一种高价值控制棒中子吸收体材料制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A high value neutron absorber material for control rods

【技术实现步骤摘要】
一种高价值控制棒中子吸收体材料
本专利技术涉及核材料
，尤其涉及一种高价值控制棒中子吸收体材料。
技术介绍
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,Dysprosiumtitanateasanabsorbermaterialforcontrolrods,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。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术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。本专利技术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。优选地，所述第一组分Dy合金不包含卤族元素和易与不锈钢反应生成金属间化合物的元素，Dy元素的质量百分比不低于90％。优选地，所述第二组分Al合金不包含卤族元素和易与不锈钢反应生成金属间化合物的元素，Al元素的质量百分比不低于90％。优选地，所述第一组分Dy基化合物中除Dy外，还可包含Gd、Tb、Tm、Sm、Eu、Cd、Ir、Lu、In、Nd等中的一种或几种。Dy元素的质量百分比在80-95％之间。优选地，所述第二组分Al基化合物中除Al外，还可包含Ga、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Si、Ge、Sb、Te等中的一种或几种，Al元素的质量百分比在45-60％之间。本专利技术具有以下有益效果；1、核物理综合性能提升，本专利技术吸收体材料的初始反应性价值高于Ag-In-Cd合金棒、Hf棒和Dy2TiO5芯块，可与B4C相比拟。同时反应性价值随组件燃耗的变化与Ag-In-Cd合金棒、Hf棒和Dy2TiO5芯块相当，显著慢于B4C，增加了设计灵活性；2、使用温度限值增加，本专利技术吸收体材料具有稳定的正交钙钛矿结构，相比于B4C芯块(649℃)和Ag-In-Cd合金棒(800℃)，具有更高的使用温度限值(熔点高于1500℃，且室温到熔化过程无相变)，提升了堆芯安全性。说明书附图图1为相同规格Ag-In-Cd合金棒和Dy2O3-Al2O3芯块反应性价值与组件燃耗的变化曲线；图2为相同规格Ag-In-Cd合金棒和(Dy2O3-Sm2O3)-Al2O3芯块反应性价值与组件燃耗的变化曲线；图3为相同规格Ag-In-Cd合金棒和Dy2O3-(Al2O3-HfO2)芯块反应性价值与组件燃耗的变化曲线；图4为相同规格70％致密度的B4C芯块和Dy2O3-Al2O3芯块反应性价值与组件燃耗的变化曲线。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步解说。实施例一本专利技术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，其中第一组分具有良好的中子吸收能力，第二组分与第一组分通过形成稳定化合物的方式提升第一组分稳定性。中子吸收体材料的初始反应性价值不低于银-铟-镉(Ag-In-Cd)合金棒，反应性价值随燃料燃耗变化率不快于Ag-In-Cd合金棒。具体的，第一组分为Dy2O3，第二组分为Al2O3时，即第一组分与第二组分形成正交钙钛旷结构DyAlO3时，根据图1所示的核物理评估结果可知DyAlO3芯块的初始反应性价值高于相同规格的Ag-In-Cd合金棒17％左右，且反应性价值随组件燃耗的降低速率与Ag-In-Cd合金棒相近。实施例二本专利技术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，其中第一组分具有良好的中子吸收能力，第二组分与第一组分通过形成稳定化合物的方式提升第一组分稳定性。中子吸收体材料的初始反应性价值不低于银-铟-镉(Ag-In-Cd)合金棒，反应性价值随燃料燃耗变化率不快于Ag-In-Cd合金棒。具体的，第一组分为Dy2O3和Sm2O3(物质的量比为9:1)，第二组分为Al2O3时，即第一组分与第二组分形成正交钙钛旷结构Dy0.9Sm0.1AlO3时，根据图2所示的核物理评估结果可知Dy0.9Sm0.1AlO3芯块的初始反应性价值高于相同规格的Ag-In-Cd合金棒18％左右，且反应性价值随组件燃耗的降低速率与Ag-In-Cd合金棒相近。实施例三本专利技术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，其中第一组分具有良好的中子吸收能力，第二组分与第一组分通过形成稳定化合物的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高价值控制棒中子吸收体材料，其特征在于，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种高价值控制棒中子吸收体材料，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的一种高价值控制棒中子吸收体材料，其特征在于，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的混合物。


3.根据权利要求2所述的一种高价值控制棒中子吸收体材料，其特征在于，所述第一组分Dy合金不包含卤族元素和易与不锈钢反应生成金属间化合...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈向阳，卢俊强，张兆泉，刘婵云，陈军，程熙月，范武刚，李聪，
申请(专利权)人：上海核工程研究设计院有限公司，中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31