先进灰棒控制组件制造技术

一种用于核反应堆的先进灰棒控制组件（ＧＲＣＡ）。该ＧＲＣＡ使得灰棒组件可控制地插入核反应堆，由此控制该反应堆产生的功率比率且在全功率下提供反应性控制。每个灰棒组件包括细长管状元件、设置在管状元件中的主中子吸收剂，所述中子吸收剂包括吸收材料，优选地为钨，该吸收材料具有１０至３０靶恩的２２００ｍ／ｓ中子吸收微观捕获横截面。内支承管可设置在主吸收剂和管状元件之间，作为辅助吸收剂以改善中子吸收、吸收剂损耗、组件重量和组件热传递特性。

【技术实现步骤摘要】

核电站反应堆产生的功率一般通过提升或降低反应堆堆芯 中的控制棒组件来控制，并且为了适应发电厂电力输出的需求变化所 必需的反应堆功率输出的改变通常称为负载跟随。例如在美国专利 NO.4，079，236中所述的，负栽跟随存在许多操作问题。例如，在压水 反应堆中(PWR)的负载跟随过程中，必须控制反应性，且必须解决 响应于功率水平变化的堆芯中轴向功率分配的变化。现代反应堆堆芯的燃料组件典型使用两种类型的棒控制组 件来控制反应性，即棒束控制组件(RCCA )和灰棒控制组件(GRCA )。 两者都由在其顶端处紧固到共用的毂盘或多脚架组件上的多个中子吸 收棒组成。棒体一般包括不锈钢管，该不锈钢管封装中子吸收材料， 例如银-铟-镉吸收材料，且棒通过控制驱动机构在燃料组件的管状 导向套管中滑动，该控制驱动机构位于多脚架组件顶部附近且用于控 制棒在导向套管中的运动。这样，棒的受控插入和抽出大体控制反应 堆产生的功率量。此外，如下所述在全功率运行过程中使用GRCA。降低当量的灰棒典型地具有明显低于用于关闭反应堆或提供总反应性控制能力的标准(或黑)RCCA控制棒的反应性当量。灰 控制棒的目标反应性当量可以根据设备的要求和预定操纵策略而变 化。另外，如果灰控制棒和黑控制棒与反应堆中其他元件的交界面相 同，灰控制棒的重量应该与用于同一核电站中的黑控制棒相似。灰控 制棒的反应性当量和重量可以由棒的所选材料和最终结构决定。典型 地，使用单一吸收材料不能满足重量和反应性当量要求两者。这样， 存在用于改进核反应堆的GRCA设计的余地。
技术实现思路
本专利技术满足这些和其他需求，本专利技术涉及先进灰棒控制组 件(GRCA)设计，该设计提供改进的中子吸收材料、改进的灰棒组 件和灰棒组件的分布，其适应负载跟踪操作且适于克服传统上与其相 关的已知不利条件。图3是用于对比使用Ag-In-Cd合金作为吸收剂的GRCA 设计中各种中子吸收剂材料损耗率的曲线图；0017图4是用于比较按照本专利技术的鴒吸收剂GRCA的相对反应 性当量和Ag-In-Cd吸收剂GRCA i殳计的相对反应性当量的曲线图；图5是按照本专利技术的先进灰棒组件的局部剖视图；此外，在现有AP1000设计中，吸收材料包括由大约80% 的银、大约15%的铟和大约5%的镉组成的Ag-In-Cd合金吸收剂， 该吸收材料将吸收进入吸收剂区域的全部热和超热能量中子中的大部 分。该中子吸收剂是本领域中已知的黑吸收剂。该吸收材料由已 知的标准等强度棒束控制組件(RCCA)构成，该控制组件中的全部24个棒是Ag-In-Cd。如所述的和将参考图3描述的，铟和镉被公知 的快速损耗。在功率运行过程中，RCCA在堆芯中的时间很少。因此， 这种损耗不是问题。但是对于AP1000的机械补偿(MSHIM)操作， 例如，预期GRCA在堆芯中停留多达操作循环的一半时间。在这些操 作条件下，由于快速吸收剂损耗，现有的GRCA设计需要在大约每5 至10年更换。如这里详细叙述的，在其他优点之中，本专利技术的先进 GRCA设计解决了这种快速损耗的缺点，且也基本避免了当具有四个 RCCA棒的传统GRCA从堆芯中抽出时经历不期望的局部功率峰值。特别地，图4示出对比包含本专利技术示例性吸收剂材料110 的GRCA相对棒当量和包括现有Ag-In-Cd吸收剂112的相同初始当 量的GRCA的曲线图。图4中绘制的两个设计包括在全部GRCA小 棒中均匀分布的吸收剂以将功率分配影响最小化。类似图3的曲线图，棒当量的变化通过相对当量对吸收剂110、 112以年为单位的寿命来绘 制。期望GRCA中使用的吸收剂110在长期暴露在中子辐射下时具有 緩慢的变化或基本平坦的损耗当量曲线。该操作对于GRCA是典型 的，这与标准黑RCCA不同，所述标准黑RCCA在功率操作过程中 通常不在堆芯中操作且因此不经历这么多的中子辐射。特别地，本发 明用吸收剂110替换现有Ag-In-Cd吸收剂112，该吸收剂110包括具 有10至30耙恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面的吸收材料。还 可以在选择用于GRCA的示例性吸收材料时考虑超热和快速中子能 量范围中的相对吸收能力以及所产生的损耗产物的吸收横截面特性。 吸收材料110能以柱形几何形状设置在GRCA小棒中。另外，吸收剂 110可以是轴向分段的，或者该吸收剂可以是覆盖圆筒整个轴向长度 的实心片。适当的吸收剂材料的非限定示例能包括但不限于接近或完 全是理论密度的基本纯的钨；减小密度或多孔钨金属；鸽基合金，例 如鴒-铼和鴒-镍-铁；鴒基化合物，例如碳化鴒；基本纯的钪、镱和锰；钪基、镱基和锰基合金；以及钪基、镱基和锰基化合物。如这 里所用的，术语基本纯和纯可互换地用于几乎完全由元素(例 如，鴒、钪、镱或锰)组成的吸收剂，其中存在于吸收剂中的任何杂 质的量相当低以致于一般可以忽略不计。用于示例性吸收剂110的图 4中所示的相对棒当量行为的图用于使用纯鴒作为主中子吸收剂的 GRCA。在本专利技术的一个实施例中，其中吸收材料包括接近或完 全理论密度的基本纯的钨；钨基合金，例如钨-铼和钨-镍-铁；钨 基化合物，例如碳化鴒；基本纯的钪、镱和锰；钪基、镱基和锰基合 金；以及钪基、镱基和锰基化合物，该吸收剂110具有16.5至19.4g/cm3 的材料密度。在用于AP1000应用的中子吸收剂的一实施例中，使用 具有大约19.3g/cmS材料密度的吸收剂材料，例如基本纯的鴒。另夕卜， 对于AP1000的应用，使用具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微 观捕获横截面的材料。在灰棒应用中使用鴒基吸收剂能产生至少一个以下好处A) 鴒的相对低捕获横截面能导致相对其他黑吸收剂(例如 Ag-In-Cd、硼、铪)的緩慢的吸收剂损耗；B) 钨的长期中子辐射趋于产生钨-铼合金，该钨-铼合金 可以具有接近于与初始材料相同的中子捕获横截面，这 导致随时间相对平坦的损耗当量曲线；C) 该平坦损耗当量曲线允许将灰棒设计优化为没有过量 设计灰棒当量以补偿吸收剂损耗影响的目标灰棒当量， 该损耗影响可以高达黑吸收材料的20 %或更多；D) 由于燃料棒中更低的功率增量，被最优化到目标棒当 量且未过量设计20%或更多的灰棒设计将具有更少的在 反应堆中引起与芯块包壳相互作用相关的燃料失效的风 险，且最终能导致反应堆冷却剂中更少的放射能；E) 鵠的高材料密度能允许更高重量灰棒设计，该灰棒设计 可能更少地经历不完全棒插入情形；和F) 钨的非常高熔化温度能导致更好的事故存活能力并减少 由于考虑热导致的设计约束。用于本专利技术中的内支承管能包括具有现有核工业经验的结 构材料，该结构材料已知在暴露于反应堆冷却剂时不会产生不利结果。 该支承管材料可以是在预料操作条件下具有良好机械强度和导热性特 征的金属。允许的工作温度应该是足够高的从而在吸收材料周围的环 境中支持延续的完整性。在选择材料以优化总中子吸收能力和获得灰 棒组件的目标重量的实施例中，具有2至6靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面和7至9g/cm3的密度的材料也是期望的。内支承管可 以在两端部被盖住以在外包壳开裂的情况下提供对主中子吸收剂的隔 离。用作内支承管的合适材料包括以下A) 镍基合金，包括但不限于合金718 (UN本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于核反应堆棒控制组件的灰棒，所述灰棒包括：　细长管状元件，所述细长管状元件具有第一端、第二端、外径和长度；　中子吸收剂，所述中子吸收剂在所述细长管状元件中大致朝向所述细长管状元件的第一端设置，所述中子吸收剂包括具有１０至３ ０靶恩的２２００ｍ／ｓ中子吸收微观捕获横截面的吸收材料。

【技术特征摘要】
US 2008-2-8 12/028,119及其任何和全部等同方案的全 部范围给出。权利要求1. 一种用于核反应堆棒控制组件的灰棒，所述灰棒包括细长管状元件，所述细长管状元件具有第一端、第二端、外径和长度；中子吸收剂，所述中子吸收剂在所述细长管状元件中大致朝向所述细长管状元件的第一端设置，所述中子吸收剂包括具有10至30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面的吸收材料。2. 如权利要求l的灰棒，其中所述吸收材料从由以下成分组成的 组中选择接近或完全理论密度的基本纯鴒；减小密度或多孔鴒金属； 钨基合金，例如钨-铼和鴒-镍-铁；鴒基化合物，例如碳化鴒；基 本纯的钪、镱和锰；钪基、镱基和锰基合金；以及钪基、镱基和锰基 化合物。3. 如权利要求l的灰棒，其中所述吸收材料构造为柱形几何形状。4. 如权利要求1的灰棒，其中所述中子吸收剂具有16.5至19.4 g/cm3的材料密度。5. 如权利要求l的灰棒，其中所述中子吸收剂是基本纯的钨。6. 如权利要求l的灰棒，其中所述中子吸收剂在长期暴露于中子 辐射下时具有基本平坦的损耗当量曲线。7. 如权利要求1的灰棒，其中所述中子吸收剂具有0.15至0.40 英寸的外径，且所述细长管状元件具有0.37至0.45英寸的外径。8. 如权利要求l的灰棒，还包括支承管，所述支承管构造成围绕 所述细长管状元件中的所述中子吸收剂。9. 如权利要求8的灰棒，其中所述支承管包括从由锆和锆基合金、 铝和铝基合金、镍基合金和不锈钢组成的组中选择的材料。10. 如权利要求9的灰棒，其中选择所述支承管的材料以提高中 子吸收剂的中子吸收。11. 如权利要求10的灰棒，其中所述支承管的材料具有比中子吸 收剂低的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。12. 如权利要求10的灰棒，其中所述支承管的材料具有2至6靶 恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。13. 如权利要求10的灰棒，其中所述支承管的材料具有7至9 g/cm3的密度。14. 如权利要求10的灰棒，其中所述支承管的材料从镍基金属合 金和不锈钢组成的组中选择。15. 如权利要求8的灰棒，其中所述中子吸收剂具有0.10至0.38 英寸的外径，所述细长管状元件具有0.37至0.45英寸的外径，且所述 支承管具有0.01至0.10英寸的壁厚。16. 如权利要求8的灰棒，其中所述中子吸收剂基本同心地设置 在所述细长管状元件中，且所述支承管具有基本由所述中子吸收剂的 外径和所述细长管状元件的内径之间的间隔限定的壁厚。17. —种用于核反应堆的先进灰棒控制组件，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：KJ德鲁迪，WR卡尔森，ME康纳，M戈登菲尔德，MJ霍恩，小CJ朗，J帕金森，RO波默莱亚努，
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]