阅读说明：本技术 一种液态非能动反应堆控制棒及其工作方法 (Liquid passive reactor control rod and working method thereof ) 是由 姚尧 韩传高 张瑞祥 马晓珑 董雷 余俨 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种液态非能动反应堆控制棒及其工作方法,包括锂储存罐及若干控制棒包壳,各控制棒包壳的上端与锂储存罐相连通,各控制棒包壳的下端均插入于外部的反应堆堆芯内,控制棒包壳下侧内填充有氦气,该控制棒及其工作方法具有故障概率低、可靠性高及安全性较高的特点。(The invention discloses a liquid passive reactor control rod and a working method thereof, wherein the liquid passive reactor control rod comprises a lithium storage tank and a plurality of control rod cladding shells, the upper end of each control rod cladding shell is communicated with the lithium storage tank, the lower end of each control rod cladding shell is inserted into an external reactor core, helium is filled in the lower side of each control rod cladding shell, and the control rod and the working method thereof have the characteristics of low failure probability, high reliability and higher safety.)

一种液态非能动反应堆控制棒及其工作方法

技术领域

本发明属于核反应堆控制棒领域，涉及一种液态非能动反应堆控制棒及其工作方法。

背景技术

当前国际国内主流反应堆使用的控制棒均为固体材料(不锈钢、银铟镉、碳化硼)做成细长棒状，一定数量的控制棒连接在控制棒驱动机构上形成控制棒束。反应堆容器外布置的电动机通过链条或者钩爪带动控制棒驱动机构运动，从而实现控制棒在反应堆堆芯里面的提升或者下插。在失去电源的情况下，利用控制棒的重力使控制棒***堆芯，来实现故障安全的设计。这种技术存在以下缺点：一是控制棒的移动必须依靠外部电源、驱动电机及相应的机械装置和控制装置，增加了控制棒组的故障概率；二控制棒驱动机构贯穿压力容器封头，增加一回路压力边界的贯穿件和承压部件，可靠性低；三是虽然利用重力实现故障安全的设计，仍然存在控制棒掉落时发生卡棒或者落入堆芯底部的控制棒发生弹棒的可能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种液态非能动反应堆控制棒及其工作方法，该控制棒及其工作方法具有故障概率低、可靠性高及安全性较高的特点。

为达到上述目的，本发明所述的液态非能动反应堆控制棒包括锂储存罐及若干控制棒包壳，各控制棒包壳的上端与锂储存罐相连通，各控制棒包壳的一端均***于外部的反应堆堆芯内，控制棒包壳一端填充有氦气。

锂储存罐内的液态金属锂进入到控制棒包壳内后与氦气之间形成气液交界面。

反应堆堆芯内设置有若干反应堆冷却剂通道，锂储存罐位于反应堆冷却剂通道出口的一侧。

控制棒包壳的内径小于10mm。

本发明所述液态非能动反应堆控制棒的工作方法包括以下步骤：

当反应堆堆芯的出口温度升高，锂储存罐和控制棒包壳内的液态金属锂受热膨胀，使得气液交界面下降，液态金属锂(Li-6)进入反应堆堆芯的量增加，使得反应堆堆芯引入负反应性，从而抑制反应堆的功率异常上涨；当反应堆堆芯的出口温度降低，锂储存罐和控制棒包壳内的液态金属锂降温收缩，气液交界面上升，液态金属锂(Li-6)从反应堆堆芯中排出，使得反应堆堆芯引入正反应性，从而补偿反应堆功率异常降低，使反应堆功率自动趋于稳定。本发明所述控制棒具备自动调节并稳定反应堆功率或堆芯出口温度的功能，不涉及反应堆停堆功能的要求。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的液态非能动反应堆控制棒及其工作方法在具体操作时，利用液态金属锂(Li-6)作为反应堆中子吸收体，将一定丰度的金属锂同位素(Li-6和Li-7)装入锂储存罐和控制棒包壳的上部，控制棒包壳的下部充入纯氦气，液态金属锂因为表面张力的原因，可以在控制棒包壳和氦气交界面稳定悬浮，当反应堆堆芯的出口温度升高，液态金属锂与氦气之间的气液交界面下降，液态金属锂(Li-6)进入反应堆堆芯的量增加，液态金属锂控制棒***反应堆堆芯引入负反应性，从而抑制反应堆功率异常上涨；当反应堆堆芯的出口温度降低，气液交界面上升，液态金属锂(Li-6)从反应堆堆芯排出，液态金属锂控制棒抽出反应堆堆芯引入正反应性，从而补偿反应堆功率异常降低，其中，控制棒包壳中气液交界面的移动不需要依靠外部动力电源驱动和控制系统，简化了机械装置，显著降低了控制棒组的故障概率；同时锂控制棒无需贯穿压力容器封头，显著提升了一回路压力边界的安全性和可靠性；最后需要说明的是，本发明利用金属热胀冷缩的非能动理念，避免了控制棒卡棒或者控制棒发生弹棒的可能性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为锂储存罐、2为控制棒包壳、3为氦气、4为液态金属锂、5为反应堆冷却剂通道、6为反应堆堆芯、7为反应堆容器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的液态非能动反应堆控制棒包括锂储存罐1及若干控制棒包壳2，各控制棒包壳2的上端与锂储存罐1相连通，各控制棒包壳2的下端均***于外部的反应堆堆芯6内，控制棒包壳2下侧内填充有氦气3。

锂储存罐1内的液态金属锂4进入到控制棒包壳2内后与氦气3之间形成气液交界面；反应堆堆芯6内设置有若干反应堆冷却剂通道5，锂储存罐1位于反应堆冷却剂通道5出口的一侧；控制棒包壳2的内径小于10mm。

本发明所述液态非能动反应堆控制棒的工作方法包括以下步骤：

正常情况下液态金属锂4(Li-6和Li-7)在控制棒包壳2内部且只进入反应堆堆芯6上半部分，控制棒包壳2下部由氦气3填充，液态金属锂4(Li-6和Li-7)能够和反应堆堆芯6出口冷却剂温度快速达到一致。

当反应堆堆芯6的出口温度升高，锂储存罐1和控制棒包壳2内的液态金属锂4受热膨胀，气液交界面下降，液态金属锂4进入反应堆堆芯6的量增加，液态金属锂控制棒***反应堆堆芯6引入负反应性，从而抑制反应堆功率异常上涨；当反应堆堆芯6的出口温度降低，锂储存罐1和控制棒包壳2内的液态金属锂4降温收缩，气液交界面上升，液态金属锂4从反应堆堆芯6中排出，液态金属锂控制棒抽出反应堆堆芯6引入正反应性，从而补偿反应堆功率异常降低，此液态非能动反应堆控制棒使反应堆功率自动趋于稳定。液态金属锂4的热胀冷缩无需使用外部驱动力，具有非能动的特性。本发明所述控制棒具备自动调节并稳定反应堆功率或堆芯出口温度的功能，不涉及反应堆停堆功能的要求。

本发明可以利用在未来新型金属冷却反应堆中(钠冷反应堆、锂冷反应堆、铅冷反应堆、铋冷反应堆等)。本发明在堆芯损坏极端情况下发生破裂，具有中子吸收性能的Li-6弥散进入冷却剂系统，有助于降低事故工况下的反应性，具有事故安全的功能。

在实际操作时，可以通过调整锂控制棒内锂(Li-6)的丰度，改变单根控制棒对中子的吸收能力，有利于优化控制棒在堆芯的布置、提升控制性能。