核反应堆控制棒驱动机构的结构及制造

2010-05-30

装备机械 2010年4期

一、核反应堆堆型演变

1.世界核反应堆的发展

第一代核反应堆，主要是1970年前投入运行的各种原型堆（电输出功率300MW以下）;第二代核反应堆，主要是1970年至1995年投入运行的各类商用反应堆（压水堆、沸水堆、重水堆等）;第三代核反应堆，主要以沸水堆ABWR，压水堆AP600、AP1000和EPR，模块式高温气冷堆为代表的先进核反应堆，预计在2010～2015年期间投入运行;第四代核能系统，主要以核反应堆和燃料循环方面的重大创新和开发作为目标，以超高温堆、气冷快堆、超临界水冷堆、钠冷快堆、铅冷快堆和熔盐堆为主要研究对象，目前尚处在技术和经济性论证阶段，预计开发工作不迟于2030年。

2.我国核反应堆的发展

第二代核反应堆，主要是在汲取法国和俄罗斯第二代核反应堆运行经验基础上先后建成的300MW～1000MW的秦山核电站、大亚湾核电站、江苏田湾核电站等11座成熟商业运营的压水堆机组，总装机容量超过910万kW。

第三代核反应堆，主要是指我国正在建设中的AP1000和EPR先进压水堆型以及自主研发的200MW商用高温气冷堆。

二、控制棒驱动机构

控制棒驱动机构是核电站反应堆控制系统和安全保护系统的一种伺服机构。控制棒驱动机构的具体功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒，以完成反应堆启动、调节反应堆功率、维持功率、停止反应堆和事故情况下的快速停堆（又称为事故快插、事故落棒），它是核反应堆的重要动作部件，也是直接影响核反应堆正常运行和安全可靠的关键设备之一。

目前全世界运行中的压水堆型采用的控制棒驱动机构类型主要有三类：即磁力提升、滚珠螺母丝杠和齿轮齿条。前些年，在某些压水堆中常常同时选用磁力提升和齿轮齿条两种机构，以磁力提升作为全长控制棒组件的驱动机构，以齿轮齿条副作为短棒组件的驱动机构。近年来，德、美、法等国的商业压水堆核电站均取消了短棒组件及其驱动机构，而只选用磁力提升型作为全长控制棒组件的驱动机构。

磁力提升型控制棒驱动机构与其他型式相比，具有结构简单、制造方便、提升力大、磨损小、寿命长、经济性好等优点。同时，即使关键零部件发生故障，也能快速停堆。因此，磁力提升型控制棒驱动机构得到了广泛应用。

由于运行过程中各种内、外因素均会引起反应性变化，故控制棒动作十分频繁，因此要求控制棒驱动机构在反应堆运行过程中不发生故障。同时，考虑到反应堆要装换料，驱动轴应使控制棒组件能够远距离装拆；再加上压水堆的高压密封要求，给控制棒驱动机构的设计和制造提出了如下要求：

(1)反应堆正常运行时，要求控制棒的移动速度约为10mm/s；在快速停堆或事故工况时要求得到停堆信号后能自动脱开控制棒组件，使控制棒靠自重快速插入堆芯，从得到信号到控制棒安全插入堆芯的紧急停堆时间不超过2s。稳定运行时，控制棒能够被夹持而停留在一定位置上；失去电源时应自动落棒。

(2)控制棒驱动机构设计寿命应与反应堆寿命相同，寿命期末仍应具有运转能力。

(3)控制棒驱动机构运行应平稳，无异常噪声，不允许发生失步、打滑、无法提升和卡棒等异常现象。

(4)控制棒驱动机构应具有足够的超载提升能力和抗冲击耐震动的能力。

(5)控制棒驱动机构结构应该紧凑，装卸、维修方便，且造价低廉。

1、第二代压水堆控制棒驱动机构结构

目前，我国运行的第二代压水堆核电机组均使用磁力提升型控制棒驱动机构。其中，300MW核电机组的控制棒驱动机构是37台，600MW核电机组的控制棒驱动机构是33台，1000MW核电机组的控制棒驱动机构是61台。每台控制棒驱动机构由钩爪组件、驱动杆组件、耐压壳、磁轭线圈组件和棒位探测器组件这五大部件组成。控制棒驱动机构通过耐压壳安装在反应堆压力容器顶盖的管座之上，用螺纹联结后再进行Ω密封焊接，使得控制棒驱动机构稳稳地竖立在反应堆容器顶盖上。

(1)驱动杆组件（见图1）

驱动杆组件从钩爪组件的内孔通过，由驱动杆、可拆接头、拆卸杆等零件组成。驱动杆是一根外圆表面加工有环形齿槽的空心管材，驱动杆的内部有一根拆卸杆，下端是一个两半的带环齿的可拆接头。拆卸杆的最上端有一个拆卸钮，其最下端有一个定位塞头。在堆芯重新装料后，通过拆卸专用工具拉起拆卸杆，定位塞头从两半的可拆接头内提出，再将驱动杆插入控制棒组件连接柄的孔内，然后压下拆卸杆，将定位塞头插入可拆接头，使可拆接头张开而与连接柄的内齿槽啮合，这样驱动杆便牢固在控制棒星形架的连接柄上；驱动杆的外表面通过这些环形齿槽与钩爪部件中的钩爪动作的啮合，带动下部连接的控制棒组件进行提升、下降、保持或落棒运动（见图2）。

在反应堆运行时（包括落棒），驱动杆与控制棒组件一直保持连接，只有在移开压力容器顶盖后才能将驱动杆组件与控制棒组件进行连接或拆除。在反应堆换料时，通过拆卸专用工具将驱动杆与控制棒拆开，驱动杆组件随上部堆内构件一起吊出（驱动杆下部外壁上有一凸环可悬挂在控制棒导向管连续段下部的凸肩上），控制棒组件仍然留在燃料组件内。

(2)钩爪组件（见图4及图5）

钩爪组件主要由两组钩爪组件（每组3个钩爪）、三对电磁铁和一个套管式支撑结构组成。

图1 驱动杆组件

图2 驱动杆

图3 可拆接头

三对电磁铁的吸合或弹开，通过连杆机构，带动两组钩爪与驱动杆齿槽的啮合、脱开和升降动作。

钩爪与驱动杆的齿槽啮合设计为不自锁，以便当所有电源都切断时，驱动杆连带控制棒组件在重力作用下能快速插入堆芯，确保堆芯运行的安全。

图4 钩爪组件

图5 钩爪组件零件

(3)耐压壳

耐压壳是反应堆冷却剂系统压力边界的组成部分，其腔体内充满高温高压下的反应堆冷却剂。同时，壳内安装钩爪组件和驱动杆组件，并为钩爪组件提供机械支撑，为驱动杆组件提供行程空间；耐压壳外安装线圈组件和棒位探测器组件，并为这两个组件提供机械支撑。耐压壳由密封壳体和驱动杆行程套管组成。

密封壳体是一个带有环形底座的圆筒，采用螺纹连接并用Ω密封焊接，永久性地固定在贯穿反应堆压力容器顶盖的管座上。在密封壳外表面上，沿着各线圈的端部，留有放置导磁环的沟槽，用作磁力线通道来传递信号给里面安装的钩爪组件进行提升、下降、保持及落棒运动并避免对相邻机构的寄生作用（见图6）。

驱动杆行程套管组件由驱动杆行程套管和端塞两部分组成，驱动杆行程套管的两端分别采用螺纹连接并用Ω密封焊接方式与下部的密封壳和上部的端塞相连接。端塞上安装有排气阀和吊环螺栓。排气阀是在反应堆冷却剂系统充水时候提供排气功能，而吊环螺栓是在运输、安装与拆卸控制棒驱动机构时提供吊装功能（见图7）。

图6 密封壳体

图7 行程套管

(4)磁轭线圈组件（见图8）

磁轭线圈组件是驱动机构的动力部件，它由四个磁轭壳体、三个工作线圈组件和导线管等零件构成，坐落在密封壳体的锥面上。三个工作线圈组件由上而下依次是提升线圈、移动线圈和保持线圈，其引出线共同经过一个细长的引线管引出，通过近耐压壳顶部的一个电连接器与棒控系统进行连接。三个工作线圈组件根据棒控系统给定的电流程序通/断电，通过磁轭壳体和密封壳体外表面上安装的导磁环使密封壳体内的钩爪组件产生感应电磁力变化，最终操纵密封壳体内的两组钩爪组件做如下程序规定的动作来带动驱动杆组件及其下部连接的控制棒组件进行提升、下降、保持及落棒运动：

① 提升线圈通电，使移动钩爪提升；提升线圈断电，使移动钩爪下降；

② 移动线圈通电，使移动钩爪与驱动杆环形槽啮合；移动线圈断电，使移动钩爪摆出，脱离啮合；

③ 保持线圈通电，使保持钩爪与驱动杆环形槽啮合；保持线圈断电，使保持钩爪摆出，脱离啮合。

套在三个工作线圈组件外面的磁轭壳体是由四个带方形底座的棱柱形零件组成，彼此间的联结面都位于每个线圈中部的平面上，而最底部磁轭壳体搁置在密封壳体外表面的法兰上，它们提供了机械保护、散热和构成磁通路的作用（见图10）。