CN119626595A - 一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温气冷堆控制棒技术领域，本发明公开了一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，包括冷氦通道；第二控制棒，沿所述冷氦通道的轴向延伸，并绕所述冷氦通道的轴线可转动的设置，其中，所述第二控制棒的径向截面呈弧形，所述第二控制棒与冷氦通道的数量相等；控制棒通道；第一控制棒，沿所述控制棒通道的轴向延伸，并沿所述控制棒通道的轴线可滑动的设置，其中，所述第一控制棒与控制棒通道的数量不等。本发明的有益效果为本发明通过将第二控制棒的设置在冷氦通道中，能够减少第一控制棒中调节棒以及其对应驱动机构的数量，减少周向空间的使用，便于工作人员对其进行维修和更换，并便于对反应堆进行反应性控制。

Description

一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构

技术领域

本发明涉及高温气冷堆控制棒技术领域，特别是一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构及一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构。

背景技术

球床式高温气冷堆是采用氦气作为冷却剂的第四代先进核反应堆，冷却剂氦气属于惰性气体，不吸收中子且不会发生相变，可提高核反应堆运行的安全性和稳定性。同时，球床式高温气冷堆采用连续在线装换料策略，使得球床式高温气冷堆芯内功率和燃耗分布较平坦，有利于提高燃料的利用率。

现有技术中，球床式高温气冷堆堆芯中间设置有燃料区101、中反射层102、屏蔽层105以及在中反射层内布置的控制棒通道103和冷氦通道104，冷氦通道104用于输送氦气，控制棒通道103内部放置第一控制棒103a，第一控制棒103a分为调节棒R、安全棒S以及补偿棒C三种，控制棒通道103和冷氦通道104均沿堆芯的轴向延伸，控制棒通道103和冷氦通道104均绕堆芯呈圆周分布，并且控制棒通道103和冷氦通道104均布置在中反射层102中，冷氦通道103位于远离堆芯的位置。

屏蔽层105的顶部和底部分别设置有进料管道101c和卸料管道101e，屏蔽层105内部的上方和下方分别设置有燃料上反射层101b和燃料下反射层101d，所述燃料上反射层101b与燃料区101之间形成顶部空腔101a。

每一个控制棒通道103中均放置有第一控制棒103a，每一个第一控制棒103a均通过一个驱动机构103b进行驱动，带动第一控制棒103a进行上升或下降，以16根第一控制棒103a为例，安全棒S有4根，调节棒R有6根，补偿棒C有6根，具体分布放置如附图1所示。

针对驱动机构103b，驱动机构103b可采用步进电机作为动力源，步进电机的工作由反应堆功率控制系统的控制器控制，控制器按照操纵员手动的或系统自动的升、降棒操作命令，使步进电机正向或反向转动，将第一控制棒103a按要求提升或插入；此外驱动机构103b也可采用气缸等能够通过反应堆功率控制系统的控制器进行控制、能够带动第一控制棒103a进行提升和插入动作的装置。

由于堆芯高度较大，第一控制棒103a行程较长，第一控制棒103a采用分段式内外套筒结构，且周向第一控制棒数量过多，导致反应堆顶部的第一控制棒驱动机构排布密集，大量占用周向空间，造成维修困难，且调节起来较为繁琐。

发明内容

在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

本发明的目的是提供一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其能解决控制棒采用分段式内外套筒结构，且周向控制棒数量过多，导致反应堆顶部的控制棒驱动机构排布密集，大量占用周向空间，造成维修困难，且调节起来较为繁琐的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其包括冷氦通道；第二控制棒，沿所述冷氦通道的轴向延伸，并绕所述冷氦通道的轴线可转动的设置，其中，所述第二控制棒的径向截面呈弧形，所述第二控制棒与冷氦通道的数量相等；控制棒通道；第一控制棒，沿所述控制棒通道的轴向延伸，并沿所述控制棒通道的轴线可滑动的设置，其中，所述第一控制棒与控制棒通道的数量不等。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述第二控制棒的内部设置为空心。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述第二控制棒的制作材料为中子吸收材料。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述第二控制棒的弧度范围为60度～120度。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述第二控制棒的外弧面紧贴所述冷氦通道的侧壁。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述第二控制棒的厚度取决于中子吸收截面和中子能谱。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述第二控制棒的厚度为处于所述第二控制棒内部空心一侧的厚度；其中，所述第二控制棒位于空心两侧的厚度相同。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述第二控制棒同步进行转动。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述第二控制棒的顶部固定连接有连接柱，所述连接柱的顶端贯穿堆芯，所述第二控制棒的长度大于所述冷氦通道的长度。

作为本发明所述内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的一种优选方案，其中：所述连接柱为圆柱形，所述连接柱与堆芯接触部分通过贯穿件密封。

本发明的有益效果：本发明通过将第二控制棒的设置，能够减少第一控制棒中调节棒以及其对应驱动机构的数量，减少周向空间的使用，便于工作人员对其进行维修和更换，并便于对反应堆进行反应性控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术堆芯的俯视剖视结构示意图。

图2为内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的结构示意图。

图3为内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的正视剖视结构示意图。

图4为内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构的俯视剖视结构示意图。

图5为内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构第一控制棒转出状态图。

图6为内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构第一控制棒半转状态图。

图7为内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构第一控制棒转入状态图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图2～图7，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其包括冷氦通道104；第二控制棒104a，沿所述冷氦通道104的轴向延伸，并绕所述冷氦通道104的轴线可转动的设置，其中，所述第二控制棒104a的径向截面呈弧形，所述第二控制棒104a与冷氦通道104的数量相等；控制棒通道103；第一控制棒103a，沿所述控制棒通道103的轴向延伸，并沿所述控制棒通道103的轴线可滑动的设置，其中，所述第一控制棒103a与控制棒通道103的数量不等。

堆芯中仅存在有第一控制棒103a，不存在第二控制棒104a的情况下，在使用时，以16根第一控制棒103a为例，分别

停堆状态下，控制棒通道103中存在的调节棒R,、安全棒S以及补偿棒C，全部插入控制棒通道103中；

在反应堆运行时，首先通过驱动机构将4根安全棒S提拉到顶，随后通过驱动机构将调节棒R和补偿棒C提拉到顶，反应堆反应的同时，通过调节棒R上的驱动机构，对其进行上升或下降的操作，以此来精细控制反应堆的反应性；通过调节棒R对反应性调节时，对6根调节棒R均需要调节，确保多个调节棒R达到相同的高度，调节时需要对每一个调节棒R进行单度的调节，首先根据现有技术中存在的方法计算出每个调节棒R需要调节的高度，依次开启每个调节棒R所对应的驱动机构，将调节棒R调节至合适的高度，每次调节只能提拉一根调节棒R，直至全部调节完成为止。

安全棒S用于反应堆的紧急停堆，而补偿棒C用于补偿功率调节过程中的反应性，正常运行时，安全棒S始终提出堆外，调节棒R负责100％～50％功率范围内的反应性调节，50％功率以下的反应性调节则需要补偿棒参与，且反应堆保有1000pcm左右的后备反应性，用于运行瞬态比如功率调节的反应性补偿，此处1000pcm为举例，代表100％～50％功率范围的调节，具体数值需要根据具体的堆芯型号和大小进行确定。

堆芯存在第二控制棒104a，不存在第一控制棒103a的情况下，在使用时，模拟的参数如下：

燃料区101设置在堆芯中央，半径为150cm，高度为1100cm；

中反射层102厚度为75cm；

中反射层102中布置的冷氦通道104半径为30cm，数量为16个，冷氦通道104的底部与堆芯底部漏斗上沿平齐；

屏蔽层105的厚度为25cm；

燃料区101球床中堆积有燃料球与石墨球，燃料球以石墨为基体，包含大量弥散的二氧化铀TRISO燃料颗粒，燃料富集度为4.2％，燃料球与石墨球的半径均为3cm；

第二控制棒104a的吸收材料为碳化硼，第二控制棒104a为120度的空心弧结构，内径20cm，外径30cm。

燃料上反射层101b的厚度为100cm，燃料下反射层101d的厚度为300cm，进料管道101c的半径为25cm，卸料管道101e的半径为25cm。

为分析冷氦通道内嵌控制转鼓的球床式高温气冷堆的堆芯物理特性，基于以上模型参数，使用蒙特卡罗物理计算软件NECP-MCX对假定堆芯温度30℃的冷氦通道内嵌控制转鼓的球床式高温气冷堆进行建模分析，第二控制棒104a的4种状态如图4～图7所示，分别对3种控制转鼓状态下的模型进行计算，得到第二控制棒104a转出、半转和转入的反应性价值，如下表所示：

控制转鼓状态	反应性价值/pcm
		转出	4149
半转	4307
		转入	4671

转入：指第二控制棒104a的弧顶指向堆芯的圆心，第二控制棒104a的外弧最靠近堆芯的位置。

半转：指第二控制棒104a的弧顶方向与冷氦通道104的圆心与堆芯圆心连线相垂直。

转出：指第二控制棒104a的外弧面远离堆芯的位置。

蒙特卡罗物理计算软件NECP-MCX是核工程计算物理实验室研发的、具备完全自主知识产权的深穿透跨尺度辐射场分析软件。

如图7所示，第二控制棒104a处于转入状态时，第二控制棒104a的外弧面最靠近堆芯中央，所吸收的中子数量是最多的，当第二控制棒104a从转入状态转动至如图6所示的半转状态过程中，第二控制棒104a朝向堆芯中心的面积变小，吸收中子的数量也逐渐减少，而当第二控制棒104a转动至如图5所示的转出状态时，此时由于第二控制棒104a的内弧面距离堆芯距离最远，吸收中子数量最少，所提供的反应性价值也是最少。

从上表可知，第二控制棒104a转入和转出之间相差522pcm的反应性，在反应堆运行中可用于反应性补偿。针对第一控制棒103a的堆芯来说，高温气冷堆在正常运行时，反应堆保有1000pcm左右的后备反应性，用于运行瞬态比如功率调节的反应性补偿。而第二控制棒104a反应性控制方法，相当于可以替代目前常用的第一控制棒103a约一半的反应性补偿功能，也就是说，以16根第一控制棒103a为例，第二控制棒104a的设置能够代替6根调节棒R中的2～4根，具体需要根据不同的堆芯型号进行确定，因此其可用为反应性控制系统之一，提供一定的反应性控制能力，减少第一控制棒103a的设置数量，为堆腔上方控制棒驱动机构的安装节省空间。

针对第一控制棒103a和第二控制棒104a同时存在堆芯中，第二控制棒104a设置于冷氦通道104a中，参与对堆芯的反应性控制，能够有效减少第一控制棒103a中的调节棒R的数量，从而能够减少堆腔上方第一控制棒103a对应的驱动机构的数量，安装节省空间，而第二控制棒104a所需用到的驱动结构设置在第一控制棒103a的外侧，两者之间存在一定的距离，通过第二控制棒104a的驱动结构能够带动多个第二控制棒104a同步进行转动，确保调节的稳定性。

进一步的，对第一控制棒103a中调节棒R进行调节的时候，由于驱动机构103b与调节棒R是一一对应的，且位置分布不对称，需要单独对每一个调节棒R进行调节，而第二控制棒104a并不会存在上述情况，能够通过一个驱动结构控制多个第二控制棒104a进行同步转动，同时避免了由于单根提升调节棒R时容易造成局部过热或功率不足的情况，在调节第一控制棒103a和第二控制棒104a时，需要单独进行操作，不能够同时对两种控制棒进行操作。

由于冷氦通道104为冷氦通道，当氦气通过冷氦通道104的时候就会对第二控制棒104a进行降温，不用设置功能性旁流，不减少堆芯的有效流量，在反应堆热工安全上有优势而，而由于第二控制棒104a加入堆芯，该堆芯中的第一控制棒103a的数量就会相应减少，同时也减少了功能性旁流，减少了氦气的消耗，节省了资源。

实施例2

参照图2～图7，为本发明第二个实施例，其不同于第一个实施例的是：还包括所述第二控制棒104a的内部设置为空心。

进一步的，所述第二控制棒104a的制作材料为中子吸收材料。

第二控制棒104a的吸收体材料为碳化硼，也可为其他的中子吸收材料，比如铟、钼等，使第二控制棒104a能够充分吸收中子，达到对反应堆的控制调节，确保反应堆的正常运行。

第二控制棒104a的内部设置为空心，能够减少因为热胀冷缩带来的损害，同时当堆芯在反应时由于堆芯内部产生的伽马射线在穿过第二控制棒104a时会沉积能量，这种能量沉积会产生热量，使得第二控制棒104a内部挤压较多的热量，而空心结构，利于对第二控制棒104a进行散热，防止内部热量过多，导致第二控制棒104a出现损坏等情况；第二控制棒104a的内部设置为空心，确保正常吸收中子的情况下，能够减少第二控制棒104a本身的重量，减少所对应驱动结构的能量损耗。

具体的，所述第二控制棒104a的弧度范围为60度～120度。

进一步的，所述第二控制棒104a的外弧面紧贴所述冷氦通道104的侧壁。

进一步的，所述第二控制棒104同步进行转动。

第二控制棒104a的弧度可根据堆芯的型号以及实际使用的情况进行选择，选择时第二控制棒104a的弧度不能过于大也不能过小，过大就会导致在调节某一角度后仍以相同速率吸收中子，中子吸收过多，可能会导致反应堆的中子经济性变差，反应性降低，从而影响反应堆的临界状态和能量产出，弧度过大也会造成材料浪费及增加自重的情况，造成资源的浪费；若第二控制棒104a的弧度过小，就会导致吸收中子数过少，无法达到调节的目的。

第二控制棒104a的外弧面紧贴冷氦通道104的内壁，确保了当第二控制帮你104a的驱动结构带动其发生转动时的稳定性，进一步确保了反应堆的稳定调节，而堆芯中所有第二控制棒104a的同步转动确保了转动时的稳定，防止因为转动角度不同造成堆芯内部某一处的功率不同，可能会造成堆芯反应出现问题。

具体的，所述第二控制棒104a的厚度取决于中子吸收截面和中子能谱。

进一步的，所述第二控制棒104a的厚度为处于所述第二控制棒104a内部空心一侧的厚度；其中，所述第二控制棒104a位于空心两侧的厚度相同。

第二控制棒104a是由吸收体和外包壳组成，吸收体和包壳材料的选择根据具体的反应堆设计进行确定，此为现有技术，不做过多赘述，第二控制棒104a吸收体的厚度选择主要与其中子吸收截面、中子能谱有关，吸收体的中子吸收截面越大，吸收体厚度越薄；吸收体的中子吸收截面越小，吸收体厚度越厚。吸收体最佳厚度可定义为恰巧可以把通过吸收体的中子全部吸收的厚度。

过薄的吸收体吸收中子不充分，第二控制棒104a反应性价值不高；过厚的吸收体，中子在表层已经吸收完，吸收体内部吸收不了中子，浪费了材料，也增加了第二控制棒104a的质量，不利于驱动，还会造成控制棒发热量增加(γ热沉降)，在控制棒结构设计时，利用反应堆设计程序，确定出合适厚度的吸收体，该设计程序为现有技术，此处不做过多赘述。

在使用时，在反应堆启动前，根据堆型的型号以及大小选取合适数量的第一控制棒103a以及与冷氦通道104相匹配数量的第二控制棒104a分别插入控制棒通道103和冷氦通道104中，并将驱动机构103b以及第二控制棒104a所需的驱动结构安装在合适位置，安装好之后，在启动反应堆之前，首先通过驱动机构103b将安全棒S提拉至顶，随后将补偿棒C和调节棒R提拉至顶，随后根据反应堆的反应性，通过驱动机构103a将调节棒R放置合适位置，随后启动反应堆，反应堆运行时，根据反映功率的大小，可逐步通过驱动机构103b提升或下落调节棒R到指定棒位，调解时单独对每一个调节棒R进行调节，使反应堆功率稳定在某一功率平台，针对总的反应性控制需求大的反应堆，需要第一控制棒103a和第二控制棒104a两者同时参与；而针对需求小的，第一控制棒103a就可以不参与。

对于反应堆较小的反应性调节，需对第二控制棒104a进行转动控制，通过驱动结构对全部第二控制棒104a进行同步转动调节，达到反应性的平衡匹配。

实施例3

参照图2～图7，为本发明的第三个实施例，该实施例基于前两个实施例，还包括所述第二控制棒104a的顶部固定连接有连接柱104b，所述连接柱104b的顶端贯穿堆芯，所述第二控制棒104a的长度大于所述冷氦通道104的长度。

进一步的，所述连接柱104b为圆柱形，所述连接柱104b与堆芯接触部分通过贯穿件密封。

第二控制棒104a顶部连接的连接柱104b，贯穿堆芯，伸出堆芯外部，能够与外部的第二控制棒104a驱动结构相适配，使得该驱动结构能够带动第二控制棒104a进行转动。

该连接柱104b的顶部可以带有齿轮，通过与驱动结构相啮合，实现传动的效果，也可与驱动结构通过皮带进行传动，实现第二控制棒104a的转动，具体情况可根据实际情况进行选择。

使用贯穿件的目的是为了能够在连接柱104b正常转动的同时确保连接处的密封，防止内部的放射性物质外泄，贯穿件为现有技术，此处不做过多赘述。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：包括，

冷氦通道(104)；

第二控制棒(104a)，沿所述冷氦通道(104)的轴向延伸，并绕所述冷氦通道(104)的轴线可转动的设置，其中，所述第二控制棒(104a)的径向截面呈弧形，所述第二控制棒(104a)与冷氦通道(104)的数量相等；

控制棒通道(103)；

第一控制棒(103a)，沿所述控制棒通道(103)的轴向延伸，并沿所述控制棒通道(103)的轴线可滑动的设置，其中，所述第一控制棒(103a)与控制棒通道(103)的数量不等。

2.如权利要求1所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述第二控制棒(104a)的内部设置为空心。

3.如权利要求1所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述第二控制棒(104a)的制作材料为中子吸收材料。

4.如权利要求1所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述第二控制棒(104a)的弧度范围为60度～120度。

5.如权利要求1所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述第二控制棒(104a)的外弧面紧贴所述冷氦通道(104)的侧壁。

6.如权利要求5所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述第二控制棒(104a)的厚度取决于中子吸收截面和中子能谱。

7.如权利要求6所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述第二控制棒(104a)的厚度为处于所述第二控制棒(104a)内部空心一侧的厚度；其中，所述第二控制棒(104a)位于空心两侧的厚度相同。

8.如权利要求7所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述第二控制棒(104)同步进行转动。

9.如权利要求8所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述第二控制棒(104a)的顶部固定连接有连接柱(104b)，所述连接柱(104b)的顶端贯穿堆芯，所述第二控制棒(104a)的长度大于所述冷氦通道(104)的长度。

10.如权利要求9所述的内嵌控制棒的高温气冷堆堆芯结构，其特征在于：所述连接柱(104b)为圆柱形，所述连接柱(104b)与堆芯接触部分通过贯穿件密封。