使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種屬于機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域和核能領(lǐng)域的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，本發(fā)明專利技術(shù)改變控制棒材料，在傳統(tǒng)的Ag-In-Cd材料基礎(chǔ)上，增加一些石墨烯材料，石墨烯材料為多層石墨烯結(jié)構(gòu)，可放置于傳統(tǒng)的Ag-In-Cd材料制成的棒料外表面、內(nèi)表面或者中部，這樣既保證了傳統(tǒng)控制棒的中子吸收截面，又提高了反應(yīng)堆控制棒的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)一步確保核電的安全性，反應(yīng)堆安全、有效運(yùn)行，也保證了控制棒的外觀尺寸，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)壓力容器的結(jié)構(gòu)改變。控制棒吸收反應(yīng)堆中子，在正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，事故下引入負(fù)反應(yīng)性。同時(shí)，從整個(gè)控制棒的制造和加工來(lái)看，加入石墨烯層具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于機(jī)械設(shè)備和核能領(lǐng)域，特別涉及到反應(yīng)堆壓力容器控制棒結(jié)構(gòu)，具體說(shuō)是改變控制棒材料，在傳統(tǒng)的Ag-In-Cd材料基礎(chǔ)上增加多層石墨烯材料，即為使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒。
技術(shù)介紹
反應(yīng)堆是核電廠的核心部件，其能否安全、可靠地運(yùn)行對(duì)整個(gè)核動(dòng)力裝置的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的影響。而控制棒是反應(yīng)堆壓力容器的重要組件，控制棒耐高溫、耐腐蝕的能力決定了反應(yīng)堆控制效率的大小。如果控制棒經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用導(dǎo)致強(qiáng)度下降甚至損壞，使得控制效率下降，影響了核動(dòng)力裝置經(jīng)濟(jì)性，甚至在嚴(yán)重情況下，必然影響核動(dòng)力裝置的安全可靠性。目前，控制棒以Ag-In-Cd為主要材料，但也存在材料強(qiáng)度的提升空間和結(jié)構(gòu)改造的余地。由于上述問(wèn)題的存在，本專利技術(shù)人對(duì)現(xiàn)有的控制棒進(jìn)行研究和分析，進(jìn)行材料改造和更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便制作出具有更高的耐高溫性和耐腐蝕性的控制棒，進(jìn)而提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決上述問(wèn)題，本專利技術(shù)人進(jìn)行銳意研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在原有的控制棒材料Ag-In-Cd的基礎(chǔ)上添加多層石墨烯結(jié)構(gòu)，多層石墨烯結(jié)構(gòu)添加在由Ag-In-Cd材料制成的棒料的外部、內(nèi)部、或者中間都能起到期望的的效果，即大大提高反應(yīng)堆控制棒的耐高溫性、耐腐蝕性、強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，進(jìn)而完成本專利技術(shù)。即本專利技術(shù)是針對(duì)目前反應(yīng)堆控制棒長(zhǎng)期使用，造成機(jī)械性能下降和損壞，影響核動(dòng)力裝置的控制效率和安全性的問(wèn)題，提出的一種新型材料的控制棒。本專利技術(shù)的目的在于提供如下技術(shù)方案：(1)使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于，該控制棒包括層壓的石墨烯層和合金層，其中石墨烯層由多層石墨烯制成，合金層由Ag-In-Cd合金制成，石墨烯層厚度為0.05mm-0.2mm，合金層厚度為0.95mm-3.65mm，該控制棒為實(shí)心或空心圓柱狀，其外徑為12mm-15mm，空心圓柱狀控制棒的壁厚為2mm-3mm，其內(nèi)部放置燃料棒，實(shí)心圓柱狀控制棒周圍放置燃料棒；石墨烯層制備方法為化學(xué)氣相沉積法，其中沉積條件如下：生長(zhǎng)氣體為將甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生長(zhǎng)溫度為920～980℃，降溫速度為8～12℃/min。(2)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于：該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層2a和雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層1a，其中雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層2a是石墨烯層，其壁厚為0.1mm-0.2mm，雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層1a是合金層，其壁厚為1.9mm-2.8mm。(3)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于：該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層2a和雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層1a，其中雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層2a是合金層，其壁厚為1.9mm-2.8mm，雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層1a是石墨烯層，其壁厚為0.1mm-0.2mm。(4)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于：該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層5a、三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層4a和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層3a，其中三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層4a是合金層，其壁厚為1.9mm-2.8mm，三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層5a和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層3a都是石墨烯層，其壁厚均為0.05mm-0.1mm。(5)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于：該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層5a、三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層4a和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層3a，其中三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層4a是石墨烯層，其壁厚為0.1mm-0.2mm，三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層5a和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層3a都是合金層，其壁厚均為0.95mm-1.4mm。(6)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于：該控制棒為實(shí)心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯2b和雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層1b，其中雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層1b是石墨烯層，其壁厚為0.1mm-0.2mm，雙層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯2b是呈圓柱狀的實(shí)心結(jié)構(gòu)，由Ag-In-Cd合金制成，其直徑為11.8mm-14.6mm。(7)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于：該控制棒為實(shí)心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯5b、三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的中壁層4b和三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層3b，其中三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的中壁層4b是石墨烯層，其壁厚為0.1mm-0.2mm，三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的內(nèi)芯5b是呈圓柱狀的實(shí)心結(jié)構(gòu)，由Ag-In-Cd合金制成，其直徑為5.9mm-7.3mm，三層結(jié)構(gòu)實(shí)心棒的外壁層3b是合金層，其壁厚為2.95mm-3.65mm。(8)根據(jù)上述(1)所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于：所述石墨烯層為在Ag-In-Cd合金制成的基體表面形成的石墨烯層。本專利技術(shù)具有如下有益效果：第一，該控制棒具比傳統(tǒng)控制棒更高的強(qiáng)度，這是由于加入了多層石墨烯材料，石墨烯材料是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，強(qiáng)度比最好的鋼鐵還要高上100倍左右；第二，該控制棒具比傳統(tǒng)控制棒更高的抗高溫能力，這是由于加入了多層石墨烯材料，石墨烯材料具有極強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，其基本結(jié)構(gòu)為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)；第三，該控制棒具比傳統(tǒng)控制棒更高的導(dǎo)熱性，這是由于加入了多層石墨烯材料，單層石墨烯材料導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，多層石墨烯材料導(dǎo)熱能力下降，但導(dǎo)熱能力仍然強(qiáng)于傳統(tǒng)控制棒材料Ag-In-Cd合金；第四，該控制棒具比傳統(tǒng)控制棒更高的耐腐蝕性，這是由于加入了多層石墨烯材料，多層石墨烯材料層使內(nèi)部金屬耐腐蝕性大大提高；第五，由于上述有益效果，相比于傳統(tǒng)控制棒，使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒具有更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性。附圖說(shuō)明圖1示出根據(jù)本專利技術(shù)一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒雙層結(jié)構(gòu)空心棒的縱剖面圖；圖2示出根據(jù)本專利技術(shù)一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒雙層結(jié)構(gòu)空心棒的橫剖面圖；圖3示出根據(jù)本專利技術(shù)一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒三層結(jié)構(gòu)空心棒的縱剖面圖；圖4示出根據(jù)本專利技術(shù)一種優(yōu)選實(shí)施方式的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒三層結(jié)構(gòu)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于，該控制棒包括層壓的石墨烯層和合金層，其中石墨烯層由多層石墨烯制成，合金層由Ag?In?Cd合金制成，石墨烯層厚度為0.05mm?0.2mm，合金層厚度為0.95mm?3.65mm，該控制棒為實(shí)心或空心圓柱狀，其外徑為12mm?15mm，空心圓柱狀控制棒的壁厚為2mm?3mm，其內(nèi)部放置燃料棒，實(shí)心圓柱狀控制棒周圍放置燃料棒；石墨烯層制備方法為化學(xué)氣相沉積法，其中沉積條件如下：生長(zhǎng)氣體為將甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生長(zhǎng)溫度為920～980℃，降溫速度為8～12℃/min。

【技術(shù)特征摘要】
1.使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，其特征在于，該控制棒
包括層壓的石墨烯層和合金層，
其中石墨烯層由多層石墨烯制成，
合金層由Ag-In-Cd合金制成，
石墨烯層厚度為0.05mm-0.2mm，
合金層厚度為0.95mm-3.65mm，
該控制棒為實(shí)心或空心圓柱狀，其外徑為12mm-15mm，
空心圓柱狀控制棒的壁厚為2mm-3mm，其內(nèi)部放置燃料
棒，
實(shí)心圓柱狀控制棒周圍放置燃料棒；
石墨烯層制備方法為化學(xué)氣相沉積法，其中沉積條件如下：
生長(zhǎng)氣體為將甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生長(zhǎng)溫度
為920～980℃，降溫速度為8～12℃/min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，
其特征在于：該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：
雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層(2a)和雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層
(1a)，其中雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層(2a)是石墨烯層，其壁
厚為0.1mm-0.2mm，雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層(1a)是合金層，
其壁厚為1.9mm-2.8mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，
其特征在于：該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：
雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層(2a)和雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層
(1a)，其中雙層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層(2a)是合金層，其壁厚
為1.9mm-2.8mm，雙層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層(1a)是石墨烯層，
其壁厚為0.1mm-0.2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用石墨烯層的反應(yīng)堆控制棒，
其特征在于：該控制棒為空心圓柱狀時(shí)，由內(nèi)向外依次包括：

\t三層結(jié)構(gòu)空心棒的內(nèi)壁層(5a)、三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁層(4a)
和三層結(jié)構(gòu)空心棒的外壁層(3a)，其中三層結(jié)構(gòu)空心棒的中壁
層(4a)是合金層，其壁厚為1.9mm-2.8...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周濤，宋明強(qiáng)，琚忠云，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華北電力大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11