專利名稱:考慮到零反應性再分布因素而應用軸向不均勻吸收材料的全長控制棒的制作方法
本發明一般涉及核反應堆，特別涉及一種供停堆反應堆中是核燃料組件用的改進的控制棒。
在典型的核反應堆中，反應堆堆芯包括許多由頂部和底部管咀組成的燃料組件、許多細長的橫向彼此隔開的在管咀之間延伸的控制棒導向套管、許多沿導向套管軸向彼此隔開的橫向格架，和許多細長的燃料元件或燃料棒，這些燃料元件或燃料棒在橫向既彼此隔開，又同導向套管隔開，并由格架支承在頂部和底部管嘴之間。每一燃料棒包括裂變材料，燃料棒被組合在一起，構成排列有序的陣列，使其在堆芯中達到足夠的中子通量以維持高速度的核裂變，從而以熱量的形式釋放出大量的能量。為了從堆芯提取所產生的熱量生產有用的功，液體冷卻劑向上泵入、穿過堆芯。
因為在反應堆堆芯中產生熱量的速度正比于核裂變的速度，而核裂變速度又由堆芯中的中子通量決定，所以改變中子通量，便可以控制在反應堆起動時、運行期間和停堆時熱量的產生。改變中子通量的一種普通方法是利用含有中子吸收材料的控制棒吸收過量的中子，導向套管被用作為將中子吸收控制棒插入到反應堆堆芯內的通道。中子通量的水平，也即堆芯的熱能輸出量通常采用將控制棒移入和移出導向套管的方法來進行調整。在美國專利NO3，088，898、NO3，230，147、NO3，255，086、NO3，485，717、NO3，519，535、NO3，734，825、NO4，123，328，NO4，126，759和NO4，172，762中公開的控制棒和系統是代表性的先有技術。
在本申請人的美國專利NO4，326，919中敘述了一種采用控制棒與燃料組件結合的普通配置方法，該專利展示了一種控制棒陣列，控制棒上端部由一輻射形組件支承，而輻射形組件又連接到將燃料組件的空心導向套管中的控制棒垂直降下和提升(稱作為步進動作)的控制棒驅動機構。用在這種配置中的每一根控制棒典型地由一根細長的裝有中子吸收材料而且其相反的兩端部由端塞密封的金屬包套管組成。一般說來，中子吸收材料是一種具有高中子吸收截面的材料，例如碳化硼、鉭、銀-銦-鎘的復合體，或在這種技術中已知的許多其它中子吸收材料中的一種。材料普通呈疊柱的形式，疊柱由緊密裝填的陶瓷或金屬芯塊疊置而成，芯塊僅部分地充滿管子，在芯塊的端部和上端塞之間留有一空的空間，或留有一軸向間隙，此間隙形成一充氣腔用以儲存在運行時產生的氣體。一個螺旋彈簧被放在充氣腔中，并在上部端塞和頂端芯塊之間保持部分壓縮的狀態，使得在控制棒步進期間，芯塊牢固地保持疊置狀態。
在反應堆的壽命末期(EOL)和熱零功率(HZP)堆芯條件下，通常對堆芯頂端發生一種有害的功率(通量)分布漂移。例如，對于典型的壓水反應堆，軸向通量不平衡(AFI)處于50一60%的數量級。由于這樣一種極端的軸向通量不平衡，因此存在了相當大的反應性再分布，核設計者在事故分析中必須根據可以利用的鈾棒價值利用反應性虧損說明這種反應性再分布。這種虧損通常稱作反應性再分布因數(RRF)，在壽命末期，它約為0.85%△P，在停堆裕度計算中，它被考慮進去。
迄今所用的控制棒設計不能充分地改變這種在反應堆停堆時堆芯軸向功率分布的不平衡，因此本發明的目的是抑止這種情況，以便在反應堆停堆期間減小反應性再分布因數。
大體上說，由于提供了一種采用軸向不均勻的吸收材料的控制棒，達到了本發明的主要目的。不像普通的控制棒，按照本發明所述的控制棒在其上部約為棒的25%長的區域的吸收材料比棒上其余區域的吸收材料吸收性強。根據這種設計概念，高價值控制棒吸收材料將把熱零功率通量模式和壽命末期通量模式推進到更典型的在反應堆堆芯的中間部分被適當補償的熱全功率模式。按照這種方式，對功率再分布因數虧損的需要消除了。本設計被用于包括停堆機組堆芯中的所有控制棒。如上面所述，用通常的均勻控制棒，在熱零功率和壽命末期的軸向通量不平衡大約為60%，而按照本發明，將高價值的吸收材料放在占控制棒25%的上部時，在同樣條件下軸向能量不平衡變到僅4%。
因此本發明屬于一種包括細長管狀件的中子吸收控制棒，相對于控制棒插入到燃料組件的方向，細長管狀件有一前端和后端，并且在上述的前端和后端之間構成氣密封閉的管腔，中子吸收控制棒的特征在于，上述管腔包括第一中子吸收材料和第二中子吸收材料，第一中子吸收材料偏置于管狀件的后端，而第二中子吸收材料偏置后管狀件的前端，上述第一中子吸收材料的中子吸收能力比上述第二中子吸收材料的吸收能力高，第二中子吸收材料的量比上述第一中子吸收材料的量大。
更具體講，第一中子吸收材料最好是碳化硼，它比第二中子吸收材料具有更高的中子吸收能力，第二中子吸收材料最好是銀-銦-鎘。另外，第二中子吸收材料在量上比第一中子吸收材料大。具體講，第一和第二中子吸收材料的量可由棒上相應的長度表示，第二吸收材料大約三倍于第一吸收材料。
下面參照附圖，僅作為例子敘述本發明的最佳實施例，附圖中圖1是以垂直透視縮短的形式例示的燃料組件的正視圖，圖中，部分地分成段，并且為清楚起見，有些部件被截開;
圖2是體現本發明的控制棒的放大而垂直透視縮短的截面圖。
在以下的敘述中，對于全部附圖，相同的參考號表示相同的或對應的部件，像“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”和類似的詞被用作為方便用語，不能看作為限制性術語。
參照附圖，特別參照圖1，其中例示的而且一般用序數10表示的燃料組件基本上包括用于將組件支承在在反應堆(未示出)堆芯區域中的下部堆芯板(未示出)上的下端結構件或底部管嘴12、從底部管嘴12向上延伸的導向管或導向套管14、沿導向套管14軸向彼此隔開的橫向格架16、由格架16支承并沿橫向彼此隔開的排列有序的細長燃料棒18的陣列、儀表監測管20和連接到導向套管14上端部的上端結構件或頂部管嘴22。部件這樣排列后，燃料組件10便形成一種在處理時不會損傷組件部件的整體的單元。
每一根燃料棒18包含由裂變材料構成的核燃料芯塊24，并且有用端塞26、28氣密封閉的相對端部，通常將充氣腔的彈簧30放置在上端塞26和芯塊24之間以保持芯塊被牢固地疊置在燃料棒18中。在運行時，將水或含硼水這樣的液體慢化劑-冷卻劑向上泵入，使其通過堆芯的燃料組件，從而將熱能從中提取出來生產有用的功。
裂變過程用控制棒32控制，控制棒在燃料組件10中可相對于固定在預定位置的導向套管14進行往復運動。頂部管嘴22包括頂部棒束控制機構34，棒束控制機構具有內螺紋圓柱件36和許多輻射形伸出的連接到控制棒32的錨鉤或支臂38，可以操縱控制機構34使控制棒32在導向套管內垂直移動。
現在參考圖2，圖中示出了實施本發明的并適合于被應用在反應堆要停堆之前的壽命末期期間的控制棒。
實施本發明的控制棒總的用40表示，它包括一根細長的空心的管狀件42，管狀件在它的相對端部44、46之間形成氣密封閉的管腔48。相對于控制棒40進入燃料組件10的運動，管狀件42的下端部46是它的前端，而其上的上端部44是它的后端。控制棒40還包含第一中子吸收材料50和第二中子吸收材料52，第一中子吸收材料最好以碳化硼芯塊的形式被裝在管腔48中并偏置在管狀件42的上端部44，而第二中子吸收材料最好以銀-銦-鎘芯塊的形式裝在管腔48中并偏置在管狀件42的下端部46。
第一中子吸收材料50(碳化硼)的中子吸收能力比第二中子吸收材料52(銀-銦-鎘)的中子吸收能力高，具體說，大約高25%。另外，第二中子吸收材料52的量比第一中子吸收材料50的量大。特別是，第一和第二中子吸收材料50、52的量由管狀件上相應的長度表示。第二種材料52的長度大約為第一種材料50長度的三倍，或者換言之，第一種吸收材料50在管狀件管腔48中大約占據所有吸收材料全長上部的25%，而第二種吸收材料52則大約占據下部剩下的75%。因此第二種中子吸收材料52的長度大約為第一種中子吸收材料50長度的三倍。
像普通的控制棒一樣，控制棒40的管狀件42由細長的薄壁的金屬色套或管54構成，用端塞56、58封閉管狀件42的相對的兩端44、46。上端塞56整體地形成向上伸出的柄部分，柄部分有一外螺紋端部60，用以使控制棒同控制機構34相連接。下端塞58為圓錐形。
吸收材料50、52的芯塊被滑入放置到管腔48中，使其一塊疊置在另一塊上，靠著下端塞58。充氣腔彈簧62被插放在芯塊的疊柱和上端塞56之間，使它們保持軸向彼此隔開的狀態，這樣在管狀件42中便保持了空間，該空間用于儲存芯塊50在控制反應中吸收中子時產生的氣體。
因為碳化硼吸收材料僅占吸收材料上部的25%，所以碳化硼的膨脹基本上沒有影響，因為在反應堆處于低功率或停堆之前，碳化硼決不會進入堆芯。另外，因為(a)控制棒不允許插入很深;(b)對于特定的反應堆，還是同一吸收材料，在此情況下即是銀-銦-鎘，并沒有變得與從前使用的不同，所以在高功率水平時不會對棒狀峰值因素產生影響。
權利要求
1.在反應堆的核燃料組件中，或對于反應堆的核燃料組件，一種中子吸收控制棒包括一根細長的管狀件，相對于控制棒插入到燃料組件的方向，管狀件有一前端和后端，并且在上述的前端和后端之間形成氣密封閉的管腔，這種中子吸收棒的特征在于，上述管腔(48)包括偏置在管狀件(42)后端(44)的第一種中子吸收材料(50)和偏置在管狀件(42)前端(46)的第二種中子吸收材料，上述第一種中子吸收材料(50)的中子吸收能力比上述第二種中子吸收材料(52)的中子吸收能力高，第二種中子吸收材料(52)的量比上述第一種中子吸收材料(50)的量大。
2.按照權利要求
1所述的控制棒，其特征在于，上述第一種中子吸收材料(50)的中子吸收能力約比上述第二種中子吸收材料(52)的中子吸收能力高25%。
3.按照權利要求
1或2所述的控制棒，其特征在于，上述第二種中子吸收材料(52)的量基本上相當于三倍上述第一種中子吸收材料(50)的量。
4.按照權利要求
3所述的控制棒，其特征在于，上述第二種中子吸收材料(52)的長度約為上述第一種中子吸收材料(50)的三倍。
5.按照上述任何一項權利要求
所述的控制棒，其特征在于，上述第一種中子吸收材料(50)是碳化硼。
6.按照上述任何一項權利要求
所述的控制棒，其特征在于，上述第二種中子吸收材料(52)是銀-銦-鎘。
專利摘要
本發明屬于一種中子吸收控制棒，該棒裝有由不同中子吸收能力的兩種不同中子吸收材料(50、52)構成的不均勻中子吸收體。低吸收能力的材料(52)是銀-銦-鎘，它從鄰接棒的前端向后端裝填，成為中子吸收體全長的主要部分(3/4)。高吸收能力的材料(50)是碳化硼，它從鄰接低吸收能力的材料處裝填到棒的后端。成為中子吸收體的小部分(1/4)。中子吸收體的不均勻性使在壽命末期期間和在零功率堆芯條件下的軸向通量不平衡減到最小。
文檔編號G21C7/117GK86104957SQ86104957
公開日1987年4月1日 申請日期1986年8月7日
發明者湯·奎克·恩古詹 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan