[其他]一种减少端部反应性当量的核反应堆控制棒

说明书

总的说来，本发明与核反应堆有关，更具体地说是旨在提出一种改进型的控制棒，联同核燃料组件一起供在压水反应堆内使用。

在大多数核反应堆内，堆芯部分是由许多细长的燃料元件或燃料棒组成的。它们分成许多组，并用支架加以支撑，整个称为燃料组件。通常，燃料组件是细长的，两端由堆芯上下横向支撑板支撑和对中定位。通常设计的这些燃料组件包括有许多燃料棒和空心管或导向套管，它们借助沿燃料组件长度方向配置的栅格板形成规则的列阵。这些栅格板与导向套管连接在一起。两端处的顶部管嘴和底部管嘴又固定在导向套管上，从而形成一个完整的燃料组件。通常在大多数反应堆内，液态冷却剂（如水）是从堆芯下支撑板处的孔板口向上流经各燃料组件，从中吸收热能。

控制堆芯反应堆的一种方法是采用中子吸收元件或棒，通常称为“控制棒”。在由Donald    J.Hill申请获准的美国专利4，326，919号中，可以见到配置在燃料组件内控制棒的一种常规布置。其中，控制棒排成固定的列阵，在其上端用星形装置支撑，然后星形装置再与控制棒驱动机构相连，从而控制棒能垂直地在燃料组件的中空导向套管中提升和下降（认为是一种步进动作）。按这种装配采用的典型控制棒结构是形成一种细长的金属管或包壳，在管内放上中子吸收材料，两头用端部塞块将吸收材料密封在管内。一般说来，中子吸收材料是由紧密叠放的一摞陶瓷或金属芯块构成，这些芯块仅是部分地充满管内，在芯块顶部和上端塞块之间留有空间或轴向间隙，形成一腔室，容纳控制棒运行期间产生出来的气体。在该腔室内配置一个盘簧，并使其在上端塞块和顶部芯块之间处于受压状态，以便在控制棒步进运动期间保持该摞芯块能紧密地排列在一起。

导向套管的内径通常选为燃料组件栅格允许的最大值，以便能在其中插入最大可能直径的控制棒。希望最大限制地增大控制棒内吸收剂芯块的直径，这是因为控制棒的吸收效率非常强烈地依赖于芯块的表面积，特别是在热中子反应堆内。鉴于这种原因和为了增强热交换，通常在吸收剂芯块和控制棒包壳（包盖层）之间以及控制棒和其导向管之间留有狭小的间隙。

通常，控制棒正常运行是由驱动机构的几步小增量动作组成，例如每步0.6英吋。当控制棒运动时，在邻近控制棒端处芯块内功率有一阶跃增加（中子通量突然变化）。芯块功率的这种增加会造成芯块向包壳热膨胀，引起包壳内有一相当高的拉应变率。这样，加上对芯块内侧的化学侵蚀，会使芯块与包壳发生相互作用（PCI）。PCI可能损害或破坏包壳的功率，甚至使控制棒破裂，这一切会造成控制棒过早的失效，因而缩短了使用寿命。

在由Anthony等人申请获准的美国专利4，172，762号中，已认识到中子通量密度引起的控制棒早期失效。Anthony等人解决该问题的办法是设计了一种控制棒，其下端芯块的半径小于其它芯块的半径，而且芯块包上一层线性可压缩性的衬套，足以承受端部芯块因辐照引起的径向膨胀，而不造成包壳有过量的应变。为了达到他们的目标，他们建议衬套用海绵状347号不锈钢材料做成。密度为理论密度的22.59。为了做成这样，棒端部处（碳化硼）芯块的直径必须小一些，以便园柱形的海绵状衬套能够插在包壳（内径）和碳化硼芯块（外径）之间。虽然这种设计可能有它的好处，但要求某些芯块的直径比其它芯块直径小一些，而且又附加了一层额外的衬套，这不仅加大了材料费用，而且增加了制造步骤，需要更多的时间，从而造成控制棒更为昂贵。

在美国专利号3，230，147和3，255，086中，虽然Hitchcock没有特别注意到芯块与包壳的相互作用（PCI）问题，但他提出了两种不同的控制棒设计，从核观点来看，这些设计在控制径向峰值因子方面可以认为是类似于移动式的可燃毒物棒。在一种设计中，棒是锥形的或者从一端到另一端是有锥度的，造成中子吸收能力是逐渐变化的。这样，控制棒的运动在核反应堆堆芯结构中不会形成反应性大的阶跃变化的区域。在另一种设计中，棒是由四节串接组成，其中子吸收能力从一节到下一节逐一加大，以便形成锥度效应。在这两种设计中，基本槪念是控制棒长度必须两倍于锥芯高度，使控制棒既能通过锥芯底部插入，也能从堆芯顶部抽出。现今压水反应堆（PWR）并不设计成控制棒从反应堆芯部底板下面伸出。此外，在HitChCoCk设计中，控制棒的下部由不同吸收剂材料（薄壁硼钢、厚壁硼钢和软钢）做成，上部装上硼石墨。实际上，硼钢和软钢将在短时间内变脆，所以从材料观点看这种设计是不现实的。更进一步，下面部分充上水，会造成其特性像“中子通量阱”装置。除去上述这些缺点外，此种控制棒设计结构复杂，制造昂贵。