反应性控制装置的制作方法

本发明涉及核反应堆控制领域，尤其涉及一种反应性控制装置。

背景技术：

零功率反应堆是在低功率水平下运行的可控链式核反应的装置，其为进行反应堆物理研究的重要实验装置之一。零功率反应堆具有运行功率低、结构简单、活性区灵活易变等特点，其用于开展以下工作：对具体反应堆进行物理模拟，从而改进堆设计；系统地研究各种栅格特性；测定材料的吸收截面，检验堆用材料；研究含裂变物质的材料达到临界状态的条件，为核燃料工业提供技术数据；培训堆物理实验人员和堆运行人员等。

加速器驱动次临界反应堆系统(ads)是带有散裂中子靶的高能质子加速器与次临界反应堆耦合集成的新核能系统。如ads铅冷却剂临界反应堆的堆芯结构用于实现质子束流轰击重金属散裂靶，引起散裂反应，为次临界堆提供外源中子以驱动反应堆内的核反应，从而实现核废料嬗变等功能。

反应性控制装置是关系反应堆运行安全的核心部分，常见的用于控制反应性的控制装置多为具有棒状或棒束状的结构，且设置于反应堆堆芯的上方区域。在反应堆启堆、功率转换和停堆过程中，通过控制控制棒的提升、插入和保持运动，从而控制反应堆的反应性，保证反应堆始终工作在受控状态。尤其在发生紧急工况的情况下，控制棒系统一般利用重力自由下落至堆芯从而使反应堆停堆，保证反应堆的安全性。该控制棒控制反应性是基于中子吸收作用实现的。

然而，为了确保反应堆的运行安全，进一步增加安全裕度，以及确保反应堆在发生紧急工况时能够实现紧急安全停堆，仅靠控制棒系统实现停堆具有安全系数低、紧急停堆速度慢等缺点，因而，有必要增加额外的反应性控制装置进行辅助安全停堆。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例的目的是提供一种反应性控制装置，在反应堆设置控制棒系统的基础上，该反应性控制装置能够在反应堆发生紧急工况下实现反应堆快速安全停堆，从而增加反应堆的运行安全系数。

本发明的实施例提供了一种反应性控制装置，包括：石墨活动块，所述石墨活动块设置成，当反应堆运行时，其运动到反应堆堆芯的底部；当所述反应堆停堆时，其离开反应堆堆芯的底部；石墨固定块，所述石墨固定块包围所述石墨活动块，所述石墨活动块设置成能够相对于所述石墨固定块移动；连接部，所述连接部设置成带动所述石墨活动块沿靠近或远离所述堆芯底部的方向运动；电磁装置，所述电磁装置包括第一部和第二部，在电磁装置通电时，所述第一部和第二部之间具有吸引力；驱动部，所述电磁装置的所述第一部设置在所述驱动部，所述驱动部设置成驱动所述第一部运动；其中，所述电磁装置的所述第二部设置在所述连接部，所述第一部与所述第二部之间具有电磁力的作用，当所述驱动部驱动所述第一部运动时，所述第一部带动所述第二部运动，所述第二部带动所述连接部运动，从而，所述连接部带动所述石墨活动块运动；其中，当反应堆意外断电或者需要紧急关闭而断电时，所述电磁装置断电，所述石墨活动块沿远离所述反应堆堆芯底部的方向运动。

根据本发明的实施例，反应性控制装置还包括容器，所述容器设置成当所述石墨活动块沿远离所述反应堆堆芯底部的方向运动时，落入所述容器内。

根据本发明的实施例，容器包括缓冲块和弹簧，所述弹簧的一端连接至所述缓冲块，另一端连接至所述容器的底部；所述缓冲块和弹簧设置成当所述石墨活动块落入所述容器接触所述缓冲块时，压缩所述缓冲块和弹簧。

根据本发明的实施例，驱动部包括驱动组件和电机，所述电机设置成，当反应堆运行时，所述电机正向转动，驱动所述驱动组件朝向靠近反应堆堆芯底部的方向运动；当反应堆停堆时，所述电机反向转动，驱动所述驱动组件朝向远离反应堆堆芯底部的方向运动。

根据本发明的实施例，驱动组件包括第一板部、第二板部、座体、导向柱和丝杠，所述座体设置于所述第一板部与第二板部之间；所述导向柱设置成其顶端和底端分别与第一板部、第二板部固定连接，以及所述导向柱穿过所述座体；所述丝杠驱动所述座体沿所述导向柱在所述第一板部与第二板部之间运动；所述电磁装置的所述第一部设置于所述座体。

根据本发明的实施例，反应性控制装置还包括支撑组件，所述支撑组件包括顶板、底板以及支撑柱，所述顶板与所述第二板部固定连接；所述底板与地面固定连接；所述支撑柱支撑于所述顶板与所述底板之间。根据本发明的实施例，连接部可滑动地穿过所述第一板部和所述座体；所述电磁装置的第二部设置于所述连接部底部。

根据本发明的实施例，石墨活动块与所述连接部相连接处相对于所述丝杠对中设置。

根据本发明的实施例，当所述石墨活动块运动到反应堆堆芯的底部时，与所述石墨固定块共同作为所述反应堆堆芯的底反射层；当所述石墨活动块离开所述反应堆堆芯的底部时，所述石墨固定块的中间位置形成空腔结构。

本发明的实施例还提供了一种零功率反应堆，该零功率反应堆包括上述的反应性控制装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：

(1)本发明的反应性控制装置利用石墨活动块和石墨固定块不同的位置控制堆芯的反应性，有利于进一步提高反应堆紧急停堆的速度；该反应性控制装置具有结构简单、安全控制系数高、可靠性强、控制精度高等优点；

(2)本发明的反应性控制装置可用于控制零功率反应堆，有助于开展多项零功率物理实验，从而为研究反应堆特性如不同次临界度下的停堆动态特性、正负反应性引入的动态行为特性等提供实验数据或积累经验。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明实施例的反应性控制装置的整体结构的立体剖面示意图；

图2为根据本发明实施例的反应性控制装置的整体结构的主视图；

图3为根据本发明实施例的反应性控制装置的电磁装置的结构示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

反应性控制装置是关系反应堆运行安全的核心部分，常见的用于核反应堆安全控制的措施是在反应堆堆芯的上方区域设置控制棒驱动机构。控制棒驱动机构是反应堆控制系统和安全保护系统的一种伺服机构，通过控制棒提升、下降、保持或快插在堆芯的不同位置处，来实现反应堆启动、调节反应堆功率、维持功率、停止反应堆和事故情况下的快速停堆，从而直接影响反应堆正常安全运行或避免意外事故的发生。通常情况下，反应堆正常运行时，要求控制棒具有一定的移动速度；而当出现紧急事故工况时，要求控制棒组件自动脱开，使控制棒靠自重快速插入反应堆堆芯完成停堆；从获得信号到控制棒安全插入堆芯的停堆时间不超过2s。基于控制棒插入堆芯实现停堆采用的是中子吸收原理。

然而，采用上述控制棒驱动机构，具有安全系数低、紧急停堆速度慢、不能精确控制停堆等缺点，且对于一些液态重金属冷却反应堆如铅冷反应堆，由于采用的冷却剂铅铋合金低共熔混合物密度较大，而控制棒系统中安全棒的主要吸收体材料如碳化硼的密度较小，导致安全棒的密度比冷却剂的密度小的多，从而不利于安全棒下落时安全插入堆芯(受浮力影响)。因而也增加了控制棒结构设计的难度。

为提高反应堆安全控制的灵活性和可靠性，本发明实施例提供一种反应性控制装置，当出现紧急事故工况时，该反应性控制装置能够进一步提高反应堆紧急停堆的速度，确保安全。

如图1至3所示，反应性控制装置100包括：石墨活动块1，所述石墨活动块1设置成，当反应堆运行时，其运动到反应堆堆芯的底部；当所述反应堆停堆时，其离开反应堆堆芯的底部；石墨固定块2，所述石墨固定块2包围所述石墨活动块1，所述石墨活动块1设置成能够相对于所述石墨固定块2移动；连接部3，所述连接部3设置成带动所述石墨活动块1沿靠近或远离所述堆芯底部的方向运动；电磁装置5，所述电磁装置5包括第一部51和第二部52，在电磁装置5通电时，所述第一部51和第二部52之间具有吸引力；驱动部6，所述电磁装置5的所述第一部51设置在所述驱动部6，所述驱动部6设置成驱动所述第一部51运动；其中，所述电磁装置5的所述第二部52设置在所述连接部3，所述第一部51与所述第二部52之间具有电磁力的作用，当所述驱动部6驱动所述第一部51运动时，所述第一部51带动所述第二部52运动，所述第二部52带动所述连接部3运动，从而，所述连接部3带动所述石墨活动块1运动；其中，当反应堆意外断电或者需要紧急关闭而断电时，所述电磁装置5断电，所述石墨活动块1沿远离所述反应堆堆芯底部的方向运动。

如图1或2所示，石墨固定块2包围石墨活动块1，且石墨活动块1能够相对于石墨固定块2运动。石墨活动块1和石墨固定块2可以为具有一定密度和形状的石墨块，例如石墨活动块1可以是具有直径为d1的实心圆柱体结构，相应的石墨固定块2可以是具有一中空圆柱体的环状结构，例如石墨固定块2的内径为d2，外径为d3，其中，d1大于d2以使得石墨活动块1能够位于石墨固定块2的中空结构内。具体的，例如d1为240mm，d2为246mm，d3为517mm。石墨活动块1和石墨固定块2具有如下的位置关系：当反应堆启动时，石墨活动块1将运动到反应堆堆芯的底部，此时石墨活动块1被石墨固定块2包围，两者处于同一水平位置；当反应堆需要停堆时，石墨活动块1离开反应堆堆芯的底部，石墨固定块2位置不改变。

如图1或2所示，石墨活动块1可以通过螺钉固定安装在连接部3的顶部，从而使该连接部3能够带动石墨活动块1做沿靠近或远离反应堆堆芯底部的方向运动。石墨固定块2可以通过螺钉固定安装在一操作平台9上。连接部3可以具有杆状结构例如可以是滑柱，其能够承载石墨活动块1并带动石墨活动块1做上下运动。

如图2或3所示，电磁装置5的第一部51和第二部52可以是具有一般电磁性质的组合物。例如第一部51可以是电磁铁衔铁，从而第二部52可以设置成具有一定电磁线圈结构的铁芯，当电磁装置5通电时，电磁铁衔铁吸引铁芯，从而第一部51和第二部52之间产生电磁力作用而相互吸引。其中，也可以将第一部51设置成具有一定电磁线圈结构的铁芯，第二部52设置成电磁铁衔铁。或者，第一部51和第二部52为其他形式的电磁结构组合。

如图1或2所示，反应性控制装置100还包括容器4，该容器4设置成当石墨活动块1沿远离反应堆堆芯底部的方向运动时，落入该容器4内。其中，容器4包括缓冲块41和弹簧42，弹簧42的一端连接至缓冲块41，另一端连接至容器4的底部；缓冲块41和弹簧42设置成当石墨活动块1落入容器4接触缓冲块41时，压缩缓冲块41和弹簧42。

如图1或2所示，容器4设置于石墨固定块2的下游，且容器4的顶部与石墨固定块2的底部固定连接。容器4的顶部开口，能够使石墨活动块1通过开口落入容器4内。缓冲块41和容器4的底部均设置成中间具有通孔结构，从而使连接部3能够穿过该通孔。容器4例如可以具有圆柱体桶状结构，其内径为d4，外径为d5；容器4顶部开口，底部在中间位置设置有通孔；为使石墨活动块1能够顺利地落入容器4内，并且容器4的内部空间能够保证石墨活动块1下落过程稳定，容器4的尺寸可以根据石墨活动块1和石墨固定块2的尺寸对应设计，例如d4为245mm，d5为258mm。相应地，缓冲块41可以是中间位置设置有通孔的薄圆形板，其直径d6大于d1以能够完全接触石墨活动块1的表面，例如d6可以为244mm。弹簧42设置于缓冲块41和容器4的底部之间，并围绕通孔的圆周设置，其数量可以根据需要设置，例如可以是4个。

进一步地，容器4的材质可以是不锈钢，其用于容纳石墨活动块1。缓冲块41和弹簧42用于当石墨活动块1运动至容器4内时保护石墨活动块1；尤其地，当发生紧急工况时，由于石墨活动块1依靠自重迅速下落，易产生较大的冲击力，此时缓冲块41和弹簧42能够提供适当的缓冲作用，从而保护石墨活动块1的结构免受破坏，延长其使用寿命。缓冲块41可以采用聚乙烯、橡胶、树脂等材料的物质，优选为聚乙烯；其结构设计需满足对石墨活动块1具有一定的承载能力。当采用聚乙烯缓冲块时，一方面，聚乙烯材料为含氢化合物不吸收中子；另一方面，聚乙烯具有经济、易加工成型、韧性好耐用等优点。

如图1或2所示，驱动部6包括驱动组件和电机61，电机61设置成，当反应堆运行时，电机61正向转动，驱动该驱动组件朝向靠近反应堆堆芯底部的方向运动；当反应堆停堆时，电机61反向转动，驱动该驱动组件朝向远离反应堆堆芯底部的方向运动。

如图1至3所示，驱动组件包括第一板部62、第二板部63、座体64、导向柱65和丝杠66，其中，座体64设置于第一板部62与第二板部63之间；导向柱65设置成其顶端和底端分别与第一板部62、第二板部63固定连接，以及导向柱65穿过座体64；丝杠66驱动座体64沿导向柱65在第一板部62与第二板部63之间运动；电磁装置5的第一部51设置于座体64。

如图1或2所示，第一板部62和第二板部63可以是矩形板，座体64可以是圆柱形板，座体64上设置有通孔，从而导向柱65和丝杠66能够穿过通孔与座体64连接，且导向柱65的顶端和底端分别与第一板部62、第二板部63固定连接。其中，丝杠66相对于座体64居中设置，导向柱65可相对于丝杠66的两端相对设置。第一板部62和第二板部63之间还可以设置支撑柱67，其顶端和底端分别与第一板部62、第二板部63直接固定连接。丝杠66能够穿过第二板部63与电机61固定连接，从而电机61驱动丝杠66并使座体64能够沿导向柱65在第一板部62与第二板部63之间运动。

如图2所示，驱动部6还可以包括减速器68和联轴器69，电机61自下而上依次和减速器68、联轴器69以及丝杠66连接。联轴器69用于加强驱动组件之间的连接及运行稳定性，减少运动偏移、振动、冲击等不利因素造成的影响；同时地，通过减速器68精确地控制电机61的转动速度，使石墨活动块1能够以一定的速度匀速上升或下降，以控制反应性。

如图1或2所示，反应性控制装置100还包括支撑组件7，其包括顶板71、底板72以及支撑柱73，顶板71与第二板部63固定连接；底板72与地面固定连接；支撑柱73支撑于顶板71与底板72之间。顶板71和底板72可以是矩形板，支撑柱73可相对于顶板71和底板72的四个角位置处设置，例如可以设置4个支撑柱73。顶板71与第二板部63固定连接，电机61设置于顶板71的下方，丝杠66能够穿过第二板部63和顶板71与电机61连接。

如图1或2所示，连接部3可滑动地穿过第一板部62和座体64；电磁装置5的第二部52设置于连接部3底部。第一板部62和座体64上设置有通孔，从而连接部3在穿过容器4的底部后能够继续穿过第一板部62和座体64，且连接部3的底部相对于座体64的底部继续延伸。

如图2所示，石墨活动块1与连接部3相连接处相对于丝杠66对中设置。连接部3在其顶端与石墨活动块1的中心固定连接，而后连接部3依次穿过容器4、第一板部62和座体64的中心位置通孔。同时地，丝杠66相对于座体64居中设置，由此石墨活动块1与连接部3的连接位置处的中心线相对于丝杠66所在位置的中心线对齐，即石墨活动块1、连接部3以及丝杠66相对于整体装置居中设计，有利于反应性控制装置100整体受力均衡，提高其运行稳定性。

如图1或2所示，当石墨活动块1运动到反应堆堆芯的底部时，其与石墨固定块2共同作为反应堆堆芯的底反射层；当石墨活动块1离开反应堆堆芯的底部时，石墨固定块2的中间位置形成空腔结构。具体地，当反应堆启动时，石墨活动块1将运动到反应堆堆芯的底部，此时石墨活动块1被石墨固定块2包围，两者处于同一水平位置，共同作为反应堆堆芯的底反射层，与堆芯的其他反射层结构一同起到反射中子的作用；而当反应堆需要停堆时，石墨活动块1离开反应堆堆芯的底部，此时石墨固定块2恢复其具有的中空结构，从而石墨固定块2的中间位置形成空腔结构，由于堆芯底反射层的结构完整性受到破坏，反应堆内的中子在空腔位置大量泄漏从而辅助反应停止。采用高密度和高纯度的石墨材料作为反射层，即石墨活动块1和石墨固定块2共同作为底反射层时，有利于降低堆内中子的泄露几率，同时地，相比金属铍，石墨具有经济成本低、无毒、实用性强等优点。

在本发明的实施例中，反应性控制装置设置于反应堆堆芯的活性反应区的下方，其结构设计简单，控制方式灵活，能够提高反应堆运行的安全控制系数，且控制精度高。

如图1至3所示，反应性控制装置100整体位于堆芯支撑板8的下方区域。反应性控制装置100自上而下依次包括石墨活动块1、石墨固定块2、连接部3、容器4、电磁装置5、驱动部6和支撑组件7；其中，容器4的顶部与石墨固定块2的底部固定连接，容器4的顶部开口，能够使石墨活动块1通过开口落入容器4内；连接部3的顶部与石墨活动块1的底部固定连接，连接部3可以是滑柱结构，其依次穿过缓冲块41、容器4的底部、第一板部62和座体64，且连接部3的底部相对于座体64的底部继续延伸；由此地，连接部3能够带动石墨活动块1上下滑动；驱动部6整体设置于容器4的下方，其电机61通过驱动丝杠66从而驱动座体64能够沿导向柱65在第一板部62与第二板部63之间运动；电磁装置5的第一部51设置于座体64的底部，第二部52设置于连接部3的底部，当电磁装置5通电时，第一部51和第二部52之间产生电磁力作用相互吸引，从而座体64和连接部3之间产生相互力的作用，从而当电机61驱动座体64运动时，座体64能够带动连接部3进而连接部3带动石墨活动块1一起运动；当电磁装置5断电时，第一部51和第二部52之间的电磁力消失，座体64和连接部3之间失去相互力的作用；支撑组件7通过与地面固定连接保持装置整体的稳定性。

如图1至3所示，反应性控制装置100的工作原理如下：当反应堆启动时，电磁装置5通电，设置于座体64上的第二部52与连接部3底部的第一部51之间由于电磁力作用相互吸引从而产生相互力的作用，电机61正转，驱动丝杠66从而丝杠66驱动座体64沿导向柱65向上运动，座体64带动连接部3进而连接部3带动石墨活动块1一起向上做匀速运动，直至石墨活动块1运动至反应堆堆芯底部，此时石墨活动块1位于石墨固定块2的中空结构内，石墨活动块1和石墨固定块2两者共同作为底反射层，维持反应堆正常运行的反应性；当反应堆需要停止运行时，电机61反转，驱动丝杠66从而丝杠66驱动座体64沿导向柱65向下运动，座体64带动连接部3进而连接部3带动石墨活动块1一起向下做匀速运动，直至石墨活动块1运动至容器4内，接触缓冲块41并压缩缓冲块41和弹簧42，此时，石墨固定块2的中间位置形成空腔，使反应中子大量泄漏而使反应停止。以及，当反应堆意外断电或者需要紧急关闭而断电时，电磁装置5断电，此时第一部51和第二部52之间的电磁力消失，从而连接部3受力失衡，此时石墨活动块1依靠自身重力迅速下落，离开反应堆堆芯底部，并落入容器4内压缩缓冲块41和弹簧42。

根据本发明实施例提供的反应性控制装置，依据中子泄露原理，当发生紧急工况时，石墨活动块1能够依靠自重迅速下落，从而引入一个较大的负反应性，从而有利于加速反应堆快速停堆，确保安全。石墨活动块1运动的有效行程即从堆芯支撑板8的下端面到接触缓冲块41并压缩缓冲块41，该有效行程短，有助于进一步提高控制精度。经实验验证，石墨活动块1离开堆芯底部下落的时间控制在1s以内，能够满足反应堆安全控制要求。

根据本发明的实施例的零功率反应堆，其包括上述反应性控制装置。将反应性控制装置用于控制零功率反应堆，有助于开展多项零功率物理实验，从而为研究反应堆特性如不同次临界度下的停堆动态特性、正负反应性引入的动态行为特性等提供实验数据或积累经验。

例如常见的铅冷反应堆，其堆芯结构设计中，底反射层上设置有控制棒系统，一般包括安全棒和调节棒。其中，安全棒采用碳化硼和聚乙烯为吸收体；调节棒采用镉为吸收体。为进一步加强反应堆反应性控制的可靠性，根据安全控制冗余原则，可在反应堆堆芯的活性区下方位置设置反应性控制装置。该反应性控制装置具有不同于控制棒的结构和作用原理，采用石墨活动块和石墨固定块共同作为反应堆堆芯的底反射层，当反应堆正常运行时，该石墨活动块和石墨固定块均位于反应堆堆芯的底部，对反应中子起到反射的作用；而当发生紧急工况时，石墨活动块能够依靠自重迅速离开反应堆堆芯底部，石墨固定块在其中间位置形成空腔，为反应堆引入负反应性，同时地，控制棒系统立即插入堆芯，从而确保反应堆紧急停堆，保证安全。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。