[其他]沸水反應堆的一種改進型控制棒

無效

• 申請號: 85106168
• 申請日: 1985-08-15
• 公開（公告）號: CN85106168A
• 公開（公告）日: 1987-04-08
• 發明（設計）人: 約翰·弗朗西斯·威爾森;普拉塔普·基拉昌德·多奇
• 申請（專利權）人: 西屋電氣公司
• 主分類號: G21C7/10
• 分類號: G21C7/10
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 王彥斌,石小梅

本發明一般地涉及核反應堆的控制棒，特別是涉及一種具有改進的結構和改進的吸收材料分布方式的控制棒。它降低了控制棒內的拉應力，并提供一種補償能力低的控制棒端部，該端部暴露在與控制棒裝在一起的燃料組件的各根燃料棒中。

在反應堆底部，把控制棒從堆芯內的燃料組件中插入和抽出，是沸水堆（BWR）這類核反應堆控制輸出功率和堆芯內的功率分布的一般方法。在沸水堆中，每一個燃料組件包含許多根燃料棒向反應堆提供核燃料，其型式是，在一根兩端密封的細長包復管中排列著一組頭尾相接的燒結芯塊。燃料組件的典型組合方式為四個一組，每一組裝有一根控制棒。在人們熟知的一種設計中（如美國專利U.S.4，285，769中的一個例子），控制棒的橫截面形狀為十字形，并帶有四個葉片，當控制棒插入到燃料組件中時，控制棒的葉片就位于相鄰的兩個燃料組件之間的空間中，每一圍繞著控制棒的四個燃料組件一般地稱作反應堆芯的一個燃料柵元。

沸水反應堆中，具有十字形截面的控制棒通常是用碳化硼粉末作中子吸收材料的，碳化硼粉通過振動方法緊密地裝入到小直徑不銹鋼管中，每一個控制棒葉片外面有一個不銹鋼護套，它們呈十字形排列，在運行時，控制棒通過液壓驅動機械，以分步增加的方式（例如6吋步長）垂直向下移動，來增加反應堆功率。

這種結構的控制棒忌諱兩點：（1）不銹鋼的應力腐蝕破裂（SCC）;（2）燃料芯塊與包殼間的相互作用（PCI）、一方面，SCC是由于裝有碳化硼粉的不銹鋼管子中相當高的拉應力引起的。拉應力是由于如下幾種情況產生的：（1）壓實振動密實的碳化硼粉末時;（2）由于幅射導致生成氦氣，由此而造成的內壓力;（3）幅射導致粉末膨脹。SCC時常引起管子破裂，使控制棒中的碳化硼粉漏失。另一方面，PCI是由于控制棒端頭附近的包復管內的燃料芯塊的功率分步增加時而引起的。PCI經常造成燃料棒包殼穿孔。可以預料，鄰近控制棒的拐角燃料棒端部的功率增加可達150%芯塊功率的這種突然增加引起芯塊溫度上升，從而導致芯塊向外徑向膨脹，并與燃料棒的包殼接觸。由此產生的包殼應力，加上包殼內部的化學腐蝕，就引起了PCI問題的發生。

減緩PCI問題的一種方法是，在反應堆功率高時，限制控制棒的運動。在控制棒可以運動之前，先通過流體來控制降低功率。第二種方法是在燃料棒內部放置一些可以防止PCI發生的材料。從反應堆的實用效率和燃料的制造費用看，這兩種方法都是昂貴的。

上述專利中介紹的控制棒結構，為減緩PCI問題所提出的解決辦法是把控制棒端部制成一個“灰端”（GREY????TIP），也就是使葉片端部裝碳化硼粉末的垂直管子短一些，或者在葉片端部使用一小段鉿。這樣，該灰端的組成形式是，十字形控制棒的中心整個長度上都是吸收材料，而隨著葉片向外延伸，吸收材料的長度逐漸變短。就單根燃料棒而論，不能把它看成是灰端，當控制棒移動時，燃料組件的拐角燃料棒中的芯塊在反應性上（即中子通量上）經受與用標準控制棒時同樣大幅度的變化，這是由于在控制棒中心的吸收體管子直徑是同樣的，且端部也充滿吸收材料的緣故。從PCI觀點看，由于拐角燃料棒是限制棒，所以上面引證的專利結構沒有改善PCI問題。另外這一結構對控制棒中的SCC問題也未能有所補益。在這一結構中還會出現由于氦氣壓力積累和硼粉的膨脹所造成的拉應力（這兩種作用都是由于硼原子吸收中子而產生的），碳化硼將會從控制棒中洩漏出來，并因此而限制了棒的壽命。

因而，本發明的基本目的在于提供一種改進的控制棒結構，這種結構旣能減緩SCC問題，又能減緩PCI問題。

為此，本發明為沸水反應堆提供了一種控制棒結構，它包括如下部分：一個細長的中央芯柱，形成縱向延伸的內部氣體的中心通道;數個葉片連到上述芯柱上，并從芯柱向外徑向擴展;在所述的各片葉片內分布有一系列的內部空腔，以及排布在上述空腔內的一系列中子吸收材料芯塊。這種控制棒結構的特點是，使上述各個內部空腔與氣體的中心通道相連通，以便在上述芯塊受到輻射時，它所產生的氣體能從空腔內擴散到所述的氣體通道中。

也可以用壓制的碳化硼塊代替碳化硼粉，將其置于控制棒的空腔內，該空腔設計尺寸偏大些，以適應輻射作用下的硼的腫脹。通過減小移動控制棒時芯塊功率變化的幅度來減緩PCI問題。吸收材料在控制棒端部的分布狀態可使接近控制棒端部的每根燃料棒產生逐漸變化的中子通量，而不是象上面提過那種使燃料棒產生突然的變化的控制棒結構。所以，當控制棒移動時，每一塊燃料芯塊的功率變化幅度將大為減小，這將降低芯塊的溫度變化，同時也就減小了由于控制棒移動造成的包殼應力。這一應力的減小，大大降低了PCI問題發生的可能性。