CANDU 重水反应堆钴调节棒组件结构设计
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1 结构设计要求
根据核安全导则 HAD102/03，钴调节棒组 件的核安全要求定为 3 级。根据设备核安全 3 级以及设备重要性和成熟程度，质量保证等级 定为 1 级。为确保反应堆安全运行和生产所需 比活度的 60Co 放射源，钴调节棒组件设计时应 遵循下列与堆芯物理、热工、屏蔽、工艺运输 和结构设计相关的设计要求[1]。 1.1 60Co 放射源封装
设计的钴调节棒组件的结构必须与反应堆 具有结构相容性，因此，要求采用钴调节棒组 件代替不锈钢调节棒组件时，原不锈钢调节棒 组件装置中除屏蔽系统需增加附加屏蔽层外，
驱动机构、导向管与原设计保持不变。为确保 与导向管的结构相容性，钴调节棒组件的外径 不应超过原不锈钢调节棒的外径φ82.55 mm。为 确保与钢丝绳部件的相容性，要求钴调节棒组 件的质量不应超过 20 kg。与原不锈钢调节棒组 件一样，要求设计的钴调节棒组件能按需要的 反应性和规定的时间插入堆芯或抽出堆芯，完 全抽出堆芯或插入堆芯的时间为 60～75 s。
文章编号：1000-6931（2010）S0-0418-05
Cobalt Adjuster Rod Assembly Structural Design in CANDU Deuterium Uranium Reactor
ZHU Li-bing，ZHOU Yun-qing，DING Jie，CAI Yin-gen，ZHANG Yu-lin
60Co 放射源半衰期为 5.26 a，被广泛应用 于工业、农业、医学、环保、海关等领域。世 界市场的钴源供应约 80%由加拿大 Nordion 公 司提供。目前，国内需求的高活度 60Co 源全部
依赖进口，近几年 60Co 源一直处于供不应求的 卖方市场状态。
目前，国内利用研究堆生产钴源，是以消 耗浓缩 235U 为代价而得到的，产品比活度低、
D
6
2 钴 1 锆 120°分布
φ62.8 mm×189.15 mm
3 结构设计分析
根据设计要求，在满足与物理、屏蔽、热 工、工艺运输及其它设计接口之间相容性的基 础上，在运输、操作和运行过程中，设计的钴 调节棒组件应保持结构完整性。设计的钴调节 棒组件能按需要的反应性和规定的时间插入堆 芯或抽出堆芯，完全抽出堆芯或插入堆芯的时 间为 60～75 s。发生钴调节棒组件的堆芯跌落 事故后，不会影响反应堆的安全。 3.1 结构完整性分析
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China）
Abstract: CANDU deuterium uranium reactor can be used to produce 60Co radioactive sources, which has such advantages: high radioactivity, high production and low cost. 21 stainless steel adjuster rod assemblies used in CANDU were replaced by 21 cobalt adjuster rod assemblies at the same position, meeting the same functional requirements and producing 60Co radioactive sources. Design requirements and structural design interfaces of cobalt adjuster rod assemblies were mainly discussed in the paper. Through structural integrity analysis, rod lifting and inserting time analysis and drop analysis, the safety of cobalt adjuster rod assemblies used in CANDU reactor is guaranteed. The safety and reliability of cobalt adjuster rod assembly structural design are proved by successful in-core operation experience. Key words: CANDU deuterium uranium reactor；cobalt adjuster rod assembly；structural design
增刊 朱丽兵等：CANDU 重水反应堆钴调节棒组件结构设计
421
据起升和牵引等工作条件，应有一定的安全系 数。考虑一定的保守性，安全系数的值取为 6。 设计所选取的 6×19+IWS 钢丝绳的破断力为 7 850 N，满足应大于 5 340 N 的最大工作静拉 力的强度要求，因此，钢丝绳是安全的。
钴调节棒组件主要的结构材料在设计选材 时应考虑其中子吸收尽量小；调节棒组件的部 件材料要具有足够强度和耐腐蚀性能，从而满 足堆内的运行要求。 1.3 堆芯核物理设计
设计的钴调节棒组件中 59Co 吸收体的反应 性价值与不锈钢调节棒组件相等效，全部调节 棒组件从完全插入堆芯到完全抽出堆芯，获得 反应性价值为 15 mk。通过结构设计与物理设 计的迭代分析，确定钴调节棒组件的数量、尺 寸和分布。 1.4 工艺设计
钴调节棒组件属于 CANDU 重水反应堆中 的反应性调节部件，通过吸收中子起到展平堆 芯中子通量分布和功率分布的作用。钴调节棒 组件不但具备不锈钢调节棒组件的反应性控制 功能，且能在堆内辐照后产生医疗和工业用的 放射源 60Co，在不影响核电站安全和发电能力 的情况下，实现对损耗中子的重新利用。
本工作主要从结构设计的角度论证钴调节 棒组件在堆内不同工况下的结构完整性，为钴 调节棒的入堆安全评审提供支持。
计要求及结构设计过程中与各种设计接口之间的关系，并通过对设计的钴调节棒组件进行结构完整性
分析、提插棒时间分析及跌落事故分析，论证了其在重水反应堆内运行的安全性。经反应堆成功运行
经验证明，钴调节棒组件结构设计安全可靠。
关键词：CANDU 重水反应堆；钴调节棒组件；结构设计
中图分类号：TL351.5
文献标志码：A
第 44 卷增刊 2010 年 9 月
原子能科学技术 Atomic Energy Science and Technology
Vol. 44, Su件结构设计
朱丽兵，周云清，丁 捷，蔡银根，张裕林
（上海核工程研究设计院，上海 200233）
420
原子能科学技术 第 44 卷
束钴棒束，下端装有定位凸板、间隔管和锁紧 螺母，上端装有定位凹板、压紧弹簧、连接头、 钢丝绳连接螺母和钢丝绳。压紧弹簧装在连接 头和定位凹板之间，它能始终保证钴棒束之间 紧密配合，防止钴棒束产生转动以及补偿不同 部件之间热膨胀差和辐照肿胀差，钴调节棒组 件的结构如图 1 所示。
收稿日期：2010-06-29；修回日期：2010-08-20 基金项目：秦山三期 Co-60 生产项目资助（04CB002） 作者简介：朱丽兵（1973—），男，上海人，高级工程师，硕士，燃料及相关组件设计专业
增刊 朱丽兵等：CANDU 重水反应堆钴调节棒组件结构设计
419
产量低、成本高。而利用 CANDU 重水反应堆 生产钴源，消耗的是原本被不锈钢控制棒吸收 的中子，并不额外消耗核燃料，也不影响核电 站的安全和发电能力。因此，全球使用的绝大 部分高强度钴源是利用 CANDU 重水反应堆生 产的。
用钴调节棒组件中钴棒封装制成的 60Co 工业放射源必须满足国外和国内用户的需要， 目前，国内外绝大部分辐照站的源架适配于 Nordion 公 司 C-188 型 和 REVISS 公 司 RSL-2089 型 60Co 放 射 源 ， 其 活 度 为 （3.70±0.74）×1014 Bq。只有极少数辐照站（包 括干式）安装其它型号的 60Co 放射源。因此， 秦山三期反应堆上生产的 60Co 放射源的封装 采用与 C-188 或 RSL-2089 相同或相近的规格， A、B、C、D 4 种类型的钴调节棒组件中的钴 棒 结 构 尺 寸 必 须 适 用 于 封 装 C-188 型 和 RSL-2089 型 60Co 放射源。 1.2 反应堆相容性
钴棒束在结构设计时应考虑能在热室中较 容易地拆卸成钴棒，为进一步为按工业放射源 的要求进行封装创造条件。
2 结构设计
根据设计要求，在对各种设计接口进行分 析的基础上，进行钴调节棒组件进行结构设计。 设计的钴调节棒组件的主要特点为：每组钴调 节棒组件的中心是 1 根贯穿全长、直径为 φ9.53 mm 的锆合金中心棒，其上装有 6 束或 16
钴调节棒组件类型
钴棒束数目
钴棒和锆棒分布形式
钴棒束尺寸
A
16
2 钴 1 锆 120°分布
φ62.8 mm×214.30 mm
B
16
4 钴 90°分布
φ62.8 mm×214.30 mm
C
8
3 钴 120°分布（中间）
φ62.8 mm×214.30 mm
4×2
1 钴 2 锆 120°分布（两端） φ62.8 mm×214.30 mm
摘要：利用秦山三期 CANDU 重水反应堆生产 60Co 放射源具有活度高、产量高、成本低等优点。CANDU
重水反应堆原有的 21 个不锈钢调节棒组件改成同样数量和位置的钴调节棒组件后，在保持原来调节棒
功能的条件下，利用 59Co 吸收中子转变为 60Co，生产放射性钴源。本工作详细阐述了钴调节棒组件设
A、B、C 3 种类型调节棒组件的钴棒束部 件除钴棒数目、钴棒和锆合金棒的布置不同外，
其它结构尺寸基本相同。除钴棒束部件尺寸较短 外，D 型调节棒组件的钴棒束部件结构与 A、B、 C 型调节棒组件的钴棒束部件基本相同。各类型 调节棒组件的结构及钴棒束尺寸列于表 1。表 1 中，钴棒和锆棒分布形式是指组成钴调节棒组件 的钴棒束某个横截面上钴棒和锆棒的分布形式， 如 A 中“2 钴 1 锆 120°分布”是指 A 型组件的 每个钴棒束由 2 根钴棒和 1 根锆棒组成，并以 120°间隔沿周向分布在钴棒束横截面上。
1）GH4169 压缩弹簧分析 GH4169 压缩弹簧的功能有：防止钴调节 棒组件在吊装操作过程中发生窜动；防止因 慢化剂水力波动而发生窜动；避免钴棒束发 生相对转动；补偿不同部件之间的热膨胀和 辐照肿胀。 经计算得到弹簧丝在最大工作压力下的剪 切应力为 689.7 MPa。弹簧丝的许用剪切应力 [τ]＝740 MPa，因此，弹簧在最大工作压力下 的剪切应力小于许用剪切应力，符合强度要求。 2）钢丝绳分析 钢丝绳材料为 0Cr18Ni9 不锈钢。钢丝绳根
由于钴调节棒组件的堆顶操作工艺复杂， 牵涉到的操作工具较多，为此尽量减少原操作 工艺的变动，设计的钴调节棒组件连接头应与 原不锈钢调节棒组件连接头的结构和尺寸相 同。设计的钴调节棒组件应能通过水下操作工 具进行远距离水下操作，拆卸成单独的钴棒束 部件。 1.5 辐照后运输
辐照后的钴调节棒组件在秦山三期接收池 内拆到棒束部件，运输容器应与钴棒束部件具 有结构相容性，且能够保证运输时对运输容器 表面放射性剂量的要求。 1.6 辐照后热室解体
图 1 钴调节棒组件结构图 Fig. 1 Cobalt adjuster rod assembly structure
表 1 各类型钴调节棒结构尺寸
Table 1 Structure and dimension of different types of cobalt adjuster rod assembly
钴调节棒组件的钴棒中钴块采用 59Co 烧结 制成，钴块表面镀镍以防氧化，包壳采用锆-4 合金材料，包壳与上下端塞采用氩弧焊或电子 束焊接。钴棒束的中心管与上下端板采用氩弧 焊连接。钴调节棒组件所采用的材料为锆-4 合
金、GH4169 镍基合金和不锈钢等耐腐蚀材料。 下面就钴调节棒组件主要零部件的结构完整性 进行分析[2-3]。
根据核安全导则 HAD102/03，钴调节棒组 件的核安全要求定为 3 级。根据设备核安全 3 级以及设备重要性和成熟程度，质量保证等级 定为 1 级。为确保反应堆安全运行和生产所需 比活度的 60Co 放射源，钴调节棒组件设计时应 遵循下列与堆芯物理、热工、屏蔽、工艺运输 和结构设计相关的设计要求[1]。 1.1 60Co 放射源封装
设计的钴调节棒组件的结构必须与反应堆 具有结构相容性，因此，要求采用钴调节棒组 件代替不锈钢调节棒组件时，原不锈钢调节棒 组件装置中除屏蔽系统需增加附加屏蔽层外，
驱动机构、导向管与原设计保持不变。为确保 与导向管的结构相容性，钴调节棒组件的外径 不应超过原不锈钢调节棒的外径φ82.55 mm。为 确保与钢丝绳部件的相容性，要求钴调节棒组 件的质量不应超过 20 kg。与原不锈钢调节棒组 件一样，要求设计的钴调节棒组件能按需要的 反应性和规定的时间插入堆芯或抽出堆芯，完 全抽出堆芯或插入堆芯的时间为 60～75 s。
文章编号：1000-6931（2010）S0-0418-05
Cobalt Adjuster Rod Assembly Structural Design in CANDU Deuterium Uranium Reactor
ZHU Li-bing，ZHOU Yun-qing，DING Jie，CAI Yin-gen，ZHANG Yu-lin
60Co 放射源半衰期为 5.26 a，被广泛应用 于工业、农业、医学、环保、海关等领域。世 界市场的钴源供应约 80%由加拿大 Nordion 公 司提供。目前，国内需求的高活度 60Co 源全部
依赖进口，近几年 60Co 源一直处于供不应求的 卖方市场状态。
目前，国内利用研究堆生产钴源，是以消 耗浓缩 235U 为代价而得到的，产品比活度低、
D
6
2 钴 1 锆 120°分布
φ62.8 mm×189.15 mm
3 结构设计分析
根据设计要求，在满足与物理、屏蔽、热 工、工艺运输及其它设计接口之间相容性的基 础上，在运输、操作和运行过程中，设计的钴 调节棒组件应保持结构完整性。设计的钴调节 棒组件能按需要的反应性和规定的时间插入堆 芯或抽出堆芯，完全抽出堆芯或插入堆芯的时 间为 60～75 s。发生钴调节棒组件的堆芯跌落 事故后，不会影响反应堆的安全。 3.1 结构完整性分析
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China）
Abstract: CANDU deuterium uranium reactor can be used to produce 60Co radioactive sources, which has such advantages: high radioactivity, high production and low cost. 21 stainless steel adjuster rod assemblies used in CANDU were replaced by 21 cobalt adjuster rod assemblies at the same position, meeting the same functional requirements and producing 60Co radioactive sources. Design requirements and structural design interfaces of cobalt adjuster rod assemblies were mainly discussed in the paper. Through structural integrity analysis, rod lifting and inserting time analysis and drop analysis, the safety of cobalt adjuster rod assemblies used in CANDU reactor is guaranteed. The safety and reliability of cobalt adjuster rod assembly structural design are proved by successful in-core operation experience. Key words: CANDU deuterium uranium reactor；cobalt adjuster rod assembly；structural design
增刊 朱丽兵等：CANDU 重水反应堆钴调节棒组件结构设计
421
据起升和牵引等工作条件，应有一定的安全系 数。考虑一定的保守性，安全系数的值取为 6。 设计所选取的 6×19+IWS 钢丝绳的破断力为 7 850 N，满足应大于 5 340 N 的最大工作静拉 力的强度要求，因此，钢丝绳是安全的。
钴调节棒组件主要的结构材料在设计选材 时应考虑其中子吸收尽量小；调节棒组件的部 件材料要具有足够强度和耐腐蚀性能，从而满 足堆内的运行要求。 1.3 堆芯核物理设计
设计的钴调节棒组件中 59Co 吸收体的反应 性价值与不锈钢调节棒组件相等效，全部调节 棒组件从完全插入堆芯到完全抽出堆芯，获得 反应性价值为 15 mk。通过结构设计与物理设 计的迭代分析，确定钴调节棒组件的数量、尺 寸和分布。 1.4 工艺设计
钴调节棒组件属于 CANDU 重水反应堆中 的反应性调节部件，通过吸收中子起到展平堆 芯中子通量分布和功率分布的作用。钴调节棒 组件不但具备不锈钢调节棒组件的反应性控制 功能，且能在堆内辐照后产生医疗和工业用的 放射源 60Co，在不影响核电站安全和发电能力 的情况下，实现对损耗中子的重新利用。
本工作主要从结构设计的角度论证钴调节 棒组件在堆内不同工况下的结构完整性，为钴 调节棒的入堆安全评审提供支持。
计要求及结构设计过程中与各种设计接口之间的关系，并通过对设计的钴调节棒组件进行结构完整性
分析、提插棒时间分析及跌落事故分析，论证了其在重水反应堆内运行的安全性。经反应堆成功运行
经验证明，钴调节棒组件结构设计安全可靠。
关键词：CANDU 重水反应堆；钴调节棒组件；结构设计
中图分类号：TL351.5
文献标志码：A
第 44 卷增刊 2010 年 9 月
原子能科学技术 Atomic Energy Science and Technology
Vol. 44, Su件结构设计
朱丽兵，周云清，丁 捷，蔡银根，张裕林
（上海核工程研究设计院，上海 200233）
420
原子能科学技术 第 44 卷
束钴棒束，下端装有定位凸板、间隔管和锁紧 螺母，上端装有定位凹板、压紧弹簧、连接头、 钢丝绳连接螺母和钢丝绳。压紧弹簧装在连接 头和定位凹板之间，它能始终保证钴棒束之间 紧密配合，防止钴棒束产生转动以及补偿不同 部件之间热膨胀差和辐照肿胀差，钴调节棒组 件的结构如图 1 所示。
收稿日期：2010-06-29；修回日期：2010-08-20 基金项目：秦山三期 Co-60 生产项目资助（04CB002） 作者简介：朱丽兵（1973—），男，上海人，高级工程师，硕士，燃料及相关组件设计专业
增刊 朱丽兵等：CANDU 重水反应堆钴调节棒组件结构设计
419
产量低、成本高。而利用 CANDU 重水反应堆 生产钴源，消耗的是原本被不锈钢控制棒吸收 的中子，并不额外消耗核燃料，也不影响核电 站的安全和发电能力。因此，全球使用的绝大 部分高强度钴源是利用 CANDU 重水反应堆生 产的。
用钴调节棒组件中钴棒封装制成的 60Co 工业放射源必须满足国外和国内用户的需要， 目前，国内外绝大部分辐照站的源架适配于 Nordion 公 司 C-188 型 和 REVISS 公 司 RSL-2089 型 60Co 放 射 源 ， 其 活 度 为 （3.70±0.74）×1014 Bq。只有极少数辐照站（包 括干式）安装其它型号的 60Co 放射源。因此， 秦山三期反应堆上生产的 60Co 放射源的封装 采用与 C-188 或 RSL-2089 相同或相近的规格， A、B、C、D 4 种类型的钴调节棒组件中的钴 棒 结 构 尺 寸 必 须 适 用 于 封 装 C-188 型 和 RSL-2089 型 60Co 放射源。 1.2 反应堆相容性
钴棒束在结构设计时应考虑能在热室中较 容易地拆卸成钴棒，为进一步为按工业放射源 的要求进行封装创造条件。
2 结构设计
根据设计要求，在对各种设计接口进行分 析的基础上，进行钴调节棒组件进行结构设计。 设计的钴调节棒组件的主要特点为：每组钴调 节棒组件的中心是 1 根贯穿全长、直径为 φ9.53 mm 的锆合金中心棒，其上装有 6 束或 16
钴调节棒组件类型
钴棒束数目
钴棒和锆棒分布形式
钴棒束尺寸
A
16
2 钴 1 锆 120°分布
φ62.8 mm×214.30 mm
B
16
4 钴 90°分布
φ62.8 mm×214.30 mm
C
8
3 钴 120°分布（中间）
φ62.8 mm×214.30 mm
4×2
1 钴 2 锆 120°分布（两端） φ62.8 mm×214.30 mm
摘要：利用秦山三期 CANDU 重水反应堆生产 60Co 放射源具有活度高、产量高、成本低等优点。CANDU
重水反应堆原有的 21 个不锈钢调节棒组件改成同样数量和位置的钴调节棒组件后，在保持原来调节棒
功能的条件下，利用 59Co 吸收中子转变为 60Co，生产放射性钴源。本工作详细阐述了钴调节棒组件设
A、B、C 3 种类型调节棒组件的钴棒束部 件除钴棒数目、钴棒和锆合金棒的布置不同外，
其它结构尺寸基本相同。除钴棒束部件尺寸较短 外，D 型调节棒组件的钴棒束部件结构与 A、B、 C 型调节棒组件的钴棒束部件基本相同。各类型 调节棒组件的结构及钴棒束尺寸列于表 1。表 1 中，钴棒和锆棒分布形式是指组成钴调节棒组件 的钴棒束某个横截面上钴棒和锆棒的分布形式， 如 A 中“2 钴 1 锆 120°分布”是指 A 型组件的 每个钴棒束由 2 根钴棒和 1 根锆棒组成，并以 120°间隔沿周向分布在钴棒束横截面上。
1）GH4169 压缩弹簧分析 GH4169 压缩弹簧的功能有：防止钴调节 棒组件在吊装操作过程中发生窜动；防止因 慢化剂水力波动而发生窜动；避免钴棒束发 生相对转动；补偿不同部件之间的热膨胀和 辐照肿胀。 经计算得到弹簧丝在最大工作压力下的剪 切应力为 689.7 MPa。弹簧丝的许用剪切应力 [τ]＝740 MPa，因此，弹簧在最大工作压力下 的剪切应力小于许用剪切应力，符合强度要求。 2）钢丝绳分析 钢丝绳材料为 0Cr18Ni9 不锈钢。钢丝绳根
由于钴调节棒组件的堆顶操作工艺复杂， 牵涉到的操作工具较多，为此尽量减少原操作 工艺的变动，设计的钴调节棒组件连接头应与 原不锈钢调节棒组件连接头的结构和尺寸相 同。设计的钴调节棒组件应能通过水下操作工 具进行远距离水下操作，拆卸成单独的钴棒束 部件。 1.5 辐照后运输
辐照后的钴调节棒组件在秦山三期接收池 内拆到棒束部件，运输容器应与钴棒束部件具 有结构相容性，且能够保证运输时对运输容器 表面放射性剂量的要求。 1.6 辐照后热室解体
图 1 钴调节棒组件结构图 Fig. 1 Cobalt adjuster rod assembly structure
表 1 各类型钴调节棒结构尺寸
Table 1 Structure and dimension of different types of cobalt adjuster rod assembly
钴调节棒组件的钴棒中钴块采用 59Co 烧结 制成，钴块表面镀镍以防氧化，包壳采用锆-4 合金材料，包壳与上下端塞采用氩弧焊或电子 束焊接。钴棒束的中心管与上下端板采用氩弧 焊连接。钴调节棒组件所采用的材料为锆-4 合
金、GH4169 镍基合金和不锈钢等耐腐蚀材料。 下面就钴调节棒组件主要零部件的结构完整性 进行分析[2-3]。