【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
概括地说，本专利技术涉及核反应堆。更具体地说，涉及一种灰棒控制组件(GRCAs)的改进设计。
技术介绍
核电站的反应堆所产生的功率通常由提升或降低反应堆堆芯内的控制棒组件而控制，为适应电站电力输出需求的变化所需要的反应堆功率输出的变化通常称作负荷跟踪。例如，在美国专利No. 4079236中所描述的，负荷跟踪带来很多操作上的问题。如在负荷跟踪期间的压水堆(PWR)中，反应性必须受到控制，并且响应于功率变化的堆芯内功率的轴向分布的变化问题也必须解决。目前反应堆堆芯的燃料组件典型地使用两种类型的棒控制组件以控制反应性，即棒束控制组件(RCCAs)和灰棒控制组件(GRCAs)。这两种控制组件都由多个顶端固定于公共插孔或星形组件的中子吸收棒组成。这些棒的主体通常包括封装中子吸收材料的不锈钢管，中子吸收材料例如是银-铟-镉吸收体材料，并且这些棒在燃料组件的管状导向套管中滑动，该燃料组件在星形组件的顶部附近具有控制驱动机构，可操纵该控制驱动机构来控制套管内棒的运动。这样，棒的受控的插入和拔出通常控制了反应堆功率产生的速度。典型地，GRCAs被用在负荷跟踪操纵中，因为它们包括价值被降低控制棒，在本领域中通常称作“灰”棒。灰棒用于提供与化学补偿相反的机械补偿(MSHIM)的反应性装置， 化学补偿需要改变反应堆冷却剂中的可溶硼的浓度。因此，灰棒的使用使对处理一回路反应堆冷却剂的日常需求最小化，并因此极大地简化了操作。更详细地说，现有的GRCA设计典型地由M个顶部固定于星形组件的小棒组成。在棒束的M根小棒中，只有四根棒是吸收体棒，封装在吸收体棒中的中子吸收材料典型地由约85...
【技术保护点】
一种用于核反应堆的棒控制组件的灰棒组件，所述核反应堆包括多个燃料组件，每个燃料组件都具有多根细长的核燃料棒和多个导向套管，这些核燃料棒由多个基本横向的支撑格架支撑在有序阵列中，所述多个导向套管穿过所述支撑格架并沿所述燃料棒设置，所述棒控制组件包括具有多个径向延伸的锚爪的星形组件，并构造成在其中一个所述导向套管中移动每一个灰棒组件，从而控制所述核反应堆产生功率的速度，所述灰棒组件包括： 具有第一端、第二端、外径和长度的细长的管状元件； 与所述细长的管状元件的第一端耦联的第一端塞，其构造成使所述细长的管状元件易于插入所述燃料组件的其中一个所述导向套管内； 与所述细长的管状元件的第二端耦联的第二端塞，其构造成耦联到所述棒控制组件的所述星形组件的其中一个所述径向延伸的锚爪上； 在通常朝向所述细长的管状元件的第一端并放置在其中的中子吸收体，所述中子吸收体的直径基本上小于所述细长的管状元件的直径，且所述中子吸收体的长度短于细长的管状元件的长度，从而当所述管状元件插入所述套管时使所述中子吸收体暴露在辐射中的表面积最小；和 支撑管，其构造成在所述细长的管状元件中包围所述中...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-7-26 11/189,472进行限定，有明确说明的除外。[0025]如在此使用的，两个或多个部件“耦联”到一起的陈述指的是这些部件直接连接或通过一个或多个中间部件连接到一起。如在此使用的，术语“数字”指的是一个和多于一个(也就是多个)。燃料组件参照附图并特别参照图1，示出了核反应堆燃料组件的前视图，以竖向截断的形式表示并且整体上用参考数字10表示。燃料组件10是用在压水堆(PWR)中的类型，其具有一个结构骨架，该结构骨架包括位于其下端的支撑燃料组件10的底部接管座12，该底部接管座12用于将燃料组件10支撑在核反应堆(未图示)堆芯区域的下堆芯支撑板14上；位于其上端的顶部接管座16 ；和多个在两个相对端之间纵向延伸的导向管或套管18，所述导向管或套管18在两个相对端刚性地连接到底部接管座12和顶部接管座16上。燃料组件10进一步包括多个横向格架20，所述横向格架20沿导向套管18的轴向间隔分布并安装到导向套管18上，同时细长的燃料棒22的有序阵列横向间隔分布并由格架20支撑。组件10还具有设置在其中心的仪表管M，该仪表管M在底部接管座12和顶部接管座16之间延伸并固定到底部接管座12和顶部接管座16上。鉴于前述部件的配置， 可以理解，燃料组件10形成了一种便于搬运且不会损坏组件的部件的整体结构。如前所讨论的，燃料组件10中的燃料棒22相互之间被沿燃料组件长度方向间隔分布的格架20相互隔开。每根燃料棒22都包括核燃料芯块沈并在其相对的端部由上端塞观和下端塞30封闭。芯块沈由设置在上端塞观和芯块堆叠顶部之间的压力弹簧32保持成堆叠状。燃料芯块26由裂变材料组成，用于产生反应堆的反应功率。液体慢化剂/冷却剂如水或含硼水通过多个位于下堆芯支撑板14上的流动开口向上泵送到燃料组件。燃料组件10的底部接管座12使冷却剂穿过导向管18并沿着组件的燃料棒22向上传送，以便提取其中产生的热量，产生有用功。为控制裂变过程，多根控制棒34在位于燃料组件10 的预定位置的导向套管18中往复移动。位于顶部接管座16上的星形组件39支撑所述控制棒34。图2A和2B示出了从图1所示燃料组件10中取出后的控制棒组件36。一般来说， 控制组件36具有内部带螺纹的柱状元件37，该柱状元件37具有多个径向延伸的锚爪或臂 38，这些锚爪或臂38组成星形组件39，如图2B最佳所示。如前所讨论的，每个臂38都连接到控制棒34，这样就可以操作控制棒组件36在导向套管18 (图1)内竖直移动控制棒34，从而控制燃料组件10(图1)的裂变过程，所有这些都是以已知的方式进行。除包括具有改进的灰棒组件34的改进的灰控制棒组件(GRCA) 36的示例性控制棒组件(即将讨论)之外， 所有前述内容都是旧的且通常在本领域是公知的。改进的GRCA继续参照图2A和2B，现在将讨论一般的控制棒构造。如前所述，为利用低价值棒或灰棒所提供的MSHIM能力，已知的控制棒组件，如用于西屋电气公司LLC AP1000反应堆的现有控制组件使用GRCAs。然而，尽管用于现有AP1000反应堆的GRCA设计有M根棒，这 24根棒构造成如图2B所示的结构，如上文中提到的，但这M根棒中有20根是不锈钢(如 SS-304，但不限于此)水置换棒，只有4根是中子吸收体棒。因此，几乎所有的中子吸收体材料局限于并隔离在GRCA的所述四根棒位中。此外，在现有的AP1000设计中，吸收体材料包括银-铟-镉吸收体，其由约85%的银、约10%的铟和约5%的镉组成。这种吸收体材料由已知的标准满强度的棒束控制组件(RCCAs)组成，其中所有对根棒都是银-铟-镉。如前所述，并如在此参照图3将要讨论的，已知铟和镉都很快耗尽。在功率运行期间，RCCAs只在堆芯中停留很短时间，因此，这种耗尽不是问题。然而，对于AP1000的机械补偿(MSHIM)操作，例如，GRCAs需要在堆芯中停留长达半个操作循环。在这些操作条件下，由于吸收体的迅速耗尽，现有的GRCA设计约每五年将需要更换一次。如将在此详细讨论的，在具有其他优点的同时，本发明改进的GRCA 设计克服了这个迅速耗尽的缺点，同时也基本避免了不希望的局部功率峰值，当具有四根 RCCA棒的传统的GRCA从堆芯中拔出时会出现该局部功率峰值。参照图3将会进一步理解前述的吸收体耗尽问题。图3示出了两种不同的银同位素、两种不同的铟同位素和镉的耗尽速度的图表。更详细地说，银_107(Ag-107)、 银-109(Ag-109)、铟-113αη-113)、铟-115(In-115)和镉(Cd)的耗尽曲线被绘在一起用于比较，分别由线100、102、104、106和108表示。如图所示，由线100、102表示的两种银同位素具有较低的线性耗尽速度，而分别由线106和108表示的铟-115和镉具有快速的非线性耗尽速度。具体来说，分别由线106和108表示的铟-115和镉的快速耗尽导致了在仅仅操作五年后就损失了约20%的吸收能力。如上文所述，这种不希望有的情况导致了负荷跟踪期间GRCAs控制反应堆的能力的下降，并会最终导致频繁的GRCA更换。本发明通过使用改进的灰棒组件设计克服了这些缺点，与其他改进一道，所述改进的灰棒组件采用不同的中子吸收体材料，其与现有的银-铟-镉吸收体相比具有改善的耗尽速度。详细来说，图4示出了本发明的示例性吸收体材料110与现有的银-铟-镉吸收体 112的耗尽速度相比较的图表。与图3的图表类似，通过相对价值与吸收体(以年为单位) 寿命的关系曲线110、112表示耗尽情况。详细来说，本发明用包括基本纯的银吸收体110替代现有的银-铟-镉吸收体112。如在此用到的，术语“基本纯的银”和“纯银”可互换使用， 指的是几乎全部由银元素组成的吸收体，其中吸收体中存在的一些杂质非常少以至基本可以忽略不计。如图4所示，采用纯银大大降低了吸收体的耗尽速度，将改进的GRCA36(图 2A)的有效核寿命延长至约15到20年，或约10到13个18月循环。这不仅是对现有的银-铟-镉吸收体的前述仅约5年或3个18月循环的有效核寿命的显著改进，而且示例性的纯银吸收体110也有利地以相对平缓的基本线性方式耗尽，与银-铟-镉吸收体112的快速的指数方式耗尽相反。示例性吸收体110延长的有效寿命使得改进的GRCA36(图2A) 能够达到需要的控制棒寿命的要求。例如，它使GRCA36能够在反应堆堆芯中长时间操作， 可达约半个操作循环或更长的时间。为成功地采用本发明的示例性纯银吸收体110，还须克服多个障碍。事实上，由于银的某些特性，已知当暴露于辐射中时会产生不希望的结果，例如，高的通量和由此造成的银膨胀，采用纯银吸收体对本领域技术人员来说某种程度上有些与直觉不一样。更详细地说，如前所讨论的，因为银比镉和铟具有更高的通量(如吸收能力)，当插入堆芯并暴露于辐射中时，银就会产生最大的膨胀量，并且，也如前所述的，这种银膨胀在包壳中产生不希望的应变直到包壳最终破裂。作为后果，尤其是，这会导致对反应堆冷却剂流体的污染。因此，如将讨论的，作为本发明的改进的GRCA36的另一方面，GRCA36的灰棒组件34被重新设计，并且组件36中的示例性吸收体110的配置将修改，以便解决并克服银的前述不希望有的特性，并且同时利用其带来的优点(如改善的耗尽速度)。9[0038]图5和6示出了本发明的改进的灰棒组件34。如图5所示，灰棒组件34 —般包括第一端40，当定位在堆芯(图1)中时，该第一端40是底端；和第二端42(如图1的前视图中的顶端)。第一端或底端40具有锥形的端塞44。这种锥形的设计便于引导棒34插入燃料组件10 (图1)的导向套管18(图1)中。第二端或顶端42具有一个顶端塞46，其构造成能以已知方式(如互补的公/母螺纹紧固装置，但不限于此)接合并固定到星形组件39 (图 2A最好地示出)。细长的管状元件48在顶部和底部端塞46、44间延伸。示例性管状元件 48是由304不锈钢制成的不锈钢管48，尽管还可以用其他已知的或适合的替代材料制造该管。在此示出并讨论的例子中，管48的外径50约为0.38英寸(0.97厘米)，棒34从底端塞44的顶部至顶端塞46的底部的总长度52约为171. 84英寸(436. 49厘米)。然而，可以理解，本发明的构思对在各种反应堆中使用的具有任何适当长度和宽度的棒同样适用。吸收体材料110 (如纯银)一般放置在管48的下半部分，以使吸收体110的表面积与已知吸收体如前面讨论的银-铟-镉吸收体相比减少了。详细来说，如在图6所示的剖面图最佳示出的，示例性纯银吸收体110的直径M远小于棒管48的外径50，而现有的银-铟-镉吸收体(未图示)的直径基本等于棒管48的内径(未标出)。这种减小的吸收体直径M大大减少了吸收体110暴露的表面积。尽管吸收体的长度56(图幻可能会增加 (与现有的银-铟-镉吸收体(未图示)相比)，这确实存在，因为吸收体110直径M的显著降低优于长度56任何极小的增加，如π XdXL的表面积关系式所决定的，其中d为吸收体110的直径M，L为吸收体110的长度56。在图5的例子中，吸收体110的长度56约为 166英寸(421. 64厘米)，尽管灰棒34可以具有其他尺寸，该尺寸可以变化而不偏离本发明的范围。本发明的吸收体110减少的表面积作为克服银暴露于辐射中产生的负面效果(如银膨胀和其导致的套管破裂)的一种手段。用于例如防止银过度膨胀的第二种措施是增加保护性套筒或支撑管58，如图所示该保护性套筒或支撑管58 —般用于封装吸收体110。详细地说，支撑管58具有相对厚的壁厚60，该壁厚大于管48的壁厚。因此，支撑管58具有相关的较高的强度，能够抵抗吸收体 110向外膨胀并抵抗由此形成的包壳上的应变。相反地，示例性支撑管58对吸收体110施加向内的压力，或包含吸收体110，从而可以抵抗膨胀。示例性支撑管58由不锈钢制成，如 304不锈钢，尽管也可以采用任何其他已知的或适当的材料。考虑到前述内容，示例性吸收体110和灰棒组件34不仅通过增加示例性支撑管58的强度提供了机械方面的优点，而且通过使吸收体表面积最小化及由此使暴露于辐射的银的量最小化提供了额外的核方面的优点，这就使得特定的功率水平下所产生热量减少。这反过来又会抑制体积沸腾(如将要讨论的)。因此，本发明的示例性灰棒组件34通过使用基本纯的银吸收体110延长了核寿命。除了前述的在高局部功率密度的情况下克服体积沸腾和抵抗吸收体膨胀及其导致的包壳破裂之外，本发明的GRCA整体设计36还改善了...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特J费特曼，詹姆斯A斯帕罗，
申请(专利权)人：西屋电气有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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