核电厂控制棒驱动机构工作线圈温度场分析*

丁宗华，刘 刚

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

1 前言

控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件，主要用于调节控制棒在反应堆堆芯中的位置，从而调节反应堆内的反应性。因此，控制棒驱动机构能否正常工作直接影响反应堆运行的安全性。为确保控制棒驱动机构工作性能安全可靠，在运行期间各种运行参数必须在设计所允许的范围内，其中包括:在运行期间工作线圈的工作温度需在其设计允许的平均温度220℃内。为此，提出了《控制棒驱动机构工作线圈温度场分析》这一课题，旨在研究分析磁轭线圈部件的温度场及提高其安全可靠性的措施。

2 有限元模型

我院设计的30万千瓦核电厂采用磁力提升式控制棒驱动机构，主要由控制棒驱动杆部件、钩爪部件、耐压壳部件和磁轭线圈部件等组成，其中磁轭线圈可分为提升线圈、保持线圈、传递线圈三种。控制棒运动是通过这3个线圈按规定程序通、断电完成的;在反应堆紧急停堆时，只要切断所有工作线圈电源，控制棒驱动杆就会在重力作用下自由下落，使与之相连的控制棒组件迅速插入反应堆堆芯，从而达到反应堆紧急停堆。

为便于分析，笔者计算对控制棒驱动机构进行结构简化，根据结构的轴对称性，将原来的三维温度场分析简化为二维温度场分析，控制棒驱动机构的简化有限元模型如图1所示。

图1 控制棒驱动机构的简化有限元模型

如图1所示，控制棒驱动机构工作线圈部位主要部分由筒体状耐压壳体、壳体上导磁环、磁轭、工作线圈和浇注料等组成。如上所述，工作线圈的设计允许平均温度为220℃，因此，工作线圈是控制棒驱动机构温度场计算的重点部位;为此，对耐压壳体、导磁环、工作线圈及两侧部件进行了细网格划分和计算。

3 模型计算参数

为计算控制棒驱动机构工作线圈温度场，首先要确定控制棒驱动机构工作线圈部位结构的几何参数和所用材料的有关特性参数。

控制棒驱动机构工作线圈部位结构几何参数如图1所示，所用材料的特性参数(磁轭、导磁环及耐压壳体的材料特性参数见文献［1］，空气的特性参数见文献［2］)。有关工作线圈的特性参数，由于未做过有关工作线圈和浇注料材料性能测试，且文献上也查不到相关数据，故得不到工作线圈和浇注料材料特性参数。经过与控制棒驱动机构设计者协商，决定由设计者提供两组控制棒驱动机构试验的实测数据，以此为依据，推算工作线圈和浇注料材料在试验条件下的平均导热系数。

笔者计算所涉的控制棒驱动机构试验是在我院C1(恰希玛核电厂一期)－控制棒驱动机构试验台架上完成的，试验台架采用1∶1控制棒驱动机构。根据控制棒驱动机构设计者所提供的两组控制棒驱动机构试验的实测数据［3］，推算出工作线圈在试验条件下的平均导热系数为0.823［W/(m·℃］)，浇注料的平均导热系数为0.195［W/(m·℃)］，以下计算基于上述系数进行分析。

4 控制棒驱动机构正常运行

控制棒驱动机构正常运行，是指控制棒驱动机构工作线圈(指:提升线圈、保持线圈和传递线圈)按照设计的正常运行通电程序(包括提升程序和下降程序通电)［3］，使控制棒驱动杆带负荷上、下运动。控制棒驱动机构运行时其耐压壳体内是280℃A级水，磁轭外是17℃强迫冷却通风空气。

根据图1分析控制棒驱动机构内部的结构可知，因工作线圈与磁轭之间存在空气间隙(空气的导热系数很小，相当于绝热层)会降低工作线圈内产生的热源向外的传热效果。C1－控制棒驱动机构在设计时已考虑到通过控制工作线圈和磁轭的制造工艺来使得控制棒驱动结构在正常运行时，工作线圈外侧与磁轭贴合，以消除此处空气间隙达到提高传热效果。

根据控制棒驱动机构正常运行时的相关参数进行有限元温度场仿真，仿真结果图2～4。表1为工作线圈仿真结果与试验结果的对比。

C1－控制棒驱动机构出厂试验是在热态持续运行条件下进行的，它比核电厂实际运行状况更加严峻(实际运行中不可能出现这种状况)。由表1结果对比可知，工作线圈仿真的平均温度与试验的平均温度基本吻合。

图2 传递线圈温度场

图3 保持线圈温度场

图4 提升线圈温度场

表1 控制棒驱动机构工作线圈仿真结果与试验结果的对比/℃

5 提高浇注料平均导热系数

由仿真结果和试验结果知，控制棒驱动机构的传递线圈和保持线圈的平均温度都比较高，如果能降低传递线圈和保持线圈的平均温度，将大大提高它们的安全可靠性。经相关试验得知，在已确定的C1－控制棒驱动机构结构设计条件下，当强迫冷却通风风速超过本试验风速值，强迫冷却通风的风速对工作线圈的温度没有特别明显的改善。根据传热学理论，提高导热材料的导热系数可提高其导热性能。其中一个重要性能要求就是尽可能地提高浇注料的平均导热系数。新研制出浇注料的平均导热系数对控制棒驱动机构工作线圈温度场进行仿真，其结果如图5～7所示。表2是控制棒驱动机构工作线圈在提高浇注料平均导热系数后的仿真结果与试验结果的对比。

图5 传递线圈温度场

图6 保持线圈温度场

图7 提升线圈温度场

由表2可知，当浇注料的平均导热系数从0.195［W/(m·℃)］提到0.758［W/(m·℃)］时，工作线圈的平均温度明显下降，其传热性能得到明显改善，平均温度低于200℃，大大提高工作线圈的安全可靠性。

表2 控制棒驱动机构工作线圈仿真结果与试验结果的对比/℃

6 结论

(1)在已确定的C1－控制棒驱动机构结构设计条件下，提高风速对工作线圈的温度并无明显改善，当提高浇注料的平均导热系数，可很好地降低工作线圈的温度。由仿真结果可知，当浇注料的平均导热系数从 0.195［W/(m·℃)］提高到 0.758［W/(m·℃)］时，传递线圈和保持线圈的平均温度可以降低到200℃以下，从而提高了它们的安全可靠性。

(2)此计算模型可做为:①预测应用所研制高导热系数浇注料后的工作线圈运行温度;②改用上钩爪作长期保持的运行模式下的磁轭线圈温度场的仿真;③磁轭线圈部件结构和尺寸改进后工作线圈运行温度的改善效果计算。

(3)此计算模型可运用于其他型号控制棒驱动机构工作线圈温度场分析及后续相关计算，并为控制棒驱动机构有关结构和通电程序的改进设计提供设计依据。

［1］万嘉礼.机电工程金属材料手册［M］.上海:上海科学技术出版社，1990.

［2］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，1998.