可動線圈控制棒電磁驅(qū)動線驗證試驗

張之華，錢達志，鄧勇軍，薄涵亮，徐顯啟，吳莘馨，米向秒

可動線圈控制棒電磁驅(qū)動線是一種新型反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動線。國外，20世紀末在日本JRR－3M上首次成功使用；國內(nèi)，21世紀初由清華大學吳元強教授等研制成功。它通過電磁力驅(qū)動控制棒等部件在堆內(nèi)運動，實現(xiàn)反應(yīng)堆的開堆、停堆、功率調(diào)節(jié)。其設(shè)計原理與傳統(tǒng)的水力驅(qū)動型、磁阻馬達型、液壓驅(qū)動型驅(qū)動線相比有顯著不同，在全封閉的前提下，靠電磁力實現(xiàn)了控制棒的連續(xù)移動。

該控制棒驅(qū)動線的研制歷時多年，為驗證設(shè)計原理、突破關(guān)鍵技術(shù)，本工作進行原理樣機和工程樣機一系列的驗證試驗。

1 新型控制棒電磁驅(qū)動線基本結(jié)構(gòu)

該新型控制棒電磁驅(qū)動線由可動線圈電磁驅(qū)動機構(gòu)、檢修抓頭、連接桿、球閥、直管段、蓮蓬頭等組成（圖1），蓮蓬頭、跟隨燃料組件、控制棒組件順序相連。控制棒的位置指示包括連續(xù)棒位指示和上下極限位置指示。連續(xù)棒位指示由與步進電機軸剛性相連的旋轉(zhuǎn)編碼器給出；上下極限位置指示信號由安裝在銜鐵上下極限位置附近位于密封筒外部的磁接近開關(guān)發(fā)出。檢修抓頭和球閥主要為跟隨燃料組件換料操作和控制棒驅(qū)動線的檢修服務(wù)；蓮蓬頭實現(xiàn)控制棒驅(qū)動線與跟隨燃料組件的可拆卸連接。可動線圈電磁驅(qū)動機構(gòu)是整個控制棒電磁驅(qū)動線的核心。

圖1 控制棒驅(qū)動線示意圖Fig.1 Diagram of control rod drive line

可動線圈電磁驅(qū)動機構(gòu)的密封筒為冷卻劑邊界，密封筒內(nèi)為銜鐵和反應(yīng)堆的冷卻水，密封筒外為可動電磁線圈，密封筒與銜鐵和可動線圈不接觸，相互之間有一定的間隙。可動線圈通過螺母與步進電機拖動的滾珠絲杠相連。可動線圈通電時，電磁線圈與密封筒內(nèi)的銜鐵相互作用，產(chǎn)生電磁力，銜鐵及其拖動的運動部件將隨線圈一起運動或保持在給定的位置上。由步進電機通過滾珠絲杠、螺母帶動密封筒外的可動線圈運動，即可驅(qū)動密封筒內(nèi)的銜鐵及與其相連的控制棒組件等運動部件上下運動，實現(xiàn)對反應(yīng)堆的控制操作。當可動線圈斷電時，電磁力消失，包括控制棒、跟隨燃料組件、蓮蓬頭、連桿、銜鐵的運動部件，在重力的作用下迅速下落，使控制棒快速插入堆芯，實現(xiàn)反應(yīng)堆的緊急停堆［1］。

2 原理樣機性能試驗

可動線圈控制棒電磁驅(qū)動機構(gòu)是一種全封閉的驅(qū)動機構(gòu)，與壓水堆上使用的磁力提升器相比，在原理上有很大區(qū)別。其主要特點是在全封閉的條件下，實現(xiàn)使驅(qū)動對象連續(xù)運動的要求。其原理樣機性能試驗包括電磁試驗和整機試驗兩部分。

2.1 電磁試驗

可動線圈控制棒電磁驅(qū)動機構(gòu)的核心技術(shù)是電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計。電磁鐵采用開口螺管式電磁鐵，開口磁路的磁阻很大，激磁電流為1.5A時，單個電磁鐵的最大推力約為480N。為增大驅(qū)動機構(gòu)的提升力，通過多次試驗，在電磁線圈和銜鐵的設(shè)計及結(jié)構(gòu)上采取了組合式的線圈結(jié)構(gòu)，并在銜鐵上增加永久磁鐵等特殊措施。組合式電磁線圈由3個分電磁鐵組成，各分電磁鐵有各自獨立的磁路，可將電磁線圈的總提升力為單個電磁鐵推力的3倍左右。通過在銜鐵上增加上、下永久磁鐵，并按一定的磁極方向排列，增加了主氣隙的磁通量，電磁鐵的電磁力可獲得顯著提高，同時增加了系統(tǒng)的剛度。

試驗發(fā)現(xiàn)，電磁線圈的極限承載力和系統(tǒng)的剛度與電磁線圈內(nèi)的電流有關(guān)，隨著電流增大而逐漸提高。在電磁線圈內(nèi)的激磁電流為1.8A時，驅(qū)動機構(gòu)平均剛度可達110N／mm左右，極限承載力可達2 000N以上。線圈內(nèi)的電流是導(dǎo)致電磁線圈溫升的主要因素。

2.2 整機試驗

整機性能試驗確定了驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，明確了步進電機的參數(shù)要求，檢驗了電磁鐵的功率與發(fā)熱。驅(qū)動機構(gòu)采用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠，由絲杠－螺母拖動電磁線圈，傳動線簡單，提高了運行的可靠性。驅(qū)動機構(gòu)在給定的速度下運行穩(wěn)定，具有良好的保持能力，承載能力達到要求，結(jié)構(gòu)合理、工藝可行，快速落棒時間達到要求［2］。

3 工程樣機綜合試驗

為檢驗及驗證該新型可動線圈控制棒電磁驅(qū)動線的綜合性能，在原理樣機性能試驗后，進行工程樣機的性能試驗。工程樣機的綜合試驗分為性能試驗、壽命考驗、抗震試驗等。

3.1 性能試驗［3］

工程樣機的性能試驗分為：驅(qū)動機構(gòu)的靜態(tài)性能試驗、動態(tài)性能試驗、驅(qū)動線的性能試驗。試驗系統(tǒng)由驅(qū)動線水力學試驗主回路系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、測量和控制系統(tǒng)等組成。

1）驅(qū)動機構(gòu)的靜態(tài)性能試驗

靜態(tài)性能試驗主要測試驅(qū)動機構(gòu)在靜止水環(huán)境下的性能。包括電磁鐵、位置指示器、限位開關(guān)、步進電機等。

（1）電磁鐵線圈的發(fā)熱溫升試驗

在環(huán)境溫度11℃、載荷65kg、保持電流3～5A條件下，測量中間線圈（線圈2）的表面溫度曲線（圖2）。線圈表面溫度隨時間緩慢增長；線圈電流對線圈溫度的影響顯著，線圈電流越大，其表面溫度越高。線圈溫度在6h后基本趨于平衡。

同一工況下，3個線圈的表面溫度也不相同，中間線圈表面溫度最高、上部線圈次之、底部線圈最低。由于線圈中的電阻隨線圈溫度緩慢增加，因此線圈內(nèi)的電壓緩慢增加。各工況下，各線圈電流基本保持不變。線圈散熱性能良好，滿足工作需要。

（2）電磁鐵的剛度試驗

圖2 不同電流下電磁線圈的表面溫度曲線Fig.2 Curves of electromagnetic coil surface temperature with different currents

在熱平衡狀態(tài)下，保持不同電壓、電流，經(jīng)多次加載、卸載試驗，測量電磁鐵保持位置隨載荷的變化關(guān)系，得到不同電流下電磁線圈的平均剛度值。隨著保持電流的增加，電磁線圈的剛度平均值開始時逐漸增加，后來有所下降。這是因為隨著線圈溫度升高，磁力稍有下降，導(dǎo)致線圈剛度也有所下降。4.5A時線圈平均溫度為55℃，5A時線圈平均溫度為83℃，溫差28℃，對于線圈內(nèi)部的釹鐵硼永磁鐵，溫度上升對其磁性影響較大。

（3）極限載荷試驗

測量不同狀態(tài)下，電磁線圈能夠保持的最大載荷。冷態(tài)時，線圈溫度為試驗時的環(huán)境溫度12℃；熱態(tài)時，達到熱平衡，線圈的表面溫度約為70℃。不同保持電流下，電磁線圈的極限載荷列于表1。可見，極限載荷隨電流的增大呈線性增長，冷態(tài)5A時，極限載荷為2 276N，平均每一線圈759N；熱態(tài)時，由于電磁線圈驅(qū)動機構(gòu)的磁損失較大使線圈極限載荷有明顯下降，下降幅度約12%。

表1 極限載荷Table 1 Ultimate load

（4）位置指示器試驗及驅(qū)動機構(gòu)電磁線圈的位移與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出同步

限位開關(guān)在調(diào)試和性能試驗的全過程中，保持工作正常。步進電機在調(diào)試和試驗過程中，運行平穩(wěn)、噪聲較小。

2）驅(qū)動機構(gòu)的動態(tài)性能試驗

（1）跟隨特性

不論是全行程跟隨特性試驗，還是間歇行程試驗，驅(qū)動機構(gòu)均有較好的夾持特性?？刂瓢舾S驅(qū)動機構(gòu)運動性能良好，在各保持階段控制棒位移未出現(xiàn)抖動，在電磁力的作用下，控制棒的位移相對穩(wěn)定，未發(fā)生變化?？刂瓢襞c驅(qū)動機構(gòu)的位移基本重合；在上升階段驅(qū)動機構(gòu)的位移稍大于控制棒的位移，下降時則相反；控制棒驅(qū)動機構(gòu)運行時，存在一定的反向間隙。

載荷、線圈電流、線圈溫度均對驅(qū)動機構(gòu)的跟隨特性有影響；而運行速度和運行高度對驅(qū)動機構(gòu)的跟隨特性幾乎無影響。配重越大，或線圈電流越小，或線圈溫度越高，均使跟隨特性越差。反向間隙變化規(guī)律與跟隨特性相似。欲提高驅(qū)動機構(gòu)的跟隨特性，必須保證驅(qū)動機構(gòu)的承載適當，線圈電流不能太小，并提高線圈的散熱性能以降低線圈溫度。不同電流下的1組跟隨特性及反向間隙試驗曲線示于圖3。

圖3 不同電流下的位移差比較曲線Fig.3 Comparison curves of displacement with different currents

（2）極限推力

極限推力與保持電流有密切關(guān)系，隨電流增加呈增長趨勢。極限推力與線圈的運動速度有關(guān)，隨著速度的增加略有降低。速度大時，驅(qū)動機構(gòu)的沖量較大，導(dǎo)致在接近極限推力的情況下，運行不穩(wěn)定性增大，甚至在微小的振動中導(dǎo)致落棒。

（3）快速落棒

控制棒驅(qū)動線電磁線圈的斷電方式有斷交流和斷直流兩種。線圈的斷電方式和運動部件的自重對快速落棒時間有重要影響。測量數(shù)據(jù)表明，不同的斷電方式對驅(qū)動線的快速落棒時間影響較大，斷交流較斷直流的落棒時間明顯増長，增加約350～600ms。落棒時間隨載荷的增加有減小的趨勢。

斷交流與斷直流落棒時間的差異主要由斷電后產(chǎn)生的感生電流引起，感生電磁力與感生電流的大小成正比，感生電磁力將阻礙銜鐵的下落，影響控制棒的快速下落。正常運行時采用斷直流的方式斷電，落棒時間更短，可使控制棒更快落入堆芯。

（4）運行特性

4A、50kg載荷、750mm行程。線圈熱平衡時間6h，平衡時表面溫度46℃，電壓55V，電磁鐵剛度152N／mm。極限載荷：冷態(tài)1 884N，熱態(tài) 1 639N。跟隨特性：行程約200mm時，＜1mm；約400mm時，1～2mm；約600mm時，2～3mm。極限推力：1.6mm／s時，1 580N；5.0mm／s時，1 550N；均大于1 200N。靜水快速落棒時間：斷直流，1.039s；斷交流，1.452s。2 736次全行程試驗，位置指示器、限位開關(guān)、緩沖器工作正常。

3）驅(qū)動機構(gòu)的動水性能試驗

在2～7m／s的水力沖刷環(huán)境下，驅(qū)動線表現(xiàn)出穩(wěn)定的跟隨特性，未發(fā)現(xiàn)明顯變化；運行速度對跟隨特性無明顯影響。不同的流速及棒位對電磁線圈的電壓、電流、線圈平衡溫度無明顯影響。

不同沖刷速度下，差壓和流速隨棒位的變化規(guī)律均一致。棒位為0～150mm時，隨棒位的增加，差壓略增大，而流速略降低；隨沖刷速度的增加，差壓和流速的變化程度增加；對全堆芯流量分配略有影響。棒位為150～750mm時，隨棒位的變化，差壓和流速基本保持不變；對全堆芯的流量分配無影響。隨沖刷速度的增加，驅(qū)動線差壓不斷增加，正常運行工況流速5.5m／s時，驅(qū)動線差壓為0.158MPa。

在0～7m／s的不同水力沖刷工況下，其快速落棒時間隨通道內(nèi)沖刷流速的增加而減??；斷直流落棒時間小于斷交流落棒時間。在靜水工況下，分別進行了10次斷直流和斷交流操作，斷直流和斷交流下從控制棒動作到其落到底的時間基本相同，約0.9s；但從開關(guān)動作到控制棒動作的時間，斷直流約0.17s，斷交流約1.05s；所以總的落棒時間，斷直流小于斷交流。靜水中斷直流落棒時間分配曲線示于圖4。

圖4 靜水斷直流落棒時間分配曲線Fig.4 Time distribution curves of rod dropping in still water by direct current off

3.2 壽命考驗

工程樣機的壽命考驗分為運行壽命考驗和連續(xù)快速落棒實驗兩部分。

為考核控制棒電磁驅(qū)動線在水力沖刷環(huán)境下的運行壽命，在額定電壓60V、額定電流4.5A、額定流速5.2m／s的試驗工況下，驅(qū)動線在額定的高速檔全行程往復(fù)運行。運行壽命實驗進行了1 004次往復(fù)，共85.37h。整個實驗過程中，驅(qū)動線工作正常，水質(zhì)未發(fā)生明顯變化，水溫在（35±3）℃浮動，控制棒壓差在（0.18±0.05）MPa浮動，電磁線圈的溫度在6h左右達到平衡。

在額定的沖刷流速下，驅(qū)動線進行了2 026次快速落棒實驗，其中，斷直流落棒1 013次，斷交流落棒1 013次，共172.21h。試驗結(jié)果表明，在快速落棒的實驗過程中，驅(qū)動線工作正常，線圈溫度穩(wěn)定在約52℃，控制棒壓差約0.17MPa。落棒時間在斷直流下為約0.9s，斷交流下為約1.4s，滿足設(shè)計要求。

壽命實驗完成后，對控制棒電磁驅(qū)動線進行了解體，檢查控制棒、跟隨組件、連接機構(gòu)、導(dǎo)向管和驅(qū)動機構(gòu)，整個驅(qū)動線和相應(yīng)的部件完整無損。實驗表明，可動線圈控制棒電磁驅(qū)動線的設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、性能可靠，滿足要求檢驗。

3.3 抗震試驗

控制棒電磁驅(qū)動線是反應(yīng)堆的核心設(shè)備，抗震Ⅰ類，在強震條件下其落棒功能的完好性直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全停堆，按照核安全法規(guī)和相關(guān)導(dǎo)則的規(guī)定，應(yīng)進行抗震試驗。

1）控制棒驅(qū)動線抗震試驗條件

驅(qū)動線是通過由型鋼組焊而成的試驗臺架固定在振動臺上，該臺架同時提供驅(qū)動線在不同高度上的支承和約束，振動臺所產(chǎn)生的地震動也是通過該臺架傳遞給驅(qū)動線。試驗臺架的基頻為45.0Hz，抗震試驗中可視為剛體。

地震動輸入從下至上共4處，以堆芯下柵格板處為地震輸入的主控制點。試驗測量包括：加速度測量、應(yīng)變測量、落棒時間測量。

2）控制棒驅(qū)動線抗震性能

在控制棒電磁驅(qū)動線抗震試驗裝置上，共進行了5次OBE地震動和1次SSE地震動。OBE即S1地震，為運行基準地震，設(shè)計要求設(shè)備在其壽期內(nèi)，在它的作用下能連續(xù)運行；SSE即S2地震，為安全停堆地震，也是設(shè)備在其壽期內(nèi)可能發(fā)生的最大地震，設(shè)計要求在它的作用下設(shè)備仍能保持停堆功能。對其抗震性能的考察指標主要有兩個：控制棒驅(qū)動線功能的實現(xiàn)和控制棒驅(qū)動線結(jié)構(gòu)的完好。

（1）控制棒驅(qū)動線的夾持功能

每次試驗開始前，銜鐵在電磁線圈的帶動下，上升到上限位位置，并在電磁力的作用下將整條驅(qū)動線保持在頂部。為了使快速落棒均發(fā)生在地震的強震階段，試驗均在地震開始7～11s后切斷電磁線圈的電源，以實現(xiàn)快速落棒。在各次試驗中，電流被切斷之前，未發(fā)生控制棒自行下落的現(xiàn)象，這表明驅(qū)動機構(gòu)擁有足夠的保持力，能夠在地震條件下將控制棒保持在原位。

快速落棒試驗均在地震發(fā)生的強震階段進行，落棒條件是最不利的。各次試驗中，控制棒均能快速落下，地震中的快速落棒時間較正常快速落棒時間略有增加。5次OBE試驗過程中的平均落棒時間延長了0.031s，5次OBE試驗過程后的落棒時間延長了0.035s，1次SSE試驗過程中的平均落棒時間延長了0.050s，1次SSE試驗過程后的落棒時間延長了0.040s［4］。

地震中的落棒時間有所延長，原因可能是運動件在下落過程中，由于橫向振動而造成的與周圍結(jié)構(gòu)的碰撞和摩擦，同時各部件間的裝配關(guān)系也可能在地震的激勵下產(chǎn)生微小變化，從而對運動件的下落產(chǎn)生影響。總體看來，快速落棒時間的延長量很小，可認為控制棒電磁驅(qū)動線在震后未發(fā)生明顯變化，能夠較好完成快速落棒功能。

（2）控制棒驅(qū)動線的加速度響應(yīng)和應(yīng)變響應(yīng)

從試驗采集的數(shù)據(jù)來看，控制棒驅(qū)動線的加速度響應(yīng)并不大，最大加速度響應(yīng)為SSE下的0.64g。驅(qū)動線的整體剛度很好，在地震動激勵下，不會產(chǎn)生明顯的振動放大現(xiàn)象。在驅(qū)動線上的應(yīng)變響應(yīng)也不大，最大絕對值約5.9MPa［5］。

（3）控制棒驅(qū)動線抗震試驗后的解體檢查

抗震試驗后，對驅(qū)動線上的吸收體、跟隨組件、蓮蓬頭、系列連桿、抓頭、銜鐵、導(dǎo)向管、外筒、驅(qū)動機構(gòu)等部件進行了逐一檢查。各部件均未發(fā)現(xiàn)任何可見的損傷及變形，控制棒驅(qū)動線在經(jīng)歷了抗震試驗后，仍能保持結(jié)構(gòu)的完整性。

4 結(jié)語

通過對可動線圈控制棒電磁驅(qū)動線的系列性能試驗，驗證了該驅(qū)動線的工程原理、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能參數(shù)、檢驗了其安全性及可靠性。通過試驗可知：該控制棒驅(qū)動線設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)可行、性能穩(wěn)定，具有足夠的承載能力、跟隨特性優(yōu)良、落棒過程順暢、運行安全可靠。線圈內(nèi)的保持電流對驅(qū)動線的最大承載力及線圈發(fā)熱有較大影響。不同的斷電方式對快速落棒時間有較大影響，采用斷直流落棒優(yōu)于斷交流落棒。該控制棒驅(qū)動線的抗震性能較好，地震中夾持力穩(wěn)定。OBE及SSE狀況下，控制棒驅(qū)動線均能較好完成快速落棒功能。

控制棒驅(qū)動線性能試驗得到的數(shù)據(jù)可為該驅(qū)動線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安裝調(diào)試提供參考，也可為其安全運行提供依據(jù)。

［1］張之華，錢達志，劉漢剛，等.新型控制棒可動線圈電磁驅(qū)動線落棒試驗［J］.原子能科學技術(shù)，2009，43（增刊）：319－322.ZHANG Zhihua，QIAN Dazhi，LIU Hangang，et al.Rod－dropping test of new control rod movable loop electromagnetism driving route ［J］.Atomic Energy Science and Technology，2009，43（Suppl.）：319－322（in Chinese）.

［2］張繼革，吳元強，王敏稚，等.控制棒新型電磁驅(qū)動機構(gòu)性能實驗研究［J］.核動力工程，2001，22（4）：365－369.ZHANG Jige，WU Yuanqiang，WANG Minzhi，et al.Experimental study on property of a new electromagnet drive for reactor control rod［J］.Nuclear Power Engineering，2001，22（4）：365－369（in Chinese）.

［3］薄涵亮.控制棒驅(qū)動機構(gòu)和驅(qū)動線性能實驗及壽命考驗報告［R］.北京：清華大學核能技術(shù)設(shè)計研究院，2005.

［4］張征明，吳莘馨.控制棒驅(qū)動線抗震性能考驗報告［R］.北京：清華大學核能技術(shù)設(shè)計研究院，2007.

［5］胡曉，王濟，禹瑩.控制棒驅(qū)動線抗震試驗報告［R］.北京：中國水力水電科學研究院，2007.