黃春蘭 岳 題 朱發(fā)文 冉仁杰 黃 山

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610213）

控制棒組件作為中子吸收體，在反應(yīng)堆緊急停堆時快速落棒插入堆芯，實現(xiàn)反應(yīng)堆安全停堆[1]?？焖俾浒魰r間和落棒沖擊載荷是考察控制棒落棒性能的關(guān)鍵指標[2]。在控制棒落棒終了時會引入較大的沖擊載荷，通常在控制棒驅(qū)動線上設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)，保證落棒時間滿足要求的同時降低對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燃料組件導(dǎo)向管下部具有一定長度的緩沖段來實現(xiàn)水力緩沖[1]。在緩沖段導(dǎo)向管內(nèi)徑減小，在落棒過程中通過小間隙擠水使導(dǎo)向管內(nèi)部冷卻劑壓力劇增，對快速下插的控制棒提供阻力，達到緩沖的目的。對小型壓水堆而言，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，達不到理想的緩沖效果；且控制棒長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題。為此，針對小型堆中空間窄小條件下的控制棒落棒緩沖需求開展設(shè)計研究，提出可行的落棒緩沖方案，并進行性能分析與試驗驗證，為小型堆控制棒組件研發(fā)提供參考。

1 機械與水力一體化緩沖設(shè)計

1.1 緩沖方案及緩沖器結(jié)構(gòu)

針對小型堆控制棒組件落棒行程短、控制棒柔性差等特點，控制棒與燃料組件導(dǎo)向管間采用大間隙設(shè)計，不設(shè)置導(dǎo)向管緩沖段，以降低控制棒落棒不暢風(fēng)險。為了降低落棒沖擊載荷，考慮小型堆的結(jié)構(gòu)特點及控制棒驅(qū)動線軸向空間，利用控制棒組件頂部的連接柄進行機械緩沖與水力緩沖一體化設(shè)計，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)置若干對稱布置的小尺寸流水孔。緩沖器及對應(yīng)的碰撞部件結(jié)構(gòu)見圖1。其中碰撞部件包括剛性件（對應(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，利用流體被擠壓產(chǎn)生的壓力，并結(jié)合緩沖彈簧作用力，對構(gòu)件產(chǎn)生運動阻力達到緩沖目的。通過控制流水孔參數(shù)和環(huán)形縫隙寬度調(diào)節(jié)套筒內(nèi)壓力和流動速度，以優(yōu)化緩沖效果。緩沖器工作過程見圖2。帶緩沖器的控制棒組件在水中下落末段時，緩沖杯與下方碰撞部件接觸進入緩沖階段。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，緩沖彈簧推動緩沖杯和套筒復(fù)位。

圖2 緩沖器工作過程示意圖

2 緩沖性能分析與試驗

2.1 分析方法

將落棒過程分為碰撞前的下落和碰撞后的緩沖兩個階段，不考慮堆內(nèi)冷卻劑流動對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

對碰撞前的下落過程，將套筒、緩沖杯、拉桿和緩沖彈簧作為一個整體，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）所示的運動方程描述下落過程[5]，并采用數(shù)值算法進行計算。

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

對碰撞后的緩沖過程，利用如式（2）所示的小孔流動和式（3）所示的同心環(huán)形縫隙流動原理[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，分析緩沖器的流體流動特性。對套筒側(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)組合時的緩沖性能。首先形成一組基準參數(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)，在基準參數(shù)基礎(chǔ)上對可變參數(shù)進行調(diào)整形成不同參數(shù)組合（見表1）。

表1 參數(shù)設(shè)置

2.3 緩沖試驗

模擬控制棒組件在堆內(nèi)的運行狀態(tài)，采用一體化緩沖器試驗件開展落棒緩沖試驗，試驗工況對應(yīng)于分析時采用的各參數(shù)組合。試驗件以表1 中的基準參數(shù)進行制造，通過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)試驗參數(shù)測試獲得對應(yīng)的落棒時程曲線，并提取得到落棒最大沖擊力、落棒時間等參數(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)果和試驗結(jié)果，圖4 給出了典型工況的落棒沖擊力時程曲線的分析結(jié)果和試驗結(jié)果。

圖3 各工況的最大落棒沖擊力

圖4 落棒沖擊力時程

根據(jù)圖3 和圖4 可以看出，沖擊力分析結(jié)果與試驗結(jié)果的變化趨勢是一致的，最大沖擊力的計算值與實測值符合性較好，表明分析方法準確性較高。大多數(shù)工況的沖擊力都低于預(yù)期目標值，表明一體化緩沖器可實現(xiàn)有效緩沖。圖5 給出了幾種典型工況的試驗落棒沖擊力時程曲線。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的沖擊，第二峰為緩沖行程結(jié)束時緩沖杯與套筒碰撞時的沖擊，第一峰沖擊力顯著高于第二峰沖擊力。等效過流面積是影響第一峰沖擊力的主要因素，沖擊力隨等效過流面積的減小而增大。當(dāng)套筒流水孔全封閉時，僅有環(huán)形縫隙可過流，使套筒內(nèi)水力作用增強，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，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，系統(tǒng)動能不能被緩沖過程充分消耗，緩沖行程走完后仍有很大動能，使得第二峰沖擊力很大并超過第一峰，呈現(xiàn)出圖5 中(d)所示的第一峰相對小、第二峰突出的特征。

圖5 典型工況的落棒沖擊力時程（試驗結(jié)果）

圖6 給出了不同流水孔層數(shù)和開設(shè)位置時的最大落棒沖擊力試驗結(jié)果。開三層流水孔時最大沖擊力均低于開兩層流水孔時，即等效過流面積大時最大沖擊力小，與通過沖擊力時程曲線對比觀察得到的規(guī)律是一致的。套筒上開設(shè)兩層流水孔時，第二層流水孔位置對沖擊力影響大，且第二層流水孔設(shè)置在套筒中間區(qū)域時沖擊力更??；第二層流水孔位置固定時，第一層流水孔位置變化對沖擊力的影響不明顯。套筒上開設(shè)三層流水孔時，流水孔開設(shè)位置的變化對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（試驗結(jié)果）

2.4.2 落棒時間

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

圖7 落棒時間

3 緩沖器結(jié)構(gòu)完整性評價

考慮小型堆控制棒組件的堆內(nèi)使用條件，對一體化緩沖器進行力學(xué)分析，落棒沖擊載荷采用預(yù)期目標值1500N，分析結(jié)果表明緩沖器各部件的應(yīng)力滿足準則要求，緩沖彈簧在運行使用中不會發(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開展了落棒緩沖設(shè)計，分析和試驗表明機械與水力一體化緩沖器可實現(xiàn)有效緩沖，用于小型堆控制棒組件是可行的?；谙嚓P(guān)分析與試驗結(jié)果，對一體化緩沖器用于小型堆控制棒組件時的參數(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，套筒總的過流面積不宜過小，流水孔層數(shù)宜大于2；緩沖彈簧的剛度不宜過大，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大，在結(jié)構(gòu)空間允許范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)計足夠的緩沖行程。