中國先進(jìn)研究堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)反向性能研究

朱學(xué)微，甄建霄，王玉林，焦迪楠

（中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

中國先進(jìn)研究堆（CARR）采用電磁線圈磁力式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)線圈與控制棒驅(qū)動(dòng)線采用非剛性連接，使控制棒在事故工況下依靠重力非能動(dòng)下插至堆芯底部，具有較高安全性［1］。在CARR 調(diào)試試驗(yàn)的A 階段和B階段發(fā)現(xiàn)，當(dāng)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生反向時(shí)，控制棒與驅(qū)動(dòng)線圈的運(yùn)動(dòng)存在不同步現(xiàn)象，即在驅(qū)動(dòng)線圈發(fā)生反向動(dòng)作一段時(shí)間后控制棒才跟隨驅(qū)動(dòng)線圈動(dòng)作，該現(xiàn)象直接影響棒控系統(tǒng)的功率自動(dòng)調(diào)節(jié)性能。為改善功率自動(dòng)調(diào)節(jié)性能，保證CARR 運(yùn)行安全，進(jìn)行控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)反向性能研究非常必要。

1 CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

CARR 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。步進(jìn)電機(jī)和電磁線圈作為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件，銜鐵組件作為從動(dòng)部件，兩部分由電磁線圈通電產(chǎn)生的電磁力連接，中間被密封筒隔離，同時(shí)密封筒作為主冷卻劑壓力邊界。控制棒及跟隨體組件通過連桿組件與銜鐵組件剛性連接，主冷卻劑系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)銜鐵組件中間有冷卻劑流過，控制棒驅(qū)動(dòng)線受到向下的冷卻劑動(dòng)壓。驅(qū)動(dòng)線圈在密封筒外與滾珠絲桿剛性連接，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)線圈完成上下移動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈通電后產(chǎn)生電磁力，吸引密封筒里的銜鐵組件，使驅(qū)動(dòng)線圈和銜鐵組件同步運(yùn)動(dòng)從而完成控制棒的升降，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟動(dòng)、控制反應(yīng)堆的功率水平。驅(qū)動(dòng)線圈斷電后，電磁力消失，密封筒內(nèi)的驅(qū)動(dòng)線在重力作用下自由下落，保證反應(yīng)堆快速安全停堆［2］。

圖1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of control rod drive mechanism

2 動(dòng)態(tài)反向性能測試試驗(yàn)

CARR 具有4組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，4 組結(jié)構(gòu)功能完全一致，每組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間相互獨(dú)立，不存在干擾問題；測試試驗(yàn)在不開堆情況下進(jìn)行，主冷卻劑系統(tǒng)投入，控制棒驅(qū)動(dòng)線加載了主冷卻水動(dòng)壓，用以測試驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)條件下的反向特性；除對進(jìn)行測試的控制棒驅(qū)動(dòng)線圈供電外，其余線圈一律斷電以防止操縱員誤操作；為保證臨界安全，重水箱重水排至堆芯標(biāo)高以下，兩根安全棒提升至上部終端位置，投入保護(hù)系統(tǒng)、ATWS緩解系統(tǒng)、核測量系統(tǒng)，同時(shí)只能提升1 根控制棒，且要求棒位不超過350mm；通過在DCS服務(wù)器實(shí)時(shí)采集線圈位置、位移傳感器位置以及棒位等數(shù)據(jù)。

2.1 試驗(yàn)方法

由靜態(tài)測試試驗(yàn)可知，通電電流3.5A 和5A 情況下，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向特性差別不大［3］，因此在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中主要考慮今后正常工作時(shí)通電電流為5 A 的工作狀態(tài)，在棒速為1mm／s和4mm／s兩種棒速下，提單根棒位至250mm，然后持續(xù)提升20mm 以上，進(jìn)行反向操作，下插20 mm 以上，進(jìn)行反向操作，提升20mm 以上，重復(fù)2 次，觀察線圈運(yùn)動(dòng)情況與棒位變化。通過在DCS服務(wù)器實(shí)時(shí)采集線圈位置、位移傳感器位置以及棒位等數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在棒速為1mm／s和4mm／s的工作條件下控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)反向特性參數(shù)列于表1，1?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)條件下棒速為1mm／s和4mm／s的反向特性曲線如圖2所示。在控制棒棒速為1mm／s、4根補(bǔ)償棒在線圈運(yùn)動(dòng)發(fā)生反向時(shí)，控制棒相對于驅(qū)動(dòng)線圈的位移約為4mm。

表1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)反向特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experiment data of dynamic inversion performance of CRDM

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)工作條件下，反向特性具有雙向?qū)ΨQ性和重復(fù)性。直線位移傳感器讀數(shù)變化反映控制棒運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈與銜鐵組件間的位移差變化；在驅(qū)動(dòng)線圈發(fā)生反向時(shí)，直線位移傳感器讀數(shù)發(fā)生變化，說明此時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈與銜鐵組件間的相對位置發(fā)生變化，即驅(qū)動(dòng)線圈在運(yùn)動(dòng)而銜鐵組件保持不動(dòng)；該曲線基本反映了該測試條件下控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的反向性能。驅(qū)動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng)曲線反映驅(qū)動(dòng)線圈的運(yùn)動(dòng)方向和位置。棒位讀數(shù)反映控制棒在運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向和位置。

在控制棒發(fā)生反向時(shí)，直線位移傳感器讀數(shù)發(fā)生變化，該讀數(shù)變化為控制棒和驅(qū)動(dòng)線圈相對位置變化，稱之為反向間隙。動(dòng)態(tài)反向特性測試試驗(yàn)結(jié)果表明，4 組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)條件下反向性能具有一致性。動(dòng)態(tài)工況控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向特性明顯優(yōu)于靜態(tài)工況，動(dòng)態(tài)時(shí)反向間隙約為4mm，靜態(tài)時(shí)反向間隙約為8mm，這與電磁線圈磁力驅(qū)動(dòng)的性質(zhì)有關(guān)。在連續(xù)提升或下插控制棒過程中，驅(qū)動(dòng)線圈與控制棒跟隨性能較好，位移傳感器讀數(shù)保持穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)基本同步。當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈發(fā)生反向時(shí)，控制棒也隨動(dòng)0.5～1mm，之后在間隔時(shí)間（t1）后控制棒才與驅(qū)動(dòng)線圈隨動(dòng)；當(dāng)棒速為1mm／s時(shí)，間隔時(shí)間t1在驅(qū)動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng)發(fā)生反向時(shí)很明顯。當(dāng)棒速提高至4mm／s時(shí)，時(shí)間間隔t1依然存在，只是運(yùn)動(dòng)速度有差別，此現(xiàn)象具有一定重復(fù)性。在控制棒連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中，直線位移傳感器讀數(shù)D1基本不變，當(dāng)發(fā)生反向后，直線位移傳感器讀數(shù)變?yōu)镈2，D2-D1反映了在控制棒跟隨驅(qū)動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng)前驅(qū)動(dòng)線圈必須走完的距離，不論驅(qū)動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng)由上變下或由下變上，｜D2-D1｜基本一致，即由下向上和由上向下反向時(shí)，反向間隙基本一致。

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，4組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向特性表現(xiàn)橫向?qū)Ρ然疽恢?。?jīng)測試，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)反向特性與棒位、棒速等因素關(guān)系不大，其中棒速對反向特性影響稍大于其他因素，因此，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向特性是其固有特性，其他外在因素對其影響較小，若改善控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向特性，需從其磁路及結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 1?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)下棒速為1mm／s和4mm／s反向特性曲線Fig.2 Inversion performance curve of 1＃CRDM at 1mm／s and 4mm／s speed

3 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)反向特性研究

3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)銜鐵組件受力分析

對CARR 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主磁路使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell［4-6］進(jìn)行分析，改變銜鐵組件相對驅(qū)動(dòng)線圈不同位置，磁路中的電磁力分布如圖3所示，在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際工作中，銜鐵組件相對驅(qū)動(dòng)線圈的位置分布在零點(diǎn)右側(cè)區(qū)域。在銜鐵組件工作時(shí)所受電磁力是隨驅(qū)動(dòng)線圈與銜鐵組件相對位置變化而改變的，具體表現(xiàn)為相對位置增大時(shí)電磁力減小，相對位置減小時(shí)電磁力增大。

圖3 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁力分布Fig.3 Distribution of control rod drive mechanism electromagnetic force

驅(qū)動(dòng)線在工作時(shí)受到重力mg、冷卻劑動(dòng)壓N、電磁力F 及摩擦力f，其中銜鐵組件處于靜態(tài)時(shí)受到靜摩擦力f靜，銜鐵組件運(yùn)動(dòng)中受到動(dòng)摩擦力f動(dòng)，重力和冷卻劑動(dòng)壓始終垂直向下，分析時(shí)將二者合并視為mg。銜鐵組件在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是幾種力共同作用的結(jié)果。驅(qū)動(dòng)線圈開始通電時(shí)產(chǎn)生電磁力，將銜鐵組件保持于某一高度，此時(shí)銜鐵組件處于力平衡狀態(tài)，銜鐵組件受到的電磁力F＝mg＋f靜。當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向時(shí)由于銜鐵組件與驅(qū)動(dòng)線圈屬于磁力連接，二者之間的相對位置會(huì)發(fā)生變化，從而使電磁力發(fā)生變化，具體過程如下。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由上向下反向時(shí)受力分析如圖4所示。向上過程中銜鐵組件受到向下的動(dòng)摩擦力f動(dòng)，電磁力F≥mg＋f動(dòng)，在t1時(shí)刻發(fā)生反向，此時(shí)銜鐵組件相對于驅(qū)動(dòng)線圈的位置為d1，f動(dòng)改變方向變?yōu)橄蛏?，?qū)動(dòng)線圈向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)mg＜F＋f動(dòng)，銜鐵組件保持不動(dòng)，動(dòng)摩擦力變?yōu)殪o摩擦力f′靜，銜鐵組件相對驅(qū)動(dòng)線圈位置沿圖3 中橫坐標(biāo)正方向增大，電磁力F 沿圖3中零點(diǎn)右側(cè)曲線減小，當(dāng)t2時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)線圈相對銜鐵組件位置變?yōu)閐2，此時(shí)，電磁力F 減小為F′，mg≥F′＋f′靜，銜鐵組件開始隨驅(qū)動(dòng)線圈向下運(yùn)動(dòng)，在T1＝t2-t1內(nèi)，驅(qū)動(dòng)線圈相對銜鐵組件位移D1＝｜d2-d1｜，D1即為由上向下反向的反向間隙。

3.2 動(dòng)態(tài)反向特性優(yōu)于靜態(tài)原因分析

通過反向特性測試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)線上加載了冷卻劑動(dòng)壓，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載增加，反向性能在動(dòng)態(tài)時(shí)反而優(yōu)于靜態(tài)。對于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)剛度實(shí)質(zhì)是一種磁力剛度k：

式中：μ 為比例修正系數(shù)；F2為反向動(dòng)作后銜鐵組件跟隨驅(qū)動(dòng)線圈同步運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)電磁力；F1為反向動(dòng)作前系統(tǒng)電磁力；d2為反向運(yùn)動(dòng)后銜鐵組件相對驅(qū)動(dòng)線圈位置；d1為反向運(yùn)動(dòng)前銜鐵組件相對驅(qū)動(dòng)線圈位置；D＝｜d2-d1｜為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向過程中空程，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過程中，驅(qū)動(dòng)線向上運(yùn)動(dòng)和向下運(yùn)動(dòng)所行走的環(huán)境是一致的，可認(rèn)為向上和向下的動(dòng)摩擦力大小相等、方向相反，于是有：

圖4 反向時(shí)受力分析Fig.4 Force analysis during CRDM inversion

另一方面，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)線負(fù)載相對靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)增加了主冷卻劑的動(dòng)壓，此動(dòng)壓使得驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)受力平衡時(shí)銜鐵組件和驅(qū)動(dòng)線圈相對位置差減小。根據(jù)圖3中電磁力分布曲線可知，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作區(qū)間向電磁力更大的部分偏移，如圖5 所示，在反向時(shí)電磁力變化幅度變大。因此，在反向時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈和銜鐵組件發(fā)生相對位移，電磁力變化較靜態(tài)時(shí)更加迅速，更快適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部力的變化，使系統(tǒng)剛度增加，減小了反向空程，使動(dòng)態(tài)反向特性測試試驗(yàn)中反向特性優(yōu)于靜態(tài)反向試驗(yàn)。

圖5 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作區(qū)間示意圖Fig.5 Schematic diagram of CRDM static and dynamic working region

4 結(jié)論

在主冷卻劑系統(tǒng)啟動(dòng)情況下進(jìn)行的動(dòng)態(tài)反向性能試驗(yàn)與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行狀態(tài)一致。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)反向性能為其固有特性，棒位、棒速等因素對動(dòng)態(tài)條件下反向性能影響有限。CARR 4組磁懸浮式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向性能基本一致，說明在動(dòng)態(tài)條件下驅(qū)動(dòng)線圈與銜鐵組件運(yùn)動(dòng)不同步是這種控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的共性。由下向上反向和由上向下反向性能具有對稱性和重復(fù)性。動(dòng)態(tài)時(shí)反向性能優(yōu)于靜態(tài)，動(dòng)態(tài)反向間隙約為4mm。

CARR 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的反向特性由其獨(dú)特結(jié)構(gòu)決定，由于驅(qū)動(dòng)線圈和銜鐵組件之間由密封筒隔離，屬非剛性連接，這一連接方式有利于停堆安全，但也決定了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的反向特性，系統(tǒng)電磁力與銜鐵組件相對驅(qū)動(dòng)線圈位置變化密切相關(guān)，反向過程中驅(qū)動(dòng)線上摩擦力的變化起到關(guān)鍵作用。在反向時(shí)，摩擦力的變化使銜鐵組件相對驅(qū)動(dòng)線圈位置發(fā)生變化，從而改變電磁力的大小，使控制棒不能隨驅(qū)動(dòng)線圈同步完成反向，形成反向間隙。若反向間隙過大，對反應(yīng)堆功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能是一個(gè)不利因素，會(huì)造成功率自動(dòng)調(diào)節(jié)滯后，在功率自動(dòng)調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生震蕩積累，引發(fā)系統(tǒng)超調(diào)現(xiàn)象，甚至造成超功率意外停堆事件。通過對動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，減小驅(qū)動(dòng)線摩擦力、增大電磁力工作區(qū)間曲線變化斜率，使電磁力變化迅速改變以適應(yīng)反向，可增加系統(tǒng)剛度，改善磁懸浮式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向特性。但該類型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)決定其反向特性只能改善，無法根本消除。

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