核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈溫度場(chǎng)分析*

丁宗華，劉 剛

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

1 前言

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆的重要?jiǎng)幼鞑考?，主要用于調(diào)節(jié)控制棒在反應(yīng)堆堆芯中的位置，從而調(diào)節(jié)反應(yīng)堆內(nèi)的反應(yīng)性。因此，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否正常工作直接影響反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性。為確?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作性能安全可靠，在運(yùn)行期間各種運(yùn)行參數(shù)必須在設(shè)計(jì)所允許的范圍內(nèi)，其中包括:在運(yùn)行期間工作線圈的工作溫度需在其設(shè)計(jì)允許的平均溫度220℃內(nèi)。為此，提出了《控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈溫度場(chǎng)分析》這一課題，旨在研究分析磁軛線圈部件的溫度場(chǎng)及提高其安全可靠性的措施。

2 有限元模型

我院設(shè)計(jì)的30萬(wàn)千瓦核電廠采用磁力提升式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由控制棒驅(qū)動(dòng)桿部件、鉤爪部件、耐壓殼部件和磁軛線圈部件等組成，其中磁軛線圈可分為提升線圈、保持線圈、傳遞線圈三種?？刂瓢暨\(yùn)動(dòng)是通過(guò)這3個(gè)線圈按規(guī)定程序通、斷電完成的;在反應(yīng)堆緊急停堆時(shí)，只要切斷所有工作線圈電源，控制棒驅(qū)動(dòng)桿就會(huì)在重力作用下自由下落，使與之相連的控制棒組件迅速插入反應(yīng)堆堆芯，從而達(dá)到反應(yīng)堆緊急停堆。

為便于分析，筆者計(jì)算對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，根據(jù)結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱性，將原來(lái)的三維溫度場(chǎng)分析簡(jiǎn)化為二維溫度場(chǎng)分析，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化有限元模型如圖1所示。

圖1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化有限元模型

如圖1所示，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈部位主要部分由筒體狀耐壓殼體、殼體上導(dǎo)磁環(huán)、磁軛、工作線圈和澆注料等組成。如上所述，工作線圈的設(shè)計(jì)允許平均溫度為220℃，因此，工作線圈是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算的重點(diǎn)部位;為此，對(duì)耐壓殼體、導(dǎo)磁環(huán)、工作線圈及兩側(cè)部件進(jìn)行了細(xì)網(wǎng)格劃分和計(jì)算。

3 模型計(jì)算參數(shù)

為計(jì)算控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈溫度場(chǎng)，首先要確定控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈部位結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和所用材料的有關(guān)特性參數(shù)。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈部位結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如圖1所示，所用材料的特性參數(shù)(磁軛、導(dǎo)磁環(huán)及耐壓殼體的材料特性參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［1］，空氣的特性參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［2］)。有關(guān)工作線圈的特性參數(shù)，由于未做過(guò)有關(guān)工作線圈和澆注料材料性能測(cè)試，且文獻(xiàn)上也查不到相關(guān)數(shù)據(jù)，故得不到工作線圈和澆注料材料特性參數(shù)。經(jīng)過(guò)與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者協(xié)商，決定由設(shè)計(jì)者提供兩組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)，推算工作線圈和澆注料材料在試驗(yàn)條件下的平均導(dǎo)熱系數(shù)。

筆者計(jì)算所涉的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)是在我院C1(恰希瑪核電廠一期)－控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架上完成的，試驗(yàn)臺(tái)架采用1∶1控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。根據(jù)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者所提供的兩組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［3］，推算出工作線圈在試驗(yàn)條件下的平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.823［W/(m·℃］)，澆注料的平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.195［W/(m·℃)］，以下計(jì)算基于上述系數(shù)進(jìn)行分析。

4 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行，是指控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈(指:提升線圈、保持線圈和傳遞線圈)按照設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行通電程序(包括提升程序和下降程序通電)［3］，使控制棒驅(qū)動(dòng)桿帶負(fù)荷上、下運(yùn)動(dòng)?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)其耐壓殼體內(nèi)是280℃A級(jí)水，磁軛外是17℃強(qiáng)迫冷卻通風(fēng)空氣。

根據(jù)圖1分析控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可知，因工作線圈與磁軛之間存在空氣間隙(空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，相當(dāng)于絕熱層)會(huì)降低工作線圈內(nèi)產(chǎn)生的熱源向外的傳熱效果。C1－控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到通過(guò)控制工作線圈和磁軛的制造工藝來(lái)使得控制棒驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行時(shí)，工作線圈外側(cè)與磁軛貼合，以消除此處空氣間隙達(dá)到提高傳熱效果。

根據(jù)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有限元溫度場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果圖2～4。表1為工作線圈仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

C1－控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出廠試驗(yàn)是在熱態(tài)持續(xù)運(yùn)行條件下進(jìn)行的，它比核電廠實(shí)際運(yùn)行狀況更加嚴(yán)峻(實(shí)際運(yùn)行中不可能出現(xiàn)這種狀況)。由表1結(jié)果對(duì)比可知，工作線圈仿真的平均溫度與試驗(yàn)的平均溫度基本吻合。

圖2 傳遞線圈溫度場(chǎng)

圖3 保持線圈溫度場(chǎng)

圖4 提升線圈溫度場(chǎng)

表1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比/℃

5 提高澆注料平均導(dǎo)熱系數(shù)

由仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果知，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳遞線圈和保持線圈的平均溫度都比較高，如果能降低傳遞線圈和保持線圈的平均溫度，將大大提高它們的安全可靠性。經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)得知，在已確定的C1－控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下，當(dāng)強(qiáng)迫冷卻通風(fēng)風(fēng)速超過(guò)本試驗(yàn)風(fēng)速值，強(qiáng)迫冷卻通風(fēng)的風(fēng)速對(duì)工作線圈的溫度沒(méi)有特別明顯的改善。根據(jù)傳熱學(xué)理論，提高導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)可提高其導(dǎo)熱性能。其中一個(gè)重要性能要求就是盡可能地提高澆注料的平均導(dǎo)熱系數(shù)。新研制出澆注料的平均導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖5～7所示。表2是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈在提高澆注料平均導(dǎo)熱系數(shù)后的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

圖5 傳遞線圈溫度場(chǎng)

圖6 保持線圈溫度場(chǎng)

圖7 提升線圈溫度場(chǎng)

由表2可知，當(dāng)澆注料的平均導(dǎo)熱系數(shù)從0.195［W/(m·℃)］提到0.758［W/(m·℃)］時(shí)，工作線圈的平均溫度明顯下降，其傳熱性能得到明顯改善，平均溫度低于200℃，大大提高工作線圈的安全可靠性。

表2 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比/℃

6 結(jié)論

(1)在已確定的C1－控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下，提高風(fēng)速對(duì)工作線圈的溫度并無(wú)明顯改善，當(dāng)提高澆注料的平均導(dǎo)熱系數(shù)，可很好地降低工作線圈的溫度。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)澆注料的平均導(dǎo)熱系數(shù)從 0.195［W/(m·℃)］提高到 0.758［W/(m·℃)］時(shí)，傳遞線圈和保持線圈的平均溫度可以降低到200℃以下，從而提高了它們的安全可靠性。

(2)此計(jì)算模型可做為:①預(yù)測(cè)應(yīng)用所研制高導(dǎo)熱系數(shù)澆注料后的工作線圈運(yùn)行溫度;②改用上鉤爪作長(zhǎng)期保持的運(yùn)行模式下的磁軛線圈溫度場(chǎng)的仿真;③磁軛線圈部件結(jié)構(gòu)和尺寸改進(jìn)后工作線圈運(yùn)行溫度的改善效果計(jì)算。

(3)此計(jì)算模型可運(yùn)用于其他型號(hào)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈溫度場(chǎng)分析及后續(xù)相關(guān)計(jì)算，并為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有關(guān)結(jié)構(gòu)和通電程序的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］萬(wàn)嘉禮.機(jī)電工程金屬材料手冊(cè)［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

［2］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1998.