可動線圈控制棒電磁驅動線驗證試驗

張之華，錢達志，鄧勇軍，薄涵亮，徐顯啟，吳莘馨，米向秒

可動線圈控制棒電磁驅動線是一種新型反應堆控制棒驅動線。國外，20世紀末在日本JRR－3M上首次成功使用；國內，21世紀初由清華大學吳元強教授等研制成功。它通過電磁力驅動控制棒等部件在堆內運動，實現反應堆的開堆、停堆、功率調節。其設計原理與傳統的水力驅動型、磁阻馬達型、液壓驅動型驅動線相比有顯著不同，在全封閉的前提下，靠電磁力實現了控制棒的連續移動。

該控制棒驅動線的研制歷時多年，為驗證設計原理、突破關鍵技術，本工作進行原理樣機和工程樣機一系列的驗證試驗。

1 新型控制棒電磁驅動線基本結構

該新型控制棒電磁驅動線由可動線圈電磁驅動機構、檢修抓頭、連接桿、球閥、直管段、蓮蓬頭等組成（圖1），蓮蓬頭、跟隨燃料組件、控制棒組件順序相連。控制棒的位置指示包括連續棒位指示和上下極限位置指示。連續棒位指示由與步進電機軸剛性相連的旋轉編碼器給出；上下極限位置指示信號由安裝在銜鐵上下極限位置附近位于密封筒外部的磁接近開關發出。檢修抓頭和球閥主要為跟隨燃料組件換料操作和控制棒驅動線的檢修服務；蓮蓬頭實現控制棒驅動線與跟隨燃料組件的可拆卸連接。可動線圈電磁驅動機構是整個控制棒電磁驅動線的核心。

圖1 控制棒驅動線示意圖Fig.1 Diagram of control rod drive line

可動線圈電磁驅動機構的密封筒為冷卻劑邊界，密封筒內為銜鐵和反應堆的冷卻水，密封筒外為可動電磁線圈，密封筒與銜鐵和可動線圈不接觸，相互之間有一定的間隙。可動線圈通過螺母與步進電機拖動的滾珠絲杠相連。可動線圈通電時，電磁線圈與密封筒內的銜鐵相互作用，產生電磁力，銜鐵及其拖動的運動部件將隨線圈一起運動或保持在給定的位置上。由步進電機通過滾珠絲杠、螺母帶動密封筒外的可動線圈運動，即可驅動密封筒內的銜鐵及與其相連的控制棒組件等運動部件上下運動，實現對反應堆的控制操作。當可動線圈斷電時，電磁力消失，包括控制棒、跟隨燃料組件、蓮蓬頭、連桿、銜鐵的運動部件，在重力的作用下迅速下落，使控制棒快速插入堆芯，實現反應堆的緊急停堆［1］。

2 原理樣機性能試驗

可動線圈控制棒電磁驅動機構是一種全封閉的驅動機構，與壓水堆上使用的磁力提升器相比，在原理上有很大區別。其主要特點是在全封閉的條件下，實現使驅動對象連續運動的要求。其原理樣機性能試驗包括電磁試驗和整機試驗兩部分。

2.1 電磁試驗

可動線圈控制棒電磁驅動機構的核心技術是電磁結構的設計。電磁鐵采用開口螺管式電磁鐵，開口磁路的磁阻很大，激磁電流為1.5A時，單個電磁鐵的最大推力約為480N。為增大驅動機構的提升力，通過多次試驗，在電磁線圈和銜鐵的設計及結構上采取了組合式的線圈結構，并在銜鐵上增加永久磁鐵等特殊措施。組合式電磁線圈由3個分電磁鐵組成，各分電磁鐵有各自獨立的磁路，可將電磁線圈的總提升力為單個電磁鐵推力的3倍左右。通過在銜鐵上增加上、下永久磁鐵，并按一定的磁極方向排列，增加了主氣隙的磁通量，電磁鐵的電磁力可獲得顯著提高，同時增加了系統的剛度。

試驗發現，電磁線圈的極限承載力和系統的剛度與電磁線圈內的電流有關，隨著電流增大而逐漸提高。在電磁線圈內的激磁電流為1.8A時，驅動機構平均剛度可達110N／mm左右，極限承載力可達2 000N以上。線圈內的電流是導致電磁線圈溫升的主要因素。

2.2 整機試驗

整機性能試驗確定了驅動機構的結構，明確了步進電機的參數要求，檢驗了電磁鐵的功率與發熱。驅動機構采用步進電機驅動滾珠絲杠，由絲杠－螺母拖動電磁線圈，傳動線簡單，提高了運行的可靠性。驅動機構在給定的速度下運行穩定，具有良好的保持能力，承載能力達到要求，結構合理、工藝可行，快速落棒時間達到要求［2］。

3 工程樣機綜合試驗

為檢驗及驗證該新型可動線圈控制棒電磁驅動線的綜合性能，在原理樣機性能試驗后，進行工程樣機的性能試驗。工程樣機的綜合試驗分為性能試驗、壽命考驗、抗震試驗等。

3.1 性能試驗［3］

工程樣機的性能試驗分為：驅動機構的靜態性能試驗、動態性能試驗、驅動線的性能試驗。試驗系統由驅動線水力學試驗主回路系統、水處理系統、冷卻系統、測量和控制系統等組成。

1）驅動機構的靜態性能試驗

靜態性能試驗主要測試驅動機構在靜止水環境下的性能。包括電磁鐵、位置指示器、限位開關、步進電機等。

（1）電磁鐵線圈的發熱溫升試驗

在環境溫度11℃、載荷65kg、保持電流3～5A條件下，測量中間線圈（線圈2）的表面溫度曲線（圖2）。線圈表面溫度隨時間緩慢增長；線圈電流對線圈溫度的影響顯著，線圈電流越大，其表面溫度越高。線圈溫度在6h后基本趨于平衡。

同一工況下，3個線圈的表面溫度也不相同，中間線圈表面溫度最高、上部線圈次之、底部線圈最低。由于線圈中的電阻隨線圈溫度緩慢增加，因此線圈內的電壓緩慢增加。各工況下，各線圈電流基本保持不變。線圈散熱性能良好，滿足工作需要。

（2）電磁鐵的剛度試驗

圖2 不同電流下電磁線圈的表面溫度曲線Fig.2 Curves of electromagnetic coil surface temperature with different currents

在熱平衡狀態下，保持不同電壓、電流，經多次加載、卸載試驗，測量電磁鐵保持位置隨載荷的變化關系，得到不同電流下電磁線圈的平均剛度值。隨著保持電流的增加，電磁線圈的剛度平均值開始時逐漸增加，后來有所下降。這是因為隨著線圈溫度升高，磁力稍有下降，導致線圈剛度也有所下降。4.5A時線圈平均溫度為55℃，5A時線圈平均溫度為83℃，溫差28℃，對于線圈內部的釹鐵硼永磁鐵，溫度上升對其磁性影響較大。

（3）極限載荷試驗

測量不同狀態下，電磁線圈能夠保持的最大載荷。冷態時，線圈溫度為試驗時的環境溫度12℃；熱態時，達到熱平衡，線圈的表面溫度約為70℃。不同保持電流下，電磁線圈的極限載荷列于表1。可見，極限載荷隨電流的增大呈線性增長，冷態5A時，極限載荷為2 276N，平均每一線圈759N；熱態時，由于電磁線圈驅動機構的磁損失較大使線圈極限載荷有明顯下降，下降幅度約12%。

表1 極限載荷Table 1 Ultimate load

（4）位置指示器試驗及驅動機構電磁線圈的位移與旋轉編碼器的輸出同步

限位開關在調試和性能試驗的全過程中，保持工作正常。步進電機在調試和試驗過程中，運行平穩、噪聲較小。

2）驅動機構的動態性能試驗

（1）跟隨特性

不論是全行程跟隨特性試驗，還是間歇行程試驗，驅動機構均有較好的夾持特性。控制棒跟隨驅動機構運動性能良好，在各保持階段控制棒位移未出現抖動，在電磁力的作用下，控制棒的位移相對穩定，未發生變化。控制棒與驅動機構的位移基本重合；在上升階段驅動機構的位移稍大于控制棒的位移，下降時則相反；控制棒驅動機構運行時，存在一定的反向間隙。

載荷、線圈電流、線圈溫度均對驅動機構的跟隨特性有影響；而運行速度和運行高度對驅動機構的跟隨特性幾乎無影響。配重越大，或線圈電流越小，或線圈溫度越高，均使跟隨特性越差。反向間隙變化規律與跟隨特性相似。欲提高驅動機構的跟隨特性，必須保證驅動機構的承載適當，線圈電流不能太小，并提高線圈的散熱性能以降低線圈溫度。不同電流下的1組跟隨特性及反向間隙試驗曲線示于圖3。

圖3 不同電流下的位移差比較曲線Fig.3 Comparison curves of displacement with different currents

（2）極限推力

極限推力與保持電流有密切關系，隨電流增加呈增長趨勢。極限推力與線圈的運動速度有關，隨著速度的增加略有降低。速度大時，驅動機構的沖量較大，導致在接近極限推力的情況下，運行不穩定性增大，甚至在微小的振動中導致落棒。

（3）快速落棒

控制棒驅動線電磁線圈的斷電方式有斷交流和斷直流兩種。線圈的斷電方式和運動部件的自重對快速落棒時間有重要影響。測量數據表明，不同的斷電方式對驅動線的快速落棒時間影響較大，斷交流較斷直流的落棒時間明顯増長，增加約350～600ms。落棒時間隨載荷的增加有減小的趨勢。

斷交流與斷直流落棒時間的差異主要由斷電后產生的感生電流引起，感生電磁力與感生電流的大小成正比，感生電磁力將阻礙銜鐵的下落，影響控制棒的快速下落。正常運行時采用斷直流的方式斷電，落棒時間更短，可使控制棒更快落入堆芯。

（4）運行特性

4A、50kg載荷、750mm行程。線圈熱平衡時間6h，平衡時表面溫度46℃，電壓55V，電磁鐵剛度152N／mm。極限載荷：冷態1 884N，熱態 1 639N。跟隨特性：行程約200mm時，＜1mm；約400mm時，1～2mm；約600mm時，2～3mm。極限推力：1.6mm／s時，1 580N；5.0mm／s時，1 550N；均大于1 200N。靜水快速落棒時間：斷直流，1.039s；斷交流，1.452s。2 736次全行程試驗，位置指示器、限位開關、緩沖器工作正常。

3）驅動機構的動水性能試驗

在2～7m／s的水力沖刷環境下，驅動線表現出穩定的跟隨特性，未發現明顯變化；運行速度對跟隨特性無明顯影響。不同的流速及棒位對電磁線圈的電壓、電流、線圈平衡溫度無明顯影響。

不同沖刷速度下，差壓和流速隨棒位的變化規律均一致。棒位為0～150mm時，隨棒位的增加，差壓略增大，而流速略降低；隨沖刷速度的增加，差壓和流速的變化程度增加；對全堆芯流量分配略有影響。棒位為150～750mm時，隨棒位的變化，差壓和流速基本保持不變；對全堆芯的流量分配無影響。隨沖刷速度的增加，驅動線差壓不斷增加，正常運行工況流速5.5m／s時，驅動線差壓為0.158MPa。

在0～7m／s的不同水力沖刷工況下，其快速落棒時間隨通道內沖刷流速的增加而減小；斷直流落棒時間小于斷交流落棒時間。在靜水工況下，分別進行了10次斷直流和斷交流操作，斷直流和斷交流下從控制棒動作到其落到底的時間基本相同，約0.9s；但從開關動作到控制棒動作的時間，斷直流約0.17s，斷交流約1.05s；所以總的落棒時間，斷直流小于斷交流。靜水中斷直流落棒時間分配曲線示于圖4。

圖4 靜水斷直流落棒時間分配曲線Fig.4 Time distribution curves of rod dropping in still water by direct current off

3.2 壽命考驗

工程樣機的壽命考驗分為運行壽命考驗和連續快速落棒實驗兩部分。

為考核控制棒電磁驅動線在水力沖刷環境下的運行壽命，在額定電壓60V、額定電流4.5A、額定流速5.2m／s的試驗工況下，驅動線在額定的高速檔全行程往復運行。運行壽命實驗進行了1 004次往復，共85.37h。整個實驗過程中，驅動線工作正常，水質未發生明顯變化，水溫在（35±3）℃浮動，控制棒壓差在（0.18±0.05）MPa浮動，電磁線圈的溫度在6h左右達到平衡。

在額定的沖刷流速下，驅動線進行了2 026次快速落棒實驗，其中，斷直流落棒1 013次，斷交流落棒1 013次，共172.21h。試驗結果表明，在快速落棒的實驗過程中，驅動線工作正常，線圈溫度穩定在約52℃，控制棒壓差約0.17MPa。落棒時間在斷直流下為約0.9s，斷交流下為約1.4s，滿足設計要求。

壽命實驗完成后，對控制棒電磁驅動線進行了解體，檢查控制棒、跟隨組件、連接機構、導向管和驅動機構，整個驅動線和相應的部件完整無損。實驗表明，可動線圈控制棒電磁驅動線的設計結構合理、性能可靠，滿足要求檢驗。

3.3 抗震試驗

控制棒電磁驅動線是反應堆的核心設備，抗震Ⅰ類，在強震條件下其落棒功能的完好性直接關系到反應堆的安全停堆，按照核安全法規和相關導則的規定，應進行抗震試驗。

1）控制棒驅動線抗震試驗條件

驅動線是通過由型鋼組焊而成的試驗臺架固定在振動臺上，該臺架同時提供驅動線在不同高度上的支承和約束，振動臺所產生的地震動也是通過該臺架傳遞給驅動線。試驗臺架的基頻為45.0Hz，抗震試驗中可視為剛體。

地震動輸入從下至上共4處，以堆芯下柵格板處為地震輸入的主控制點。試驗測量包括：加速度測量、應變測量、落棒時間測量。

2）控制棒驅動線抗震性能

在控制棒電磁驅動線抗震試驗裝置上，共進行了5次OBE地震動和1次SSE地震動。OBE即S1地震，為運行基準地震，設計要求設備在其壽期內，在它的作用下能連續運行；SSE即S2地震，為安全停堆地震，也是設備在其壽期內可能發生的最大地震，設計要求在它的作用下設備仍能保持停堆功能。對其抗震性能的考察指標主要有兩個：控制棒驅動線功能的實現和控制棒驅動線結構的完好。

（1）控制棒驅動線的夾持功能

每次試驗開始前，銜鐵在電磁線圈的帶動下，上升到上限位位置，并在電磁力的作用下將整條驅動線保持在頂部。為了使快速落棒均發生在地震的強震階段，試驗均在地震開始7～11s后切斷電磁線圈的電源，以實現快速落棒。在各次試驗中，電流被切斷之前，未發生控制棒自行下落的現象，這表明驅動機構擁有足夠的保持力，能夠在地震條件下將控制棒保持在原位。

快速落棒試驗均在地震發生的強震階段進行，落棒條件是最不利的。各次試驗中，控制棒均能快速落下，地震中的快速落棒時間較正常快速落棒時間略有增加。5次OBE試驗過程中的平均落棒時間延長了0.031s，5次OBE試驗過程后的落棒時間延長了0.035s，1次SSE試驗過程中的平均落棒時間延長了0.050s，1次SSE試驗過程后的落棒時間延長了0.040s［4］。

地震中的落棒時間有所延長，原因可能是運動件在下落過程中，由于橫向振動而造成的與周圍結構的碰撞和摩擦，同時各部件間的裝配關系也可能在地震的激勵下產生微小變化，從而對運動件的下落產生影響。總體看來，快速落棒時間的延長量很小，可認為控制棒電磁驅動線在震后未發生明顯變化，能夠較好完成快速落棒功能。

（2）控制棒驅動線的加速度響應和應變響應

從試驗采集的數據來看，控制棒驅動線的加速度響應并不大，最大加速度響應為SSE下的0.64g。驅動線的整體剛度很好，在地震動激勵下，不會產生明顯的振動放大現象。在驅動線上的應變響應也不大，最大絕對值約5.9MPa［5］。

（3）控制棒驅動線抗震試驗后的解體檢查

抗震試驗后，對驅動線上的吸收體、跟隨組件、蓮蓬頭、系列連桿、抓頭、銜鐵、導向管、外筒、驅動機構等部件進行了逐一檢查。各部件均未發現任何可見的損傷及變形，控制棒驅動線在經歷了抗震試驗后，仍能保持結構的完整性。

4 結語

通過對可動線圈控制棒電磁驅動線的系列性能試驗，驗證了該驅動線的工程原理、優化了結構、提高了性能參數、檢驗了其安全性及可靠性。通過試驗可知：該控制棒驅動線設計合理、結構可行、性能穩定，具有足夠的承載能力、跟隨特性優良、落棒過程順暢、運行安全可靠。線圈內的保持電流對驅動線的最大承載力及線圈發熱有較大影響。不同的斷電方式對快速落棒時間有較大影響，采用斷直流落棒優于斷交流落棒。該控制棒驅動線的抗震性能較好，地震中夾持力穩定。OBE及SSE狀況下，控制棒驅動線均能較好完成快速落棒功能。

控制棒驅動線性能試驗得到的數據可為該驅動線的結構優化和安裝調試提供參考，也可為其安全運行提供依據。

［1］張之華，錢達志，劉漢剛，等.新型控制棒可動線圈電磁驅動線落棒試驗［J］.原子能科學技術，2009，43（增刊）：319－322.ZHANG Zhihua，QIAN Dazhi，LIU Hangang，et al.Rod－dropping test of new control rod movable loop electromagnetism driving route ［J］.Atomic Energy Science and Technology，2009，43（Suppl.）：319－322（in Chinese）.

［2］張繼革，吳元強，王敏稚，等.控制棒新型電磁驅動機構性能實驗研究［J］.核動力工程，2001，22（4）：365－369.ZHANG Jige，WU Yuanqiang，WANG Minzhi，et al.Experimental study on property of a new electromagnet drive for reactor control rod［J］.Nuclear Power Engineering，2001，22（4）：365－369（in Chinese）.

［3］薄涵亮.控制棒驅動機構和驅動線性能實驗及壽命考驗報告［R］.北京：清華大學核能技術設計研究院，2005.

［4］張征明，吳莘馨.控制棒驅動線抗震性能考驗報告［R］.北京：清華大學核能技術設計研究院，2007.

［5］胡曉，王濟，禹瑩.控制棒驅動線抗震試驗報告［R］.北京：中國水力水電科學研究院，2007.