核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)課件5-控制棒組件 哈爾濱工程大學(xué)

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1、控制棒組件控制棒組件 l控制棒組件的概貌控制棒組件的概貌：棒束控制棒組件包括一組：棒束控制棒組件包括一組24根根吸收棒和用作吸收棒支承結(jié)構(gòu)的星形架；星形架與吸收棒和用作吸收棒支承結(jié)構(gòu)的星形架；星形架與安置在反應(yīng)堆容器封頭上的控制棒驅(qū)動機構(gòu)的傳動安置在反應(yīng)堆容器封頭上的控制棒驅(qū)動機構(gòu)的傳動軸相嚙合。每一棒束控制棒組件有其本身的驅(qū)動系軸相嚙合。每一棒束控制棒組件有其本身的驅(qū)動系統(tǒng)，可單獨動作或若干控制棒組件編組動作。在緊統(tǒng)，可單獨動作或若干控制棒組件編組動作。在緊急停堆時，每一棒束控制棒組件靠重力快速插入堆急停堆時，每一棒束控制棒組件靠重力快速插入堆芯，以防止發(fā)生對電廠有害的運行工況。芯，以防止發(fā)

2、生對電廠有害的運行工況。l要求：棒束控制棒組件的數(shù)目能保證在緊急停堆時，要求：棒束控制棒組件的數(shù)目能保證在緊急停堆時，如果有一個反應(yīng)性當(dāng)量最高的組件不能動作亦能安如果有一個反應(yīng)性當(dāng)量最高的組件不能動作亦能安全停堆全停堆(卡棒準(zhǔn)則卡棒準(zhǔn)則)，而在電站運行時能按適當(dāng)?shù)墓?，而在電站運行時能按適當(dāng)?shù)墓β史植伎刂贫压β?，設(shè)計能保證在棒束控制棒組件率分布控制堆功率，設(shè)計能保證在棒束控制棒組件或其驅(qū)動機構(gòu)的任何零部件發(fā)生故障時，都能防止或其驅(qū)動機構(gòu)的任何零部件發(fā)生故障時，都能防止組件由堆芯彈出。棒束控制棒組件的設(shè)計壽命為組件由堆芯彈出。棒束控制棒組件的設(shè)計壽命為15年，壽命只受燃耗的限制而不受機械性能劣化的

3、限年，壽命只受燃耗的限制而不受機械性能劣化的限制。制。 v星形架星形架l 星形架由中心轂環(huán)，翼片和下部呈圓筒形的指狀物星形架由中心轂環(huán)，翼片和下部呈圓筒形的指狀物等組成，它們之間用釬焊相連接。轂環(huán)上端加工有等組成，它們之間用釬焊相連接。轂環(huán)上端加工有多道凹槽，以便與傳動軸相嚙合并供吊裝用。與轂多道凹槽，以便與傳動軸相嚙合并供吊裝用。與轂環(huán)底端成整體的圓筒中設(shè)置有彈簧組件，以便在緊環(huán)底端成整體的圓筒中設(shè)置有彈簧組件，以便在緊急停堆時，當(dāng)棒束控制棒組件與燃料組件上管座的急停堆時，當(dāng)棒束控制棒組件與燃料組件上管座的連接板相撞擊時吸收沖擊能量。連接板相撞擊時吸收沖擊能量。l固定彈簧用的螺柱及彈簧托環(huán)與

4、轂環(huán)之間用螺紋連固定彈簧用的螺柱及彈簧托環(huán)與轂環(huán)之間用螺紋連接，接，然后施焊然后施焊，以保證運行時無故障，除彈簧，以保證運行時無故障，除彈簧(因科因科鎳鎳718)及其支承環(huán)及其支承環(huán)(A1S1630不銹鋼不銹鋼)以外，星形架以外，星形架的所有部件均用的所有部件均用304型不銹鋼制造。型不銹鋼制造。v吸收劑棒固定在星形架吸收劑棒固定在星形架的指狀物上，的指狀物上，棒與指狀棒與指狀物之間先用螺紋連接，物之間先用螺紋連接，然后用銷釘保持接點緊然后用銷釘保持接點緊固，最后將銷釘焊接固固，最后將銷釘焊接固定定，以保證無故障運行。，以保證無故障運行。銷釘位置以下的吸收劑銷釘位置以下的吸收劑棒端塞直徑減小，

5、以增棒端塞直徑減小，以增加棒的柔性，以便將組加棒的柔性，以便將組裝時以及運行中與傳動裝時以及運行中與傳動軸線之間的不對中效應(yīng)軸線之間的不對中效應(yīng)減至最小程度。減至最小程度。 v控制棒控制棒l大亞灣核電站采用兩種類型的控制棒，即吸收劑棒大亞灣核電站采用兩種類型的控制棒，即吸收劑棒(黑棒黑棒)和不銹鋼棒和不銹鋼棒(灰棒灰棒)。除了材料不同之外，所有。除了材料不同之外，所有控制棒的結(jié)構(gòu)是相同的?？刂瓢舻慕Y(jié)構(gòu)是相同的。l黑棒的吸收劑材料為銀黑棒的吸收劑材料為銀-銦銦-鎘合金，重量百分比分鎘合金，重量百分比分別為別為80、15和和5。這種合金做成擠壓成形的。這種合金做成擠壓成形的芯塊，封裝在不銹鋼包殼內(nèi)

6、，兩端有鎢極惰性氣體芯塊，封裝在不銹鋼包殼內(nèi)，兩端有鎢極惰性氣體保護焊接的端塞，防止吸收劑材料與冷卻劑接觸。保護焊接的端塞，防止吸收劑材料與冷卻劑接觸?；野舻牟牧蠟椴讳P鋼，其結(jié)構(gòu)形式與黑棒相似?；野舻牟牧蠟椴讳P鋼，其結(jié)構(gòu)形式與黑棒相似。l下端塞呈子彈頭形狀，以便在棒束控制組件移動時，下端塞呈子彈頭形狀，以便在棒束控制組件移動時，吸收劑棒平穩(wěn)地導(dǎo)向進入燃料組件中的導(dǎo)向管。當(dāng)吸收劑棒平穩(wěn)地導(dǎo)向進入燃料組件中的導(dǎo)向管。當(dāng)控制棒組件完全從堆芯抽出時控制棒組件完全從堆芯抽出時(即最高位置即最高位置)，吸收，吸收劑棒的總長度能夠保證棒的下端仍保持在導(dǎo)向套管劑棒的總長度能夠保證棒的下端仍保持在導(dǎo)向套管之內(nèi)，

7、使吸收劑棒和導(dǎo)向管保持對中控制棒的上之內(nèi)，使吸收劑棒和導(dǎo)向管保持對中控制棒的上端塞具有螺紋端頭，以便與星形架的指狀物相連接，端塞具有螺紋端頭，以便與星形架的指狀物相連接，銀銀-銦銦-鎘或不銹鋼的砌塊在不銹鋼包殼內(nèi)，上端塞鎘或不銹鋼的砌塊在不銹鋼包殼內(nèi)，上端塞下面由預(yù)緊的螺圈形彈簧壓緊定位。下面由預(yù)緊的螺圈形彈簧壓緊定位。l分類分類：黑棒束黑棒束控制組件所含的控制組件所含的24根吸收劑棒都是銀根吸收劑棒都是銀-銦銦-鎘合金制的黑棒；鎘合金制的黑棒；灰棒束灰棒束控制組件只含有控制組件只含有8根銀根銀-銦銦-鎘合金制的棒，其余鎘合金制的棒，其余16根為鋼棒，因此吸收中根為鋼棒，因此吸收中子的能力較小

8、。子的能力較小。 l分組分組：根據(jù)運行要求，控制棒組件分為調(diào)節(jié)棒和安：根據(jù)運行要求，控制棒組件分為調(diào)節(jié)棒和安全棒兩組。調(diào)節(jié)棒組件主要用來調(diào)節(jié)負(fù)荷，抵消部全棒兩組。調(diào)節(jié)棒組件主要用來調(diào)節(jié)負(fù)荷，抵消部分剩余反應(yīng)性，補償運行時各種因素引起的反應(yīng)性分剩余反應(yīng)性，補償運行時各種因素引起的反應(yīng)性波動。安全棒組件在正常運行工況下提到堆芯之外，波動。安全棒組件在正常運行工況下提到堆芯之外，當(dāng)發(fā)生緊急事故時，要求在短時間當(dāng)發(fā)生緊急事故時，要求在短時間(約為約為2s)內(nèi)迅速內(nèi)迅速插入堆芯而停堆。此外，控制棒組件應(yīng)能抑制反應(yīng)插入堆芯而停堆。此外，控制棒組件應(yīng)能抑制反應(yīng)堆可能出現(xiàn)的氙振蕩。堆可能出現(xiàn)的氙振蕩。v束棒型

9、控制組件的優(yōu)點束棒型控制組件的優(yōu)點是：是：棒徑細(xì)、數(shù)量多，吸棒徑細(xì)、數(shù)量多，吸收材料均勻分布在堆芯中，使堆芯內(nèi)中子通量及功收材料均勻分布在堆芯中，使堆芯內(nèi)中子通量及功率分布更為均勻；率分布更為均勻；由于單根控制棒細(xì)而長，增大由于單根控制棒細(xì)而長，增大了撓性，在保證控制棒導(dǎo)向管對中的前提下，可相了撓性，在保證控制棒導(dǎo)向管對中的前提下，可相對放寬裝配工藝要求，而不致引起卡棒；而且由于對放寬裝配工藝要求，而不致引起卡棒；而且由于提高了單位質(zhì)量和單位體積內(nèi)控制棒材料的吸收率，提高了單位質(zhì)量和單位體積內(nèi)控制棒材料的吸收率，大大減少了控制棒的總質(zhì)量；大大減少了控制棒的總質(zhì)量；因為棒徑小，所以因為棒徑小，所

10、以控制棒提升時所留下的水隙對功率分布畸變影響?。豢刂瓢籼嵘龝r所留下的水隙對功率分布畸變影響??；不需另設(shè)擠水棒，從而簡化堆內(nèi)結(jié)構(gòu)，降低了反應(yīng)不需另設(shè)擠水棒，從而簡化堆內(nèi)結(jié)構(gòu)，降低了反應(yīng)堆壓力容器的高度。堆壓力容器的高度。堆芯相關(guān)組件堆芯相關(guān)組件 l堆芯相關(guān)組件包括堆芯相關(guān)組件包括可燃毒物棒組件、初級中子源組可燃毒物棒組件、初級中子源組件、次級中子源組件和阻力塞組件件、次級中子源組件和阻力塞組件四種，每一種組四種，每一種組件都包括：件都包括：一個壓緊組件形成的支承結(jié)構(gòu)四種堆芯相關(guān)件的一個壓緊組件形成的支承結(jié)構(gòu)四種堆芯相關(guān)件的壓緊組件結(jié)構(gòu)都是相同的，它放置在燃料組件上管壓緊組件結(jié)構(gòu)都是相同的，它放置

11、在燃料組件上管座的承接板上；座的承接板上； 24根棒束，每根棒的上端塞先用螺紋擰緊到壓緊組根棒束，每根棒的上端塞先用螺紋擰緊到壓緊組件上，然后用銷釘定位，最后將銷釘焊接固定。件上，然后用銷釘定位，最后將銷釘焊接固定。 l24根棒束中，可根棒束中，可能全部是阻力塞，能全部是阻力塞，可能是可燃毒物可能是可燃毒物棒與阻力塞的組棒與阻力塞的組合，還可能包含合，還可能包含所有四種棒，即所有四種棒，即一個組件中可包一個組件中可包括可燃毒物棒、括可燃毒物棒、初級中子源棒、初級中子源棒、次級中子源棒及次級中子源棒及阻力塞。阻力塞。 v壓緊組件壓緊組件 壓緊組件由底板、壓緊組件由底板、軛板、彈簧導(dǎo)向筒、內(nèi)軛板、

12、彈簧導(dǎo)向筒、內(nèi)外兩圈螺旋彈簧及銷釘外兩圈螺旋彈簧及銷釘?shù)冉M成，零部件全部用等組成，零部件全部用304型不銹鋼制造型不銹鋼制造 。l底板底板上留有冷卻劑流經(jīng)的通道，鉆有插固定可燃毒物上留有冷卻劑流經(jīng)的通道，鉆有插固定可燃毒物棒、中子源棒和阻力塞的螺紋孔，底板與彈簧導(dǎo)向筒棒、中子源棒和阻力塞的螺紋孔，底板與彈簧導(dǎo)向筒相焊，導(dǎo)向筒為內(nèi)外兩圈螺旋形壓緊彈簧提供橫向支相焊，導(dǎo)向筒為內(nèi)外兩圈螺旋形壓緊彈簧提供橫向支承。底板承放在燃料組件上管座的承接板上，而在這承。底板承放在燃料組件上管座的承接板上，而在這兩塊板之間留有水流通過的空間兩塊板之間留有水流通過的空間 l軛板軛板由彈簧導(dǎo)向筒的槽溝內(nèi)滑動的兩個銷釘

13、定位和導(dǎo)由彈簧導(dǎo)向筒的槽溝內(nèi)滑動的兩個銷釘定位和導(dǎo)向，軛板與彈簧導(dǎo)向筒配合并且當(dāng)上部堆芯板就位時，向，軛板與彈簧導(dǎo)向筒配合并且當(dāng)上部堆芯板就位時，通過軛板壓縮壓緊彈簧，使堆芯相關(guān)組件定位。通過軛板壓縮壓緊彈簧，使堆芯相關(guān)組件定位。l在壓緊組件的底板上與燃料組件導(dǎo)向管相應(yīng)的位置上，在壓緊組件的底板上與燃料組件導(dǎo)向管相應(yīng)的位置上，加工有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的螺紋孔，以便與堆芯相關(guān)部件，即加工有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的螺紋孔，以便與堆芯相關(guān)部件，即可燃毒物棒、初級中子源棒、次級中子源棒和阻力塞可燃毒物棒、初級中子源棒、次級中子源棒和阻力塞等頂部的螺紋相配合；緊固之后再用銷釘定位并點焊，等頂部的螺紋相配合；緊固之后再用銷釘定位

14、并點焊，并保證運行及操作過程中不會松動，而且有可能更換。并保證運行及操作過程中不會松動，而且有可能更換。 v可燃毒物組件可燃毒物組件 l功能功能：可燃毒物棒組件只：可燃毒物棒組件只用于第一燃料循環(huán)的全新用于第一燃料循環(huán)的全新堆芯，所需可燃毒物棒的堆芯，所需可燃毒物棒的數(shù)目取決于堆芯的初始總數(shù)目取決于堆芯的初始總反應(yīng)性，功能是降低溶解反應(yīng)性，功能是降低溶解在一回路冷卻劑水中的硼在一回路冷卻劑水中的硼濃度，保持慢化劑的負(fù)溫濃度，保持慢化劑的負(fù)溫度系數(shù)。度系數(shù)。v結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：可燃毒物棒為裝在：可燃毒物棒為裝在304型不銹鋼包殼管內(nèi)的型不銹鋼包殼管內(nèi)的一根硼玻璃管一根硼玻璃管(成分為成分為B2O3+Si

15、O2)，硼玻璃管在內(nèi)，硼玻璃管在內(nèi)徑全長還用薄壁徑全長還用薄壁304型不銹鋼管狀內(nèi)襯支承，內(nèi)襯型不銹鋼管狀內(nèi)襯支承，內(nèi)襯用于防止玻璃管坍塌和蠕變，而兩個內(nèi)部構(gòu)件之間用于防止玻璃管坍塌和蠕變，而兩個內(nèi)部構(gòu)件之間允許有位移，包殼管的兩端堵塞住并施密封焊。內(nèi)允許有位移，包殼管的兩端堵塞住并施密封焊。內(nèi)外包殼之間留有足夠的氣隙空間，以便容納釋放出外包殼之間留有足夠的氣隙空間，以便容納釋放出的氦氣，并限制其內(nèi)壓小于反應(yīng)堆運行壓力。的氦氣，并限制其內(nèi)壓小于反應(yīng)堆運行壓力。v數(shù)量：大亞灣核電廠的首次堆芯裝有數(shù)量：大亞灣核電廠的首次堆芯裝有48個含個含12根可根可燃毒物棒的組件和燃毒物棒的組件和18個含個含1

16、6根可燃毒物棒的組件，根可燃毒物棒的組件，加上加上2個初級中子源棒組件中的個初級中子源棒組件中的32根，共有含根，共有含896根根可燃毒物棒的可燃毒物棒的68個組件，在第一次換料時將可燃毒個組件，在第一次換料時將可燃毒物棒組件全部卸出，換上阻力塞組件。物棒組件全部卸出，換上阻力塞組件。 v中子源組件中子源組件 l主要作用主要作用是：是：提高堆內(nèi)中子通量水平，增加儀表提高堆內(nèi)中子通量水平，增加儀表測量精度，為堆的安全啟動提供可靠的依據(jù)；測量精度，為堆的安全啟動提供可靠的依據(jù)；在在反應(yīng)堆啟動時起反應(yīng)堆啟動時起“點火點火”的作用。的作用。l工作方式工作方式：中子源設(shè)置在堆芯或堆芯鄰近區(qū)域，每：中子源

17、設(shè)置在堆芯或堆芯鄰近區(qū)域，每秒鐘放出秒鐘放出107108個中子。依靠這些中子在堆芯內(nèi)個中子。依靠這些中子在堆芯內(nèi)引起核裂變反應(yīng)，從而提高堆芯內(nèi)中子通量，克服引起核裂變反應(yīng)，從而提高堆芯內(nèi)中子通量，克服核測儀器的盲區(qū)，使反應(yīng)堆能安全、迅速地啟動。核測儀器的盲區(qū)，使反應(yīng)堆能安全、迅速地啟動。l分組分組：中子源組件分為：中子源組件分為初級中子源棒組件初級中子源棒組件和和次中子次中子源棒組件源棒組件 。l初級中子源棒組件初級中子源棒組件 初級中子源棒的核心，是封裝在雙層鋼套筒內(nèi)的锎初級中子源棒的核心，是封裝在雙層鋼套筒內(nèi)的锎-252，這一套筒由下部及上部的氧化鋁制間隔棒定，這一套筒由下部及上部的氧化鋁

18、制間隔棒定位，裝在不銹鋼包殼內(nèi)位于堆芯下部約四分之一高位，裝在不銹鋼包殼內(nèi)位于堆芯下部約四分之一高度處，包殼兩端封裝，上端塞頂部加工有螺紋，固度處，包殼兩端封裝，上端塞頂部加工有螺紋，固定到壓緊組件的底板上去。定到壓緊組件的底板上去。锎锎-252發(fā)生自發(fā)裂變而為監(jiān)督初始堆芯裝料和反應(yīng)發(fā)生自發(fā)裂變而為監(jiān)督初始堆芯裝料和反應(yīng)堆啟動提供所需的中子源。初級中子源的工作壽期堆啟動提供所需的中子源。初級中子源的工作壽期為制造后的為制造后的500至至1000天，該壽期與堆芯第一燃料天，該壽期與堆芯第一燃料運行周期相一致。運行周期相一致。大亞灣核電廠的首次裝料有大亞灣核電廠的首次裝料有2個初級中子源棒組件，個

19、初級中子源棒組件，每個組件所含的每個組件所含的24根棒中，有根棒中，有1根初級中子源棒，根初級中子源棒，1根次級中子源棒，根次級中子源棒， 16根可燃毒物棒和根可燃毒物棒和6個阻力塞。個阻力塞。 l次級中子源棒組件次級中子源棒組件 次級中子源是利用初始非放射性的銻和鈹混合物制次級中子源是利用初始非放射性的銻和鈹混合物制成的芯塊，從成的芯塊，從304型不銹鋼包殼的底部堆砌至棒的型不銹鋼包殼的底部堆砌至棒的中部，上下端塞封裝，里面充氦氣壓力至中部，上下端塞封裝，里面充氦氣壓力至4.5MPa，以防止堆芯壽期內(nèi)由于冷卻劑壓力而使包殼塌陷。以防止堆芯壽期內(nèi)由于冷卻劑壓力而使包殼塌陷。次級中子源在反應(yīng)堆內(nèi)

20、經(jīng)中子輻照之后，銻次級中子源在反應(yīng)堆內(nèi)經(jīng)中子輻照之后，銻-123經(jīng)經(jīng)歷歷(n，)反應(yīng)放出反應(yīng)放出射線并衰變?yōu)殇R射線并衰變?yōu)殇R-124，而鈹經(jīng)歷，而鈹經(jīng)歷(，n)反應(yīng)，產(chǎn)生中子并釋放氦原子核至空隙空間。反應(yīng)，產(chǎn)生中子并釋放氦原子核至空隙空間。大亞灣核電廠的首次裝料中有大亞灣核電廠的首次裝料中有2個次級中子源棒組個次級中子源棒組件，各有件，各有4根次級中子源棒和根次級中子源棒和20個阻力塞棒，加上個阻力塞棒，加上2個初級中子源棒組件中的個初級中子源棒組件中的2根次級中子源棒，共有根次級中子源棒，共有10根次級中子源棒，在滿功率運行兩個月之后，它根次級中子源棒，在滿功率運行兩個月之后，它們提供的中子

21、源可在停堆們提供的中子源可在停堆12個月之后再啟動反應(yīng)堆。個月之后再啟動反應(yīng)堆。次級中子源棒在換料時保留在堆芯中。次級中子源棒在換料時保留在堆芯中。v阻力塞組件阻力塞組件 l阻力塞是用阻力塞是用304型不銹鋼材料制的短鋼棒，下端成子型不銹鋼材料制的短鋼棒，下端成子彈頭形，上端部的螺紋用采固定到壓緊組件的底板彈頭形，上端部的螺紋用采固定到壓緊組件的底板上去構(gòu)成阻力塞組件。阻力塞組件設(shè)計用于封閉不上去構(gòu)成阻力塞組件。阻力塞組件設(shè)計用于封閉不帶有棒束控制組件、可燃毒物或啟動中子源的燃料帶有棒束控制組件、可燃毒物或啟動中子源的燃料組件中的導(dǎo)向管，增加水流阻力，從而減少旁路冷組件中的導(dǎo)向管，增加水流阻力，從而減少旁路冷卻劑流。卻劑流。l前面所述的各種堆芯相關(guān)組件都包含有阻力塞，而前面所述的各種堆芯相關(guān)組件都包含有阻力塞，而只有阻力塞組件全部只有阻力塞組件全部24根棒位都是阻力塞。根棒位都是阻力塞。