重水堆鈷調節棒組件

《重水堆鈷調節棒組件》是上海核工程研究設計院於2008年3月13日申請的發明專利，該專利申請號為200810085016，公布號為CN101252025，專利公布日為2008年8月27日，發明人是朱麗兵、蔡銀根、景益、陳瑜、周雲清。

《重水堆鈷調節棒組件》屬於重水反應堆中的反應性調節部件，具體涉及重水堆鈷調節棒組件。重水堆鈷調節棒組件中的鈷棒束部件包括中心管、鈷棒、鋯棒等部件。該發明的優點在於反應堆中採用了鈷棒，可以利用鈷棒中的鈷-59吸收中子產生了放射性的鈷-60。

2022年7月22日，《重水堆鈷調節棒組件》獲得第二十三屆中國專利銀獎。

（概述圖為《重水堆鈷調節棒組件》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：重水堆鈷調節棒組件
• 公布號：CN101252025 
• 公布日：2008年8月27日 
• 申請號：200810085016 
• 申請日：2008年3月13日 
• 申請人：上海核工程研究設計院 
• 地址：上海市虹漕路29號 
• 發明人：朱麗兵、蔡銀根、景益、陳瑜、周雲清 
• 代理機構：核工業專利中心 
• 代理人：高尚梅 
• Int.Cl.：G21C7/10（2006.01）I、G21C7/10 
• 類別：發明專利 

專利背景

重水反應堆是以天然鈾為燃料，重水作慢化劑和冷卻劑，通過核裂變以產生熱能的裝置。重水反應堆本體結構包括排管容器、端部禁止、燃料通道、反應性控制裝置以及密閉的排管容器堆腔。

排管容器呈臥式圓柱狀容器，兩端為容器法蘭，內設380根排管管束將重水慢化劑和冷卻劑分隔。整個反應堆通過端部禁止被支承在堆腔混凝土結構上。

燃料通道內裝有燃料棒束，壓力管採用耐高溫高壓的鋯—鈮合金，冷卻劑重水由熱傳輸支管從端頭部件的入口送入燃料通道，經過位於反應堆堆芯的壓力管，然後從另一端流出。壓力管端頭部件內裝有可拆卸的禁止塞和密封塞，以便於拆卸後通過裝卸料機裝入或卸出燃料棒束。

反應性控制通過注入輕水和固體中子吸收體來實現控制和功率調節。緊急工況通過插入固體吸收體或向慢化劑中注入液體吸收體實現安全停堆。

CANDU型重水堆核電站採用天然二氧化鈾作為燃料，高純重水作為冷卻劑和慢化劑。在重水堆物理設計中，為了保證堆芯裂變中子充分慢化，燃料通道柵格間距較大，致使堆芯尺寸較大，例如CANDU—6型反應堆活性區尺寸（不包括反射層）為Φ6.82×6.02米。為了展平堆芯中子通量分布和功率分布，在堆芯設定了不鏽鋼調節棒組件。在反應堆運行期間，不鏽鋼調節棒組件就一直在堆芯的強中子場中受照射，它吸收的中子屬於中子損耗。如果將反應堆內的不鏽鋼調節棒組件替換成鈷59調節棒組件，鈷59長期在堆內受到照射，就可以大量生產鈷—60。鈷59吸收的中子則屬於損耗中子的重新利用。

發明內容

技術方案

《重水堆鈷調節棒組件》包括鋯合金中心棒，鋯合金中心棒的軸向的中間部分設有鈷棒束部件，鈷棒束部件的下端依次設有定位凸版，定位凸版的下端為間隔管，間隔管的下部設有鎖緊螺母，鈷棒束部件的上部依次設有定位凹板，定位凹板的上部為壓縮彈簧，壓縮彈簧的上部為連線頭，連線頭的上部為鋼絲繩連線螺母，連線頭與鋼絲繩連線螺母之間設有墊圈，鋼絲繩連線螺母的頂部為鋼絲繩部件，其中，所述的鈷棒束部件包括中心管，中心管的頂部設有上端板，中心管的底部設有下端板，在上端板和下端板之間中心管的外圓周的一個同心圓上均勻地間隔地設有鈷棒和鋯棒，在上端板上還設有T型槽，上端板的中心處還設有內環孔，上端板的邊緣處還設有外環孔，其中，鈷棒包括包殼，包殼的下端設有下端塞，下端塞通過環焊固定在包殼上，包殼的中間設有鈷塊，包殼的上端設有上端塞，上端塞通過環焊固定在包殼的上端，上端塞的中心通過堵孔焊密封。中心棒與連線頭之間裝有防松銷。連線頭與鋼絲繩連線螺母用螺紋連線，並裝有防松墊圈。

改善效果

《重水堆鈷調節棒組件》的優點是，由於反應堆中採用鈷棒代替了原來的鋼棒，因此可以利用鈷棒中的鈷59吸收中子從而在不影響堆芯正常工作的情況下產生了放射性的鈷—60。

附圖說明

圖1為《重水堆鈷調節棒組件》所提供的重水堆鈷調節棒組件示意圖；

圖2為所提供的重水堆鈷調節棒組件中的鈷棒束主視圖；

圖3為所提供的重水堆鈷調節棒組件中的鈷棒束左視圖；

圖4為所提供的重水堆鈷調節棒組件中的鈷棒束中的上端板剖視圖；

圖5為所提供的重水堆鈷調節棒組件中的鈷棒束中的擋環主視圖；

圖6為所提供的重水堆鈷調節棒組件中的鈷棒束中的鈷棒示意圖。

圖中，1鋼絲繩部件，2鋼絲繩連線螺母，3防松墊圈，4連線頭，5防松銷，6壓縮彈簧，7定位凹板，8鈷棒束部件，9定位凸板，10間隔管，11鎖緊螺母，12中心棒，13上端板，14外環孔，15內環孔，16鈷棒，17中心管，18鋯棒，19下端板，20T型槽，21擋環，22環焊，23工藝孔，24上端塞，25鈷塊，26包殼，27下端塞，28堵孔焊，29環焊。

權利要求

1.《重水堆鈷調節棒組件》包括鋯合金中心棒（12），鋯合金中心棒（12）的軸向的中間部分設有鈷棒束部件（8），鈷棒束部件（8）的下端設有定位凸版（9），定位凸版（9）的下端為間隔管（10），間隔管（10）的下部設有鎖緊螺母（11），鈷棒束部件（8）的上部設有定位凹板（7），定位凹板（7）的上部為壓縮彈簧（6），壓縮彈簧（6）的上部為連線頭（4），連線頭（4）的上部為鋼絲繩連線螺母（2），連線頭（4）與鋼絲繩連線螺母（2）之間設有墊圈（3），鋼絲繩連線螺母（2）的頂部為鋼絲繩部件（1），其特徵在於：所述的鈷棒束部件（8）包括中心管（17），中心管（17）的頂部設有上端板（13），中心管（17）的底部設有下端板（19），在上端板（13）和下端板（19）之間中心管（17）的外圓周的一個同心圓上均勻地間隔地設有鈷棒（16）和鋯棒（18），在上端板（13）上還設有T型槽（20），上端板（13）的中部還設有內環孔（15），上端板（13）的邊緣處還設有外環孔（14），其中，鈷棒（16）包括包殼（26），包殼（26）的下端設有下端塞（27），下端塞（27）通過環焊（29）固定在包殼（26）上，包殼（26）的中間設有鈷塊（25），包殼（26）的上端設有上端塞（24），上端塞（24）通過環焊（29）固定在包殼（26）的上端，上端塞（24）的中心通過堵孔焊（28）密封。

2.如權利要求1所述，其特徵在於：所述的T型槽內設有擋環（21）。

3.如權利要求1所述，其特徵在於：所述的壓縮彈簧（6）為預緊力彈簧。

4.如權利要求1所述，其特徵在於：下端板（19）為凹板，上端板（13）為凸版。

5.如權利要求1所述，其特徵在於：中心棒（12）與連線頭（4）之間裝有防松銷（5）。

6.如權利要求5所述，其特徵在於：連線頭（4）與鋼絲繩連線螺母（2）用螺紋連線，並裝有防松墊圈（3）。

如圖1～6所示，《重水堆鈷調節棒組件》包括鋯合金中心棒12，鋯合金中心棒12的軸向的中間部分設有鈷棒束部件8，鈷棒束部件8的下端設有定位凸版9，定位凸版9的下端為間隔管10，間隔管10的下部設有鎖緊螺母11，鈷棒束部件8的上部設有定位凹板7，定位凹板7的上部為壓縮彈簧6，壓縮彈簧6的上部為連線頭4的下端，連線頭4的上端為鋼絲繩連線螺母2，連線頭4與鋼絲繩連線螺母2之間設有墊圈3，鋼絲繩連線螺母2的項部為鋼絲繩部件1，其中，所述的鈷棒束部件8包括中心管17，中心管17的頂部設有上端板13，中心管17的底部設有下端板19，在上端板13和下端板19之間中心管17的外圓周的一個同心圓上均勻地間隔地設有鈷棒16和鋯棒18，在上端板13上還設有T型槽20，上端板13的中部還設有內環孔15，上端板13的邊緣處還設有外環孔14，其中，鈷棒16包括包殼26，包殼26的下端設有下端塞27，下端塞27通過環焊29固定在包殼26上，包殼26的中間設有鈷塊25，包殼26的上端設有上端塞24，上端塞24通過環焊29固定在包殼26的上端，上端塞24的中心通過堵孔焊28密封。所述的T型槽內設有擋環21。所述的壓縮彈簧6為預緊力彈簧。下端板19為凹板，上端板13為凸版。

鈷調節棒組件是重水反應堆調節系統的一部分，其主要功能用途：

1）當核電廠在高功率和正常運行條件下，調節棒組件功能是調整中子通量分布以最佳化反應堆功率分布和燃料的燃耗。

2）在瞬態工況下，即功率降低或短期停堆後接著需要提高功率時，將鈷調節棒組件部分或全部提出以提供附加的正反應性來克服氙—135濃度的增加；在換料故障期間不能正常提供新燃料，則要求鈷調節棒組件逐步提出堆芯以補償反應堆的反應性減小和維持反應堆的運行，給換料機提供足夠的時間。

3）鈷調節棒組件在反應堆內一般運行一定時間後，鈷棒中的鈷59吸收中子生成有一定比活度的鈷—60γ放射源，可作為醫療和工業用的輻照源。

如圖1所示，鈷調節棒組件中心是一根貫穿全長的鋯合金中心棒12，其上裝有鈷棒束8，下端裝有定位凸板9、間隔管10和鎖緊螺母11，上端裝有定位凹板7、壓縮彈簧6、連線頭4、鋼絲繩連線螺母2和鋼絲繩1。定位凸板9和定位凹板7將鈷棒束8固定在要求的軸向位置上。鎖緊螺母2與鋯合金中心12棒相連線，並擰到合適的力矩，此時定位凸板9上方的壓縮彈簧6有一定的預緊力，這樣可以防止鈷棒束8在運輸和吊裝操作時發生串動和轉動，並補償不同部件之間熱膨脹差和輻照腫脹差。中心棒12與連線頭4用螺紋連線，並裝有防松銷5。連線頭4的一端與鋼絲繩連線螺母2用螺紋連線，並裝有防松墊圈3。鋼絲繩1和反應堆驅動機構相連，鋼絲繩長度應能滿足調節棒組件運行行程和乏燃料水池中吊裝操作的需要，此外鋼絲繩1與驅動機構的連線及與鈷調節棒組件的連線還要容易拆裝。鋼絲繩連線螺母2內部與鋼絲繩1頭部接觸的表面進行氧化處理，以增加其耐磨性能。輻照後的鈷調節棒組件在乏燃料水池中可用長柄工具將鎖緊螺母11拆卸，並拿出鈷棒束8。

如圖2所示，裝在調節棒組件中的鈷棒束8部件可根據設計需要採用不同數目的鈷棒16和鋯合金棒18組合，其它結構尺寸基本相同，在該實施例中採用了鈷棒16加鋯合金棒18的總數為3的組合，也可以根據設計的需要採用鈷棒16加鋯合金棒18的總數為4、5或6等等的其他數目組合。下端板19為凹板，上端板13為凸板，上端板13、下端板19與鋯合金中心管17通過環焊22進行連線。所有鈷棒束8組裝成鈷調節棒組件時，相鄰的兩塊端板應凹凸定位相配。上端板13和下端板19上開有多個內環孔15以及多個外環孔14。內環孔15供慢化劑通過，外環孔14供組裝鈷棒和鋯合金棒之用。如圖3和圖4所示，鈷棒16從上端板13外環孔14插入，然後在上端板13對應T型槽20內旋入擋環21，以防止鈷棒掉出。如圖5所示，擋環21為環狀，在擋環21的邊緣設有卡片，擋環21上開有工藝孔23，以便安裝擋環21時插入安裝工具。輻照後的鈷棒束8部件在熱室中用工具將擋環21從上端板13的T型槽20內取出，進而將所需要的鈷棒16取出。

如圖6所示，鈷棒16由密封在Zr—4合金包殼管26里的吸收體鈷塊或鈷粒25及上下兩個端塞24和25組成。鋯合金包殼管26與上下兩個端塞24和25採用環焊密封29。吸收體鈷塊或鈷粒25表面鍍鎳，以防止鈷塊的氧化。鈷棒16內充氦氣，以提高傳熱性能。上端塞24開有通孔，以便進行充氦和堵孔焊28。

一般不生產鈷—60放射源的重水堆中，調節棒組件都採用不鏽鋼材料。如要在重水堆中生產鈷—60放射源，就必須用鈷調節棒組件代替不鏽鋼調節棒組件。在鈷調節棒組件設計中，鈷棒16中鈷塊的中子吸收截面較大，為使鈷調節棒組件在堆芯中能與不鏽鋼調節棒組件起同樣的調節作用，鈷調節棒組件中的其他結構材料必須使用中子吸收截面較小的材料，該設計中採用了鋯材，其強度較好，中子吸收截面也較小，輻照性能也能滿足設計要求。鈷棒束8部件中可根據設計需要採用不同數目的鈷棒16和鋯合金棒18組合，在一個鈷棒束8部件中這些鈷棒16和鋯合金棒18均布在一個圓環上。這種設計分布，可使不同鈷棒16和鋯合金棒18組合的鈷棒束8部件在堆芯不同的位置上起不同的作用，從而使整個調節棒組件滿足堆芯調節的作用即與原來不鏽鋼調節棒組件起同樣的作用。輻照後的鈷棒束8部件要在熱室中將需要的鈷棒16取出。由於熱室操作的特殊性，應使鈷棒16便於拆卸。在該設計中，在鈷棒束8部件中採用擋環21設計將鈷棒16固定在鈷棒束8部件中。這種設計使鈷棒16的拆裝都十分方便。在《重水堆鈷調節棒組件》中，鈷棒束8的下端板19為凹板，上端板13為凸板，所有鈷棒束8組裝成鈷調節棒組件時，相鄰的兩塊端板應凹凸定位相配。同時在鈷調節棒組件下端裝有定位凸板9，上端裝有定位凹板7。這種凹凸定位設計可以防止鈷棒束8在運輸和吊裝操作時發生不必要的轉動。在鈷調節棒組件中，鋼絲繩連線螺母2與鋯合金中心棒12相連線，並擰到合適的力矩，此時定位凸板9上方的壓縮彈簧6有一定的預緊力。這種有一定預緊力的彈簧設計，可以防止鈷棒束8在運輸和吊裝操作時發生竄動，並補償不同部件之間熱膨脹差和輻照腫脹差。在鈷調節棒組件中，下端設計有鎖緊螺母11。輻照後的鈷調節棒組件在乏燃料水池中可用長柄工具將鎖緊螺母11拆卸，並拿出鈷棒束8。這種鎖緊螺母11的設計可使鈷棒束8在水下從鈷調節棒組件中卸下較為方便。

榮譽表彰

2022年7月22日，《重水堆鈷調節棒組件》獲得第二十三屆中國專利銀獎。