本发明涉及模块式球床高温气冷堆核电站反应 性控制及控制棒设计， 特 别涉及一种球床高温气冷堆反应性控制方法及 套叠式控制棒。 背景技术

球床高温气冷堆起源于德国的 AVR实验堆，在 AVR堆实验成功的基础上， 德国于 20世纪 70年代， 即世界核电的高速发展期， 建造运行了电功率达 300MW的钍高温气冷堆示范电厂（THTR-300 )。 随着美国三哩岛和苏联切尔 诺贝利核电厂事故的发生， 各国公众和监管机构对核电厂的安全日益重视 ， 为此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。 我国已开工建设的华能山东石岛湾核 电厂高温气冷堆核电站示范工程 （HTR-PM ) 即为典型的模块式球床高温气 冷堆。

钍高温气冷堆（THTR300 )由于单堆功率较高， 设置了两套控制棒系统， 一套为布置于侧反射层的 36根调节棒， 用于调节快速的反应性变化及事故工 况下的热停堆； 另外一套有 42根控制棒， 插入堆芯球床， 用于长期冷停堆并 保证一定的冷停堆深度。 钍高温气冷堆的运行经验表明： 插入堆芯球床的控 制棒克服堆积的球形燃料元件的阻力需要巨大 的驱动力， 造成燃料元件的损 坏。 因此在后来的模块式球床高温气冷堆 HTR-MODUL的设计中只保留了侧 反射层控制棒。

HTR-MODUL单堆热功率 200MW, 堆芯直径 3米， 堆芯平均高度 9.4米。 其反应性控制和停堆系统包括控制棒系统和吸 收球停堆系统， 控制棒系统共 有 6根控制棒， 布置在侧反射层， 每根控制棒对应有一套驱动机构供其上下移 动。 每根控制棒的吸收体长度为 4800mm， 总长 5280mm， 共分 10节， 控制棒 外径 105mm，控制棒孔道直径 130mm，控制棒包壳材料为 X8CrNiMoNb 1616， 总重 104kg， 最高设计温度约 900°C。 HTR-MODUL控制棒系统的主要功能为： 反应堆功率调节和热停堆。

由上述控制棒的设计参数可见： 控制棒的结构型式为多节单棒结构； 由 于在反应堆满功率运行时， 控制棒需要全部提出活性区， 受反应堆压力容器 高度的限制， 控制棒吸收体的长度约为堆芯活性区高度的一 半。

除控制棒系统外， HTR-MODUL的另外一套反应性控制和停堆系统为吸 收球停堆系统， 该系统有 18列吸收小球， 同样位于反应堆侧反射层， 吸收小 球依靠重力落入侧反射层孔道， 依靠气力输送方式从侧反射层孔道返回贮球 罐。 该系统的主要功能是： ①在反应堆启动及低功率运行时， 与控制棒系统 配合进行反应性控制； ②单独实现冷停堆， 并保证一定的冷停堆深度。

上述 HTR-MODUL的反应性控制存在以下问题： ①吸收球停堆系统功能 要求多， 系统设计复杂， 运行可靠性要求高； ②反应堆启动及低功率运行时， 反应堆操纵人员不仅需要操作控制棒系统， 还需要均匀从各个吸收球孔道依 靠气力输送方式吹起吸收小球， 且每次输送的吸收球的量要精确可控， 这给 反应堆操纵人员带来较大的操作难度， 易于发生事故。

为此 HTR-PM反应性控制和停堆系统的设计采用了以下 技术创新： 仍保 留控制棒和吸收球这两套相互独立的系统， 对两套系统的功能进行调整； 控 制棒系统分为安全棒组、 调节棒组及补偿棒组， 安全棒组在反应堆启动及功 率运行时全部提出反应堆活性区， 其价值足以保证在任何反应堆工况下的停 堆， 调节棒组进行反应堆功率调节， 展平堆芯功率分布， 补偿正常运行时的 堆芯反应性变化， 补偿棒组用以补偿反应堆长期运行后的反应性 变化； 安全 棒组和调节棒组作为反应堆保护系统的执行机 构， 在假设反应性价值最大的 一根控制棒失效的情况下， 能够快速实现热停堆； 在反应堆启动及低功率运 行时， 调节棒组与补偿棒组配合进行反应性控制。 所有控制棒全部投入能够 单独实现冷停堆， 并保证一定的冷停堆深度。 吸收球停堆系统作为备用停堆 系统， 不参与反应堆的启动及所有功率水平运行， 在需要时可手动投入； 控 制棒系统与吸收球停堆系统共同投入， 可以实现长期冷停堆或检修停堆。 发明内容

(一） 要解决的技术问题 本发明要解决的技术问题是： 在保持目前模块式球床高温气冷堆压力容 器、 堆内构件等结构设计参数基本不变的条件下， 仅利用控制棒系统就能实 现冷停堆， 并保证一定的停堆深度的问题。

(二）技术方案

本发明采用如下技术方案：

一种球床高温气冷堆套叠式控制棒， 包括竖直且同轴设置的内棒、 外棒 以及导向简组件， 所述外棒以及导向简组件为中空柱状体， 所述内棒的顶端 可在所述外棒内部上下移动， 另一端随之在位于所述导向简组件下方且与导 向简组件同轴设置的控制棒通道内部上下移动 ； 所述外棒顶端可在所述导向 简组件内上下移动， 另一端随之在所述控制棒通道内部上下移动。

优选的， 所述内棒为多节结构， 包括联接头组件、 防冲头组件以及通过 球面铰关节串联的多个内节棒， 所述联接头组件一端与首段的内节棒连接， 另一端与控制棒驱动机构的环链相连； 所述防冲头组件一端与末段的内节棒 连接。

优选的， 所述联接头组件包括联接头、 扁销、 锁紧钢丝圈、 缓冲压板、 圆柱弹簧、 轴承压板、 陶瓷滚珠、 轴承底板及球面铰； 所述联接头通过扁销 与控制棒驱动机构的环链相连， 锁紧钢丝圈用于环绕紧固扁销； 缓冲压板置 于圆柱弹簧上组成缓冲结构， 该缓冲结构位外置于联接头的侧壁， 球面铰与 轴承压板螺紋连接， 与内节棒上端板球面配合， 陶瓷滚珠、 轴承压板及轴承 底板共同构成推力轴承结构， 该推力轴承结构外套于联接头内。

优选的， 所述内节棒包括外套管、 分别位于所述外套管两端的上端板和 下端板以及焊接封装在所述上端板和下端板之 间且位于所述外套管内的 B ₄ C 芯块； 所述 B ₄ C芯块与外套管及上端板之间均留有间隙� � 所述 B ₄ C芯块与上端板 之间设置有压紧弹簧。

优选的， 所述防冲头组件包括缓冲压板、 碟簧以及侧壁上设置有突出部 的防冲头， 所述碟簧设置在所述突出部与缓冲压板之间。

优选的， 所述外棒顶部设置有顶部内收口以及顶部外轴 肩； 所述外棒为 多节结构， 包括滑套式减震器、 吊挂组件及多根外节棒， 吊挂组件连接各节 外节棒， 滑套式减震器与首端外节棒相连接。

优选的， 所述外节棒包括内套管、 外套管、 上端板、 下端板、 压紧弹簧 以及 B ₄ C芯块， 其中 B ₄ C芯块安装在内套管、 外套管以及上端板和下端板之间的 环形空间内， 并且与内外套管及上端板之间留有空隙， B ₄ C芯块与上端板之间 设置有压紧弹簧， 外套管上开有排气孔。

优选的， 每个所述吊挂组件共有相同个数的吊环结构， 每个吊环结构包 含： 2个球面挂件、 2个圆柱销、 1个长吊环及 2个挡圈， 上端板以及下端板的 内侧槽装入球面挂件； 球面挂件与长吊环通过圆柱销连接， 并由挡圈固定圆 柱销， 球面挂件、 圆柱销及长吊环之间均留有间隙。

包括上段、 中段以及下段， 所述上段和中段一起固定安装于堆内金属构 件的上支承板上， 上段位于支承板上方， 与反应堆压力容器封头之间留有间 隙， 所述中段位于支承板下方， 穿过数层堆芯压板， 底部插入下段， 所述下 段固定于所述上支承板以及堆内金属构件定位 板上， 并可按设计长度插入顶 碳砖和顶反射层石墨砖一定深度， 其下端焊接有定位环。

本发明还提供一种球床高温气冷堆反应性控制 方法：

一种球床高温气冷堆反应性控制方法， 包括： 插棒过程以及提棒过程； 插棒过程中， 在控制棒行程的上半段， 所述外棒与所述内棒在驱动机构 的拖动下一起移动， 当所述外棒的顶端下降至反应堆活性区的上沿 时， 所述 外棒的外轴肩搭接在所述导向简组件底端的定 位环上， 此时所述外棒在所述 导向简组件定位环的支承下不再向下移动， 即达到行程下限；

所述内棒在驱动机构带动下沿所述外棒内套管 可继续下插， 并与所述外 棒分离， 直至行程下限， 此时所述外棒和所述内棒覆盖整个堆芯活性区 ； 提棒过程中， 在控制棒行程的下半段， 仅有所述内棒在驱动机构拖动下 向上移动， 逐渐插入所述外棒， 直至所述内棒与所述外棒的内收口接触， 所 述内棒与所述外棒完全重叠；

进一步提棒， 所述内棒与所述外棒一起向上移动， 逐渐进入所述导向简 组件， 待所述内棒与所述外棒全部位于反应堆活性区 上沿之上时， 达到提棒 极限。 (三）有益效果

本发明实施例所提供的球床高温气冷堆套叠式 控制棒具有如下有益效 果：

( 1 )、 为模块式球床高温气冷堆仅利用控制棒系统进 行反应性控制和停 堆创造了技术条件； 简化了模块式球床高温气冷堆的启动及运行控 制操作； 减少了吸收球停堆系统的功能要求， 降低其设计复杂性。

( 2 )、 受压力容器高度等限制， 现有模块式球床高温气冷堆控制棒长度 仅为堆芯活性区高度的约一半， 在不改变压力容器高度及其他现有模块式球 床高温气冷堆总体设计参数的前提下， 本发明套叠式控制棒的展开长度能覆 盖整个堆芯活性区高度， 最大限度地提高控制棒系统的反应性价值。

( 3 )、 本发明实施例所提供的套叠式控制棒多处设置 弹簧减震器， 可有 效降低各类冲击载荷， 提高了控制棒的运行可靠性。

( 4 )、 本发明实施例所提供的套叠式控制棒为可拆卸 结构， 有利于加工 制造、 包装运输及核电站现场安装。

附图说明

图 1是本发明实施例的套叠式控制棒位于行程上� �运行原理图； 图 2是本发明实施例的套叠式控制棒位于行程下� �运行原理图； 图 3是本发明实施例的多节内棒连接结构示意图� �

图 4是本发明实施例的多节内棒连接结构中联接� �组件结构示意图； 图 5是本发明实施例的多节内棒连接结构中球面� �关节组件结构示意图； 图 6是本发明实施例的多节内棒连接结构中单独� �棒组件结构示意图； 图 7是本发明实施例的多节内棒连接结构中防冲� �组件结构示意图； 图 8是本发明实施例的多节外棒结构示意图；

图 9是本发明实施例的多节外棒连接结构中滑套� �减震器组件结构示意 图；

图 10是本发明实施例的多节外棒连接结构中悬吊� ��件结构示意图； 图 11本发明实施例的多节外棒连接结构中单独外� ��棒组件结构示意图； 图 12本发明实施例的导向简组件结构示意图； 图中， 1 : 内棒； 2·· 外棒； 3: 导向简组件； 4: 环链； 5、 堆芯活性区； 6、 控制棒石墨通道； 11 : 联接头组件； 12: 球面铰关节； 13: 内节棒； 14: 防冲头组件； 21 : 滑套式减震器； 22: 吊挂组件； 23: 外节棒； 31 : 导向简 组件上段； 32·· 导向简组件中段； 33: 导向简组件下段； 34: 定位环； 35: 堆内构件上支承板； 36: 压板； 37: 堆内构件定位板； 38: 顶碳砖； 51 : 活 性区上沿； 52: 活性区下沿； 53: 压力容器封头； 61 : 圆柱壳式减震器； 110: 扁销； 111 : 锁紧钢丝圈； 112: 联接头； 113: 缓冲压板； 114: 圆柱弹簧； 115: 轴承压板； 116: 陶瓷滚珠； 117: 轴承底板； 118: 球面铰； 120: 上球 面铰； 121 : 下球面铰； 122: 扁销； 123: 锁紧钢丝圈； 124: 工艺孔； 125: 工艺槽； 130: 上端板； 131 : 下端板； 132: 压紧弹簧； 133: 外套管； 134: B ₄ C芯块； 135: 内节棒排气孔； 140: 缓冲压板； 141 : 碟簧； 142: 防冲头； 210: 内收口； 211 : 外轴肩； 212: 预紧压板； 213: 碟簧； 220: 球面挂件； 221 : 长吊环； 222: 圆柱销； 223: 挡圈； 230: 上端板； 231 : 下端板； 232: 外套管； 233: 内套管； 234: B ₄ C芯块； 235: 压紧弹簧； 236: 外节棒排气孔。 具体实施方式

下面结合附图和实施例， 对本发明的具体实施方式做进一步描述。 以下实施 例仅用于说明本发明， 但不用来限制本发明的范围。

如图 1和图 2所示， 为本发明实施例的套叠式控制棒的运行原理图 ， 该套 叠式控制棒包括： 内棒 1、 外棒 2及导向简组件 3。 内棒 1通过联接头组件与控 制棒驱动机构的环链 4相连， 在驱动机构拖动下在导向简组件 3和控制棒石墨 通道 6内上下移动， 其移动下限受环链 4最大长度限制， 达反应堆活性区下沿 52， 其移动上限受反应堆压力容器高度限制， 在反应堆活性区上沿 51之上， 并可以由驱动机构以能动方式保持在活性区上 方， 事故停堆时， 切断驱动机 构电源，内棒 1靠自身重力落入活性区侧反射层，满足"故障� ��全"的设计原则。

外棒 2顶部带有内收口 25和外轴肩 24， 内棒 1从外棒 2底部插入， 利用内收 口 25， 外棒 2可以搭接在内棒 1上。 在控制棒行程的上半段， 外棒 2与内棒 1在 驱动机构的拖动下一起移动， 当整个外棒 2全部位于反应堆活性区上沿 51之下 时， 外棒 2的外轴肩 24搭接在导向简组件 3底端的定位环 34上， 此时外棒 2在导 向简组件 3的定位环 34支承下不再向下移动， 即达到行程下限； 内棒 1在驱动 机构带动下沿外棒 2的内套管可继续下插， 并与外棒 2分离， 直至行程下限， 此时外棒 2和内棒 1将覆盖整个堆芯活性区 5，极大限度地提高了控制棒的反应 性价值。 反之， 在提棒过程中， 在控制棒行程的下半段， 仅有内棒 1在驱动机 构拖动下向上移动， 逐渐插入外棒 2， 直至内棒 1与外棒 2的内收口 25接触， 内 棒 1与外棒 2完全重叠， 进一步提棒， 内棒 1与外棒 2—起向上移动， 逐渐进入 导向简组件 3， 待内棒 1与外棒 2全部位于反应堆活性区上沿 51之上时， 达到提 棒极限， 此时反应堆可以满功率运行。 综上所述， 本发明套叠式控制棒在插 棒过程中其展开长度逐渐增加， 直至整个堆芯活性区 5， 反之， 在提棒过程中 其展开长度逐渐减小， 最终仅约为堆芯活性区 5高度的一半。

导向简组件 3与控制棒石墨通道 6共同构成外棒 2和内棒 1的运行通道， 对 外棒 2和内棒 1的运行起导向作用， 同时防止地震条件下外棒 2和内棒 1与堆内 其他构件的撞击； 导向简组件 3最下端焊接有定位环 34， 对外棒 2的最大下插 行程加以限制。

其中， 为清楚地说明多节结构， 这里以 10节结构为例进行说明， 多节内 棒 1的结构型式如图 3所示， 包括： 联接头组件 11、 9个球面铰关节 12、 10根内 节棒 13及防冲头组件 14。

其中，联接头组件 11如图 4所示， 由扁销 110、锁紧钢丝圈 111、联接头 112、 缓冲压板 113、 圆柱弹簧 114、 轴承压板 115、 陶瓷滚珠 116、 轴承底板 117及球 面铰 118组成。 联接头 112通过扁销 110与控制棒驱动机构的环链 4相连， 锁紧 钢丝圈 111用以防止扁销 110脱落； 当内棒 1从控制棒石墨通道 6底部向上提升 时， 运动的内棒 1会与静止的外棒 2发生碰撞， 缓冲压板 113与圆柱弹簧 114可 对该碰撞加以缓冲； 陶瓷滚珠 116、 轴承压板 115及轴承底板 117共同构成一推 力轴承结构， 主要作用是避免内棒 1因重量分布不均可能造成驱动机构环链 4 扭曲， 影响驱动机构运行； 球面铰 118与轴承压板 115螺紋连接并点焊， 与内 节棒上端板 130球面配合， 保证联接头组件 11与内节棒 13之间相互灵活转动； 其中， 内节棒 13如图 6所示， 每根内节棒 13均由外套管 133、 上端板 130、 下端板 131、 压紧弹簧 132以及 B ₄ C芯块 134组成。 B ₄ C芯块 134为中子吸收体， 被焊接封装于外套管 133内； B ₄ C芯块 134与外套管 133及上端板 130之间均留有 间隙， 以补偿 B ₄ C芯块 134的辐照肿胀； 为防止 B ₄ C芯块 134的窜动， 在其顶部 设置有压紧弹簧 132; B ₄ C芯块 134受中子辐照会产生氦气，其中间的内节棒排 气孔 135利于氦气的排出； 10根内节棒 13所装 B ₄ C芯块 134的总长度约为堆芯活 性区 5高度的一半；

其中， 球面铰关节 12如图 5所示， 每个球面铰关节 12包括： 上球面铰 120、 下球面铰 121、 扁销 122及锁紧钢丝圈 123。 球面铰关节 12既保证相邻内节棒 13 的可靠连接， 又能保证相互之间的灵活转动。 球面铰上设置工艺孔 124和工艺 槽 125便于内节棒 13的组装与拆卸；

其中， 防冲头组件 14如图 7所示， 与最底端的内节棒 13焊接成为一体， 包 括： 缓冲压板 140、 碟簧 141及防冲头 142。 与防冲头 142相对应， 在控制棒石 墨通道 6底部设置一圆柱壳式减震器 61， 如图 1所示， 用以缓解极端事故情况 下内棒 1断裂对堆内石墨构件的冲击， 保证石墨构件的结构完整性； 缓冲压板 140及碟簧 141是缓解极端事故情况下外棒 2断裂对内棒 1的冲击， 同时也保证 外棒 2不会脱离控制棒驱动机构， 便于外棒 2的取出及更换。

其中， 为清楚地说明多节结构， 这里以 10节结构为例进行说明， 外棒 2 的详细结构如图 8所示， 包括： 滑套式减震器 21、 9个吊挂组件 22及 10根外节 棒 23。

其中， 滑套式减震器 21如图 9所示， 包含有： 内收口 210、 外轴肩 211、 预 紧压板 212和碟簧 213。 内收口 210与外节棒 23的上端板 230合为一体， 与外节 棒 23的内外套管 233焊接； 预紧压板 212与内收口 210采用螺紋连接， 并对碟簧 213施加一定的预紧力； 外轴肩 211与外节棒 23的外套管 232间留有一定的间 隙， 当外棒 2在驱动机构带动下下插或驱动机构断电而外� � 2下落时， 外轴肩 211与控制棒导向管下端的定位环 34碰撞并向上滑动， 碟簧 213受压变形， 从 而起到减震作用， 在碟簧 213产生最大变形的情况下， 仍保证外节棒 23不脱离 外轴肩 211 ;

其中， 外节棒 23如图 11所示， 每根外节棒 23均由内套管 233、 外套管 232、 上端板 230、 下端板 231、 压紧弹簧 235以及 B ₄ C芯块 234组成。 B ₄ C芯块 234同 样被焊接封装在内外套管及端板之间的环形空 间内， 与内外套管及上端板之 间留有空隙,以补偿 B ₄ C芯块 234的辐照肿胀； 为防止 B ₄ C芯块 234的窜动， 在其 顶部与上端板 230之间设置有压紧弹簧 235。 外套管 232上开有外节棒排气孔 236， 可以使 B ₄ C芯块 234因受中子辐照而产生的氦气排出，避免由内 外套管和 上下端板构成的外节棒 23包壳承受内压或外压； B ₄ C芯块 234为烧结体， 其密 度要求为 2.0g/cm3， 较其理论密度低， 密度太高的 B ₄ C芯块 234容易受中子辐 照而皲裂； 10根外节棒 23内装吸收体的总长度约为堆芯活性区 5高度的一半； 其中， 吊挂组件 22如图 10所示， 每个吊挂组件共有 6个相同的吊环结构， 每个吊环结构包含： 2个球面挂件 220、 2个圆柱销 222、 1个长吊环 221及 2个挡 圈 223。 外节棒 23上下端板的内侧开槽， 可以侧向装入球面挂件 220; 球面挂 件 220与长吊环 221通过圆柱销 222连接， 并由挡圈 223固定圆柱销 222。 球面挂 件 220可以相对外节棒端板摆动， 球面挂件 220、 圆柱销 222及长吊环 221之间 均留有间隙， 允许外节棒 23之间相互转动或错位。 吊挂组件 22的挡圈 223、 长 吊环 221以及圆柱销 222均可拆卸， 因此无需对外棒 2进行整体式的包装运输， 以单个外节棒 23的形式进行包装和运输， 既降低了难度又增加了可靠性， 另 外对核电站现场控制棒的安装也有好处。

其中， 导向简组件 3如图 12所示， 分上中下三段， 每段长度较短， 便于加 工制造和安装； 上段 31和中段 32—起固定安装于堆内金属构件的堆内构件上 支承板 35上， 上段 31位于支承板上方， 与反应堆压力容器封头 53之间留有较 大间隙， 以补偿堆内金属构件与压力容器之间的热膨胀 差， 中段 32位于支承 板下方， 穿过数层堆芯压板 36， 底部插入导向简下段 33， 导向简下段 33固定 于堆内金属构件堆内构件定位板 37上， 并插入顶碳砖 38和顶反射层石墨砖， 其下端焊接有定位环 34。

套叠式控制棒的内棒 1和外棒 2全部设计成多节吊挂的结构型式， 原因是 控制棒石墨通道 6为石墨堆砌结构， 高度达二十多米， 在安装过程中不能完全 保证其直线度， 另外在反应堆运行过程中也可能因中子辐照而 变形， 多节吊 挂结构可有效预防外棒 2在控制棒石墨通道 6中或内棒 1在外棒 2中的运行受阻 或卡死。 另外外棒 2和控制棒石墨通道 6之间、 内棒 1和外棒 2之间均留有足够 大的间隙， 以利于外棒 2和内棒 1的移动。

反应堆正常运行工况下控制棒的环境温度达到 560°C：， 事故工况下接近 1000°C , 因此本发明控制棒的金属结构材料全部采用高 温持久能力较好的耐 高温镍基合金； 为防止高温环境下金属接触面材料的相互咬合 粘连， 金属接 触面材料的牌号各异， 且全部进行固体润滑处理， 以保持球面铰关节和吊挂 组件的灵活性， 进而具有良好的工业实用性。

以上实施方式仅用于说明本发明， 而并非对本发明的限制， 有关技术领 域的普通技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各 种变化和变型， 因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护 范畴。