CN85107286A - 用于核反应堆的可溶性可燃吸收棒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于核燃料组件中的可溶性可燃吸收棒。该棒包括一个管状件(34)，其两端均被封闭并装有一种中子吸收材料(42)，后者呈液体状态，最好用硼同位素硼10加浓过的硼酸。与装有中子吸收剂的内部空间(40)相连通的是一种设置在靠近封闭管状件一端的端塞(50)的吸氢材料(44)，以及一个成形的封闭该管状件另一端的端塞(52)的氢化物阱(46)。

Description

本发明一般与核反应堆有关，更确切地说是与一种核反应堆中使用的可溶性可燃吸收棒有关。

在一种典型的核反应堆中，反应堆堆芯包含有：许多燃料组件，每组燃料组件由上、下管座，许多根细长的、延伸在上、下管座之间、在横向彼此隔开的导向套管，以及许多个沿导向管套的轴向彼此隔开的横向格架组成。每组燃料组件还包括许多根细长的燃料元件或燃料芯棒，它们与导向管套在横向上也彼此隔开，并由上、下管座之间的格架支承。燃料棒含有裂变材料，它们以一定阵列组合在一起，这是为了能在堆芯中提供足够的中子通量以保证高的核裂变率，从而以热的形式释放出大量的能量。为了提取一些堆芯中产生的热量用来产生有用功，则由下向上往堆芯内泵入液体冷却剂。

由于反应堆堆芯中的产生速率与核裂变速率成正比，而核裂变速率又由堆芯中的中子通量决定，因此通过改变中子通量来实现对反应堆起动阶段运行期间和停堆时生成的热量的控制。概括地讲这是通过含中子吸收材料的控制棒吸收过剩中子来实现的。导向管套除了作为燃料组件的结构元件外，还为将中子吸收控制棒插进反应堆芯提供了通道。因此，中子通量水平（强度）和堆芯的热量输出通常用把控制棒插进和拔出导向管套的方法来调节。

按常规作法，在反应堆起动时，予定有过量的中子通量进入到反应堆堆芯内，这样，当该中子通量在堆芯的整个寿期内被消耗时，仍然有足够的反应性来维持堆芯在一个长周期内运行。鉴于这种作法，在某些反应堆的应用中，在一些燃料组件的导向管套中插进可燃毒物棒以便帮助其他燃料组件的导向管套中的控制棒在其整个使用寿期内能使堆芯内的中子通量或反应性保持比较恒定。与控制棒类似，可燃毒物棒也含有中子吸收材料。可燃毒物棒与控制棒的区别主要在于：它在堆芯内使用期间，在导向管套中的位置是固定不变的。

在美国专利说明书第3，510，398号中阐述了在一个核反应堆中使用位置固定的可燃毒物获得的全部优点。至此，装有可燃毒物并规定其在反应堆堆芯内固定布置的棒已经是“固定”型的棒了。把一根棒称作固定型的棒意思是指在此棒任意轴向高度上，可燃毒物的吸收体含量是由该棒制造过程中材料的初始装载所确定的。

上述美国专利中的可燃毒物棒代表了固定型棒的特征。固定型吸收棒的主要缺点在于：并不是棒中的全部中子吸收剂都能全部烧掉或均匀损耗的。固定型吸收棒的轴向损耗曲线的形状近似地与整个堆芯寿期中平均轴向中子通量分布曲线相同。然而，由于中子通量的平均轴向分布与反应堆堆芯内整个堆芯运行寿期出现的一些中子通量峰值之间缺少对应，因此在固定型可燃毒物的某些轴向位置上，毒物材料的消耗比其他位置上要快得多。这就导致了在其他位置上吸收体的不完全损耗，所以在寿期结束时有相当多的过剩的吸收体浪费掉了。

因此，对可燃毒物棒的设计来说，需要改进燃料循环价格，在制造成本和堆芯周期长短上都要胜过固定型设计。本发明的基本目的就是满足这一需要。

相应地，本发明提供了一种可溶性可燃毒物或中子吸收棒不管在制造时还是制造后的任何时候，材料的吸收体含量在棒的任意轴向位置上都不固定。这种吸收体材料可以循环，因此，比平均值消耗快的轴向区（由于中子通量峰值）能得到来自其他低损耗率的轴向区吸收材料的补充。本发明的基本点是认识到：简单地用提供流动状态的而不用固定形吸收材料的方法，就会在毒物棒内产生循环是由于通常在沿着棒高度方向上存在的热梯度引起的。不需要外部驱动源。因此，当毒物棒消耗时其整个高度范围内吸收体含量就易于保持为一恒定值，而不会在某一局部高度上燃耗得快些。在制造吸收棒时是按峰值中子通量位置计算所需要的吸收材料量，因此固定型吸收棒需要的吸收材料比起实施本发明的循环型棒要多。同采用固定吸收型棒在堆芯循环结束时出现的相当多的剩余吸收体浪费的情况相比，按本发明的循环型棒，在其整个长度上均能完全耗尽，这样用它时救不会有显著的剩余吸收体浪费。总之，同众所周知的固定型吸收棒相比，循环型吸收棒加深了燃耗，因而也延长了循环周期。此外，其造价也会较低。

那么，概括地讲，本发明属于一种改进的可燃吸收棒，它是一根细长的其两端封闭的空心管状件组成，其内装有液体状中子吸收剂。这种可燃吸收棒还包括：设置在管件一端的一个氢化物阱机构，以及设置在管件另一端的一个吸氢器机构，氢化物阱和吸氢器机构都与装有液体吸收材料的管状件的内部空间相通。

确切地讲，管状件是由一薄壁形结构的管状体和一对塞在该管状件两端并将其封闭的端塞构成的。管状件成形为其内有一个或一个以上用来加强吸收棒结构的钢性和牢固性的增强盘旋，因此使它能较好地承受作用在管子上的内部和外部高压。增强盘旋的形状可以是在管体内成形的一种凹槽或开沟，并在两端之间沿管状体盘旋上升。此增强盘旋也可以是一连串在管体内成形的许多个象筛圈一样的环形槽，它们使管状件径向扩张，并从管状件一端到另一端沿轴向以一定间隔排布。这两种形状的加强盘旋也可以结合起来使用。液体中子吸收材料最好是溶于水的硼，这里的硼是浓缩过的含量高于天然丰度的硼10。由于设计吸收棒时在运行期间整个堆芯高度上都装有吸收材料，因此，在不运行期间棒中吸收材料的液面较低，以便留出一些蒸汽空间。

下面仅通过举例并参阅附图来描述本发明的最佳实施例，附图中：

图1是按透视法缩小后垂直表示的一个燃料组件的部分剖面、立视图，为清楚起见其某些部件被拆掉了。

图2是按透视法缩小后垂直表示的实施本发明的一根可燃吸收棒的放大剖视图。

下面的说明中，整个附图的几个视图以相同的参考符号表示相应的部件，而且诸如“向前”，“向后”，“左”，“右”，“向上”，“向下”等术语以及类似的术语被用作方便之词而不能视为限制术语。

现参阅附图，特别参阅图1，图中所示出的并概括地以数字10表示的燃料组件是压水堆（PWR）中使用的类型。它基本由以下部分组成：一个下端构件或下管座12，用于将该组件支撑在一反应堆堆芯区（未示出）的下部堆芯板（未示出）上;许多根从下管座12向上凸出的导向管或套管14;沿导向套管14轴向间隔放置的几个横向格架16;按一定格式排列，在侧向互相分隔开并由格架16支撑的多根细长燃料棒18;一根监侧仪表管20;以及一个连接在导向管套14上端部的上端构件或上管座22。该燃料组件10形成了一个可以装卸方便而不会损伤组件件的整体装置。

每根燃料棒18装有燃料芯块24，它的两端借助端塞26，28来密封。燃料芯块24由裂变材料组成，而且是压水堆中生产的核反应动力的来源。为了提取一些燃料组件中产生的热量并用它去作有用功，经堆芯的燃料组件向上泵送一种液态减速剂/冷却剂，如水或含硼水。

如上文所述，为了更好地利用铀燃料并由此而降低燃料成本，最好在压水堆运行时尽可能长地延长该反应堆堆芯的使用期限。为达到这一目的，通常的做法是规定开始时反应堆堆芯的一种剩余反应性并提供方法在堆芯整个寿期内比较恒定地维持这一反应性。

本发明与这样的机构有关，这种机构以一种适合于***到一根导向套管14中去的改进的可溶性可燃毒物或中子吸收棒（30）形式，如图1所示。在反应堆（未示出）中一些燃料组件的导向套管14中通过一辐射形架32固定支撑着至少一根、最好是几根控制棒30，以便促使其他燃料组件导向套管中的可移动控制棒在堆芯整个运转周期内保持一个基本恒定的中子通量或反应性水准。

现在参阅图2，可燃收棒30包括一根细长空心的管状部件34，管状件内有一个位于两端36和38之间的气密封闭腔40。该封闭腔40装有一种液状中子吸收材料42，在管状件34上端部没有机构44，它装有一个吸氢器并与封闭腔40相连通，而在管状件34的下端部没有机构46，它装着一个氢化物阱，也与封闭腔40相连通。

管状件34由一管状件48和一对端塞50，52做成，它由适当材料组成，最好是一种像锆-4那样的锆基合金。将端塞50，52严密牢固地固定到管状件48的两端，比如通过环焊缝54，56，从而将管状件48封闭起来。

封闭腔40中液态中子吸收材料42最好是溶解于水的硼（硼酸），这种硼中硼10是浓缩过的，其含量超过其天然丰度。在改进的吸收棒30中采用浓缩硼材料，就要提出并解决一个有关利用硼的问题：在室温下硼在水中的溶解限度在37.8℃时硼的溶解限度大约为15000ppm。（在163℃时这个限度为125，000ppm）。为达到其所要求的功能，吸收棒30实际要求的装载量比15，000ppm多得多。对于常规固定型吸收棒，其装载量约为79，000ppm，但是，改进的吸收棒30只需要大约64，000ppm的自然硼（或12800ppm的硼10）。但这仍然比低温时溶解限度要高。因此，与含大约20%硼10（值得注意的同位素）的自然硼相比，这种硼需要将硼10浓缩。使用85%浓缩硼时硼浓度约为15，000ppm浓缩硼（12，800ppm硼10），这些硼在低温下会溶解在溶液中。

堆芯正常运转期间，沿吸收棒30形成温度梯度，该棒的下部温度较低而上部温度较高。由于这种温度梯度，液态吸收材料42便在封闭腔40内循环，这样的循环能自动均衡在腔40的整个长度上中子吸收材料的消耗率。

棒30的管状体48具有成形于其内的一个或一个以上的增强盘旋，它加强了该棒机构的刚性和牢固性，从而使该棒能较好地承受作用在其上的内部和外部的高压。增强盘旋的形状可采取成形于管状件48内、并在管状件34两端之间沿管状件盘旋上升的一种凹槽或开沟。这种增强盘旋也可以是在管状体48内成形并使之经向扩张的许多个像筛圈一样的环状槽60，这些槽沿管状件34的轴向彼此分隔开。这两种形式的增强盘旋还可以结合起来使用。使用成形于管状件48内的螺旋形和（或）环形增强盘旋58、60提出和解决了另一个与吸收棒30中用硼有关的问题：怎样处理由于硼与中子的相互作用而在封闭腔40内引起的氦气释放。

注意到在堆芯不运转期间，液体硼溶液并没有全部充满封闭腔40，只是升到指定的液面62，以供由于温度变化而引起的溶液比容的变化。当温度从37.8℃升到315.6℃时，水体积增加45%。即然吸收棒30设计成在运行期间整个堆芯高度上都有吸收材料，那么在不运行期间（换料时，等），吸收棒中的吸收体柱必须降低，这样才能提供蒸发空间64。

现在回到与释放氦气有关的问题，其解决方法是利用增强盘旋;应该注意到释放出的氦气增加了吸收棒30内的寿命末期（EOL）压力。当水温为315.6℃时，封闭腔40内存在的运行M蒸汽压力约是105个大气压。由于寿命末期内部压力必须限制在反应堆冷却剂压力（150个大气压）附近以便避免管状体48（或包壳）向外蠕变，释放出的氦气和予加压气体（充填气）的最终压力应大约在48个大气压以便使内部压力与外部压力得以均衡。这样，在寿命初期（BOL）充填压力必须减小到20个大气压左右。这种减小的充填压力导致在寿命初期作用在管体48上一个相当高的外压，这一高压会造成吸收棒30的蠕变塌陷。通过上述的增强盘旋即螺旋槽58和（或）环形槽60，可解决这一困难，这两种增强盘旋增加了管状体48对外部压力的抗塌陷强度。如果使用环形槽60，它们最好在吸收棒30上以彼此之间距离约为25毫米的间隔配置。经计算表明，1毫米深的增强盘旋会使直径12毫米壁厚0.6毫米的管子的塌陷压力增加一倍。1.5毫米深的增强盘旋则使该压力增加两倍。因此，概括地讲，增强盘旋58和60对管状体48的薄壁增加的强度是以承受在寿命初期的外部压力。

为了减少管状件34内侧的腐蚀，其材料经β相淬火。由于氧化过程不含氢，这样处理还减少了管件中氢化物析出。固体的下端塞52用来作为构成氢化物肼的机构。由于管件34的这个下端，是较冷的一端，因此氢易于向此端移动。上端塞50是一个用来将吸收棒30连接到辐射形架32上的连接件，紧挨着它没有吸氢器机构44，该机构采用一种锆合金金属绵66的形式，它适于在管件34的封闭腔40中除掉蒸发空间64的氢。此金属绵66由一个圆盘68支承，此圆盘68由一个成形在管状件34的管体48内侧的环形凸台72支承。

下端塞52有一个缩径端部74，它装入到设在导向套管14底部的一个减震器（未示出）中，当控制棒在一紧急停堆操作过程中被迅速插进时，它可以起一个震动缓冲器的作用。下端塞52有一个贯穿其间在轴向延伸的注入通道76，该通道用来予先给吸收棒30充氦加压，然后再用焊接点78把它密封起来。

Claims (10)

1、一种用于核燃料组件中的可溶性可燃吸收棒，包括一根细长的两端封闭的管状部件和一个装有一种中子吸收材料的内腔，其特征在于；所述中子吸收材料(42)呈液体状态。

2、按权利要求1所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：液态中子吸收剂（42）是提高了硼10同味素浓度的硼酸。

3、按权利要求1或权利要求2所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：细长的管状件（34）在其一端有构成一个氢化物阱的机构（46），在其另一端有一个构成吸氢器的机构（44）所述氢化物阱和所述吸氢器与装有中子吸收剂的内腔（40）相连通。

4、按权利要求3所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：构成氢化物阱的机构（46）做成一种端塞，它将所述管件（34）的一端封闭住。

5、按权利要求3或权利要求4所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：构成吸氢器的机构（44）做成一种金属绵吸收材料，它支承着邻近的用来密封所述管件另一端的一个端塞（50）。

6、按权利要求5所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：所述金属绵吸收材料支撑在一个保持器（68）上，该保持器支承在一个成形在管状件（34）的内壁上的环形凸台（72）上。

7、按权利要求6所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：所述保持器（68）是一个圆盘，它有一个贯穿的通孔（70）与装有中子吸收剂的内腔（40）连通。

8、按前面权利要求中的任一项所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：所述管状件（34）有一个薄壁结构的管状体（48），所述管状体上具有增加管状件对外部压力的承受强度的增强机构（58）和（或）（60）。

9、按权利要求8所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：所述增强结构基本是从管状件（34）一端到另一端以螺旋形槽的形状盘旋在所述管状体（48）上的一种槽形盘旋（58）。

10、按权利要求8或权利要求9所述的可溶性可燃吸收棒，其特征在于：所述增强结构是环形地成形在所述管状体（48）上并在其上轴向间隔开的环形槽（60）。

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