CN113871034B - 一种控制棒及气冷式微堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种控制棒以及气冷式微堆，所述控制器包括内套筒和外套筒，所述内套筒嵌套在所述外套筒内，且所述内套筒能够沿轴向运动，从而伸出外套筒或者缩入外套筒内部。本发明控制棒有效降低了控制棒的高度，使得控制棒的结构更加紧凑，同时也减少了控制棒在运输过程的占地体积，能够提高运输便捷性与隐蔽性。

Description

一种控制棒及气冷式微堆

技术领域

本发明属于核工业技术领域，具体涉及一种控制棒以及包含该控制棒的气冷式微堆。

背景技术

微堆是今年来全球核工业掀起的小型模块堆研发大潮中涌现的一波热潮。微堆具有功率小、放射性源项小，尺寸小，占地面积小、固有安全性高等特性，目前已经开始实际运用。压水微堆主要应用于陆地和水下核动力***；液态金属冷却堆被成功应用于水下与空间核动力***；其中，微型核动力***的简化、结构紧凑化、体积小型化、重量轻型化是微堆研发中需要攻克的关键技术。

反应堆控制棒组件具有反应堆启动、停堆、变更功率和保护反应堆的功能。在现有技术中，控制棒悬于堆芯上部或者***堆芯中一小段，控制棒占据了堆芯上部大量的空间，这样的控制棒组件显著增加了微堆在高度上的几何尺寸，不利于微堆的运输与转移以及转移过程中的隐蔽性。

此外，气冷微堆堆芯出口温度高，控制棒处于高温环境中，加之中子吸收体吸收中子过程释放热量会进一步增加控制棒的温度，采用传统设计控制棒难以承受如此高温下的长期服役。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种控制棒以及包含该控制棒的气冷式微堆，所述控制棒结构紧凑，可以有效地减少微芯在高度上的尺寸。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种控制棒，包括内套筒和外套筒，所述内套筒嵌套在所述外套筒内，所述内套筒能够沿轴向运动从而伸出外套筒或者缩入外套筒内部。

优选的，所述内套筒的顶端设有第一托盘，所述第一托盘的直径小于所述外套筒的内径，在所述外套筒的底端设有第一限位环，所述第一托盘的直径小于所述外套筒的内径，且大于所述第一限位环的内径。

优选的，所述外套筒的顶端设有第二限位环，所述第二限位环的内径小于所述第一托盘的直径。

优选的，所述内套筒的底端设有第二托盘，所述第二托盘的直径大于所述第一限位环的内径或者大于所述外套筒的内径。

优选的，所述控制棒还包括缓冲机构，所述缓冲机构设置在所述第二托盘的底端。

优选的，所述第一托盘的底端与所述第二托盘的顶端均设有十字形连接结构，所述十字形连接结构的交叉点为中心连接点，所述第一托盘的中心连接点与第二托盘的中心连接点通过设于内套筒内部的刚性柱连接，所述刚性柱的位置与所述内套筒的轴线重合。

优选的，所述外套筒和所述内套筒均采用夹层结构，所述夹层结构内部填充有中子吸收体。

优选的，所述外套筒的内壁与所述内套筒的外壁之间留有间隙，且所述外套筒的内壁与所述内套筒的外壁上均涂覆有固态润滑剂。

本发明还提供一种气冷式微堆，包括石墨柱、堆芯以及控制棒，所述石墨柱内设有控制棒通道，所述控制棒采用上述的控制棒，所述控制棒处于所述控制棒通道中。

优选的，所述气冷式微堆还包括驱动装置，所述驱动装置与所述内套筒连接，用于带动所述内套筒在外套筒内部沿外套筒的轴向运动。

优选的，所述外套筒的顶端设有第二限位环，所述控制棒通道的内壁上设有第三限位环，第三限位环的直径小于所述第二限位环的外径。

优选的，所述气冷式微堆还包括冷却装置，用于降低所述控制棒的温度，所述冷却装置包括第一冷却机构，所述第一冷却机构包括第一冷却通道和第一冷却剂，所述第一冷却通道设置在所述外套筒的外壁与所述控制棒通道之间，所述第一冷却剂设于所述第一冷却通道中。

优选的，所述冷却装置还包括第二冷却机构，所述第二冷却机构包括第二冷却通道和第二冷却剂，所述第二冷却通道设于所述内套筒的内部，所述第二冷却剂设于所述第二冷却通道中。

具体来说，本发明的控制棒以及采用所述控制棒的气冷式微堆具有如下有益效果：

本发明的控制棒由内外嵌套的外套筒和内套筒组成，所述内套筒能够在所述外套筒内沿轴向运动，在控制棒运输过程中，内套筒能够收缩入外套筒，从而可以减少控制棒在运输过程的占地体积，提高运输便捷性与隐蔽性；而在控制棒使用过程中，内套筒能够灵活地伸出外套筒，使得整个控制棒结构更加紧凑，且有效降低了气冷式微堆的高度尺寸，降低的程度可达到反应堆活性区高度的一半。在不降低气冷式微堆设计功率的条件下，可以使反应堆更加紧凑、体积更小、运输的灵活性进一步提高。

附图说明

图1是本发明实施例1中控制棒的整体结构示意图；

图2是本发明实施例1中控制棒的上部结构示意图；

图3是本发明实施例1中第一托盘/第二托盘的结构示意图；

图4是本发明实施例1中内外套筒连接处的结构示意图；

图5是本发明实施例1中内套筒底部的结构示意图。

图中：1-外套筒，11-第二限位环，12-第一限位环，2-内套筒，21-第一托盘，22-第二托盘，23-缓冲机构，24-十字形连接结构，25-中心连接点，3-中子吸收体，4-控制棒通道，5-刚性柱，6-连接绳，7-第三限位环。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种控制棒，包括内套筒和外套筒，所述内套筒嵌套在所述外套筒内，且所述内套筒能够沿外套筒的轴向运动，从而伸出外套筒或者缩入外套筒内部。

本发明还提供一种气冷式微堆，包括石墨柱、堆芯以及控制棒，所述石墨柱内设有控制棒通道，所述控制棒采用上述的控制棒，所述控制棒处于所述控制棒通道中。

实施例1

本实施例中公开了一种控制棒，包括内套筒2和外套筒1。其中，内套筒2嵌套在外套筒1内，内套筒2能够沿外套筒1的轴向运动，从而伸出外套筒1或者缩入外套筒1内部。

在本实施例中，内套筒2与外套筒1均为环形的中空结构，且两者的轴线重合。这样，内套筒2能够在外套筒内部沿着轴向直线向下运动伸出外套筒1外而与堆芯接触，或者沿着轴向直线向上运动而收纳于外套筒1内部。

其中，外套筒1的内径大于内套筒2的外径，而内套筒2的长度微大于外套筒1的长度，这样的嵌套结构有效地降低了控制棒的长度尺寸，有利于降低微堆整体的高度尺寸，降低的程度可以达到反应堆活性区高度的一半；在不降低微堆设计功率的条件下，仅仅通过控制棒的结构改变，可以使反应堆更加紧凑化、体积更小，输运的灵活性进一步提高。

如图1、2、3所示，内套筒2的顶端设有第一托盘21，其固定安装在内套筒2的顶端，第一托盘21的直径大于内套筒2的外径而微小于外套筒1的内径，从而保证内套筒2和第一托盘21在沿着外套筒1内壁做轴向运动时不会与外套筒1之间发生摩擦，从而具有运动稳定性。相对应的，如图2所示，在外套筒1的底端设有第一限位环12，第一限位环12固定连接在外套筒1的底端，其外径与外套筒1的外径相同，内径小于第一托盘21的直径，在内套筒2沿着轴向直线向下运动，直到第一托盘21与第一限位环12的顶端发生接触时，会由于第一限位环12的阻挡作用而停止运动，从而使内套筒2到达其运动的下边界，并保证内套筒2不会脱离外套筒1。

本实施例中，第一托盘21采用中部开设有通孔的圆环结构。

如图1所示，外套筒1的顶端设有第二限位环11，第二限位环11为圆环结构，第二限位环11的内径小于第一托盘21的直径，外径大于外套筒1的外径；在提升控制棒时，内套筒2在外部驱动力的作用下，内套筒2沿着轴向向上运动，直到第一托盘21与第二限位环11的底端相接触，由于第二限位环11的阻挡作用，使得内套筒2不会与外套筒1分离。这样，内套筒2与外套筒1之间的相对运动停止，在外部驱动力继续作用的条件下，外套筒1跟随内套筒2一起向上运动。

如图1所示，内套筒2的底端设有第二托盘22，第二托盘22为圆环结构，且第二托盘22的上端外径大于其下端外径，第二托盘22的上端外径大于第一限位环12的内径或者大于外套筒1的内径；在提棒过程中，外套筒1保持不动，内套筒2在外部驱动力的作用下沿轴向向上移动，逐渐进入外套筒1，直至内套筒2的第一托盘21顶端/第二托盘22顶端与外套筒1的第二限位环11底端/第一限位环12底端接触；继续提棒，外套筒1会随着内套筒2一起向上移动，待内套筒2与外套筒1全部位于反应堆活性区上沿上方时，达到提棒极限。

可选的，控制棒还可以包括缓冲机构23，缓冲机构23固定连接在第二托盘22的底端。具体的，缓冲机构23选用弹簧缓冲机构，以用于缓解内套筒2下落时对堆芯底部的冲击。

如图3、5所示，内套筒中，第一托盘21的底端与第二托盘22的顶端均设有十字形连接结构24，十字形连接结构24对称分布在第一托盘21和第二托盘22上，十字形连接结构24的交叉点为中心连接点25，其中，第一托盘21的中心连接点25与第二托盘22的中心连接点25通过设于内套筒2内部的刚性柱5连接，其中，刚性柱5的位置与内套筒2的轴线重合，通过增加十字形连接结构24，有利于增加第一托盘和第二托盘的连接强度，刚性柱5用于增强控制棒的刚度，并承担控制棒的重力载荷。

如图4所示，外套筒1和所述内套筒2均采用夹层结构，所述夹层结构内部填充有中子吸收体3，中子吸收体3分布在内套筒2与外套筒1的夹层结构内。中子吸收体3可采用环形结构，其材料选用碳化硼，由于内套筒2与外套筒1的中空结构，碳化硼只需要填充在外套筒和内套筒的夹层结构中，有利于减少碳化硼的装载量，提高中子吸收体的使用效率，降低控制棒的成本，同时内套筒的中空结构会降低碳化硼(中子吸收体3)的自屏蔽效益，提高碳化硼的有效使用率。

本实施例中，外套筒1的内壁与内套筒2的外壁之间留有间隙，且外套筒1的内壁与内套筒2的外壁上均涂覆有固态润滑剂，涂覆固态润滑剂能有效地减少内套筒2在轴向运动时与外套筒1内壁之间的摩擦力，降低外部驱动***的负担，同时保证内套筒2轴向运动的稳定性。

实施例2

本实施例公开一种气冷式微堆，包括石墨柱、堆芯以及控制棒，石墨柱内设有控制棒通道4，所述控制棒采用实施例1的控制棒，所述控制棒处于控制棒通道4中。

在本实施例中，控制棒通道4开设在石墨柱的中心，控制棒通道4的直径大于第二限位环11的外径，控制棒的内套筒2与外套筒1可沿着控制棒通道4做直线运动，当内套筒2沿着外套筒1轴向直线向下运动，在内套筒的第一托盘21运动到达外套筒底端的第一限位环12位置时，内套筒2可***堆芯，在控制棒下落时由于堆芯下部的温度更高，导致控制棒的下端温度远高于上端，在内套筒2完全伸出外套筒1时，即为内套筒2的温度远高于外套筒1的温度，且处于控制棒下端的内套筒2与石墨内的控制棒通道4内壁之间的距离相对于外套筒1与控制棒通道内壁之间的具体会更远，从而可以显著地降低辐射传热，进而能够降低控制棒外表面的温度。

可选的，气冷式微堆还包括驱动装置，驱动装置包括驱动机构以及连接绳6。驱动机构与连接绳的一端连接，连接绳6的另一端与内套筒2连接，具体是与内套筒的第一托盘21上的十字形连接结构24的中心连接点相连接，在控制棒提棒过程中，驱动机构通过连接绳6带动内套筒2在外套筒1内部沿外套筒1的轴向向上运动。

可选的，所述外套筒1的顶端设有第二限位环11，控制棒通道4内壁上设有第三限位环7，第三限位环7的直径小于所述第二限位环11的外径，并大于外套筒1的外径。在控制棒落棒过程中，外套筒1与内套筒2同步沿轴向向下直线运动，当第二限位环11的底端与所述第三限位环7的顶端相接触时，外套筒1的顶端位于反应堆活性区的上沿，外套筒1到达其运动的下边界，然后内套筒2在自身重力作用下可以继续沿着轴线直线向下运动。

本实施例中，气冷式微堆还包括冷却装置，用于降低控制棒的温度。

冷却装置包括第一冷却机构，第一冷却机构包括第一冷却通道和第一冷却剂，第一冷却通道设置在外套筒1的外壁与控制棒通道4之间，第一冷却剂设于第一冷却通道中。

具体的，第一冷却剂选用氦气，第一冷却通道为外套筒1外壁与控制棒通道4之间的间隙，第一冷却剂由上至下在所述间隙内流通，用于降低控制棒的外部温度。

可选的，所述冷却装置还包括第二冷却机构，第二冷却机构包括第二冷却通道和第二冷却剂，第二冷却通道设于内套筒2以及内套筒伸出时外套筒的内部，第二冷却剂设于第二冷却通道中。

具体的，第二冷却剂选用氦气，第二冷却通道为内套筒2与外套筒1内的中空结构，即第二冷却通道由内套筒2的内部以及内套筒伸出时外套筒1的内部连通而形成，所述第二冷却剂由上至下在第二冷却通道内流通，用于降低控制棒内部的温度。

所述气冷式微堆在运行过程中，控制棒具有提棒与落棒两个运动过程来控制所述微堆。

落棒过程即控制棒***堆芯时，外套筒1与内套筒2在驱动机构的驱动下沿着轴向直线向下运动，在此运动过程中，内套筒2的第一托盘21与外套筒1的第二限位环11相接触时，内套筒2与外套筒1同步下落，相对位置不发生变化，当第二限位环11与第三限位环7相接触时，在第三限位环7的作用下，外套筒1停止运动，到达运动的下边界，此时外套筒1的顶端位于反应堆活性区的上沿；内套筒2在自身重力的作用下继续下落，插进所述堆芯，直到内套筒2的第一托盘21与外套筒1的第一限位环12相接触时，内套筒2完全伸出外套筒1，到达运动的下边界。

提棒过程，首先，外套筒1保持不动，内套筒2在驱动机构的牵引下向上轴向直线运动，逐渐进入外套筒1内部，直至内套筒2的第一托盘21与第二限位环11相接触或者第二托盘22与第一限位环12相接触时后，外套筒1会随着内套筒2一起沿着轴向直线向上运动，待内套筒2与外套筒1全部位于堆芯的上沿上方时，达到提棒极限。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种控制棒，其特征在于，包括内套筒(2)和外套筒(1)，

所述内套筒(2)嵌套在所述外套筒(1)内，且所述内套筒(2)能够沿轴向运动，从而伸出外套筒(1)或者缩入外套筒(1)内部，

所述内套筒(2)的顶端设有第一托盘(21)，所述第一托盘(21)的直径小于所述外套筒(1)的内径，

在所述外套筒(1)的底端设有第一限位环(12)，所述第一托盘(21)的直径小于所述外套筒(1)的内径，且大于所述第一限位环(12)的内径，

所述外套筒(1)的顶端设有第二限位环(11)，所述第二限位环(11)的内径小于所述第一托盘(21)的直径，

所述内套筒(2)的底端设有第二托盘(22)，所述第二托盘(22)的直径大于所述第一限位环(12)的内径或者大于所述外套筒(1)的内径，

所述第一托盘(21)的底端与所述第二托盘(22)的顶端均设有十字形连接结构(24)，所述十字形连接结构(24)的交叉点为中心连接点(25)，所述第一托盘(21)的中心连接点(25)与第二托盘(22)的中心连接点(25)通过设于内套筒(2)内部的刚性柱(5)连接，所述刚性柱(5)的位置与所述内套筒(2)的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的控制棒，其特征在于，还包括缓冲机构(23)，所述缓冲机构(23)设置在所述第二托盘(22)的底端。

3.根据权利要求2所述的控制棒，其特征在于，所述外套筒(1)和所述内套筒(2)均采用夹层结构，所述夹层结构内部填充有中子吸收体(3)。

4.根据权利要求2所述的控制棒，其特征在于，所述外套筒(1)的内壁与所述内套筒(2)的外壁之间留有间隙，且所述外套筒(1)的内壁与所述内套筒(2)的外壁上均涂覆有固态润滑剂。

5.一种气冷式微堆，包括石墨柱、堆芯以及控制棒，所述石墨柱内设有控制棒通道(4)，其特征在于，所述控制棒采用权利要求1-4任一项所述的控制棒，所述控制棒处于所述控制棒通道(4)中。

6.根据权利要求5所述的气冷式微堆，其特征在于，还包括驱动装置，所述驱动装置与所述内套筒(2)连接，用于带动所述内套筒(2)在外套筒(1)内部沿外套筒(1)的轴向运动。

7.根据权利要求6所述的气冷式微堆，其特征在于，

所述外套筒(1)的顶端设有第二限位环(11)，

所述控制棒通道(4)的内壁上设有第三限位环(7)，所述第三限位环(7)的直径小于所述第二限位环(11)的外径。

8.根据权利要求7所述的气冷式微堆，其特征在于，还包括冷却装置，用于降低所述控制棒的温度，所述冷却装置包括第一冷却机构，

所述第一冷却机构包括第一冷却通道和第一冷却剂，所述第一冷却通道设置在所述外套筒(1)的外壁与所述控制棒通道(4)之间，所述第一冷却剂设于所述第一冷却通道中。

9.根据权利要求8所述的气冷式微堆，其特征在于，所述冷却装置还包括第二冷却机构，

所述第二冷却机构包括第二冷却通道和第二冷却剂，所述第二冷却通道设于所述内套筒(2)及内套筒伸出时所述外套筒的内部，所述第二冷却剂设于所述第二冷却通道中。