中國先進研究堆控制棒驅動機構改進空程實驗

徐鵬程 甄建霄

摘 要：中國先進研究堆（CARR）現役控制棒驅動機構在設計上存在一定缺陷，因而對該驅動機構提出了改進。改進型機構空程的設計目標為達到現役機構空程一半以內，為驗證改進設計，采用控制變量法分別針對棒速、電流、摩擦力、負載等因素進行實驗。實驗結果表明，改進型驅動機構的空程較現役驅動機構縮小了約一半，達到了改進設計目標；并且確定了該驅動機構空程的影響因素主要是銜鐵和線圈的連接剛度以及系統摩擦力。

關鍵詞：中國先進研究堆 空程 改進實驗

中圖分類號：TL36216 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0003-03

Experiment on Idle Stroke of Improved Control Rod Drive Mechanism in China Advance Research Reactor

Xu Pengcheng Zhen Jianxiao

（China Institute of Atomic Energy， Beijing 102413， China）

Abstract：There are some defects in the design of the control rod drive mechanism which is actively serving in China Advance Research Reactor （CARR）. Because of the defects， a method was proposed to improve the mechanism. Theoretically， idle stroke of the improved mechanism is half of that of actively serving mechanism. To verify the improvement， experiments， which were about the influence elements like the speed of the rod， current， frictional force and the load of the mechanism， were designed with control variables method.The results showed that idle stroke were reduced about two-thirds after the improvement， which had achieved the design aim.Besides， the main influencing factors， the frictional force of the system and the coupling stiffness of armature and coil， of idle stroke were determined.

Key words：China advance research reactor；Idle stroke；Experiments on improvement

中國先進研究堆（CARR）是一座輕水冷卻，重水慢化的反中子阱型池式多用途研究堆，既可以滿足中子散射實驗等基礎研究的需要，又能滿足核工業、國民經濟和國防建設的需要，其主要性能指標已達到世界先進水平。

中國先進研究堆（CARR）現役控制棒驅動機構是一種新型驅動機構[1]。該控制棒驅動機構采用可動線圈傳動方式，銜鐵處于與池殼密封相連的密封筒內，電磁線圈處于密封筒外。當電磁線圈通電且銜鐵處于線圈內時，功率調節系統PLC執行操縱員站發出的指令，由步進電機軸控模塊（CFY）發出脈沖信號，經步進電機驅動器（TLD）驅動安裝在滾珠絲杠下方的步進電機，步進電機直接轉動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動線圈上下運動，處于線圈內的銜鐵將跟隨線圈運動或保持在給定的位置上。銜鐵通過檢修抓頭與連桿相連，連桿與控制棒的下端剛性連接，推動控制棒上下運動。當電磁線圈斷電時，包括補償棒、連桿、銜鐵的運動組件將在重力作用下下落，直至控制棒落入堆芯。此驅動機構在設計上有結構簡單、可靠性較高的有點，但在堆內調試時，發現線圈和銜鐵運動不同步，尤其在轉向時，出現線圈動、銜鐵不動的現象，即所謂的空程。

為改善這種空程現象，對驅動機構提出改進，進行了電磁結構的改進計算與設計[2]。經過改進，理論上改進型驅動機構轉向空程比現役驅動機構小，實際的效果如何則需要實驗驗證；另外，為保證安全，改進型驅動機構不能直接入堆進行實驗。因此，搭建堆外實驗臺架，進行改進型驅動機構空程實驗[3]。

堆內現役驅動機構靜態下空程約為8mm，動態下空程約為4mm。經改進設計，設計目標為：改進型驅動機構在靜態下空程小于4mm，動態下空程小于2mm。

1 實驗臺架

實驗系統下位機采用Schneider公司PL7軟件完成現場信號的數據采集與控制程序的編制，控制的功能有運動控制、位移設定、棒速設定等。上位機通過Intellution公司ifix組態軟件完成人機界面的繪制，ifix由針對于TCP/IP數據傳輸協議的MBE驅動程序將PL7采集的現場數據賦予ifix數據庫，并將相關參數實時顯示于人機界面上，這些數據點包括線圈位置，棒位，偏差信號，棒速，光柵尺讀數等。操作人員根據相關的操作按鈕和數據窗對補償棒驅動機構進行監控與監督。Ifix同時完成歷史數據的存儲，用以繪制跟隨特性曲線。控制系統和控制界面如圖1和圖2所示。

2 實驗設計

2.1 實驗設定

為測定控制棒驅動機構的轉向空程，進行以下實驗：

（1）在靜態模擬（約承重74kg）下，分別進行斷續與連續的轉向實驗，分別測定兩種情況下的下插轉提升和提升轉下插空程；進行改變電流、移動速度、初始位置情況下的轉向實驗。

（2）加載摩擦力測定轉向空程。

（3）在動態模擬下（承重約190kg）下測定轉向空程。

2.2 數據處理背景及方法

本研究中進行的控制棒位移轉向空程實驗基于以下背景進行：

（1）試驗中讀數有線圈位置光柵尺讀數兩項主要讀數。線圈位置為系統給出的目標位置，由旋轉編碼器控制；光柵尺的光柵讀數頭裝置在控制棒上部的砝碼箱中，跟隨控制棒絕對運動，這里將光柵尺讀數作為控制棒棒位的絕對讀數。

（2）設定的光柵尺零點與線圈零點相同，但由于空程的存在，提升后，光柵尺讀數本身就與線圈位置讀數有差。

（3）線圈位移誤差和光柵尺讀數誤差為系統誤差。

根據以上背景，采用的誤差處理方法為：由于所要測定的參數就是控制棒的轉向空程，所以在試驗中，每次轉向后將沿轉向后的方向再走一步作為實驗調整步，以使控制棒完全脫離上一次空程的影響；每次實驗分別得到三個提升轉下插空程和三個下插轉提升空程，求均值作為測量值。

3 實驗結果

實驗結果如表1所示。

對比實驗一和實驗二，可得看出：由于系統誤差的存在（約±0.1mm），斷續測得的空程和連續測得的空程基本一致，斷續測量工作量較大，多次測量時耗嚴重，因而在后續的實驗中均采用連續步長測定的方法。符合靜態下空程小于4mm的設計目標。

對比實驗二和實驗三，可以看出：棒速對轉向空程沒有影響或影響不可觀測。

對比實驗二和實驗四，可以看出：線圈的通電電流對控制棒空程有一定影響，即提高線圈的通電電流能夠使控制棒的轉向空程得到改善。

對比實驗二和實驗五，可以看出：摩擦力對轉向空程有著較大的影響，增大摩擦力，空程增大。

對比實驗二和實驗六，可以看出：負載對轉向空程有較大影響，增加負載，空程減小。

4 原理分析

首先指出空程產生的原因。這里給出銜鐵相對于線圈不同位置時提升力的變化曲線，如圖3所示。當線圈向上運動時，銜鐵受到提升力逐漸加大，此時當線圈改變運動方向時，銜鐵受到的提升力并不沿著向上的提升力曲線減小，提升力減小緩慢，只有當其提升力減小至向下提升力曲線時，方隨著向下提升力曲線減小。當線圈運動方向由下變上時，提升力增加緩慢。這種現象造成了驅動機構的剛度下降，相比單一的受力曲線，這就意味著需要更大的力方能使銜鐵的相對位置發生1mm的位移。上述分析表明：由于控制棒驅動線在上下運動時，受到摩擦力，雖然滑動摩擦力可以認為是一個常量；但在線圈發生轉向，銜鐵不動的階段，摩擦力為靜摩擦力，是一個方向與大小都在變化著的量，在此過程中，由于銜鐵相對于線圈位置而引起的電磁提升力的變化量在被變化的摩擦力抵消，從而使銜鐵處于力學平衡狀態，導致空程的產生。

那么，當控制棒驅動機構本身的剛度有增加時，空程會得到改善。增加線圈的通電電流可以使提升力在銜鐵與線圈在相對位置不變時增大；增大控制棒驅動機構的負載則可以使銜鐵與線圈的相對位置往最大提升力位置方向靠近，即增大負載，提升力增大。提升力增大，則剛度增加。所以上述試驗中，可以看到：增大線圈的通電電流和增大控制棒驅動機構的負載都使空程得到有效的減少。

當我們增加驅動機構的摩擦力時，在轉向中需要抵消的摩擦力就更多，想要打破力學平衡狀態，就需要更多的行程，這也就是摩擦力對空程的影響作用。

5 結語

經過試驗結果分析，可以得到以下結論：

（1）在靜態模擬下改進型控制棒驅動機構的轉向空程約2.8mm；在動態模擬下改進型控制棒驅動機構的轉向空程約1.3mm。符合理論規律。

（2）控制棒驅動機構的轉向空程與是否進行斷續/連續測定無關，與棒速無關。

（3）控制棒驅動機構的負載和線圈通電電流對控制棒驅動機構的轉向空程有一定影響。這是由于這兩者的增大都有利于提高線圈和銜鐵的連接剛度。

（4）控制棒驅動機構中存在的機械摩擦力對控制棒驅動機構的轉向空程有較大影響。在后續實驗中增加摩擦力到堆內現役機構摩擦力，測得動態模擬下空程為1.8 mm，基本達到設計目的。

參考文獻

[1] Tsutomu YORITSUNE，etc.In-vessel Type Control Rod Drive Mechanism Using Magnetic Force Latching for a Very Small Reactor[J]. Journal of NUCLEAR SCIENCE and Technology，2002，39（8）.

[2] 張繼革.反應堆控制棒可移動線圈電磁驅動機構的研究[D].北京：清華大學核能技術設計研究院，2003.

[3] 馬倉，等.控制棒可移動線圈電磁驅動機構線圈剛度實驗[J].原子能科學技術，2006，40（3）.