一種灰控制棒及吸收體的製作方法與工藝
2023-04-30 21:20:41
本發明屬於核電站反應性控制技術領域，具體涉及一種先進的灰控制棒及吸收體材料。
背景技術：
核電站通常是利用控制棒組件的提升和插入來控制反應堆的功率。核電站所使用的控制棒一般分為兩類，黑控制棒和灰控制棒。灰控制棒的中子吸收體的吸收能力較弱，因此其反應性價值比黑控制棒要低。在反應堆運行期間，運用機械補償(MSHIM)的運行模式進行反應性控制，即利用灰控制棒代替化學補償(調節硼濃度)為負荷跟蹤過程提供反應性控制和全功率運行提供反應性控制，可以把日常處理主反應堆冷卻劑的需要降到最低，從而大大簡化化學和容積控制系統及其操作。現有的灰控制棒的設計採用Ag-In-Cd合金(In的質量分數約為15％，Cd的質量分數約為5％，餘量為Ag)作為吸收體材料。而Ag-In-Cd合金具有相對較大的中子吸收截面，尤其是Ag、In和Cd三種元素天然存在的同位素嬗變後的產物的中子吸收截面顯著降低，這將導致灰控制棒組件的反應性價值大約5年的時間內就降低到初始值的80％左右，不再滿足MSHIM模式對灰控制棒組件反應性價值的要求，因此必須更換新的灰控制棒組件。因此，需要開發先進的吸收體材料，替換現有的Ag-In-Cd合金吸收體材料，以延長灰控制棒的使用壽命。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種先進的灰控制棒及吸收體，其反應性價值幾乎不隨燃耗發生變化，大大延長了灰控制棒組件的使用壽命。實現本發明目的的技術方案：一種灰控制棒用吸收體，該吸收體材料中含有鋱、鋱合金或鋱的化合物，其中鋱元素佔該吸收體材料質量百分比的 10～95％。如上所述的一種灰控制棒用吸收體，該吸收體材料中包含A組分和B組分：所述的A組分為：鋱、鋱合金或鋱的化合物中的一種或幾種；所述的B組分為：銀、銀合金、銀的化合物、鉿、鉿合金、鉿的化合物、鉺、鉺合金、鉺的化合物、銪、銪合金、銪的化合物、鏑、鏑合金或鏑的化合物中的一種或幾種。如上所述的一種灰控制棒用吸收體，該吸收體材料中包含A組分和B組分；所述的A組分為：鋱、鋱合金或鋱的化合物中的一種或幾種；所述的B組分為：銀、銀合金、銀的化合物、鉿、鉿合金、鉿的化合物、鉺、鉺合金、鉺的化合物、銪、銪合金、銪的化合物、鏑、鏑合金或鏑的化合物；其中，A組分中每採用1份鋱元素，則B組分中對應加入0.1～9份的銀元素、或0.05～3份的鉿元素、或0.1～2份鉺元素、或0.6～4份的銪元素、或0.6～4份的鏑元素；以質量份計。如上所述的一種灰控制棒用吸收體，該吸收體材料中包含A組分和B組分：所述的A組分為：鋱的氧化物；所述的B組分為：銀、銀合金、銀的氧化物、鉿、鉿合金、鉿的氧化物、鉺、鉺合金、鉺的氧化物、銪、銪合金、銪的氧化物、鏑、鏑合金或鏑的氧化物中；其中，A組分中的鋱元素與B組分中的銀元素的質量含量比例為1:(0.1～9)；A組分中的鋱元素與B組分中的鉿元素的質量含量比例為1:(0.05～3)；A組分中的鋱元素與B組分中的鉺元素的質量含量比例為1:(0.1～2)；A組分中的鋱元素與B組分中的銪元素的質量含量比例為1:(0.6～4)；A組分中的鋱元素與B組分中的鏑元素的質量含量比例為1：(0.6～4)。如上所述的一種灰控制棒用吸收體，該吸收體為鋱鏑合金，其中鋱元素與鏑元素的質量含量比例為1：(0.6～4)。本發明所述的一種灰控制棒，該灰控制棒為細長實心管狀結構，該灰控制棒由含有鋱、鋱合金或鋱的化合物的材料製成，其中鋱元素佔灰控制棒總質量百分比的10～95％。本發明所述的一種灰控制棒，該灰控制棒為同心設置的內外兩層細長實心管狀結構，該灰控制棒的內層管或/和外層管由含有鋱、鋱合金或鋱的化合物的材料製成，其中鋱元素佔灰控制棒總質量百分比的10～95％。如上所述的一種灰控制棒，製成該灰控制棒的材料中包含A組分和B組分：所述的A組分為：鋱、鋱合金或鋱的化合物中的一種或幾種；所述的B組分為：銀、銀合金、銀的化合物、鉿、鉿合金、鉿的化合物、鉺、鉺合金、鉺的化合物、銪、銪合金、銪的化合物、鏑、鏑合金或鏑的化合物中的一種或幾種。如上所述的一種灰控制棒，製成該灰控制棒的材料中包含A組分和B組分：所述的A組分為：鋱、鋱合金或鋱的化合物中的一種或幾種；所述的B組分為：銀、銀合金、銀的化合物、鉿、鉿合金、鉿的化合物、鉺、鉺合金、鉺的化合物、銪、銪合金、銪的化合物、鏑、鏑合金或鏑的化合物；其中，A組分中每採用1份鋱元素，則B組分中對應加入0.1～9份的銀元素、或0.05～3份的鉿元素、或0.1～2份鉺元素、或0.6～4份的銪元素、或0.6～4份的鏑元素；以質量份計。如上所述的一種灰控制棒，製成該灰控制棒的材料中包含A組分和B組分：所述的A組分為：鋱的氧化物；所述的B組分為：銀、銀合金、銀的氧化物、鉿、鉿合金、鉿的氧化物、鉺、鉺合金、鉺的氧化物、銪、銪合金、銪的氧化物、鏑、鏑合金或鏑的氧化物；其中，A組分中的鋱元素與B組分中的銀元素的質量含量比例為1:(0.1～9)；A組分中的鋱元素與B組分中的鉿元素的質量含量比例為1:(0.05～3)；A組分中的鋱元素與B組分中的鉺元素的質量含量比例為1:(0.1～2)；A組分中的鋱元素與B組分中的銪元素的質量含量比例為1:(0.6～4)；A組分中的鋱元素與B組分中的鏑元素的質量含量比例為1：(0.6～4)。如上所述的一種灰控制棒，製成該灰控制棒的材料為鋱鏑合金，其中鋱元素與鏑元素的質量含量比例為1：(0.6～4)。如上所述的一種灰控制棒，所述的灰控制棒外包覆不鏽鋼或鎳基合金制 成的包殼管。本發明的效果在於：本發明所述的先進的灰控制棒及吸收體，採用鋱或鋱合金或鋱的化合物，由此獲得的灰控制棒組件應用於反應堆，其反應性價值幾乎不隨燃耗發生變化，使得灰控制棒組件使用壽命超過20年。採用反應性價值隨燃耗下降的中子吸收體材料(銀、鉿、鉺、銪或鏑的合金或化合物等)用於抵消鋱、鋱合金或鋱的化合物隨燃耗逐漸升高的反應性價值。附圖說明圖1為現有Ag-In-Cd合金與實施例1中鋱鏑合金的反應性價值隨燃耗變化圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明所述的一種先進的灰控制棒及吸收體作進一步描述。實施例1～3本發明所述的一種先進的灰控制棒，其為細長實心管狀結構，由鋱鏑合金製成。該灰控制棒外包覆不鏽鋼或鎳基合金製成的包殼管。所述的鋱鏑合金組成如下表1所示。(該鋱鏑合金中還可能帶有Ho、Fe、Ca、Si、Cl等不超過2％的雜質成分。)表1鋱元素：鏑元素(質量比)鋱元素佔該鋱鏑合金總質量百分比實施例13：175％實施例21：910％實施例319：195％如圖1所示，現有的灰控制棒採用Ag-In-Cd合金作為吸收體。而Ag-In-Cd合金具有相對較大的中子吸收截面，尤其是Ag、In和Cd三種元素天然存在的同位素嬗變後的產物的中子吸收截面顯著降低，因此以Ag-In-Cd合金作為吸收體的灰控制棒的反應性價值隨燃耗下降非常快，大約5年的時間內就降低到初始值的80％左右，不再滿足MSHIM模式對灰控制棒組件反應性價值 的要求。如圖1所示，本發明實施例1中，用鋱鏑合金(Tb佔75％，Dy佔25％)做灰控制棒的吸收體，Tb元素天然存在的同位素為100％的159Tb，經嬗變後的子代產物的中子吸收截面增大，即中子吸收能力逐漸增強，而Dy天然存在的同位素經嬗變後的總體效應是中子吸收能力逐漸減弱，抵消了由於Tb燃耗導致反應性價值升高的效應。因此，該吸收體材料在燃耗後仍然具有與燃耗前相近的反應性價值，即其反應性價值基本不隨燃耗發生變化。實施例4～37本發明所述的先進的灰控制棒用吸收體材料中包含A組分和B組分，具體組成及配比如下表2所示。(該吸收體材料中還可能帶有Ho、Y、Fe、Ca、Si、Cl等不超過2％的雜質成分。)表2實施例38本發明所述的一種先進的灰控制棒，該灰控制棒為同心設置的內外兩層細長實心管狀結構；灰控制棒外包覆不鏽鋼或鎳基合金製成的包殼管。所述的內層管由鋱製成，該內層管直徑為2mm；所述的外層管由Ag-In-Cd合金製成，該外層管內徑為2mm，外徑為5mm。其中，灰控制棒中鋱元素：銀元素＝1：5(質量比)；鋱元素佔該灰控制棒總質量百分比的13.5％)實施例39本發明所述的一種先進的灰控制棒，該灰控制棒為同心設置的內外兩層細長實心管狀結構；灰控制棒外包覆不鏽鋼或鎳基合金製成的包殼管。所述的內層管由氧化鋱製成，該內層管直徑為6mm；所述的外層管由鉿製成，該外層管內徑為6mm，外徑為7mm。其中，灰控制棒中鋱元素：鉿元素＝4：3(質量比)；鋱元素佔該灰控制棒總質量百分比的51％)。實施例40本發明所述的一種先進的灰控制棒，該灰控制棒為同心設置的內外兩層細長實心管狀結構；灰控制棒外包覆不鏽鋼或鎳基合金製成的包殼管。所述的內層管由鏑製成，該內層管直徑為5mm；所述的外層管由鋱製成，該外層管內徑為8mm，外徑為8mm。其中，灰控制棒中鋱元素：鏑元素＝3：2(質量比)；鋱元素佔該灰控制棒總質量百分比的60％。