控制棒組件緩沖結構緩沖設計方法研究

張吉斌，李垣明，黃春蘭，蒲曾坪

(中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術國家重點實驗室，四川 成都 610041)

控制棒組件緩沖結構主要功能是減小控制棒組件落棒時對燃料組件的落棒沖擊力，同時又保證落棒時間滿足相關要求，因此控制棒組件緩沖結構的設計是控制棒組件設計的關鍵，緩沖結構的設計應能同時滿足落棒沖擊力和落棒時間的要求。本文針對一種特定的控制棒組件緩沖結構，通過理論分析和數值模擬等方法，計算分析控制棒組件緩沖結構的緩沖性能及緩沖效果，獲得影響控制棒組件緩沖器落棒沖擊力的規律，為控制棒組件緩沖結構設計提供依據和參考。

1 緩沖性能計算分析

1.1 模型建立

為評估控制棒組件緩沖結構的緩沖效果，開展了緩沖結構緩沖性能理論分析方法研究，在緩沖過程中控制棒組件緩沖結構與上管座碰撞，碰撞過程中的位移、速度、加速度等的變化規律為建立動力學方程的基礎，并采用如下基本假設：

1)各部件之間的碰撞視為完全彈性碰撞，忽略碰撞阻尼；

2)接觸碰撞作用等效為彈簧的作用；

3)緩沖過程中，僅考慮外部流場對緩沖器的流體形狀阻力作用。

基于以上基本假設，得到控制棒組件緩沖結構緩沖過程的力學簡化模型，如圖1所示。基于該簡化模型，采用牛頓第二定律，建立相應的運動學方程，可求得控制棒組件緩沖結構的加速度、速度、位移、沖擊力、落棒時間等下落特性參數。

圖1 緩沖過程示意圖Fig.1 Schematic of the buffering process

1.2 控制方程

①緩沖器豎向下落過程中的控制方程：

即：

其中，

②緩沖器緩沖過程中的控制方程：

其中，

d1=d(X10)

d3=d(X2>0);δ4=δ(X2≤He)

K3=d4Ke+(1-d4)Kr

緩沖頭與碰撞部件之間的沖擊力為：

F=K3[X2-(1-d4)He]d3+

KeHe(1-d4)d3

1.3 計算分析

計算分析時主要針對控制棒組件緩沖影響較大的關鍵參數，主要包括緩沖結構套筒側壁流水孔數量m，第一排流水孔直徑d1，第二排流水孔直徑d2，第三排流水孔直徑d3。

1.3.1 流水孔數量對緩沖效果的影響分析

分別針對緩沖結構套筒側壁流水孔數量m=0，3，6，9，12共5種不同工況進行緩沖計算分析，表1給出了不同側壁流水孔數量工況下相關參數的計算結果。

表1 流水孔數m對緩沖效果Table 1 The buffering effect of the number of flow holes m

圖2和圖3分別給出了側壁流水孔數m與沖擊力Fmax和落棒時間T的關系曲線。可以看出，1)隨著m的增加，緩沖結構對上管座碰撞的最大沖擊力先減小后增大，且m=0，即側壁不存在流水孔時，最大沖擊力相對較大，m=6時，最大沖擊力最小；2)運動部件的下落時間T隨著m的增加而逐漸減小，但m≥3時，其減小程度不明顯。

圖2 最大沖擊力隨m變化Fig.2 The maximum impact force varying with m

圖3 下落時間隨m變化Fig.3 The falling time varying with m

1.3.2 第一排開孔直徑對緩沖效果的影響分析

分別針對第一排開孔直徑d1=1 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm共7種不同工況進行緩沖計算分析，表2給出了不同d1工況下相關參數的計算結果。

表2 d1對緩沖效果的影響Table 2 The effect of d1 on the buffering effect

圖4和圖5分別給出了第一排開孔直徑d1與沖擊力Fmax和落棒時間T的關系曲線。可以看出，隨著第一排開孔直徑d1的增大，最大沖擊力Fmax及運動部件下落之間T逐漸減小。但d1對Fmax和T的影響均只在較小的范圍內變化。

圖4 最大沖擊力隨d1變化Fig.4 The maximum impact force varying with d1

圖5 下落時間隨d1變化Fig.5 The falling time varying with d1

1.3.3 第二排開孔直徑對緩沖效果的影響分析

分別針對第二排開孔直徑d2=1 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm共7種不同工況進行緩沖計算分析，表3給出了不同d2工況下相關參數的計算結果。

表3 d2對緩沖效果的影響Table 3 The effect of d2 on the buffering effect

圖6和圖7分別給出了第二排開孔直徑d2與沖擊力Fmax和落棒時間T的關系曲線。可以看出：隨著第二排開孔直徑d2的增大，最大沖擊力Fmax和運動部件下落時間T逐漸減小，但由于流水孔直徑不能一直增大，因此最大沖擊力Fmax不能進一步減小。

圖6 最大沖擊力隨d2變化Fig.6 The maximum impact force varying with d2

圖7 下落時間隨d2變化Fig.7 The falling time varying with d2

1.3.4 第三排開孔直徑對緩沖效果的影響分析

分別針對第三排開孔直徑d3=1 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm共7種不同工況進行緩沖計算分析，表4給出了不同d3工況下相關參數的計算結果。

表4 d3對緩沖效果的影響Table 4 The effect of d3 on the buffering effect

圖8和圖9分別給出了第三排開孔直徑d3與沖擊力Fmax和落棒時間T的關系曲線。可以看出：1)隨著第三排開孔直徑d3的增大，最大沖擊力Fmax先減小后增大，且當d3=3 mm時，Fmax最小；2)隨著第三排開孔直徑d3的增大，下落時間T逐漸減少。

圖8 最大沖擊力隨第d3變化Fig.8 The maximum impact force varying with d3

圖9 下落時間隨d3變化曲線Fig.9 The falling time varying with d3

1.4 結果分析

根據對下落過程及緩沖過程的分析結果，可知：

側壁開6個流水孔即m=6時，落棒沖擊力最小；每層側壁流水孔單獨分析時，第一層和第二層流水孔直徑越大(直徑小于等于6 mm時)，落棒沖擊力越小；第三層流水孔直徑越大，落棒沖擊力先減小后增大，當直徑為3 mm時沖擊力最小。

2 結論

本文通過對控制棒組件水力緩沖結構建立合適的模型和控制方程，對控制棒組件緩沖過程進行模擬計算分析，仿真計算通過簡化模型、建立控制方程和相關計算公式，獲得緩沖過程中流水孔數量及流水孔直徑對緩沖效果的影響規律；本文建立的針對控制棒組件緩沖結構的緩沖設計方法，可以對控制棒組件緩沖結構設計提供指導和優化。