小型堆控制棒組件落棒緩沖設(shè)計(jì)研究

黃春蘭 岳 題 朱發(fā)文 冉仁杰 黃 山

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213）

控制棒組件作為中子吸收體，在反應(yīng)堆緊急停堆時(shí)快速落棒插入堆芯，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆安全停堆[1]。快速落棒時(shí)間和落棒沖擊載荷是考察控制棒落棒性能的關(guān)鍵指標(biāo)[2]。在控制棒落棒終了時(shí)會(huì)引入較大的沖擊載荷，通常在控制棒驅(qū)動(dòng)線上設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)，保證落棒時(shí)間滿足要求的同時(shí)降低對(duì)承載件和自身的沖擊[3-4]。典型的核電壓水堆棒束型控制棒組件主要通過(guò)燃料組件導(dǎo)向管下部具有一定長(zhǎng)度的緩沖段來(lái)實(shí)現(xiàn)水力緩沖[1]。在緩沖段導(dǎo)向管內(nèi)徑減小，在落棒過(guò)程中通過(guò)小間隙擠水使導(dǎo)向管內(nèi)部冷卻劑壓力劇增，對(duì)快速下插的控制棒提供阻力，達(dá)到緩沖的目的。對(duì)小型壓水堆而言，由于堆芯尺寸較小，控制棒及其落棒行程均較短，可用于設(shè)置水力緩沖段的高度空間有限，達(dá)不到理想的緩沖效果；且控制棒長(zhǎng)度短降低了棒的柔性，若仍采用大型商用堆中常用的導(dǎo)向管小間隙水力緩沖，容易引起控制棒落棒不暢問(wèn)題。為此，針對(duì)小型堆中空間窄小條件下的控制棒落棒緩沖需求開(kāi)展設(shè)計(jì)研究，提出可行的落棒緩沖方案，并進(jìn)行性能分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，為小型堆控制棒組件研發(fā)提供參考。

1 機(jī)械與水力一體化緩沖設(shè)計(jì)

1.1 緩沖方案及緩沖器結(jié)構(gòu)

針對(duì)小型堆控制棒組件落棒行程短、控制棒柔性差等特點(diǎn)，控制棒與燃料組件導(dǎo)向管間采用大間隙設(shè)計(jì)，不設(shè)置導(dǎo)向管緩沖段，以降低控制棒落棒不暢風(fēng)險(xiǎn)。為了降低落棒沖擊載荷，考慮小型堆的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制棒驅(qū)動(dòng)線軸向空間，利用控制棒組件頂部的連接柄進(jìn)行機(jī)械緩沖與水力緩沖一體化設(shè)計(jì)，形成一體化緩沖器。一體化緩沖器由套筒、緩沖彈簧、拉桿、緩沖杯等零件組成，通過(guò)拉桿將緩沖彈簧和緩沖杯固定在套筒內(nèi)，緩沖杯的活塞段與套筒內(nèi)壁配合形成環(huán)形縫隙，在套筒側(cè)面合適高度設(shè)置若干對(duì)稱布置的小尺寸流水孔。緩沖器及對(duì)應(yīng)的碰撞部件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中碰撞部件包括剛性件（對(duì)應(yīng)堆內(nèi)的堆芯上板）和安裝在剛性件頂部的彈性件（稱為下彈簧）兩部分。

圖1 一體化緩沖器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 緩沖器工作原理

圖1 所示的一體化緩沖器，根據(jù)流體可壓縮性很小的特點(diǎn)，利用流體被擠壓產(chǎn)生的壓力，并結(jié)合緩沖彈簧作用力，對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力達(dá)到緩沖目的。通過(guò)控制流水孔參數(shù)和環(huán)形縫隙寬度調(diào)節(jié)套筒內(nèi)壓力和流動(dòng)速度，以優(yōu)化緩沖效果。緩沖器工作過(guò)程見(jiàn)圖2。帶緩沖器的控制棒組件在水中下落末段時(shí)，緩沖杯與下方碰撞部件接觸進(jìn)入緩沖階段。緩沖杯首先與下彈簧接觸，緩沖杯向上回壓、下彈簧向下壓直至壓縮行程結(jié)束。緩沖結(jié)束后，下彈簧向上復(fù)位，最終控制棒組件完全靜止；而緩沖彈簧則處于設(shè)計(jì)的最大壓縮狀態(tài)，直至控制棒組件被重新提起并與碰撞部件脫離接觸，緩沖彈簧推動(dòng)緩沖杯和套筒復(fù)位。

圖2 緩沖器工作過(guò)程示意圖

2 緩沖性能分析與試驗(yàn)

2.1 分析方法

將落棒過(guò)程分為碰撞前的下落和碰撞后的緩沖兩個(gè)階段，不考慮堆內(nèi)冷卻劑流動(dòng)對(duì)控制棒組件的阻力作用，緩沖器工作介質(zhì)保守設(shè)定為靜水。

2.1.1 碰撞前

對(duì)碰撞前的下落過(guò)程，將套筒、緩沖杯、拉桿和緩沖彈簧作為一個(gè)整體，考慮系統(tǒng)整體的外部流體粘性阻力和壓差阻力，依據(jù)牛頓第二定律，利用式（1）所示的運(yùn)動(dòng)方程描述下落過(guò)程[5]，并采用數(shù)值算法進(jìn)行計(jì)算。

式中：m1,m2分別為套筒（含模擬配重，以下相同）和緩沖杯的質(zhì)量；m1f,m2f分別為套筒和緩沖杯的流體附加質(zhì)量；CS為緩沖器的總體形狀阻力系數(shù)；x 為緩沖器的豎向下落位移；Scup為緩沖杯的截面積。

2.1.2 碰撞后

對(duì)碰撞后的緩沖過(guò)程，利用如式（2）所示的小孔流動(dòng)和式（3）所示的同心環(huán)形縫隙流動(dòng)原理[6]，模擬緩沖器套筒側(cè)壁流水孔和緩沖杯與套筒間環(huán)形縫隙的流動(dòng)，分析緩沖器的流體流動(dòng)特性。對(duì)套筒側(cè)壁流水孔：

式中：M 為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，包含套筒、緩沖杯和碰撞部件（彈性部分）的質(zhì)量以及流體對(duì)各構(gòu)件的附加質(zhì)量；C和K 為系統(tǒng)的阻尼矩陣，C 包含系統(tǒng)各構(gòu)件的形狀阻力系數(shù)、構(gòu)件間碰撞界面的碰撞阻尼和接觸函數(shù)，K 包含緩沖彈簧剛度、下彈簧剛度、各構(gòu)件間的碰撞剛度和接觸函數(shù)；FS為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)作用力載荷向量；FG為系統(tǒng)的重力載荷向量；FF為水力載荷向量。

2.2 參數(shù)設(shè)置

在堆內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)空間允許的尺度范圍內(nèi)設(shè)置緩沖器參數(shù)，分析不同參數(shù)組合時(shí)的緩沖性能。首先形成一組基準(zhǔn)參數(shù)，其中緩沖行程、環(huán)形縫隙寬度、流水孔相關(guān)參數(shù)等為可變參數(shù)，在基準(zhǔn)參數(shù)基礎(chǔ)上對(duì)可變參數(shù)進(jìn)行調(diào)整形成不同參數(shù)組合（見(jiàn)表1）。

表1 參數(shù)設(shè)置

2.3 緩沖試驗(yàn)

模擬控制棒組件在堆內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，采用一體化緩沖器試驗(yàn)件開(kāi)展落棒緩沖試驗(yàn)，試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)于分析時(shí)采用的各參數(shù)組合。試驗(yàn)件以表1 中的基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行制造，通過(guò)配置不同高度和外徑尺寸的緩沖杯、帶不同尺寸流水孔的堵孔塞等方式，調(diào)整緩沖行程、環(huán)形縫隙寬度和流水孔參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試獲得對(duì)應(yīng)的落棒時(shí)程曲線，并提取得到落棒最大沖擊力、落棒時(shí)間等參數(shù)。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 落棒沖擊力

圖3 給出了各工況的最大沖擊力分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，圖4 給出了典型工況的落棒沖擊力時(shí)程曲線的分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 各工況的最大落棒沖擊力

圖4 落棒沖擊力時(shí)程

根據(jù)圖3 和圖4 可以看出，沖擊力分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)是一致的，最大沖擊力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合性較好，表明分析方法準(zhǔn)確性較高。大多數(shù)工況的沖擊力都低于預(yù)期目標(biāo)值，表明一體化緩沖器可實(shí)現(xiàn)有效緩沖。圖5 給出了幾種典型工況的試驗(yàn)落棒沖擊力時(shí)程曲線。多數(shù)情況下，落棒沖擊力呈現(xiàn)出圖5 中(a)所示的雙峰特征，第一峰為緩沖器與下彈簧接觸時(shí)的沖擊，第二峰為緩沖行程結(jié)束時(shí)緩沖杯與套筒碰撞時(shí)的沖擊，第一峰沖擊力顯著高于第二峰沖擊力。等效過(guò)流面積是影響第一峰沖擊力的主要因素，沖擊力隨等效過(guò)流面積的減小而增大。當(dāng)套筒流水孔全封閉時(shí)，僅有環(huán)形縫隙可過(guò)流，使套筒內(nèi)水力作用增強(qiáng)，第一峰沖擊力劇增，而第二峰沖擊力很小，呈現(xiàn)出圖5 中(b)所示的第一峰突出、第二峰微小的特征。緩沖行程對(duì)第二峰沖擊力有顯著影響，沖擊力隨著緩沖行程增大而減小，當(dāng)緩沖行程足夠大時(shí)，緩沖杯與套筒的碰撞力很小，第二峰消失，呈現(xiàn)出圖5 中(c)所示的第一峰單峰特征；相反，緩沖行程不足時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)能不能被緩沖過(guò)程充分消耗，緩沖行程走完后仍有很大動(dòng)能，使得第二峰沖擊力很大并超過(guò)第一峰，呈現(xiàn)出圖5 中(d)所示的第一峰相對(duì)小、第二峰突出的特征。

圖5 典型工況的落棒沖擊力時(shí)程（試驗(yàn)結(jié)果）

圖6 給出了不同流水孔層數(shù)和開(kāi)設(shè)位置時(shí)的最大落棒沖擊力試驗(yàn)結(jié)果。開(kāi)三層流水孔時(shí)最大沖擊力均低于開(kāi)兩層流水孔時(shí)，即等效過(guò)流面積大時(shí)最大沖擊力小，與通過(guò)沖擊力時(shí)程曲線對(duì)比觀察得到的規(guī)律是一致的。套筒上開(kāi)設(shè)兩層流水孔時(shí)，第二層流水孔位置對(duì)沖擊力影響大，且第二層流水孔設(shè)置在套筒中間區(qū)域時(shí)沖擊力更小；第二層流水孔位置固定時(shí)，第一層流水孔位置變化對(duì)沖擊力的影響不明顯。套筒上開(kāi)設(shè)三層流水孔時(shí)，流水孔開(kāi)設(shè)位置的變化對(duì)沖擊力的影響不明顯，各工況的最大沖擊力相差不大。

圖6 典型工況的落棒沖擊力（試驗(yàn)結(jié)果）

2.4.2 落棒時(shí)間

圖7 給出了各工況的落棒時(shí)間。落棒時(shí)間主要受落棒高度的影響，各工況下落棒時(shí)間變化范圍不大。除個(gè)別工況外，大多數(shù)工況落棒時(shí)間的計(jì)算值均大于實(shí)測(cè)值，計(jì)算具有一定保守性。

圖7 落棒時(shí)間

3 緩沖器結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)

考慮小型堆控制棒組件的堆內(nèi)使用條件，對(duì)一體化緩沖器進(jìn)行力學(xué)分析，落棒沖擊載荷采用預(yù)期目標(biāo)值1500N，分析結(jié)果表明緩沖器各部件的應(yīng)力滿足準(zhǔn)則要求，緩沖彈簧在運(yùn)行使用中不會(huì)發(fā)生屈服。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)小型壓水堆控制棒組件使用特點(diǎn)開(kāi)展了落棒緩沖設(shè)計(jì)，分析和試驗(yàn)表明機(jī)械與水力一體化緩沖器可實(shí)現(xiàn)有效緩沖，用于小型堆控制棒組件是可行的。基于相關(guān)分析與試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)一體化緩沖器用于小型堆控制棒組件時(shí)的參數(shù)設(shè)置提出如下建議：

4.1 以降低第一峰沖擊力為主要目的，套筒總的過(guò)流面積不宜過(guò)小，流水孔層數(shù)宜大于2；緩沖彈簧的剛度不宜過(guò)大，保證緩沖杯復(fù)位即可，剛度值可根據(jù)落棒重量確定；在保證緩沖杯移動(dòng)順暢的前提下，緩沖杯與套筒的環(huán)形縫隙盡量小。

4.2 為避免第二峰沖擊力過(guò)大，在結(jié)構(gòu)空間允許范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)計(jì)足夠的緩沖行程。