一种新型反应堆控制棒及棒对

摘要

本发明公开了一种新型反应堆控制棒及棒对，包括：外层棒，其上下贯穿，外层棒的轴向上由总数为2n个等长且交错排列的中子吸收体A和非中子吸收体B；可相对与外层棒滑动的内层棒，其轴向上由总数为2n+1个等长且交错排列的中子吸收体C与非中子吸收体D；其中，外层棒的中子吸收体A的质量分布呈非均匀分布；内层棒的中子吸收体C的质量分布呈均匀分布，根据特有的质量分布设计，可以使棒对在插入反应堆后，将堆芯轴向功率的畸变峰分解，并展平，实现反应堆堆芯功率水平和轴向功率偏差的解耦控制；其相较于传统的均匀控制棒为实现反应堆堆芯功率水平和轴向功率偏差的解耦控制需要复杂的提棒、插棒程序而言，其更加的简单方便、高效；在核电反应堆的控制上具有较高的应用价值。

权利要求

1.一种新型反应堆控制棒，其特征在于，包括：外层棒，其上下贯穿，所述外层棒的轴向上由总数为2n个等长且交错排列的中子吸收体A和非中子吸收体B；

可相对与外层棒滑动的内层棒，其轴向上由总数为2n+1个等长且交错排列的中子吸收体C与非中子吸收体D；

其中，所述外层棒的中子吸收体A的质量分布呈非均匀分布；所述内层棒的中子吸收体C的质量分布呈均匀分布；

所述中子吸收体A、非中子吸收体B、中子吸收体C与非中子吸收体D的高度均相等；

所述内层棒与外层棒之间的允许相对位移量小于等于中子吸收体A的高度；

所述外层棒的中子吸收体A的质量分布呈非均匀分布，按如下公式：y∈[2mh,(2m+1)h]

(m＝0、1、2、…、(n-1))

其中，Z为中子吸收体A的质量；

R为外层棒的外径大小；

r为外层棒的内径大小；

r'为中子在吸收体材料中的平均自由程；

H为控制棒总高度；

n为外层棒的中子吸收体A或非中子吸收体B的总数；

h为吸收体A的长度或非中子吸收体B的长度。

2.如权利要求1所述的新型反应堆控制棒，其特征在于，所述外层棒的内径与内层棒的外径相匹配。

3.如权利要求1所述的新型反应堆控制棒，其特征在于，所述内层棒顶部设有控制棒的驱动连接杆。

4.一种新型反应堆控制棒的棒对，其特征在于，包括：X型控制棒，包括：外层棒，其上下贯穿，所述外层棒的轴向上由总数为2n个等长且交错排列的中子吸收体和非中子吸收体；

可相对与外层棒滑动的内层棒，其轴向上由总数为2n+1个等长且交错排列的中子吸收体与非中子吸收体；

其中，所述外层棒的中子吸收体的质量分布呈非均匀分布；所述内层棒的中子吸收体的质量分布呈均匀分布；

Y型控制棒，其与所述X型控制棒的中子吸收体、非中子吸收体排列顺序相反，所述X型控制棒的中子吸收体的位置与Y型控制棒的非中子吸收体的位置相对应，所述X型控制棒的非中子吸收体的位置与Y型控制棒的中子吸收体的位置相对应。

5.如权利要求4所述的新型反应堆控制棒的棒对，其特征在于，所述X型控制棒与Y型控制棒需成对安装在反应堆的堆芯内。

说明书

一种新型反应堆控制棒及棒对

技术领域

[0001] 本发明属于核电安全及控制设备领域，具体涉及到具有展平和分解反应堆轴向功率畸变峰设备的领域。

背景技术

[0002] 在现有反应堆功率控制系统中，功率控制棒由均匀分布的中子吸收材料构成，所以可定义为均匀功率控制棒。均匀功率控制棒插入堆芯调节功率水平时，不可避免地会引入一个轴向功率畸变峰，进而改变堆芯原有的轴向功率分布，功率水平和轴向功率偏差控制性能耦合在一起，增加了反应堆功率控制难度；

[0003] 在专利号为CN201410246885.3的“一种能展平堆芯轴向功率分布的控制棒及控制棒组件”此发明的主要技术创新点在于把一个堆芯大的轴向功率畸变峰分解为2n个小的畸变峰，控制棒上、下移动调节堆芯功率水平时，堆芯的轴向功率分布基本保持余弦分布，在一定程度上消除了控制棒在上、下移动过程中引起堆芯轴向功率峰的畸变，由于中子在堆芯上、下底面泄漏使得轴向功率呈余弦分布的功率畸变峰一直存在，所以CN201410246885.3的“一种能展平堆芯轴向功率分布的控制棒及控制棒组件”并没有解决因为中子泄露而引起的堆芯轴向功率畸变的问题，仅仅达到部分展平轴向功率分布的目的。由于轴向功率畸变峰的存在，反应堆运行的安全性和经济性都会受到影响，因此，如果能有一种可以同时消除由控制棒移动和中子泄漏引起的轴向功率畸变峰的的控制棒，达到完全展平轴向功率分布的目的，实现反应堆堆芯功率水平和轴向功率偏差控制的解耦控制。那么将对提高反应堆运行的安全性和经济性有非常重要的意义。

发明内容

[0004] 发明本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

[0005] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种新型反应堆控制棒及棒对，包括：

[0006] 外层棒，其上下贯穿，所述外层棒的轴向上由总数为2n个等长且交错排列的中子吸收体A和非中子吸收体B；

[0007] 可相对与外层棒滑动的内层棒，其轴向上由总数为2n+1个等长且交错排列的中子吸收体C与非中子吸收体D；

[0008] 其中，所述外层棒的中子吸收体A的质量分布呈非均匀分布；所述内层棒的中子吸收体C的质量分布呈均匀分布。

[0009] 优选的是，所述外层棒的中子吸收体A的质量分布呈非均匀分布，按如下公式：

[0010]

[0011] y∈[2mh,(2m+1)h]

[0012]

[0013] (m＝0、1、2、 …、 (n-1))

[0014] 其中，Z为中子吸收体A的质量；

[0015] R为外层棒的外径大小；

[0016] r为外层棒的内径大小；

[0017] r'为中子在吸收体材料中的平均自由程；

[0018] H为控制棒总高度；

[0019] n为外层棒的中子吸收体A与非中子吸收体B的总数；

[0020] h为吸收体A的长度或非中子吸收体B的长度。

[0021] 优选的是，所述外层棒的内径与内层棒的外径相匹配。

[0022] 优选的是，所述中子吸收体A、非中子吸收体B、中子吸收体C与非中子吸收体D的高度均相等。

[0023] 优选的是，所述内层棒与外层棒之间的允许相对位移量小于等于中子吸收体A的高度。

[0024] 优选的是，所述内层棒顶部设有控制棒的驱动连接杆。

[0025] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明还提供了一种新型反应堆控制棒及棒对的棒对，包括：

[0026] X型控制棒，包括：外层棒，其上下贯穿，所述外层棒的轴向上由总数为2n个等长且交错排列的中子吸收体和非中子吸收体；

[0027] 可相对与外层棒滑动的内层棒，其轴向上由总数为2n+1个等长且交错排列的中子吸收体与非中子吸收体；

[0028] 其中，所述外层棒的中子吸收体的质量分布呈非均匀分布；所述内层棒的中子吸收体的质量分布呈均匀分布；

[0029] Y型控制棒，其与所述X型控制棒的中子吸收体、非中子吸收体排列顺序相反，所述X型控制棒的中子吸收体的位置与Y型控制棒的非中子吸收体的位置相对应，所述X型控制棒的非中子吸收体的位置与Y型控制棒的中子吸收体的位置相对应。

[0030] 优选的是，所述非均匀控制棒对的X型控制棒与Y型控制棒需成对安装在反应堆的堆芯内。

[0031] 本发明至少包括以下有益效果：

[0032] 本发明所述的非均匀控制棒，其具有特殊的质量分布特性，同时展平中子泄露和控制棒移动引起的堆芯轴向功率畸变峰，展平中子泄露引起的堆芯轴向功率畸变峰是通过非均匀控制棒的外层中子吸收体的不均匀质量分布来实现，而展平控制棒移动引起的堆芯轴向功率畸变峰是通过把一个大的轴向功率畸变峰分解成n个小的功率畸变峰来实现。本发明提供了非均匀控制棒的棒对，X型与Y型棒两个种控制棒的外形结构一样，唯一不同的是，中子吸收棒与非中子吸收棒的排列不同，两种控制棒下插过中形成的畸变峰的相位角相差180°，那么2n个畸变峰相互重叠抵消，形成2n个更小的轴向功率畸变峰，进一步展平的功率畸变峰。

[0033] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明：

[0034] 图1为本发明提供的传统控制棒下插所引起的轴向畸变峰示意图；

[0035] 图2为本发明提供的非均匀控制棒自屏蔽区示意图；

[0036] 图3为本发明提供的非均匀控制棒的全拔出时以及畸变峰示意图；

[0037] 图4为本发明提供的非均匀控制棒的部分插入时以及畸变峰示意图；

[0038] 图5为本发明提供的非均匀控制棒的全插入时以及畸变峰示意图；

[0039] 图6为本发明提供的非均匀控制棒的棒对示意图；

[0040] 图7为本发明提供的棒对分别在全拔出、部分插入、全插入时以及畸变峰示意图；

[0041] 图8为本发明提供的非均匀控制棒示意图。具体实施方式：

[0042] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0043] 应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

[0044] 本发明提供的一种新型反应堆控制棒及棒对，包括：

[0045] 外层棒1，其上下贯穿，所述外层棒1的轴向上由总数为2n个等长且交错排列的中子吸收体A101和非中子吸收体B102；

[0046] 可相对与外层棒1滑动的内层棒2，其轴向上由总数为2n+1个等长且交错排列的中子吸收体C201与非中子吸收体D202；

[0047] 其中，所述外层棒1的中子吸收体A101的质量分布呈非均匀分布；所述内层棒的中子吸收体C201的质量分布呈均匀分布；

[0048] 本发明的非均匀控制棒，如图8所示，其由n个等长且交错排列的中子吸收体A101和非中子吸收体B102组成；传统的控制棒由一整根材质均一的吸收棒组成，其在下插过程中，将会在轴向功率上引起一个大的畸变峰，此畸变峰会影响反应堆运行的安全性和经济性，但本发明所采用的中子吸收体与非吸收体交错分布能将一个较大的畸变峰(如图1所示)，分解为若干个较小的畸变峰，以达到相对平滑的作用如图3所示的曲线2；

[0049] 该非均匀控制棒具有显著的特点在于，如图3所示，其外层棒1的质量分布为非均匀分布，其分布特点使得控制棒中间吸收体质量较大，吸收能力强；中间两端吸收体质量较小，吸收能力弱，从而起到了补偿中子泄漏的作用；

[0050] 本发明的非均匀控制棒，其内层棒2可以在外层棒1内上下滑动以减小畸变峰的峰值大小，如2图所示，中子吸收体A101的壁厚 和中子吸收体C201长度的一半 大于中子在中子吸收材料的平均自由程，那么中子就会被外层的中子吸收体A101所吸收掉，不能到达内层的中子吸收体C201，此时外层就对内层有一个“自屏蔽”作用，内外层的中子吸收体与非中子吸收体会形成一个“自屏蔽”区域，“自屏蔽”区域的大小与棒位变化成正比。图2(1)、(2)和(3)分别表示非均匀功率棒处于全拔出、部分插入、全插入状态时的自屏蔽区域。“自屏蔽”区域表征了非均匀功率控制棒内层圆柱体的中子吸收体吸收中子、改变功率水平的能力。其大小随内层棒2在外层棒1内的滑动距离Δh所改变，当整个内层棒2未插入时，即Δh＝0时，其“自屏蔽”区域的最大，吸收能力最弱，随着内层棒2的插入，当Δh为最大值时，其“自屏蔽”区域的最小，吸收能力最强；如图3、4、5所示，当内层棒2下插值最底部值时，原本被分解的畸变峰的峰值将会进一步的缩小，当Δh为最大值时，畸变峰的峰值最小，相较于一开始的内层帮2并未插入时，畸变峰的峰值几乎缩小为原峰值的一半。

[0051] 如上述技术方案中，所述外层棒的中子吸收体A的质量分布呈非均匀分布，按如下公式：

[0052]

[0053] y∈[2mh,(2m+1)h]

[0054]

[0055] (m＝0、1、2、 …、 (n-1))

[0056] 其中，Z为中子吸收体A的质量；

[0057] R为外层棒的外径大小；

[0058] r为外层棒的内径大小；

[0059] r'为中子在吸收体材料中的平均自由程；

[0060] H为控制棒总高度；

[0061] n为外层棒的中子吸收体A与非中子吸收体B的总数；

[0062] h为吸收体A的长度或非中子吸收体B的长度；

[0063] 如图3所示，根据此公式设计出的外层棒的中子吸收体A的质量分布，使得控制棒呈中部大，两端小的形状；可以展平由中子泄露引起的轴向功率畸变峰。

[0064] 如上述技术方案中，所述外层棒1的内径与内层棒2的外径相匹配，两者的直径相同，外层棒1与内层棒2之间无空隙。

[0065] 如上述技术方案中，所述中子吸收体A101、非中子吸收体B102、中子吸收体C201与非中子吸收体D202的高度均相等，内层棒2的中子吸收体 C201、非中子吸收体D202的高度、外层棒1的中子吸收体A101、非中子吸收体B102的高度，四者的高度必须相等才能保证内层棒2全插入时或拔出时完全匹配，才不会对控制棒的控制效果造成影响。

[0066] 如上述技术方案中，如图2所示，所述内层棒2与外层棒1之间的允许相对位移量小于等于中子吸收体A101的高度，内层棒2的位移量不能超过中子吸收体A101的高度，如果超过中子吸收体A101的高度那么将会影响“自屏蔽”区域的大小，不利于对反应堆轴向功率的控制。

[0067] 如上述技术方案中，所述内层棒2顶部设有控制棒的驱动连接杆21，其目的是方便反应堆内的机械手臂夹取，并通过控制驱动连接杆21上下滑动以实现对反应堆内的反应速率进行控制。

[0068] 在另一种技术方案中，如图6所示，本发明提供了一种新型反应堆控制棒及棒对的棒对，包括：

[0069] X型控制棒3，包括：外层棒，其上下贯穿，所述外层棒的轴向上由总数为2n个等长且交错排列的中子吸收体和非中子吸收体；

[0070] 可相对与外层棒滑动的内层棒，其轴向上由总数为2n+1个等长且交错排列的中子吸收体与非中子吸收体；

[0071] 其中，所述外层棒的中子吸收体的质量分布呈非均匀分布；所述内层棒的中子吸收体的质量分布呈均匀分布；

[0072] Y型控制棒4，其与所述X型控制棒的中子吸收体、非中子吸收体排列顺序相反，所述X型控制棒的中子吸收体的位置与Y型控制棒的非中子吸收体的位置相对应，所述X型控制棒的非中子吸收体的位置与Y型控制棒的中子吸收体的位置相对应；

[0073] X型控制棒3实质为前一种技术方案中所述的新型反应堆控制棒及棒对， Y型控制棒4的结构形态与X型控制棒3相同，唯一不同点在于两者之间的吸收体与非吸收体的排列顺序不同，Y型控制棒4在插入反应堆后，其将形成一个与X型控制棒3所形成的波峰相差180°的函数波峰，如图7所示，当X型控制棒3与Y型控制棒4同时插入反应堆时，如图6中(1)所示曲线2为X型控制棒与Y型控制棒的全拔出时对堆芯引起的轴向功率分布，轴向功率分布完全展平；如图7中(2)所示的曲线2为X型控制棒与Y型控制棒的部分插入时的峰值变化情况，畸变峰变得比单独的X型或Y型控制棒时更小；如图7中(3)所示的曲线2为X型控制棒与Y型控制棒的完全插入时对堆芯引起的轴向功率分布，轴向功率分布完全展平，可以看出，其进一步的缩小了轴向功率畸变峰；通过图7中的(1)、(2)、(3)当X型控制棒3与Y型控制棒4的内棒均全部插入或全拔出时，其两者之间相差180 度的波峰、波谷相重合后能达到完全将整个畸变峰展平的功效。

[0074] 如上述技术方案中，所述非均匀控制棒对的X型控制棒3与Y型控制棒 4需成对安装在反应堆的堆芯内，只有同时安装在反应堆中，才能保证无论是插入还是拔出的整个过程中，达到最佳的展平效果。

[0075] 这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的新型反应堆控制棒及棒对的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

[0076] 本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。