控制棒驅動機構用釹鐵硼永磁材料研究

楊曉晨　于天達　楊方亮　陳西南　李維　鄧強

【摘 要】控制棒驅動機構（CRDM）通常采用工業純鐵作為其電磁結構的材料，如果改用釹鐵硼（NdFeB）永磁材料，可以進一步提高電磁力，從而減小電磁結構尺寸。實驗研究了幾種規格的釹鐵硼試樣，分析了溫度、γ射線輻照、工作時間、結構等因素對材料的磁性能和開路磁通的影響。研究結果對于NdFeB材料用于CRDM設備具有指導意義。

【關鍵詞】控制棒驅動機構；釹鐵硼；永磁材料

Application of NdFeB Permanent Magnet Material for Control Rod Drive Mechanism

YANG Xiao-chen YU Tian-da YANG Fang-liang CHEN Xi-nan LI Wei DENG Qiang

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】Industrial pure iron is a commonly used electromagnetic structure material of a control rod drive mechanism（CRDM），if it switch to NdFeB Permanent magnet material，can improve the electromagnetic force，reduce the size of the electromagnetic structure.The effects of temperature， gamma rays，working time，structure on the magnetic properties and open magnetic flux of the samples were studied.The results of the study are instructive for the engineering application of NdFeB.

【Key words】Control rod drive mechanism；NdFeB；Permanent magnet material

0 引言

控制棒驅動機構（簡稱CRDM）是核反應堆中的關鍵設備，一般由電磁結構（如電機、電磁鐵等）和傳動結構組成，其中電磁結構通常采用工業純鐵、硅鋼片或者導磁不銹鋼等材料作為骨架，再繞電磁線制成，其體積較大，占用了有限的安裝空間。如果電磁結構中采用永磁體，一方面能提高出力，另一方面能減小電磁結構的尺寸，進而為影響CRDM可靠性的傳動結構提供了更大的設計空間。

釹鐵硼是一種永磁材料，具有磁性能高、易切削加工的優點，但其受溫度的影響較大[1]，即耐溫能力有限。資料顯示驅動機構電磁結構的工作溫度不超過200℃[2]。為了獲得釹鐵硼材料在CRDM工作溫度和輻照下的磁性能變化情況，對不同規格的釹鐵硼試樣進行了高溫磁性能測試、溫度特性測試、γ射線輻照測試、長時穩定性測試研究，研究結果對釹鐵硼材料的工程應用提供了十分必要的依據。

1 研究方法

對永磁體試樣軸向飽和充磁，測試試樣在工作溫度下的磁性能變化情況，為設計提供所需的材料參數。由于磁性能測量過程難度大，而開路磁通測試更便捷，因此采用測量試樣在不同溫度下的開路磁通以了解材料磁性能隨溫度的變化情況。將試樣長時間置于高溫環境中，測量試樣經長期高溫后的磁通損失，了解永磁材料的穩定性，為判斷材料能否在工作溫度下長期使用提供依據。對試樣進行特定劑量的γ射線輻照考驗，獲得輻照環境下材料的性能變化。

開路刺痛測試儀器：Lakeshore 480型磁通計。

磁性能按GB/T3217的規定測量永磁體的剩余磁通密度Br、矯頑力HcB、內稟矯頑力HcJ以及最大磁能積（BH）max。

2 試樣及測試流程

測試中的釹鐵硼永磁材料牌號為NdFeB260/240 EH（見GB/T13560）。為研究結構尺寸對開路磁通的影響，選取了幾種規格試樣。試樣信息見表1。

測試流程見圖1。

3 測試內容及結果

3.1 初始檢測

試樣A1、A2、B1、B2、C1、C2以及D1～D8在室溫的開路磁通測量結果見表2。

試樣D9、D10在室溫的磁性能測量結果見表3。

3.2 高溫磁性能

試樣D9、D10在180℃溫度下的磁性能見表4。與室溫磁性能數據對比發現，Br、HcB、HcJ和（BH）max均降低，其中Br下降約18.8%。

3.3 溫度特性測試

試樣A1、A2、B1、B2、C1、C2以及D1～D4在100℃、140℃、180℃、200℃時的開路磁通見表5。與室溫開路磁通比較，得到了平均下降率見圖2。從圖中可以看出：

1）隨著溫度升高，試樣的開路磁通下降呈增加趨勢。

2）試樣的長徑比越小，其開路磁通下降的越多。例如A組試樣長徑比最小，其開路磁通下降率最高，200℃的開路磁通降低了約48%。可見，在電磁結構設計中應選取合適的長徑比，以減少磁性能的降低。

3）試樣D1～D4在180℃的開路磁通平均下降約18.3%，與4.2節所述試樣D9、D10在該溫度下的Br下降約18.8%基本一致，說明用開路磁通來間接判斷材料磁性能變化是合理的。

3.4 耐輻照測試

試樣D1～D4進行了5.0×105Gy和1.0×107Gy劑量的γ射線輻照，輻照后的試樣在室溫的開路磁通見表6，可見γ射線輻照對該材料的磁性能影響很小，不到1%。

3.5 長時穩定性測試

試樣A1、A2、B1、B2、C1、C2在200℃保溫1000小時，試樣D5～D8也在200℃保溫，保溫時長分別為500小時、1500小時、2000小時、2500小時，待試樣恢復至室溫后再測開路磁通，根據試驗前后的開路磁通計算得到其不可逆損失率如圖3和圖4所示，從圖中可以看出：

1）長徑比較小的A、B和C組試樣長期高溫后的開路磁通不可逆損失較大，A組約45%，B組和C組也達到15%左右。

2）D組試樣長期高溫后的開路磁通不可逆損失比A、B和C組試樣小的多，僅為1%～3%，隨著時間增長，其不可逆損失增加的幅度并不大。

4 結論

1）釹鐵硼材料的磁性能隨著工作溫度的增加而降低，在180℃的磁性能下降約18%。磁性能降低程度不僅與溫度有關，還與結構有關，增加長徑比會減弱磁性能降低的程度。

2）釹鐵硼材料經γ射線副輻照后，其磁性能的變化很小，磁性能降低不到1%。

3）通過合理設計結構，釹鐵硼材料可以長期在200℃高溫環境下使用，其磁性能不可逆損失是可以接受的（小于3%）。

綜上，研究表明釹鐵硼材料用于CRDM設備具有可行性。

【參考文獻】

[1]胡文艷.釹鐵硼永磁材料的性能及研究進展[J].現代電子技術，2012，35（2）：151-152.

[2]丁宗華，劉剛.核電廠控制棒驅動機構工作線圈溫度場分析[J].機械研究與應用，2013，26（2）：99-101.

[責任編輯：田吉捷]