田灣核電站控制棒意外下落的研究

朱術(shù)超

（核電運(yùn)行研究（上海）有限公司，上海 314000）

0 引言

田灣核電站1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組為俄羅斯VVER 機(jī)組，控制棒共103 束、分為10 組（第1～第7 組為停堆棒組，第8～第10 組為調(diào)節(jié)棒組），控制棒的移動(dòng)由控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、工作電壓由控制棒控制機(jī)柜提供。其中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由俄羅斯OKB“GIDROPRESS”公司設(shè)計(jì)制造，主要有承壓殼體、電磁組件、移動(dòng)組件（棘爪）、驅(qū)動(dòng)桿和棒位傳感器等部件，主要功能是為驅(qū)動(dòng)控制棒組件在堆芯燃料組件中上、下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)和停堆等，通過棒位傳感器傳送控制棒束在堆芯的位置信號(hào)。

兩個(gè)機(jī)組的棒控棒位系統(tǒng)（CPS 系統(tǒng)）由俄羅斯VNIIEM 公司設(shè)計(jì)制造，包括保護(hù)預(yù)保護(hù)執(zhí)行子系統(tǒng)、控制棒供電子系統(tǒng)和棒位測(cè)量子系統(tǒng)（其中包含41 臺(tái)控制棒動(dòng)力控制機(jī)柜），系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命為40 年，機(jī)柜內(nèi)模件使用壽命不低于10 年?？刂瓢魟?dòng)力控制機(jī)柜主要包括交流供電模件（BU1）、直流供電模件、開關(guān)等部件，設(shè)備分級(jí)為CC1，安全等級(jí)為SR。動(dòng)力控制機(jī)柜的主要功能是，為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的提升線圈、鎖緊線圈、固定線圈提供工作電流，根據(jù)控制指令驅(qū)動(dòng)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制棒在燃料組件中的移動(dòng)。機(jī)柜交流供電模件BU1 發(fā)生故障時(shí)，可以切換到直流供電（110 V）實(shí)現(xiàn)控制棒雙保持功能。

2017—2021 年，1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組共計(jì)發(fā)生了10 次控制棒意外下落事件。針對(duì)此問題，江蘇核電組織國內(nèi)外設(shè)計(jì)院、制造廠家和同行電站專家進(jìn)行咨詢?cè)u(píng)估，深入分析、研究控制棒意外下落原因。

1 原因分析

1.1 動(dòng)力控制機(jī)柜

控制棒動(dòng)力控制機(jī)柜主要包括交流供電模件和直流供電模件，通過交流供電模件向控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)保持線圈、提升線圈和鎖緊線圈提供交變電流，控制控制棒的上提和下插動(dòng)作。如果交流供電模件出現(xiàn)故障，則立刻切換至直流供電模件，向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)保持線圈和鎖緊線圈供電，避免控制棒意外下落。在交流供電模件故障未能切換至直流供電情況下，會(huì)發(fā)生控制棒意外下落事件。

1.1.1 直流供電模件

直流供電模件的功能是在交流供電模件故障后，切換至直流供電模件，避免控制棒意外下落。直流供電模件故障不會(huì)直接導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)失去供電，發(fā)生控制棒意外下落事件。根據(jù)1 號(hào)、2號(hào)機(jī)組10 次控制棒意外下落事件過程記錄，對(duì)相關(guān)直流供電模件的測(cè)試結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常。

1.1.2 交流供電模件

在2019 年1 月（1 號(hào)機(jī)組03-24 控制棒下落）和4 月（2 號(hào)機(jī)組12-35 控制棒下落）兩次下落事件分析過程，通過對(duì)控制棒交流供電模件的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，控制棒交流供電模件邏輯設(shè)計(jì)存在缺陷：模件供電切換監(jiān)測(cè)回路設(shè)計(jì)不合理，模件內(nèi)部供電切換監(jiān)測(cè)回路的監(jiān)測(cè)值取自放大單元的輸出端，未能監(jiān)測(cè)線圈實(shí)際的電流輸出值，在交流供電模件內(nèi)部元器件異常導(dǎo)致輸出電流減小或波形異常的情況下不能正確觸發(fā)其保護(hù)功能，未切換到直流供電模件供電，從而導(dǎo)致控制棒在移動(dòng)過程中意外掉落。

（1）2019 年1 月1 號(hào)機(jī)組03-24 控制棒下落的具體原因?yàn)椋嚎刂瓢艚涣鞴╇娔＜?nèi)部放大單元可變電阻故障，導(dǎo)致固定線圈輸出電流降低。由于模件供電切換監(jiān)測(cè)回路設(shè)計(jì)不合理，模件內(nèi)部供電切換回路監(jiān)測(cè)值取自放大器單元的輸出端，未監(jiān)測(cè)線圈實(shí)際的電流輸出值，導(dǎo)致交流供電模件輸出電流偏低時(shí)未及時(shí)切換至直流供電模件，控制棒意外下落事件發(fā)生。

（2）2019 年4 月2 號(hào)機(jī)組12-35 控制棒下落的原因?yàn)椋嚎刂瓢艚涣鞴╇娔＜?nèi)部可控硅控制器故障，導(dǎo)致鎖緊線圈輸出電流降低且輸出波形異常。由于模件供電切換監(jiān)測(cè)回路設(shè)計(jì)不合理，模件內(nèi)部供電切換回路監(jiān)測(cè)值取自放大器單元的輸出端，未監(jiān)測(cè)線圈實(shí)際的電流輸出值，導(dǎo)致交流供電模件輸出電流偏低時(shí)未及時(shí)切換至直流供電模件，控制棒意外下落事件發(fā)生。

1.1.3 交流供電模件元器件的故障

1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組控制棒動(dòng)力控制機(jī)柜分別在2003 年、2004年完成安裝和調(diào)試，開始投入運(yùn)行。柜內(nèi)的交流供電模件執(zhí)行糾正性維修策略，在2017 年前未設(shè)置定期更換項(xiàng)目。根據(jù)糾正性維修記錄，控制棒交流供電模件故障次數(shù)約在5 次/年。

2021 年6 月，在控制棒活動(dòng)性試驗(yàn)前進(jìn)行供電回路檢查過程意外下落。對(duì)交流供電模件進(jìn)行臺(tái)架檢查測(cè)試發(fā)現(xiàn)，交流供電模件上的PRT1 卡件的可擦除存儲(chǔ)器EPROM 老化，導(dǎo)致模件性能下降。進(jìn)行鎖緊線圈供電回路檢查時(shí)，EPROM 輸出異常影響固定線圈的輸出電流降低，但未達(dá)到直流供電模件切換閾值。可以判定，固定線圈電流減小導(dǎo)致形成的磁力不足，固定棘爪無法抓住驅(qū)動(dòng)桿，致使11-28 控制棒意外下落。

2021 年8 月，在控制棒活動(dòng)性試驗(yàn)過程進(jìn)行上提時(shí)意外下落。檢查在線電流監(jiān)測(cè)記錄發(fā)現(xiàn)，02-33 控制棒的交流供電模件鎖緊線圈和固定線圈的輸出電流時(shí)序異常，控制棒上提過程中鎖緊線圈電流異常降低且固定線圈無輸出，交流供電模件輸出電流異常未切換至直流供電，導(dǎo)致控制棒掉落。通過對(duì)交流供電模件進(jìn)行臺(tái)架檢查測(cè)試發(fā)現(xiàn)，模件PRT1 板卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換器故障，影響固定線圈和鎖緊線圈電流輸出，致使02-33 控制棒意外下落。

1.2 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

VVER 機(jī)組的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括承壓殼體、電磁組件、移動(dòng)組件、驅(qū)動(dòng)桿和棒位傳感器等，而移動(dòng)組件主要由可動(dòng)磁極、不可動(dòng)磁極和棘爪組成。其工作原理為：交變電流通過電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，可動(dòng)磁極和不可動(dòng)磁極按照磁場(chǎng)變化動(dòng)作，帶動(dòng)相應(yīng)的棘爪實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)桿的夾持和移動(dòng)。如果可動(dòng)磁極、不可動(dòng)磁極、套筒或棘爪出現(xiàn)短時(shí)失效，就有可能會(huì)出現(xiàn)棘爪動(dòng)作異常，導(dǎo)致控制棒在移動(dòng)過程中意外下落。

1.2.1 移動(dòng)組件短時(shí)失效的原因

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)組件短時(shí)失效的可能原因有兩個(gè)，分別為移動(dòng)組件內(nèi)部機(jī)械磨損和移動(dòng)組件內(nèi)部進(jìn)入外部雜質(zhì)。

（1）內(nèi)部機(jī)械磨損。根據(jù)研究表明，制造控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鋼材均具有高耐腐蝕性、高耐磨損性，同時(shí)該型號(hào)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)做過20 萬步的全壽命型式試驗(yàn)，并且在俄羅斯、保加利亞多個(gè)核電站有長期應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。田灣核電站1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組歷次大修對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的檢查記錄表明，均未發(fā)現(xiàn)異常腐蝕和磨損現(xiàn)象；并且發(fā)生過落棒事件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在后續(xù)燃料循環(huán)內(nèi)經(jīng)歷了多次移動(dòng)操作，結(jié)果均正常。因此，可以排除驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械磨損導(dǎo)致控制棒意外下落的可能。

（2）移動(dòng)組件內(nèi)部進(jìn)入雜質(zhì)。當(dāng)一回路不溶性雜質(zhì)進(jìn)入移動(dòng)組件內(nèi)部，可能會(huì)導(dǎo)致控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)組件短時(shí)失效。另外，棘爪與套筒間存在雜質(zhì)。根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)圖，棘爪與套筒之間的間隙較小，雜質(zhì)容易到達(dá)且不易移除，只有在動(dòng)作振動(dòng)或棘爪與套筒之間的擠壓力下將雜質(zhì)擊碎，才能消除影響。如果雜質(zhì)擠壓在此，每次提升后驅(qū)動(dòng)桿對(duì)棘爪的向下的沖擊力，可能導(dǎo)致雜質(zhì)向更狹窄的下方區(qū)域移動(dòng)，從而形成棘爪的短時(shí)失效。隨著不溶性雜質(zhì)在棘爪動(dòng)作、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備振動(dòng)、一回路冷卻劑流動(dòng)等情況下從棘爪處脫離，棘爪動(dòng)作又恢復(fù)正常。因此，棘爪與套筒之間的雜質(zhì)可能會(huì)使帶套筒的可動(dòng)磁極未達(dá)到全行程，棘爪未完全抱住驅(qū)動(dòng)桿，造成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件短時(shí)失效，導(dǎo)致控制棒意外下落。

1.2.2 移動(dòng)組件動(dòng)作失效的雜質(zhì)來源

（1）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)腐蝕性產(chǎn)物的堆積?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件制造時(shí)使用了馬氏體不銹鋼，由于制造商在出廠前沒有對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行足夠的鈍化處理，在新的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用初期，還沒有形成完整的保護(hù)膜（保護(hù)膜形成一般需要10 周）之前，會(huì)生成腐蝕產(chǎn)物。1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和棘爪材料為馬氏體不銹鋼，存在形成腐蝕產(chǎn)物的可能。但在出現(xiàn)控制棒意外下落事件時(shí)，相應(yīng)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)組件已長期運(yùn)行，轉(zhuǎn)動(dòng)軸和棘爪表面鈍化膜早已形成。因此可以排除由于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)自身形成的腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致控制棒滑步和意外下落的可能原因。

（2）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行磨損產(chǎn)生雜質(zhì)?？刂瓢粼谶\(yùn)動(dòng)過程中，固定磁極與可動(dòng)磁極之間、棘爪與驅(qū)動(dòng)桿之間相互撞擊，在長期作用下存在一定程度的正常磨損，會(huì)有小顆粒物質(zhì)從部件上脫落形成雜質(zhì)。根據(jù)1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)文件，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命為30 年，全雙行程次數(shù)不少于6000 次，緊急落棒次數(shù)不少于300 次。2017 年控制棒意外下落首次發(fā)生時(shí)，1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行約10 年，經(jīng)估算雙行程次數(shù)不大于300 次、緊急落棒次數(shù)不大于50 次，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行年限和移動(dòng)行程均未超過設(shè)計(jì)值的20%。同時(shí)，大修期間對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的檢查項(xiàng)目結(jié)果表明，未發(fā)現(xiàn)有明顯磨損現(xiàn)象。因此，由于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行磨損產(chǎn)生雜質(zhì)的可能性較低。

（3）一回路化學(xué)離子結(jié)合形成不溶性雜質(zhì)。一回路中存在硼酸、氯離子、硫酸根離子、硅酸根等化學(xué)離子，如果它們與其他物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生不溶性雜質(zhì)，該雜質(zhì)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件內(nèi)部就可能導(dǎo)致控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件的短時(shí)失效。根據(jù)一回路化學(xué)特性，化學(xué)離子可能會(huì)產(chǎn)生硅酸鹽類物質(zhì)、SiO2結(jié)晶、硼酸結(jié)晶、其他雜質(zhì)等。根據(jù)對(duì)一回路中化學(xué)離子含量的分析，一回路中并不存在鈣、鎂、鋁離子，無法形成硅酸鹽類物質(zhì)。硅酸離子與微量鐵離子在冷卻劑中呈離子形態(tài)，也不會(huì)形成硅酸鹽；一回路中SiO2濃度為373 μg/L，機(jī)組運(yùn)行初期最高為842 μg/L，遠(yuǎn)未達(dá)到SiO2的析出點(diǎn)，因此在機(jī)組運(yùn)行過程一回路設(shè)備表面不會(huì)形成SiO2結(jié)晶；在高溫水中硼酸與水完全互溶，也不存在硼酸析出形成晶體的可能；一回路中其他離子（氯離子、硫酸根離子、鐵離子）及TOC（Total Organic Carbon，總有機(jī)碳）均含量極低，硼酸—總堿金屬濃度控制合理，未發(fā)生過控制指標(biāo)偏離的情況，不存在析出形成雜質(zhì)的可能。因此，大修期間和正常運(yùn)行期間，可以排除一回路化學(xué)離子結(jié)合形成不溶性雜質(zhì)的可能。

（4）外部不溶性雜質(zhì)隨設(shè)備檢修被帶入一回路。大修期間，大量一回路設(shè)備處于開口檢修狀態(tài)，外部不溶性雜質(zhì)可能會(huì)隨著設(shè)備檢修過程被帶入一回路。壓力容器開口檢修階段，由于設(shè)備閘門雙開，存在外部雜質(zhì)隨空氣進(jìn)入一回路的可能。根據(jù)VVER機(jī)組設(shè)計(jì)，一回路冷卻劑凈化系統(tǒng)中沒有設(shè)置機(jī)械過濾器，而是通過樹脂床進(jìn)行過濾，經(jīng)估算有效過濾孔徑約100 μm。因此，一些細(xì)小雜質(zhì)有較大可能被一回路冷卻劑帶入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件并進(jìn)入棘爪，造成棘爪動(dòng)作過程的短時(shí)失效。因此，存在外部不溶性雜質(zhì)隨設(shè)備檢修和一回路開口進(jìn)入的可能。

2 結(jié)論

通過對(duì)田灣核電站1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組控制棒意外下落事件的檢查和分析，導(dǎo)致控制棒意外下落的原因主要有兩個(gè)：一是控制棒供電系統(tǒng)模件故障（包括偶發(fā)故障）；二是設(shè)備檢修和一回路開口期間，外部不溶性雜質(zhì)隨著一回路冷卻劑被帶入移動(dòng)組件內(nèi)部，可能會(huì)造成控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)棘爪短時(shí)動(dòng)作異常。