[发明专利]球床高温气冷堆反应性控制方法及套叠式控制棒

说明书

技术领域

本发明涉及模块式球床高温气冷堆核电站反应性控制及控制棒设计，特别涉及一种球床高温气冷堆反应性控制方法及套叠式控制棒。

背景技术

球床高温气冷堆起源于德国的AVR实验堆，在AVR堆实验成功的基础上，德国于20世纪70年代，即世界核电的高速发展期，建造运行了电功率达300MW的钍高温气冷堆示范电厂（THTR-300）。随着美国三哩岛和苏联切尔诺贝利核电厂事故的发生，各国公众和监管机构对核电厂的安全日益重视，为此高温气冷堆商用电站也从原来的向大型化方向发展，转变为开发具有非能动固有安全性的模块式高温气冷堆。我国已开工建设的华能山东石岛湾核电厂高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）即为典型的模块式球床高温气冷堆。

钍高温气冷堆（THTR300）由于单堆功率较高，设置了两套控制棒系统，一套为布置于侧反射层的36根调节棒，用于调节快速的反应性变化及事故工况下的热停堆；另外一套有42根控制棒，插入堆芯球床，用于长期冷停堆并保证一定的冷停堆深度。钍高温气冷堆的运行经验表明：插入堆芯球床的控制棒克服堆积的球形燃料元件的阻力需要巨大的驱动力，造成燃料元件的损坏。因此在后来的模块式球床高温气冷堆HTR-MODUL的设计中只保留了侧反射层控制棒。

HTR-MODUL单堆热功率200MW，堆芯直径3米，堆芯平均高度9.4米。其反应性控制和停堆系统包括控制棒系统和吸收球停堆系统，控制棒系统共有6根控制棒，布置在侧反射层，每根控制棒对应有一套驱动机构供其上下移动。每根控制棒的吸收体长度为4800mm，总长5280mm，共分10节，控制棒外径105mm，控制棒孔道直径130mm，控制棒包壳材料为X8CrNiMoNb1616，总重104kg，最高设计温度约900℃。HTR-MODUL控制棒系统的主要功能为：反应堆功率调节和热停堆。

由上述控制棒的设计参数可见：控制棒的结构型式为多节单棒结构；由于在反应堆满功率运行时，控制棒需要全部提出活性区，受反应堆压力容器高度的限制，控制棒吸收体的长度约为堆芯活性区高度的一半。

除控制棒系统外，HTR-MODUL的另外一套反应性控制和停堆系统为吸收球停堆系统，该系统有18列吸收小球，同样位于反应堆侧反射层，吸收小球依靠重力落入侧反射层孔道，依靠气力输送方式从侧反射层孔道返回贮球罐。该系统的主要功能是：①在反应堆启动及低功率运行时，与控制棒系统配合进行反应性控制；②单独实现冷停堆，并保证一定的冷停堆深度。

上述HTR-MODUL的反应性控制存在以下问题：①吸收球停堆系统功能要求多，系统设计复杂，运行可靠性要求高；②反应堆启动及低功率运行时，反应堆操纵人员不仅需要操作控制棒系统，还需要均匀从各个吸收球孔道依靠气力输送方式吹起吸收小球，且每次输送的吸收球的量要精确可控，这给反应堆操纵人员带来较大的操作难度，易于发生事故。

为此HTR-PM反应性控制和停堆系统的设计采用了以下技术创新：仍保留控制棒和吸收球这两套相互独立的系统，对两套系统的功能进行调整；控制棒系统分为安全棒组、调节棒组及补偿棒组，安全棒组在反应堆启动及功率运行时全部提出反应堆活性区，其价值足以保证在任何反应堆工况下的停堆，调节棒组进行反应堆功率调节，展平堆芯功率分布，补偿正常运行时的堆芯反应性变化，补偿棒组用以补偿反应堆长期运行后的反应性变化；安全棒组和调节棒组作为反应堆保护系统的执行机构，在假设反应性价值最大的一根控制棒失效的情况下，能够快速实现热停堆；在反应堆启动及低功率运行时，调节棒组与补偿棒组配合进行反应性控制。所有控制棒全部投入能够单独实现冷停堆，并保证一定的冷停堆深度。吸收球停堆系统作为备用停堆系统，不参与反应堆的启动及所有功率水平运行，在需要时可手动投入；控制棒系统与吸收球停堆系统共同投入，可以实现长期冷停堆或检修停堆。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：在保持目前模块式球床高温气冷堆压力容器、堆内构件等结构设计参数基本不变的条件下，仅利用控制棒系统就能实现冷停堆，并保证一定的停堆深度的问题。

（二）技术方案

本发明采用如下技术方案：

一种球床高温气冷堆套叠式控制棒，包括竖直且同轴设置的内棒、外棒以及导向筒组件，所述外棒以及导向筒组件为中空柱状体，所述内棒的顶端可在所述外棒内部上下移动，另一端随之在位于所述导向筒组件下方且与导向筒组件同轴设置的控制棒通道内部上下移动；所述外棒顶端可在所述导向筒组件内上下移动，另一端随之在所述控制棒通道内部上下移动。