一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒制造技术

本发明专利技术公开了属于核电站安全与机械设备技术领域的一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒。该纳米材料控制棒由纳米碳化硼和控制棒包层组成，控制棒包层内填充纳米碳化硼。在超临界水堆内采用纳米材料控制棒技术，具有较高中子吸收能力，中子俘获截面高，吸收能谱宽，不会形成二次辐射污染。抗辐射能力强，在超临界温度较高条件下不易发生控制棒肿胀，并能在事故条件下顺利插入堆芯，平稳停堆，降低事故危害。以达到控制超临界水堆的功率，保障超临界水堆安全之目的。事故时将纳米材料控制棒插入超临界水堆堆芯水棒的控制棒导向管中，用于超临界水堆事故停堆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于核电站安全与机械设备
，特别涉及一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒。
技术介绍
碳化硼是具有熔点高、强度大、比重较轻、质地坚硬的材料，化学稳定性好，不受酸和碱侵蚀。由于硼元素中Bltl同位素具有很大的热中子吸收截面，而且碳化硼与不锈钢等材料有很好的相容性，所以在原子能工业中，作为中子吸收材料，制成反应堆的控制棒和可燃毒物，用以调节和控制反应堆的运行以及关停反应堆。由于碳化硼有各种优良性能，并且是相对廉价的材料，所以在各类型的反应堆中， 均有广泛应用，用其制作控制棒吸收材料。目前运行的反应堆中，约有50%使用了碳化硼作控制和屏蔽材料，堆型涵盖压水堆、沸水堆、重水堆、高温气冷堆等。根据各种堆型的性能和要求，碳化硼的使用情况如下1.在压水堆中，初期，采用银铟镉合金作中子吸收材料，外包不锈钢壳，制成控制棒。近期，也多采用碳化硼压块作吸收材料装入不锈钢壳中组成束状控制棒使用。2.在沸水堆中，采用碳化硼粉作为控制棒的吸收体。用振动填充法将碳化硼粉装入不锈钢管中，再旋锻使其密度达到70%理论密度。由这些管组成十字形控制棒。3.重水堆控制反应性与压水堆类似，也是通过控制棒和化学补偿剂进行控制的。 其控制棒是把碳化硼粉装入不锈钢管中并由其组成圆圈状的组件。4.高温气冷堆，由于工作温度高，对材料抗辐照性能有更高的要求。为提高碳化硼的抗辐照能力，常采用碳化硼与碳结合起来，制成圆柱体形状的中子吸收体，装入不锈钢壳中，制成控制棒使用。在中子辐射下，碳化硼与硼一样有Β(η，α)反应，生成He和Li，这个反应没有放射性物质产生。在温度较低时，He就释放出来，增加控制棒包壳的内压力。l.He气的释放。辐照情况下，He从碳化硼中释放的行为与辐照燃耗与温度都有关。但辐照温度影响更大。在约450°C以下的较低温度下，大部分He气保持在晶体中，释放率很低。如果温度高于此值，则释放率随温度升高而增大。在500°C以上温度时，释放率急剧增大，在750°C以上又开始下降。燃耗在2%以下时，对He气的释放率几乎没有影响，而燃耗更高时，释放率自然就增大。2.辐照肿胀。温度在400°C以下时，生成的He气大部分保持在晶体内部，由于晶胞体积的增加使烧结块体积也增加，但增加的速度不大。接近500°C时，因He气形成气孔，一旦气孔开始增大，由于内压的作用辐照肿胀也急剧增大。3.辐照后热导系数下降。热导系数随辐照燃耗增加而降低。超临界水堆的工作介质水是在超过水的热工临界点的温度压力下(374°C， 22. IMPa)状态下工作。超临界水堆的堆芯压力为25MPa，进口温度为280°C，出口温度为 500°C。其入口密度约为760kg/m3，出口密度仅约为90kg/m3。而超临界水堆采用的控制棒综合了压水堆、沸水堆、高温气冷堆等许多问题。超临界水堆控制棒工作于超临界条件下。 这样对超临界控制棒的材料结构要求就较高，必须要能承受以上恶劣的堆内条件。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对新发展的超临界轻水堆，提出的一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒。一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒，其特征在于该纳米材料控制棒由纳米碳化硼和控制棒包层组成，控制棒包层内填充纳米碳化硼。所述控制棒包层为不锈钢包层。事故时将纳米材料控制棒插入水棒的控制棒导向管中。所述纳米材料控制棒为反应堆停堆装置。所述用于超临界水堆的纳米材料控制棒，是一种利用纳米碳化硼作为填充材料， 不锈钢作为包层封装，在事故时插入水棒内的控制棒导向管用于事故停堆装置。外部方形部件为水棒壁，内部为控制棒导向管，用于控制棒的插入。控制棒导向管内即为控制棒，控制棒由外部控制棒不锈钢包层和内部纳米碳化硼组成。纳米碳化硼装在控制棒不锈钢包层内，主要作用是吸收中子。在纳米碳化硼与控制棒导向管之间是不锈钢包层，用于将纳米碳化硼包裹起来，抵抗水棒内慢化剂水的高温高压条件，慢化剂水介于包层和水棒壁之间，起中子慢化的作用。所述纳米碳化硼为旋锻密度达到理论密度70%的纳米材料碳化硼，用振动填充法将纳米碳化硼芯块封装在不锈钢包层中，制作成棒束型控制棒。所述纳米碳化硼粒径小、分布均勻，比表面积大、高表面活性，松装密度低，是一种人工合成的超硬质材料，硬度仅次于金刚石，莫氏硬度9. 46，显微硬度5600 6200Kg/mm2， 比重2. 52g/cm3，熔点2250°C，与酸、碱溶液不起反应，中子吸收比碳化硼高，且高温下不易发生肿胀。是对酸最稳定的物质之一，在所有浓或稀的酸或碱水溶液中都稳定。具有稳定的物理和化学性能。所述控制棒包层采用304不锈钢。304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，耐高温方面也比较好，能耐1000 1200°C的高温。304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。所述超临界纳米材料控制棒事故条件时插入水棒的控制棒导向管内，水棒内的条件是25MPa，357 °C的慢化剂水。所述超临界纳米材料控制棒安装在控制棒驱动机构上。本专利技术公开了属于超临界水堆核电站安全设备与
的一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒。由于超临界水堆复杂的堆内热力条件，导致控制棒的选用要适应相应的要求。可采用一种利用纳米碳化硼做内装料的控制棒，超临界纳米材料控制棒具有高中子吸收能力，中子俘获截面高，吸收能谱宽，不会形成二次辐射污染。同其他中子吸收材料相比还具有吸收中子而不放出有害人体的Y射线，并且在较宽中子能量范围均能有效吸收中子。对冷却剂和慢化剂的抗腐蚀性较好，质地硬。熔点高(2350°C)，强度大(抗压强度200MPa)，导热好，抗内应力、抗热振、抗温差变化的能力强，即稳定性好。同时可通过对材料微观结构的优化设计，降低材料肿胀率。利用超临界纳米材料控制棒实现对超临界水堆核电站反应堆事故停堆。其能适应高温高压以及高辐射的恶劣环境，在发生严重事故时， 执行和完成安全保障功能。根据超临界水堆的性能和要求，专利技术应用于超临界水堆的控制棒。事故时插入超临界水堆堆芯水棒的控制棒导向管中，用于超临界水堆事故停堆。水棒内为压力为25MPa， 温度为357°C复杂的热力条件。在超临界水堆内采用纳米材料控制棒技术，具有较高中子吸收能力，中子俘获截面高，吸收能谱宽，不会形成二次辐射污染。抗辐射能力强，在超临界温度较高条件下不易发生控制棒肿胀，并能在事故条件下顺利插入堆芯，平稳停堆，降低事故危害。以达到控制超临界水堆的功率，保障超临界水堆安全之目的。附图说明图1超临界纳米材料控制棒及水棒截面图。 图2超临界水堆控制棒组件结构图。1-水棒壁；2-控制棒导向管；3-控制棒包层；4-水棒；5-纳米碳化硼；6_控制棒； 7-星形架。控制棒包层3和纳米碳化硼5组成控制棒6。具体实施方式下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。本专利技术是针对超临界水堆而设计的一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒。所述用于超临界水堆的纳米材料控制棒是利用纳米碳化硼的优良性能，且适用于超临界条件的一种反应堆停堆装置。下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，用于超临界水堆的纳米材料控制棒事故时要插入水棒4内的控制棒导向管2中用于停堆，水棒4内为25MI^的慢化剂水，温度约为357°C，用于慢化中子。控制棒导向管2内为用于超临界水堆的纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒，其特征在于：该纳米材料控制棒（６）由纳米碳化硼（５）和控制棒包层（３）组成，控制棒包层（３）内填充纳米碳化硼（５）。

【技术特征摘要】
的保护范围为准。权利要求1.一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒，其特征在于该纳米材料控制棒(6)由纳米碳化硼( 和控制棒包层( 组成，控制棒包层(3)内填充纳米碳化硼(5)。2.根据权利要求1所述的纳米材料控制棒，其特征在于纳米碳化硼(5)封装在控制棒包层(3)中。3.根据权利要求1所述的纳米材料控制棒，其特征在于所述控制棒包层(3)为不锈钢包层。4.根据权利要求3所述的纳米材料控制棒，其特征在于所述控制棒包层(3)采用304 不锈钢。5.根据权利要求1所述的纳米材料控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：周涛，王晗丁，罗峰，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：11