田灣核電站控制棒意外下落的研究

朱術超

（核電運行研究（上海）有限公司，上海 314000）

0 引言

田灣核電站1 號、2 號機組為俄羅斯VVER 機組，控制棒共103 束、分為10 組（第1～第7 組為停堆棒組，第8～第10 組為調節棒組），控制棒的移動由控制棒驅動機構驅動、工作電壓由控制棒控制機柜提供。其中，控制棒驅動機構由俄羅斯OKB“GIDROPRESS”公司設計制造，主要有承壓殼體、電磁組件、移動組件（棘爪）、驅動桿和棒位傳感器等部件，主要功能是為驅動控制棒組件在堆芯燃料組件中上、下移動，實現反應堆啟動、功率調節和停堆等，通過棒位傳感器傳送控制棒束在堆芯的位置信號。

兩個機組的棒控棒位系統（CPS 系統）由俄羅斯VNIIEM 公司設計制造，包括保護預保護執行子系統、控制棒供電子系統和棒位測量子系統（其中包含41 臺控制棒動力控制機柜），系統設計使用壽命為40 年，機柜內模件使用壽命不低于10 年。控制棒動力控制機柜主要包括交流供電模件（BU1）、直流供電模件、開關等部件，設備分級為CC1，安全等級為SR。動力控制機柜的主要功能是，為控制棒驅動機構的提升線圈、鎖緊線圈、固定線圈提供工作電流，根據控制指令驅動控制棒驅動機構，實現控制棒在燃料組件中的移動。機柜交流供電模件BU1 發生故障時，可以切換到直流供電（110 V）實現控制棒雙保持功能。

2017—2021 年，1 號、2 號機組共計發生了10 次控制棒意外下落事件。針對此問題，江蘇核電組織國內外設計院、制造廠家和同行電站專家進行咨詢評估，深入分析、研究控制棒意外下落原因。

1 原因分析

1.1 動力控制機柜

控制棒動力控制機柜主要包括交流供電模件和直流供電模件，通過交流供電模件向控制棒驅動機構保持線圈、提升線圈和鎖緊線圈提供交變電流，控制控制棒的上提和下插動作。如果交流供電模件出現故障，則立刻切換至直流供電模件，向驅動機構保持線圈和鎖緊線圈供電，避免控制棒意外下落。在交流供電模件故障未能切換至直流供電情況下，會發生控制棒意外下落事件。

1.1.1 直流供電模件

直流供電模件的功能是在交流供電模件故障后，切換至直流供電模件，避免控制棒意外下落。直流供電模件故障不會直接導致驅動機構失去供電，發生控制棒意外下落事件。根據1 號、2號機組10 次控制棒意外下落事件過程記錄，對相關直流供電模件的測試結果未發現異常。

1.1.2 交流供電模件

在2019 年1 月（1 號機組03-24 控制棒下落）和4 月（2 號機組12-35 控制棒下落）兩次下落事件分析過程，通過對控制棒交流供電模件的測試發現，控制棒交流供電模件邏輯設計存在缺陷：模件供電切換監測回路設計不合理，模件內部供電切換監測回路的監測值取自放大單元的輸出端，未能監測線圈實際的電流輸出值，在交流供電模件內部元器件異常導致輸出電流減小或波形異常的情況下不能正確觸發其保護功能，未切換到直流供電模件供電，從而導致控制棒在移動過程中意外掉落。

（1）2019 年1 月1 號機組03-24 控制棒下落的具體原因為：控制棒交流供電模件內部放大單元可變電阻故障，導致固定線圈輸出電流降低。由于模件供電切換監測回路設計不合理，模件內部供電切換回路監測值取自放大器單元的輸出端，未監測線圈實際的電流輸出值，導致交流供電模件輸出電流偏低時未及時切換至直流供電模件，控制棒意外下落事件發生。

（2）2019 年4 月2 號機組12-35 控制棒下落的原因為：控制棒交流供電模件內部可控硅控制器故障，導致鎖緊線圈輸出電流降低且輸出波形異常。由于模件供電切換監測回路設計不合理，模件內部供電切換回路監測值取自放大器單元的輸出端，未監測線圈實際的電流輸出值，導致交流供電模件輸出電流偏低時未及時切換至直流供電模件，控制棒意外下落事件發生。

1.1.3 交流供電模件元器件的故障

1 號、2 號機組控制棒動力控制機柜分別在2003 年、2004年完成安裝和調試，開始投入運行。柜內的交流供電模件執行糾正性維修策略，在2017 年前未設置定期更換項目。根據糾正性維修記錄，控制棒交流供電模件故障次數約在5 次/年。

2021 年6 月，在控制棒活動性試驗前進行供電回路檢查過程意外下落。對交流供電模件進行臺架檢查測試發現，交流供電模件上的PRT1 卡件的可擦除存儲器EPROM 老化，導致模件性能下降。進行鎖緊線圈供電回路檢查時，EPROM 輸出異常影響固定線圈的輸出電流降低，但未達到直流供電模件切換閾值。可以判定，固定線圈電流減小導致形成的磁力不足，固定棘爪無法抓住驅動桿，致使11-28 控制棒意外下落。

2021 年8 月，在控制棒活動性試驗過程進行上提時意外下落。檢查在線電流監測記錄發現，02-33 控制棒的交流供電模件鎖緊線圈和固定線圈的輸出電流時序異常，控制棒上提過程中鎖緊線圈電流異常降低且固定線圈無輸出，交流供電模件輸出電流異常未切換至直流供電，導致控制棒掉落。通過對交流供電模件進行臺架檢查測試發現，模件PRT1 板卡的數模轉換器故障，影響固定線圈和鎖緊線圈電流輸出，致使02-33 控制棒意外下落。

1.2 控制棒驅動機構

VVER 機組的控制棒驅動機構主要包括承壓殼體、電磁組件、移動組件、驅動桿和棒位傳感器等，而移動組件主要由可動磁極、不可動磁極和棘爪組成。其工作原理為：交變電流通過電磁線圈產生磁場，可動磁極和不可動磁極按照磁場變化動作，帶動相應的棘爪實現對驅動桿的夾持和移動。如果可動磁極、不可動磁極、套筒或棘爪出現短時失效，就有可能會出現棘爪動作異常，導致控制棒在移動過程中意外下落。

1.2.1 移動組件短時失效的原因

控制棒驅動機構移動組件短時失效的可能原因有兩個，分別為移動組件內部機械磨損和移動組件內部進入外部雜質。

（1）內部機械磨損。根據研究表明，制造控制棒驅動機構的鋼材均具有高耐腐蝕性、高耐磨損性，同時該型號控制棒驅動機構做過20 萬步的全壽命型式試驗，并且在俄羅斯、保加利亞多個核電站有長期應用經驗。田灣核電站1 號、2 號機組歷次大修對控制棒驅動機構的檢查記錄表明，均未發現異常腐蝕和磨損現象；并且發生過落棒事件的驅動機構在后續燃料循環內經歷了多次移動操作，結果均正常。因此，可以排除驅動機構內部機械磨損導致控制棒意外下落的可能。

（2）移動組件內部進入雜質。當一回路不溶性雜質進入移動組件內部，可能會導致控制棒驅動機構的移動組件短時失效。另外，棘爪與套筒間存在雜質。根據相關結構圖，棘爪與套筒之間的間隙較小，雜質容易到達且不易移除，只有在動作振動或棘爪與套筒之間的擠壓力下將雜質擊碎，才能消除影響。如果雜質擠壓在此，每次提升后驅動桿對棘爪的向下的沖擊力，可能導致雜質向更狹窄的下方區域移動，從而形成棘爪的短時失效。隨著不溶性雜質在棘爪動作、驅動機構設備振動、一回路冷卻劑流動等情況下從棘爪處脫離，棘爪動作又恢復正常。因此，棘爪與套筒之間的雜質可能會使帶套筒的可動磁極未達到全行程，棘爪未完全抱住驅動桿，造成驅動機構部件短時失效，導致控制棒意外下落。

1.2.2 移動組件動作失效的雜質來源

（1）控制棒驅動機構腐蝕性產物的堆積。控制棒驅動機構部件制造時使用了馬氏體不銹鋼，由于制造商在出廠前沒有對驅動機構進行足夠的鈍化處理，在新的驅動機構使用初期，還沒有形成完整的保護膜（保護膜形成一般需要10 周）之前，會生成腐蝕產物。1 號、2 號機組控制棒驅動機構的轉動軸和棘爪材料為馬氏體不銹鋼，存在形成腐蝕產物的可能。但在出現控制棒意外下落事件時，相應的控制棒驅動機構移動組件已長期運行，轉動軸和棘爪表面鈍化膜早已形成。因此可以排除由于控制棒驅動機構自身形成的腐蝕產物導致控制棒滑步和意外下落的可能原因。

（2）控制棒驅動機構運行磨損產生雜質。控制棒在運動過程中，固定磁極與可動磁極之間、棘爪與驅動桿之間相互撞擊，在長期作用下存在一定程度的正常磨損，會有小顆粒物質從部件上脫落形成雜質。根據1 號、2 號機組控制棒驅動機構設計文件，控制棒驅動機構設計壽命為30 年，全雙行程次數不少于6000 次，緊急落棒次數不少于300 次。2017 年控制棒意外下落首次發生時，1 號、2 號機組控制棒驅動機構運行約10 年，經估算雙行程次數不大于300 次、緊急落棒次數不大于50 次，控制棒驅動機構運行年限和移動行程均未超過設計值的20%。同時，大修期間對控制棒驅動機構的檢查項目結果表明，未發現有明顯磨損現象。因此，由于控制棒驅動機構運行磨損產生雜質的可能性較低。

（3）一回路化學離子結合形成不溶性雜質。一回路中存在硼酸、氯離子、硫酸根離子、硅酸根等化學離子，如果它們與其他物質結合產生不溶性雜質，該雜質進入驅動機構部件內部就可能導致控制棒驅動機構部件的短時失效。根據一回路化學特性，化學離子可能會產生硅酸鹽類物質、SiO2結晶、硼酸結晶、其他雜質等。根據對一回路中化學離子含量的分析，一回路中并不存在鈣、鎂、鋁離子，無法形成硅酸鹽類物質。硅酸離子與微量鐵離子在冷卻劑中呈離子形態，也不會形成硅酸鹽；一回路中SiO2濃度為373 μg/L，機組運行初期最高為842 μg/L，遠未達到SiO2的析出點，因此在機組運行過程一回路設備表面不會形成SiO2結晶；在高溫水中硼酸與水完全互溶，也不存在硼酸析出形成晶體的可能；一回路中其他離子（氯離子、硫酸根離子、鐵離子）及TOC（Total Organic Carbon，總有機碳）均含量極低，硼酸—總堿金屬濃度控制合理，未發生過控制指標偏離的情況，不存在析出形成雜質的可能。因此，大修期間和正常運行期間，可以排除一回路化學離子結合形成不溶性雜質的可能。

（4）外部不溶性雜質隨設備檢修被帶入一回路。大修期間，大量一回路設備處于開口檢修狀態，外部不溶性雜質可能會隨著設備檢修過程被帶入一回路。壓力容器開口檢修階段，由于設備閘門雙開，存在外部雜質隨空氣進入一回路的可能。根據VVER機組設計，一回路冷卻劑凈化系統中沒有設置機械過濾器，而是通過樹脂床進行過濾，經估算有效過濾孔徑約100 μm。因此，一些細小雜質有較大可能被一回路冷卻劑帶入驅動機構部件并進入棘爪，造成棘爪動作過程的短時失效。因此，存在外部不溶性雜質隨設備檢修和一回路開口進入的可能。

2 結論

通過對田灣核電站1 號、2 號機組控制棒意外下落事件的檢查和分析，導致控制棒意外下落的原因主要有兩個：一是控制棒供電系統模件故障（包括偶發故障）；二是設備檢修和一回路開口期間，外部不溶性雜質隨著一回路冷卻劑被帶入移動組件內部，可能會造成控制棒驅動機構棘爪短時動作異常。