核電廠控制棒驅動機構工作線圈溫度場分析*

丁宗華，劉 剛

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

1 前言

控制棒驅動機構是反應堆的重要動作部件，主要用于調節控制棒在反應堆堆芯中的位置，從而調節反應堆內的反應性。因此，控制棒驅動機構能否正常工作直接影響反應堆運行的安全性。為確保控制棒驅動機構工作性能安全可靠，在運行期間各種運行參數必須在設計所允許的范圍內，其中包括:在運行期間工作線圈的工作溫度需在其設計允許的平均溫度220℃內。為此，提出了《控制棒驅動機構工作線圈溫度場分析》這一課題，旨在研究分析磁軛線圈部件的溫度場及提高其安全可靠性的措施。

2 有限元模型

我院設計的30萬千瓦核電廠采用磁力提升式控制棒驅動機構，主要由控制棒驅動桿部件、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。控制棒運動是通過這3個線圈按規定程序通、斷電完成的;在反應堆緊急停堆時，只要切斷所有工作線圈電源，控制棒驅動桿就會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堆堆芯，從而達到反應堆緊急停堆。

為便于分析，筆者計算對控制棒驅動機構進行結構簡化，根據結構的軸對稱性，將原來的三維溫度場分析簡化為二維溫度場分析，控制棒驅動機構的簡化有限元模型如圖1所示。

圖1 控制棒驅動機構的簡化有限元模型

如圖1所示，控制棒驅動機構工作線圈部位主要部分由筒體狀耐壓殼體、殼體上導磁環、磁軛、工作線圈和澆注料等組成。如上所述，工作線圈的設計允許平均溫度為220℃，因此，工作線圈是控制棒驅動機構溫度場計算的重點部位;為此，對耐壓殼體、導磁環、工作線圈及兩側部件進行了細網格劃分和計算。

3 模型計算參數

為計算控制棒驅動機構工作線圈溫度場，首先要確定控制棒驅動機構工作線圈部位結構的幾何參數和所用材料的有關特性參數。

控制棒驅動機構工作線圈部位結構幾何參數如圖1所示，所用材料的特性參數(磁軛、導磁環及耐壓殼體的材料特性參數見文獻［1］，空氣的特性參數見文獻［2］)。有關工作線圈的特性參數，由于未做過有關工作線圈和澆注料材料性能測試，且文獻上也查不到相關數據，故得不到工作線圈和澆注料材料特性參數。經過與控制棒驅動機構設計者協商，決定由設計者提供兩組控制棒驅動機構試驗的實測數據，以此為依據，推算工作線圈和澆注料材料在試驗條件下的平均導熱系數。

筆者計算所涉的控制棒驅動機構試驗是在我院C1(恰希瑪核電廠一期)－控制棒驅動機構試驗臺架上完成的，試驗臺架采用1∶1控制棒驅動機構。根據控制棒驅動機構設計者所提供的兩組控制棒驅動機構試驗的實測數據［3］，推算出工作線圈在試驗條件下的平均導熱系數為0.823［W/(m·℃］)，澆注料的平均導熱系數為0.195［W/(m·℃)］，以下計算基于上述系數進行分析。

4 控制棒驅動機構正常運行

控制棒驅動機構正常運行，是指控制棒驅動機構工作線圈(指:提升線圈、保持線圈和傳遞線圈)按照設計的正常運行通電程序(包括提升程序和下降程序通電)［3］，使控制棒驅動桿帶負荷上、下運動。控制棒驅動機構運行時其耐壓殼體內是280℃A級水，磁軛外是17℃強迫冷卻通風空氣。

根據圖1分析控制棒驅動機構內部的結構可知，因工作線圈與磁軛之間存在空氣間隙(空氣的導熱系數很小，相當于絕熱層)會降低工作線圈內產生的熱源向外的傳熱效果。C1－控制棒驅動機構在設計時已考慮到通過控制工作線圈和磁軛的制造工藝來使得控制棒驅動結構在正常運行時，工作線圈外側與磁軛貼合，以消除此處空氣間隙達到提高傳熱效果。

根據控制棒驅動機構正常運行時的相關參數進行有限元溫度場仿真，仿真結果圖2～4。表1為工作線圈仿真結果與試驗結果的對比。

C1－控制棒驅動機構出廠試驗是在熱態持續運行條件下進行的，它比核電廠實際運行狀況更加嚴峻(實際運行中不可能出現這種狀況)。由表1結果對比可知，工作線圈仿真的平均溫度與試驗的平均溫度基本吻合。

圖2 傳遞線圈溫度場

圖3 保持線圈溫度場

圖4 提升線圈溫度場

表1 控制棒驅動機構工作線圈仿真結果與試驗結果的對比/℃

5 提高澆注料平均導熱系數

由仿真結果和試驗結果知，控制棒驅動機構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。經相關試驗得知，在已確定的C1－控制棒驅動機構結構設計條件下，當強迫冷卻通風風速超過本試驗風速值，強迫冷卻通風的風速對工作線圈的溫度沒有特別明顯的改善。根據傳熱學理論，提高導熱材料的導熱系數可提高其導熱性能。其中一個重要性能要求就是盡可能地提高澆注料的平均導熱系數。新研制出澆注料的平均導熱系數對控制棒驅動機構工作線圈溫度場進行仿真，其結果如圖5～7所示。表2是控制棒驅動機構工作線圈在提高澆注料平均導熱系數后的仿真結果與試驗結果的對比。

圖5 傳遞線圈溫度場

圖6 保持線圈溫度場

圖7 提升線圈溫度場

由表2可知，當澆注料的平均導熱系數從0.195［W/(m·℃)］提到0.758［W/(m·℃)］時，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 控制棒驅動機構工作線圈仿真結果與試驗結果的對比/℃

6 結論

(1)在已確定的C1－控制棒驅動機構結構設計條件下，提高風速對工作線圈的溫度并無明顯改善，當提高澆注料的平均導熱系數，可很好地降低工作線圈的溫度。由仿真結果可知，當澆注料的平均導熱系數從 0.195［W/(m·℃)］提高到 0.758［W/(m·℃)］時，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)此計算模型可做為:①預測應用所研制高導熱系數澆注料后的工作線圈運行溫度;②改用上鉤爪作長期保持的運行模式下的磁軛線圈溫度場的仿真;③磁軛線圈部件結構和尺寸改進后工作線圈運行溫度的改善效果計算。

(3)此計算模型可運用于其他型號控制棒驅動機構工作線圈溫度場分析及后續相關計算，并為控制棒驅動機構有關結構和通電程序的改進設計提供設計依據。

［1］萬嘉禮.機電工程金屬材料手冊［M］.上海:上海科學技術出版社，1990.

［2］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，1998.