[其他]一種減少端部反應性當量的核反應堆控制棒

無效

• 申請號: 85105559
• 申請日: 1985-07-20
• 公開（公告）號: CN85105559A
• 公開（公告）日: 1987-01-28
• 發明（設計）人: 普拉泰普·基拉昌德·多謝;約翰·弗郎西斯·威爾森
• 申請（專利權）人: 西屋電氣公司
• 主分類號: G21C7/00
• 分類號: G21C7/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 包冠乾

總的說來，本發明與核反應堆有關，更具體地說是旨在提出一種改進型的控制棒，聯同核燃料組件一起供在壓水反應堆內使用。

在大多數核反應堆內，堆芯部分是由許多細長的燃料元件或燃料棒組成的。它們分成許多組，并用支架加以支撐，整個稱為燃料組件。通常，燃料組件是細長的，兩端由堆芯上下橫向支撐板支撐和對中定位。通常設計的這些燃料組件包括有許多燃料棒和空心管或導向套管，它們借助沿燃料組件長度方向配置的柵格板形成規則的列陣。這些柵格板與導向套管連接在一起。兩端處的頂部管嘴和底部管嘴又固定在導向套管上，從而形成一個完整的燃料組件。通常在大多數反應堆內，液態冷卻劑（如水）是從堆芯下支撐板處的孔板口向上流經各燃料組件，從中吸收熱能。

控制堆芯反應堆的一種方法是采用中子吸收元件或棒，通常稱為“控制棒”。在由Donald????J.Hill申請獲準的美國專利4，326，919號中，可以見到配置在燃料組件內控制棒的一種常規布置。其中，控制棒排成固定的列陣，在其上端用星形裝置支撐，然后星形裝置再與控制棒驅動機構相連，從而控制棒能垂直地在燃料組件的中空導向套管中提升和下降（認為是一種步進動作）。按這種裝配采用的典型控制棒結構是形成一種細長的金屬管或包殼，在管內放上中子吸收材料，兩頭用端部塞塊將吸收材料密封在管內。一般說來，中子吸收材料是由緊密疊放的一摞陶瓷或金屬芯塊構成，這些芯塊僅是部分地充滿管內，在芯塊頂部和上端塞塊之間留有空間或軸向間隙，形成一腔室，容納控制棒運行期間產生出來的氣體。在該腔室內配置一個盤簧，并使其在上端塞塊和頂部芯塊之間處于受壓狀態，以便在控制棒步進運動期間保持該摞芯塊能緊密地排列在一起。

導向套管的內徑通常選為燃料組件柵格允許的最大值，以便能在其中插入最大可能直徑的控制棒。希望最大限制地增大控制棒內吸收劑芯塊的直徑，這是因為控制棒的吸收效率非常強烈地依賴于芯塊的表面積，特別是在熱中子反應堆內。鑒于這種原因和為了增強熱交換，通常在吸收劑芯塊和控制棒包殼（包蓋層）之間以及控制棒和其導向管之間留有狹小的間隙。

通常，控制棒正常運行是由驅動機構的幾步小增量動作組成，例如每步0.6英吋。當控制棒運動時，在鄰近控制棒端處芯塊內功率有一階躍增加（中子通量突然變化）。芯塊功率的這種增加會造成芯塊向包殼熱膨脹，引起包殼內有一相當高的拉應變率。這樣，加上對芯塊內側的化學侵蝕，會使芯塊與包殼發生相互作用（PCI）。PCI可能損害或破壞包殼的功率，甚至使控制棒破裂，這一切會造成控制棒過早的失效，因而縮短了使用壽命。

在由Anthony等人申請獲準的美國專利4，172，762號中，已認識到中子通量密度引起的控制棒早期失效。Anthony等人解決該問題的辦法是設計了一種控制棒，其下端芯塊的半徑小于其它芯塊的半徑，而且芯塊包上一層線性可壓縮性的襯套，足以承受端部芯塊因輻照引起的徑向膨脹，而不造成包殼有過量的應變。為了達到他們的目標，他們建議襯套用海綿狀347號不銹鋼材料做成。密度為理論密度的22.59。為了做成這樣，棒端部處（碳化硼）芯塊的直徑必須小一些，以便園柱形的海綿狀襯套能夠插在包殼（內徑）和碳化硼芯塊（外徑）之間。雖然這種設計可能有它的好處，但要求某些芯塊的直徑比其它芯塊直徑小一些，而且又附加了一層額外的襯套，這不僅加大了材料費用，而且增加了制造步驟，需要更多的時間，從而造成控制棒更為昂貴。

在美國專利號3，230，147和3，255，086中，雖然Hitchcock沒有特別注意到芯塊與包殼的相互作用（PCI）問題，但他提出了兩種不同的控制棒設計，從核觀點來看，這些設計在控制徑向峰值因子方面可以認為是類似于移動式的可燃毒物棒。在一種設計中，棒是錐形的或者從一端到另一端是有錐度的，造成中子吸收能力是逐漸變化的。這樣，控制棒的運動在核反應堆堆芯結構中不會形成反應性大的階躍變化的區域。在另一種設計中，棒是由四節串接組成，其中子吸收能力從一節到下一節逐一加大，以便形成錐度效應。在這兩種設計中，基本槪念是控制棒長度必須兩倍于錐芯高度，使控制棒既能通過錐芯底部插入，也能從堆芯頂部抽出?，F今壓水反應堆（PWR）并不設計成控制棒從反應堆芯部底板下面伸出。此外，在HitChCoCk設計中，控制棒的下部由不同吸收劑材料（薄壁硼鋼、厚壁硼鋼和軟鋼）做成，上部裝上硼石墨。實際上，硼鋼和軟鋼將在短時間內變脆，所以從材料觀點看這種設計是不現實的。更進一步，下面部分充上水，會造成其特性像“中子通量阱”裝置。除去上述這些缺點外，此種控制棒設計結構復雜，制造昂貴。