輕水堆抗震棒的設計、安裝調試與運行

付子明

摘 要：輕水反應堆控制棒的抗震問題，是各級核安全部門和我們十分關注的老大難問題。因多方面的問題原因，多年來一直處于研究解決之中，對于一個老的研究堆來說，解決的途徑與方法的確受到諸多方面影響，難度很大。文章就介紹了輕水堆抗震棒的設計、安裝調試與運行以及期間遇到的一系列問題。

關鍵詞：設計；安裝；調試

1 方案與設計

1.1 抗震棒設置與安全棒改造的理由

基于地震可能的破壞，增設二根（與安全棒效率相當）控制棒。因為安全棒傳動裝置被固置于厚度為1米的鋼筋混凝土墻內的鋼梁架上（強地震也不會被破壞），是較安全的。考慮到強地震（7級以上強度）的破壞，可能致使裝置于控制間內間的各補償棒（9根）傳動裝置的支座地板塌落，使得各補償棒被傳動鋼絲繩從堆內活性區拔出，只剩下原二根安全棒插入（滯留）堆內。而原有二根安全棒反應性當量為3%△k/k。不足以克服反應堆的后備反應性，所以必須增設二根反應性當量與安全棒相當的二根控制棒（3%△k/k），方可以克服堆的后備反應性。此外，因為安全棒的導向滑輪原設計是與補償棒的滑輪一同緊固于控制間內室的地板上，仍存在著被滑輪固定地板塌落時使安全棒拔出堆芯的危險。因此，對安全棒傳動滑輪的安裝板予以更改，使之脫離控制間地板（分離），這項改造也是必須的。

1.2 設計（抗震棒與原安全棒傳動改造設計）

抗震棒設計：根據停堆反應性的要求，決定在反應堆活性區通量較高的區域，裝置兩根控制棒作為抗震棒，通量較高的區域位置的中子通量與原二根安全棒所處區域中子通量相近。為使新增棒的反應性當量與原安全棒相當，仍參考選用原安全棒的設計。抗震棒二根，總反應性當量為3%△k/k（裝載吸收體略多于原安全棒，使之保證反應性當量≥3%）。經實際刻度兩根抗震棒的反應性當量為3.2%△k/k。

原安全棒與抗震棒傳動滑輪的變更設計：原二根安全棒的控制間中的導向輪固定于地板的丁字槽上（丁字槽與地板緊連）。現將丁字槽脫離地板，使之固定于與金屬斜孔道焊接為一體的與地面平行厚度為12mm的鋼板上（鋼板不與地面連接）。為加固其強度，鋼板兩端各加焊一塊三角形鋼板與斜孔道側面的金屬板焊接。新增設的二根抗震棒，其傳動滑輪和原安全棒一樣，裝置在脫離控制間地板的丁字槽上。其他補償棒的導向輪也全部裝置在新的丁字槽上。

抗震棒的傳動設計：為了達到抗御大地震的功能，抗震棒除了安裝在脫離控制間地板的加固墻體外，另外一個重要的措施是盡可能地簡化其機械傳動，以防地震致使機械裝置失靈，引發的無法落棒或使棒無法滯留堆內。因此：省去電機傳動與減速裝置的提升系統，直接人力手動提升二根抗震棒。落棒時機械減速聯接裝置也全部省去，直接用彈簧聯接減速裝置。棒行程設定為Hmax=600mm。采用簡單的機械結構。

1.3 抗震棒的控制邏輯（設計）

抗震棒的控制，除滿足常規的核安全與運行要求外，更重要的是地震發生后引發堆內的異常工況，它能有效地完成落棒。因此控制邏輯的設計上必須滿足：反應堆的工況，當出現功率大于120%，應能自動快速落棒。當反應堆出現功率倍增周期≤10秒，應自動快速落棒。安全電源是失電時，自動快速落棒。落棒時間≤1秒（全程600mm）。能進行功能與安全試驗檢查。

抗震棒控制邏輯與電路：把二根抗震棒，分別稱之為抗震棒1#和2#。它們分別對應接至原安全系統通道的兩套停堆驅動器。即原停堆驅動器中的停堆繼電器的剩余觸點接入抗震棒的脫扣電路。原系統中的緊急停堆鈕中的常閉觸點接入脫扣電路。電磁鐵電源與原安全棒電源共用。形成抗震棒的控制邏輯電路。該邏輯中兩個通道完全彼此對稱。抗震棒1#、2#投入運行的條件（提升）與原安全棒相同。當超功率定值事故信號120%或T≤10S周期信號來到時，4號開關動作而使與其相關的繼電器斷開從而驅動脫扣電路，使電磁鐵失電落棒。按下緊急停堆按鈕或就地按鈕時棒快速下落。當安全電源消失時，也會引起電磁鐵失電，抗震棒快速下落。與原安全棒不同之處：只是脫扣電路增加一個就地常閉按鈕，其目的是便于某些試驗與操縱員的操作方便。此外抗震棒未設電力驅動提升與上下部位置顯示（簡化設備，增加安全性）。因此開堆時須人力提升，停堆時須人為查視棒底部狀態。

2 設備制做、安裝與調試

2.1 抗震棒電磁鐵參數測試與試驗

直流電阻：200Ω；工作電壓：35V；電流：180mA；吸力：>5Kg（所加負重>滿足工作要求，當電壓降低至22V時，吸力仍大于5Kg）；工作溫度：≤55℃ （8小時連續加電壓35V）。

2.2 機械組裝與模擬試驗

按設計方案，加上電磁吸盤片（軟鐵性材料），聯接與阻尼用彈簧，鋼絲繩緊固聯接件和支架、配重（3.5Kg）等組裝成抗震棒模擬裝置。該裝置組裝好后電磁鐵供35V工作電壓，主要試驗項目：電磁鐵吸力（3.5Kg），工作電壓：22V～36V；彈簧阻力調試（最大形變長、阻力、確定工作形變等）；棒提升高度與連接件的長度確定；鋼絲繩緊固方式檢驗；斷電落棒試驗。

2.3 控制棒的制做與試驗

抗震棒的制做。按照安全棒的尺寸與裝載（吸收體）及工藝要求制做與試驗。裝置抗震棒的管道。也仍采用安全棒管道的制做安裝工藝（管道為防滲漏的無水管道）。

2.4 抗震棒系統調試

機械安裝檢測：確定棒的裝置孔道位置無誤（最后確認）。棒在管道中的運動狀態：上下行程1500～2000運動無礙。手動提棒阻力應小。否則應查明原因解決。確定棒的底部位置（高度）。鋼繩處做標記。確定棒下落終端位置。（上升）離開底部30mm，標示并裝置保護卡。棒體鋼繩與電磁鐵裝置聯接。調整好彈簧的變形長度和鋼絲繩長度。保證棒的提升行程為h=600mm。彈簧的形變≤6cm（阻尼力合適）。在通電的狀況下，手動提升棒行程600時，多次落棒。調試：阻尼力，終端位置，落棒時間，行程等。結果：阻尼略大（1號抗震棒），做適當調整彈簧長度。終端位置：1#偏離，2#合適。落棒時間：0.9～1.0秒。要求T≤1秒）下落正常。行程：多次落棒后，發現棒的行程變小。原因為棒鋼絲繩與吸盤體聯接欠佳，進一步緊固。

通電邏輯控制試驗，如表1。

其他各棒的檢測：因為此次裝置抗震棒于堆內，堆內同時還進行了控制棒系統的機械改造加固等工作。各棒均有拆裝相關操作。為了檢查上述各項工作結束后，堆內各棒的狀態恢復狀況，對各棒進行了下述各項檢測：活性區棒位置檢查（堆內布置）正確；各管道有否變形。（阻力，擦卡否）（正常）；提升各棒到頂及下棒的狀況試驗（正常）；下降速度阻力狀況試驗（正常）；安全棒的提升下降檢查。2#棒正常，1#棒提升正常，下降阻力增大，根據狀況分析，管道已進水，后經檢修人員將管道更換后試驗正常。

3 運行

抗震棒自安裝調試完成，并投入運行。在使用前，專門制定了抗震棒的操作規程。抗震棒在停堆狀態時，應檢查是否落到底部（有底部限位卡）。待提升安全棒的條件滿足后，即保護投入后，先去控制間手動提升好抗震棒（頂部吸合）。爾后再提升安全棒和進行其他操作。當除抗震棒外的其他11根棒不在底部位置（即堆在啟動或運行）時，發現抗震棒仍在底部位置，此時不準提升抗震棒！抗震棒插入堆內的條件也與安全棒相同，“緊急停堆”、“手動停堆”、“就地”按鈕均可使抗震棒下落。

4 結束語

二根抗震棒在堆上裝置完成后，堆內共有安全棒和補償棒13根。棒的總效率可達16.5%。新增設的二根抗震棒，其傳動和安裝設計都充分地考慮了強地震發生時可能的破壞。同時對原二根安全棒傳動滑輪裝置位置也都做了重新設計，加之堆內的抗震機械加固，這些措施對強地震發生時抗震棒和安全棒能安全可靠地插入（滯留）堆內，提供了更安全可靠的保障。同時，通過這一年的運行，抗震棒未發生卡棒，失電等現象，證明其是安全可靠的。通過這次抗震棒的抗震改造，我們認為，設置抗震棒和安全棒的改造工作的實施完成，標志著輕水反應堆控制棒停堆系統抗震老大難問題基本得到解決。

參考文獻

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