反應堆控制棒驅動機構模擬負載系統的研制

劉 沖，姚秋果，趙大威，黃 勇，趙 亮

（1．南華大學，湖南 衡陽421001；2．中科華核電技術研究院北京分公司，北京 100086）

控制棒控制系統是反應堆中一個十分重要的系統，其主要作用是在確保反應堆安全的前提下控制其反應性，以滿足反應堆長期穩定運行的需要。通過最佳的提棒／降棒等操作程序，使反應堆在運行過程中保持平坦的功率分布，并補償由于溫度系數、中毒效應等引起的反應堆反應性變化，在負荷變化時能夠調節反應堆功率跟隨負荷變化，或者在發生事故時能實現迅速停堆并保證適當的停堆裕度［1］。

本文設計了一種負載模擬裝置，用以模擬反應堆棒控系統對控制棒動作的有效控制。模擬負載系統是基于實際運行的核電站反應堆控制棒驅動機構各電磁線圈工況參數來進行的，包括線圈的電磁性能、電感量、阻抗特性和電流導通能力等，以真實反映和模擬實際負載的各種特性。設計的模擬負載系統由控制棒控制系統（控制器）實現指令信號的產生和跟蹤，即可以快速準確地跟蹤模擬負載各驅動線圈的電流指令信號及其實測電流波形等各種信號和參數，從而實現對反應堆控制棒驅動機構的負載特性和邏輯功能進行檢驗與測試。

1 模擬負載設計原理

控制棒是反應堆功率調節和應急控制不可缺少的反應性控制部件，而控制棒驅動機構（CRDM）是反應堆的重要動作部件。在壓水型反應堆中，CRDM安裝在反應堆壓力容器頂蓋上，通過它的動作帶動控制棒組件在堆芯內上、下運動、保持控制棒組件在指令位置以實現反應堆的啟動、運行、調節功率和在斷電落棒情況下安全停堆等功能［2］。

實際運行的核電站反應堆控制棒驅動機構線圈組件由三個線圈（提升線圈LC、傳遞線圈MC和保持線圈SC）與鉤爪組件相對應的磁極、銜鐵等構成三個“電磁鐵”磁力驅動機構，從上到下分別是提升電磁鐵、傳遞電磁鐵、保持電磁鐵。當線圈組件中的三個線圈按照給定的時序通電時，三個電磁鐵就能按照設定的時序電流信號吸合或釋放，使連接在銜鐵上的兩組鉤爪交替嚙合或擺出驅動桿上的環形槽，從而帶動驅動桿組件和與之相連的控制棒組件按照控制要求以步進的方式提升或下插控制棒。當只給保持線圈通電時，保持電磁鐵吸合，保持鉤爪進入驅動桿環形槽，使控制棒組件保持在指定位置；當三個線圈都斷電時，三個電磁鐵全部打開，兩組鉤爪均擺出驅動桿環形槽，驅動桿組件和控制棒組件一起，在重力作用下快速落入堆底，實現快速停堆［3－5］。

2 模擬負載系統組成與設計

模擬負載共設計為四套（以模擬實際反應堆的一個控制棒組），各套模擬負載彼此之間是獨立的。每套模擬負載負責模擬對一束控制棒的各種工況控制。每套模擬負載都包括與實際系統的提升線圈LC、傳遞線圈MC和保持線圈SC相對應的電抗器、電阻負載及其輔助設備。模擬負載的提升線圈最大電流為（40±1．6）A，小電流（16±0．6）A；傳遞線圈和保持線圈大電流為（8±0．3）A，小電流為（4．7±0．2）A。并確保提升線圈在40 A電流下工作、保持線圈和傳遞線圈在8 A電流下工作時，均不出現磁飽和現象。模擬負載系統原理框圖及其電氣接線原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 模擬負載系統原理框圖Fig．1 Block diagram of simulated load system

圖2 模擬負載電氣原理圖Fig．2 Schematic of simulated load

操作員站是把與棒控有關的全部信息以多樣化的方式，集中在上位機的操縱界面中，以便操作人員能夠及時有效地掌握運行狀態，如控制棒位置、控制器工作狀態、驅動電源的工作狀態、控制棒位置指示裝置的工作狀態等這些主要信息均可得以實時監控和執行參數修改。

控制棒控制系統采用PLC（可編程控制器）作為主控制器件，實現對模擬負載各電磁線圈按照控制棒提升或下降的電流時序輪流通電與邏輯控制，以模擬實際反應堆棒控系統各種運行工況和邏輯關系的控制。

驅動電源由控制棒控制系統通過相應的程序控制去控制大功率晶閘管整流器產生圖3所示的脈沖時序電流，給模擬負載各電磁線圈按照控制棒提升或下降的電流時序輪流通電，以模擬控制驅動控制棒上下移動的各種運行狀態。

3 模擬負載系統實驗測試與性能比較

考慮到實際的控制棒驅動機構各電磁線圈為單線圈，其阻抗特性主要決定于它的電抗和電阻值的大小。為了能夠更加真實地模擬實際負載的各種工作特性，在模擬負載設計時，將其提升線圈、傳遞線圈和保持線圈回路的電抗和電阻與實際的控制棒驅動機構各電磁線圈電抗和電阻值的大小盡量接近，以確保模擬負載與真實負載的阻抗特性具有較好相似度。

另外，由于實際的反應堆控制棒的驅動桿位于各電磁線圈軸線中心，且在各自驅動機構的配合下軸向移動的。因此，控制棒移動與否對線圈電流變化的影響較小；所以，在設計模擬負載各線圈時將其設計為固定鐵芯的電抗器，而不考慮銜鐵運動對各線圈電流變化的影響。

3．1 實驗測試

在系統測試之前，對各模擬負載線圈繞組的電阻、電感量、絕緣特性、抗電強度、接地電阻、溫升以及線圈磁飽和情況進行逐項檢查和測量。在確保線圈組件各項指標參數達到設計要求、各項功能正確無誤后進入系統測試程序。

系統測試是在全部設備（包括控制棒控制系統、CRDM驅動電源、線圈組件等）準備就緒情況下，按照實際系統提棒／插棒動作要求的線圈通電時序，對所有功能（包括控制棒按單束棒、棒組或棒子組的正常升／降操作、邏輯連鎖和保護信號等）進行嚴格的功能測試。在圖3所示的控制棒提升電流時序控制下，實驗測得模擬負載控制棒驅動線圈提升控制棒時的工作電流波形如圖4所示。

3．2 性能比較

圖3 控制棒提升電流時序圖Fig．3 Current timing sequence curves of rod elevating

圖4 模擬負載控制棒驅動線圈電流波形圖Fig．4 Driver coil current waves of simulated load

圖5所示曲線為秦山一期300 MW反應堆控制棒提升狀態下驅動機構線圈電流波形圖（2008年棒控／棒位系統數字化改造之前），圖6則是國外某核電廠控制棒提升時的驅動機構線圈電流波形圖。秦山一期核電站的驅動機構是將中間的可動鉤爪作為保持鉤爪用，而下面的固定鉤爪作為傳遞鉤爪用。這與國內外其他核電站的驅動機構剛好相反。因此，在設計線圈電流時序時，與國外核電站的驅動機構的提升時序和下降時序也相反。

圖5 秦山一期控制棒驅動線圈電流波形圖Fig．5 Driver coil current waves of Qinshan I

圖6 國外某核電廠控制棒驅動線圈電流波形圖Fig．6 Driver coil current waves of an overseas NPP

通過對圖5、圖6所示的實際運行系統和圖4所示的模擬負載系統提棒動作的驅動線圈電流波形進行比較以后可以發現，圖5所示的秦山一期核電站的控制棒驅動機構中六個機械動作點之間的時間間隔長短差異較大，同時，由于線圈電流的穩定工作范圍較小，因而工作的穩定性差。圖6所示的國外某核電廠驅動機構電流波形中表明六個機械動作點之間的時間間隔長短比較均勻，而且，電流紋波明顯要比秦山一期驅動線圈的電流紋波要小，因此，驅動機構動作的可靠性較高。

在圖4所示的模擬負載系統驅動機構線圈實測電流波形圖中的六個機械動作點之間的時間間隔長短相對均勻，要比秦山一期驅動線圈的電流、甚至也比國外某核電廠驅動機構線圈電流性能更好，而且電流紋波也表現不明顯，驅動機構動作的穩定性和系統的可靠性得到了極大提高和改善。

4 結束語

本文參考法國相關技術資料，設計了一套全新的控制棒驅動機構模擬負載系統，并對系統各項功能進行了嚴格測試和長時間的運行考驗。通過模擬負載系統樣機的實驗測試發現，整個模擬系統不僅具有比較完善的功能，很高的穩定性和可靠性，而且具有操作界面友好、操作方便、易于維護等優點。該模擬系統的研制成功，不僅取得了驅動機構研制的第一手試驗數據，也驗證了設計方案、技術路線的可行性，為驅動機構國產化奠定了一定的基礎。

［1］ 胡守印，蘇慶善，孫栓樑，等．HTR-10控制棒控制系統設計［J］．核動力工程，2001，22（6）：520-522：529．

［2］ 張繼革，吳元強，盛選禹，等．控制棒新型電磁驅動機構動態特性實驗研究［J］．核科學與工程，2003，23（2）：123-126．

［3］ 李紅鷹．秦山核電二期工程反應堆控制棒驅動機構設計［J］．核動力工程，2003，24（S1）：161-164．

［4］ 張建民．核反應堆控制［M］．西安：西安交通大學出版社，2002．

［5］ 凌備備．核反應堆工程原理［M］．北京：原子能出版社，1989．