中国先进研究堆安全棒驱动机构改进设计

朱学微，罗 忠，甄建霄，王玉林

(中国原子能科学研究院 反应堆工程研究设计所，北京 102413)

安全棒驱动机构是反应堆可靠运行和安全停堆的关键设备。中国先进研究堆(CARR)共设置了2根安全棒，其功能是用于快速落棒安全停闭反应堆[1]。CARR采用动水压式安全棒驱动机构，在调试阶段发现水压不稳或电磁阀故障引起安全棒工作不稳定，脱离上部终端，针对上述问题本文提出安全棒驱动机构驱动方式的改进方法。

1 CARR安全棒驱动机构介绍

CARR共有2根安全棒，设置在重水箱内，是反应堆事故停堆的安全保障。安全棒驱动机构设置在导流箱上，穿过重水箱自上而下驱动处于重水箱内的安全棒[2]。CARR安全棒驱动机构采用水力驱动方式，其回路结构如图1所示，是以流体动压原理设计的水力缸为驱动部件的安全棒驱动系统。水力驱动缸由缸体和活塞组成，安全棒和运动组件与活塞刚性连接。该水力驱动缸由其控制单元控制，控制单元由电磁阀和若干阻力节组成。来自重水箱中的重水经泵加压后通过控制单元进入水力驱动缸。当电磁阀打开时，由进水口进入缸内的高压水推动活塞向上移动直至活塞到达缸体顶部的出水孔以上，并依靠流体的动压保持在该位置上。当安全棒落棒时，打开电磁阀，或系统断电，电磁阀失效打开，同时驱动泵停止运行，缸内水流经电磁阀迅速返回至重水箱内，安全棒运动组件在自身重力的作用下，在1 s内落至底端，使反应堆停止。在缸体下端设置缓冲器，以缓冲安全棒落棒时产生的冲击载荷。安全棒行程的上、下端点设有电感位置指示器，用以指示安全棒是否到达上下终端位置[3]。

2 存在问题及原因分析

2.1 安全棒提升过程中落棒

在中国先进研究堆C阶段调试过程中，操纵员提升安全棒时，1号安全棒提起后意外落棒，经现场检查，安全棒动力电源进线电压、电流正常，驱动泵运转正常，但电磁阀线圈出现局部烧损，经测量该线圈表面温度较其他线圈表面温度高。由于电磁阀在安全棒驱动机构运行时一直保持通电状态，其电磁线圈发出热量随时间积累，导致电磁阀的电磁线圈老化，电磁阀失效，引发意外落棒。

2.2 安全棒脱离上部终端

在中国先进研究堆C阶段调试过程中，反应堆已提升核功率至56 MW稳定运行，各工艺系统运行正常。投入自动调节后，操纵员发现功率振幅变大，解除自动调节，检查发现1号安全棒上部终端指示灯时亮、时灭，操纵员按临时停堆按钮手动下插补偿棒下降功率直至停堆。停堆后，检查发现1号安全棒水力驱动回路泵出口和入口压差过小。调整安全棒水力驱动泵出口阀开度后，压力恢复到正常，驱动泵工作正常。随后检查安全棒提棒、落棒功能均正常。

分析认为，导致1号安全棒脱离上部终端的原因是驱动泵出口阀正常工作开度仅为1/20圈，长时间运行中因管路振动导致其开度发生变化，引起泵出口压力降低，驱动力不足，导致安全棒脱离上部终端。当安全棒脱离上部终端后，系统自动退出自动调节，从而引起了功率的波动。

图1 安全棒驱动机构回路结构示意图

2.3 解决方法

驱动泵和电磁阀在反应堆功率运行期间长期处于负荷工作状态，在安全棒水力驱动机构回路出现异常情况下，如过滤网堵塞、回路压力过低，就无法保持安全棒在上部终端位置，通过调节回路阀门增加流量，提高压力，进一步加大了驱动泵和电磁阀工作负荷，情况严重时导致电磁阀线圈烧损等意外情况发生。所以，要彻底消除这些问题，需考虑改变安全棒驱动机构的工作方式。

3 水力提升-水力磁力保持式安全棒驱动机构设计

3.1 设计方案

为保证CARR安全棒工作的可靠性与稳定性，将CARR安全棒驱动机构由现有的水力驱动式工作方式改为水力提升-水力磁力保持式工作方式，该工作方式在维持原有工作方式不变的情况下增加磁力保持手段，安全棒的保持动力由驱动泵提供的动水压力和磁力保持装置产生的磁力共同提供。两种保持动力中任意一种单独工作时提供的动力均可保证安全棒维持在顶部位置。其驱动机构如图2所示。图2中，在安全棒顶端加装衔铁组件，衔铁组件与安全棒刚性连接。在安全棒套筒外侧增设磁力保持装置。磁力保持装置基于磁阻最小原理设计，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合[4]。由铜质漆包线绕制成保持线圈，线圈骨架采用阻磁材料不锈钢，线圈盒采用导磁材料。通电后保持线圈产生的磁场将沿着线圈盒上导磁盖、线圈盒、下导磁盖、衔铁组件及套筒盒衔铁之间的主气隙形成闭合磁回路，磁力保持装置产生的电磁力将衔铁组件吸住，达到磁力保持的目的。提升安全棒的过程中使用较大流量，以提供足够的水力动压提升安全棒，当安全棒提升至顶部终端位置时，启动磁力保持装置，同时减小回路流量，水力驱动泵提供的动压可维持安全棒在顶部位置，以减小水力驱动泵和电磁阀的工作负荷。设置安全棒驱动泵出口压力和磁力保持装置电流电压读数两个测点，以监督两种装置的工作情况，当某个测点发生故障时，系统会发出报警信号，操纵员将有足够时间进行判断处理。水力驱动和磁力保持二者互为冗余，在任一装置动力发生故障时，另一装置可提供足够的维持动力保证安全棒位于上部终端，大幅降低了安全棒意外落棒的几率。磁力保持装置、电磁阀和安全棒驱动泵由同一电源进行供电，由断路器控制供电的通断，当需要下落安全棒时，如停堆、发生断电或意外事故时，断开断路器，磁力保持装置、电磁阀和驱动泵同时失电，断电后安全棒驱动泵停止，电磁阀失效打开，磁力保持装置磁力消失可对安全棒驱动线立即释放，使安全棒依靠重力作用快速下插，紧急落棒与原来一致，因此不会增加由磁力保持装置带来的卡棒风险，也不会增加不能紧急停堆的几率。套筒内，活塞以下的重水通过排水管排出套筒，空气通过顶部的排气口进入套筒，从而保证了正常落棒，在安全棒驱动机构底部设置有缓冲弹簧，安全棒组件不会直接接触缓冲弹簧，而是活塞落在缓冲弹簧上，不会对安全棒组件造成直接冲击。这样，降低了驱动泵和电磁阀长期工作负荷，保证了落棒有足够的缓冲，减少了意外落棒的几率。另外，磁力保持装置工作时产生的电磁力会将衔铁组件牢牢吸在顶部位置，消除在水力单独驱动情况下，活塞因压力波动发生的上下抖动、旋转情况，避免了长期工作可能出现的磨损缸体，引发卡棒等问题的发生。

图2 水力提升-水力磁力保持式安全棒驱动机构结构示意图

3.2 磁力保持装置电磁场分析

使用Ansoft Maxwell有限元分析软件[5-6]对水力提升-水力磁力保持式安全棒驱动机构的磁力保持装置的电磁场进行有限元分析，得到磁力保持装置磁路的电磁场分布和电磁力。Ansoft Maxwell有限元分析软件应用于该类型磁路的CARR控制棒驱动机构电磁场分析结果已通过控制棒驱动机构原理样机试验得到验证，证明其计算结果误差在合理范围内，适用于该类型磁路的电磁场分析。图3为磁力保持装置在Maxwell中的模型，由于该驱动机构为轴对称结构，因此对二维模型进行了简化，只对磁回路主要构成部分进行建模：衔铁组件、电磁线圈、气隙和线圈盒。衔铁组件材料为0Cr13，磁导率按B-H曲线动态变化，电磁线圈材料为铜，线圈盒材料为0Cr13，隔离套筒等不锈钢材料的磁导率与空气相近，因此将隔离套筒等其他不锈钢材料部分设置为气隙，气隙介质设置为空气[7]。由于主磁路材料的相对磁导率很大，故忽略主磁路外空气中的磁漏。图4为安全棒驱动机构有限元模型网格剖分图，将所求解区域分为28 596个网格单元。电磁线圈激励设置为8 000安匝，求取参数为衔铁组件所受的电磁力。

图3 磁力保持装置有限元模型

图5为Maxwell分析过程误差收敛曲线，经5次收敛最终将误差收敛为0.004 46%。图6为驱动机构磁力线分布。图7为驱动机构磁感应强度分布。求解衔铁组件受到的电磁力为1 532.2 N。通过改变模型参数可对设计进行优化。

图4 磁力保持装置有限元模型网格剖分图

图5 分析误差收敛

图6 磁力保持装置磁力线分布

图7 磁力保持装置磁感应强度分布

4 结论

1) 通过分析找出CARR安全棒在调试运行过程中运行不稳定的原因为：安全棒水力驱动式的工作方式长期运行存在安全隐患。

2) 设计使用Ansoft Maxwell电磁场有限元分析软件对水力提升-水力磁力保持式安全棒驱动机构磁力保持装置进行建模分析计算，得到该驱动机构电磁场分布及提升力的数值为1 532.2 N，安全棒驱动线总重为720 N，使用2组线圈可达到安全棒驱动线重量的2.12倍，具备一定裕度。

3) 新设计的水力提升-水力磁力保持式安全棒驱动机构工作方式，在保持原有安全棒驱动机构工作性能稳定性的前提下，安全棒顶部终端增设磁力保持装置，两套装置同时工作，互为冗余，一套装置失效后，另一套装置提供的动力可使安全棒保持顶端位置，操纵员根据报警提示有足够时间进行判断处理，降低了因安全棒意外落棒而触发保护系统停堆信号的几率，减少了驱动泵和电磁阀的工作负荷，降低了安全隐患，增加了安全棒工作的安全性和可靠性，同时不会增加无法紧急停堆的几率。

参考文献：

[1] 许汉铭. 中国先进研究堆(CARR)设计概述及其安全特性[J]. 清华大学学报:自然科学版,2000,40(S3)：37-41.

XU Hanming. Design overview and security feature of China Advanced Research Reactor (CARR)[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2000, 40(S3): 37-41(in Chinese).

[2] 吕征,肖施刚,郑伍钦,等. CARR控制棒价值及停堆深度测量[M]∥中国原子能科学研究院年报. 北京：中国原子能科学研究院，2010:40.

[3] 张继革，吴元强. 水力驱动安全棒的运动分析[J]. 清华大学学报：自然科学版,2002,42(10):1 331-1 334.

ZHANG Jige, WU Yuanqiang. Kinematic analysis of hydraulic safe rod drives[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2002, 42(10): 1 331-1 334(in Chinese).

[4] 俞集辉. 电磁场原理[M]. 重庆：重庆大学出版社，2003.

[5] 赵博，张洪亮. Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2010.

[6] 刘国志，赵凌志，蒋继娅. Ansoft 工程电磁场有限元分析[M]. 北京：电子工业出版社，2005.

[7] 万嘉礼. 机电工程金属材料手册[M]. 上海：上海科学技术出版社,1990:210-766.