使用石墨烯層的反應堆控制棒的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械設備和核能領域，特別涉及到反應堆壓力容器控制棒結構，具體說是改變控制棒材料，在傳統的Ag-1n-Cd材料基礎上增加多層石墨烯材料，即為使用石墨烯層的反應堆控制棒。
【背景技術】
[0002]反應堆是核電廠的核心部件，其能否安全、可靠地運行對整個核動力裝置的安全可靠性和經濟性有著十分重要的影響。而控制棒是反應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堆控制效率的大小。如果控制棒經過長期使用導致強度下降甚至損壞，使得控制效率下降，影響了核動力裝置經濟性，甚至在嚴重情況下，必然影響核動力裝置的安全可靠性。目前，控制棒以Ag-1n-Cd為主要材料，但也存在材料強度的提升空間和結構改造的余地。由于上述問題的存在，本發明人對現有的控制棒進行研究和分析，進行材料改造和更加合理的結構設計，以便制作出具有更高的耐高溫性和耐腐蝕性的控制棒，進而提高核電廠的安全性和經濟性。
【發明內容】
[0003]為了解決上述問題，本發明人進行銳意研究，結果發現:在原有的控制棒材料Ag-1n-Cd的基礎上添加多層石墨烯結構，多層石墨烯結構添加在由Ag-1n-Cd材料制成的棒料的外部、內部、或者中間都能起到期望的的效果，即大大提高反應堆控制棒的耐高溫性、耐腐蝕性、強度和導熱性，進而完成本發明。即本發明是針對目前反應堆控制棒長期使用，造成機械性能下降和損壞，影響核動力裝置的控制效率和安全性的問題，提出的一種新型材料的控制棒。
[0004]本發明的目的在于提供如下技術方案:
[0005](1)使用石墨烯層的反應堆控制棒，其特征在于，該控制棒包括層壓的石墨烯層和
[0006]其中石墨烯層由多層石墨烯制成，
[0007]合金層由Ag-1n-Cd合金制成，
[0008]石墨烯層厚度為0.05mm-0.2mm,
[0009]合金層厚度為0.95mm-3.65mm,
[0010]該控制棒為實心或空心圓柱狀，其外徑為12mm-15mm,
[0011]空心圓柱狀控制棒的壁厚為其內部放置燃料棒，
[0012]實心圓柱狀控制棒周圍放置燃料棒；
[0013]石墨烯層制備方法為化學氣相沉積法，其中沉積條件如下:
[0014]生長氣體為將甲烷，甲烷通入速度15?25sccm，生長溫度為920?980°C，降溫速度為 8 ?12°C /min。
[0015](2)根據上述(1)所述的使用石墨烯層的反應堆控制棒，其特征在于:該控制棒為空心圓柱狀時，由內向外依次包括:雙層結構空心棒的內壁層2a和雙層結構空心棒的外壁層la，其中雙層結構空心棒的內壁層2a是石墨烯層，其壁厚為0.lmm-0.2_，雙層結構空心棒的外壁層la是合金層，其壁厚為1.9mm-2.8mm。
[0016](3)根據上述(1)所述的使用石墨烯層的反應堆控制棒，其特征在于:該控制棒為空心圓柱狀時，由內向外依次包括:雙層結構空心棒的內壁層2a和雙層結構空心棒的外壁層la，其中雙層結構空心棒的內壁層2a是合金層，其壁厚為1.9mm_2.8mm，雙層結構空心棒的外壁層la是石墨烯層，其壁厚為0.lmm-0.2mm。
[0017](4)根據上述(1)所述的使用石墨烯層的反應堆控制棒，其特征在于:該控制棒為空心圓柱狀時，由內向外依次包括:三層結構空心棒的內壁層5a、三層結構空心棒的中壁層4a和三層結構空心棒的外壁層3a，其中三層結構空心棒的中壁層4a是合金層，其壁厚為
1.9mm-2.8mm，三層結構空心棒的內壁層5a和三層結構空心棒的外壁層3a都是石墨烯層，其壁厚均為0.05mm-0.1mm。
[0018](5)根據上述(1)所述的使用石墨烯層的反應堆控制棒，其特征在于:該控制棒為空心圓柱狀時，由內向外依次包括:三層結構空心棒的內壁層5a、三層結構空心棒的中壁層4a和三層結構空心棒的外壁層3a，其中三層結構空心棒的中壁層4a是石墨烯層，其壁厚為0.lmm-0.2mm，三層結構空心棒的內壁層5a和三層結構空心棒的外壁層3a都是合金層，其壁厚均為0.95mm-l.4mm。
[0019](6)根據上述(1)所述的使用石墨烯層的反應堆控制棒，其特征在于:該控制棒為實心圓柱狀時，由內向外依次包括:雙層結構實心棒的內芯2b和雙層結構實心棒的外壁層lb,其中雙層結構實心棒的外壁層lb是石墨烯層，其壁厚為0.lmm-0.2mm,雙層結構實心棒的內芯2b是呈圓柱狀的實心結構，由Ag-1n-Cd合金制成，其直徑為11.8mm-14.6mm。
[0020](7)根據上述(1)所述的使用石墨烯層的反應堆控制棒，其特征在于:該控制棒為實心圓柱狀時，由內向外依次包括:三層結構實心棒的內芯5b、三層結構實心棒的中壁層4b和三層結構實心棒的外壁層3b，其中三層結構實心棒的中壁層4b是石墨烯層，其壁厚為
0.lmm-0.2mm,三層結構實心棒的內芯5b是呈圓柱狀的實心結構，由Ag-1n-Cd合金制成，其直徑為5.9mm-7.3mm,三層結構實心棒的外壁層3b是合金層，其壁厚為2.95mm_3.65mm。
[0021](8)根據上述(1)所述的使用石墨烯層的反應堆控制棒，其特征在于:所述石墨烯層為在Ag-1n-Cd合金制成的基體表面形成的石墨烯層。
[0022]本發明具有如下有益效果:
[0023]第一，該控制棒具比傳統控制棒更高的強度，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度最高的物質，強度比最好的鋼鐵還要高上100倍左右；
[0024]第二，該控制棒具比傳統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的熱穩定性，其基本結構為有機材料中最穩定的苯六元環；
[0025]第三，該控制棒具比傳統控制棒更高的導熱性，這是由于加入了多層石墨烯材料，單層石墨烯材料導熱系數高達5300W/m.K，多層石墨烯材料導熱能力下降，但導熱能力仍然強于傳統控制棒材料Ag-1n-Cd合金；
[0026]第四，該控制棒具比傳統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部金屬耐腐蝕性大大提高；
[0027]第五，由于上述有益效果，相比于傳統控制棒，使用石墨烯層的反應堆控制棒具有更高的安全性和經濟性。
【附圖說明】
[0028]圖1示出根據本發明一種優選實施方式的使用石墨烯層的反應堆控制棒雙層結構空心棒的縱剖面圖；
[0029]圖2示出根據本發明一種優選實施方式的使用石墨烯層的反應堆控制棒雙層結構空心棒的橫剖面圖；
[0030]圖3示出根據本發明一種優選實施方式的使用石墨烯層的反應堆控制棒三層結構空心棒的縱剖面圖；
[0031]圖4示出根據本發明一種優選實施方式的使用石墨烯層的反應堆控制棒三層結構空心棒的橫剖面圖；
[0032]圖5示出根據本發明一種優選實施方式的使用石墨烯層的反應堆控制棒雙層結構實心棒的縱劑面圖；
[0033]圖6示出根據本發明一種優選實施方式的使用石墨烯層的反應堆控制棒雙層結構實心棒的橫剖面圖；
[0034]圖7示出根據本發明一種優選實施方式的使用石墨烯層的反應堆控制棒三層結構實心棒的縱劑面圖；
[0035]圖8示出根據本發明一種優選實施方式的使用石墨烯層的反應堆控制棒三層結構實心棒的橫剖面圖。
[0036]附圖標號說明:
[0037]la-雙層結構空心棒的外壁層
[0038]2a_雙層結構空心棒的內壁層
[0039]3a_三層結構空心棒的外壁層
[0040]4a_三層結構空心棒的中壁層
[0041]5a_三層結構空心棒的內壁層
[0042]lb-雙層結構實心棒的外壁層
[0043]2b_雙層結構實心棒的內芯
[0044]3b_三層結構實心棒的外壁層
[0045]4b_三層結構實心棒的中壁層
[0046]5b_三層結構實心棒的內芯
【具體實施方式】
[0047]下面通過附圖和實施例對本發明進一步詳細說明。通過這些說明，本發明的特點和優點將變得更為清楚明確。
[0048]在這里專用的詞“示例性”意為“用做例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優于或好于其他實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0049]在根據本發明的一個優選實施方式中，如圖1和圖2所示，提供使用石墨烯層的反應堆控制棒，該控制棒為空心結構，由內向外依次包括: