AP1000系列培训-控制棒驱动机构

AP1000系列培训控制棒组件控制棒驱动机构棒控棒位及电源系统设备与材料管理处张伟2目录一．控制棒组件二．控制棒驱动机构三．棒控棒位系统四．控制棒供电电源系统五．其他3主要讲述内容I.材料II.概述III.设计参数、主要结构IV.制造V.试验、包装、运输、贮存VI.其他45控制棒组件控制棒组件具有用于反应堆启动、停堆、变更功率和反应堆保护功能。总体设计要求为：在反应堆运行反应性控制，以变更堆功率、冷却剂温度或硼浓度；通过把控制棒逐步插入燃料期间提供堆芯组件实现正常停堆；靠自身重力将控制棒快速插入燃料组件实现紧急停堆，落棒时间满足堆芯安全分析规定的时间要求；支撑控制棒，是控制棒排列与燃料组件中导向管的排列一致；吸收落棒行程末端剩余的能量，以防止对燃料组件和星形架中的弹簧产生冲击损伤；与驱动机构的驱动轴耦合为一体，确定准确的轴向定位；寿命只受燃耗限制而不受力学性能限制（设计寿命一般为15年）。控制棒6控制棒组件示意图控制棒7控制棒组件组成（1）星形架也称连接柄，是支撑控制棒和确保控制棒排列与燃料组件导向管排列一致的结构部件，具有与驱动轴可靠刚性连接和吸收控制棒快速下落产生冲击能量的作用。星形架由带16块径向分布翼板的中央圆筒和缓冲装置组成。分为：圆筒：304SS16块分布翼板：304SS24根指状管：304SS弹簧：因科镍718弹簧座：630SS导向螺栓：304SS控制棒组件控制棒8控制棒组件组成（2）控制棒由吸收体、包壳、弹簧和上下端塞组成。包壳：304SS吸收体：黑棒Ag-In-Cd（单相固溶体、熔点较高、热中子吸收截面高、超热中子吸收和共振吸收截面较高），灰棒退火304SS。弹簧：302SS上下端塞：308SS控制棒9控制棒组件分类►控制棒组件按棒束中吸收体的材料分为两类：一类称为黑体控制棒RCCA，另一类称为灰体控制棒GRCA；按照功能分为调节棒和停堆棒。►AP1000控制棒束组件共69束，其中53束RCCA和16束GRCA（37束调节棒和32束停堆棒）。每个组件包含24根控制棒。►调节棒（37）分组为MA（4）、MB（4）、MC（4）、MD（4）、M1（4）、M2（8）、AO（9）七组，用于控制堆芯轴向功率分布以及与堆芯负荷跟踪有关的功率变化引起的反应性变化；►停堆棒组(32)分组为SD1（8）、SD2（8）、SD3（8）、SD4（8）四组，用于确保反应堆在任何功率水平下都有足够的停堆裕量。►RCCA和GRCA的结构类似，星形架上连接翼片悬挂在中央连接柄上，控制棒悬挂在连接翼片上。控制棒10控制棒组件在堆芯分布控制棒11RCCA/GRCA分类及材料►RCCA分为三类：温度控制棒（M1、M2）、轴向功率分布控制棒（AO）和停堆棒（SD1、2、3、4）。黑体控制棒组主要是补偿反应堆运行时引起的反应性变化，也就是功率和温度的变化。►RCCA使用的吸收体材料为银Ag-铟In-镉Cd(80-15-5)合金。►GRCA（MA、MB、MC、MD）用于负荷跟踪操作，提供机械补偿替代使用改变硼浓度的化学补偿。►GRCA吸收体材料：12根银-铟-镉和12根304不锈钢组合而成控制棒插入堆芯步数：264控制棒12黑棒参数黑棒控制棒组件吸收体数目：24根；吸收体材料：Ag-In-Cd（80-15-5）；包壳材料：304SS；包壳外径：9.68mm；包壳厚度：0.47mm；吸收体直径：8.66mm；吸收体密度：10.17g/cm3；吸收体长度：4097mm；控制棒13灰棒参数Ag-In-Cd控制棒组件吸收体数目：12根；304SS控制棒组件吸收体数目：12根；包壳材料：304SS；包壳外径：9.68mm；包壳厚度：0.47mm；吸收体直径（Ag-In-Cd）：4.06mm；吸收体密度（Ag-In-Cd）：10.17g/cm3；吸收体直径（304SS）：8.66mm；吸收体密度（304SS）：7.90g/cm3；控制棒14控制棒组件制造包壳304冷精轧不锈钢管坯交替进行拉拔，每次冷拉后，在适当气氛中进行均匀化退火热处理，以获得要求的微观组织、抗腐蚀性能和表面光洁度；然后进行表面渗氮处理。工艺流程零部件清洁处理——安装下端塞——下端塞与包壳管焊接（钨极惰性气体保护焊TIG）——包壳管渗氮处理——装芯体——安装上端塞——上端塞与包壳管焊接（钨极惰性气体保护焊TIG）控制棒15控制棒组件制造组装超声波清洗内外缓冲弹簧、星形架、螺杆、弹簧座——组装成星形架组件——几何尺寸检查——星型架与螺杆锁紧点焊（TIG）——控制棒上部螺杆旋入星形架的导向螺母——配钻螺杆与螺母销钉孔——打入销钉并实施锁紧点焊——外观检查——与燃料组件配合做抽插力试验——产品贮存控制棒16控制棒驱动机构控制棒驱动机构（CRDM，简称驱动机构）是核反应堆系统中重要的机械设备，是反应堆控制和保护系统的一部分，是控制反应堆启动，调节功率，安全停堆的极为重要的执行机构。驱动机构的压力边界设备是反应堆主冷却剂系统压力边界的一部分，必须保证反应堆压力边界的完整性，保证无任何冷却剂的泄漏。目前各种反应堆采用的控制棒驱动机构种类很多，按驱动能源分，有电磁式、液、气三种；按照结构形式分，有滚珠螺母式、滚珠螺母式、齿条齿轮式、磁力提升式（销爪式）、液压驱动式、气压驱动式、钢丝滚轮式等七种，还有一些由它们衍生的结构形式。CRDM17对控制棒驱动机构的要求有：（1）控制棒须缓慢提升和快速落下，但最大和最小速度比不应超过约100：1,否则会使驱动机构过于复杂，可靠性降低。►（2）控制棒在任何故障情况下应朝着使反应堆更加安全的方向动作（故障安全准则），例如在钢丝绳折断时靠重力作用自行插入堆芯。►（3）控制棒驱动机构须在反应堆环境的温度，压力条件下可靠的工作。在压水堆中，驱动机构的一部分或全部在耐压密封壳内直接受到高温水和强辐射的作用；在气冷堆中，高温气体和伽马射线排除了润滑的可能。CRDM18对控制棒驱动机构的要求有：►（4）须有后备能量储存，以便在事故断电时仍能把控制棒完全插入堆芯，能量存储的形式有重力，弹簧，高压气瓶，水力储能器，蓄电池或飞轮等。►（5）为了减小快速落棒时反应堆结构和控制棒驱动机构所受到的机械冲击力和避免发生损坏，在控制棒落下的终端须设置某种制动和缓冲装置。►（6）控制棒驱动机构必须响应快，能使控制棒平滑动作和准确停止在需要位置上，并给出位置指示。►（7）对船用反应堆要求控制棒驱动机构在振动，冲击，摇摆和倾斜情况下可靠的工作。对所有反应堆都要求在地震，爆炸等事故情况下能确实安全停堆，同时又要避免不必要的频繁停堆。CRDM19典型反应堆控制棒驱动机构类型国家反应堆类型反应堆名称驱动机构美国PWR西平港滚珠丝杠—螺母前苏联FBRBH—350齿轮—齿条美国HTGR圣—符伦堡鼓轮—链锁中国PWR秦山磁力提升器中国HTGR10-HTR步进电机—环链美国BWRBWR/6锁紧式活塞液压驱动机构日本ABWRKashiwazakiKariwa-6and-7电力—液力组合式微调控制棒中国中国先进研究堆（CARR）可动线圈电磁铁驱动机构中国低温供热堆200MW低温核供热堆槽孔式水力步进缸驱动机构CRDM20各种反应堆与其主要采用控制棒驱动机构对照表反应堆类型控制棒驱动机构类型压水堆磁力提升器磁阻马达-滚珠丝杠驱动机构磁阻马达-齿轮齿条驱动机构沸水堆液压驱动机构内置电机-滚珠丝杠驱动机构高温气冷堆环链机构和绳轮机构快堆波纹管转动密封-齿轮、齿条机构低温供热堆水力驱动机构研究堆绳轮机构齿轮-齿条机构可动线圈电磁铁驱动机构脉冲堆高速汽缸驱动CRDM21左：齿轮—齿条传动机构上：鼓轮—链锁传动机构右：电力—液力组合的驱动机构CRDM22►►各种控制棒驱动机构特点简介23AP1000（L-106型）驱动机构主要特点目前国际上多数压水堆核电站的磁力提升式驱动机构都是以美国西屋公司研制的L-106型为基础进行改进设计的，目前应用在AP1000上的控制棒驱动机构相比同系列的其他驱动机构在结构上的主要特点为：1）钩爪壳体与顶盖贯穿件为一体，减少了一处canopy焊缝；2）取消了上部排气阀（顶端排气功能），减少了一处canopy焊缝。3）钩爪为双齿结构，钩爪和连杆材料为全钴基合金熔模铸件（STELLITE）；德国KWU公司的控制棒驱动机构比L-106A型机构，结构更简单，耐压壳部件与线圈部件都做了较大改进，技术更先进，机构整体性能更高。在俄罗斯和有俄罗斯出口核电站的一些欧洲国家和地区，采用的是一种俄式ШЭМ型磁力提升式控制棒驱动机构，这种俄式机构与美国L-106相比较，有很大差别。俄式机构的钩爪部件的一部分是伸到压力容器顶盖里面的，它的棒位探测器部件是数字化设计的系统，俄式机构在设计上很有特色，已经实现了驱动机构系统的数字化控制。CRDM24AP1000控制棒驱动机构示意图CRDM25CRDM26提升一步示意图CRDM27提升线圈提升线圈提升线圈提升线圈提升线圈提升线圈提升线圈CRDM28下插一步示意图CRDM29时间分配钩爪和衔铁都有一个吸合电流值和一个释放（复位）电流值，钩爪或衔铁只有在其工作线圈施加的电流值大于吸合电流值时，才能被吸合或提起，小于释放电流值时，才能回复到原始位置。吸合电流值与释放电流值不相等，一般，吸合电流大于释放电流。钩爪和衔铁的动作点有6个（其中3个为吸合点和3个为释放点），其间的配合应有明显的间隔，而不应挤在一起或拉得太开，以确保驱动机构可动部件动作的顺畅。三个线圈电流的大小和通电时间的长短对钩爪和衔铁的动作点互有影响，应从试验中获取最佳的配合。CRDM30安全、质保等级及抗震要求控制棒驱动机构由驱动杆部件、钩爪部件、承压壳体部件、线圈部件组成。设备分级安全分级质保要求抗震类别规范等级棒行程壳体ASC-1QA1INB分卷1级钩爪壳体ASC-1QA1INB分卷1级钩爪部件CSC-3QA1I非规范驱动杆部件CSC-3QA1I非规范导磁环D非安全级QA3I非规范磁轭线圈部件D非安全级QA3I非规范导向隔热套D非安全级QA3I非规范CRDM31主要设计参数设计压力：17.24MPaabs（2500psia）设计温度：343.3℃（650℉）工作介质：一回路主冷却剂承压壳体部件设计寿命60年1800万步其余部件设计寿命60年600万步步距：15.88±0.076mm（0.625±0.003inches）行程：266步运行速率：8～72步/分（127mm/min~1143mm/min）额定提升负荷：1780N（400lb）运行线圈允许的长期工作温度：200℃（392℉）运行线圈允许的短时工作温度：230℃机构释棒时间：≤150ms落棒次数：300次CRDM32主要参数（续）落棒时间：从堆顶自由落入堆芯的时间，在不考虑地震载荷情况下落至缓冲口的落棒时间不得超过2.15秒，落至缓冲段底部的落棒时间不得超过3.0秒；在考虑地震载荷情况下，落至缓冲口的落棒时间不超过3.0秒，落至缓冲段底部的落棒时间不超过4.2秒。以现在百万千瓦核电机组为例，40年寿期不包括负荷跟踪大约运行170万步，从电厂运行经验来看，负荷跟踪频率不高，如果考虑负荷跟踪采用调棒控制，频率为1次/2天，包括负荷跟踪大约运行420万步。CRDM33主要接口►（1）反应堆总体对驱动机构总体功能的要求；►（2）反应堆总体对驱动机构主要技术参数和指标的规定；►（3）驱动机构在安全壳内正常运行条件和事故工况运行条件，事故工况的要求；►（4）反应堆顶盖上驱动机构的总布置方案、布置图；►（5）驱动机构的外形尺寸、冷却风道的尺寸及冷却风的出入口温度限制；►（6）棒行程壳体部件与钩爪壳体梯形螺纹和“Ω”型密封焊尺寸；►（7）驱动杆部件与控制棒组件连接柄结构和尺寸；►（8）线圈部件与驱动机构控制电源接插件规格及运行电流参数；►（9）棒位探测器部件与棒位控制系统接插件规格及工作电流参数；►（10）控制棒组件重量和控制棒组件磨擦阻力限制值；►（11）驱动机构抗震支撑和棒行程壳体部件连接尺寸；CR