[发明专利]一种高价值控制棒中子吸收体材料

说明书

本发明公开了一种高价值控制棒中子吸收体材料，该中子吸收体材料包括至少一种第一组分和至少一种第二组分，其中所述第一组分具有良好的中子吸收能力，所述第二组分与第一组分可形成稳定化合物；所述中子吸收体材料的初始反应性价值不低于Ag‑In‑Cd合金棒，且反应性价值随燃料组件燃耗变化率不快于Ag‑In‑Cd。本发明公开的中子吸收体材料的核物理性能优于常见商用吸收体材料，且显著提升了使用温度限值，提升了设计灵活性和堆芯安全性。

技术领域

本发明涉及核材料技术领域，尤其涉及一种高价值控制棒中子吸收体材料。

背景技术

控制棒组件是反应堆控制部件，通过在燃料组件中插入和抽出对堆芯进行反应性控制。在正常工况下它们用于启动反应堆、调节堆功率和停堆，在事故工况下依靠自身重力快速下降，使反应堆在极短时间内紧急停堆，以保证安全。

控制棒组件中起主要吸收作用的是控制棒内的吸收体材料，目前常见的控制棒中子吸收体材料包括碳化硼(B₄C)芯块(EP0364910A2，JP200221437A)、铪(Hf)棒(US5742655A)、银-铟-镉(Ag-In-Cd)合金棒(US4699756A1)和钛酸镝(Dy₂O₃-TiO₂)(V.D.Risovany,E.E.Varlashova,D.N.Suslov,Dysprosiumtitanatea sanabsorbermaterialforcontrolrods,JournalofNuclearMaterials281(2000)84-89.)芯块，四种吸收体材料均位于控制棒包壳管内部。

B₄C芯块在VVER-1000和EPR堆型中得到了商用，具有很高的中子吸收价值，但B₄C芯块吸收价值随燃料组件燃耗快速减小，且发生中子反应后释放出大量He气而辐照肿胀较大，容易导致包壳管出现鼓胀和破损，使用寿命较短，很难全尺寸大规模应用于控制棒中。

Hf棒具有良好的耐腐蚀性能、加工性能和机械性能以及稳定的堆内辐照性能，且Hf棒的6种同位素的吸收截面都比较高，嬗变产物Ta和W也具有较高的中子吸收截面和较长的半衰期，使得Hf棒成为最早的核反应堆控制棒吸收体之一。Ag-In-Cd合金棒是目前最常用的商业控制棒吸收体材料，与Hf棒具有相似的初始反应性价值和消耗速率，Hf棒和Ag-In-Cd合金棒的主要问题在于其吸收价值并不理想，应用于更大功率的反应堆，设计灵活度很低甚至无法满足停堆深度需求。Dy₂TiO₅芯块因具有较低的辐照肿胀、较高的中子吸收能力和熔点(-1870℃)而成功用于MIR和VVER-1000中。Dy₂TiO₅芯块初始反应性价值也与Ag-In-Cd合金棒相近，因此在面对更大功率反应堆时面临与Ag-In-Cd合金棒和Hf棒相似的初始反应性价值不足的问题。

综上，开发初始反应性价值高且随燃料组件燃耗变化较小的不含B控制棒中子吸收体材料具有重要意义。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高价值控制棒中子吸收体材料，其初始反应性价值高且随燃料组件燃耗变化较小，可实现控制反应堆运行功率和停堆。

本发明提出的一种高价值控制棒中子吸收体材料，该中子吸收体材料包括至少一种第一组分和至少一种第二组分，其中所述第一组分具有良好的中子吸收能力，所述第二组分与第一组分可形成稳定化合物；所述中子吸收体材料的初始反应性价值不低于Ag-In-Cd合金棒，且反应性价值随燃料组件燃耗变化率不快于Ag-In-Cd合金棒。

优选地，所述第一组分至少含有Dy元素：纯或基本纯Dy金属、Dy合金、Dy基化合物或者上述两种含Dy材料的混合物；所述第二组分至少含有Al元素：纯或基本纯Al金属、Al合金、Al基化合物以及上述材料混合物。