一种先进的灰控制棒及吸收体

摘要

本发明提供一种先进的灰控制棒及吸收体。该吸收体材料中含有铽、铽合金或铽的化合物，其中铽元素占该吸收体材料质量百分比的10～95％。该灰控制棒为细长实心管状结构，该灰控制棒由含有铽、铽合金或铽的化合物的材料制成，其中铽元素占灰控制棒总质量百分比的10～95％。本发明所述的先进的灰控制棒及吸收体，采用铽或铽合金或铽的化合物，由此获得的灰控制棒组件应用于反应堆，其反应性价值几乎不随燃耗发生变化，使得灰控制棒组件使用寿命超过20年。采用反应性价值随燃耗下降的中子吸收体材料(银、铪、铒、铕或镝的合金或化合物等)用于抵消铽、铽合金或铽的化合物随燃耗逐渐升高的反应性价值。

说明书

技术领域

本发明属于核电站反应性控制技术领域，具体涉及一种先进的灰控制棒 及吸收体材料。

背景技术

核电站通常是利用控制棒组件的提升和插入来控制反应堆的功率。核电 站所使用的控制棒一般分为两类，黑控制棒和灰控制棒。灰控制棒的中子吸 收体的吸收能力较弱，因此其反应性价值比黑控制棒要低。

在反应堆运行期间，运用机械补偿(MSHIM)的运行模式进行反应性控 制，即利用灰控制棒代替化学补偿(调节硼浓度)为负荷跟踪过程提供反应 性控制和全功率运行提供反应性控制，可以把日常处理主反应堆冷却剂的需 要降到最低，从而大大简化化学和容积控制系统及其操作。

现有的灰控制棒的设计采用Ag-In-Cd合金(In的质量分数约为15％， Cd的质量分数约为5％，余量为Ag)作为吸收体材料。而Ag-In-Cd合金具 有相对较大的中子吸收截面，尤其是Ag、In和Cd三种元素天然存在的同位 素嬗变后的产物的中子吸收截面显著降低，这将导致灰控制棒组件的反应性 价值大约5年的时间内就降低到初始值的80％左右，不再满足MSHIM模式 对灰控制棒组件反应性价值的要求，因此必须更换新的灰控制棒组件。

因此，需要开发先进的吸收体材料，替换现有的Ag-In-Cd合金吸收体材 料，以延长灰控制棒的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种先进的灰控制棒及吸收体，其反应性价值几 乎不随燃耗发生变化，大大延长了灰控制棒组件的使用寿命。

实现本发明目的的技术方案：一种先进的灰控制棒用吸收体，该吸收体 材料中含有铽、铽合金或铽的化合物，其中铽元素占该吸收体材料质量百分 比的10～95％。

如上所述的一种先进的灰控制棒用吸收体，该吸收体材料中包含A组分 和B组分：所述的A组分为：铽、铽合金或铽的化合物中的一种或几种； 所述的B组分为：银、银合金、银的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、铒、 铒合金、铒的化合物、铕、铕合金、铕的化合物、镝、镝合金或镝的化合物 中的一种或几种。

如上所述的一种先进的灰控制棒用吸收体，该吸收体材料中包含A组分 和B组分；所述的A组分为：铽、铽合金或铽的化合物中的一种或几种；所 述的B组分为：银、银合金、银的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、铒、 铒合金、铒的化合物、铕、铕合金、铕的化合物、镝、镝合金或镝的化合物； 其中，A组分中每采用1份铽元素，则B组分中对应加入0.1～9份的银元素、 或0.05～3份的铪元素、或0.1～2份铒元素、或0.6～4份的铕元素、或0.6～4 份的镝元素；以质量份计。

如上所述的一种先进的灰控制棒用吸收体，该吸收体材料中包含A组分 和B组分：所述的A组分为：铽的氧化物；所述的B组分为：银、银合金、 银的氧化物、铪、铪合金、铪的氧化物、铒、铒合金、铒的氧化物、铕、铕 合金、铕的氧化物、镝、镝合金或镝的氧化物中；其中，A组分中的铽元素 与B组分中的银元素的质量含量比例为1∶(0.1～9)；A组分中的铽元素与B 组分中的铪元素的质量含量比例为1∶(0.05～3)；A组分中的铽元素与B组 分中的铒元素的质量含量比例为1∶(0.1～2)；A组分中的铽元素与B组分中 的铕元素的质量含量比例为1∶(0.6～4)；A组分中的铽元素与B组分中的镝 元素的质量含量比例为1∶(0.6～4)。

如上所述的一种先进的灰控制棒用吸收体，该吸收体为铽镝合金，其中 铽元素与镝元素的质量含量比例为1∶(0.6～4)。

本发明所述的一种先进的灰控制棒，该灰控制棒为细长实心管状结构， 该灰控制棒由含有铽、铽合金或铽的化合物的材料制成，其中铽元素占灰控 制棒总质量百分比的10～95％。

本发明所述的一种先进的灰控制棒，该灰控制棒为同心设置的内外两层 细长实心管状结构，该灰控制棒的内层管或/和外层管由含有铽、铽合金或铽 的化合物的材料制成，其中铽元素占灰控制棒总质量百分比的10～95％。

如上所述的一种先进的灰控制棒，制成该灰控制棒的材料中包含A组分 和B组分：所述的A组分为：铽、铽合金或铽的化合物中的一种或几种； 所述的B组分为：银、银合金、银的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、铒、 铒合金、铒的化合物、铕、铕合金、铕的化合物、镝、镝合金或镝的化合物 中的一种或几种。

如上所述的一种先进的灰控制棒，制成该灰控制棒的材料中包含A组分 和B组分：所述的A组分为：铽、铽合金或铽的化合物中的一种或几种； 所述的B组分为：银、银合金、银的化合物、铪、铪合金、铪的化合物、铒、 铒合金、铒的化合物、铕、铕合金、铕的化合物、镝、镝合金或镝的化合物； 其中，A组分中每采用1份铽元素，则B组分中对应加入0.1～9份的银元素、 或0.05～3份的铪元素、或0.1～2份铒元素、或0.6～4份的铕元素、或0.6～4 份的镝元素；以质量份计。

如上所述的一种先进的灰控制棒，制成该灰控制棒的材料中包含A组分 和B组分：所述的A组分为：铽的氧化物；所述的B组分为：银、银合金、 银的氧化物、铪、铪合金、铪的氧化物、铒、铒合金、铒的氧化物、铕、铕 合金、铕的氧化物、镝、镝合金或镝的氧化物；其中，A组分中的铽元素与 B组分中的银元素的质量含量比例为1∶(0.1～9)；A组分中的铽元素与B组 分中的铪元素的质量含量比例为1∶(0.05～3)；A组分中的铽元素与B组分 中的铒元素的质量含量比例为1∶(0.1～2)；A组分中的铽元素与B组分中的 铕元素的质量含量比例为1∶(0.6～4)；A组分中的铽元素与B组分中的镝元 素的质量含量比例为1∶(0.6～4)。

如上所述的一种先进的灰控制棒，制成该灰控制棒的材料为铽镝合金， 其中铽元素与镝元素的质量含量比例为1∶(0.6～4)。

如上所述的一种先进的灰控制棒，所述的灰控制棒外包覆不锈钢或镍基 合金制成的包壳管。

本发明的效果在于：本发明所述的先进的灰控制棒及吸收体，采用铽或 铽合金或铽的化合物，由此获得的灰控制棒组件应用于反应堆，其反应性价 值几乎不随燃耗发生变化，使得灰控制棒组件使用寿命超过20年。采用反应 性价值随燃耗下降的中子吸收体材料(银、铪、铒、铕或镝的合金或化合物 等)用于抵消铽、铽合金或铽的化合物随燃耗逐渐升高的反应性价值。

附图说明

图1为现有Ag-In-Cd合金与实施例1中铽镝合金的反应性价值随燃耗变 化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种先进的灰控制棒及吸收 体作进一步描述。

实施例1～3

本发明所述的一种先进的灰控制棒，其为细长实心管状结构，由铽镝合 金制成。该灰控制棒外包覆不锈钢或镍基合金制成的包壳管。所述的铽镝合 金组成如下表1所示。(该铽镝合金中还可能带有Ho、Fe、Ca、Si、Cl等不 超过2％的杂质成分。)

表1

  铽元素∶镝元素(质量比)   铽元素占该铽镝合金总质量百分比  实施例1   3∶1   75％  实施例2   1∶9   10％  实施例3   19∶1   95％

如图1所示，现有的灰控制棒采用Ag-In-Cd合金作为吸收体。而Ag-In-Cd 合金具有相对较大的中子吸收截面，尤其是Ag、In和Cd三种元素天然存在 的同位素嬗变后的产物的中子吸收截面显著降低，因此以Ag-In-Cd合金作为 吸收体的灰控制棒的反应性价值随燃耗下降非常快，大约5年的时间内就降 低到初始值的80％左右，不再满足MSHIM模式对灰控制棒组件反应性价值 的要求。

如图1所示，本发明实施例1中，用铽镝合金(Tb占75％，Dy占25％) 做灰控制棒的吸收体，Tb元素天然存在的同位素为100％的159Tb，经嬗变 后的子代产物的中子吸收截面增大，即中子吸收能力逐渐增强，而Dy天然 存在的同位素经嬗变后的总体效应是中子吸收能力逐渐减弱，抵消了由于Tb 燃耗导致反应性价值升高的效应。因此，该吸收体材料在燃耗后仍然具有与 燃耗前相近的反应性价值，即其反应性价值基本不随燃耗发生变化。

实施例4～37

本发明所述的先进的灰控制棒用吸收体材料中包含A组分和B组分，具 体组成及配比如下表2所示。(该吸收体材料中还可能带有Ho、Y、Fe、Ca、 Si、Cl等不超过2％的杂质成分。)

表2

实施例38

本发明所述的一种先进的灰控制棒，该灰控制棒为同心设置的内外两层 细长实心管状结构；灰控制棒外包覆不锈钢或镍基合金制成的包壳管。

所述的内层管由铽制成，该内层管直径为2mm；

所述的外层管由Ag-In-Cd合金制成，该外层管内径为2mm，外径为 5mm。

其中，灰控制棒中铽元素∶银元素＝1∶5(质量比)；铽元素占该灰控 制棒总质量百分比的13.5％)

实施例39

本发明所述的一种先进的灰控制棒，该灰控制棒为同心设置的内外两层 细长实心管状结构；灰控制棒外包覆不锈钢或镍基合金制成的包壳管。

所述的内层管由氧化铽制成，该内层管直径为6mm；

所述的外层管由铪制成，该外层管内径为6mm，外径为7mm。

其中，灰控制棒中铽元素∶铪元素＝4∶3(质量比)；铽元素占该灰控 制棒总质量百分比的51％)。

实施例40

本发明所述的一种先进的灰控制棒，该灰控制棒为同心设置的内外两层 细长实心管状结构；灰控制棒外包覆不锈钢或镍基合金制成的包壳管。

所述的内层管由镝制成，该内层管直径为5mm；

所述的外层管由铽制成，该外层管内径为8mm，外径为8mm。

其中，灰控制棒中铽元素∶镝元素＝3∶2(质量比)；铽元素占该灰控 制棒总质量百分比的60％。