朱學微，羅 忠，甄建霄，王玉林

(中國原子能科學研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計所，北京 102413)

安全棒驅(qū)動機構(gòu)是反應(yīng)堆可靠運行和安全停堆的關(guān)鍵設(shè)備。中國先進研究堆(CARR)共設(shè)置了2根安全棒，其功能是用于快速落棒安全停閉反應(yīng)堆[1]。CARR采用動水壓式安全棒驅(qū)動機構(gòu)，在調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)水壓不穩(wěn)或電磁閥故障引起安全棒工作不穩(wěn)定，脫離上部終端，針對上述問題本文提出安全棒驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動方式的改進方法。

1 CARR安全棒驅(qū)動機構(gòu)介紹

CARR共有2根安全棒，設(shè)置在重水箱內(nèi)，是反應(yīng)堆事故停堆的安全保障。安全棒驅(qū)動機構(gòu)設(shè)置在導(dǎo)流箱上，穿過重水箱自上而下驅(qū)動處于重水箱內(nèi)的安全棒[2]。CARR安全棒驅(qū)動機構(gòu)采用水力驅(qū)動方式，其回路結(jié)構(gòu)如圖1所示，是以流體動壓原理設(shè)計的水力缸為驅(qū)動部件的安全棒驅(qū)動系統(tǒng)。水力驅(qū)動缸由缸體和活塞組成，安全棒和運動組件與活塞剛性連接。該水力驅(qū)動缸由其控制單元控制，控制單元由電磁閥和若干阻力節(jié)組成。來自重水箱中的重水經(jīng)泵加壓后通過控制單元進入水力驅(qū)動缸。當電磁閥打開時，由進水口進入缸內(nèi)的高壓水推動活塞向上移動直至活塞到達缸體頂部的出水孔以上，并依靠流體的動壓保持在該位置上。當安全棒落棒時，打開電磁閥，或系統(tǒng)斷電，電磁閥失效打開，同時驅(qū)動泵停止運行，缸內(nèi)水流經(jīng)電磁閥迅速返回至重水箱內(nèi)，安全棒運動組件在自身重力的作用下，在1 s內(nèi)落至底端，使反應(yīng)堆停止。在缸體下端設(shè)置緩沖器，以緩沖安全棒落棒時產(chǎn)生的沖擊載荷。安全棒行程的上、下端點設(shè)有電感位置指示器，用以指示安全棒是否到達上下終端位置[3]。

2 存在問題及原因分析

2.1 安全棒提升過程中落棒

在中國先進研究堆C階段調(diào)試過程中，操縱員提升安全棒時，1號安全棒提起后意外落棒，經(jīng)現(xiàn)場檢查，安全棒動力電源進線電壓、電流正常，驅(qū)動泵運轉(zhuǎn)正常，但電磁閥線圈出現(xiàn)局部燒損，經(jīng)測量該線圈表面溫度較其他線圈表面溫度高。由于電磁閥在安全棒驅(qū)動機構(gòu)運行時一直保持通電狀態(tài)，其電磁線圈發(fā)出熱量隨時間積累，導(dǎo)致電磁閥的電磁線圈老化，電磁閥失效，引發(fā)意外落棒。

2.2 安全棒脫離上部終端

在中國先進研究堆C階段調(diào)試過程中，反應(yīng)堆已提升核功率至56 MW穩(wěn)定運行，各工藝系統(tǒng)運行正常。投入自動調(diào)節(jié)后，操縱員發(fā)現(xiàn)功率振幅變大，解除自動調(diào)節(jié)，檢查發(fā)現(xiàn)1號安全棒上部終端指示燈時亮、時滅，操縱員按臨時停堆按鈕手動下插補償棒下降功率直至停堆。停堆后，檢查發(fā)現(xiàn)1號安全棒水力驅(qū)動回路泵出口和入口壓差過小。調(diào)整安全棒水力驅(qū)動泵出口閥開度后，壓力恢復(fù)到正常，驅(qū)動泵工作正常。隨后檢查安全棒提棒、落棒功能均正常。

分析認為，導(dǎo)致1號安全棒脫離上部終端的原因是驅(qū)動泵出口閥正常工作開度僅為1/20圈，長時間運行中因管路振動導(dǎo)致其開度發(fā)生變化，引起泵出口壓力降低，驅(qū)動力不足，導(dǎo)致安全棒脫離上部終端。當安全棒脫離上部終端后，系統(tǒng)自動退出自動調(diào)節(jié)，從而引起了功率的波動。

圖1 安全棒驅(qū)動機構(gòu)回路結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 解決方法

驅(qū)動泵和電磁閥在反應(yīng)堆功率運行期間長期處于負荷工作狀態(tài)，在安全棒水力驅(qū)動機構(gòu)回路出現(xiàn)異常情況下，如過濾網(wǎng)堵塞、回路壓力過低，就無法保持安全棒在上部終端位置，通過調(diào)節(jié)回路閥門增加流量，提高壓力，進一步加大了驅(qū)動泵和電磁閥工作負荷，情況嚴重時導(dǎo)致電磁閥線圈燒損等意外情況發(fā)生。所以，要徹底消除這些問題，需考慮改變安全棒驅(qū)動機構(gòu)的工作方式。

3 水力提升-水力磁力保持式安全棒驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

為保證CARR安全棒工作的可靠性與穩(wěn)定性，將CARR安全棒驅(qū)動機構(gòu)由現(xiàn)有的水力驅(qū)動式工作方式改為水力提升-水力磁力保持式工作方式，該工作方式在維持原有工作方式不變的情況下增加磁力保持手段，安全棒的保持動力由驅(qū)動泵提供的動水壓力和磁力保持裝置產(chǎn)生的磁力共同提供。兩種保持動力中任意一種單獨工作時提供的動力均可保證安全棒維持在頂部位置。其驅(qū)動機構(gòu)如圖2所示。圖2中，在安全棒頂端加裝銜鐵組件，銜鐵組件與安全棒剛性連接。在安全棒套筒外側(cè)增設(shè)磁力保持裝置。磁力保持裝置基于磁阻最小原理設(shè)計，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合[4]。由銅質(zhì)漆包線繞制成保持線圈，線圈骨架采用阻磁材料不銹鋼，線圈盒采用導(dǎo)磁材料。通電后保持線圈產(chǎn)生的磁場將沿著線圈盒上導(dǎo)磁蓋、線圈盒、下導(dǎo)磁蓋、銜鐵組件及套筒盒銜鐵之間的主氣隙形成閉合磁回路，磁力保持裝置產(chǎn)生的電磁力將銜鐵組件吸住，達到磁力保持的目的。提升安全棒的過程中使用較大流量，以提供足夠的水力動壓提升安全棒，當安全棒提升至頂部終端位置時，啟動磁力保持裝置，同時減小回路流量，水力驅(qū)動泵提供的動壓可維持安全棒在頂部位置，以減小水力驅(qū)動泵和電磁閥的工作負荷。設(shè)置安全棒驅(qū)動泵出口壓力和磁力保持裝置電流電壓讀數(shù)兩個測點，以監(jiān)督兩種裝置的工作情況，當某個測點發(fā)生故障時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，操縱員將有足夠時間進行判斷處理。水力驅(qū)動和磁力保持二者互為冗余，在任一裝置動力發(fā)生故障時，另一裝置可提供足夠的維持動力保證安全棒位于上部終端，大幅降低了安全棒意外落棒的幾率。磁力保持裝置、電磁閥和安全棒驅(qū)動泵由同一電源進行供電，由斷路器控制供電的通斷，當需要下落安全棒時，如停堆、發(fā)生斷電或意外事故時，斷開斷路器，磁力保持裝置、電磁閥和驅(qū)動泵同時失電，斷電后安全棒驅(qū)動泵停止，電磁閥失效打開，磁力保持裝置磁力消失可對安全棒驅(qū)動線立即釋放，使安全棒依靠重力作用快速下插，緊急落棒與原來一致，因此不會增加由磁力保持裝置帶來的卡棒風險，也不會增加不能緊急停堆的幾率。套筒內(nèi)，活塞以下的重水通過排水管排出套筒，空氣通過頂部的排氣口進入套筒，從而保證了正常落棒，在安全棒驅(qū)動機構(gòu)底部設(shè)置有緩沖彈簧，安全棒組件不會直接接觸緩沖彈簧，而是活塞落在緩沖彈簧上，不會對安全棒組件造成直接沖擊。這樣，降低了驅(qū)動泵和電磁閥長期工作負荷，保證了落棒有足夠的緩沖，減少了意外落棒的幾率。另外，磁力保持裝置工作時產(chǎn)生的電磁力會將銜鐵組件牢牢吸在頂部位置，消除在水力單獨驅(qū)動情況下，活塞因壓力波動發(fā)生的上下抖動、旋轉(zhuǎn)情況，避免了長期工作可能出現(xiàn)的磨損缸體，引發(fā)卡棒等問題的發(fā)生。

圖2 水力提升-水力磁力保持式安全棒驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 磁力保持裝置電磁場分析

使用Ansoft Maxwell有限元分析軟件[5-6]對水力提升-水力磁力保持式安全棒驅(qū)動機構(gòu)的磁力保持裝置的電磁場進行有限元分析，得到磁力保持裝置磁路的電磁場分布和電磁力。Ansoft Maxwell有限元分析軟件應(yīng)用于該類型磁路的CARR控制棒驅(qū)動機構(gòu)電磁場分析結(jié)果已通過控制棒驅(qū)動機構(gòu)原理樣機試驗得到驗證，證明其計算結(jié)果誤差在合理范圍內(nèi)，適用于該類型磁路的電磁場分析。圖3為磁力保持裝置在Maxwell中的模型，由于該驅(qū)動機構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此對二維模型進行了簡化，只對磁回路主要構(gòu)成部分進行建模：銜鐵組件、電磁線圈、氣隙和線圈盒。銜鐵組件材料為0Cr13，磁導(dǎo)率按B-H曲線動態(tài)變化，電磁線圈材料為銅，線圈盒材料為0Cr13，隔離套筒等不銹鋼材料的磁導(dǎo)率與空氣相近，因此將隔離套筒等其他不銹鋼材料部分設(shè)置為氣隙，氣隙介質(zhì)設(shè)置為空氣[7]。由于主磁路材料的相對磁導(dǎo)率很大，故忽略主磁路外空氣中的磁漏。圖4為安全棒驅(qū)動機構(gòu)有限元模型網(wǎng)格剖分圖，將所求解區(qū)域分為28 596個網(wǎng)格單元。電磁線圈激勵設(shè)置為8 000安匝，求取參數(shù)為銜鐵組件所受的電磁力。

圖3 磁力保持裝置有限元模型

圖5為Maxwell分析過程誤差收斂曲線，經(jīng)5次收斂最終將誤差收斂為0.004 46%。圖6為驅(qū)動機構(gòu)磁力線分布。圖7為驅(qū)動機構(gòu)磁感應(yīng)強度分布。求解銜鐵組件受到的電磁力為1 532.2 N。通過改變模型參數(shù)可對設(shè)計進行優(yōu)化。

圖4 磁力保持裝置有限元模型網(wǎng)格剖分圖

圖5 分析誤差收斂

圖6 磁力保持裝置磁力線分布

圖7 磁力保持裝置磁感應(yīng)強度分布

4 結(jié)論

1) 通過分析找出CARR安全棒在調(diào)試運行過程中運行不穩(wěn)定的原因為：安全棒水力驅(qū)動式的工作方式長期運行存在安全隱患。

2) 設(shè)計使用Ansoft Maxwell電磁場有限元分析軟件對水力提升-水力磁力保持式安全棒驅(qū)動機構(gòu)磁力保持裝置進行建模分析計算，得到該驅(qū)動機構(gòu)電磁場分布及提升力的數(shù)值為1 532.2 N，安全棒驅(qū)動線總重為720 N，使用2組線圈可達到安全棒驅(qū)動線重量的2.12倍，具備一定裕度。

3) 新設(shè)計的水力提升-水力磁力保持式安全棒驅(qū)動機構(gòu)工作方式，在保持原有安全棒驅(qū)動機構(gòu)工作性能穩(wěn)定性的前提下，安全棒頂部終端增設(shè)磁力保持裝置，兩套裝置同時工作，互為冗余，一套裝置失效后，另一套裝置提供的動力可使安全棒保持頂端位置，操縱員根據(jù)報警提示有足夠時間進行判斷處理，降低了因安全棒意外落棒而觸發(fā)保護系統(tǒng)停堆信號的幾率，減少了驅(qū)動泵和電磁閥的工作負荷，降低了安全隱患，增加了安全棒工作的安全性和可靠性，同時不會增加無法緊急停堆的幾率。

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