使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)備和核能領(lǐng)域，特別涉及到反應(yīng)堆壓力容器控制棒結(jié)構(gòu)，具體說是改變控制棒材料，在傳統(tǒng)的Ag-1n-Cd材料基礎(chǔ)上增加多層石墨烯材料，即為使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒。
【背景技術(shù)】
[0002]反應(yīng)堆是核電廠的核心部件，其能否安全、可靠地運(yùn)行對整個(gè)核動(dòng)力裝置的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的影響。而控制棒是反應(yīng)堆壓力容器的重要組件，控制棒耐高溫、耐腐蝕的能力決定了反應(yīng)堆控制效率的大小。如果控制棒經(jīng)過長期使用導(dǎo)致強(qiáng)度下降甚至損壞，使得控制效率下降，影響了核動(dòng)力裝置經(jīng)濟(jì)性，甚至在嚴(yán)重情況下，必然影響核動(dòng)力裝置的安全可靠性。目前，控制棒以Ag-1n-Cd為主要材料，但也存在材料強(qiáng)度的提升空間和結(jié)構(gòu)改造的余地。由于上述問題的存在，本發(fā)明人對現(xiàn)有的控制棒進(jìn)行研究和分析，進(jìn)行材料改造和更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便制作出具有更高的耐高溫性和耐腐蝕性的控制棒，進(jìn)而提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行銳意研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn):在原有的控制棒材料Ag-1n-Cd的基礎(chǔ)上添加多層石墨烯結(jié)構(gòu)，多層石墨烯結(jié)構(gòu)添加在由Ag-1n-Cd材料制成的棒料的外部、內(nèi)部、或者中間都能起到期望的的效果，即大大提高反應(yīng)堆控制棒的耐高溫性、耐腐蝕性、強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，進(jìn)而完成本發(fā)明。即本發(fā)明是針對目前反應(yīng)堆控制棒長期使用，造成機(jī)械性能下降和損壞，影響核動(dòng)力裝置的控制效率和安全性的問題，提出的一種新型材料的控制棒。
[0004]本發(fā)明的目的在于提供如下技術(shù)方案:
[0005](1)使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于，該控制棒包括層壓的石墨烯層和
[0006]其中石墨烯層由多層石墨烯制成，
[0007]合金層由Ag-1n-Cd合金制成，
[0008]石墨烯層厚度為0.05mm-0.2mm,
[0009]合金層厚度為0.95mm-3.65mm,
[0010]該控制棒為實(shí)心或空心圓柱狀，其外徑為12mm-15mm,
[0011]空心圓柱狀控制棒的壁厚為其內(nèi)部放置燃料棒，
[0012]實(shí)心圓柱狀控制棒周圍放置燃料棒；
[0013]石墨烯層制備方法為化學(xué)氣相沉積法，其中沉積條件如下:
[0014]生長氣體為將甲烷，甲烷通入速度15?25sccm，生長溫度為920?980°C，降溫速度為 8 ?12°C /min。
[0015](2)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于:該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括:雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層2a和雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層la，其中雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層2a是石墨烯層，其壁厚為0.lmm-0.2_，雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層la是合金層，其壁厚為1.9mm-2.8mm。
[0016](3)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于:該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括:雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層2a和雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層la，其中雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層2a是合金層，其壁厚為1.9mm_2.8mm，雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層la是石墨烯層，其壁厚為0.lmm-0.2mm。
[0017](4)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于:該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括:三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層5a、三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層4a和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層3a，其中三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層4a是合金層，其壁厚為
1.9mm-2.8mm，三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層5a和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層3a都是石墨烯層，其壁厚均為0.05mm-0.1mm。
[0018](5)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于:該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括:三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層5a、三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層4a和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層3a，其中三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層4a是石墨烯層，其壁厚為0.lmm-0.2mm，三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層5a和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層3a都是合金層，其壁厚均為0.95mm-l.4mm。
[0019](6)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于:該控制棒為實(shí)心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括:雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯2b和雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層lb,其中雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層lb是石墨烯層，其壁厚為0.lmm-0.2mm,雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯2b是呈圓柱狀的實(shí)心結(jié)構(gòu)，由Ag-1n-Cd合金制成，其直徑為11.8mm-14.6mm。
[0020](7)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于:該控制棒為實(shí)心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括:三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯5b、三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的中壁層4b和三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層3b，其中三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的中壁層4b是石墨烯層，其壁厚為
0.lmm-0.2mm,三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯5b是呈圓柱狀的實(shí)心結(jié)構(gòu)，由Ag-1n-Cd合金制成，其直徑為5.9mm-7.3mm,三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層3b是合金層，其壁厚為2.95mm_3.65mm。
[0021](8)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于:所述石墨烯層為在Ag-1n-Cd合金制成的基體表面形成的石墨烯層。
[0022]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0023]第一，該控制棒具比傳統(tǒng)控制棒更高的強(qiáng)度，這是由于加入了多層石墨烯材料，石墨烯材料是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，強(qiáng)度比最好的鋼鐵還要高上100倍左右；
[0024]第二，該控制棒具比傳統(tǒng)控制棒更高的抗高溫能力，這是由于加入了多層石墨烯材料，石墨烯材料具有極強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，其基本結(jié)構(gòu)為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)；
[0025]第三，該控制棒具比傳統(tǒng)控制棒更高的導(dǎo)熱性，這是由于加入了多層石墨烯材料，單層石墨烯材料導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m.K，多層石墨烯材料導(dǎo)熱能力下降，但導(dǎo)熱能力仍然強(qiáng)于傳統(tǒng)控制棒材料Ag-1n-Cd合金；
[0026]第四，該控制棒具比傳統(tǒng)控制棒更高的耐腐蝕性，這是由于加入了多層石墨烯材料，多層石墨烯材料層使內(nèi)部金屬耐腐蝕性大大提高；
[0027]第五，由于上述有益效果，相比于傳統(tǒng)控制棒，使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒具有更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
【附圖說明】
[0028]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒雙層結(jié)構(gòu)空心棒的縱剖面圖；
[0029]圖2示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒雙層結(jié)構(gòu)空心棒的橫剖面圖；
[0030]圖3示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒三層結(jié)構(gòu)空心棒的縱剖面圖；
[0031]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒三層結(jié)構(gòu)空心棒的橫剖面圖；
[0032]圖5示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的縱劑面圖；
[0033]圖6示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的橫剖面圖；
[0034]圖7示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的縱劑面圖；
[0035]圖8示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的橫剖面圖。
[0036]附圖標(biāo)號(hào)說明:
[0037]la-雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層
[0038]2a_雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層
[0039]3a_三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層
[0040]4a_三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層
[0041]5a_三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層
[0042]lb-雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層
[0043]2b_雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯
[0044]3b_三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層
[0045]4b_三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的中壁層
[0046]5b_三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯
【具體實(shí)施方式】
[0047]下面通過附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。通過這些說明，本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更為清楚明確。
[0048]在這里專用的詞“示例性”意為“用做例子、實(shí)施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實(shí)施例不必解釋為優(yōu)于或好于其他實(shí)施例。盡管在附圖中示出了實(shí)施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0049]在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，如圖1和圖2所示，提供使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，該控制棒為空心結(jié)構(gòu)，由內(nèi)向外依次包括: