本发明专利技术公开了一种属于机械设备领域和核能领域的使用石墨烯层的反应堆控制棒，本发明专利技术改变控制棒材料，在传统的Ag-In-Cd材料基础上，增加一些石墨烯材料，石墨烯材料为多层石墨烯结构，可放置于传统的Ag-In-Cd材料制成的棒料外表面、内表面或者中部，这样既保证了传统控制棒的中子吸收截面，又提高了反应堆控制棒的机械强度，进一步确保核电的安全性，反应堆安全、有效运行，也保证了控制棒的外观尺寸，不会导致整个压力容器的结构改变。控制棒吸收反应堆中子，在正常运行时调节反应堆功率，事故下引入负反应性。同时，从整个控制棒的制造和加工来看，加入石墨烯层具有一定的经济性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械设备和核能领域，特别涉及到反应堆压力容器控制棒结构，具体说是改变控制棒材料，在传统的Ag-In-Cd材料基础上增加多层石墨烯材料，即为使用石墨烯层的反应堆控制棒。
技术介绍
反应堆是核电厂的核心部件，其能否安全、可靠地运行对整个核动力装置的安全可靠性和经济性有着十分重要的影响。而控制棒是反应堆压力容器的重要组件，控制棒耐高温、耐腐蚀的能力决定了反应堆控制效率的大小。如果控制棒经过长期使用导致强度下降甚至损坏，使得控制效率下降，影响了核动力装置经济性，甚至在严重情况下，必然影响核动力装置的安全可靠性。目前，控制棒以Ag-In-Cd为主要材料，但也存在材料强度的提升空间和结构改造的余地。由于上述问题的存在，本专利技术人对现有的控制棒进行研究和分析，进行材料改造和更加合理的结构设计，以便制作出具有更高的耐高温性和耐腐蚀性的控制棒，进而提高核电厂的安全性和经济性。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行锐意研究，结果发现：在原有的控制棒材料Ag-In-Cd的基础上添加多层石墨烯结构，多层石墨烯结构添加在由Ag-In-Cd材料制成的棒料的外部、内部、或者中间都能起到期望的的效果，即大大提高反应堆控制棒的耐高温性、耐腐蚀性、强度和导热性，进而完成本专利技术。即本专利技术是针对目前反应堆控制棒长期使用，造成机械性能下降和损坏，影响核动力装置的控制效率和安全性的问题，提出的一种新型材料的控制棒。本专利技术的目的在于提供如下技术方案：(1)使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于，该控制棒包括层压的石墨烯层和合金层，其中石墨烯层由多层石墨烯制成，合金层由Ag-In-Cd合金制成，石墨烯层厚度为0.05mm-0.2mm，合金层厚度为0.95mm-3.65mm，该控制棒为实心或空心圆柱状，其外径为12mm-15mm，空心圆柱状控制棒的壁厚为2mm-3mm，其内部放置燃料棒，实心圆柱状控制棒周围放置燃料棒；石墨烯层制备方法为化学气相沉积法，其中沉积条件如下：生长气体为将甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生长温度为920～980℃，降温速度为8～12℃/min。(2)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：双层结构空心棒的内壁层2a和双层结构空心棒的外壁层1a，其中双层结构空心棒的内壁层2a是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm，双层结构空心棒的外壁层1a是合金层，其壁厚为1.9mm-2.8mm。(3)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：双层结构空心棒的内壁层2a和双层结构空心棒的外壁层1a，其中双层结构空心棒的内壁层2a是合金层，其壁厚为1.9mm-2.8mm，双层结构空心棒的外壁层1a是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm。(4)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：三层结构空心棒的内壁层5a、三层结构空心棒的中壁层4a和三层结构空心棒的外壁层3a，其中三层结构空心棒的中壁层4a是合金层，其壁厚为1.9mm-2.8mm，三层结构空心棒的内壁层5a和三层结构空心棒的外壁层3a都是石墨烯层，其壁厚均为0.05mm-0.1mm。(5)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：三层结构空心棒的内壁层5a、三层结构空心棒的中壁层4a和三层结构空心棒的外壁层3a，其中三层结构空心棒的中壁层4a是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm，三层结构空心棒的内壁层5a和三层结构空心棒的外壁层3a都是合金层，其壁厚均为0.95mm-1.4mm。(6)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为实心圆柱状时，由内向外依次包括：双层结构实心棒的内芯2b和双层结构实心棒的外壁层1b，其中双层结构实心棒的外壁层1b是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm，双层结构实心棒的内芯2b是呈圆柱状的实心结构，由Ag-In-Cd合金制成，其直径为11.8mm-14.6mm。(7)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：该控制棒为实心圆柱状时，由内向外依次包括：三层结构实心棒的内芯5b、三层结构实心棒的中壁层4b和三层结构实心棒的外壁层3b，其中三层结构实心棒的中壁层4b是石墨烯层，其壁厚为0.1mm-0.2mm，三层结构实心棒的内芯5b是呈圆柱状的实心结构，由Ag-In-Cd合金制成，其直径为5.9mm-7.3mm，三层结构实心棒的外壁层3b是合金层，其壁厚为2.95mm-3.65mm。(8)根据上述(1)所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于：所述石墨烯层为在Ag-In-Cd合金制成的基体表面形成的石墨烯层。本专利技术具有如下有益效果：第一，该控制棒具比传统控制棒更高的强度，这是由于加入了多层石墨烯材料，石墨烯材料是人类已知的强度最高的物质，强度比最好的钢铁还要高上100倍左右；第二，该控制棒具比传统控制棒更高的抗高温能力，这是由于加入了多层石墨烯材料，石墨烯材料具有极强的热稳定性，其基本结构为有机材料中最稳定的苯六元环；第三，该控制棒具比传统控制棒更高的导热性，这是由于加入了多层石墨烯材料，单层石墨烯材料导热系数高达5300W/m·K，多层石墨烯材料导热能力下降，但导热能力仍然强于传统控制棒材料Ag-In-Cd合金；第四，该控制棒具比传统控制棒更高的耐腐蚀性，这是由于加入了多层石墨烯材料，多层石墨烯材料层使内部金属耐腐蚀性大大提高；第五，由于上述有益效果，相比于传统控制棒，使用石墨烯层的反应堆控制棒具有更高的安全性和经济性。附图说明图1示出根据本专利技术一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒双层结构空心棒的纵剖面图；图2示出根据本专利技术一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒双层结构空心棒的横剖面图；图3示出根据本专利技术一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒三层结构空心棒的纵剖面图；图4示出根据本专利技术一种优选实施方式的使用石墨烯层的反应堆控制棒三层结构本文档来自技高网...
【技术保护点】
使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于，该控制棒包括层压的石墨烯层和合金层，其中石墨烯层由多层石墨烯制成，合金层由Ag‑In‑Cd合金制成，石墨烯层厚度为0.05mm‑0.2mm，合金层厚度为0.95mm‑3.65mm，该控制棒为实心或空心圆柱状，其外径为12mm‑15mm，空心圆柱状控制棒的壁厚为2mm‑3mm，其内部放置燃料棒，实心圆柱状控制棒周围放置燃料棒；石墨烯层制备方法为化学气相沉积法，其中沉积条件如下：生长气体为将甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生长温度为920～980℃，降温速度为8～12℃/min。
【技术特征摘要】
1.使用石墨烯层的反应堆控制棒，其特征在于，该控制棒
包括层压的石墨烯层和合金层，
其中石墨烯层由多层石墨烯制成，
合金层由Ag-In-Cd合金制成，
石墨烯层厚度为0.05mm-0.2mm，
合金层厚度为0.95mm-3.65mm，
该控制棒为实心或空心圆柱状，其外径为12mm-15mm，
空心圆柱状控制棒的壁厚为2mm-3mm，其内部放置燃料
棒，
实心圆柱状控制棒周围放置燃料棒；
石墨烯层制备方法为化学气相沉积法，其中沉积条件如下：
生长气体为将甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生长温度
为920～980℃，降温速度为8～12℃/min。
2.根据权利要求1所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，
其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：
双层结构空心棒的内壁层(2a)和双层结构空心棒的外壁层
(1a)，其中双层结构空心棒的内壁层(2a)是石墨烯层，其壁
厚为0.1mm-0.2mm，双层结构空心棒的外壁层(1a)是合金层，
其壁厚为1.9mm-2.8mm。
3.根据权利要求1所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，
其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：
双层结构空心棒的内壁层(2a)和双层结构空心棒的外壁层
(1a)，其中双层结构空心棒的内壁层(2a)是合金层，其壁厚
为1.9mm-2.8mm，双层结构空心棒的外壁层(1a)是石墨烯层，
其壁厚为0.1mm-0.2mm。
4.根据权利要求1所述的使用石墨烯层的反应堆控制棒，
其特征在于：该控制棒为空心圆柱状时，由内向外依次包括：
\t三层结构空心棒的内壁层(5a)、三层结构空心棒的中壁层(4a)
和三层结构空心棒的外壁层(3a)，其中三层结构空心棒的中壁
层(4a)是合金层，其壁厚为1.9mm-2.8...
【专利技术属性】
技术研发人员：周涛，宋明强，琚忠云，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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