安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)研究

彭朝暉，范月容，張金山，郭志家，衣大勇，馮嘉敏，趙守智

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

空間核反應(yīng)堆具有環(huán)境適應(yīng)性廣、功率覆蓋范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊及大功率下質(zhì)量功率比小等優(yōu)點(diǎn)，在航天任務(wù)中有著廣闊的應(yīng)用前景，其安全性同樣備受關(guān)注[1-4]。根據(jù)核領(lǐng)域安全管理要求，對(duì)安全重要系統(tǒng)和部件等在施工設(shè)計(jì)之前應(yīng)經(jīng)過充分的設(shè)計(jì)驗(yàn)證[5]。安全棒系統(tǒng)是空間核反應(yīng)堆上的動(dòng)設(shè)備，也是關(guān)系到空間核反應(yīng)堆安全的重要設(shè)備之一。目前，對(duì)于空間核反應(yīng)堆安全棒系統(tǒng)的公開資料很少，國內(nèi)對(duì)空間核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)也存在不足。針對(duì)俄羅斯TOPAZ-Ⅱ空間堆及類似的小型堆安全棒系統(tǒng)開展了研究，安全棒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，理論分析無法完整及有效地模擬反應(yīng)堆的所有工況狀態(tài)。因此，有必要通過全尺寸試驗(yàn)樣機(jī)試驗(yàn)的方法來檢驗(yàn)安全棒系統(tǒng)的運(yùn)行性能，驗(yàn)證設(shè)備的設(shè)計(jì)是否滿足功能要求。本文對(duì)安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)研究。

1 安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)

空間核反應(yīng)堆工作環(huán)境特殊，與地面上的核反應(yīng)堆存在區(qū)別。地面核反應(yīng)堆控制棒、安全棒的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，都要考慮重力的作用。對(duì)于空間核反應(yīng)堆，地球的引力作用很小，其外環(huán)境為真空環(huán)境，內(nèi)環(huán)境充入一定壓力的混合惰性氣體[6]。

空間核反應(yīng)堆安全棒系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、分配機(jī)構(gòu)(含安全棒組件)、卡鎖機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸等組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊且工作溫度高等特點(diǎn)[6-8]。正常工況下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)離合器的吸合傳遞至傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸通過分配機(jī)構(gòu)的齒輪齒條嚙合帶動(dòng)安全棒組件向下移動(dòng)，安全棒組件的定位滑塊與導(dǎo)向管內(nèi)壁接觸滑動(dòng)，傳動(dòng)軸兩端采用花鍵連接。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)，齒輪與齒條桿嚙合，齒條桿移動(dòng)帶動(dòng)彈簧被壓縮，安全棒組件到達(dá)指定位置后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的卡鎖鎖住齒條桿的位置，隨后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)電磁離合器斷電。正常停堆或事故工況下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)卡鎖斷電解鎖，在彈簧力的作用下，齒條桿快速釋放，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸快速反轉(zhuǎn)，安全棒組件快速插入堆芯，實(shí)現(xiàn)緊急停堆。安全棒組件插入堆芯后，卡鎖機(jī)構(gòu)鎖住安全棒組件端部。

圖1 安全棒系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of safety rod system

安全棒系統(tǒng)與堆芯裝置聯(lián)系緊密，接口較多，本文安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)了模擬支撐裝置，模擬支撐裝置與安全棒系統(tǒng)的連接形式與實(shí)際連接相同(包括外部圓柱形筒體)[9]，板1、2、3、4、6分別與安全棒系統(tǒng)采用焊接的方式連接，板5中間開有一大圓形孔，安全棒系統(tǒng)與板5無直接連接。模擬支撐裝置與安全棒系統(tǒng)的接口關(guān)系如圖2所示。

圖2 模擬支撐裝置與安全棒系統(tǒng)的接口關(guān)系Fig.2 Interface relationship between analog support device and safety rod system

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)性能試驗(yàn)采用在有地面重力作用、系統(tǒng)內(nèi)外部與大氣接觸的有氧環(huán)境中進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)樣機(jī)、溫控系統(tǒng)、綜合測試平臺(tái)及其他測量設(shè)備組成，裝置組成和工作關(guān)系如圖3所示。冷態(tài)性能試驗(yàn)時(shí)無需使用溫控系統(tǒng)。熱態(tài)性能試驗(yàn)時(shí)，按照溫度場分布要求及測溫要求，在試驗(yàn)樣機(jī)及模擬支撐裝置上纏繞加熱絲和保溫棉，關(guān)鍵部位設(shè)置熱電偶，熱電偶與試驗(yàn)樣機(jī)表面緊密貼合，保證測溫的準(zhǔn)確性。加熱絲分為若干組，按照溫區(qū)分別纏繞加熱絲，不同溫區(qū)之間保留約100 mm間隔用于安裝隔熱保溫層。試驗(yàn)樣機(jī)及模擬支撐裝置外表面采用保溫層完全包裹。安全棒系統(tǒng)工作溫度場分布要求列于表1。溫控系統(tǒng)中，熱電偶溫度與加熱絲加熱實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，控制升溫速率為50 ℃/h，溫控精度為±5 ℃，設(shè)置的目標(biāo)溫度高于試驗(yàn)要求的溫度5 ℃，保證熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)樣機(jī)溫度不低于試驗(yàn)要求的溫度。達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，保溫4 h，開始進(jìn)行熱態(tài)性能試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)裝置組成和工作關(guān)系Fig.3 Composition and working relationship of test facility

表1 溫度場分布
Table 1 Distribution of temperature field

部件溫度/℃驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)180分配機(jī)構(gòu)400安全棒組件、卡鎖機(jī)構(gòu)610傳動(dòng)軸270

設(shè)計(jì)綜合測試平臺(tái)，對(duì)安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制及測量，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)角度、運(yùn)轉(zhuǎn)速度，測量運(yùn)行時(shí)間等。綜合測試平臺(tái)通過測量驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的角位移傳感器的角度來計(jì)算快速落棒的時(shí)間。試驗(yàn)樣機(jī)套管端部敞口，激光測距儀固定在模擬支撐裝置板6上，激光測距儀能實(shí)時(shí)測量安全棒組件的相對(duì)位置，如圖2所示。

3 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)性能試驗(yàn)按先冷態(tài)性能試驗(yàn)再熱態(tài)性能試驗(yàn)的順序進(jìn)行。由于電氣絕緣材料在有氧環(huán)境會(huì)產(chǎn)生熱氧裂解[10]，而奧氏體不銹鋼在有氧環(huán)境對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響不大，因此有氧環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果更保守。在保證試驗(yàn)結(jié)果有效性的前提下，冷態(tài)性能試驗(yàn)在大氣常溫環(huán)境下進(jìn)行，熱態(tài)性能試驗(yàn)在安全棒系統(tǒng)溫度場達(dá)到設(shè)計(jì)要求并保溫一定時(shí)間后進(jìn)行。為避免前期性能試驗(yàn)對(duì)樣機(jī)造成不可逆損傷，保證樣機(jī)后續(xù)試驗(yàn)的繼續(xù)開展，根據(jù)壽期內(nèi)安全棒系統(tǒng)可能的運(yùn)動(dòng)次數(shù)及冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)驗(yàn)證的目標(biāo)，確定安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行50次全行程冷態(tài)性能試驗(yàn)，100次全行程熱態(tài)性能試驗(yàn)?？臻g核反應(yīng)堆安全棒系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性與壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不同，試驗(yàn)內(nèi)容也不盡相同[11-12]，壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中需多次、多步頻繁動(dòng)作提升到指定位置，而空間核反應(yīng)堆安全棒系統(tǒng)需一次運(yùn)動(dòng)到指定位置。安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)試驗(yàn)過程中需驗(yàn)證的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)指標(biāo)列于表2。

表2 設(shè)計(jì)及試驗(yàn)指標(biāo)Table 2 Design and test indicator

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

安全棒組件在運(yùn)動(dòng)過程中受自身重力、齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)力、導(dǎo)管的滑動(dòng)摩擦阻力及導(dǎo)管彎曲變形產(chǎn)生的阻力等作用，在安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)中，未發(fā)生運(yùn)行不到位、意外掉棒及卡棒等現(xiàn)象，運(yùn)行正常。

1) 快速復(fù)位時(shí)間

安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)冷態(tài)性能試驗(yàn)進(jìn)行50次全行程動(dòng)作，熱態(tài)性能試驗(yàn)進(jìn)行100次全行程動(dòng)作，綜合測試平臺(tái)通過角位移傳感器測得安全棒組件快速復(fù)位時(shí)間如圖4所示。

圖4 冷態(tài)(a)和熱態(tài)(b)性能試驗(yàn)的快速復(fù)位時(shí)間Fig.4 Quick reset time at cold state (a) and hot state (b) performance tests

圖4表明，環(huán)境冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)全行程動(dòng)作的快速復(fù)位時(shí)間雖有波動(dòng)，但機(jī)械落棒時(shí)間均在≤1 s范圍內(nèi)，均滿足設(shè)計(jì)要求；高溫條件對(duì)安全棒組件的快速復(fù)位有影響，高溫試驗(yàn)比常溫試驗(yàn)的快速復(fù)位時(shí)間總體上要長。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的彈簧在熱態(tài)條件下，彈簧本身的剛度和性能均有一定程度的下降，因此彈簧復(fù)位能力變差。模擬支撐裝置和安全棒系統(tǒng)在高溫條件下會(huì)有一定形變，且高溫下不銹鋼材料的相對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)變化較大[13]，導(dǎo)致復(fù)位阻力增大，復(fù)位時(shí)間增加。

2) 安全棒組件高位保持

在冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖住安全棒組件位置并高位保持時(shí)，激光測距儀測得安全棒組件位移如圖5所示。

圖5表明，冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)時(shí)，安全棒組件鎖止在高位的位移偏差均在±5 mm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。安全棒組件的高位位置由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的卡鎖鎖住齒條桿保持，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配調(diào)試后，鎖住齒條桿位置不變，但由于齒條桿到安全棒組件間有多級(jí)齒輪嚙合傳動(dòng)，隨試驗(yàn)次數(shù)的增加，傳動(dòng)部件間的磨損會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)鏈的空隙增大[14]，在重力作用下，安全棒組件鎖止時(shí)的高位位移也隨空隙的增大而增大。

圖5 冷態(tài)(a)和熱態(tài)(b)性能試驗(yàn)安全棒組件的位移Fig.5 Displacement of safety rod assembly at cold state (a) and hot state (b) performance tests

3) 安全棒組件復(fù)位

冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)中，快速復(fù)位后激光測距儀測得安全棒組件位置相對(duì)初始零位的偏差如圖6所示。

圖6表明：冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)時(shí)，快速復(fù)位后安全棒組件位置均能回復(fù)到相對(duì)初始零位±5 mm范圍內(nèi)，端部卡鎖機(jī)構(gòu)能牢牢鎖住安全棒組件，防止安全棒組件非預(yù)期移出堆芯，滿足設(shè)計(jì)要求；在同樣的環(huán)境溫度下，隨全行程動(dòng)作次數(shù)的增加，安全棒組件快速復(fù)位回到相對(duì)初始零位的能力下降。這也是由于隨試驗(yàn)次數(shù)的增加，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈簧性能下降，在初始狀態(tài)的彈簧力變小所致。

3.3 誤差分析

所選激光測距儀的測量精度為±1 mm，在測量安全棒組件位移時(shí)存在偏差。在地面重力作用下，安全棒組件的自重產(chǎn)生快速復(fù)位的阻力矩，故地面試驗(yàn)快速復(fù)位時(shí)間比太空無重力作用時(shí)要長；而快速復(fù)位時(shí)的彈簧產(chǎn)生的力矩遠(yuǎn)大于安全棒組件自重產(chǎn)生的阻力矩，因此，自重產(chǎn)生的阻力矩對(duì)落棒時(shí)間的影響較小。運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果表明，有重力作用時(shí)快速復(fù)位時(shí)間比無重力時(shí)長50 ms左右。

圖6 冷態(tài)(a)和熱態(tài)(b)性能試驗(yàn)快速復(fù)位后安全棒組件位置的偏差Fig.6 Quick reset position deviation of safety rod assembly at cold state (a) and hot state (b) tests

4 結(jié)論

冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)中安全棒系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)均運(yùn)行正常，快速復(fù)位時(shí)間、安全棒組件高位位移和快速復(fù)位后安全棒組件位置均在系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)后，系統(tǒng)完全能繼續(xù)正常運(yùn)行，壓力邊界完好。試驗(yàn)樣機(jī)冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)為后續(xù)抗震試驗(yàn)提供了有力條件，也為后續(xù)系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)裝置的改進(jìn)提供有力的參考依據(jù)。