一种适用于超临界反应堆的控制棒组件和导向组件结构的制作方法

本发明涉及核反应堆工程技术领域，具体涉及一种适用于超临界反应堆的控制棒组件和导向组件结构。

背景技术：

在反应堆中，控制棒结构能快速吸收中子，调节反应堆的反应性；而导向结构是控制棒驱动线的最重要的精密部件之一，它最基本的功能是为控制棒的提升和下插提供可靠导向和保护，确保反应堆在启动、功率调节、功率维持、以及正常和事故工况下控制棒能够快速插入堆芯，实现安全停堆。

目前，国内外商用压水反应堆中采用的控制棒组件基本为束棒型控制棒组件，其导向结构仅为控制棒组件提供必要的导向通道，而无法实现对控制棒快速落棒的缓冲功能。商用压水反应堆对控制棒组件落棒缓冲依靠燃料组件来实现，由水力缓冲和机械缓冲两部分构成。水力缓冲是在燃料组件内控制棒导向管末段设置一段缩径段，在控制棒落棒末期通过控制棒挤压导向管内的冷却剂，产生一个向上的流体力，对控制棒驱动线运动部件起到缓冲作用；机械缓冲是在控制棒组件的星形架底部设置一个弹簧座，内置螺旋弹簧，在控制棒组件落至燃料组件上管座时，弹簧座受到上管座的反作用力，弹簧座内的螺旋弹簧被压缩，从而吸收掉控制棒组件剩余的冲击力。

超临界反应堆控制棒组件采用了十字型控制棒组件，由于控制棒驱动线运行在高温、高辐照的条件下，十字形控制棒金属受辐照后会产生变形，因而，十字形控制棒与燃料组件通道之间的间隙过小将可能导致卡棒等情况产生，因此超临界反应堆中的十字型控制棒难以通过缩小控制棒与燃料组件之间的十字形间隙来实现足够的水力缓冲。所以，对于超临界反应堆，控制棒驱动线快速落棒的水力缓冲已不能再通过燃料组件来实现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：现有超临界反应堆中十字型控制棒通过缩小控制棒与燃料组件之间的十字形间隙来实现水力缓冲时容易出现卡棒的问题，目的在于提供了一种适用于超临界反应堆的控制棒组件和导向组件结构，其通过相互配合，能有效实现超临界反应堆中水力缓冲功能的目的，且不会导致卡棒等情况产生，有效防止落棒冲击对驱动线结构造成破坏，对于超临界反应堆具有重要的工程意义。

本发明通过下述技术方案实现：

一种适用于超临界反应堆的控制棒组件和导向组件结构，包括控制棒组件和导向组件；所述控制棒组件包括连接柄组件，顶端安装在连接柄组件上的十字形控制棒；所述连接柄组件上还设置有与十字形控制棒平行设置的缓冲棒；所述导向组件包括导向筒体，设置在导向筒体底端与缓冲棒配合实现水力缓冲的水力缓冲结构。

现有技术中，为了达到符合超临界反应堆用的水力缓冲作用的要求，水力缓冲的实现原理是：通过缩小控制棒与燃料组件之间的十字形间隙来完成。实现水力缓冲的具体操作方式是：改变与十字型控制棒相配合的控制棒通道，即在在燃料组件内控制棒导向管末段设置一段直径逐渐减小的缩径段，通过缩小十字型控制棒与控制棒导向管之间的间隙来增加水缓冲力，进而满足超临界反应堆中水力缓冲的要求。

现有技术中，该缩径段的设置方式导致了十字型控制棒与缩径段之间的间隙较小，在超临界反应堆中，由于十字型控制棒长期在高温、高辐照的条件下会产生变形，如果十字型控制棒与缩径段之间的间隙过小，则会出现卡棒的问题，如果十字型控制棒与缩径段之间的间隙过大，则达不到水力缓冲的要求。

因而，本发明通过增加缓冲棒和水力缓冲结构，有效改变原有的采用十字形控制棒进行水力缓冲的方式，采用缓冲棒来承受水力缓冲作用，在该方式下，可以不用限制十字型控制棒与控制棒导向管之间的间隙大小，因而即使十字型控制棒在高温、高辐照条件下产生了变形，也不会导致卡棒的现象。

进一步，所述水力缓冲结构包括与十字形控制棒相对应的十字形控制棒通道，与缓冲棒相对应的水力缓冲孔道，设置在水力缓冲孔道底端的端塞，以及设置在端塞上的排水孔。

本发明通过增加缓冲棒，并优化水力缓冲结构的设置方式，即使十字型控制棒在高温、高辐照条件下产生了变形，也不会导致卡棒的现象。即，本发明通过缓冲棒与水力缓冲孔道配合实现水力缓冲功能，这种结构形式避免了由燃料组件承受落棒冲击，提高了反应堆的安全性。

由于缓冲棒的受力面积相对十字形控制棒而言更小，因而如果仅仅采用现有技术中缩径段的设置方式并不能达到超临界反应堆中所需的水力缓冲要求，因而需要另外一种能够更加有效增加水缓冲力的实现方式。发明人经过大量试验研究后发现，直接在水力缓冲孔道底端设置一个端塞，能在缓冲棒高速下落过程中，使水力缓冲孔道内冷却剂受到高速挤压，使得其内部压力剧增，骤然增加缓冲棒下方水的反作用力，从而为高速下落的缓冲棒提供一个更大的向上的水作用力，进而达到对高速下落的控制棒组件产生向上的阻力，实现水力缓冲功能。本发明的实现方式与现有技术中减小间隙的方式存在本质区别，并且采用该方式获得的水缓冲力能有效达到超临界反应堆中所需的水力缓冲要求，因而该方式达到的效果显著优于现有技术的方式，效果十分显著。

并且本发明中通过在端塞上设置排水孔，还能对水力缓冲作用的大小进行调节，本发明通过水力缓冲孔道与缓冲棒之间间隙大小的调节，或者排水孔大小的调节，可有效实现控制棒落棒末期的挤水效果，进而实现控制棒落棒末期的水力缓冲功能。

更进一步，为了达到最佳的水力缓冲作用，所述水力缓冲孔道的内侧侧壁与缓冲棒的外壁之间的间隙设置在0.1mm～0.5mm之间，所述水力缓冲孔道包括缓冲段和设置在缓冲段底端且直径小于缓冲段的缩径段。通过该间隙大小以及缩径段的设置，可以保障提供有效的水力缓冲效果。

更进一步地，所述缓冲棒的数量为四个，周向分布于连接柄组件下方。

优选地，所述连接柄组件包括顶端具有内螺纹的连接套筒，固定在连接套筒外壁上的星形架，设置在连接套筒底端内部的空腔体，设置在空腔体内部且沿着连接套筒轴向设置的导向杆，套接在导向杆上的缓冲弹簧，以及套接在导向杆上且底端与缓冲弹簧连接、顶端伸入空腔体内的缓冲活塞。所述水力缓冲结构顶端还设置有用于承载缓冲活塞压力的支承面。

通过上述结构的设置，在落棒末期，控制棒组件上4个缓冲棒将对应插入到4个水力缓冲孔道之中，通过小间隙挤水和小孔出流实现水力缓冲。同时，水力缓冲结构为机械缓冲提供必要的支承面，水力缓冲行程末期，控制棒组件的缓冲活塞将与水力缓冲结构的支承面产生碰撞，从而压缩缓冲弹簧，实现机械缓冲。

由于连接柄组件内部设置了机械缓冲弹簧，有效吸收水力缓冲末期控制棒组件的剩余冲击能量，实现机械缓冲功能。因而，通过上述结构的设置，不仅仅能实现水力缓冲的目的，而且还避免了由燃料组件承受的落棒冲击，能有效实现机械缓冲的目。通过本发明结构的优化设置，能达到双重缓冲的目的，使安全性更高。而且两种缓冲方式不会造成相互影响，反而能达到相互促进的效果，并且也不会对十字形控制棒的使用造成影响，效果十分显著。

为了达到最佳地导向效果，所述导向筒体包括上部导向筒和下部导向筒；

上部导向筒包括上部导向筒筒体，设置在上部导向筒筒体底端的上部导向筒法兰紧固件，设置在上部导向筒筒体内且沿着上部导向筒筒体的轴向设置的上部导向定位键，以及设置在上部导向筒筒体上的流水孔；

下部导向筒包括通过下部导向筒法兰紧固件与上部导向筒法兰紧固件固定的下部导向筒筒体，设置在下部导向筒筒体内且与上部导向定位键位于同一直线上的下部导向定位键；

所述连接柄组件上设置有与上部导向定位键和下部导向定位键配合导向的凹槽；所述水力缓冲结构固定在下部导向筒的底端位置处。

更进一步地，所述连接柄组件上设置有两个180°对称的凹槽，所述上部导向筒筒体上则设置有两个与凹槽对应的上部导向定位键，所述下部导向筒筒体上则设置有两个与凹槽对应的下部导向定位键。所述水力缓冲结构与下部导向筒之间焊接。

本发明中的凹槽与导向组件结构的导向定位键配合用于实现控制棒组件的导向和定位，使十字形控制棒的运行更加稳定。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的十字型控制棒在高温、高辐照条件下变形后，依然能有效运行，在达到水力缓冲目的的同时不会出现卡棒现象，效果十分显著；

2、本发明采用缓冲棒替换十字型控制棒承受水力挤压，进而有效实现了十字型控制棒的保护功能，提高反应堆的安全性；

3、本发明通过调节水力缓冲孔道与缓冲棒之间的间隙和排水孔的大小，可实现对水力缓冲效果的调节；

4、本发明结构简单，还实现了控制棒驱动线全行程导向和保护功能，同时也实现了落棒水力和机械缓冲功能，避免由燃料组件承受落棒冲击，提高了反应堆的安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明中控制棒组件的结构示意图。

图2为本发明中图1的a向的结构示意图。

图3为本发明中图2的b-b向剖面结构示意图。

图4为本发明中导向组件的结构示意图。

图5为本发明中图4的c-c向剖面结构示意图。

图6为本发明中图4的d-d向剖面结构示意图。

图7为本发明中图4的e-e向剖面结构示意图。

图8为本发明中图4的f-f向剖面结构示意图。

图9为本发明中图8的g-g向剖面结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-连接柄组件，2-缓冲棒，3-十字形控制棒，4-上部导向筒，5-下部导向筒，6-水力缓冲结构；

101-连接套筒，102-导向杆，103-星形架，104-缓冲弹簧，105-缓冲活塞；

401-上部导向筒筒体，402-上部导向筒法兰紧固件，403-流水孔，404-上部导向定位键；

501-下部导向筒筒体，502-下部导向筒法兰紧固件，503-下部导向定位键；

601-十字形控制棒通道，602-水力缓冲孔道，603-端塞，604-排水孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种适用于超临界反应堆的控制棒组件和导向组件结构，包括控制棒组件和导向组件；其中，控制棒组件包括连接柄组件1和十字形控制棒3；所述导向组件包括导向筒体和水力缓冲结构6，如图1和图4所示。本实施例中，在连接柄组件1上增设有缓冲棒2，同时优化了水力缓冲结构6。通过该设置，有效达到避免十字形控制棒变形导致的卡棒现象，并且也能有效达到水力缓冲的目的，具体设置如下：

缓冲棒2与十字形控制棒3平行设置。水力缓冲结构6包括与十字形控制棒3相对应的十字形控制棒通道601，与缓冲棒2相对应的水力缓冲孔道602，设置在水力缓冲孔道602底端的端塞603，以及设置在端塞603上的排水孔604，如图9所示。连接柄组件1连接了4个90°周向分布的缓冲棒2。十字形控制棒通道601为十字形控制棒提供提升和下插的路径，水力缓冲孔道602为控制棒组件提供一个向上的水力缓冲功能。

在落棒末期，缓冲棒2将插入水力缓冲孔道602之中，冷却剂通过缓冲棒2与水力缓冲孔道602之间的环形间隙以及排水孔604排出，由于水力缓冲孔道602内冷却剂受到高速挤压，使得其内部压力剧增，从而对高速下落的控制棒组件产生向上的阻力，通过水阻力实现控制棒落棒末期的水力缓冲功能。

本发明还可通过端塞603上设置的排水孔604的大小或者水力缓冲孔道602的内侧侧壁与缓冲棒2的外壁之间的间隙来调节水缓冲力的大小，本实施例中水力缓冲孔道602的内侧侧壁与缓冲棒2的外壁之间的间隙优选为0.1mm～0.5mm，通过该设置，能保障提供有效的水力缓冲效果。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，优化了连接柄组件1的结构，通过连接柄组件1的优化进而达到机械缓冲的目的。

如图1-图3所示，该连接柄组件1包括顶端具有内螺纹的连接套筒101，固定在连接套筒101外壁上的星形架103，设置在连接套筒101底端内部的空腔体，设置在空腔体内部且沿着连接套筒101轴向设置的导向杆102，套接在导向杆102上的缓冲弹簧104，以及套接在导向杆102上且底端与缓冲弹簧104连接、顶端伸入空腔体内的缓冲活塞105。

即，连接柄组件1上端设置了连接套筒101，连接套筒101顶部设置了内螺纹，方便与可拆接头进行连接，通过可拆接头与驱动杆连接，由控制棒驱动机构实现下插和提升。连接套筒101内部的空腔体为圆柱形腔体，腔体内部设置了缓冲弹簧104，当缓冲活塞105向上运动时压缩缓冲弹簧104实现机械缓冲功能，导向杆102为缓冲活塞105的运动提供导向。

同时，水力缓冲结构6的顶面为机械缓冲提供必要的支承面，如图8所示，水力缓冲末期，控制棒组件的缓冲活塞105将与水力缓冲结构6顶面碰撞，从而压缩缓冲弹簧104，实现机械缓冲功能。这种结构形式避免由燃料组件承受落棒冲击，提高了反应堆的安全性。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例优化了导向筒体的结构，如图4-图7所示，导向筒体包括上部导向筒4和下部导向筒5；上部导向筒由上部导向筒筒体401、上部导向筒法兰紧固件402、流水孔403和上部导向定位键404构成；下部导向筒5由下部导向筒筒体501、下部导向筒法兰紧固件502和下部导向定位键503构成。

上部导向筒4包括上部导向筒筒体401，设置在上部导向筒筒体401底端的上部导向筒法兰紧固件402，设置在上部导向筒筒体401内且沿着上部导向筒筒体401的轴向设置的上部导向定位键404，以及设置在上部导向筒筒体401上的流水孔403；

下部导向筒5包括通过下部导向筒法兰紧固件502与上部导向筒法兰紧固件402固定的下部导向筒筒体501，设置在下部导向筒筒体501内且与上部导向定位键404位于同一直线上的下部导向定位键503；

所述连接柄组件1上设置有与上部导向定位键404和下部导向定位键503配合导向的凹槽；所述水力缓冲结构6固定在下部导向筒5的底端位置处。

连接柄组件1的星形架103上开了两个180°对称的凹槽，上部导向筒筒体401上则设置有两个与凹槽对应的上部导向定位键404，下部导向筒筒体501上则设置有两个与凹槽对应的下部导向定位键503。通过凹槽与上部导向定位键和下部导向定位键的配合用于实现控制棒组件的导向和定位。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。