本發(fā)明一般涉及核反應(yīng)堆，更具體地說，涉及一種插入核燃料組件的改進(jìn)的灰體棒。

在壓水反應(yīng)堆的常規(guī)設(shè)計中，對反應(yīng)堆堆芯的起動設(shè)計了剩余的反應(yīng)性，使得在堆芯壽命期間反應(yīng)性貧化時，仍然留下足夠的反應(yīng)性以在延長的時期內(nèi)維持堆芯操作。然而，由于在堆芯壽命開始時在堆芯中設(shè)計了剩余的反應(yīng)性，因此此時必須采取步驟適當(dāng)?shù)乜刂扑?/p>

在一個典型的核反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆堆芯由許多個細(xì)長的燃料組件構(gòu)成，每個燃料組件包括許多根細(xì)長的燃料元件或棒。液體冷卻劑被通過堆芯泵向上部，以便從堆芯中提取熱量而產(chǎn)生有用功。堆芯的熱輸出量通常利用各種不同類型的可以移動的棒來調(diào)節(jié)，比如控制棒、灰體棒和/或水置換棒。在壓水反應(yīng)堆中，每個燃料組件通常包括許多根導(dǎo)管或套管，上述各種棒可以在這些管中來回移動。

所有三種不同類型的棒具有近似相同的尺寸，但是由于制成棒的材料不同，三種棒用于稍許不同的目的。置換棒不管是空心的還是包含低中子吸收材料的，都用來置換反應(yīng)堆冷卻劑，從而控制反應(yīng)堆慢化作用。含高中子吸收材料的控制棒主要由于吸收中子而起控制堆芯反應(yīng)性的作用。灰體棒類似于置換棒，但利用一種中等中子吸收材料，如反應(yīng)性能較高的不銹鋼。它們控制堆芯反應(yīng)性的作用既通過吸收中子-但其中子俘獲截面比控制棒要小，也通過置換冷卻劑。

灰體棒也被看作是一種精細(xì)調(diào)整的輔助控制棒。在歐洲專利申請第84308376.9號中，描述了一種此類的輔助控制棒，它由不銹鋼材料制成的上管和下管構(gòu)成，管子的內(nèi)端部用中塞封閉，管子的外端部用端塞封閉。下管包含一疊堆實心氧化鋯芯塊，它們堆疊在下管的中塞和端塞之間，該疊堆芯塊對下管提供徑向的支承。上管是開孔的，允許冷卻劑進(jìn)入其內(nèi)部，以使通過上管管壁的壓力相等。

這類輔助控制棒性能合理良好，在它為之設(shè)計的操作條件范圍內(nèi)符合它的目的要求。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，實心氧化鋯芯塊內(nèi)部達(dá)到300°至600°之間的高溫，它能夠形成徑向的增長，產(chǎn)生有害的包殼應(yīng)變。

本發(fā)明的主要目的是提供一種減輕此類有害作用的改進(jìn)的灰體棒。

因此本發(fā)明屬于一種插入包括一個燃料棒陣列的核燃料組件用的灰體棒，該灰體棒包括一個細(xì)長的管狀件和芯塊，管狀件由中子俘獲截面小的材料構(gòu)成，其兩端密封，芯塊由非燃料物質(zhì)制成，在管狀件中首尾相接地堆疊，該灰體棒當(dāng)它被插入燃料組件時，有一個位于燃料棒陣列內(nèi)的管狀件的第一縱向區(qū)段，和一個基本上位于燃料棒陣列之外的管狀件的第二縱向區(qū)段，該灰體棒的特征在于，芯塊疊堆被留在一個限制于上述第一縱向區(qū)段中的芯塊接受空間內(nèi)，而每一個芯塊的形狀是環(huán)形的，以便在芯塊中心形成一個空心區(qū)，而其外徑足以對上述第一縱向區(qū)段的鄰接管壁部分提供徑向支承，管狀件的第二縱向區(qū)段形成一個空間，它沒有芯塊，而具有增強第二縱向區(qū)段對外部壓力的徑向抗塌陷能力的機構(gòu)。

使用環(huán)形芯塊代替實心芯塊，將把有害的包殼應(yīng)變的危險減到最小，因為環(huán)形芯塊的內(nèi)部溫度往往會低得多，所以通常說來徑向增長將會減到最小，每個環(huán)形芯塊的內(nèi)部空心區(qū)的存在將進(jìn)一步產(chǎn)生好處，這種空心區(qū)將容納可能存在的小的熱膨脹中的大部分。而且，環(huán)形芯塊的重量比實心芯塊小，減小了灰體棒的質(zhì)量，這一點對于灰體棒的使用操作是有利的。

在本發(fā)明的一種最佳實施方案中，一個螺旋彈簧被用來使環(huán)形芯塊疊堆保持在管狀件第一縱向區(qū)段的芯塊接受空間內(nèi)。該螺旋彈簧在第二縱向區(qū)段的空間內(nèi)保持部分的壓縮狀態(tài)，其縱向伸展的長度大體上充滿空間的全長。此外，螺旋彈簧的外徑足以徑向地支承第二縱向區(qū)段的管壁抵抗外部壓力造成的塌陷。因此，螺旋彈簧起雙重的目的，它使芯塊疊堆保持在芯塊接受空間的，此外它又增強了第二縱向區(qū)段的徑向抗塌陷能力。因為使芯塊疊堆保持在合適位置上并維持其整體性的螺旋彈簧是有彈性的，所以允許芯塊有某些軸向膨脹而不產(chǎn)生應(yīng)變。環(huán)形芯塊最好由鋯合金材料制成，這種大家熟知的鋯合金不會粉化。在最佳實施方案中，包括上述第一和第二縱向區(qū)段的管狀件是單獨一件整體構(gòu)件，這改善了灰體槽的準(zhǔn)直性和平直度。

現(xiàn)在作為例子參考附圖來描述本發(fā)明的最佳實施方案和一種替代的實施方案，附圖中：

圖1是反應(yīng)堆堆芯的局部視圖，它正面描繪一個燃料組件，一個橫切燃料組件頂部延伸的上部堆芯支承板，和一個十字頭組件支承的灰體棒，堆芯板被表示成截面，部分?jǐn)嚅_，燃料組件被圖示成垂直縮短形式和部分?jǐn)嚅_，以露出一個體現(xiàn)本發(fā)明的灰體棒;

圖2是十字頭組件的放大頂視圖;

圖3是沿圖2的3-3線截取的十字頭組件的截面圖;

圖4是代表本發(fā)明最佳實施方案的灰體棒的放大而垂直縮短的部分截面圖;

圖5是沿圖4的5-5線截取的放大的截面圖;

圖6是代表本發(fā)明一種替代實施方案的灰體棒的放大而垂直縮短的視圖。

在下列描述中，幾幅附圖中相同的參考數(shù)碼表示相同的或等價的部件，而諸如“向前”、“向后”、“向左”、“向右”、“向上”、“向下”等等用語，是為方便而使用的，不應(yīng)解釋為限制性用語。

現(xiàn)在參考附圖，特別是圖1，圖中表示了一個通常用參考號10表示的燃料組件總組合，一個位于上部并橫切燃料組件10頂部的上部堆芯支承板12，和一個位于上部堆芯支承板之上的十字頭組件14。

被表示成垂直縮短形式的燃料組件10，基本上包括一個在核反應(yīng)堆（未圖示）的堆芯區(qū)域中的下堆芯板（未圖示）上配接而支承組件的下端部結(jié)構(gòu)或或底部管嘴16，許多根從底部管嘴16向上縱向伸出的導(dǎo)管或套管18，許多個沿導(dǎo)向套管18軸向放置的橫向格架20，一個橫向放置的由格架20支承的細(xì)長燃料棒22的有條理的陣列，一個置于燃料組件中心的儀表管24，以及一個附著于導(dǎo)向套管18上端的上端部結(jié)構(gòu)或頂部管嘴26。燃料組件10組成一個整體單元，能夠進(jìn)行常規(guī)的裝卸，而不損壞組件部件。

如上所述，燃料棒22通過沿燃料組件間隔放置的格架20而彼此間隔地夾持住。每根燃料棒22包含核燃料芯塊（未圖示），其相對的兩端用端塞封閉（未圖示）。由裂變材料制成的燃料芯塊是反應(yīng)功率源。一種諸如水或含硼水之類的液體慢化-冷卻劑，被通過堆芯的燃料組件泵向上部，以便從燃料組件中提取熱量而產(chǎn)生有用功。

上堆芯支承板12橫切堆芯內(nèi)所有燃料組件的頂部而延伸，它具有通過其間而形成的冷卻劑流通通道，比如通道28。至少這些通道28中的一些與導(dǎo)向套管18軸向準(zhǔn)直，使得如灰體棒30之類灰體棒和其它控制棒（未圖示）可以通過堆芯板12中的通道28向下移動而進(jìn)入相應(yīng)的導(dǎo)向套管18。

如從圖2和圖3可以最清楚地看到的，十字頭組件14有一個中心軸32，多個從中心軸徑向延伸的葉片34，多根安置在葉片34上的指棒36，指棒連接到灰體棒30的上端。最好是，中心軸32的形狀如一根細(xì)長的管子，在它的上端有一個內(nèi)攻螺紋的管頭40，以連接驅(qū)動機構(gòu)（未圖示），用來升降十字頭組件14，如反應(yīng)堆技術(shù)中所熟知的。管狀中心軸32內(nèi)裝一個負(fù)荷吸收機構(gòu)，它包括一個壓縮的卷簧42和一個接管44，接管配接定位在形成于堆芯塊12上表面中的淺穴中（未圖示），以便有助于將灰體棒30適當(dāng)?shù)販?zhǔn)直于堆芯板通道28和導(dǎo)向套管18中。如所周知，負(fù)荷吸收機構(gòu)的主要目的是，防止當(dāng)灰體棒30完全插入導(dǎo)向套管18時由于十字頭組件14沖擊堆芯板12而引起的堆芯板12和燃料組件10的沖擊負(fù)荷。

現(xiàn)在參考附圖的圖4和圖5，體現(xiàn)本發(fā)明的灰體棒30包括一個管狀件46，一疊堆放置在管狀件中的環(huán)形支承芯塊48，一個長度足以將芯塊接受空間52中的芯塊疊堆48保持在管狀件46縱向下部的螺旋彈簧50，處于部分壓縮狀態(tài)的螺旋彈簧50被安置在于管狀件縱向上部中形成的沒有任何芯塊的空間54中，螺旋彈簧的外徑足以進(jìn)一步對管狀件縱向上部的管壁提供徑向支承。可以注意到，螺旋彈簧50的軸向伸展長度大體上等于空間54的全長度。

更具體地說，管狀件46是一根筒形圓管56，其兩端分別由端塞58和60封閉。上端塞58與向上延伸的桿62形成整體，桿62有一個外部攻螺紋的端部64，用來連接十字頭指棒36之一的內(nèi)部攻螺紋的下端部66。下端塞60是圓錐形的。管子56取薄壁包殼的形狀，它象端塞58和60一樣，是用不銹鋼材料制成的。用不銹鋼材料制成的包殼其中子俘獲或中子吸收截面很小，由于是薄壁的，把重量減到了最小，因而也把灰體棒30的轉(zhuǎn)動慣量減到了最小。

疊堆中的每個芯塊48具有空心的環(huán)形，這使得芯塊在管子56中同心地裝配。并提供一個通過芯塊48的中心空腔68?？招男緣K48的使用把灰體棒30的質(zhì)量被到最小，而同時使管子56保持足夠高的抗塌陷能力。由于灰體棒30質(zhì)量小，灰體棒內(nèi)部溫度保持在可以接受的程度，因此減小了包殼應(yīng)變。而且，每個芯塊48內(nèi)的中心空腔68有助于使芯塊本身保持在較低的內(nèi)部溫度，從而還盡可能地縮小了徑向膨脹，因此也盡可能地縮小了包殼應(yīng)變。最好是，每個芯塊由鋯合金材料構(gòu)成，它并不顯著地吸收中子，它在灰體棒30進(jìn)入和移出燃料組件10的步進(jìn)移動中并不變成為粉末狀。

如上面所指出的，螺旋彈簧或壓力彈簧50起雙重作用。首先，它有足夠的長度使得它在芯塊疊堆48和上端塞58之間保持壓縮狀態(tài)，從而使芯塊疊堆保持對下端塞60的偏壓而容忍可能在單個芯塊長度中發(fā)生的某種小的熱增長。因此，螺旋彈簧50保證，當(dāng)灰體棒被插入燃料組件10時，芯塊疊堆48被保持在下管區(qū)段的芯塊接受空間52內(nèi)，該下管區(qū)段位于燃料棒陣列內(nèi)，而形成空間54的上管區(qū)段基本上在燃料棒陣列的外邊，在上堆芯板12的灰體棒插入位置的有關(guān)通道28內(nèi)。螺旋彈簧50所起的第二個作用是，在空間54的整個范圍內(nèi)對薄壁管56提供內(nèi)部支承，而不增加比彈簧的輕的重量更大的重量。

附圖的圖6表示一種替代的實施方案，該方案中有一根灰體棒30′類似于到目前為止所描述的最佳方案中的灰體棒30，它由一根包含一疊堆空心環(huán)狀芯塊48′的管狀件46′構(gòu)成。然而，與灰體棒30不一樣，該灰體棒30′的細(xì)長管子56′由下段管子70和上段管子72組成，這上下兩段管子彼此分立，通過一個插在兩段管子70和72之間的實心塞子74連接在一起，而上下兩段管子的鄰接端部連接于塞子74。下段管子70形成一個包含芯塊疊堆48′的芯塊接受空間52′，上段管子72形成一個沒有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間54′。上段管子72有幾個穿過管壁形成的開孔76，允許反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)入空間54′，以使空間54′內(nèi)的壓力與灰體棒之外的外部壓力相等。兩段管子70和72為薄壁包殼，它們與實心塞子74一起，都是由不銹鋼材料構(gòu)成的。芯塊48′是由一種其熱膨脹系數(shù)可以忽略不計的非燃料物質(zhì)構(gòu)成的，可以由氧化鋯構(gòu)成;特別是，因為芯塊是環(huán)形的，中間形成空腔68，它們的長度不會顯著增長，因此，可以在實心塞子74和端塞60之間穩(wěn)固地堆疊。