用于控制核反应堆反应性控制装置的控制棒束和驱动杆之间脱离的组件的制作方法

用于控制核反应堆反应性控制装置的控制棒束和驱动杆之间脱离的组件
【技术领域】
1.根据第一方面，本发明涉及一种控制组件，该控制组件设计成检查核反应堆反应性控制装置的控制棒束(control rod cluster)和驱动杆(drive rod)之间的分离。
2.更具体地，本发明涉及用于压水反应堆(pressurized water reactor)的这种组件。


背景技术：

3.压水反应堆(pwr)包括堆芯，该堆芯包括多个并排设置在反应堆容器中的核燃料元件。
4.这种核燃料元件包括插入到支撑结构中的一束燃料棒，该支撑结构包括导管(guide tubes)。
5.除了导管可以实现为支撑结构提供适当的刚性之外，导管还可以实现在核燃料元件中插入吸收由反应堆堆芯中的核链式反应产生的中子的吸收棒。吸收棒用于控制反应堆堆芯的反应性。
6.吸收棒彼此之间分组连接，并形成棒束控制组件(也称为控制棒束或控制棒)，这些棒束控制组件可以沿着轴向方向移动。经由反应堆棒束的驱动杆和控制机构，棒束沿着轴向方向移动，以便以可变的方式将吸收棒推入燃料元件中，从而调节核反应堆的反应性。
7.这样，通过提升棒束控制组件，可以提高反应堆堆芯的反应性。相反，通过将棒束控制组件推入燃料元件，可以降低反应堆堆芯的反应性。
8.在发生事故时，棒束控制组件被释放，并在重力的作用下迅速落入燃料元件中，以停止核反应。
9.在反应堆维护操作期间，尤其是在燃料更换操作期间，必须从反应堆容器中拆除上部堆内设备，即用于支撑和引导棒束控制组件和仪表的所有设备。
10.为此，要将驱动杆与控制棒束分离，然后从反应堆容器顶部拆除驱动杆。
11.驱动杆和控制棒束之间的不良断开会导致控制棒束意外升起。
12.这种情况具有严重的后果，因为在反应堆堆芯中没有足够的吸收棒的情况下，反应堆堆芯中会重新开始链式反应。
13.此外，燃料元件本身会附着在上部堆内设备上，并且会从堆芯中脱出，从而导致严重的辐射防护问题。
14.在现有的实施方案中，反应性控制装置无法保证驱动杆和控制棒束之间的有效分离，也不能保证燃料元件会始终附着在上部堆内构件上而不会被移除。操作者通过目视的方式来执行这些检查。然而，反应堆中大量的上部堆内设备使得操作者很难通过目视的方式来检查分离。


技术实现要素：

15.本发明的一个目的是提出一种控制组件，该控制组件提供了一种简单的方式来确保在维护操作期间驱动杆能与控制棒束的头部正确分离，以便防止控制棒束或者甚至燃料元件的意外上升。还希望在驱动杆被提升时能够快速进行断开检查，以便能够很容易地将驱动杆重新插入到燃料元件中。
16.为此，本发明涉及一种上述类型的核反应堆中的控制组件，包括：
17.反应性控制装置(reactivity control device)，包括：控制棒束，沿着轴向方向延伸，该控制棒束包括具有连接头部的上端；以及驱动杆，沿着轴向方向延伸，该驱动杆包括上端和与上端相对的下端，该下端包括用于将驱动杆连接到驱动杆连接头部的连接装置，该连接装置可在连接位置和断开位置之间移动，驱动杆在该连接位置处刚性地连接到控制棒束的连接头部且在该断开位置处与控制棒束的连接头部分离，驱动杆和连接装置限定了贯穿轴向壳体，从而形成套筒；
18.检查装置(checking device)，用于检查控制棒束和驱动杆之间的分离，并且至少在维护操作期间与反应性控制装置配合，该检查装置包括探杆，该探杆容纳在套筒中且安装成在套筒内沿着轴向方向自由平移，该探杆包括上端和与上端相对的下端，探杆的下端抵靠控制棒束的连接头部。
19.因此，通过在上部堆内构件被抽出时观察探杆相对于驱动杆的相对位移，可以确定驱动杆与控制棒束头部的分离是否确实有效。实际上，基本上等于零的相对位移意味着控制棒束(或者甚至是燃料元件)和驱动杆同时上升，并且连接装置没有从控制棒束的头部断开。相比之下，探杆相对于驱动杆的非零相对位移会导致探杆“缩回”到驱动杆内，该非零相对位移意味着驱动杆连接装置可以很好地与控制棒束的头部分离，并且燃料元件没有一直钩在上部堆内元件上，因此可以安全地提升驱动杆。
20.根据本发明的具体实施方案，反应性控制装置包括单独设想或根据所有技术上可能的组合设想的下述一个或多个特征：
21.根据探杆轴向方向的长度大于根据驱动杆轴向方向的长度，因此探杆的上端在连接位置处从驱动杆的上端伸出；
22.检查装置还包括用于检查探杆相对于驱动杆的相对位移(优选地，探杆的上端相对于驱动杆的上端的相对位移)的系统；
23.检查系统包括连接到探杆的磁体和磁性开关，该磁性开关构造为在存在磁体产生的磁场的情况下从断开位置移动到闭合位置；
24.检查系统包括连接到探杆的反射目标和包括摄像机和光源的光学系统，该光学系统构造为与驱动杆同时移动，该光源构造为将视频信号传输到反射目标，其中该摄像机构造为探测反射到反射目标上的光信号；和/或
25.探杆具有刻度。
26.根据第二方面，本发明还涉及一种利用上述控制组件来控制反应性控制装置的驱动杆与控制棒束分离的方法，该方法包括：
27.将驱动杆从控制棒束的连接头部断开；
28.沿着轴向方向提升驱动杆；
29.检查探杆相对于驱动杆的相对位移；
30.如果相对位移基本上等于零，则停止提升驱动杆。
31.根据有利的实施方案，该方法包括以下特征中的一个或多个特征：
32.在检查探杆相对于驱动杆的相对位移之前，将驱动杆提升5cm至15cm的预定高度；
33.控制步骤包括由操作者对探杆的相对位移进行目视检查，或者利用检查系统来进行自动检查；和/或
34.检查步骤包括检查探杆的上端相对于驱动杆的上端的相对位移。
【附图说明】
35.参考附图，本发明的其他特征和优点将从以下详细描述中变得清晰明了，该详细描述是仅作为一个非限制性实例而提供的。在这些附图中：
36.图1是根据本发明的控制组件的局部轴向截面图，其中连接装置位于连接位置，探杆从驱动杆的上端伸出；
37.图2是图1所示的控制组件的局部轴向截面图，其中连接装置位于断开位置，驱动杆部分升起，并且探杆缩回，但下部仍停留在控制棒束的头部上；
38.图3是图1所示的组件的局部轴向截面图，其中连接装置位于断开位置，驱动杆升起，并且探杆缩回到驱动杆中；
39.图4是驱动杆的上部和用于控制探杆相对于驱动杆的相对位移的第一系统的示意性轴向截面图；以及
40.图5是驱动杆的上部和用于检查探杆相对于驱动杆的相对位移的第二系统的示意性轴向截面图。
【具体实施方式】
41.图1至图3示出了根据本发明的用于核反应堆(未示出)的控制组件10。
42.在整个描述中，术语“高”、“低”、“下”和“上”是相对于反应性控制装置11的轴向方向d给出的。轴向方向d基本上与垂直方向合并。
43.例如，核反应堆是压水核反应堆(pwr)。
44.以已知的方式，在这种类型的反应堆中，核反应在反应堆的堆芯(未示出)中发生，并释放出大量的热量，这些热量被传递到初级回路(未示出)的水中，该主回路保持在高压和高温(大约300℃)下。初级回路中的水将其热量传递给次级回路(未示出)中的水，并在蒸汽发生器(未示出)中将水转化为蒸汽。然后，蒸汽被用于例如运行涡轮交流发电机单元来发电。
45.例如，反应堆是小型模块化反应堆(smr)，其功率通常小于300mwe。
46.作为一个变型，反应堆是功率大于300mwe的反应堆。
47.作为一个变体或者此外，反应堆是集成型的。在这种类型的反应堆中，蒸汽发生器集成在容器中。
48.该反应堆包括容器和堆芯，该堆芯包括并排设置在反应堆容器中的多个核燃料元件(未示出)。
49.每个核燃料元件包括插入到支撑结构中的一束燃料棒，该支撑结构包括导管。
50.该反应堆还包括至少一个根据本发明的控制组件10。
51.控制组件10包括用于控制反应堆堆芯反应性的反应性控制装置11和用于检查反应性控制装置11的控制棒束12和驱动杆14之间的分离的检查装置13。
52.优选地，检查装置13的元件形成直接安装在反应性控制装置11上的工具，该反应性控制装置在移除容器的上部堆内构件或分离驱动杆14和棒束22的操作期间安装。
53.换句话说，检查装置13及其元件是可移除的，并且可以在维护操作期间由一个或多个操作者放置在反应性控制装置11中或从其上移除。
54.每个控制装置11包括沿轴向方向d延伸的控制棒束12、通过连接装置(attachment device)16以可拆除的方式连接到控制棒束12的驱动杆14以及用于驱动驱动杆14沿着轴向方向d向上或向下平移以将控制棒束14升高或降低到燃料元件中并用于控制堆芯反应性的机构37。
55.在图1至图3所示的实例中，驱动机构37位于容器的内部。
56.在一个变型中，驱动机构37位于反应堆容器的封盖(closure head)的上方。
57.驱动机构37由操作者例如从控制室自动或手动致动。
58.驱动机构37的其中一个控制电路中的压降会使得控制棒束12在重力作用下下落，从而导致反应堆快速停堆。
59.驱动机构37(例如，步进机构(step-by-step mechanism))包括电磁控制、齿条-齿轮装置或用于断电情况的具有可释放螺杆的螺杆-螺母机构。
60.控制棒束12包括上端18，该上端包括支架20(也称为“三脚架(spider)”)和连接到到支架20的多个吸收棒(未示出)。
61.支架20包括控制头22，该控制头与驱动杆14机械配合，更具体地说与连接装置16机械配合。
62.每个吸收杆沿着基本上平行于轴向方向d的方向延伸。
63.例如，控制棒束12包括8至36根吸收棒(例如，24根吸收棒)。
64.例如，每根吸收棒由银-铟-镉合金、碳化硼或不锈钢制成。
65.优选地，支架20包括限定开口的插座24和容纳驱动杆14的连接装置16的容纳容积(receiving volume)26。
66.容纳容积26包括与开口相对的下表面28(优选地，基本平坦)。
67.驱动杆14沿着轴向方向d延伸。
68.驱动杆14包括上端30和下端32，该下端沿着轴向方向d与上端30相对。
69.下端32包括用于将驱动杆14连接到控制棒束12的连接头部(attachment head)22的连接装置16。
70.连接装置16可以在连接位置(图1)和断开位置(图2和图3)之间移动，驱动杆14在该连接位置处刚性地连接到控制棒束12的连接头部22且在该断开位置处与控制棒束12的连接头部22分离。
71.在反应堆正常运行期间，连接装置16处于连接位置，使得驱动机构37沿着驱动杆14的轴向方向d的位移导致控制棒束12发生位移，并因此导致吸收棒发生位移。
72.例如，在维护操作期间，可能需要独立于控制棒束12来提升驱动杆14，尤其是为了拆除上部堆内设备。
73.上部堆内设备是放置在反应堆容器内部的设备，用于支撑和引导燃料元件、控制
棒束12和仪表。
74.然后，将连接装置16置于断开位置，以便当拆除上部堆内构件的操作正确执行时驱动杆14的位移不会同时导致控制棒束12的位移。换句话说，在断开位置，驱动杆14可以独立于控制棒束12移动。
75.例如，连接装置16是现有技术中已知的棘爪连接装置(pawl attachment device)。
76.作为一个变型，连接装置16是任何类型的。
77.根据本发明，驱动杆14和连接装置16限定了形成套筒35的贯穿轴向壳体34。换句话说，套筒35通向驱动杆14的上端30，穿过连接装置16，并在连接装置16下方向外敞开。
78.用于检查控制棒束12和驱动杆14之间的分离的检查装置13包括探杆(probe rod)36，该探杆容纳在套筒35中，并且安装成在套筒35中沿轴向方向d自由平移。
79.例如，探杆36的直径在2mm至10mm之间。
80.例如，沿着轴向方向d测量的探杆36的长度超过驱动杆14的长度5cm至15cm。
81.探杆36优选地由金属(例如，不锈钢)制成。
82.探杆36包括下端38和与下端38相对的上端40。
83.下端38抵靠控制棒束12的连接头部22，更具体地抵靠控制棒束12的连接头部22的容纳容积26的下表面28。因此，下端38穿过套筒35的下部开口，该下部开口在连接装置16下方向外延伸。
84.更具体地，下端38抵靠控制棒束20的插座24的容纳容积26的下表面28。
85.优选地，探杆36的长度设计成使得在连接位置处探杆36的上端40在套筒35外部突出超过驱动杆14的上端30 5cm至15cm的高度，例如7.2cm。
86.换句话说，探杆36的轴向长度优选地大于套筒35的轴向长度。
87.因此，通过观察探杆36的上端40相对于驱动杆14的上端30的相对位移，可以确定驱动杆14与控制棒束12的连接头部22的分离是否确实有效。事实上，基本上等于零的相对位移意味着控制棒束12和驱动杆14同时上升。相比之下，探杆36的上端40相对于驱动杆14的上端30的非零相对位移会导致探杆36“缩回”到套筒35内，该非零相对位移意味着驱动杆14的连接装置16与控制棒束12的连接头部22分离(图2和图3)。
88.类似地，如果燃料元件在驱动杆14缩回过程中被带动，则棒束会与其一起被驱动，并且探杆的相对位移会基本上等于零。因此，这种事件也会被识别出。
89.有利的是，探杆36的外壁42具有刻度或包括至少一个标记。这样，操作者可以更容易地通过目视的方式检查探杆36的上端40相对于驱动杆14的上端30的相对位移。
90.在一个变型中或此外，检查装置13还包括检查系统44，用于检查探杆36相对于驱动杆14的相对位移，更具体地探杆36的上端40相对于驱动杆14的上端30的相对位移。
91.例如，检查系统44包括优选地连接到驱动杆14的上端40的磁性开关和连接到探杆36的磁体48。
92.例如，磁性开关46是包括两个磁化触点的簧片开关(reed switch)46，这两个磁化触点在有磁场的情况下受到影响而被磁化，相互吸引接触，并形成电性接触。相反，当磁场消失时，两个触点之间的磁化停止，并且彼此分离。
93.因此，磁性开关46构造为在有磁场的情况下从断开位置移动到闭合位置，并且在
没有磁场的情况下从闭合位置移动到断开位置。
94.因此，磁体48在磁性开关46前面的通过会导致开关46的闭合，从而可以探测探杆36相对于驱动杆14的位移。
95.例如，开关46连接到信号装置50，该信号装置构造为提醒操作者开关46已闭合。
96.在一个变型中，检查系统44包括连接到探杆36(优选地连接到探杆36的端部40)的反射目标52和光学装置54，该光学装置包括耦接到光源58的摄像机56，并且设置在离探杆36一定距离处。
97.光学装置54构造为在驱动杆14缩回期间与驱动杆14同时沿着方向d平移。
98.例如，光源58是激光源。
99.光源58构造为向反射目标52发射光线。
100.摄像机56构造为探测反射到反射目标52上的光线。
101.如果没有探测到反射光线，则表明探杆36发生相对于驱动杆14的相对位移。
102.例如，摄像机56连接到信号装置50，该信号装置构造为在没有反射光线的情况下提醒操作者。
103.现在将描述控制如上所述的根据本发明的反应性控制装置11的驱动杆14与控制棒束12分离的方法。
104.该方法首先包括将驱动杆14从控制棒束12的连接头部22断开的步骤。
105.在该步骤中，连接装置16从连接位置移动到断开位置。
106.在下个步骤中，承载驱动杆14的上部堆内构件沿着轴向方向d向上升起。
107.驱动杆14沿着轴向方向d向上升起。
108.然后，该方法包括：检查探杆36相对于驱动杆14的相对位移。
109.优选地，该步骤包括：检查探杆36的上端40相对于驱动杆14的上端30的相对位移。
110.例如，操作者通过目视的方式或利用位移检查系统44来自动地进行检查。
111.然后，该方法包括：如果相对位移基本上等于零，则停止提升驱动杆14。
112.事实上，探杆36和驱动杆14之间基本上相等的零相对位移意味着驱动杆14在其向上位移期间会因连接装置16的不良断开而导致控制棒束12上升。
113.相反，探杆36和驱动杆14之间的非零相对位移意味着驱动杆14确实与控制棒束12完全断开。更具体地，在驱动杆14的上端30，探杆36好像“消失”在驱动杆14中。
114.换句话说，当连接装置16与控制棒束12正确分离时，在提升驱动杆14的过程中，探杆36的上端40和驱动杆14的上端30之间的距离减小。
115.优选地，该方法包括在对探测杆36和驱动杆14之间的相对位移进行检查之前将驱动杆14提升预定高度的步骤。
116.预定高度在5cm至15cm之间，例如7.2cm。
117.优选地，选择预定高度，使得在连接装置16与控制棒束12不良断开的情况下，在控制棒束12可能造成任何损坏之前，驱动杆14可以下降回到燃料元件中，并且吸收棒可以重新定位在堆芯的几何形状中。
118.因此，根据本发明的控制组件10是特别有利的，因为该控制组件可以用于确保连接装置16和控制棒束12的连接头部22之间的断开确实有效，从而防止控制棒束12意外上升以及会附着在控制棒束12或更高的堆内元件上的燃料元件意外上升。