壓水堆核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)的現(xiàn)狀與發(fā)展

摘 要：本文回顧了壓水堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）技術(shù)進步過程，并通過分析現(xiàn)有CRDM存在的問題與不足，指明了發(fā)展新型長壽命、耐高溫CRDM的必要性及其可行的實現(xiàn)途徑，說明未來新型CRDM將無需堆頂通風冷卻系統(tǒng)，耐壓殼綜合性能更優(yōu)，可降低核電成本和提升安全性、可靠性，并可實現(xiàn)1800萬步的超長壽命，滿足核電調(diào)峰運行的現(xiàn)實需要。

關(guān)鍵詞：控制棒驅(qū)動機構(gòu) 全鎳基密封殼 耐高溫、耐輻照線圈 耐磨損型鉤爪組件

中圖分類號：TG14 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0083-03

Abstract： This article reviewed the technology process of the CRDM of pressurezed water reactor nuclear power plant， and through the analysis of exsiting problems and deficiencies of CRDM，pointed out the necessity and feasible of developing new type CRDM of long life， high temperature resistant. It will not need ventilation cooling system in the pile top，and its pressure shell will have the better comprehensive performance in the future， which can reduce the cost of nucler power and improve security， reliability， and can achieve 18 million steps of the long life， can meet the needs of the reality of the peak load regulating operation for nuclear power.

Key Words： CRDM； The nickel-based sealing shell； High temperature resistance； Resistance to high temperature and irradiation coil； Latch assembly of wear resistance

當前，第三代壓水堆核電站已經(jīng)成為國內(nèi)外核電建設(shè)領(lǐng)域的主流。在壓水堆核電站中，控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）是反應(yīng)堆控制和保護系統(tǒng)的伺服機構(gòu)，它安裝在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上，能夠按照指令帶動控制棒組件在堆芯內(nèi)上下運動，或保持控制棒組件在指令高度，還可通過斷電方式釋放控制棒組件使其在重力作用下快速插入堆芯。由此可見，CRDM是實現(xiàn)反應(yīng)堆啟動、調(diào)節(jié)功率、保持功率、正常停堆和事故狀態(tài)下的緊急停堆的關(guān)鍵設(shè)備，其性能高低直接關(guān)系到核電站的運行安全。

1 CRDM設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年發(fā)展，壓水堆核電站CRDM設(shè)備的設(shè)計與制造技術(shù)日臻成熟。我國自主研制的ML-A型CRDM已運用于國內(nèi)多臺二代改進型核電工程中，最長運行時間超過了15年。該型CRDM由驅(qū)動桿組件、鉤爪組件、耐壓殼、線圈組件、棒位探測器組件及隔熱套組件組成，其中耐壓殼包括密封殼組件和驅(qū)動桿行程套管組件，均為反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)壓力邊界的組成部分。該型CRDM的典型技術(shù)指標為：

驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計壓力：17.23MPa（絕對壓力）；

驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計溫度：343℃；

步長：15.875mm；

最小運行速度：1143mm/min（72步/min）；

提升載荷：≥1602N；

機電延遲時間：≤150ms；

易損件設(shè)計壽命（熱態(tài)壽命試驗步數(shù)）：≥280萬步；

線圈組件耐溫等級：220℃；

承壓件設(shè)計壽命40年；

設(shè)計基準地震載荷0.15g。

隨著我國的“華龍一號”三代核電技術(shù)落地福建福清核電站，福清5#、6#機組所采用的控制棒驅(qū)動機構(gòu)是專為三代壓水堆研制的ML-B型CRDM。與ML-A型相比，ML-B型CRDM的總體構(gòu)造并無重大改變，但設(shè)備的設(shè)計壽命提高到60年，設(shè)計基準地震載荷為0.3g，熱態(tài)壽命試驗步數(shù)要求大于600萬步，為此該型CRDM采用了雙齒鉤爪、盲孔型行程套管、密封殼與驅(qū)動機構(gòu)管座一體化等技術(shù)，其部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在ML-B型CRDM工程樣機的試驗與驗證過程中，產(chǎn)品實現(xiàn)了驅(qū)動桿全行程落棒超過1200次、熱態(tài)壽命試驗步數(shù)超過1500萬步，這是目前確知的世界最高紀錄。

2 現(xiàn)有CRDM設(shè)備存在的不足

雖然現(xiàn)有CRDM已經(jīng)能夠較好滿足核電站的實際運行需求，但由于材料與技術(shù)方面的制約，在役核電機組中的CRDM還是顯露出了諸多問題與不足。

（1）在AP1000、CAP1000、CAP1400、華龍一號ACP1000等三代壓水堆CRDM的密封殼上，均存在一條由奧氏體不銹鋼與鎳基合金進行對接焊接而形成的承壓焊縫，如圖2所示。該焊縫位于反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)承壓邊界上，因此不僅對焊縫的焊接技術(shù)工藝與質(zhì)量檢驗的要求極高，還會增加一回路系統(tǒng)泄漏的風險。

（2）現(xiàn)有CRDM線圈組件的耐溫等級通常為220℃～250℃，而反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)工作溫度為310℃，加上線圈工作時自身的發(fā)熱，因此現(xiàn)有CRDM都必須配備強制通風冷卻系統(tǒng)才能保證電磁線圈不被燒毀。但由此增加的CRDM冷卻風機和通風系統(tǒng)不僅加大了堆頂重量、弱化了反應(yīng)堆的抗震能力，還增加了電站的建造、運行及維護成本。endprint

（3）現(xiàn)役的CRDM上都存在1～3處Ω密封環(huán)焊接（或Canopy密封焊接）的結(jié)構(gòu)，用以實現(xiàn)密封殼與管座之間、與行程套管及端塞間的非承壓密封，典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。然而國內(nèi)外核電運行的經(jīng)驗說明，這些Ω密封環(huán)（或Canopy）焊接處通常在電站運行數(shù)年后就會陸續(xù)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕滲漏等問題，且難以避免。這不僅給電站安全運行帶來危害，而且采用堆焊覆蓋修復的費用高昂。

（4）目前CRDM的鉤爪組件由于結(jié)構(gòu)和材料的原因，常會出現(xiàn)零件易碎、磨損快等問題。多次實驗證明，鉤爪組件通常在運行700余萬步后即開始出現(xiàn)零件的初始裂紋并會逐漸擴展，此時雖然CRDM還能正常運行，但卻不能滿足未來CRDM超長壽命的要求。而隨著核電站參與電網(wǎng)調(diào)峰運行的趨勢越來越明顯，業(yè)內(nèi)對于鉤爪組件也逐步提出了1200～1800萬步的壽命需求，顯然現(xiàn)有技術(shù)的鉤爪組件就顯得力不從心。

3 未來CRDM的技術(shù)發(fā)展方向

針對現(xiàn)有CRDM設(shè)備存在的不足，發(fā)展新一代長壽命且具備耐高溫性能的CRDM已成為今后技術(shù)發(fā)展的方向。未來新型CRDM的核心技術(shù)指標應(yīng)能夠滿足線圈組件耐溫指數(shù)≥440；熱態(tài)壽命試驗步數(shù)考核值≥1200萬步，期望值≥1800萬步；同時實現(xiàn)一體化無對接焊縫密封殼、唯一的Ω密封環(huán)焊接結(jié)構(gòu)在電站全壽期內(nèi)不會泄漏。

（1）采用“一體化全鎳基密封殼技術(shù)”。理論和實踐都證明，Incole690等鎳基材料的導磁性能與現(xiàn)有密封殼采用的奧氏體不銹鋼基本相同，但鎳基合金的各項機械性能及耐腐蝕能力均大大優(yōu)于奧氏體不銹鋼。

如果密封殼采用全鎳基材料（如Incole690）鍛件將密封殼與管座整體加工而成，則可完全取消了原有的奧氏體不銹鋼與鎳基合金之間的異種材料對接焊縫，不僅簡化了密封殼的制造工藝與難度，還將顯著提升其固有安全性，并可省去該承壓焊縫日后在役檢查的成本與麻煩。因該技術(shù)方案優(yōu)點突出且為首創(chuàng)，現(xiàn)已獲國家發(fā)明專利授權(quán)。

采用一體化全鎳基密封殼技術(shù)后，不僅密封殼的綜合性能可遠超現(xiàn)有水平，而且其與行程套管之間的、也是整個CRDM上唯一的Ω密封環(huán)焊接材料已由奧氏體不銹鋼改變?yōu)殒嚮辖穑绻O(shè)計上再對該Ω密封環(huán)焊結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化，其綜合耐腐蝕能力可以保證在電站全壽期內(nèi)不泄漏。

（2）采用“金屬骨架與包殼的耐高溫、耐輻照線圈技術(shù)”。 現(xiàn)有線圈組件的骨架通常采用增強型聚醚醚酮（PEEK）、有機硅等材料，其耐溫指數(shù)在220～260之間，難以進一步提高。其次現(xiàn)有線圈組件中的電磁線圈均沒有防護性的殼體保護，若執(zhí)行新版《NB/T 20279-2014核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)線圈絕緣系統(tǒng)耐熱性評定方法》，則難以通過高溫老化后嚴苛的潮濕、振動考驗。

而最新的耐高溫、耐輻照線圈則創(chuàng)新性地采用金屬骨架及封閉包殼技術(shù)，線圈試樣在經(jīng)歷γ-射線劑量不小于5.0×105Gy的輻照后，已嚴格按照NB/T 20279-2014標準全面通過了第三方鑒定機構(gòu)的CRDM線圈絕緣系統(tǒng)耐熱性評定，結(jié)論是線圈絕緣結(jié)構(gòu)的溫度指數(shù)不低于446，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。今后CRDM若采用這種耐高溫、耐輻照線圈則可取消堆頂強制通風冷卻系統(tǒng)、簡化堆頂結(jié)構(gòu)。由于該類新型線圈結(jié)構(gòu)創(chuàng)新且性能突出，已獲多項專利授權(quán)。

（3）采用“長壽命、耐磨損型鉤爪組件技術(shù)”。安裝在密封殼內(nèi)的鉤爪組件，在電磁力的作用下使得兩個鉤爪次組件與提升銜鐵按照給定的時序相互配合運動，從而帶動驅(qū)動桿組件上下運動，可見鉤爪組件中的各零件必須承受頻繁的沖擊和磨損。通過反復試驗與驗證可知，如果將易損件材料改用鎳基合金以提高其機械強度，再結(jié)合對零件結(jié)構(gòu)和形狀進行合理改進，可以大大推遲零件初始裂紋的出現(xiàn)時間，能有效延長易損件壽命；同時如果對鉤爪組件中各摩擦配合面的鍍層進行改良優(yōu)化，并徹底消除堆焊型鉤爪、連桿存在的晶間腐蝕傾向，則可最終實現(xiàn)CRDM熱態(tài)壽命試驗步數(shù)超過1800萬步的目標。

4 結(jié)語

研制和發(fā)展新型長壽命、耐高溫CRDM能有效提高核電運行的安全性和可靠性，并真正適應(yīng)核電調(diào)峰運行的需要，具有重要的實用價值；取消CRDM通風冷卻系統(tǒng)能簡化堆頂結(jié)構(gòu)、提高反應(yīng)堆抗震能力、降低反應(yīng)堆造價及運行維護成本；同時，各項新技術(shù)的運用可以保證新型CRDM的設(shè)備造價與現(xiàn)有水平持平，但產(chǎn)品性價比會有極大提升。此外，各項新技術(shù)還可用于現(xiàn)有在役CRDM及其部件的更換、改造和升級，具有廣泛的前景。

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