核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及制造

一、核反應(yīng)堆堆型演變

1.世界核反應(yīng)堆的發(fā)展

第一代核反應(yīng)堆，主要是1970年前投入運(yùn)行的各種原型堆（電輸出功率300MW以下）;第二代核反應(yīng)堆，主要是1970年至1995年投入運(yùn)行的各類商用反應(yīng)堆（壓水堆、沸水堆、重水堆等）;第三代核反應(yīng)堆，主要以沸水堆ABWR，壓水堆AP600、AP1000和EPR，模塊式高溫氣冷堆為代表的先進(jìn)核反應(yīng)堆，預(yù)計(jì)在2010～2015年期間投入運(yùn)行;第四代核能系統(tǒng)，主要以核反應(yīng)堆和燃料循環(huán)方面的重大創(chuàng)新和開發(fā)作為目標(biāo)，以超高溫堆、氣冷快堆、超臨界水冷堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆和熔鹽堆為主要研究對(duì)象，目前尚處在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性論證階段，預(yù)計(jì)開發(fā)工作不遲于2030年。

2.我國(guó)核反應(yīng)堆的發(fā)展

第二代核反應(yīng)堆，主要是在汲取法國(guó)和俄羅斯第二代核反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上先后建成的300MW～1000MW的秦山核電站、大亞灣核電站、江蘇田灣核電站等11座成熟商業(yè)運(yùn)營(yíng)的壓水堆機(jī)組，總裝機(jī)容量超過910萬kW。

第三代核反應(yīng)堆，主要是指我國(guó)正在建設(shè)中的AP1000和EPR先進(jìn)壓水堆型以及自主研發(fā)的200MW商用高溫氣冷堆。

二、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核電站反應(yīng)堆控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)的一種伺服機(jī)構(gòu)?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的具體功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒，以完成反應(yīng)堆啟動(dòng)、調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率、維持功率、停止反應(yīng)堆和事故情況下的快速停堆（又稱為事故快插、事故落棒），它是核反應(yīng)堆的重要?jiǎng)幼鞑考?，也是直接影響核反?yīng)堆正常運(yùn)行和安全可靠的關(guān)鍵設(shè)備之一。

目前全世界運(yùn)行中的壓水堆型采用的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)類型主要有三類：即磁力提升、滾珠螺母絲杠和齒輪齒條。前些年，在某些壓水堆中常常同時(shí)選用磁力提升和齒輪齒條兩種機(jī)構(gòu)，以磁力提升作為全長(zhǎng)控制棒組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以齒輪齒條副作為短棒組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。近年來，德、美、法等國(guó)的商業(yè)壓水堆核電站均取消了短棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而只選用磁力提升型作為全長(zhǎng)控制棒組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

磁力提升型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與其他型式相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、提升力大、磨損小、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，即使關(guān)鍵零部件發(fā)生故障，也能快速停堆。因此，磁力提升型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。

由于運(yùn)行過程中各種內(nèi)、外因素均會(huì)引起反應(yīng)性變化，故控制棒動(dòng)作十分頻繁，因此要求控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中不發(fā)生故障。同時(shí)，考慮到反應(yīng)堆要裝換料，驅(qū)動(dòng)軸應(yīng)使控制棒組件能夠遠(yuǎn)距離裝拆；再加上壓水堆的高壓密封要求，給控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提出了如下要求：

(1)反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，要求控制棒的移動(dòng)速度約為10mm/s；在快速停堆或事故工況時(shí)要求得到停堆信號(hào)后能自動(dòng)脫開控制棒組件，使控制棒靠自重快速插入堆芯，從得到信號(hào)到控制棒安全插入堆芯的緊急停堆時(shí)間不超過2s。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，控制棒能夠被夾持而停留在一定位置上；失去電源時(shí)應(yīng)自動(dòng)落棒。

(2)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命應(yīng)與反應(yīng)堆壽命相同，壽命期末仍應(yīng)具有運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

(3)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行應(yīng)平穩(wěn)，無異常噪聲，不允許發(fā)生失步、打滑、無法提升和卡棒等異?，F(xiàn)象。

(4)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)具有足夠的超載提升能力和抗沖擊耐震動(dòng)的能力。

(5)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)該緊湊，裝卸、維修方便，且造價(jià)低廉。

1、第二代壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

目前，我國(guó)運(yùn)行的第二代壓水堆核電機(jī)組均使用磁力提升型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，300MW核電機(jī)組的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是37臺(tái)，600MW核電機(jī)組的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是33臺(tái)，1000MW核電機(jī)組的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是61臺(tái)。每臺(tái)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由鉤爪組件、驅(qū)動(dòng)桿組件、耐壓殼、磁軛線圈組件和棒位探測(cè)器組件這五大部件組成?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過耐壓殼安裝在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的管座之上，用螺紋聯(lián)結(jié)后再進(jìn)行Ω密封焊接，使得控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)穩(wěn)穩(wěn)地豎立在反應(yīng)堆容器頂蓋上。

(1)驅(qū)動(dòng)桿組件（見圖1）

驅(qū)動(dòng)桿組件從鉤爪組件的內(nèi)孔通過，由驅(qū)動(dòng)桿、可拆接頭、拆卸桿等零件組成。驅(qū)動(dòng)桿是一根外圓表面加工有環(huán)形齒槽的空心管材，驅(qū)動(dòng)桿的內(nèi)部有一根拆卸桿，下端是一個(gè)兩半的帶環(huán)齒的可拆接頭。拆卸桿的最上端有一個(gè)拆卸鈕，其最下端有一個(gè)定位塞頭。在堆芯重新裝料后，通過拆卸專用工具拉起拆卸桿，定位塞頭從兩半的可拆接頭內(nèi)提出，再將驅(qū)動(dòng)桿插入控制棒組件連接柄的孔內(nèi)，然后壓下拆卸桿，將定位塞頭插入可拆接頭，使可拆接頭張開而與連接柄的內(nèi)齒槽嚙合，這樣驅(qū)動(dòng)桿便牢固在控制棒星形架的連接柄上；驅(qū)動(dòng)桿的外表面通過這些環(huán)形齒槽與鉤爪部件中的鉤爪動(dòng)作的嚙合，帶動(dòng)下部連接的控制棒組件進(jìn)行提升、下降、保持或落棒運(yùn)動(dòng)（見圖2）。

在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)（包括落棒），驅(qū)動(dòng)桿與控制棒組件一直保持連接，只有在移開壓力容器頂蓋后才能將驅(qū)動(dòng)桿組件與控制棒組件進(jìn)行連接或拆除。在反應(yīng)堆換料時(shí)，通過拆卸專用工具將驅(qū)動(dòng)桿與控制棒拆開，驅(qū)動(dòng)桿組件隨上部堆內(nèi)構(gòu)件一起吊出（驅(qū)動(dòng)桿下部外壁上有一凸環(huán)可懸掛在控制棒導(dǎo)向管連續(xù)段下部的凸肩上），控制棒組件仍然留在燃料組件內(nèi)。

(2)鉤爪組件（見圖4及圖5）

鉤爪組件主要由兩組鉤爪組件（每組3個(gè)鉤爪）、三對(duì)電磁鐵和一個(gè)套管式支撐結(jié)構(gòu)組成。

圖1 驅(qū)動(dòng)桿組件

圖2 驅(qū)動(dòng)桿

圖3 可拆接頭

三對(duì)電磁鐵的吸合或彈開，通過連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)兩組鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿齒槽的嚙合、脫開和升降動(dòng)作。

鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿的齒槽嚙合設(shè)計(jì)為不自鎖，以便當(dāng)所有電源都切斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿連帶控制棒組件在重力作用下能快速插入堆芯，確保堆芯運(yùn)行的安全。

圖4 鉤爪組件

圖5 鉤爪組件零件

(3)耐壓殼

耐壓殼是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的組成部分，其腔體內(nèi)充滿高溫高壓下的反應(yīng)堆冷卻劑。同時(shí)，殼內(nèi)安裝鉤爪組件和驅(qū)動(dòng)桿組件，并為鉤爪組件提供機(jī)械支撐，為驅(qū)動(dòng)桿組件提供行程空間；耐壓殼外安裝線圈組件和棒位探測(cè)器組件，并為這兩個(gè)組件提供機(jī)械支撐。耐壓殼由密封殼體和驅(qū)動(dòng)桿行程套管組成。

密封殼體是一個(gè)帶有環(huán)形底座的圓筒，采用螺紋連接并用Ω密封焊接，永久性地固定在貫穿反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的管座上。在密封殼外表面上，沿著各線圈的端部，留有放置導(dǎo)磁環(huán)的溝槽，用作磁力線通道來傳遞信號(hào)給里面安裝的鉤爪組件進(jìn)行提升、下降、保持及落棒運(yùn)動(dòng)并避免對(duì)相鄰機(jī)構(gòu)的寄生作用（見圖6）。

驅(qū)動(dòng)桿行程套管組件由驅(qū)動(dòng)桿行程套管和端塞兩部分組成，驅(qū)動(dòng)桿行程套管的兩端分別采用螺紋連接并用Ω密封焊接方式與下部的密封殼和上部的端塞相連接。端塞上安裝有排氣閥和吊環(huán)螺栓。排氣閥是在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)充水時(shí)候提供排氣功能，而吊環(huán)螺栓是在運(yùn)輸、安裝與拆卸控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)提供吊裝功能（見圖7）。

圖6 密封殼體

圖7 行程套管

(4)磁軛線圈組件（見圖8）

磁軛線圈組件是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力部件，它由四個(gè)磁軛殼體、三個(gè)工作線圈組件和導(dǎo)線管等零件構(gòu)成，坐落在密封殼體的錐面上。三個(gè)工作線圈組件由上而下依次是提升線圈、移動(dòng)線圈和保持線圈，其引出線共同經(jīng)過一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的引線管引出，通過近耐壓殼頂部的一個(gè)電連接器與棒控系統(tǒng)進(jìn)行連接。三個(gè)工作線圈組件根據(jù)棒控系統(tǒng)給定的電流程序通/斷電，通過磁軛殼體和密封殼體外表面上安裝的導(dǎo)磁環(huán)使密封殼體內(nèi)的鉤爪組件產(chǎn)生感應(yīng)電磁力變化，最終操縱密封殼體內(nèi)的兩組鉤爪組件做如下程序規(guī)定的動(dòng)作來帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿組件及其下部連接的控制棒組件進(jìn)行提升、下降、保持及落棒運(yùn)動(dòng)：

① 提升線圈通電，使移動(dòng)鉤爪提升；提升線圈斷電，使移動(dòng)鉤爪下降；

② 移動(dòng)線圈通電，使移動(dòng)鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿環(huán)形槽嚙合；移動(dòng)線圈斷電，使移動(dòng)鉤爪擺出，脫離嚙合；

③ 保持線圈通電，使保持鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿環(huán)形槽嚙合；保持線圈斷電，使保持鉤爪擺出，脫離嚙合。

套在三個(gè)工作線圈組件外面的磁軛殼體是由四個(gè)帶方形底座的棱柱形零件組成，彼此間的聯(lián)結(jié)面都位于每個(gè)線圈中部的平面上，而最底部磁軛殼體擱置在密封殼體外表面的法蘭上，它們提供了機(jī)械保護(hù)、散熱和構(gòu)成磁通路的作用（見圖10）。

圖8 磁軛線圈組件

圖9 磁軛殼體

圖10 工作線圈組件

(5)棒位探測(cè)器組件（見圖11）

棒位探測(cè)器組件安裝在驅(qū)動(dòng)桿行程套管組件外面，由棒位探測(cè)線圈及內(nèi)外套管等零件組成。內(nèi)外套管為棒位探測(cè)線圈提供支承和保護(hù)作用。棒位探測(cè)線圈由一個(gè)初級(jí)線圈和一組次級(jí)線圈組成。驅(qū)動(dòng)桿的移動(dòng)影響初級(jí)和次級(jí)線圈之間的耦合，由此影響次級(jí)線圈兩端的電壓，次級(jí)線圈的電壓由數(shù)字處理裝置轉(zhuǎn)換成棒位指示。

棒位探測(cè)器組件通過電連接器和電纜與棒位指示系統(tǒng)連接，棒位指示系統(tǒng)通過對(duì)棒位探測(cè)器的電信號(hào)進(jìn)行處理后，可以直接顯示控制棒組件在堆芯的實(shí)際位置。而在全行程落棒時(shí)，還可以用于測(cè)量控制棒組件的落棒時(shí)間。

2.三代壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

我國(guó)目前引進(jìn)的第三代AP1000壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與目前運(yùn)行的第二代壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)基本相似，并通過如下結(jié)構(gòu)變動(dòng)來提高反應(yīng)堆的安全性。

(1)驅(qū)動(dòng)桿行程套管組件由原來的驅(qū)動(dòng)桿行程套管與端塞的螺紋連接加Ω焊接的方式改為驅(qū)動(dòng)桿行程套管盲孔加工方式，降低了由于先前Ω焊接可能存在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)；

(2)密封殼體與原來貫穿反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的管座的螺紋連接加Ω焊接的方式改為密封殼體與反應(yīng)堆壓力容器貫穿件的異種金屬對(duì)接焊，降低了由于先前Ω焊接可能存在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)；

圖11 探測(cè)器組件

(3)鉤爪組件中的鉤爪零件結(jié)構(gòu)由原來的單齒改為了雙齒結(jié)構(gòu)，降低了失步、打滑、無法提升以及卡棒異?，F(xiàn)象發(fā)生的概率。

三、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造

由于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)機(jī)電傳動(dòng)裝置，其材料大致分為金屬不銹鋼和特種電工絕緣耐高溫材料，這兩類材料在加工過程中具有各自的難點(diǎn)。

1.第二代壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造

第二代壓水堆核電項(xiàng)目控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備上的制造難點(diǎn)如附表所示。

附表

2.第三代壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造

目前正在積極通過第三代AP1000項(xiàng)目的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和重大科技攻關(guān)項(xiàng)目來突破以下三個(gè)由于壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化所新增的制造難點(diǎn)：

(1)驅(qū)動(dòng)桿行程套管長(zhǎng)達(dá)5m的盲孔深孔加工；

(2)密封殼體內(nèi)45。斜面孔的加工；

(3)密封殼體與反應(yīng)堆壓力容器貫穿件的異種金屬對(duì)接焊接及焊后機(jī)加工。