中國先進研究堆控制棒驅動機構動態反向性能研究

朱學微，甄建霄，王玉林，焦迪楠

（中國原子能科學研究院 反應堆工程研究設計所，北京 102413）

中國先進研究堆（CARR）采用電磁線圈磁力式控制棒驅動機構，具有結構簡單、可靠性高的特點。驅動線圈與控制棒驅動線采用非剛性連接，使控制棒在事故工況下依靠重力非能動下插至堆芯底部，具有較高安全性［1］。在CARR 調試試驗的A 階段和B階段發現，當控制棒驅動機構驅動線圈運動方向發生反向時，控制棒與驅動線圈的運動存在不同步現象，即在驅動線圈發生反向動作一段時間后控制棒才跟隨驅動線圈動作，該現象直接影響棒控系統的功率自動調節性能。為改善功率自動調節性能，保證CARR 運行安全，進行控制棒驅動機構動態反向性能研究非常必要。

1 CARR控制棒驅動機構結構

CARR 控制棒驅動機構原理結構如圖1所示。步進電機和電磁線圈作為主動驅動部件，銜鐵組件作為從動部件，兩部分由電磁線圈通電產生的電磁力連接，中間被密封筒隔離，同時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，主冷卻劑系統啟動時銜鐵組件中間有冷卻劑流過，控制棒驅動線受到向下的冷卻劑動壓。驅動線圈在密封筒外與滾珠絲桿剛性連接，步進電機帶動滾珠絲桿轉動，驅動線圈完成上下移動，當驅動線圈通電后產生電磁力，吸引密封筒里的銜鐵組件，使驅動線圈和銜鐵組件同步運動從而完成控制棒的升降，實現反應堆啟動、控制反應堆的功率水平。驅動線圈斷電后，電磁力消失，密封筒內的驅動線在重力作用下自由下落，保證反應堆快速安全停堆［2］。

圖1 驅動機構結構示意圖Fig.1 Structure diagram of control rod drive mechanism

2 動態反向性能測試試驗

CARR 具有4組控制棒驅動機構，4 組結構功能完全一致，每組驅動機構之間相互獨立，不存在干擾問題；測試試驗在不開堆情況下進行，主冷卻劑系統投入，控制棒驅動線加載了主冷卻水動壓，用以測試驅動機構動態條件下的反向特性；除對進行測試的控制棒驅動線圈供電外，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高以下，兩根安全棒提升至上部終端位置，投入保護系統、ATWS緩解系統、核測量系統，同時只能提升1 根控制棒，且要求棒位不超過350mm；通過在DCS服務器實時采集線圈位置、位移傳感器位置以及棒位等數據。

2.1 試驗方法

由靜態測試試驗可知，通電電流3.5A 和5A 情況下，控制棒驅動機構反向特性差別不大［3］，因此在動態試驗中主要考慮今后正常工作時通電電流為5 A 的工作狀態，在棒速為1mm／s和4mm／s兩種棒速下，提單根棒位至250mm，然后持續提升20mm 以上，進行反向操作，下插20 mm 以上，進行反向操作，提升20mm 以上，重復2 次，觀察線圈運動情況與棒位變化。通過在DCS服務器實時采集線圈位置、位移傳感器位置以及棒位等數據。

2.2 試驗數據分析

在棒速為1mm／s和4mm／s的工作條件下控制棒驅動機構動態反向特性參數列于表1，1＃控制棒驅動機構在動態條件下棒速為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根補償棒在線圈運動發生反向時，控制棒相對于驅動線圈的位移約為4mm。

表1 控制棒驅動機構動態反向特性試驗數據Table 1 Experiment data of dynamic inversion performance of CRDM

控制棒驅動機構在動態工作條件下，反向特性具有雙向對稱性和重復性。直線位移傳感器讀數變化反映控制棒運動時，驅動線圈與銜鐵組件間的位移差變化；在驅動線圈發生反向時，直線位移傳感器讀數發生變化，說明此時驅動線圈與銜鐵組件間的相對位置發生變化，即驅動線圈在運動而銜鐵組件保持不動；該曲線基本反映了該測試條件下控制棒驅動機構的反向性能。驅動線圈運動曲線反映驅動線圈的運動方向和位置。棒位讀數反映控制棒在運動時的運動方向和位置。

在控制棒發生反向時，直線位移傳感器讀數發生變化，該讀數變化為控制棒和驅動線圈相對位置變化，稱之為反向間隙。動態反向特性測試試驗結果表明，4 組驅動機構在動態條件下反向性能具有一致性。動態工況控制棒驅動機構反向特性明顯優于靜態工況，動態時反向間隙約為4mm，靜態時反向間隙約為8mm，這與電磁線圈磁力驅動的性質有關。在連續提升或下插控制棒過程中，驅動線圈與控制棒跟隨性能較好，位移傳感器讀數保持穩定，運動基本同步。當驅動線圈發生反向時，控制棒也隨動0.5～1mm，之后在間隔時間（t1）后控制棒才與驅動線圈隨動；當棒速為1mm／s時，間隔時間t1在驅動線圈運動發生反向時很明顯。當棒速提高至4mm／s時，時間間隔t1依然存在，只是運動速度有差別，此現象具有一定重復性。在控制棒連續運動過程中，直線位移傳感器讀數D1基本不變，當發生反向后，直線位移傳感器讀數變為D2，D2-D1反映了在控制棒跟隨驅動線圈運動前驅動線圈必須走完的距離，不論驅動線圈運動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，反向間隙基本一致。

動態試驗中，4組控制棒驅動機構反向特性表現橫向對比基本一致。經測試，控制棒驅動機構動態反向特性與棒位、棒速等因素關系不大，其中棒速對反向特性影響稍大于其他因素，因此，控制棒驅動機構反向特性是其固有特性，其他外在因素對其影響較小，若改善控制棒驅動機構反向特性，需從其磁路及結構上進行優化。

圖2 1＃控制棒驅動機構動態下棒速為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 控制棒驅動機構動態反向特性研究

3.1 驅動機構銜鐵組件受力分析

對CARR 控制棒驅動機構主磁路使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell［4-6］進行分析，改變銜鐵組件相對驅動線圈不同位置，磁路中的電磁力分布如圖3所示，在控制棒驅動機構實際工作中，銜鐵組件相對驅動線圈的位置分布在零點右側區域。在銜鐵組件工作時所受電磁力是隨驅動線圈與銜鐵組件相對位置變化而改變的，具體表現為相對位置增大時電磁力減小，相對位置減小時電磁力增大。

圖3 控制棒驅動機構電磁力分布Fig.3 Distribution of control rod drive mechanism electromagnetic force

驅動線在工作時受到重力mg、冷卻劑動壓N、電磁力F 及摩擦力f，其中銜鐵組件處于靜態時受到靜摩擦力f靜，銜鐵組件運動中受到動摩擦力f動，重力和冷卻劑動壓始終垂直向下，分析時將二者合并視為mg。銜鐵組件在驅動機構中運動狀態是幾種力共同作用的結果。驅動線圈開始通電時產生電磁力，將銜鐵組件保持于某一高度，此時銜鐵組件處于力平衡狀態，銜鐵組件受到的電磁力F＝mg＋f靜。當驅動機構反向時由于銜鐵組件與驅動線圈屬于磁力連接，二者之間的相對位置會發生變化，從而使電磁力發生變化，具體過程如下。

驅動機構由上向下反向時受力分析如圖4所示。向上過程中銜鐵組件受到向下的動摩擦力f動，電磁力F≥mg＋f動，在t1時刻發生反向，此時銜鐵組件相對于驅動線圈的位置為d1，f動改變方向變為向上，驅動線圈向下運動，此時mg＜F＋f動，銜鐵組件保持不動，動摩擦力變為靜摩擦力f′靜，銜鐵組件相對驅動線圈位置沿圖3 中橫坐標正方向增大，電磁力F 沿圖3中零點右側曲線減小，當t2時刻，驅動線圈相對銜鐵組件位置變為d2，此時，電磁力F 減小為F′，mg≥F′＋f′靜，銜鐵組件開始隨驅動線圈向下運動，在T1＝t2-t1內，驅動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 動態反向特性優于靜態原因分析

通過反向特性測試試驗發現，動態時驅動線上加載了冷卻劑動壓，驅動機構負載增加，反向性能在動態時反而優于靜態。對于控制棒驅動機構，系統剛度實質是一種磁力剛度k：

式中：μ 為比例修正系數；F2為反向動作后銜鐵組件跟隨驅動線圈同步運動時系統電磁力；F1為反向動作前系統電磁力；d2為反向運動后銜鐵組件相對驅動線圈位置；d1為反向運動前銜鐵組件相對驅動線圈位置；D＝｜d2-d1｜為驅動機構反向過程中空程，在驅動機構工作過程中，驅動線向上運動和向下運動所行走的環境是一致的，可認為向上和向下的動摩擦力大小相等、方向相反，于是有：

圖4 反向時受力分析Fig.4 Force analysis during CRDM inversion

另一方面，在動態試驗時，驅動線負載相對靜態試驗時增加了主冷卻劑的動壓，此動壓使得驅動機構受力平衡時銜鐵組件和驅動線圈相對位置差減小。根據圖3中電磁力分布曲線可知，驅動機構工作區間向電磁力更大的部分偏移，如圖5 所示，在反向時電磁力變化幅度變大。因此，在反向時，驅動線圈和銜鐵組件發生相對位移，電磁力變化較靜態時更加迅速，更快適應系統內部力的變化，使系統剛度增加，減小了反向空程，使動態反向特性測試試驗中反向特性優于靜態反向試驗。

圖5 靜態和動態驅動機構工作區間示意圖Fig.5 Schematic diagram of CRDM static and dynamic working region

4 結論

在主冷卻劑系統啟動情況下進行的動態反向性能試驗與控制棒驅動機構正常運行狀態一致。通過試驗發現，控制棒驅動機構動態反向性能為其固有特性，棒位、棒速等因素對動態條件下反向性能影響有限。CARR 4組磁懸浮式控制棒驅動機構反向性能基本一致，說明在動態條件下驅動線圈與銜鐵組件運動不同步是這種控制棒驅動機構的共性。由下向上反向和由上向下反向性能具有對稱性和重復性。動態時反向性能優于靜態，動態反向間隙約為4mm。

CARR 控制棒驅動機構的反向特性由其獨特結構決定，由于驅動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，但也決定了驅動機構的反向特性，系統電磁力與銜鐵組件相對驅動線圈位置變化密切相關，反向過程中驅動線上摩擦力的變化起到關鍵作用。在反向時，摩擦力的變化使銜鐵組件相對驅動線圈位置發生變化，從而改變電磁力的大小，使控制棒不能隨驅動線圈同步完成反向，形成反向間隙。若反向間隙過大，對反應堆功率自動調節功能是一個不利因素，會造成功率自動調節滯后，在功率自動調節過程中產生震蕩積累，引發系統超調現象，甚至造成超功率意外停堆事件。通過對動態試驗數據分析可知，減小驅動線摩擦力、增大電磁力工作區間曲線變化斜率，使電磁力變化迅速改變以適應反向，可增加系統剛度，改善磁懸浮式控制棒驅動機構反向特性。但該類型驅動機構結構決定其反向特性只能改善，無法根本消除。

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