一种控制棒及卧式高温气冷堆

技术领域

本发明属于核工业技术领域，具体涉及一种控制棒以及包括该控制棒的卧式高温气冷堆。

背景技术

高温气冷堆(HTGR)是核能反应堆中的一种堆型，是在早期气冷堆、改进型气冷堆的基础上发展起来的先进堆型，如德国的钍高温气冷堆示范电厂(THTR-300)。随着核电厂的安全问题日益受到重视，目前高温气冷堆商用电站也从原来的向大型化方向发展，转变为开发具有非能动固有安全性的模块式高温气冷堆。

在高温气冷堆中，控制棒在寿期中面临较高的温度，尤其是在靠近冷却剂出口端的孔道中，面临1000℃甚至更高的温度。对于卧式反应堆，宜采用横向插入式控制棒。与驱动机构连接处要求控制棒具有耐高温的性能及良好的韧性，以保证在面临地震等冲击作用下控制棒支撑有效；而对于插入堆芯的控制棒末端，控制棒需要具备承受1000℃甚至更高温度的更好的耐高温性能，同时具备较高的力学强度。而现有的控制棒均采用一体式的全金属结构，而其所采用的金属结构材料无法同时满足控制棒在插入堆芯的控制棒末端具有更高的耐高温性能与较高的力学强度，以及在控制棒与驱动机构连接处具有良好的韧性。

此外，由于控制棒横向布置，芯块易在轴向发生错动，造成反应性控制偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的上述不足，提供一种控制棒以及包括该控制棒的卧式高温气冷堆，所述控制棒分为前、后相互连接的两段，并且前、后两段分别采用不同的材料制成，从而可以满足不同工作环境对材料的韧性以及抗高温等性能的需要。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种控制棒，所述控制棒包括前段、后段以及连接节，所述连接节可拆卸地将前段与后段连接成一体，所述前段的表层采用金属材料制成，所述后段的表层采用陶瓷类材料制成。

优选的，所述前段包括第一包壳和驱动机构连接头，所述第一包壳与驱动机构连接头连接，所述第一包壳与所述驱动机构连接头采用镍金合金材料制成，所述后段包括第二包壳和末端端头，所述第二包壳与所述末端端头连接，所述第二包壳和所述末端端头采用石墨与SiC的复合材料制成。

优选的，所述前段还包括第一吸收体芯块和第一压紧块，所述第一吸收体芯块和所述第一压紧块均设于第一包壳内部，第一压紧块位于第一吸收体芯块与驱动机构连接头之间，用于压紧第一吸收体芯块，所述后段还包括第二吸收体芯块和第二压紧块，所述第二吸收体芯块和第二压紧块均设于所述第二包壳内部，第二压紧块位于第二吸收体芯块与末端端头之间，用于压紧第二吸收体芯块。

优选的，所述第一吸收体芯块及第二吸收体芯块均采用B

优选的，所述连接节包括结构体、钩爪组件，所述结构体的前端设有前段焊接定位台，所述结构体通过所述前段焊接定位台与所述第一包壳固定连接，所述结构体的后端为开口端，结构体为壳体结构，其具有内腔，所述内腔壁面上设有环形凸台，所述环形凸台将所述内腔分隔成第一孔槽与第二孔槽，所述第二孔槽位于所述第一孔槽的内侧，所述环形凸台的中部为钩爪入口，所述钩爪组件包括钩爪块，所述钩爪块的一端的端部设有后段焊接定位台，所述钩爪块通过所述后段焊接定位台与所述第二包壳固定连接，钩爪块的另一端端部设有钩爪，所述钩爪的两端分别沿径向向外突出形成搭接部，所述钩爪依次通过第一孔槽和钩爪入口，进入第二孔槽内，通过旋转钩爪块以使得钩爪的搭接部能够搭接在环形凸台上，所述钩爪块的其他部分位于所述第一孔槽内，所述钩爪块与所述结构体固定连接。

优选的，所述结构体的壳体结构上开设有第一连接销孔，所述钩爪块上与所述结构体对应的位置上开设有第二连接销孔，所述第一连接销孔与第二连接销孔相互连通，通过将连接销依次插入第一连接销孔与第二连接销孔，以将结构体与钩爪块连接，所述连接节还包括吸收组件，所述吸收组件包括吸收体块，所述结构体的壳体结构上还开设有吸收腔体，其一端与所述第一连接销孔相连通，另一端延伸至所述结构体的端面，所述吸收体块设置在所述吸收腔体内。

优选的，所述吸收腔体的数量为多个，多个吸收腔体绕结构体的中心分布在同一圆周上，每个吸收腔体的形状为扇形。

优选的，所述连接节还包括定位组件，所述定位组件包括设置在第一孔槽内壁上的定位槽与设置在所述钩爪块外壁上的定位键，所述定位槽与所述定位键均设置有多个，并且二者的数量相同，所述定位键与所述定位键分别沿着第一孔槽的内壁的圆周与钩爪块的外壁的圆周均匀分布，且当定位键与定位槽相互卡合时，钩爪的搭接部恰好搭接在环形凸台上。

优选的，所述连接销包括第一段与第二段，所述第一段与所述第二段通过穿钉铆接在一起，所述连接销的第一段能够插入至所述第一连接销孔和第二连接销孔中，在第一段插入后，所述第二段在重力作用下，能够沿着第一段与第二段的连接点向下旋转至与第一段垂直，从而与第二吸收体芯块抵接。

优选的，所述连接节中的结构体采用镍合金材料制成，钩爪块采用石墨与SiC的复合材料制成。

优选的，所述驱动机构连接头与所述末端端头上分别开设有与外部连通的第一通气孔与第二通气孔。

本发明还提供一种卧式高温气冷堆，包括卧式堆芯，还包括上述的控制棒，所述控制棒横向设置在所述卧式堆芯中。

本发明中的控制棒采用两段式结构，并且前后段通过连接节可拆卸地连接成一体，其中，前段采用金属类材质，后段采用陶瓷类材质。与驱动机构连接头连接的前段具有较高韧性的同时，后段具有更高的耐高温性能，从而使控制棒整体具有更高的耐高温性能。同时避免了异种材料的焊接问题，并考虑了芯块的压紧，避免其产生轴向错动，造成反应性控制偏差。对于连接部分，依然布置了吸收体芯块，避免了连接部分吸收体芯块缺失造成反应性控制偏差。

附图说明

图1是本发明实施例1中的控制棒的整体结构示意图；

图2是本发明实施例1中的连接节的结构示意图；

图3是本发明实施例1中的连接节的结构体的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是图3中A-A面的截面图；

图6是本发明实施例1中的钩爪块的结构示意图；

图7是图6的右视图；

图8是本实施例1中的连接销第一段与第二段平行位置的示意图；

图9是本实施例1中的连接销第一段与第二段垂直位置的示意图；

图10是本实施例1中的第一压紧块的作用力示意图；

图11是本实施例1中的第二压紧块的作用力示意图。

图中：1-驱动机构连接头，2-第一压紧块，3-第一包壳，4-第一吸收体芯块，5-连接节，51-结构体，52-钩爪块，53-吸收体块，54-连接销，511-第一连接销孔，512-吸收腔体，514-定位槽，515-环形凸台，516-前段焊接定位台，517-第一孔槽，518-第二孔槽，519-钩爪入口，521-定位键，522-后段焊接定位台，523-第二连接销孔，524-钩爪，6-第二包壳，7-第二吸收体芯块，8-第二压紧块，9-末端端头。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种控制棒，所述控制棒包括前段、后段以及连接节，所述连接节可拆卸地将前段与后段连接成一体，所述前段的表层采用金属材料制成，所述后段的表层采用陶瓷类材料制成。

本发明还提供一种卧式高温气冷堆，包括卧式堆芯，还包括上述的控制棒，所述控制棒横向设置在所述卧式堆芯中。

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种控制棒，该控制棒可用于卧式堆芯中，所述控制棒为圆柱体结构，其包括前段、后段以及连接节5，前段与后段的长度相当，连接节5可拆卸地将前段与后段连接成一体，其中，前段的表层采用金属材料制成，后段的表层采用陶瓷类材料制成。

在本实施例中，控制棒用于插入堆芯中，以控制堆芯的反应活性，其中，控制棒的后段需要插入堆芯的内部，由于堆芯的内部的温度更高，大约1000℃，所以控制棒后段采用陶瓷类材料能够有效地增加耐高温能力；而与驱动机构连接头1连接的控制棒前段的环境温度没有控制棒后段高，前段宜采用韧性高的金属类材料，以面对地震等冲击载荷时，对控制棒具有有效地支撑效果。

在本实施例中，前段包括第一包壳3和驱动机构连接头1，第一包壳3的前端与驱动机构连接头1连接，第一包壳3与驱动机构连接头1采用镍金合金材料制成，以保证其具有良好的韧性，二者之间采用焊接连接。后段包括第二包壳6和末端端头9，第二包壳6与末端端头9连接，其中，第二包壳6的后端为开口状，末端端头9封堵住第二包壳6的后端开口。第二包壳6和末端端头9采用石墨与SiC的复合材料制成，以保证其具有良好的耐高温性能。末端端头9与第二包壳6采用焊接连接。

在本实施例中，前段还包括第一吸收体芯块4和第一压紧块2，第一吸收体芯块4和第一压紧块2均设于第一包壳3内部，第一压紧块2位于第一吸收体芯块4与驱动机构连接头1之间，用于压紧第一吸收体芯块4，后段还包括第二吸收体芯块7和第二压紧块8，第二吸收体芯块7和第二压紧块8均设于第二包壳6内部，第二压紧块8位于第二吸收体芯块7与末端端头9之间，用于压紧第二吸收体芯块7。

在本实施例中，驱动机构连接头1内侧设有圆台孔，第一压紧块2的一端为圆台面，驱动机构连接头1的圆台孔与第一压紧块2的圆台面相配合，从而依靠第一压紧块2所受重力压紧第一吸收体芯块4。

同样的，末端端头9内侧设有圆台孔，第二压紧块8的一端为圆台面，末端端头9的圆台孔与第二压紧块8的圆台面相互配合，从而依靠第二压紧块8所受重力压紧第二吸收体芯块7。

第一吸收体芯块4与第二吸收体芯块7的形状均为圆柱体型，二者的外径分别微小于第一包壳3与第二包壳6的内径。

在本实施例中，第一吸收体芯块4及第二吸收体芯块7均采用B

如图2、3所示，在本实施例中，连接节5包括结构体51、钩爪组件，结构体51的前端设有前段焊接定位台516，前段焊接定位台516的外圆周向上凸起形成第一凸部，第一包壳3内圆周向上凸起形成第二凸部，第一包壳3管通过前段焊接定位台516与结构体51固定连接，并且第一凸部搭接在第二凸部的外周，第二凸部与前段焊接定位台516的端面连接，并压紧吸收腔体512中的吸收体块53。

在本实施例中，结构体51的材料采用与第一包壳3相同的镍金合金材料，结构体51的后端为开口端，结构体51为壳体结构，其具有内腔，内腔为圆孔状，且内腔的中轴线与结构体51的中轴线重合，内腔沿着结构体51的后端的开口端向内延伸，且不贯穿结构体51。内腔壁面上设有环形凸台515，环形凸台515将内腔分隔成第一孔槽517与第二孔槽518，第二孔槽518位于第一孔槽517的内侧，其中，第一孔槽517的长度大于第二孔槽518的长度，第二孔槽518的长度仅大于钩爪524的宽度。

如图4、6、7所示，环形凸台515的中部为钩爪入口519，钩爪组件包括钩爪块52，钩爪块52采用与第二包壳6相同的石墨与SiC的复合材料，钩爪块52的一端的端部设有后段焊接定位台522，后段焊接定位台522的形状为外周开设的环形槽口，钩爪块52通过后段焊接定位台522与第二包壳6管固定连接，第二包壳6的外壁的端部与后段焊接定位台522连接。钩爪块52的另一端端部设有钩爪524，钩爪524的两端分别沿径向向外突出形成搭接部，具体的，钩爪524为长方体，其通过一段直径较小的圆柱体与钩爪块52本体连接，钩爪524依次通过第一孔槽517和钩爪入口519，进入第二孔槽518内，其中，环形凸台515分设有两块，分别相对设置在内腔的内壁上，二者之间形成钩爪入口519，钩爪入口519的中心为圆形，钩爪入口519还包括一个与钩爪524形状相适配的长方形，长方形贯穿圆形的中心以形成钩爪入口519，在钩爪524插入时，使得钩爪524与钩爪入口519对齐，从而将钩爪524放入第二孔槽518内，然后通过旋转钩爪块52以使得钩爪524的搭接部能够搭接在环形凸台515上，此时，钩爪块52的其他部分位于第一孔槽517内，钩爪块52与结构体51固定连接。

在本实施例中，结构体51的壳体结构上开设有第一连接销孔511，钩爪块52上与结构体51对应的位置上开设有第二连接销孔523，具体的，第一连接销孔511与第二连接销孔523分别设置有四个，每个第一连接销孔511与每个第二连接销孔523在位置上相互对应连通，第一连接销孔511与第二连接销孔523的直径相同，且第二连接销孔523的长度长于第一连接销孔511的长度，第一连接销孔511与第二连接销孔523相互连通，通过将连接销54依次插入第一连接销孔511与第二连接销孔523，以将结构体51与钩爪块52连接。

在本实施例中，连接节5还包括吸收组件，吸收组件包括吸收体块53，结构体51的壳体结构上还开设有吸收腔体512，其一端与第一连接销孔511相连通，另一端延伸至结构体51的端面，吸收腔体512的直径大于第一连接销孔511的直径，吸收体块53为与吸收腔体512形状相适配的结构，吸收体块53设置在吸收腔体512内。

如图5所示，在本实施例中，进一步的，吸收腔体512的数量为多个，具体来说，吸收腔体512的数量为四个，四个吸收腔体512绕结构体51的中心分布在同一圆周上，并且相邻的两个吸收腔体512的间隔距离相同，从结构体51的整体结构来说，吸收腔体512沿着结构体51长度方向布置，并且吸收腔体512位于结构体51外壁与内腔的内壁之间的位置，每个吸收腔体512的形状为扇形，相对应的，吸收体块53的数量为四个，每个吸收体块53为与吸收腔体512的形状相适配的扇形。

在本实施例中，连接节5还包括定位组件，定位组件包括设置在第一孔槽517内壁上的定位槽514与设置在钩爪块52外壁上的定位键521，定位槽514与定位键521均设置有三个，并且三个定位键521与定位槽514分别沿着第一孔槽517的内壁以及钩爪块52的外壁间隔均匀分布，当钩爪524伸入第二孔槽518内并且旋转后，直至定位键521与定位槽514相互卡合时，钩爪524的搭接部恰好搭接在环形凸台515上，此时，钩爪524的定位完毕。

如图8、9所示，在本实施例中，连接销54为两段式，其包括第一段与第二段，且第一段的长度长于第二段的长度，第一段与第二段通过穿钉铆接在一起，连接销54的第一段能够插入至第一连接销孔511和第二连接销孔523中，在插入时，第一段与第二段保持直线状，在第一段插入后(第二段从第二连接销孔523的端部伸出)，于是，第二段在重力作用下，能够沿着第一段与第二段的连接点(穿钉)向下旋转至与第一段垂直，从而第二段的一侧与第二吸收体芯块7抵接，从而实现连接销54的单侧固定，连接销54的另一端由吸收体块53压住。

如图10、11所示，在本实施例中，驱动机构连接头1与末端端头9上分别开设有与外部连通的第一通气孔与第二通气孔，用于平衡控制棒内外压差。

本实施例中的控制棒的组装装配过程如下所示：

在控制棒组装装配时，首先组装连接节5，将结构体51水平夹持并固定，用钩爪块52的钩爪524对准钩爪入口519并插入，随后对钩爪块52进行旋转，直至定位键521与定位槽514卡和，此时钩爪524已钩住环形凸台515，使结构体51与钩爪524轴向固定；

同时，结构体51上的第一连接销孔511与钩爪块52上的第二连接销孔523相对齐。此时，准备将连接销54从第一连接销孔511的端部插入，在插入前，应将连接节5调整为竖直夹持，保持结构体51在上，然后将连接销54插入，应呈图8的状态。待连接销54完全穿过第一连接销孔511和第二连接销孔523之后，将连接节5夹持方向改为水平，此时连接销54的第二段在重力作用下变为图9中的状态(沿着穿钉向下旋转直至与第一段垂直)，从而在一端钩住第二连接销孔523；

随后将后段控制棒的第二包壳6与钩爪块52的后段焊接定位台522对齐并环焊焊接，随后填入第二吸收体芯块7，以压紧连接销54的第二段，使其钩住第二连接销孔523。

随后先将第二压紧块8填入第二包壳6，然后将末端端头9与第二包壳6焊接连接，从而封闭后段控制棒，完成该部分装配；

随后进行剩余连接节5及前段控制棒的装配。将吸收体块53填入吸收腔体512，并使吸收体块53的一端顶住连接销54的第一段的端部。然后将第一包壳3与结构体51的前段焊接定位台516对齐，并环焊焊接，此时连接节5部分已装配完成。随后向第一包壳3内填入第一吸收体芯块4，之后再将第一压紧块2填入第一包壳3，然后将驱动机构连接头1与第一包壳3焊接连接，封闭前段控制棒，此时控制棒已全部完成装配流程。

在本实施例中，对于前段、后段控制棒的第一压紧块2与第二压紧块8部分，其结构如图10、11所示，其中，图10为前段控制棒该部分的结构示意图，控制棒为横向布置，压紧块在重力作用下两个方向分力如图10所示，其中水平方向分力起到压紧第一吸收体芯块4的作用。此外，寿期中的第一吸收体芯块4会产生气体，驱动机构连接头1上的第一通气孔可起到平衡第一包壳3内外压差的作用。图11为后段控制棒的第二压紧块8的部分结构示意图，其对第二吸收体芯块7的压紧作用与上述内容类似，这里不再赘述。末端端头9上的第二通气孔可起到平衡第二包壳6内外压差的作用。

在实际布置过程中，由驱动机构连接头1指向末端端头9为控制棒插入堆芯的方向，故后段控制棒的温度应高于前段控制棒的温度。所以，本实施例中的前段控制棒采用耐高温金属材料，具有较高韧性，对于始终保持与驱动机构连接的驱动机构连接头1及可能存在支撑的第一包壳3部分，在整堆面临地震、运输的工况下，可能与支撑点存在磕碰，在此时较高的韧性可以使上述部分依然保持结构完整性。而对于后段控制棒部分，采用陶瓷类材料，在反应堆正常运行及控制棒需要紧急插入工况下，该部分面临较高温度，陶瓷材料的较高强度可使该部分不会发生熔化及过度变形，从而保证整棒的结构完整性，保证控制棒的正常的反应性控制作用。

在实际反应堆运行过程中，正常运行工况下控制棒为部分插入，第二吸收体芯块7位于堆芯活性区，其采用低丰度B

此外，本实施例中的的连接节5部分设计避免了异种材料的焊接问题，有利于控制棒的制造及运行。同时在该部分布置了吸收体芯块，避免了连接部分吸收体芯块缺失造成反应性控制偏差。

本实施例中的控制棒通过前段采用金属材质、后段采用陶瓷类材质的两段式设计，在兼具包括与驱动机构连接端的控制棒前段具有较高韧性的同时，使控制棒后段具有更高的耐高温性能。同时避免了异种材料的焊接问题，并考虑了芯块的压紧，避免其产生轴向错动，造成反应性控制偏差。对于连接部分，依然布置了吸收体芯块，避免了连接部分吸收体芯块缺失造成反应性控制偏差。总体来说，相比传统控制棒具有更高的耐高温性能，并且，结构简单，适应性强，便于加工、安装以及更换等操作，可适用于现有的各类卧式反应堆，尤其是卧式高温气冷堆。

实施例2

本实施例公开一种卧式高温气冷堆，包括卧式堆芯，还包括实施例1中的控制棒，控制棒横向设置在卧式堆芯中。

在本实施例中，由驱动机构连接头1指向末端端头9为控制棒插入堆芯的方向，故后段控制棒的工作环境温度高于前段控制棒的温度。卧式高温气冷堆在正常的运行工况下，控制棒所处环境的平均温度可达700℃，在事故工况下，控制棒所处的环境的温度可达1000℃以上。

因此，本实施例中的控制棒中分为前、后两段式的结构设计，其中，前段控制棒采用金属材料，后段控制棒采用陶瓷类材料，具体的，前段控制棒采用可耐持续高温的镍基合金材料制成，后段控制棒采用石墨、SiC复合材料制成。

本实施例中的控制棒通过前段采用金属材质、后段采用陶瓷类材质的两段式设计，在兼具包括与驱动机构连接端的控制棒前段具有较高韧性的同时，使控制棒后段具有更高的耐高温性能。从而使得卧式高温气冷堆具有更好的安全性与可控制性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。