專利名稱:控制棒的制作方法
本發明涉及一種控制棒，更確切地說是涉及一種適用于沸水反應堆的控制棒。
用于沸水反應堆的控制棒截面呈十字形，有四個葉片。每個葉片由布置在-U形屏蔽彎頭內大量的中子吸收棒構成。屏蔽套固定在沿控制棒軸向安置的連桿上。中子吸收棒在由連桿，屏蔽套，固定在連桿上部的上支承構件，和固定在連桿上部端區的速度限制器的上表面所確定的空間內列成一行，但并不固定。
由在一復合管中填充B4C粉末制成的控制棒的中子吸收棒存在機械和核壽命短的問題。
用日本專利公開第74697/1978號和美國專利第4，285，769號(見圖9D)中所公布的控制棒，可在一定程度上解決上述問題。按已有的參考工藝，具有長核壽命和長機械壽命的長壽命型中子吸收棒置于控制棒的上端區和葉片端區，那里是控制棒中中子輻照特別大的地方。換言之，在這種控制棒中，長壽命型中子吸收劑如鉿(Hf)或銪(Eu)位于上端區和葉片端區，填充有碳化硼(B4C)并裝在一細長不銹鋼復合管內的抑制劑管位于其它部位。然而，因為它只在部分區域使用了長壽命型中子吸收劑，這種控制棒還是免不了其工作壽命比完全由長壽命型中子吸收劑制成的控制棒的工作壽命短的缺點為解決上述問題，曾嘗試用長壽命型吸收劑，如鉿(Hf)代替控制棒的中子吸收劑。圖4是日本專利發行刊物第192，992/1984號給出的這種控制棒中的一例。其中，控制棒內所有吸收劑都由鉿制成。實心鉿放置在控制棒的上部，而海棉狀鉿則放置在下部。實心鉿的區域位于中子吸收劑全長由下往上3/4處之上。
另一方面，根據日本專利發行刊物第171，293/1982號，中子吸收劑的上端面和上支承構件之間，以及中子吸收劑的下端面和速度限制器上表面之間水平方向各插有一沖擊吸收器，或者說，一具有厚度成薄部分的不銹鋼管。放置不銹鋼管的目的是在控制棒正常工作或快速停堆時減緩中子吸收劑對上支承構件和速度限制器的沖擊。
本發明的一個目的是提供一種在反應堆停止時能獲得足夠停堆余量的控制棒。
本發明的另一目的是提供一種控制棒，它既能避免構成葉片的屏蔽套的變形，又不顯著地減少中子吸收劑數量。
本發明還有一個目的是提供一種控制棒，在反應堆快速停堆時，它能通過一簡單結構，在控制棒達到其壽命之前較長一段時間內避免中子吸收棒對控制棒插入側面上的結構構件的沖擊。
本發明的第一個特點在本發明的控制棒帶有一中子吸收區域，其中裝有多個從下面插入堆芯并包括吸收核鏈型中子吸收劑的中子吸收器。該中子吸收區沿軸向分成上下兩部分，上區和下區的分界線位于沿軸向距中子吸收區下端為該中子吸收區全長的3/8到5/8的范圍內。而且，下區內垂直于軸向的截面內所含吸收核鏈型中子吸收劑的量比垂直于軸向的截面內所含的該吸收劑的量要小。
本發明的第二個特點在于在上述第一個特點上又加有護套變形防護裝置，這些裝置被設置于設在中子吸收器的凹槽或通孔內，此外，在屏蔽套相向側壁之間也裝有這些裝置。
本發明的第三個特點在于在上述第一個特點上又加有若干約束-支承裝置，它們被用于約束中子吸收棒沿軸向的運動，并支撐這些吸收棒，使之處于在各葉片內處于懸垂狀態。
通過下面的描述連同附圖，本發明的上述及其它特點將會變得更加清楚。
圖1是反應堆停止工作期間軸向中子強度分布圖。
圖2是有效增值系數隨控制棒的上，下區的邊界所處位置而變化的圖。
圖3是本發明的一個最佳實施方案的控制棒的示意圖。
圖4是圖3中所示一個葉片的結構圖。
圖5是沿圖3和圖4中Ⅴ-Ⅴ線取的截面圖。
圖6是沿圖3和圖4中Ⅵ-Ⅵ線取的截面圖。
圖7和圖8分別是圖4中中子吸收器3A和3B的透視圖。
圖9是圖4中的上支承部分的透視圖。
圖10是沿圖4中Ⅹ-Ⅹ線取的截面圖。
圖11是圖5中Ⅺ部分的放大圖。
圖12是沿圖3和圖4中Ⅻ-Ⅻ線取的截面圖。
圖13是一個說明圖，用來解釋在反應堆快速停堆時，中子吸收器的直徑減小段發生的彎曲。
圖14，15，16，19，和20是涉及本發明的其它最佳實施方案的控制棒的示意結構圖。
圖17是中子吸收器的另一實施方案的透視圖。
圖18是軸向中子照射分布的特性圖。
圖21，22和23是避免屏蔽套的外部變形的構件的橫截面圖。
圖24是沿圖23中ⅩⅩⅠU-ⅩⅩⅣ線取的截面圖。
圖25是涉及本發明另一實施方案的控制棒的葉片的結構圖。
圖26是沿圖25中Y-Y線取的截面圖。
圖27是沿圖26中W-W線取的截面圖。
圖28是圖27所示結構的另一例子的結構圖。
仔細研究圖4所示，由日本專利公開第192，992/1984號給出的采用一控制棒的沸水反應堆的特性的結果，本發明的發明者發現一個問題;由于使用控制棒，反應堆停堆余量變小。本發明就是要解決這個問題。
沸水反應堆停堆時，中子強度沿堆芯軸向的分布在附圖1中給出。由圖1可見，停堆時中子強度分布在堆芯上部有一峰值。
圖2表示當日本專利公開第192，992/1984號所公開的具有鉿含量較多的上區和鉿含量較低的下區的控制棒，或者更確切地說，裝有如下面圖4所示上區中直徑增大段和下區中直徑減小段的斷控棒被完全插入堆芯，反應堆停止時，有效增值系數隨控制棒上下區的邊界的變化而變化。圖2所示特性由反應堆決定，它導致圖1所示停堆時的中子強度分布，當有效增值系數為1時，反應堆達到臨界點。
圖2中的橫坐標代表上，下區的邊界的位置，即從中子吸收器填充區下端算起的邊界的位置，在上區，垂直于中子吸收劑填完區的橫截面上，中子吸收劑的量大;在下區，該橫截面上中子吸收劑的量少。圖2中，O值代表中子吸收劑填充區的下端，8/8值代表上端頂點。圖2中的縱坐標代表有效增值系數Keff。有效增值系數最好保持在0.99以下，使得即使有一根控制設有按上述方式插入，反應堆也不會因擾動或類似原因而達到臨界點。如果上下區間的邊界位于沿其軸向從其下端算起的中子吸收劑填充區全長的5/8以上，則雖然圖1所示中子強度的峰值仍位于上區，上區鉿含量仍將減小，因而有效增值系數急劇增加。這意味著停堆余量急劇減小，停堆時反應堆的安全程度降低。
如果上下區間的邊界位于沿其軸向從其下端算起的中子吸收劑填充區全長的3/8之下，則就圖1所示中子強度分布來說，有效增值系數與上下區邊界位于軸向3/8處時的相等，而且保持不變。這意味著即使上下區邊界處于很低的位置，停堆余量也不增加，而只是控制棒的重量增加。控制棒重量的增加使其驅動裝置難以平穩地操作。這是一個關鍵的問題，特別是由于吸收核鏈型吸收劑，如鉿遠比B4C重。所以無論如何要減輕控制棒的重量。
在采用由吸收核鏈型中子吸收劑(如鉿)組成的中子吸收器的控制棒中，上、下區邊界必須位于沿軸向以下端算起的中子吸收劑填充區全長的3/8到5/8的范圍內(圖2表示出這一范圍Ra)。如果該上下區邊界在這一范圍內，則采用由吸收核鏈型中子吸收劑組成的吸收器的控制棒的重量就能為控制棒驅動裝置帶動。
這里的術語“吸收核鏈型中子吸收劑”，是指這樣一類中子吸收劑，其中進一步吸收中子的核素為中子吸收反應形成的核素或蛻變核素，并且這類吸收劑的中子吸收作用的衰減速度較低。明確屬于這一類吸收劑的有Hf，Eu2O3，Ta2O3和Ag-In-Cd合金。
現在將參考圖3和4描述一種應用于沸水反應堆的本發明的控制棒的實施方案。
本發明的控制棒外現如圖3所示。換言之，控制棒1截面呈十字形，有四個葉片2，各葉片都自軸線徑向徑外延伸。速度限制器17裝于葉片2之下，把手18固定在葉片2上端。控制棒以可拆卸方式與反應堆內壓力容器內的控制棒驅動裝置相互連結起來，這一些在圖中設有標出。控制棒驅動裝置與速度限制器的下端連結。下面將參考圖4，5，6描述控制棒葉片2的形狀。單個葉片2包括一個U-形護套12(由SUS制成)和一個中子吸收器3，U-形護套12的兩端固定在由SUS制成并裝在控制棒1的軸上的連桿11上，中子吸收器3位于屏蔽套12之內。上支承構件6焊接到連桿11的上端區，而下支承構件7焊接到連桿11的下端區上。U形屏蔽套12的上端區環繞上支承構件6并點焊在其上。U形屏蔽套12的下端區環繞下支承構件7并點焊于其上。屏蔽套12上穿了很多孔，以便當控制棒1放入反應堆時，反應堆內的冷卻水能通過這些孔流到屏蔽套中。用冷卻水冷卻控制棒的方法將在以后提及。
把手18裝在連桿11的上端并固定在上支承構件6上。速度限制器17裝在連桿的下端。下支承構件7固定在速度限制器17上。然而，可以將把手18的下端區用作上支承構件6，而不用專門裝一個上支持構件。同樣，也可以將速度限制器17的上端區用作支承構件7而不另加一下支承構件7。
如圖5和圖6所示，中子吸收棒3裝在屏蔽套12內，并且位于由SUS制成，固定在連桿11上的上、下支承構件6和7之間。園鉿金屬棒被用作中子吸收棒3。如圖4所示中子吸收棒3有一個大直徑段4和一個小直徑段5。它們都由園鉿棒組成。中子吸收棒3在軸向的全長為360厘米，大直徑段4和小直徑段5的軸向長度都是180厘米。大直徑段4的直徑為4.8毫米，小直徑5的直徑為3.4毫米。大直徑段4裝在葉片2的上面，小直徑5裝在葉片2的下面。中子吸收棒3的制備按如下方法，把小直徑段5的上端和大直徑段4的下端對在一起，使它們同軸，然后焊接到一起。這個連接點形成一個園錐段(沿軸向約有2到3毫米)，該園錐段很短，在圖上無法表示出來，其直徑從大直徑段4到小直徑段5連續變化。園錐段是小直徑段5的一部分。
一個葉片2內裝有21根中子吸收棒3。大直徑段4和小直徑段5沿軸向各占中子吸收棒(或葉片2內的中子吸收劑填充區)長度的1/2。所以，當把從中子吸收劑填充區下端向上延伸至其軸向全長1/2(即中子吸收劑填充區沿軸向的全長的一半)處的下區與在裝有中子吸收3的本實施方案的葉片2的中子吸收器填充區之內，下區之上的上區(其長度與下區的相同)相比時，垂直于軸的截面的吸收核鏈型中子吸收劑的量，即鉿的量，在軸向上區的主要區段的下部要小。
更詳細地說，如圖7和圖8所示，本實施方案有兩種中子吸收棒。圖7所示的中子吸收棒3A在大直徑段4的上端區有一個垂直于軸的槽4A。該槽4A的位于從大直徑段4的上端區(或中子吸收棒3A的上端)朝向小直徑段，間隔很小。所以，大直徑段4在槽4A的上方有一個凸塊4C。凸塊4C被切去一截，從而槽4C在凸塊4C一側的壁高(或從衣4B算起的高度)低于槽4A的另一側壁的高度(從底4B算起的高度)。中子吸收棒3A中小直徑段5的橫截面積比大直徑段4中其軸向上的大部分區段的橫截面積要小，除3其槽4A段。
另一方面，圖8中的中子吸收棒3B除具有中子吸收棒3A的結構外，還包括一個槽4D，槽4b位于大直徑區4中，繞園周一圈。在棒的軸向共有六個槽4D，每個槽4D在中子吸收棒3的軸向的長度為2厘米。中子吸收棒3的大直徑區4中除槽4A外軸向的主要區段的橫截面積，以及中子吸收棒3B的大直徑區中除了槽4A和六個槽4D處軸向的主要區段的橫截面積都大于小直徑段的橫截面積。中子吸收棒3A和3B中，大直徑段4和小直徑段5在軸向的線度是相同的。在葉片2的寬度中心裝有兩根中子吸收棒3B。
下面將描述用以把每一中子吸收棒3安裝到支承構件6上的結構。如圖9所示，上支承構件6制有槽6A和凸塊6B。開在支承構件6的一個側面的槽6A位于其下端并沿其縱向延伸。槽6A的形成確定了上支承構件6的下端的連續凸塊6B。
中子吸收棒3A和3B由上述上支承構件6支承。下面將就這種情況作更詳細的描述。中子吸收棒3A和3B的凸塊4C嵌入上支承構件6的槽6A中。上支承構件6的凸塊6B反過來又嵌入中子吸收棒3A和3B的槽4B中。這樣，因為中子吸收棒3A和3B的凸塊由上支承構件6的凸塊6B支承，所以中子吸收棒3A和3B由上支承構件6支承，并懸掛在屏蔽套12內，如圖10所示。
每個具有H形截面的金屬條或裝配部件9的中心位于屏蔽套12內相鄰的中子吸收棒3B之間(見圖12)。在葉片2的軸向有12個這樣的金屬條9。換句話說，有6個金屬條9安裝在大直徑段4所在的葉片2的上區，另6個金屬條9裝在水直徑段5所在的葉片2的下區。位于兩個相鄰中子吸收棒3B的大直徑段之間金屬條9的中心區嵌在面對著的大直徑段的槽4D內。金屬條9的延伸其中心區的兩側壁貼在屏蔽套12的兩側壁上并被焊接固定于其上。
圖12顯示安裝在相鄰中子吸收棒3B的小直徑段之間的空隙16處的金屬條9的裝配情況。金屬條9的兩側壁被點焊在護套12之上，裝在上，下區的金屬條9并不與中子吸收棒3相連接。由于軌條9與屏蔽套一樣是由SUS制成的，所以它可以和屏蔽套焊接在一起。然而鉿與SUS不能焊接在一起。
本實施方案的控制棒中，中子吸收劑還在垂直于葉片2外表面的方向上的厚度在葉片2的軸向上是不同的。換句話說，在中子吸收棒3的大直徑段所在的葉片2的上區，吸收核鏈型中子吸收劑(鉿)在垂直于葉片2的側壁方向上的厚度大，而在中子吸收棒3的小直徑段所在的葉片2的下區，這個厚度小。
在護套12的安裝有向內突的凸塊8。這些凸塊8由屏蔽套12結構材料的向內伸出部分構成。如圖3和圖4所示，每個凸塊8都位于吸收核鏈中子吸收劑在垂直葉片側面方向上的厚度小的地方，即在控制棒1的裝有中子吸收棒3的小直徑段的下區，中子吸收棒3的小直徑段5被兩個相對著安裝在屏蔽套12的側壁上的凸塊8卡緊。這樣的凸塊8對布置在葉片2下區的若干位置上。
將本發明的控制棒1以上把手18些端插入沸水反應堆。中子吸收器區的上支承構件6那端相應于控制棒的填充端。
如前面所述，控制棒1的上，下區邊界位于從下面算起中子吸收器填充區全長的1/2。所以，根據圖1所示中子強度分布，可在反應堆停止操作期間用插在反應堆內的控制棒得到有效的中子吸收能力。換言之，象圖2中可清楚地看到的那樣，即使反應堆停堆時具有最大值的控制棒1沒有插入堆芯，沸水反應堆的有效增值系數也將變為0.986。采用這種控制棒1能提供較大的停堆余量，并改善反應堆的安全性。
在本實施方案的控制棒1中，每個大直徑段4和小直徑段5組成的中子吸收棒3被安裝在葉片2內，控制棒1的重量基本上等于普通的由填有B4C的中子吸收棒組成的控制棒的重量。所以本實施方案的控制棒1可以方便地由普通的控制棒驅動裝置操縱。或者換句話說控制棒1可獲得良好的可操作性。控制棒1葉片2的寬度與普通控制棒葉片的寬度相同。因此，沒有必要作任何改裝和更換安裝在反應堆壓力箱內的堆芯下部的控制棒導向管，或更換裝在堆芯支承構件上的燃料支承軌條。
所述中子吸收棒3用鉿作為中子吸收劑。鉿(Hf)是一種吸收核鏈型中子吸收劑，它吸收中子時不放出氣體。這樣控制棒1的中子吸收棒3的機械壽命可以延長。因為中子吸收棒3使用吸收核鏈型中子吸收劑鉿，所以中子吸收棒3吸收中子的同時產生一種新的中子吸收劑，這樣核壽命也可延長。這里，中子吸收棒3中的大直徑段4的直徑與用于沸水反應堆的普通控制棒中填有B4C的中子吸收棒的直徑相等。中子吸收棒3的軸向長度基本上等于燃料組件的有效燃料長度(366cm)，這一點與普通控制棒中的情形一樣。術語燃料組件的“有效燃料長度”是指的是燃料丸填充區的軸向長度。
根據上述構造，控制棒的重量基本上等于常規控制棒的重量。控制棒反應控制能力也基本上等于常規控制棒的反應控制能力。而且，上，下區壽命各常規控制棒壽命的四倍和三倍。
由于在上述實施方案中，中子吸收棒3與固定在連結桿11上的上支承構件6相嚙合，所以即使在快速停堆時控制棒快速插入堆芯，也可以完全避免中子棒的插入端區(圖4所示的上端區)與上支承構件相撞。換句話說，在大直徑段4的上端區構成的槽4A與上支承構件6的凸塊6B嚙合，槽4A的上、下側面分別與凸塊6B的上、下面貼緊。這種安排可完全避免在快速停堆完成前一瞬間的猛烈減速所引起的中子吸收棒3的向上運動，并可以避免中子吸收棒3的插入端與上支承構件6的碰撞。從結構上說，中子吸收棒3與上述上支承構件6之間的嚙合結構很簡單。在控制棒的壽命周期內一直保持槽4A與凸塊6B的嚙合，所以在控制棒1達到其壽命之前的很長時間內不會發生中子吸收棒3與上支承構件6的碰撞。
本實施方案通過提供一根不銹鋼管作為沖擊吸收器解決了上述日本專利公開第171293/1982號中存在的填有B4C的中子吸收棒與不銹鋼管間存在縫隙這一問題，該專利只是縮小了這個縫隙。要把4中長的葉片內的中子吸收棒的長度做得完全相等是困難的，因此葉片內所有中子吸收棒與不銹鋼管之間的縫隙有平均2～3毫米的變化，其最大值為5～6毫米，而不可能完全達到零。在快速停堆時一秒鐘之內把控制棒迅速插入堆芯后快速停止時，巨大的加速度作用在每根中子吸收棒上。由于完成插入控制棒時的快速停止前的急劇減速，在確定中子吸收棒與不銹鋼管的間隙的中子吸收棒的上端區劇烈撞擊不銹鋼管。結果，經過一次快速停堆，不銹鋼管就會被撞壞(尤其當中子吸收棒與不銹鋼管間的間隙較大時)，在下一次快速停堆時，不銹鋼管將有可能起不到應有的緩沖作用，控制棒中插入端的結構構件有可能受到中子吸收棒的沖擊。特別是當中子吸收棒由鉿制成時，不銹鋼管更容易象前面敘述那樣因快速停堆而破裂。然而，本實施方案的控制棒1沒有這個問題。
中子吸收棒3與上支承構件6的間的嚙合能解決這個問題，這種方法尤其適用于配備有上區包括大直徑段4，下區包括小直徑段5的中子吸收棒3的控制棒。當包括大，小直徑段4，5的中子吸收棒3放入葉片2時，相鄰中子吸收棒的大直徑段4相互接觸(見圖4)。然而從圖4可見相鄰中子吸收棒3的小直徑區5之間存在空隙16。因此，除非各中子吸收棒3的小直徑段5的下端與下支承構件7嚙合，在快速停堆控制棒急劇減速時，中子吸收棒3將向上運動，并撞擊上支承構件6，因而中子吸收棒3的小直徑段5在撞擊時因慣性的力而彎曲，如圖13所示，小直徑段5的下端上升一段距離H。這意味著當中子吸收棒3與上支承構件6相撞時，中子吸收劑填充區暫時縮短一段距離H，從而當快速停堆時在堆芯下部的中子吸收能力有所下降。
根據本實施方案，中子吸收棒3與上支承構件6相互嚙合，前者如圖10所示那樣懸掛，大直徑段4的載荷不作用于小直徑段5。所以在快速停堆時控制棒的插入操作期間，圖13所示小直徑段彎曲現象不容易發生，中子吸收器填充區也不易縮短。因而根據本發明，在快速停堆時，堆芯區下部的中子吸收不受防害。
由相鄰小直徑段5之間的空隙16而產生的小直徑段5在葉片2的寬度方向的偏移可用在每個間隔16中插入一隔片(圖上未標出)的方法來防止。而且，小直徑段5在垂直于葉片2側壁的方向上的運動可用屏蔽套口上的凸塊8防止，這一點下面就要談到。
由于在屏蔽套側壁內表面形成的凸塊8卡住了中子吸收棒3的小直徑段5，所以有可能控制小直徑段5在垂直于屏蔽套12側壁方向上的運動，即在屏蔽套12內，同葉片2的側壁的運動。因而中子吸收棒3的小直徑段5不可能因地震，冷卻水的流動等影響而沿屏蔽套12內的葉片2的厚度方向運動，也不會在控制棒1插入反應堆時妨礙反應控制。提供能制止反應性變化的凸塊8能改進屏蔽套12的彎曲硬度，并減小屏蔽套12的厚度。這也導致控制棒1的重量的降低。
在本實施方案的控制棒1中，葉片2中裝有軌條9用以連接屏蔽套12的側壁，從而避免屏蔽套12外部變形。為安裝軌條9，只須減小大直徑段4一些局部區域的直徑作為軌條9的裝配區，葉片2內的中子吸收劑因安裝軌條9而減少的量很小。若與一插入葉片2，并將屏蔽套12點焊在其上的不銹鋼棒(其軸向長度與中子吸收棒3的長度相等)的情況作一比較，這一點將很明顯。
下面，將描述使用本實施方案的控制棒的沸水反應堆的堆芯的一個例子。
已有工藝文件-美國專利第4，460，538號(相應于日本專利出版第7397/1982)中的圖2所示的堆芯是被作為沸水反應堆的堆芯而高出來的。該專利的堆芯結構如第四欄，第24行到第三欄，第35行所描述。堆芯結構包括一用以調節輸出的控制棒，它在反應堆工作期間插入堆芯并調節反應堆輸出;一根用以停止反應堆的控制棒，它在反應堆工作期間完全抽出堆芯，在反應堆停止工作時快速全部插入反應堆。在反應堆停止工作時，輸出調節控制棒也完全插入反應堆。這些輸出調節控制棒和停堆控制棒都一個挨一個交替排列在擋板裝置中，如該美國專利的圖2所示。
在反應堆工作期間，每根輸出調節控制棒都幾乎完全插入堆芯，中子連續輻射到該控制棒上。所以前述本實施方案的控制棒1很適宜用作這種輸出調節控制棒。因為停堆控制棒在反應堆工作期間完全從堆芯抽出，它的中子吸收量小。所以美國專利第4，285，769號(相當于日本專利出版第44237/1983號)中第15欄，第35行到57行所描述并由圖9A表示出的控制棒被用作停堆控制棒。這種控制棒包括往十字形葉片內填充B4C而形成的大量中子吸收棒，但不包括吸收核鏈型中子吸收劑。填有B4C的中子吸收棒的軸向長度基本上等于燃料組件的有效燃料長度。操縱這兩種控制棒的控制棒驅動裝置是一樣的。在沸水反應堆情況下，這種控制器驅動裝置裝在反應堆儲存堆芯的容器的下部，而這些控制棒都是從下插入堆芯的。
下面，將描述本發明的控制棒的另一個實施方案。
本實施方案的控制棒21由在屏蔽套12中交替排列中子吸收棒23和中子吸收棒24而產生。中子吸收棒23的軸的長度與中子吸收棒3的相同，中子吸收棒24的軸向長度是中子吸收棒3的軸長度的一半，屏蔽套12包括呈十字形排列的四個葉片。這些中子吸收棒23和24各自由園鉿棒組成。圖7所示槽4A和凸塊4C位于中子吸收劑23和24各自的上端區。這些中子吸收棒按與前述中子吸收棒3A和3B同樣的方式懸掛在上支承構件6(圖中未畫出)上(參見圖10)。中子吸收棒23和24直徑相同，除上端區外它們沿軸向的粗細均勻。附帶說一句，除去沒有凸塊8和中子吸收棒的形狀不同以外，本實施方案的控制棒21的結構與控制棒1的結構基本相同。下區的軌條9安在相鄰中子吸收棒23的空隙中間。在本實施方案中，控制棒21與前述實施方案中的控制棒1一樣，也是在從下端算起的中子吸收劑填充區軸向全長的1/2處分成上下兩部分。在上區，垂直于軸向截面中的鉿量比在下區中同樣截面中的鉿量要大。
上述控制棒21起到與前述實施方案的控制棒1相同的效果。
在上述實施方案中，由園鉿棒組成的中子吸收棒裝在葉片內。然而中子吸收棒的橫截面可以是方形的。圖15和16顯示出采用方型截面中子吸收棒的控制棒。這些圖表示出了中子吸收棒在控制棒的葉片內的排列。這種控制棒的其它結構與控制棒1的相同。
在圖15所示的控制棒26中，許多由方形截面的鉿組成的中子吸收棒28被安裝在有屏蔽套12的各個葉片27內。每個中子吸收棒都在從其下端算起全長的中心處分成上區29和下區30，截面呈方形的上區29的橫截面積比方形截面的下區30的橫截面積大。在垂直于葉片27正表面的方向上，與上區29的橫截面積相比，下區30的橫截面積縮小了。
在圖16所示的控制棒31中，許多與中子吸收棒28形狀基本相同的中子吸收棒32被安裝在包含有葉片33的屏蔽套12中，而中子吸收棒28被旋轉了90°。中子吸收棒32也是由鉿組成。在垂直于葉片33側面的方向上，中子吸收棒32在垂直于葉片33的側面方向上的厚度比中子吸收棒28在葉片22的寬度方向上的厚度大。控制棒26和31可提供與控制棒1同樣的作用。然而，控制棒26不需任何方法防止下區30在葉片27寬度方向上的偏移，控制棒31不需在屏蔽套12上加凸塊8。
圖17顯示了由鉿制成的板狀中子吸收構件33。該中子吸收構件33也在其軸向長度的中心處分成上區34和下區35。按在中子吸收棒3A和3B中同樣的方式，在上區34的上端構出一個槽36和一個凸塊37。除上端區外，上區34沿軸向的大部分區段的截面積是一致的。下區35的橫截面積比上區35沿軸向上的主要區段(除槽36所在區段)的橫截面積小。下區35的橫截面積在軸向上絕大部分是均勻一致的，只是在其上端與上區34相內連接的區段上有變化。中子吸收構件33代替中子吸收棒3放置在控制棒1的各葉片2內。位于中子吸收構件33上端的槽36和凸塊37分別與上支承構件的凸塊6B和槽6A相嚙合。這種控制棒不僅能起到控制棒1的作用，而且中子吸收構件33的加工非常容易。因為只要把一塊鉿板下部的兩面切去一些便可制得這樣的構件。
圖18顯示了中子吸收器填充區上的中子輻照在控制棒軸向上的分布。圖中的上端相應于中子吸收器填充區的上端，圖中的下端對應于中子吸收器填充區的下端。圖中數值代表以在各處的最大中子照射值為標準的相對值。由圖18可知，在從上端到軸向全長的3/4的區域內，中子照射大。圖19和20所示為涉及本發明另外一個實施方案的一根控制棒，其中，中子吸收劑的量根據上述事實沿軸向變化。
在圖19所示的控制棒40中，許多中子吸收棒42安裝在構成各葉片41的屏蔽套12中。這些中子吸收棒42由園鉿棒構成。它們的上端區都有一個如圖10所示的結構，并與上支承構件6嚙合。每根中子吸收棒42在其軸向長度中點被分為大直徑段43即上區和小直徑段44即下區。下區進一步在其軸向從下算起全長的一半處被分為中間段44A和最下段44B。中子吸收棒42的大直徑段43的直徑為4.8毫米，中間段44A和最下段44B的直徑分別為3.9毫米和2.8毫米。各段直徑是在圖18所示的中子照射分布的基礎上確定的。各段直徑沿其軸向均勻一致。控制棒40的其它結構與控制棒1的相應結構一樣。本實施方案的控制棒40能起到與控制棒1相同的作用。
圖20所示控制棒45是通過把中子吸收棒46安裝在構成各葉片47的屏蔽套12內制成的，通過錐削上述實施方案的控制棒40內中子吸收棒42的中間段44，使其直徑從大直徑段43的直徑逐漸變到最低段44B的直徑，就可得到中子吸收棒46。這種控制棒的其它結構與控制棒1的相同。
下面，將參考圖21描述本發明的另一實施方案。它裝在葉片2內，具有用以防止屏蔽套12外部變形(尤其是在上區)的結構。圖21是沿圖4中Ⅴ-Ⅴ線取的截面圖。本實施方案中防止屏蔽套12外部變形的結構采用環狀金屬14代替圖11所示的金屬9。每個環狀金屬嵌入相鄰兩中子吸收棒3B上形成的槽4D中并環繞之。槽4D的軸向長度大于環狀金屬14的軸向長度，環狀金屬14并不與中子吸收棒3B固定在一起。金屬14朝著屏蔽套12的兩個面被點焊在屏蔽套12上。安裝金屬14比安裝圖11中的金屬9稍微麻煩些。這種結構能起到與圖11所示結構相同的作用。
圖22所示為防止屏蔽套12外部變形的構件的另一實施方案。圖22表示相應于沿圖4中Ⅴ-Ⅴ線取的橫截面。各方形鉿棒15在葉片2的寬度方向上的中心處的寬度是中心吸收棒3A直徑的兩倍。沿鉿棒15軸向鉆有12個貫通孔15A。各貫通都在垂直方向面對葉片2側壁。每個貫通孔15A中裝有一個由SUS制成的外徑與貫通孔15A的內徑相同的金屬條19。金屬條19的兩端點焊在與之相對的屏蔽套12的側壁上。本實施方案的結構與圖11所示結構的效果一樣。
下面，將參考圖23和24進一步描述防止在控制棒1的下區屏蔽套外部變形的結構的實施方案，圖23顯示相應于沿圖4Ⅻ-Ⅻ線取的橫截面。金屬條29為一不銹鋼板，其寬度等于屏蔽套12兩相對側壁的間隔。金屬條29(或不銹鋼板)上有數目與排列在葉片2中的中子吸收棒3的數目相同的孔29A，孔29A的直徑與中子吸收棒3的小直徑段5的直徑相同。沿下區的軸向排列有六個金屬條29。各中子吸收棒3的小直徑段5裝在金屬條29的孔29A中。各金屬條29的側面與屏蔽套12的相對側壁在任意位置被點焊在一起。這模金屬條29可以防止屏蔽套12的外部變形，也可防止小直徑段5在垂直葉片2側壁的方向和葉片2的寬度方向上的運動。所以，采用金屬條29的控制棒1不需要在屏蔽套12上做出凸塊8，也不需要安裝任何防止小直徑段5在葉片2的寬度方向運動的分立裝置。
圖21到23中所示構件可應用于圖14，15，16，17和20中的控制棒，也可應用于下面將出現在圖25中的控制棒。
最后，將參考圖25到27解釋本發明的又一實施方案中的控制棒。其中，對控制棒1的葉片2內的中子吸收棒3的懸掛結構作了改進。
在本實施方案的控制棒50中，中子吸收棒51安裝在屏蔽套12中，換句話說，中子吸收棒51如圖25所示被安裝在屏蔽套12中，并被夾在由SUS制成并裝配在與桿11上的上，下支承構件6和7之間。每個中子吸收棒51不焊接于屏蔽套5及上支承構件6和下支承構件7上，而僅僅安放在由這些構件5，6和7所環繞的空間內。
中子吸收棒51由園鉿棒構成，其下段從下端延伸到其全長中點，其上段從全長中點延伸到上端，在上下段之間的橫截面積不同。換句話說，中子吸收棒51下段，即小直徑段53的直徑為3.4毫米，其上段，即大直徑段52的直徑為4.8毫米。
與前述實施方案中的中子吸收棒3不同，本實施方案的中子吸收棒51的上端設刻有槽4A和4C，而是在大直徑段52上刻著槽52A。
中子吸收棒51由點焊于屏蔽套12上的支承構件52在其大直徑段52處支承著。因而，中子吸收棒51懸掛在屏蔽套12內，其兩端不與支承構件6和7接觸。下面將結合圖26和27更詳細地描述該中子吸收棒的支承結構。
支承構件54包括一對支承段54A和54B。支承段54A和54B上有半園槽55，槽的數目與一個葉片2中的中子吸收棒51的數目相同。支承段54A和54B按如下方式安排在葉片2的上區沿屏蔽套12內的葉片2的寬度方向垂直于控制棒1的軸的方向)，它們的槽55兩兩相對。支承段54A和54B同屏蔽套12一樣由SUS制成，并被點焊在屏蔽套12上。參考數碼56代表點焊區。槽52A中子吸收棒51的大直徑段52的一個區域上形成，其直徑稍小于大直徑段52的直徑。相對放置的支承段54A和54B的一部分嵌入槽52A。所以各中子吸收棒51由支承段54在大直徑段52處支承并懸掛。在中子吸收棒51的上端與上支承構件6之間，以及中子吸收棒51的下端(即控制棒驅動裝置連接端)與下支承構件7之間留有間隔17，以容納中子吸收棒51由于反應堆內的熱膨脹而產生的在軸向上的伸長。
本實施方向的控制棒的效果與控制棒1效果相同。
因為支承構件54A和54B被固定在屏蔽套12內，本實施方案能進一步防止屏蔽套12向外擴展。若把支承段54A和54B用螺釘，焊接等方法聯接起來，這種防止作用就更可靠。
圖28所示為支承構件57的另一個例子。支承構件57包括一個構件，其上有若干個槽57C，槽57C從其中心沿垂直于葉片側面的方向延伸到支承構件57的一面。槽57C的數目等于中子吸收棒51的數目。支承構件57的一部分嵌入每一個安裝在屏蔽套12內的中子吸收棒的槽5A中，支承構件57被在其兩側面點焊到屏蔽套12上。
本實施方案的控制棒能起到與前述實施方案相同的效果。另外，因為支承構件57只包括一個構件，它比前述實施方案的支承構件54容易制造。圖27和28所示結構可應用于圖14到17，17，19和20中的控制棒。
根據本發明，在葉片軸向上，下區中吸收核鏈型中子吸收劑用量減小。所以本發明可根據停堆時中子強度分布獲得有效的中子吸收能力，因而可以增加停堆余量。另外，因本發明可減小控制棒的重量，所以可得到很好的控制棒可操作性。還有，因為本發明采用吸收核鏈型中子吸收劑，所以它可以延長控制棒的機械壽命與核壽命。
權利要求
1.一種包括中子吸收區和支承裝置的控制棒，在中子吸收區中設置有用吸收核鏈型中子吸收劑制成，并從下方裝入反應堆芯的中子吸收器，支承裝置用以支承所述中子吸收器，其特征在于所述中子吸收區沿軸向被分為上，下兩區；所述上、下兩區的邊界位于沿軸向距所述中子吸收區下端為所述中子吸收區全長的3/8到5/8的范圍內；在所述下區中垂直于軸向的截面內所含的所述吸收核鏈型中子吸收劑的量小于在所述上區中垂直于軸向的截面內所含的所述吸收核鏈型中子吸收劑的量。
2.權利要求
1的控制棒，其中所述吸收核鏈型中子吸收劑在所述上區和所述干區的大部分沿軸向基本均勻一致。
3.權利要求
1的控制棒，其中所述中子吸收器為軸向延伸的一塊所述吸收核鏈型中子吸收劑制成的板。
4.由權利要求
1所確定的控制棒，其中所述中子吸收器為所述吸收核鏈型中子吸收劑制成的棒，所述吸收核鏈型中子吸收劑棒安裝在所述中子吸收區中。
5.由權利要求
1所確定的控制棒，其中所述吸收核鏈型中子吸收劑為Hf，Ta，Ag-In-Cd合金，Eu2O3或2O3。
6.一種具有若干葉片，從下方插入反應堆芯的控制棒，以及多個由一種吸收核鏈型中子吸收劑構成的，并排列在所述葉片中的中子吸收棒，其特點表現為所述中子吸收棒在軸向上被分為上、下兩區;所述上、下兩區的邊界位于從所述中子吸收棒的下端起，所述中子吸收棒全長的3/8到5/8的范圍內;所述中子吸收棒在所述下區比在所述上區細。
7.由權利要求
6所確定的控制棒，其中所述中子吸收棒的所述上區與下區的橫截面都為園形，所述上區和下區同軸。
8.由權利要求
6所確定的控制棒，其中所述中子吸收棒沿軸向的粗細在所述上區和下區的大部分基本上均勻一致。
9.由權利要求
6所確定的控制棒，其中吸收核鏈型中子吸收劑為Hf，Ta，Ag-In-Cd合金，Eu2O3或2O3。
10.一種控制棒，它包括一個中子吸收區，其中裝有多個由一種吸收核鏈型中子吸收劑構成的中子吸收器，多個裝有圍繞所述中子吸收區并從下方插入反應堆芯的屏蔽套的葉片;安裝在所述中子吸收器上的凹孔或貫通孔中和每個所述屏蔽套的相對側壁之間，并固定在所述側壁上的屏蔽套變形保護裝置;所述控制棒特點在于所述中子吸收區沿軸向分為上、下兩區。所述上，下兩區的邊界位于沿軸向從所述中子吸收區下端算起，中子吸收區全長的3/8到5/8范圍內;在所述下區中，垂直于軸的截面內的所述吸收核鏈型中子吸收劑的含量小于在所述上區中，垂直中軸的截面內的所述吸收核鏈型中子吸收劑的含量。
11.由權利要求
10所確定的控制棒，其中所述吸收核鏈型中子吸收劑是Hf，Ta，Ag-In-Cd合金，Eu2O2或2O3。
12.一種具有若干葉片的控制棒，葉片從下方插入反應堆芯，并裝有若干由吸收核鏈型中子吸收劑制成的中子吸收棒和圍繞所述中子吸收棒的屏蔽套;其特征在于各所述中子吸收棒都沿軸向被分為上，下兩區。所述上，下兩區的邊界位于從所述中子吸收棒的下端起，所述中子吸收棒全長的3/8到5/8范圍內;所述中子吸收棒的所述下區比所述的區細;它插在所述中子吸收棒的所述上區中的凹槽或貫通孔中和所述屏蔽套兩相對側壁之間并分別固定在所述側壁上的第一屏蔽套變形保護裝置;第二屏蔽套變形保護裝置，它安裝在兩相鄰中子吸收棒的下區間隙處，位于所述屏蔽套的所述相對側壁之間并分別固定在所述屏蔽套的所述側壁上。
13.由權利要求
12所確定的控制棒，其中所述中子吸收棒軸向上的粗細在所述上區和下區的大部分分別是基本上均勻一致的。
14.由權利要求
12所確定的控制棒，其中所述吸收核鏈型中子吸收劑為Hf，Ta，或Ag-In-Cd合金。
15.由權利要求
12所確定的控制棒，其中所述第一屏蔽套變形保護裝置為嵌在所述中子吸收棒上區的凹槽中，且其兩端面緊貼所述屏蔽套相對兩側壁的金屬條，所述金屬條由一種能焊接到屏蔽套上的金屬材料制成，所述金屬條的兩端面分別焊在所述屏蔽套的兩側壁上。
16.由權利要求
12所確定的控制棒，其中所述屏蔽套變形保護裝置為嵌在所述中子吸收棒上區中的凹槽中并環繞所述中子吸收棒的金屬條，所述金屬條由能焊接到所述屏蔽套上的金屬制成并被焊結到所述屏蔽套的所述相對側壁上。
17.由權利要求
12所確定的控制棒，其中所述第一屏蔽套變形保護裝置為插在中子吸收棒上的貫通孔中的金屬條，所述金屬條固定在所述屏蔽套的所述相對側壁上。
18.由權利要求
12所確定的控制棒，其中所述第二屏蔽套變形保護裝置為寬度與所述屏蔽套的兩所述相對側壁的間隔寬度相等的金屬條，所述金屬條有一個貫通孔，用以穿過所述中子吸收棒的小直徑段，并且可焊結到所述屏蔽套上。
19.一種具有若干設有一中子吸收區的葉片和約束-支承裝置的控制棒。其中多個由吸收核鏈型中子吸收劑構成的中子吸收器從下面插入反應堆芯，還裝備有圍繞所述中子吸收區的屏蔽套，所述約束-支承裝置約束所述中子吸收器在軸向的運動，并支承所述中子吸收器使其處于懸掛狀態，控制棒的特點表現在所述中子吸收區在軸向上被分成上、下兩區。所述上、下兩區的邊界位于沿軸向從所述中子吸收區的下端起，所述中子吸收區全長的3/8到5/8范圍內。在所述下區，垂直于軸的截面上的所述吸收核鏈型中子吸收劑的含量小于在所述上區，垂直于軸的截面上的所述吸收核鏈型中子吸收劑的含量。
20.由權利要求
19所確定的控制棒，其中所述吸收核鏈型中子吸收劑為Hf，Ta，Ag-In-Cd合金，Eu2O3或2O3。
21.由權利要求
19所確定的控制棒，其中所述中子吸收器的上區由所述約束-支承裝置支承。
22.由權利要求
19所確定的控制棒，其中所述中子吸收器為若干中子吸收棒，所述中子吸收棒的下區比其上區細。
23.由權利要求
22所確定的控制棒，其中所述中子吸收棒的上端區由所述中子約束-支承裝置支承。
專利摘要
帶有若干葉片的控制棒，每個葉片都包括一個中子吸收區，其中設有由吸收核鏈型中子吸收劑制成并從下插入反應堆芯的中子吸收器。該中子吸收區沿軸向上被分為上、下兩區；上、下區的邊界位于沿軸向距中子吸收區下端為中子吸收區全長的3/8到5/8的范圍內。在下區中垂直于軸的截面中的吸收核鏈型中子吸收劑含量小于在上區中垂直于軸的截面中的吸收核鏈型中子吸收劑含量。
文檔編號G21C7/10GK87101877SQ87101877
公開日1987年10月28日 申請日期1987年3月14日
發明者遠藤善一郎, 福本隆, 齊藤莊藏, 五十嵐孝雄, 吉本佑一郎, 菅原敏, 新保勝利 申請人:株式會社日立制作所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan