专利名称:核反应堆用控制棒的制作方法
本发明总的说涉及各种核反应堆，更具体地说涉及一种改进的核反应堆用的控制棒。
在一般的核反应堆中，堆芯是由一些细长的燃料组件组成的，而每一个组件又包含有若干细长的燃料元件或燃料棒。通过泵的作用液体冷却剂向上通过堆芯，从而把热量从堆芯中引出来以产生有用功。从堆芯输出的热量大小通常是用移动含有中子吸收材料如B4C的控制棒或移动如美国专利№4，432，934所述的那种水置换器棒来进行调节的。在压水型反应堆中，每一个燃料组件通常是由一些导向管或套管组成。而控制棒或水置器棒则在其中往复运动。部分反应堆冷却剂通常被泵导向套管的下端。以冷却位于此处的控制棒。
在反应堆运行期间，大多数调节控制棒实际上是在堆芯外某一位置上。即这些控制棒下端部堵头的顶部位于导向套管的上端部内。当处于这种抽出位置上时，控制棒可能会由于冷却水流通过导向套管和流经控制棒支撑端部堵头的这一部分时引起相当大的振动。控制棒的这种振动会使其端部堵头的顶部与导向套管内壁表面来回接触。这就会造成摩损。最后会引起套管壁穿孔，大大降低了燃料组件结构的强度。
到目前为止，已有不少工作者试图解决这个问题，如在美国书№4，292，132和4，311，560中。他们建议通过用防止控制棒撞击导向套管壁的方法来消除导向套管壁的磨损。如在美国书№4，292，132里就建议在每一个控制棒的下端部加上一个弹簧装置，在导向套管壁之间提供了一个均匀而有弹性的压配合，因而防止控制棒头部对导管壁的碰撞。按照美国书4，311，560的建议。在控制棒的下端头装有一个液压轴承。它能产生把控制棒端部推离开导向套管壁的反向力。
本发明的主要目的就是要提供一个简单，成本低，但又有效的办法来解决上面提到的磨损问题。
因此本发明是属于核反应堆用的一种控制棒。反应堆内有一个用来支撑控制棒。并使其在导向套管中作轴向运动的装置，该控制棒有一个端部堵头。在反应堆运行时此堵头装在位于导向套管内的控制棒端部，在控制棒发生横向振动时，此端部堵头会撞击导向套管。本发明的特点就是此端部堵头上装有一个衬套，它在端部堵头和导向套管之间形成了一个接触界面，而且此衬套是用与导向套管类似的材料制成的。
在以前提出的方法中，都需要用特殊的装置来防止控制棒的端部堵头和导向套管之间直接的振动接触，本发明与这些方法不同，只使用一个简单的衬套(由与导向套管相似的材料制成)来提供一个接触界面。因此可把由在控制棒和导向套管之间的振动接触造成的磨损降到最小程度。
虽然在端部堵头上的衬套和控制套管是由同种材料(例如不锈钢)制成的，但是端部堵头本身以及固定并把控制棒密封起来的控制棒包壳则很可能是用同一种材料(例如锆合金)制成的，而与衬套的材料不同。由于不同的材料很难用焊接的方法将它们很好地联接在一起，所以最好采用锁紧连接法把衬套与端部堵头固定在一起，即在端部堵头的园周表面上开一个环形凹槽，在衬套的内表面加工一周凸起，把衬套的此凸起部分嵌入端部堵头的凹槽中形成互锁。
衬套的内径最好这么来选定，即要使它和端部堵头之间有足够大的间隙以使反应堆冷却剂能进到它里面。从而减弱衬套与导向套管之间的撞击。
现在，我们仅仅通过一个例子，来叙述本发明的最佳实施装置。同时请参看附图。其中图1是一个燃料组件的正视图，在垂直方向上有缩小，为清晰起见，许多部件没有画出。
图2是一个用来支撑燃料组件控制棒的十字形支架组件的放大顶视平面图。
图3是取自图2中3-3线的十字形支架组件断面图。
图4是一个放大的局部断面图，取自图3中4-4线，是一个能体现本发明思想的带有端部堵头控制棒的端部图。
图5是取自图4中5-5线的端部堵头断面放大图。
在下面的叙述中，在各附图的视图中相同或相应部件用相同的标记符号表示，以及像“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”等等诸如此类的术语。只是为叙述方便，而不作限定词来用。
现在请参看附图，尤其是看图一，图中示出了燃料组件的全部组合体。一般用数字〔10〕标明，上堆芯支撑板〔12〕位于上部并在燃料组件〔10〕的顶部横向延伸出去，而十字形支架组件〔14〕装在上堆芯支撑板的上部。
燃料组件〔10〕包括有一个下端部结构或底部管连接装置〔16〕以将组件支撑在反应堆(未示出)堆芯区中的一个下堆芯板(未示出)上;一组导向管或套管〔18〕从底部管连接装置〔16〕中向上伸出;许多沿着导向套管18轴向有一定间距的横向栅格〔20〕;一组规则排列的细长的燃料棒〔22〕，它们在横向上有一定间距并由栅格〔20〕支撑住;一个位于燃料组件中心的仪表管道〔24〕以及一个固定在导向套管〔18〕上端部的上端部结构或顶部管连接装置〔26〕。
上堆芯支撑板经过反应堆芯内像组件〔10〕那样的所有燃料组件横向延伸出去。这里还有冷却剂流通的多重通路(如在〔28〕处)，每一个导向套管〔18〕沿轴线方向都有一个像〔28〕那样的通道。通过此通道就可以把控制棒〔30〕插进去。
在它们的上端，控制棒〔30〕与十字形组件〔14〕相连接，组件〔14〕支撑住这些控制棒，并使它们能在导向管〔18〕内作轴向移动，这种移动可以用普通的驱动机构(未画出)来作到。
从图2和3可以很清楚地看出，十字形组件〔14〕中包括有一个中心套轴〔32〕，一组从套轴〔32〕径向向外伸出的翼板〔34〕，以及一些装在翼板〔34〕上的指形件〔36〕，每一个指形件与一个控制棒相联结。需要特别指出的是，此中心套轴〔32〕呈管状，在它的上端内侧攻有螺纹段〔40〕，用来联结驱动机构(未示出)，通过驱动机构可以将十字形组件〔14〕和架在它上面的控制棒〔30〕一起升起或下降。管状的套轴〔32〕装有一个普通的载荷吸收机构，此机构有一个处于压缩状态的弹簧〔42〕以及一个螺纹连接管〔44〕此螺纹连接管装在堆芯平板〔12〕顶部表面上的浅槽中(未示出)，这有助于把控制棒〔30〕和堆芯平板的通道孔〔28〕以及导向套管〔18〕调装在一条直线上。负载吸收机构的主要目的是在于防止当控制棒〔30〕全部插入导向套管〔18〕中，从而十字形组件〔14〕紧靠在芯板〔12〕的顶部时，在堆芯平板〔12〕和燃料组件〔10〕之间的冲击载荷。
每一个控制棒〔30〕都由十字形组件〔14〕的指形体〔36〕支撑，而在每一个指形体〔36〕的下端部〔46〕上有一个内部攻有螺纹的轴向开孔，通过螺纹把控制棒〔30〕的上端部〔48〕固定住。每一个控制棒〔30〕都有一个管状包覆壳〔50〕和一个固定在包覆壳(见图4)下端部〔54〕的端部堵头〔52〕。在有些控制棒的设计中，包覆壳中装有一些丸片状中子吸收材料(如丸片〔56〕)，它们端面对着端面地堆装在一起，而在另一些控制棒的设计中，正如前面提到过的美国书№4，432，934所描述的那样把置换器棒当控制棒用，即通过向堆中排放或注入一定量中子慢化冷却剂的方法来控制反应堆。
如在上文所提到的那样，一个反应堆的功率水平通常是利用控制棒的插入或拔出的方式来调节的，例如棒〔30〕插入或从导向套管拔出就可进行这种调节，在反应堆停堆期间所有的控制棒全部插入堆内。而当反应堆在满功率下运行时。一部分控制棒是拔出来了的。在这种情况下“拔出”的意思应当理解为控制棒〔30〕并不会全部从导向套管中拔出来，而是仍有一部分(例如约15cm)是插在管里的。
当控制棒〔30〕全部插进导向套管〔18〕中时，也即全部位于反应堆芯内时(未示出)，它们必须能承受堆芯产生的热量。为此予先要采取措施来冷却它们以防弹丸片熔化。一般为作到这一点。在导向套管的下部设有一些开孔(未示出)，使得能把流进燃料组件〔10〕底部的部分反应堆冷却剂引入套管〔18〕内，并向上流过整个控制棒〔30〕。正如前面提到的那样，这种通过套管〔18〕以及流经控制棒未端部分的冷却剂流，尤其是控制棒处于拔出位置上时，会引起控制棒下端振动。
这样，在不同材料介面上产生振荡接触，结果会引起过度的磨损。例如在一些反应堆中，控制棒的不锈钢头部与锆合金套管的振动接触就会使套管壁过度磨损。在另一些反应堆中，套管由不锈钢制成，而控制棒则是由锆合金制成。不管使用那一种材料制造那一个部件，不同材料之间的振荡接触都将引起过度磨损。
现在参看图4和5，本发明在控制棒〔30〕和导向套管〔18〕之间的接触界面上提供了一个耐磨衬套〔58〕，它是由与导向套管相同同的材料制成的。在图示说明的实施装置中，我们假定导向套管〔18〕是由不锈钢制成，而包壳〔50〕和控制棒〔30〕的端部堵头〔52〕是由锆合金制成，所以耐磨衬套〔58〕是由不锈钢制成的。
和过去一样，端部堵头〔52〕紧紧地与包壳〔50〕的下端部〔54〕用环缝焊〔60〕焊上并密封在一起，而在包壳〔50〕的下边缘〔62〕和端部堵头〔52〕上加工出的肩部〔64〕之间相接触的环形区域形成了一个焊缝〔60〕，而肩部〔64〕位于一个窄环形段〔66〕及堵头的内侧端〔68〕的接合处。堵头上环形段〔66〕的外径实际上和包壳〔50〕的外径相同。
如在图4中看到的那样，耐磨衬套〔58〕装在端部堵头〔52〕上。安装位置是衬套的内侧端〔70〕紧靠着端部堵头〔52〕上另一个肩部〔72〕，离环焊缝〔60〕很近。肩部〔72〕位于端部堵头的环形段〔66〕和细长的杆部〔74〕的接合处，堵头杆部的外径通常与堵头内端部〔68〕的外径相同，而比包壳〔50〕的内径略小些。耐磨衬套〔58〕围在端部堵头的细长杆部〔74〕周围(见图5)，从环形段或称径向法兰〔66〕向着堵头〔52〕的锥端〔76〕延伸，延伸长度约为杆部〔74〕的 1/3 ，如图4所示。耐磨衬套〔58〕的外径实际上与包壳另件〔50〕的相同。
耐磨衬套〔58〕用锁紧连接法(标号为〔78〕)固定在端部堵头〔52〕上。此法要在堵头体〔74〕上距肩部〔72〕一定间隔的地方加工一个环形槽〔84〕，并在衬套〔58〕上与槽〔84〕相锁紧的地方用锻压或机械滚压加工出一个环形的向内凸起〔80〕。要想消除衬套〔58〕和堵头〔52〕由于材料不同引起的轴向温度不一致问题。就必须要有凸起〔80〕。同样，采用锁紧连接法也要比焊接好，因为不同材料的金属很难焊接在一起。
虽然这里示出的耐磨衬套〔58〕与端部堵头〔52〕之间面与面完全接触在一起，但在衬套和堵头之间仍可有一个小的径向间隙，使两者之间产生一些侧向相对运动。当反应堆运转时，流过导向套管的一些冷却剂将进入衬套和端部堵头之间的径向间隙，从而起到衰减振动撞击的作用。
可以予期，按照本发明的要求作了以后，由于耐磨衬套〔58〕是由与导向套管相同的材料制成，也即在所叙述的具体装置中是由不锈钢制成的，所以在套管壁上由于振动撞击造成的所有磨损将减小到最低程度。
权利要求
1.一种在核反应堆中用的控制棒。其上有一个用来支撑控制棒在导向套管中作轴向运动的装置，该控制棒包括有一个在反应堆运行时装在控制棒上，位于导向套管内那一端上的端部堵头，该端部堵头在控制棒的侧向振动下会撞击导向套管，该控制棒的特征在于，所述端部堵头(52)上装有一个衬套(58)。它在端部堵头和导向套管(18)之间提供了一个接触界面，该衬套用与导向套管相同的材料制成。
2.按权利要求
1中所述的控制棒，其特征在于，衬套的材料与端部堵头的材料不同，该衬套(58)是利用锁紧连接面(78)固定在端部堵头上的。
3.按权利要求
2中所述的控制棒，其特征在于，该锁紧连接面(78)，包括在端部堵头(52)的园周表面上加工出一个环形槽(84)以及在该衬套(58)的内表面加工出一个园周凸起(80)并把此凸起压入固定在该环形槽(84)内。
4.按权利要求
1、2或3中所述的控制棒来讲，当核反应堆工作时有液体冷却剂在上述导向套管中流过，其特征在于上述衬套(58)和堵头(52)之间有一个径向间隙，足以使液体冷却剂流入。因而能缓冲衬套和导向套管之间的相互撞击。
专利摘要
本发明涉及一种核反应堆中用的控制棒。在反应堆中，控制棒可以在导向套管内移动，而控制棒上的一个端部堵头会对导向套管产生振动撞击。为了减小在导向套管上由于振动造成的磨损，在端部堵头(52)上装有一个衬套(58)，这样会在端部堵头和导向套管之间形成一个接触界面。衬套是由与导向套管相同的材料制成。更为重要的是衬套用互锁联接面(78)固定到端部堵头上。而且在衬套和端部堵头之间有一个空隙，足以使反应堆冷却剂流入，并使它起到一种衰减撞击的介质的作用。
文档编号G21C7/10GK85106011SQ85106011
公开日1987年2月25日 申请日期1985年8月9日
发明者塞缪尔·塞尔尼, 约翰·弗朗西斯·威尔森, 罗伯特·肯尼斯·吉尔特森 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan