唐菊梅 朱清 靳峰雷 瞿宇 劉明

摘? 要：隨著人類對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)，國(guó)際核工程界提出發(fā)展第四代核電系統(tǒng)的主張，鉛鉍快堆是第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)6種堆型之一。鉛鉍快堆的停堆機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要功能為抓取和釋放控制棒、升降與懸停控制棒及快速落棒。該文經(jīng)過(guò)分析與初步試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的鉛鉍快堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并通過(guò)設(shè)計(jì)防反彈裝置，達(dá)到了防止傾翻事故工況要求。

關(guān)鍵詞：鉛鉍快堆? 齒輪齒條? 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)? 反應(yīng)堆

中圖分類號(hào)：TL4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（b）-0076-04

Research for Control Rod Drive Mechanism of Lead Bismuth Fast Reactor

TANG Jumei1? ZHU Qing1? JIN Fenglei2? QU Yu1? LIU Ming1

（1.Sichuan Huadu Nuclear Equipment Manufacture Co.，Ltd.， chengdu， Sichuan Province， 611830 China; 2.China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413? China）

Abstract： With the increasing demand for energy， the international nuclear engineering community proposes to develop the fourth generation nuclear power system. Lead bismuth fast reactor is one of the six types of the fourth generation reactor system. Rack and gear control rod drive mechanism is used in the shutdown mechanism of lead bismuth fast reactor. The main functions of the shutdown mechanism are grabbing and releasing control rod， lifting， descending and holding control rod， dropping rod quickly. After analysis and preliminary tests， the designed lead-bismuth fast reactor control rod drive mechanism meets the design index requirements， and through the design of an anti-rebound device， the requirements for preventing tipping accidents are achieved.

Key Words： Lead bismuth fast reactor; Rack and gear; Control rod drive mechanism; Reactor

隨著人類對(duì)清潔能源需求的增長(zhǎng)，核能作為一種清潔、安全、高效的能源，已在能源領(lǐng)域中起到了重要作用。

鉛基材料（鉛或鉛合金）作為反應(yīng)堆冷卻劑，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）鉛基堆中子經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，發(fā)展可持續(xù)性好;（2）鉛基堆熱工特性優(yōu)良，化學(xué)惰性強(qiáng)，安全性好;（3）鉛基材料可與易揮發(fā)放射性核素碘和銫形成化合物，可以降低反應(yīng)堆放射性源項(xiàng)。

1? 鉛基快堆研究現(xiàn)狀

1.1 俄羅斯

俄羅斯從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究鉛冷快堆，并優(yōu)先應(yīng)用于核潛艇的核動(dòng)力裝置，后逐漸轉(zhuǎn)為民用?，F(xiàn)比較成熟的堆型為SVER與BREST系列。

1.2 歐洲

2006年，歐洲正式啟動(dòng)鉛冷快堆ELSY的研究，經(jīng)過(guò)多年努力，最新設(shè)計(jì)ELSY-600是一個(gè)已經(jīng)具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力、安全可靠性的初步堆型。

1.3 美國(guó)

在20世紀(jì)90年代末，美國(guó)國(guó)內(nèi)多家大學(xué)合作進(jìn)行了鉛冷快堆的研究。研究重點(diǎn)集中在高溫制氫、嬗變處理核廢料、鉛鉍腐蝕性等。

1.4 中國(guó)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，中國(guó)也成為從事鉛冷快堆研究的大國(guó)之一，在2011年，針對(duì)加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)預(yù)研裝置和第四代鉛冷快堆的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)要求，完成了具有臨界和加速器驅(qū)動(dòng)次臨界雙模式任務(wù)[1]。

2? 鉛鉍快堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有按照反應(yīng)堆控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)控制棒組件從堆芯提升、保持在某一位置上、從任意工作位置上插入或快速插入堆芯，完成反應(yīng)堆啟動(dòng)、調(diào)節(jié)功率、維持功率、反應(yīng)性補(bǔ)償、正常停堆和緊急工況下快速停堆的功能[2-3]。

鉛冷快堆為第四代核能系統(tǒng)液態(tài)金屬冷卻堆型，在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式上，鉛鉍快堆采用技術(shù)成熟度較高的齒輪齒條式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.1 設(shè)計(jì)研究主要目標(biāo)參數(shù)

（1）控制棒運(yùn)行速度：0～8 mm/s。

（2）控制棒運(yùn)行精度：±3 mm。

（3）控制棒最大行程：650 mm。

（4）控制棒組件設(shè)計(jì)溫度：510 ℃。

（5）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作介質(zhì)：惰性保護(hù)氣體，鉛鉍合金。

（6）控制棒運(yùn)行環(huán)境介質(zhì)：鉛鉍合金。

（7）控制棒全程落棒時(shí)間：0.6 s。

（8）控制棒重量：55.54 kg（移動(dòng)體23.76 kg）。

（9）相鄰兩根控制棒中心距： 200 mm。

（10）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命：15年。

2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)描述

鉛鉍快堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)屬于機(jī)電一體化設(shè)備。其組成分別是組合電機(jī)、主軸傳動(dòng)鏈、抓手傳動(dòng)鏈、主軸終端開(kāi)關(guān)、抓手位置開(kāi)關(guān)、快速釋放裝置、防反彈裝置、落棒加速裝置、落棒緩沖裝置、棒位連續(xù)位置檢測(cè)裝置、可動(dòng)體和抓手部件。機(jī)構(gòu)全長(zhǎng)5 214 mm（不包括控制棒長(zhǎng)度），最大直徑φ198 mm。

鉛鉍快堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，傳動(dòng)原理圖見(jiàn)圖2。

主軸傳動(dòng)鏈：采用組合電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)減速裝置，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主軸齒條的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制棒的升、降及保持。

抓手傳動(dòng)鏈：采用組合電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)減速裝置，將扭矩傳遞給下部凸輪，驅(qū)使抓手開(kāi)、合，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制棒的抓、放。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)升降動(dòng)作：主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)→蝸桿ZZ1旋轉(zhuǎn)→蝸輪ZZ1旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ1旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ2旋轉(zhuǎn)→傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ3旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ4旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ5旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ6旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ7旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ8旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ9旋轉(zhuǎn)→可動(dòng)體上下運(yùn)動(dòng)→抓手上下運(yùn)動(dòng)（→控制棒組件上下運(yùn)動(dòng)）。

連續(xù)位置檢測(cè)動(dòng)作：齒輪ZZ9旋轉(zhuǎn)→齒輪WZ1旋轉(zhuǎn)→齒輪WZ2旋轉(zhuǎn)→齒輪WZ3旋轉(zhuǎn)→齒輪WZ4旋轉(zhuǎn)→連續(xù)位置檢測(cè)裝置旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置檢測(cè)。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抓手開(kāi)合動(dòng)作：抓手驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)→齒輪ZS1旋轉(zhuǎn)→齒輪ZS2旋轉(zhuǎn)→蝸桿ZS1旋轉(zhuǎn)→蝸輪ZS1旋轉(zhuǎn)→齒輪ZS3旋轉(zhuǎn)→齒輪ZS4旋轉(zhuǎn)→旋轉(zhuǎn)套筒旋轉(zhuǎn)→可動(dòng)體旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)→抓手部件凸輪旋轉(zhuǎn)→抓手開(kāi)、合。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)落棒動(dòng)作：快速釋放裝置斷開(kāi)傳動(dòng)鏈→落棒體（含可動(dòng)體、抓手部件和控制棒組件）下落→齒輪ZZ9旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ8旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ7旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ6旋轉(zhuǎn)→防反彈裝置正向旋轉(zhuǎn)并打滑。

落棒防反彈動(dòng)作：落棒體落棒后具有向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)會(huì)帶動(dòng)齒輪ZZ9旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ8旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ7旋轉(zhuǎn)→齒輪ZZ6旋轉(zhuǎn)→防反彈裝置接通主軸傳動(dòng)鏈，將扭矩傳遞到主軸傳動(dòng)鏈上半段，利用蝸輪蝸桿的自鎖功能防止傳動(dòng)鏈旋轉(zhuǎn)，利用傳動(dòng)鏈的柔性吸收能量從而實(shí)現(xiàn)防反彈功能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在傾斜擺動(dòng)狀態(tài)的自鎖功能。

2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)功能描述

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括3個(gè)功能：抓取和釋放控制棒、升降與懸?？刂瓢?、快速落棒。

2.3.1 抓取和釋放控制棒

功能描述：控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抓手的傳動(dòng)鏈在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抓手能夠抓取和釋放控制棒，且設(shè)置有抓手位置開(kāi)關(guān)，能夠顯示出抓手的開(kāi)、合狀態(tài)。同時(shí)，為了保證抓取和釋放的可靠，控制棒的抓取和釋放裝置要具有防止控制棒意外跌落等功能[4]。

實(shí)施方式：由抓手驅(qū)動(dòng)電機(jī)、抓手傳動(dòng)鏈、可動(dòng)體、抓手部件、抓手位置開(kāi)關(guān)、主軸終端開(kāi)關(guān)和連續(xù)位置檢測(cè)裝置相互作用，共同實(shí)現(xiàn)。其功能原理圖見(jiàn)圖3。

2.3.2 升降與懸?？刂瓢?/p>

功能描述：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)減速傳動(dòng)鏈，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒條的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制棒的升、降及保持功能。當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升到“上限位”時(shí)，電機(jī)斷電，依靠減速裝置中的自鎖式蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)懸?？刂瓢?。

實(shí)施方式：升降與懸?？刂瓢艄δ苡芍鬏S驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主軸傳動(dòng)鏈、快速釋放裝置、抓手部件、可動(dòng)體、主軸終端開(kāi)關(guān)、抓手位置開(kāi)關(guān)和連續(xù)位置檢測(cè)裝置相互作用，共同實(shí)現(xiàn)。其功能原理圖見(jiàn)圖4。

2.3.3 快速落棒

功能描述：快速落棒，電磁離合器失電斷開(kāi)傳動(dòng)鏈，控制棒在可動(dòng)體的帶動(dòng)下快速插入堆芯，從而使反應(yīng)堆緊急停堆。

實(shí)施方式：快速落棒功能由主軸傳動(dòng)鏈、快速釋放裝置、加速裝置、緩沖裝置、防反彈裝置、抓手部件、可動(dòng)體和連續(xù)位置檢測(cè)裝置相互作用，共同實(shí)現(xiàn)[5-6]。可動(dòng)體上設(shè)置加速裝置和緩沖裝置，采用圓柱螺旋彈簧。其功能原理圖見(jiàn)圖5。

3? 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析與初步試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的鉛鉍快堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)行程空間受限即小型化設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)了鉛鉍快堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度在5.5 m以內(nèi)，同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)防反彈裝置，實(shí)現(xiàn)了防止傾翻事故工況要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓金盛，劉濱，李文強(qiáng).鉛冷快堆研究概述[J].核科學(xué)與技術(shù)，2018，6（3）：87-97.

[2] 鄭志興.核電站反應(yīng)堆控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].華南理工大學(xué)，2019.

[3] 石康麗.鉛冷快堆始發(fā)事件及瞬態(tài)安全特性初步研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.

[4] 張旻，李書良，陽(yáng)雷.核反應(yīng)堆控制棒渦流檢測(cè)仿真[J].無(wú)損檢測(cè)，2019，41（7）：1-4.

[5] 曾梅花.加速器驅(qū)動(dòng)鉛基堆堆內(nèi)換料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與仿真[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.

[6] 陶舒暢，賴建永，秦婧，等.美國(guó)鉛冷快堆研究進(jìn)展[J].科技視界，2020（17）：231-234.