使用石墨烯层的反应堆控制棒

摘要

本发明公开了一种属于机械设备领域和核能领域的使用石墨烯层的反应堆控制棒，本发明改变控制棒材料，在传统的Ag‑In‑Cd材料基础上，增加一些石墨烯材料，石墨烯材料为多层石墨烯结构，可放置于传统的Ag‑In‑Cd材料制成的棒料外表面、内表面或者中部，这样既保证了传统控制棒的中子吸收截面，又提高了反应堆控制棒的机械强度，进一步确保核电的安全性，反应堆安全、有效运行，也保证了控制棒的外观尺寸，不会导致整个压力容器的结构改变。控制棒吸收反应堆中子，在正常运行时调节反应堆功率，事故下引入负反应性。同时，从整个控制棒的制造和加工来看，加入石墨烯层具有一定的经济性。

权利要求

1.使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于，该控制棒包括层压的石墨烯层和合金层，其中石墨烯层由多层石墨烯制成，

合金层由Ag-In-Cd合金制成，

所述石墨烯层为在Ag-In-Cd合金制成的基体表面形成的石墨烯层，该控制棒为空心圆柱状，其外径为12mm-15mm，由内向外依次包括：三层结构空心棒的内壁层(5a)、三层结构空心棒的中壁层(4a)和三层结构空心棒的外壁层(3a)，其中三层结构空心棒的中壁层(4a)是合金层，其壁厚为1.9mm-2.8mm，三层结构空心棒的内壁层(5a)和三层结构空心棒的外壁层(3a)都是石墨烯层，其壁厚均为0.05mm-0.1mm，空心圆柱状控制棒的壁厚为2mm-3mm，其内部放置燃料棒；

石墨烯层制备方法为化学气相沉积法，其中沉积条件如下：

生长气体为甲烷，甲烷通入速度为15～25sccm，生长温度为920～980℃，降温速度为8～12℃/min。

说明书

使用石墨烯层的反应堆控制棒

技术领域

[0001] 本发明属于机械设备和核能领域，特别涉及到反应堆压力容器控制棒结构，具体说是改变控制棒材料，在传统的Ag-In-Cd材料基础上增加多层石墨烯材料，即为使用石墨烯层的反应堆控制棒。

背景技术

[0002] 反应堆是核电厂的核心部件，其能否安全、可靠地运行对整个核动力装置的安全可靠性和经济性有着十分重要的影响。而控制棒是反应堆压力容器的重要组件，控制棒耐高温、耐腐蚀的能力决定了反应堆控制效率的大小。如果控制棒经过长期使用导致强度下降甚至损坏，使得控制效率下降，影响了核动力装置经济性，甚至在严重情况下，必然影响核动力装置的安全可靠性。目前，控制棒以Ag-In-Cd为主要材料，但也存在材料强度的提升空间和结构改造的余地。由于上述问题的存在，本发明人对现有的控制棒进行研究和分析，进行材料改造和更加合理的结构设计，以便制作出具有更高的耐高温性和耐腐蚀性的控制棒，进而提高核电厂的安全性和经济性。

发明内容

[0003] 为了解决上述问题，本发明人进行锐意研究，结果发现：在原有的控制棒材料Ag-In-Cd的基础上添加多层石墨烯结构，多层石墨烯结构添加在由Ag-In-Cd材料制成的棒料的外部、内部、或者中间都能起到期望的的效果，即大大提高反应堆控制棒的耐高温性、耐腐蚀性、强度和导热性，进而完成本发明。即本发明是针对目前反应堆控制棒长期使用，造成机械性能下降和损坏，影响核动力装置的控制效率和安全性的问题，提出的一种新型材料的控制棒。

[0004] 本发明的目的在于提供如下技术方案：

[0005] (1)使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于，该控制棒包括层压的石墨烯层和合金层，

[0006] 其中石墨烯层由多层石墨烯制成，

[0007] 合金层由Ag-In-Cd合金制成，

[0008] 石墨烯层厚度为0.05mm-0.2mm，

[0009] 合金层厚度为0.95mm-3.65mm，

[0010] 该控制棒为实心或空心圆柱状，其外径为12mm-15mm，

[0011] 空心圆柱状控制棒的壁厚为2mm-3mm，其内部放置燃料棒，

[0012] 实心圆柱状控制棒周围放置燃料棒；

[0013] 石墨烯层制备方法为化学气相沉积法，其中沉积条件如下：

[0014] 生长气体为将甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生长温度为920～980℃，降温速度为8～12℃/min。

[0015] (2)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：双层结构空心棒的内壁层2a和双层结构空心棒的外壁层1a，其中双层结构空心棒的内壁层2a是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm，双层结构空心棒的外壁层1a是合金层，其壁厚为1.9mm-2.8mm。

[0016] (3)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：双层结构空心棒的内壁层2a和双层结构空心棒的外壁层1a，其中双层结构空心棒的内壁层2a是合金层，其壁厚为1.9mm-2.8mm，双层结构空心棒的外壁层1a是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm。

[0017] (4)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：三层结构空心棒的内壁层5a、三层结构空心棒的中壁层4a和三层结构空心棒的外壁层3a，其中三层结构空心棒的中壁层4a是合金层，其壁厚为
1.9mm-2.8mm，三层结构空心棒的内壁层5a和三层结构空心棒的外壁层3a都是石墨烯层，其壁厚均为0.05mm-0.1mm。

[0018] (5)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：三层结构空心棒的内壁层5a、三层结构空心棒的中壁层4a和三层结构空心棒的外壁层3a，其中三层结构空心棒的中壁层4a是石墨烯层，其壁厚为
0.1mm-0.2mm，三层结构空心棒的内壁层5a和三层结构空心棒的外壁层3a都是合金层，其壁厚均为0.95mm-1.4mm。

[0019] (6)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为实心圆柱状时，由内向外依次包括：双层结构实心棒的内芯2b和双层结构实心棒的外壁层1b，其中双层结构实心棒的外壁层1b是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm，双层结构实心棒的内芯2b是呈圆柱状的实心结构，由Ag-In-Cd合金制成，其直径为11.8mm-14.6mm。

[0020] (7)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为实心圆柱状时，由内向外依次包括：三层结构实心棒的内芯5b、三层结构实心棒的中壁层4b和三层结构实心棒的外壁层3b，其中三层结构实心棒的中壁层4b是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm，三层结构实心棒的内芯5b是呈圆柱状的实心结构，由Ag-In-Cd合金制成，其直径为5.9mm-7.3mm，三层结构实心棒的外壁层3b是合金层，其壁厚为2.95mm-3.65mm。

[0021] (8)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：所述石墨烯层为在Ag-In-Cd合金制成的基体表面形成的石墨烯层。

[0022] 本发明具有如下有益效果：

[0023] 第一，该控制棒具比传统控制棒更高的强度，这是由于加入了多层石墨烯材料，石墨烯材料是人类已知的强度最高的物质，强度比最好的钢铁还要高上100倍左右；

[0024] 第二，该控制棒具比传统控制棒更高的抗高温能力，这是由于加入了多层石墨烯材料，石墨烯材料具有极强的热稳定性，其基本结构为有机材料中最稳定的苯六元环；

[0025] 第三，该控制棒具比传统控制棒更高的导热性，这是由于加入了多层石墨烯材料，单层石墨烯材料导热系数高达5300W/m·K，多层石墨烯材料导热能力下降，但导热能力仍然强于传统控制棒材料Ag-In-Cd合金；

[0026] 第四，该控制棒具比传统控制棒更高的耐腐蚀性，这是由于加入了多层石墨烯材料，多层石墨烯材料层使内部金属耐腐蚀性大大提高；

[0027] 第五，由于上述有益效果，相比于传统控制棒，使用石墨烯层的反应堆控制棒具有更高的安全性和经济性。

附图说明

[0028] 图1示出根据本发明一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒双层结构空心棒的纵剖面图；

[0029] 图2示出根据本发明一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒双层结构空心棒的横剖面图；

[0030] 图3示出根据本发明一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒三层结构空心棒的纵剖面图；

[0031] 图4示出根据本发明一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒三层结构空心棒的横剖面图；

[0032] 图5示出根据本发明一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒双层结构实心棒的纵剖面图；

[0033] 图6示出根据本发明一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒双层结构实心棒的横剖面图；

[0034] 图7示出根据本发明一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒三层结构实心棒的纵剖面图；

[0035] 图8示出根据本发明一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒三层结构实心棒的横剖面图。

[0036] 附图标号说明：

[0037] 1a-双层结构空心棒的外壁层

[0038] 2a-双层结构空心棒的内壁层

[0039] 3a-三层结构空心棒的外壁层

[0040] 4a-三层结构空心棒的中壁层

[0041] 5a-三层结构空心棒的内壁层

[0042] 1b-双层结构实心棒的外壁层

[0043] 2b-双层结构实心棒的内芯

[0044] 3b-三层结构实心棒的外壁层

[0045] 4b-三层结构实心棒的中壁层

[0046] 5b-三层结构实心棒的内芯

具体实施方式

[0047] 下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

[0048] 在这里专用的词“示例性”意为“用做例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其他实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

[0049] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1和图2所示，提供使用石墨烯层的反应堆控制棒，该控制棒为空心结构，由内向外依次包括：

[0050] 双层结构空心棒的内壁层2a和双层结构空心棒的外壁层1a，该控制棒外形呈圆柱状，其外径为13.5mm，壁厚为2.5mm，其中双层结构空心棒的内壁层2a由Ag-In-Cd合金制成，壁厚为2.35mm，双层结构空心棒的外壁层1a由多层石墨烯制成，壁厚为0.15mm。当控制棒下插时，利用Ag-In-Cd合金材料较高的中子吸收截面，吸收反应堆中子，达到降低功率目的，以控制反应堆，完成控制棒的主要功能；通过添加多层石墨烯材料，利用其较高的机械强度、抗高温和耐腐蚀能力，增强控制棒的强度、耐腐蚀性、耐高温性、导热性等性能，以便提高安全性及经济性。

[0051] 所述的双层结构空心棒的外壁层1a与双层结构空心棒的内壁层2a是层压在一起的，层压结构是把Ag-In-Cd合金制成需要的尺寸后，在其外层附着石墨烯材料制成。

[0052] 本发明所述的石墨烯层采用气相沉积方法，即CVD方法制备。作为生长石墨烯层的CVD方法，现有技术中有相关报道，例如Large area few-layer graphenegraphite films as transparent thin conducting electrodes，Applied physics letters95，123115，2009；Large-scale growth of grapheme films for stretchable transparent electrodes，Nature，doi:10.1038/nature07719。

[0053] 在本发明中，发明人经过研究发现，适于在本发明石墨烯层生长的条件如下：生长气体为将甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生长温度为920～980℃，生长时间为30～100分钟，降温速度为10℃/min，冷却末温度为室温。

[0054] 所述的石墨烯层的制备方法为：以甲烷等含碳化合物作为碳源，由Ag-In-Cd合金制成的控制棒作为基体，使甲烷通过由Ag-In-Cd合金制成的控制棒作为基体的表面，控制由Ag-In-Cd合金制成的控制棒温度为920～980℃，通气时间为60～90分钟，使甲烷在由Ag-In-Cd合金制成的控制棒的外表面分解，并在降温速度为10℃/min的条件下，降温至室温，从而形成0.12～0.18mm厚的石墨烯层。该石墨烯附着在由Ag-In-Cd合金制成的控制棒外表面，形成层压的双层结构；可以根据所需石墨烯层的厚度，确定通气时间。

[0055] 所述的Ag-In-Cd合金为传统材料，包括制造常规控制棒所用到的各种Ag-In-Cd合金。

[0056] 在一个优选实施方式中，如图1和图2所示，所述的控制棒为空心结构，由内向外依次包括：

[0057] 双层结构空心棒的内壁层2a和双层结构空心棒的外壁层1a，该控制棒外形呈圆柱状，其外径为13.5mm，壁厚为2.5mm，其中双层结构空心棒的内壁层2a由多层石墨烯制成，壁厚为0.15mm,双层结构空心棒的外壁层1a由Ag-In-Cd合金制成，壁厚为2.35mm。

[0058] 在一个优选实施方式中，如图3和图4所示，所述的控制棒为空心结构，由内向外依次包括：

[0059] 三层结构空心棒的内壁层5a、三层结构空心棒的中壁层4a和三层结构空心棒的外壁层3a，该控制棒外形呈圆柱状，其外径为13.5mm，壁厚为2.5mm，其中三层结构空心棒的中壁层4a由多层石墨烯制成，壁厚为0.15mm,三层结构空心棒的外壁层3a和三层结构空心棒的内壁层5a都是由Ag-In-Cd合金制成的，其壁厚均为1.175mm。

[0060] 所述的三层结构加工方法为：以甲烷等含碳化合物作为碳源，由Ag-In-Cd合金制成的控制棒作为基体，使甲烷通过由Ag-In-Cd合金制成的控制棒作为基体的表面，控制由Ag-In-Cd合金制成的控制棒温度为920～980℃，通气时间为60～90分钟，使甲烷在由Ag-In-Cd合金制成的控制棒的外表面分解，并在降温速度为10℃/min的条件下，降温至室温，从而形成0.12～0.18mm厚的石墨烯层。该石墨烯附着在由Ag-In-Cd合金制成的控制棒外表面，形成层压的双层结构；然后将带有石墨烯层的双层结构控制棒放置于熔融的Ag-In-Cd合金熔液中，缓慢降低Ag-In-Cd合金熔液的温度，使Ag-In-Cd合金熔液逐渐冷却凝固，凝固后的Ag-In-Cd合金会附着在双层结构的石墨烯层上，进而形成三层结构的反应堆控制棒。

[0061] 在一个优选实施方式中，如图3和图4所示，所述的控制棒为空心结构，由内向外依次包括：

[0062] 三层结构空心棒的内壁层5a、三层结构空心棒的中壁层4a和三层结构空心棒的外壁层3a，该控制棒外形呈圆柱状，其外径为13.5mm，壁厚为2.5mm，其中三层结构空心棒的中壁层4a由Ag-In-Cd合金制成，壁厚为2.35mm,三层结构空心棒的外壁层3a和三层结构空心棒的内壁层5a都是由多层石墨烯制成的，其壁厚均为0.075mm。

[0063] 在一个优选实施方式中，如图5和图6所示，所述的控制棒为实心结构，由内向外依次包括：

[0064] 双层结构实心棒的内芯2b和双层结构实心棒的外壁层1b，该控制棒外形呈圆柱状，其直径为13.5mm，其中双层结构实心棒的内芯2b由Ag-In-Cd合金制成，外形呈圆柱状，直径为13.2mm，双层结构实心棒的外壁层1b由多层石墨烯制成，壁厚为0.15mm。

[0065] 在一个优选实施方式中，如图7和图8所示，所述的控制棒为实心结构，由内向外依次包括：

[0066] 三层结构实心棒的内芯5b、三层结构实心棒的中壁层4b和三层结构实心棒的外壁层3b，该控制棒外形呈圆柱状，其直径为13.5mm，其中三层结构实心棒的中壁层4b由多层石墨烯制成，壁厚为0.15mm，三层结构实心棒的外壁层3b由Ag-In-Cd合金制成，壁厚为3.3325mm，三层结构实心棒的内芯5b由Ag-In-Cd合金制成，外形呈圆柱状，直径为6.665mm。

[0067] 实施例1

[0068] 生产使用石墨烯层的反应堆控制棒，如图1和图2所示，该控制棒为空心结构，由内向外依次包括：双层结构空心棒的内壁层2a和双层结构空心棒的外壁层1a，该控制棒外形呈圆柱状，其外径为15mm，壁厚为3mm，其中双层结构空心棒的内壁层2a由Ag-In-Cd合金制成，壁厚为2.8mm，双层结构空心棒的外壁层1a由多层石墨烯制成，壁厚为0.2mm。

[0069] 实施例1控制棒的实验数据：

[0070] 拉伸强度为1000Gpa

[0071] 杨氏模量为1060Gpa

[0072] 热阻为5.108×10-3m2K/w。

[0073] 实施例2

[0074] 生产使用石墨烯层的反应堆控制棒，如图1和图2所示，该控制棒为空心结构，由内向外依次包括：双层结构空心棒的内壁层2a和双层结构空心棒的外壁层1a，该控制棒外形呈圆柱状，其外径为12mm，壁厚为2mm，其中双层结构空心棒的内壁层2a由多层石墨烯制成，壁厚为0.1mm，双层结构空心棒的外壁层1a由Ag-In-Cd合金制成，壁厚为1.9mm。

[0075] 实施例2控制棒的实验数据：

[0076] 拉伸强度为1000Gpa

[0077] 杨氏模量为1060Gpa

[0078] 热阻为4.600×10-3m2K/w。

[0079] 实施例3

[0080] 生产使用石墨烯层的反应堆控制棒，如图3和图4所示，该控制棒为空心结构，由内向外依次包括：三层结构空心棒的内壁层5a、三层结构空心棒的中壁层4a和三层结构空心棒的外壁层3a，该控制棒外形呈圆柱状，其外径为15mm，壁厚为3mm，其中三层结构空心棒的中壁层4a由多层石墨烯制成，壁厚为0.2mm,三层结构空心棒的外壁层3a和三层结构空心棒的内壁层5a都是由Ag-In-Cd合金制成的，其壁厚均为1.4mm。

[0081] 实施例3控制棒的实验数据：

[0082] 拉伸强度为1000Gpa

[0083] 杨氏模量为1060Gpa

[0084] 热阻为5.109×10-3m2K/w。

[0085] 实施例4

[0086] 生产使用石墨烯层的反应堆控制棒，如图3和图4所示，该控制棒为空心结构，由内向外依次包括：三层结构空心棒的内壁层5a、三层结构空心棒的中壁层4a和三层结构空心棒的外壁层3a，该控制棒外形呈圆柱状，其外径为12mm，壁厚为2mm，其中三层结构空心棒的中壁层4a由Ag-In-Cd合金制成，壁厚为1.9mm,三层结构空心棒的外壁层3a和三层结构空心棒的内壁层5a都是由多层石墨烯成的，其壁厚均为0.05mm。

[0087] 实施例4控制棒的实验数据：

[0088] 拉伸强度为1000Gpa

[0089] 杨氏模量为1060Gpa

[0090] 热阻为4.400×10-3m2K/w。

[0091] 实施例5

[0092] 生产使用石墨烯层的反应堆控制棒，如图5和图6所示，该控制棒为实心结构，由内向外依次包括：双层结构实心棒的内芯2b和双层结构实心棒的外壁层1b，该控制棒外形呈圆柱状，其直径为14mm，其中双层结构实心棒的内芯2b由Ag-In-Cd合金制成，外形呈圆柱状，直径为13.8mm，双层结构实心棒的外壁层1b由多层石墨烯制成，壁厚为0.1mm。

[0093] 实施例5控制棒的实验数据：

[0094] 拉伸强度为1000Gpa

[0095] 杨氏模量为1060Gpa

[0096] 热阻为8.335×10-3m2K/w。

[0097] 实施例6

[0098] 生产使用石墨烯层的反应堆控制棒，如图7和图8所示，该控制棒为实心结构，由内向外依次包括：三层结构实心棒的内芯5b、三层结构实心棒的中壁层4b和三层结构实心棒的外壁层3b，该控制棒外形呈圆柱状，其直径为15mm，其中三层结构实心棒的中壁层4b由多层石墨烯制成，壁厚为0.2mm，三层结构实心棒的外壁层3b由Ag-In-Cd合金制成，壁厚为3.65mm，三层结构实心棒的内芯5b由Ag-In-Cd合金制成，外形呈圆柱状，直径为7.3mm。

[0099] 拉伸强度为1000Gpa

[0100] 杨氏模量为1060Gpa

[0101] 热阻为8.935×10-3m2K/w。

[0102] 对比例1

[0103] 生产反应堆控制棒，该控制棒为实心结构，外形呈圆柱状，其直径为12mm，该控制棒只由Ag-In-Cd合金制成，无石墨烯层。

[0104] 对比例1控制棒的实验数据：

[0105] 拉伸强度为0.78Gpa

[0106] 杨氏模量为0.85Gpa

[0107] 热阻为5.933×10-3m2K/w。

[0108] 对比例2

[0109] 生产反应堆控制棒，该控制棒为空心结构，外形呈圆柱状，其直径为15mm，壁厚为2mm,该控制棒只由Ag-In-Cd合金制成，无石墨烯层。

[0110] 对比例2控制棒的实验数据：

[0111] 拉伸强度为0.78Gpa

[0112] 杨氏模量为0.85Gpa

[0113] 热阻为9.435×10-3m2K/w。

[0114] 根据以上实验对比，可以得到:当多层石墨烯与Ag-In-Cd结合形成石墨烯制控制棒相对于纯Ag-In-Cd合金制成的控制棒，机械强度大幅度增强，同时热阻减小。同时根据常识推断，必然使得耐腐蚀性增强，热稳定性增强。

[0115] 根据本发明提供的使用石墨烯层的反应堆控制棒，具有如下有益效果：

[0116] 第一，该控制棒具比传统控制棒更高的强度，这是由于加入了多层石墨烯材料，石墨烯材料是人类已知的强度最高的物质，强度比最好的钢铁还要高上100倍左右；

[0117] 第二，该控制棒具比传统控制棒更高的抗高温能力，这是由于加入了多层石墨烯材料，石墨烯材料具有极强的热稳定性，其基本结构为有机材料中最稳定的苯六元环；

[0118] 第三，该控制棒具比传统控制棒更高的导热性，这是由于加入了多层石墨烯材料，单层石墨烯材料导热系数高达5300W/m·K，多层石墨烯材料导热能力下降，但导热能力仍然强于传统控制棒材料Ag-In-Cd合金；

[0119] 第四，该控制棒具比传统控制棒更高的耐腐蚀性，这是由于加入了多层石墨烯材料，多层石墨烯材料层使内部金属耐腐蚀性大大提高；

[0120] 第五，由于上述有益效果，相比于传统控制棒，使用石墨烯层的反应堆控制棒具有更高的安全性和经济性。

[0121] 以上结合了优选实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。