控制棒驱动机构用钕铁硼永磁材料研究

杨晓晨　于天达　杨方亮　陈西南　李维　邓强

【摘 要】控制棒驱动机构（CRDM）通常采用工业纯铁作为其电磁结构的材料，如果改用钕铁硼（NdFeB）永磁材料，可以进一步提高电磁力，从而减小电磁结构尺寸。实验研究了几种规格的钕铁硼试样，分析了温度、γ射线辐照、工作时间、结构等因素对材料的磁性能和开路磁通的影响。研究结果对于NdFeB材料用于CRDM设备具有指导意义。

【关键词】控制棒驱动机构；钕铁硼；永磁材料

Application of NdFeB Permanent Magnet Material for Control Rod Drive Mechanism

YANG Xiao-chen YU Tian-da YANG Fang-liang CHEN Xi-nan LI Wei DENG Qiang

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】Industrial pure iron is a commonly used electromagnetic structure material of a control rod drive mechanism（CRDM），if it switch to NdFeB Permanent magnet material，can improve the electromagnetic force，reduce the size of the electromagnetic structure.The effects of temperature， gamma rays，working time，structure on the magnetic properties and open magnetic flux of the samples were studied.The results of the study are instructive for the engineering application of NdFeB.

【Key words】Control rod drive mechanism；NdFeB；Permanent magnet material

0 引言

控制棒驱动机构（简称CRDM）是核反应堆中的关键设备，一般由电磁结构（如电机、电磁铁等）和传动结构组成，其中电磁结构通常采用工业纯铁、硅钢片或者导磁不锈钢等材料作为骨架，再绕电磁线制成，其体积较大，占用了有限的安装空间。如果电磁结构中采用永磁体，一方面能提高出力，另一方面能减小电磁结构的尺寸，进而为影响CRDM可靠性的传动结构提供了更大的设计空间。

钕铁硼是一种永磁材料，具有磁性能高、易切削加工的优点，但其受温度的影响较大[1]，即耐温能力有限。资料显示驱动机构电磁结构的工作温度不超过200℃[2]。为了获得钕铁硼材料在CRDM工作温度和辐照下的磁性能变化情况，对不同规格的钕铁硼试样进行了高温磁性能测试、温度特性测试、γ射线辐照测试、长时稳定性测试研究，研究结果对钕铁硼材料的工程应用提供了十分必要的依据。

1 研究方法

对永磁体试样轴向饱和充磁，测试试样在工作温度下的磁性能变化情况，为设计提供所需的材料参数。由于磁性能测量过程难度大，而开路磁通测试更便捷，因此采用测量试样在不同温度下的开路磁通以了解材料磁性能随温度的变化情况。将试样长时间置于高温环境中，测量试样经长期高温后的磁通损失，了解永磁材料的稳定性，为判断材料能否在工作温度下长期使用提供依据。对试样进行特定剂量的γ射线辐照考验，获得辐照环境下材料的性能变化。

开路刺痛测试仪器：Lakeshore 480型磁通计。

磁性能按GB/T3217的规定测量永磁体的剩余磁通密度Br、矫顽力HcB、内禀矫顽力HcJ以及最大磁能积（BH）max。

2 试样及测试流程

测试中的钕铁硼永磁材料牌号为NdFeB260/240 EH（见GB/T13560）。为研究结构尺寸对开路磁通的影响，选取了几种规格试样。试样信息见表1。

测试流程见图1。

3 测试内容及结果

3.1 初始检测

试样A1、A2、B1、B2、C1、C2以及D1～D8在室温的开路磁通测量结果见表2。

试样D9、D10在室温的磁性能测量结果见表3。

3.2 高温磁性能

试样D9、D10在180℃温度下的磁性能见表4。与室温磁性能数据对比发现，Br、HcB、HcJ和（BH）max均降低，其中Br下降约18.8%。

3.3 温度特性测试

试样A1、A2、B1、B2、C1、C2以及D1～D4在100℃、140℃、180℃、200℃时的开路磁通见表5。与室温开路磁通比较，得到了平均下降率见图2。从图中可以看出：

1）随着温度升高，试样的开路磁通下降呈增加趋势。

2）试样的长径比越小，其开路磁通下降的越多。例如A组试样长径比最小，其开路磁通下降率最高，200℃的开路磁通降低了约48%。可见，在电磁结构设计中应选取合适的长径比，以减少磁性能的降低。

3）试样D1～D4在180℃的开路磁通平均下降约18.3%，与4.2节所述试样D9、D10在该温度下的Br下降约18.8%基本一致，说明用开路磁通来间接判断材料磁性能变化是合理的。

3.4 耐辐照测试

试样D1～D4进行了5.0×105Gy和1.0×107Gy剂量的γ射线辐照，辐照后的试样在室温的开路磁通见表6，可见γ射线辐照对该材料的磁性能影響很小，不到1%。

3.5 长时稳定性测试

试样A1、A2、B1、B2、C1、C2在200℃保温1000小时，试样D5～D8也在200℃保温，保温时长分别为500小时、1500小时、2000小时、2500小时，待试样恢复至室温后再测开路磁通，根据试验前后的开路磁通计算得到其不可逆损失率如图3和图4所示，从图中可以看出：

1）长径比较小的A、B和C组试样长期高温后的开路磁通不可逆损失较大，A组约45%，B组和C组也达到15%左右。

2）D组试样长期高温后的开路磁通不可逆损失比A、B和C组试样小的多，仅为1%～3%，随着时间增长，其不可逆损失增加的幅度并不大。

4 结论

1）钕铁硼材料的磁性能随着工作温度的增加而降低，在180℃的磁性能下降约18%。磁性能降低程度不仅与温度有关，还与结构有关，增加长径比会减弱磁性能降低的程度。

2）钕铁硼材料经γ射线副辐照后，其磁性能的变化很小，磁性能降低不到1%。

3）通过合理设计结构，钕铁硼材料可以长期在200℃高温环境下使用，其磁性能不可逆损失是可以接受的（小于3%）。

综上，研究表明钕铁硼材料用于CRDM设备具有可行性。

【参考文献】

[1]胡文艳.钕铁硼永磁材料的性能及研究进展[J].现代电子技术，2012，35（2）：151-152.

[2]丁宗华，刘刚.核电厂控制棒驱动机构工作线圈温度场分析[J].机械研究与应用，2013，26（2）：99-101.

[责任编辑：田吉捷]