[发明专利]核反应堆鲁棒灰控制棒

说明书

技术领域

本发明一般地涉及用于核反应堆的灰控制棒(gray control rod)组件，且更具体地涉及对减小在灰控制棒完全插入核反应堆堆芯 时燃料组件导向套管的缓冲区中的中子吸收材料的膨胀和加热进行的 改进。

背景技术

在典型的核反应堆中，反应堆堆芯包括大量燃料组件，每 个燃料组件都包括顶喷嘴和底喷嘴，其中多个横向间隔开的细长导向 套管在喷嘴之间纵向延伸，并且多个横向支承栅格沿导向套管轴向间 隔开且附接到导向套管。而且，每个燃料组件包括多个细长燃料元件 或棒且由顶喷嘴和底喷嘴之间的横向栅格支承，这些燃料元件或棒彼 此横向间隔开且与导向套管横向间隔开。每个燃料棒包含可裂变材料， 且成阵列组合在一起，该阵列组织成在堆芯中提供足以支持高核裂变 率的中子通量，从而以热的形式释放大量能量。为了吸取在堆芯中生 成的部分热以产生有用功，液体冷却剂被向上泵送通过堆芯。

由于反应堆堆芯中的发热率与核裂变率成比例，而核裂变 率又由堆芯中的中子通量决定，所以在反应堆启动时、运行期间和关 闭时的发热控制是通过改变中子通量实现的。一般地，这通过使用包 含中子吸收材料的控制棒吸收多余的中子来实现。除了作为燃料组件 的结构元件之外，导向套管还提供用于将中子吸收控制棒插入反应堆 堆芯中的通道。中子通量的水平以及由此导致的堆芯热输出通常通过 控制棒进出导向套管的运动来调节。

利用与燃料组件有关的控制棒的一种普通布置可参见授予 Hill并转让给本发明受让人的美国专利No.4,326,919。该专利示出在 上端处由多脚架(spider)组件支承的控制棒阵列，该多脚架组件又 连接到控制棒驱动机构，该控制棒驱动机构竖直提升和降低(称为步 进作用)控制棒而使其在燃料组件的中空导向套管中进出。用在该布 置中的控制棒的典型构造为细长金属包壳管的形式，在该包壳管中布 置有中子吸收材料且在该管的相反两端处具有用于密封管中吸收材料 的端塞。一般地，中子吸收材料的形式为紧密填装的陶瓷或金属芯块 堆，在B4C吸收材料的情况下，其仅部分填充包壳管，而在芯块顶部 和上端塞之间留下空隙空间或轴向间隙，以形成用于接收在控制操作 中产生的气体的充气室。卷簧设置在该充气室中，且在上端塞和顶部 芯块之间保持在压缩状态，以在控制棒步进过程中将芯块堆保持在紧 密填装状态。

因此，控制棒通过改变直接中子吸收而影响反应。控制棒 用于快速反应控制。例如硼酸的化学补偿剂(chemical shim)溶于冷 却剂中以控制长期反应变化。在更均匀分布于整个堆芯中的情况下， 该硼溶液导致比控制棒所产生的更均匀的能量分布和燃料损耗。硼的 浓度通常随堆芯老化而降低以补偿燃料损耗和裂变产物堆积。

裂变产物(例如氙-135)的堆积通过寄生吸收中子来降低反 应性，因此降低热利用。氙-135(下文仅称为“氙”)通过中子吸收或 衰变移除。在堆芯功率降低时(例如在负载跟随过程中，负载跟随是 响应于功率需求降低的反应堆功率降低)，较少的热中子可用于移除 氙。因此，堆芯中氙的浓度增加。

这种伴随堆芯反应降低的氙浓度增加通常通过降低溶于堆 芯冷却剂中的硼浓度或者通过从堆芯抽出控制棒来补偿。但是，这两 种方法都有缺点。改变硼浓度需要冷却剂(即水)的处理，该冷却剂 处理很困难且在实用中是不期望的，特别是在邻近堆芯寿命结束时。 控制棒的移除意味着堆芯的恢复功率能力降低和峰值因子增加。

该问题的一般解决方法是在全功率堆芯中设置若干组降低 反应性当量(reactivity worth)棒(称为灰棒)，这些棒可用于在功率 降低时被移除以补偿氙增多。在由本发明受让人设计的称为AP1000 反应堆的先进被动核电站(passive nuclear plant)中，具有相对低反 应性当量的灰棒将用于在稳定状态和负载跟随操作中补偿堆芯反应性 的总体变化。在全功率稳定状态和降低功率过渡状态下，该操作策略 将导致灰控制棒一直在堆芯中循环进出。在该操作中，一个或更多灰 棒组可以完全插入一段延长的时间，其中控制棒顶部位于导向套管缓 冲区域中。该缓冲区域是导向套管的下部中的内径减小段，其在控制 棒落入堆芯中时减慢控制棒的下降以减小多脚架在燃料组件的顶喷嘴 上的冲击。每个导向套管底部处的缓冲区域大约有两英尺(0.61米) 长。当控制棒插入时，缓冲区域中的冷却剂流速和冷却剂横截面面积 稍小于导向套管的其余部分。