一种核反应堆控制棒组件

技术领域

本申请涉及核反应堆启动中子源技术领域，特别是涉及一种核反应堆控制棒组件。

背景技术

核反应堆初期运行之前或者长期停堆之后，装料和启动过程中核反应堆堆芯内中子很少，使得中子探测器无法探测到核反应堆堆芯内的中子注量率水平。为了使得中子探测器可以探测到核反应堆堆芯内的中子注量率水平，在传统技术中，将启动中子源固定地布置在核反应堆堆芯中，启动中子源可以产生中子，产生的中子经过临界增值后产生足够的中子数，使得中子探测器能够探测到核反应堆堆内的中子注量率水平。然而，传统技术中存在启动中子源消耗巨大的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统技术中启动中子源消耗巨大的问题，提供一种核反应堆控制棒组件。

为了实现上述目的，本申请提供一种核反应堆控制棒组件，该核反应堆控制棒组件包括：

控制棒，所述控制棒用于插入核反应堆堆芯内，以使核反应堆停堆；

启动中子源，所述启动中子源设置于所述控制棒上，所述启动中子源用于控制核反应堆的启动。

在其中一个实施例中，所述控制棒包括：

棒体，所述棒体上设有沿自身轴向延伸的通孔；

中子吸收体，设置于所述通孔内。

在其中一个实施例中，所述启动中子源设置于所述通孔内。

在其中一个实施例中，所述中子吸收体包括第一子吸收体和第二子吸收体，所述第一子吸收体、所述启动中子源、所述第二子吸收体沿所述棒体的轴向依次排布。

在其中一个实施例中，所述启动中子源包覆于所述中子吸收体的外侧。

在其中一个实施例中，所述启动中子源围设于所述棒体的外侧。

在其中一个实施例中，所述控制棒组件还包括固定环，所述固定环围设于所述棒体的外侧，所述启动中子源设置于所述固定环上。

在其中一个实施例中，所述固定环与所述棒体可拆卸式连接。

在其中一个实施例中，所述控制棒组件还包括保护层，所述保护层包覆于所述启动中子源的外侧。

在其中一个实施例中，所述保护层的材质包括镉；

和/或，所述中子吸收体的材质包括碳化硼、硼化铪；

和/或，所述启动中子源的材质包括锎、锑铍。

上述核反应堆控制棒组件，通过设置控制棒和启动中子源，其中，控制棒用于插入核反应堆堆芯内，以使核反应堆停堆，启动中子源设置于控制棒上，启动中子源用于控制核反应堆的启动。如此，将设置有启动中子源的控制棒插入核反应堆堆芯中，可以使核反应堆启动，当核反应堆启动后，即核反应堆处于运行状态，将设置有启动中子源的控制棒从核反应堆堆芯中提出，使控制棒位于核反应堆堆芯的上部，此时，当核反应堆处于运行状态时，控制棒位于核反应堆堆芯的上部，使得启动中子源无法与核反应堆堆芯中的中子反应，从而减少了启动中子源的消耗，进而延长了启动中子源的使用寿命，使得核反应堆能够适应长寿期先进核反应堆的启动和监督要求。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的一种核反应堆控制棒组件的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本申请一实施例提供的另一种核反应堆控制棒组件的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本申请一实施例提供的再一种核反应堆控制棒组件的结构示意图；

图6为图5的俯视图。

附图标记说明：

100-核反应堆控制棒组件；110-控制棒；111-棒体；1111-通孔；1112-上端部；1113-下端部；112-中子吸收体；1121-第一子吸收体；1122-第二子吸收体；120-启动中子源。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接连接，或第一和第二特征通过中间媒介间接连接。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

正如背景技术所述，传统技术中存在中子源消耗巨大的问题，产生中子源消耗巨大的原因如下：启动中子源固定地布置在核反应堆堆芯中，当核反应堆运行时，启动中子源无法从核反应堆堆芯中提出，使得启动中子源与核反应堆堆芯中的中子反应，从而导致启动中子源被大量消耗。当核反应堆停堆后，由于启动中子源被大量消耗，使启动中子源的活度太低导致核反应堆无法启动，或中子探测器无法探测到核反应堆堆芯内的中子注量率水平。

需要说明的是，在核反应堆装料和达临界启动过程中，启动中子源可以为中子探测器提供有效的响应信号，实现临界监督与核反应堆保护的功能。

本申请实施例提供一种核反应堆控制棒组件，请参阅图1-图6，该核反应堆控制棒组件100包括控制棒110和启动中子源120，其中，控制棒110用于插入核反应堆堆芯内，以使核反应堆停堆，启动中子源120设置于控制棒110上，启动中子源120用于控制核反应堆的启动。

具体地，核反应堆堆芯指的是核反应堆中发生核反应产生能量的区域。将设置有启动中子源120的控制棒110插入核反应堆堆芯中，可以使核反应堆启动，当核反应堆启动后，即核反应堆处于运行状态，将设置有启动中子源120的控制棒110从核反应堆堆芯中提出，使控制棒110位于核反应堆堆芯的上部。

需要说明的是，启动中子源120一般包括一次中子源和二次中子源，一次中子源通常只在核反应堆首循环中使用，二次中子源只有在堆内辐照后，才能激活成为中子源，因此首循环中放入二次中子源，以作为后续循环启动中子源120，同时后续循环中的二次中子源经过辐照后继续作为下一循环的启动中子源120，如此往复。传统技术中，将一次中子源和二次中子源固定地布置在核反应堆堆芯中，存在启动中子源120消耗巨大的问题，不能满足先进核反应堆停堆后再启动的要求。此外，镅铍源和钚铍源作为常见的启动中子源120，容易与核反应堆堆芯中的中子反应，若采用传统技术，将镅铍源和钚铍源固定地设置于核反应堆堆芯中，将存在启动中子源120消耗更为巨大的问题，因此，在传统技术中，镅铍源和钚铍源无法应用于裂变核反应堆中。

本申请实施例提供的核反应堆控制棒组件100，当核反应堆处于运行状态时，控制棒110位于核反应堆堆芯的上部，使得启动中子源120无法与核反应堆堆芯中的中子反应，从而减少了启动中子源120的消耗，进而延长了启动中子源120的使用寿命，使得核反应堆能够适应长寿期先进核反应堆的启动和监督要求。此外，减少了核反应堆堆芯中中子与启动中子源120的消耗，使得容易与中子反应的启动中子源120可以应用于裂变核反应堆中，如镅铍源、钚铍源等，进一步地，使得裂变核反应堆中可以选择的启动中子源120种类更多。

在其中一个实施例中，请参阅图1-图6，控制棒110包括棒体111和中子吸收体112，其中，棒体111上设有沿自身轴向延伸的通孔1111，中子吸收体112设置于通孔1111内。

具体地，控制棒110包括中子吸收体112，中子吸收体112设置于通孔1111内，通孔1111可以是圆柱孔。如此，控制棒110插入核反应堆堆芯后，中子吸收体112能够吸收大量中子，以阻止裂变链式反应的进行，从而使核反应堆停堆；当把控制棒110从核反应堆堆芯提出后，则加速裂变链式反应的进行。

需要说明的是，在将核反应堆控制棒组件100插入处于运行的核反应堆的情况下，由于启动中子源120产生的中子数目较少，中子吸收体112可以吸收较多的中子，因此，此时将设置有启动中子源120的控制棒110插入核反应堆堆芯中，中子吸收体112可以吸收核反应堆堆芯中的中子，以使核反应堆停堆，而启动中子源120产生的中子并不会影响核反应的停堆。在将核反应堆控制棒组件100插入待启动的核反应堆的情况下，由于启动中子源120会向各个方向发射中子，只有进入到中子吸收体112这部分的中子会被吸收，并且剩余的中子足够使核反应堆启动，因此，此时将设置有启动中子源120的控制棒110插入核反应堆堆芯中，启动中子源120可以控制核反应堆启动，而中子吸收体112并不会影响核反应堆启动。

可以理解的是，通过设置棒体111，棒体111上设有沿自身轴向延伸的通孔1111，使得棒体111可以容纳中子吸收体112。通过设置中子吸收体112，中子吸收体112可以吸收核反应堆堆芯中的中子，进而可以控制核反应堆的停堆。

在其中一个实施例中，请参阅图1、图2、图5和图6，启动中子源120设置于通孔1111内。

可以理解的是，通过将启动中子源120设置于通孔1111内，从而使得启动中子源120与控制棒110一体化设置，进而使得在核反应堆启动后，将设置有启动中子源120的控制棒110从核反应堆堆芯中提出，使控制棒110位于核反应堆堆芯的上部。如此，可以减少启动中子源120和核反应堆堆芯中的中子之间发生反应，从而减少启动中子源120的消耗，进而延长了启动中子源120的使用寿命，适应长寿期先进核反应堆的启动和监督要求。

在其中一个实施例中，请参阅图1和图2，中子吸收体112包括第一子吸收体1121和第二子吸收体1122，第一子吸收体1121、启动中子源120、第二子吸收体1122沿棒体111的轴向依次排布。

在一个示例中，第一子吸收体1121、启动中子源120、第二子吸收体1122沿轴向依次排布可以是第一子吸收体1121设置于启动中子源120的一侧，且与启动中子源120的一端相接触，第二子吸收体1122设置于启动中子源120远离第一子吸收体1121的一侧，且与启动中子源120的另一端相接触。

可以理解的是，在另一个示例中，第一子吸收体1121、启动中子源120、第二子吸收体1122沿轴向依次排布可以是第一子吸收体1121设置于启动中子源120的一侧，且与启动中子源120的一端具有间隔，第二子吸收体1122设置于启动中子源120远离第一子吸收体1121的一侧，且与启动中子源120的另一端也具有间隔。本申请实施例对第一子吸收体1121、启动中子源120、第二子吸收体1122沿轴向依次排布的排布方式不做限定。

具体地，棒体111还包括上端部1112和下端部1113，其中，上端部1112位于第一子吸收体1121远离启动中子源120的一侧，下端部1113位于第二子吸收体1122远离启动中子源120的一侧。第一子吸收体1121、启动中子源120和第二子吸收体1122设置于通孔1111内，且第一子吸收体1121、启动中子源120和第二子吸收体1122的尺寸可以根据核反应堆堆芯的预设轴向功率进行调节。

需要说明的是，核反应堆的轴向功率分布对核反应堆的运行影响很大，轴向功率分布不均匀甚至危害到整个核反应堆的安全，特别是核反应堆轴向功率分布会随着运行工况的改变而变化，这对运行中的核反应堆安全产生尤其重要影响。轴向功率分布则受到功率水平、燃耗、瞬态缸毒分布，特别是控制棒110的提升和插入的强烈影响。而本申请实施例中的控制棒110包括第一子吸收体1121、启动中子源120和第二子吸收体1122，因此，通过调控第一子吸收体1121、启动中子源120和第二子吸收体1122的尺寸，可以控制核反应堆堆芯的轴向功率。

可以理解的是，通过设置第一子吸收体1121和第二子吸收体1122，可以吸收核反应堆堆芯中的中子。当核反应堆运行时，将设置有第一子吸收体1121和第二子吸收体1122的控制棒110插入核反应堆堆芯中，第一子吸收体1121和第二子吸收体1122和核反应堆堆芯中的中子发生反应，从而使核反应堆停堆。

在其中一个实施例中，启动中子源120包覆于中子吸收体112的外侧。

具体地，中子吸收体112和启动中子源120均位于棒体111的上端部1112和下端部1113之间，中子吸收体112设置于棒体111的通孔1111内，启动中子源120也设置于棒体111的通孔1111内，且启动中子源120包覆于中子吸收体112的外侧，启动中子源120和中子吸收体112的尺寸可以根据核反应堆堆芯的预设轴向功率进行调节。

需要说明的是，中子具有较强的穿透能力，启动中子源120包覆于中子吸收体112的外侧，并不会影响中子吸收体112吸收中子的能力。

可以理解的是，启动中子源120包覆于中子吸收体112的外侧，其中，设置有启动中子源120的控制棒110插入核反应堆堆芯中，启动中子源120可以使核反应堆启动。当核反应堆启动后，将设置有启动中子源120的控制棒110从核反应堆堆芯中提出，此时，核反应堆处于运行状态。当需要核反应堆停堆时，将设置有中子吸收体112的控制棒110插入核反应堆堆芯中，中子吸收体112可以吸收核反应堆堆芯中的中子，即可以使核反应堆停堆。

在其中一个实施例中，请参阅图3和图4，启动中子源120围设于棒体111的外侧。

具体地，启动中子源120围设于棒体111的外侧，棒体111上的通孔1111内设置有中子吸收体112，中子吸收体112位于棒体111的上端部1112和下端部1113之间。启动中子源120和中子吸收体112的尺寸可以根据核反应堆堆芯的预设轴向功率进行调节。

可以理解的是，通过将启动中子源120围设于棒体111的外侧，从而使得启动中子源120与控制棒110一体化设置，进而使得在核反应堆启动后，将设置有启动中子源120的控制棒110从核反应堆堆芯中提出，使控制棒110位于核反应堆堆芯的上部。如此，可以减少启动中子源120和核反应堆堆芯中的中子之间发生反应，从而减少启动中子源120的消耗，进而延长了启动中子源120的使用寿命，适应长寿期先进核反应堆的启动和监督要求。

在其中一个实施例中，请参阅图3，控制棒110组件还包括固定环(图未标)，固定环围设于棒体111的外侧，启动中子源120设置于固定环上。

可以理解的是，通过设置固定环，将启动中子源120设置于固定环上，固定环用于固定启动中子源120，从而提高启动中子源120的稳定性。

在其中一个实施例中，请参阅图3，固定环与棒体111可拆卸连接。

示例性的，固定环上设置有卡扣，棒体111上设置有卡槽，通过将卡扣卡设于卡槽中，从而将固定环与棒体111连接在一起。可以理解的是，固定环与棒体111亦可以通过螺钉紧固，本申请实施例对固定环与棒体111的连接方式不做限定。

可以理解的是，固定环与棒体111可拆卸连接，该操作简便，可以节约时间。

在其中一个实施例中，控制棒110组件还包括保护层，保护层包覆于启动中子源120的外侧。

示例性的，在热中子反应堆中，一些启动中子源120与热中子反应明显，如镅铍源、钚铍源，但与快中子反应不多，当在启动中子源120外侧包覆一层吸收热中子而不吸收快中子的材料，从而可以在一定程度上减少启动中子源120的消耗。

可以理解的是，通过设置保护层，可以在一定程度上减少启动中子源120的消耗，从而延长了启动中子源120的使用寿命，适应长寿期先进核反应堆的启动和监督要求。

在其中一个实施例中，保护层的材质包括金属镉。

示例性的，保护层为镉涂层时，镉涂层可以吸收热中子，但不吸收快中子。当核反应堆为热中子反应堆，某些启动中子源120与热中子反应很明显，此时，若在启动中子源120外侧包覆一层镉涂层，可以在一定程度上减少启动中子源120的消耗。

可以理解的是，保护层材质的选择可以在一定程度上影响保护层与启动中子源120的反应程度，选择合适的材质，可以更大程度上减少启动中子源120的消耗。

在其中一个实施例中，中子吸收体112的材质包括碳化硼、硼化铪。

示例性的，中子吸收体112的材质为碳化硼时，碳化硼具有中子吸收截面大，辐照稳定性能好等优点，是一种常用的核反应堆中子吸收控制材料。可以理解的是，中子吸收体112的材质可以是高硼钢、银铟镉合金、二硼化锆、二硼化钛、二硼化铪、钛酸钆或钛酸镝等，本申请实施例对中子吸收体112的类型不做限定。

可以理解的是，中子吸收体112的材质对中子吸收体112吸收中子的能力具有一定程度的影响，选择合适的材质，可以使中子吸收体112具有更好的吸收能力，从而使控制棒110具有更好的控制作用。

在其中一个实施例中，启动中子源120的材质包括锎、锑铍。

具体地，启动中子源120的材质可以是锎、锑铍、镅铍和钚铍等，其中，材质为锎、锑铍、镅铍和钚铍的启动中子源120依次可以称为锎源、锑铍源、镅铍源和钚铍源。锎源为一次中子源，其价格昂贵、半衰期较长(锎源中的Cf-252半衰期约为2.6年)，通常在核反应堆首循环中使用；锑铍源为二次中子源，其价格便宜、半衰期短(锑铍源中的Sb-124半衰期为60.2d)，需要提前在核反应堆中辐照激活以供后续循环使用，镅铍源半衰期较长(Am-241、Be-9，Am-241的半衰期为433年)、钚铍源半衰期较长(Pu-238、Pu-239、Be-9，Pu-238的半衰期为87年，Pu-239的半衰期为24110年)，然而镅铍源和钚铍源容易和核反应堆堆芯中的中子发生反应。

可以理解的是，通过选择材质合适的启动中子源120，有利用控制核反应堆的启动。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。