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1、(10)申请公布号 CN 102347086 A (43)申请公布日 2012.02.08 CN 102347086 A *CN102347086A* (21)申请号 201110272098.2 (22)申请日 2011.09.14 G21C 7/10(2006.01) G21C 7/117(2006.01) (71)申请人 华北电力大学 地址 102206 北京市昌平区朱辛庄北农路 2 号 (72)发明人 周涛 王晗丁 罗峰 (74)专利代理机构 北京众合诚成知识产权代理 有限公司 11246 代理人 薄观玖 (54) 发明名称 一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒 (57) 摘要 本发明公。
2、开了属于核电站安全与机械设备技 术领域的一种用于超临界水堆的纳米材料控制 棒。该纳米材料控制棒由纳米碳化硼和控制棒包 层组成， 控制棒包层内填充纳米碳化硼。 在超临界 水堆内采用纳米材料控制棒技术， 具有较高中子 吸收能力， 中子俘获截面高， 吸收能谱宽， 不会形 成二次辐射污染。 抗辐射能力强， 在超临界温度较 高条件下不易发生控制棒肿胀， 并能在事故条件 下顺利插入堆芯， 平稳停堆， 降低事故危害。以达 到控制超临界水堆的功率， 保障超临界水堆安全 之目的。事故时将纳米材料控制棒插入超临界水 堆堆芯水棒的控制棒导向管中， 用于超临界水堆 事故停堆。 (51)Int.Cl. (19)中华人民。
3、共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 CN 102347106 A1/1 页 2 1. 一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒， 其特征在于 ： 该纳米材料控制棒 (6) 由纳 米碳化硼 (5) 和控制棒包层 (3) 组成， 控制棒包层 (3) 内填充纳米碳化硼 (5)。 2. 根据权利要求 1 所述的纳米材料控制棒， 其特征在于 ： 纳米碳化硼 (5) 封装在控制 棒包层 (3) 中。 3. 根据权利要求 1 所述的纳米材料控制棒， 其特征在于 ： 所述控制棒包层 (3) 为不锈 钢包层。 4.根据权利要求3所述的纳米材料控制棒， 其特征在。
4、于 ： 所述控制棒包层(3)采用304 不锈钢。 5. 根据权利要求 1 所述的纳米材料控制棒， 其特征在于 ： 所述超临界纳米材料控制棒 安装在控制棒驱动机构上。 6. 根据权利要求 1 所述的纳米材料控制棒， 其特征在于 ： 所述纳米材料控制棒为棒束 型控制棒。 7. 根据权利要求 1 所述的纳米材料控制棒， 其特征在于 ： 纳米材料控制棒 (6) 中的纳 米碳化硼 (5) 为旋锻密度达到理论密度 70的纳米材料碳化硼。 8.根据权利要求1所述的纳米材料控制棒， 其特征在于 ： 事故时将纳米材料控制棒(6) 插入水棒 (4) 的控制棒导向管 (2) 中。 9. 根据权利要求 1 所述的纳米。
5、材料控制棒， 其特征在于 ： 所述纳米材料控制棒为反应 堆停堆装置。 权 利 要 求 书 CN 102347086 A CN 102347106 A1/4 页 3 一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒 技术领域 0001 本发明属于核电站安全与机械设备技术领域， 特别涉及一种用于超临界水堆的纳 米材料控制棒。 背景技术 0002 碳化硼是具有熔点高、 强度大、 比重较轻、 质地坚硬的材料， 化学稳定性好， 不受酸 和碱侵蚀。 由于硼元素中B10同位素具有很大的热中子吸收截面， 而且碳化硼与不锈钢等材 料有很好的相容性， 所以在原子能工业中， 作为中子吸收材料， 制成反应堆的控制棒和可燃 毒物， 。
6、用以调节和控制反应堆的运行以及关停反应堆。 0003 由于碳化硼有各种优良性能， 并且是相对廉价的材料， 所以在各类型的反应堆中， 均有广泛应用， 用其制作控制棒吸收材料。 目前运行的反应堆中， 约有50使用了碳化硼作 控制和屏蔽材料， 堆型涵盖 ： 压水堆、 沸水堆、 重水堆、 高温气冷堆等。 0004 根据各种堆型的性能和要求， 碳化硼的使用情况如下 ： 0005 1. 在压水堆中， 初期， 采用银铟镉合金作中子吸收材料， 外包不锈钢壳， 制成控制 棒。近期， 也多采用碳化硼压块作吸收材料装入不锈钢壳中组成束状控制棒使用。 0006 2. 在沸水堆中， 采用碳化硼粉作为控制棒的吸收体。用振。
7、动填充法将碳化硼粉装 入不锈钢管中， 再旋锻使其密度达到 70理论密度。由这些管组成十字形控制棒。 0007 3. 重水堆控制反应性与压水堆类似， 也是通过控制棒和化学补偿剂进行控制的。 其控制棒是把碳化硼粉装入不锈钢管中并由其组成圆圈状的组件。 0008 4.高温气冷堆， 由于工作温度高， 对材料抗辐照性能有更高的要求。 为提高碳化硼 的抗辐照能力， 常采用碳化硼与碳结合起来， 制成圆柱体形状的中子吸收体， 装入不锈钢壳 中， 制成控制棒使用。 0009 在中子辐射下， 碳化硼与硼一样有 B(n， ) 反应， 生成 He 和 Li， 这个反应没有放 射性物质产生。在温度较低时， He 就释放。
8、出来， 增加控制棒包壳的内压力。 0010 1.He 气的释放。 0011 辐照情况下， He 从碳化硼中释放的行为与辐照燃耗与温度都有关。但辐照温度影 响更大。在约 450以下的较低温度下， 大部分 He 气保持在晶体中， 释放率很低。如果温度 高于此值， 则释放率随温度升高而增大。在 500以上温度时， 释放率急剧增大， 在 750以 上又开始下降。燃耗在 2以下时， 对 He 气的释放率几乎没有影响， 而燃耗更高时， 释放率 自然就增大。 0012 2. 辐照肿胀。 0013 温度在 400以下时， 生成的 He 气大部分保持在晶体内部， 由于晶胞体积的增加 使烧结块体积也增加， 但增加。
9、的速度不大。接近 500时， 因 He 气形成气孔， 一旦气孔开始 增大， 由于内压的作用辐照肿胀也急剧增大。 0014 3. 辐照后热导系数下降。 0015 热导系数随辐照燃耗增加而降低。 说 明 书 CN 102347086 A CN 102347106 A2/4 页 4 0016 超临界水堆的工作介质水是在超过水的热工临界点的温度压力下 (374， 22.1MPa) 状态下工作。超临界水堆的堆芯压力为 25MPa， 进口温度为 280， 出口温度为 500。其入口密度约为 760kg/m3， 出口密度仅约为 90kg/m3。而超临界水堆采用的控制棒 综合了压水堆、 沸水堆、 高温气冷堆等。
10、许多问题。超临界水堆控制棒工作于超临界条件下。 这样对超临界控制棒的材料结构要求就较高， 必须要能承受以上恶劣的堆内条件。 发明内容 0017 本发明的目的是针对新发展的超临界轻水堆， 提出的一种用于超临界水堆的纳米 材料控制棒。 0018 一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒， 其特征在于 ： 该纳米材料控制棒由纳米 碳化硼和控制棒包层组成， 控制棒包层内填充纳米碳化硼。 0019 所述控制棒包层为不锈钢包层。 0020 事故时将纳米材料控制棒插入水棒的控制棒导向管中。 0021 所述纳米材料控制棒为反应堆停堆装置。 0022 所述用于超临界水堆的纳米材料控制棒， 是一种利用纳米碳化硼作为填充。
11、材料， 不锈钢作为包层封装， 在事故时插入水棒内的控制棒导向管用于事故停堆装置。外部方形 部件为水棒壁， 内部为控制棒导向管， 用于控制棒的插入。控制棒导向管内即为控制棒， 控 制棒由外部控制棒不锈钢包层和内部纳米碳化硼组成。 纳米碳化硼装在控制棒不锈钢包层 内， 主要作用是吸收中子。 在纳米碳化硼与控制棒导向管之间是不锈钢包层， 用于将纳米碳 化硼包裹起来， 抵抗水棒内慢化剂水的高温高压条件， 慢化剂水介于包层和水棒壁之间， 起 中子慢化的作用。 0023 所述纳米碳化硼为旋锻密度达到理论密度 70的纳米材料碳化硼， 用振动填充法 将纳米碳化硼芯块封装在不锈钢包层中， 制作成棒束型控制棒。 。
12、0024 所述纳米碳化硼粒径小、 分布均匀， 比表面积大、 高表面活性， 松装密度低， 是一种 人工合成的超硬质材料， 硬度仅次于金刚石， 莫氏硬度 9.46， 显微硬度 5600 6200Kg/mm2， 比重 2.52g/cm3， 熔点 2250， 与酸、 碱溶液不起反应， 中子吸收比碳化硼高， 且高温下不易 发生肿胀。是对酸最稳定的物质之一， 在所有浓或稀的酸或碱水溶液中都稳定。具有稳定 的物理和化学性能。 0025 所述控制棒包层采用304不锈钢。 304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料， 耐高温 方面也比较好， 能耐 1000 1200的高温。304 不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好。
13、 的抗晶间腐蚀性能。 0026 所述超临界纳米材料控制棒事故条件时插入水棒的控制棒导向管内， 水棒内的条 件是 25MPa， 357的慢化剂水。 0027 所述超临界纳米材料控制棒安装在控制棒驱动机构上。 0028 本发明公开了属于超临界水堆核电站安全设备与技术领域的一种用于超临界水 堆的纳米材料控制棒。由于超临界水堆复杂的堆内热力条件， 导致控制棒的选用要适应相 应的要求。可采用一种利用纳米碳化硼做内装料的控制棒， 超临界纳米材料控制棒具有高 中子吸收能力， 中子俘获截面高， 吸收能谱宽， 不会形成二次辐射污染。同其他中子吸收材 料相比还具有吸收中子而不放出有害人体的 射线， 并且在较宽中子。
14、能量范围均能有效 说 明 书 CN 102347086 A CN 102347106 A3/4 页 5 吸收中子。对冷却剂和慢化剂的抗腐蚀性较好， 质地硬。熔点高 (2350 )， 强度大 ( 抗压 强度200MPa)， 导热好， 抗内应力、 抗热振、 抗温差变化的能力强， 即稳定性好。 同时可通过对 材料微观结构的优化设计， 降低材料肿胀率。利用超临界纳米材料控制棒实现对超临界水 堆核电站反应堆事故停堆。 其能适应高温高压以及高辐射的恶劣环境， 在发生严重事故时， 执行和完成安全保障功能。 0029 根据超临界水堆的性能和要求， 发明应用于超临界水堆的控制棒。事故时插入超 临界水堆堆芯水棒的。
15、控制棒导向管中， 用于超临界水堆事故停堆。水棒内为压力为 25MPa， 温度为357复杂的热力条件。 在超临界水堆内采用纳米材料控制棒技术， 具有较高中子吸 收能力， 中子俘获截面高， 吸收能谱宽， 不会形成二次辐射污染。 抗辐射能力强， 在超临界温 度较高条件下不易发生控制棒肿胀， 并能在事故条件下顺利插入堆芯， 平稳停堆， 降低事故 危害。以达到控制超临界水堆的功率， 保障超临界水堆安全之目的。 附图说明 0030 图 1 超临界纳米材料控制棒及水棒截面图。 0031 图 2 超临界水堆控制棒组件结构图。 0032 1-水棒壁 ； 2-控制棒导向管 ； 3-控制棒包层 ； 4-水棒 ； 5。
16、-纳米碳化硼 ； 6-控制棒 ； 7- 星形架。控制棒包层 3 和纳米碳化硼 5 组成控制棒 6。 具体实施方式 0033 下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明， 但不以任何方式限制 本发明。 0034 本发明是针对超临界水堆而设计的一种用于超临界水堆的纳米材料控制棒。 所述 用于超临界水堆的纳米材料控制棒是利用纳米碳化硼的优良性能， 且适用于超临界条件的 一种反应堆停堆装置。下面结合附图对本发明作进一步说明。 0035 如图 1 所示， 用于超临界水堆的纳米材料控制棒事故时要插入水棒 4 内的控制棒 导向管 2 中用于停堆， 水棒 4 内为 25MPa 的慢化剂水， 温度约为 。
17、357， 用于慢化中子。控制 棒导向管 2 内为用于超临界水堆的纳米材料控制棒 6。 0036 该用于超临界水堆的纳米材料控制棒 6 由纳米碳化硼 5 和控制棒包层 3 组成， 控 制棒包层 3 内填充纳米碳化硼 5。采用振动填充法将纳米碳化硼 5 封装于控制棒包层 3 内， 包层 3 与纳米碳化硼 5 组成控制棒 6。所述控制棒包层采用 304 不锈钢。 0037 吸收材料为纳米碳化硼， 用于吸收中子。用振动填充法旋锻加工达到理论密度的 70。控制棒内的纳米碳化硼吸收棒 5 直径为 7.5mm， 控制棒包层 3 材料为 304 不锈钢。控 制棒的直径需要被修正， 它与堆芯控制棒的反应性以及堆。
18、芯的停堆范围标准 ( 大于或等于 1 dk/k) 有关。 0038 如图 2 所示制成棒束状组件， 超临界纳米材料控制棒安装于超临界水堆的控制棒 驱动机构星形架 7 上。 0039 用于超临界水堆的纳米材料控制棒， 是一种利用纳米碳化硼作为填充材料， 不锈 钢作为包层封装， 在事故时插入水棒内的控制棒导向管用于事故停堆装置。外部方形部件 为水棒壁 1， 内部为控制棒导向管 2， 用于控制棒的插入。控制棒导向管 2 内即为控制棒， 控 说 明 书 CN 102347086 A CN 102347106 A4/4 页 6 制棒由外部控制棒不锈钢包层 3 和内部纳米碳化硼 5 组成。纳米碳化硼 5 。
19、装在控制棒不锈 钢包层 3 内， 主要作用是吸收中子。在纳米碳化硼 5 与控制棒导向管 2 之间是不锈钢包层 3， 用于将纳米碳化硼包裹起来， 抵抗水棒 4 内慢化剂水的高温高压条件， 慢化剂水介于包 层 3 和水棒壁 1 之间， 起中子慢化的作用。 0040 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此， 本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。 说 明 书 CN 102347086 A CN 102347106 A1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102347086 A 。