -般地，可燃物吸收體為強(qiáng)中子吸收體，在捕獲中子后強(qiáng)中子吸收體轉(zhuǎn)換為較小 的中子吸收核素?？扇嘉镂阵w的選擇例有釓（Gd)、鉺（Er)和硼（B)。在加壓輕水反應(yīng)堆 中，釓（Gd)和鉺（Er)通常以Gd203和Er203化合物的形式與U02核燃料適當(dāng)?shù)鼗旌稀Ｍǔ＃?鉺不如釓的使用頻率，因?yàn)殂s消耗相對(duì)較慢，其結(jié)果是在相同的燃料燃耗中有毒殘留較大。 因此，可以在具有非常長(zhǎng)的周期的反應(yīng)堆堆芯內(nèi)，采用鉺作為可燃物吸收體更有效。另一方 面，釓具有相對(duì)較小的有毒殘留，并且因此更頻繁地被用作可燃物吸收體。然而，釓與核燃 料的混合使燃料熱導(dǎo)率減小，從而導(dǎo)致非常低的功率密度。因此，與核燃料混合的釓的量相 當(dāng)有限。此外，釓在Gd203與核燃料混合時(shí)燃燒得非常快，使釓難以用于具有長(zhǎng)周期的反應(yīng) 堆堆芯中。
[0007] 另一方面，硼主要以被稱為IFBA(整體燃料可燃物吸收體）棒的形式使用，其本質(zhì) 上為在U02燃料棒上涂有非常薄的一層ZrB2。硼也可以以固態(tài)硼化合物(如B4C)的形式以 特定的形狀(如以WABA(濕式環(huán)狀可燃物吸收體)棒的形式)裝入控制棒導(dǎo)向管中。當(dāng)硼吸 收中子時(shí)，產(chǎn)生氦氣，使硼難以直接與核燃料混合。這是為什么硼以IFBA棒的形式使用或 以WABA棒的形式裝入導(dǎo)向管中的原因之一。硼具有較小的中子吸收截面積。因此，當(dāng)硼以 IFBA棒的形式使用時(shí)，需要整合至大量的燃料棒中。另一方面，當(dāng)硼以WABA棒的形式裝入 控制棒導(dǎo)向管中時(shí)，控制棒插入所述導(dǎo)向管中可能會(huì)遭到拒絕。這一不利限制因素限制了 硼以WABA棒的形式作為可燃物吸收體的使用。相應(yīng)地，可燃物吸收體的其他變形的使用也 類似地相當(dāng)受限。
[0008] 通過(guò)在冷卻水中控制可溶性硼濃度進(jìn)行堆芯反應(yīng)的管理中，硼均勻地與冷卻劑混 合。因此，有可能在控制堆芯反應(yīng)的同時(shí)，使堆芯功率分配的失真（distortion)最小化。然 而，當(dāng)需要快速控制反應(yīng)堆堆芯的反應(yīng)時(shí)，將可溶性硼注入冷卻劑中并使之稀釋需要花費(fèi) 一些時(shí)間。因此，使用硼酸不能適當(dāng)?shù)乜刂贫研镜姆磻?yīng)。進(jìn)一步地，在稀釋可溶性硼的濃度 時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量液體廢物。此外，為了調(diào)節(jié)主冷卻系統(tǒng)中可溶性硼的濃度和水化學(xué)特征，需要 一種被稱為"化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（CVCS)"的昂貴且復(fù)雜的裝置。另外，含硼水為酸性，這 加速了構(gòu)成主冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，并最終減少核反應(yīng)堆的運(yùn)行性能。而且，當(dāng)冷卻 劑中可溶性硼濃度很高時(shí)，所得到的冷卻劑溫度系數(shù)可能接近零（0)或者甚至變成正值，就 安全來(lái)說(shuō)這是不可取的。這種正值冷卻劑溫度系數(shù)的擔(dān)憂是與加壓輕水反應(yīng)堆安全性相關(guān) 的緊迫問(wèn)題。
[0009] 上述問(wèn)題證明了需要積極使用更多的可燃物吸收體，以減少反應(yīng)堆堆芯反應(yīng)管理 對(duì)使用可溶性硼的依賴。無(wú)可溶棚加壓輕水反應(yīng)堆的可行性研究已經(jīng)進(jìn)行。冷卻劑中的可 溶性硼的濃度應(yīng)當(dāng)大幅減少或者甚至完全移除，從而大大減輕或消除與具有可溶性硼的反 應(yīng)堆運(yùn)行相關(guān)的各種問(wèn)題。這使得核反應(yīng)堆安全且更經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。然而，為了連續(xù)控制反 應(yīng)堆堆芯的功率分配和反應(yīng)，同時(shí)減少在冷卻劑中稀釋的可溶性硼的量，需要大幅增加可 燃物吸收體的使用。因此，需要一種用于彌補(bǔ)可燃物吸收體的上述缺點(diǎn)的技術(shù)。
[0010] 相應(yīng)地，本發(fā)明的申請(qǐng)人提供一種新的可燃物吸收體，該可燃物吸收體能夠更有 效地控制反應(yīng)堆堆芯的功率分配和反應(yīng)。
[0011] 專利文件1 :美國(guó)專利申請(qǐng)No. 20100040189 (2010年2月18日公開(kāi)）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 根據(jù)上述關(guān)于可溶性硼稀釋和現(xiàn)有的可燃物吸收體的各種問(wèn)題，本發(fā)明致力于提 供一種與可燃物吸收體形成一體的控制棒導(dǎo)向管，當(dāng)使用該控制棒導(dǎo)向管時(shí)能夠有效控制 核反應(yīng)堆堆芯的功率分配和反應(yīng)。
[0013] 與可燃物吸收體形成一體的控制棒導(dǎo)向管設(shè)計(jì)為根據(jù)操作說(shuō)明書（operational specification)能夠安裝或移除或取代。
[0014] 本發(fā)明的一種典型實(shí)施方式提供一種與可燃物吸收體形成一體的控制棒導(dǎo)向管， 該控制棒導(dǎo)向管用于引導(dǎo)控制棒上下運(yùn)動(dòng)，該控制棒用于控制反應(yīng)堆堆芯的反應(yīng)。所述控 制棒導(dǎo)向管可以包括可燃物吸收體。
[0015] 所述控制棒導(dǎo)向管的內(nèi)表面可以具有環(huán)形形狀以引導(dǎo)所述控制棒插入或撤出，所 述內(nèi)部面可以包含形成一體的或者獨(dú)立的可燃物吸收體；所述控制棒導(dǎo)向管的外表面形成 或延伸擴(kuò)張以包括或設(shè)置所述可燃物吸收體。所述控制棒導(dǎo)向管的外表面可以擴(kuò)展為具有 四個(gè)邊棱，所述可燃物吸收體插入或并入該四個(gè)邊棱。
[0016] 所述控制棒導(dǎo)向管與相鄰的核燃料棒之間形成有允許冷卻水流過(guò)的空間，該空間 被分為上、下、左、右四個(gè)區(qū)域，如圖2所示，該四個(gè)區(qū)域進(jìn)一步分類為與所述核燃料棒相鄰 的三個(gè)區(qū)域和與所述控制棒導(dǎo)向管相鄰的第四區(qū)域。所述控制棒導(dǎo)向管的所述外表面能夠 延伸擴(kuò)張至所述四個(gè)區(qū)域。
[0017] 可燃物吸收體可以插入或一體形成在所述控制棒導(dǎo)向管的延伸邊棱上。在必要 時(shí)，在所述控制棒導(dǎo)向管的所述延伸邊緣的這些可燃物吸收體可以在反應(yīng)堆堆芯的補(bǔ)充燃 料的間歇期間被替換。
[0018] 此外，所述可燃物吸收體以一體的覆蓋層的形式設(shè)置在所述控制棒導(dǎo)向管的內(nèi)表 面或外表面上，或者以可拆卸連接的環(huán)的形式設(shè)置在所述控制棒導(dǎo)向管的內(nèi)表面或外表面 上。所述控制棒導(dǎo)向管的內(nèi)表面仍可以用于驅(qū)動(dòng)控制棒的插入和撤出。在這種情況下，為 了保護(hù)可燃物吸收體層，在所述形成一體的覆蓋層和可拆卸連接的環(huán)的外側(cè)還可以形成 有金屬保護(hù)層?？扇嘉镂阵w自身可以為同質(zhì)的（homogenous)或方位異構(gòu)（azimuthally heterogeneous)的。如上所述，如果需要，設(shè)置在所述控制棒導(dǎo)向管內(nèi)的可燃物吸收體可以 為可更換的，或者當(dāng)其為獨(dú)立的連接環(huán)時(shí)可以在反應(yīng)堆補(bǔ)充燃料的間歇期間被拆下、移除 或替換。
[0019] 進(jìn)一步地，還可以將中子吸收材料直接混合至控制棒導(dǎo)向管。因此，所述控制棒導(dǎo) 向管可以由可燃物吸收體和控制棒導(dǎo)向管材料的合金制成。可燃物吸收體可以以這種方式 設(shè)置：可燃物吸收體可以以粉末的形式分散在所述控制棒導(dǎo)向管中。在這種情況下，如果需 要，在補(bǔ)充燃料的間歇期間所述控制棒導(dǎo)向管自身可以進(jìn)行替換，以在燃料組件中重新裝 入新的中子吸收材料。
[0020] 可燃物吸收體可以由在現(xiàn)有可燃物吸收體技術(shù)中使用的任意一種中子吸收材料 制成，例如硼、釓、鉺、鎘（Cd)、釤（Sm)和銪（Eu)?？扇嘉镂阵w可以具有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)組合的 化合物。例如，當(dāng)需要時(shí)，可以使用硼、金屬鎘、鉺、如B4C的碳化物或者如Gd203和Er203的 氧化物?？扇嘉镂阵w還可以由硼、釓、鉺、鎘、釤、銪和其他合適的