安全棒系統(tǒng)試驗樣機冷、熱態(tài)性能試驗研究

彭朝暉，范月容，張金山，郭志家，衣大勇，馮嘉敏，趙守智

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

空間核反應堆具有環(huán)境適應性廣、功率覆蓋范圍廣、結構緊湊及大功率下質量功率比小等優(yōu)點，在航天任務中有著廣闊的應用前景，其安全性同樣備受關注[1-4]。根據(jù)核領域安全管理要求，對安全重要系統(tǒng)和部件等在施工設計之前應經過充分的設計驗證[5]。安全棒系統(tǒng)是空間核反應堆上的動設備，也是關系到空間核反應堆安全的重要設備之一。目前，對于空間核反應堆安全棒系統(tǒng)的公開資料很少，國內對空間核反應堆的設計使用經驗也存在不足。針對俄羅斯TOPAZ-Ⅱ空間堆及類似的小型堆安全棒系統(tǒng)開展了研究，安全棒系統(tǒng)結構較復雜，理論分析無法完整及有效地模擬反應堆的所有工況狀態(tài)。因此，有必要通過全尺寸試驗樣機試驗的方法來檢驗安全棒系統(tǒng)的運行性能，驗證設備的設計是否滿足功能要求。本文對安全棒系統(tǒng)試驗樣機進行冷、熱態(tài)性能試驗研究。

1 安全棒系統(tǒng)試驗樣機結構

空間核反應堆工作環(huán)境特殊，與地面上的核反應堆存在區(qū)別。地面核反應堆控制棒、安全棒的設計、制造和應用，都要考慮重力的作用。對于空間核反應堆，地球的引力作用很小，其外環(huán)境為真空環(huán)境，內環(huán)境充入一定壓力的混合惰性氣體[6]。

空間核反應堆安全棒系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要由驅動機構、分配機構(含安全棒組件)、卡鎖機構、傳動軸等組成，具有結構緊湊且工作溫度高等特點[6-8]。正常工況下，驅動機構電機轉動，經離合器的吸合傳遞至傳動軸，傳動軸通過分配機構的齒輪齒條嚙合帶動安全棒組件向下移動，安全棒組件的定位滑塊與導向管內壁接觸滑動，傳動軸兩端采用花鍵連接。同時，在驅動機構內，齒輪與齒條桿嚙合，齒條桿移動帶動彈簧被壓縮，安全棒組件到達指定位置后驅動機構中的卡鎖鎖住齒條桿的位置，隨后驅動機構內電磁離合器斷電。正常停堆或事故工況下，驅動機構內卡鎖斷電解鎖，在彈簧力的作用下，齒條桿快速釋放，驅動機構輸出軸快速反轉，安全棒組件快速插入堆芯，實現(xiàn)緊急停堆。安全棒組件插入堆芯后，卡鎖機構鎖住安全棒組件端部。

圖1 安全棒系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of safety rod system

安全棒系統(tǒng)與堆芯裝置聯(lián)系緊密，接口較多，本文安全棒系統(tǒng)試驗樣機設計了模擬支撐裝置，模擬支撐裝置與安全棒系統(tǒng)的連接形式與實際連接相同(包括外部圓柱形筒體)[9]，板1、2、3、4、6分別與安全棒系統(tǒng)采用焊接的方式連接，板5中間開有一大圓形孔，安全棒系統(tǒng)與板5無直接連接。模擬支撐裝置與安全棒系統(tǒng)的接口關系如圖2所示。

圖2 模擬支撐裝置與安全棒系統(tǒng)的接口關系Fig.2 Interface relationship between analog support device and safety rod system

2 試驗裝置設計

安全棒系統(tǒng)試驗樣機性能試驗采用在有地面重力作用、系統(tǒng)內外部與大氣接觸的有氧環(huán)境中進行。試驗裝置由試驗樣機、溫控系統(tǒng)、綜合測試平臺及其他測量設備組成，裝置組成和工作關系如圖3所示。冷態(tài)性能試驗時無需使用溫控系統(tǒng)。熱態(tài)性能試驗時，按照溫度場分布要求及測溫要求，在試驗樣機及模擬支撐裝置上纏繞加熱絲和保溫棉，關鍵部位設置熱電偶，熱電偶與試驗樣機表面緊密貼合，保證測溫的準確性。加熱絲分為若干組，按照溫區(qū)分別纏繞加熱絲，不同溫區(qū)之間保留約100 mm間隔用于安裝隔熱保溫層。試驗樣機及模擬支撐裝置外表面采用保溫層完全包裹。安全棒系統(tǒng)工作溫度場分布要求列于表1。溫控系統(tǒng)中，熱電偶溫度與加熱絲加熱實現(xiàn)聯(lián)鎖，控制升溫速率為50 ℃/h，溫控精度為±5 ℃，設置的目標溫度高于試驗要求的溫度5 ℃，保證熱態(tài)試驗時樣機溫度不低于試驗要求的溫度。達到預設溫度后，保溫4 h，開始進行熱態(tài)性能試驗。

圖3 試驗裝置組成和工作關系Fig.3 Composition and working relationship of test facility

表1 溫度場分布
Table 1 Distribution of temperature field

部件溫度/℃驅動機構180分配機構400安全棒組件、卡鎖機構610傳動軸270

設計綜合測試平臺，對安全棒系統(tǒng)試驗樣機驅動機構進行控制及測量，控制驅動機構輸出軸的運轉角度、運轉速度，測量運行時間等。綜合測試平臺通過測量驅動機構內的角位移傳感器的角度來計算快速落棒的時間。試驗樣機套管端部敞口，激光測距儀固定在模擬支撐裝置板6上，激光測距儀能實時測量安全棒組件的相對位置，如圖2所示。

3 試驗內容與結果

3.1 試驗內容

安全棒系統(tǒng)試驗樣機性能試驗按先冷態(tài)性能試驗再熱態(tài)性能試驗的順序進行。由于電氣絕緣材料在有氧環(huán)境會產生熱氧裂解[10]，而奧氏體不銹鋼在有氧環(huán)境對試驗產生的影響不大，因此有氧環(huán)境對試驗結果更保守。在保證試驗結果有效性的前提下，冷態(tài)性能試驗在大氣常溫環(huán)境下進行，熱態(tài)性能試驗在安全棒系統(tǒng)溫度場達到設計要求并保溫一定時間后進行。為避免前期性能試驗對樣機造成不可逆損傷，保證樣機后續(xù)試驗的繼續(xù)開展，根據(jù)壽期內安全棒系統(tǒng)可能的運動次數(shù)及冷、熱態(tài)性能試驗驗證的目標，確定安全棒系統(tǒng)試驗樣機進行50次全行程冷態(tài)性能試驗，100次全行程熱態(tài)性能試驗。空間核反應堆安全棒系統(tǒng)的運動特性與壓水堆控制棒驅動機構不同，試驗內容也不盡相同[11-12]，壓水堆控制棒驅動機構在運行過程中需多次、多步頻繁動作提升到指定位置，而空間核反應堆安全棒系統(tǒng)需一次運動到指定位置。安全棒系統(tǒng)試驗樣機試驗過程中需驗證的設計及試驗指標列于表2。

表2 設計及試驗指標Table 2 Design and test indicator

3.2 試驗結果

安全棒組件在運動過程中受自身重力、齒輪齒條的驅動力、導管的滑動摩擦阻力及導管彎曲變形產生的阻力等作用，在安全棒系統(tǒng)試驗樣機冷、熱態(tài)性能試驗中，未發(fā)生運行不到位、意外掉棒及卡棒等現(xiàn)象，運行正常。

1) 快速復位時間

安全棒系統(tǒng)試驗樣機冷態(tài)性能試驗進行50次全行程動作，熱態(tài)性能試驗進行100次全行程動作，綜合測試平臺通過角位移傳感器測得安全棒組件快速復位時間如圖4所示。

圖4 冷態(tài)(a)和熱態(tài)(b)性能試驗的快速復位時間Fig.4 Quick reset time at cold state (a) and hot state (b) performance tests

圖4表明，環(huán)境冷、熱態(tài)性能試驗全行程動作的快速復位時間雖有波動，但機械落棒時間均在≤1 s范圍內，均滿足設計要求；高溫條件對安全棒組件的快速復位有影響，高溫試驗比常溫試驗的快速復位時間總體上要長。驅動機構中的彈簧在熱態(tài)條件下，彈簧本身的剛度和性能均有一定程度的下降，因此彈簧復位能力變差。模擬支撐裝置和安全棒系統(tǒng)在高溫條件下會有一定形變，且高溫下不銹鋼材料的相對滑動摩擦系數(shù)變化較大[13]，導致復位阻力增大，復位時間增加。

2) 安全棒組件高位保持

在冷、熱態(tài)性能試驗中，驅動機構鎖住安全棒組件位置并高位保持時，激光測距儀測得安全棒組件位移如圖5所示。

圖5表明，冷、熱態(tài)性能試驗時，安全棒組件鎖止在高位的位移偏差均在±5 mm范圍內，滿足設計要求。安全棒組件的高位位置由驅動機構內的卡鎖鎖住齒條桿保持，驅動機構裝配調試后，鎖住齒條桿位置不變，但由于齒條桿到安全棒組件間有多級齒輪嚙合傳動，隨試驗次數(shù)的增加，傳動部件間的磨損會導致傳動鏈的空隙增大[14]，在重力作用下，安全棒組件鎖止時的高位位移也隨空隙的增大而增大。

圖5 冷態(tài)(a)和熱態(tài)(b)性能試驗安全棒組件的位移Fig.5 Displacement of safety rod assembly at cold state (a) and hot state (b) performance tests

3) 安全棒組件復位

冷、熱態(tài)性能試驗中，快速復位后激光測距儀測得安全棒組件位置相對初始零位的偏差如圖6所示。

圖6表明：冷、熱態(tài)性能試驗時，快速復位后安全棒組件位置均能回復到相對初始零位±5 mm范圍內，端部卡鎖機構能牢牢鎖住安全棒組件，防止安全棒組件非預期移出堆芯，滿足設計要求；在同樣的環(huán)境溫度下，隨全行程動作次數(shù)的增加，安全棒組件快速復位回到相對初始零位的能力下降。這也是由于隨試驗次數(shù)的增加，驅動機構內的彈簧性能下降，在初始狀態(tài)的彈簧力變小所致。

3.3 誤差分析

所選激光測距儀的測量精度為±1 mm，在測量安全棒組件位移時存在偏差。在地面重力作用下，安全棒組件的自重產生快速復位的阻力矩，故地面試驗快速復位時間比太空無重力作用時要長；而快速復位時的彈簧產生的力矩遠大于安全棒組件自重產生的阻力矩，因此，自重產生的阻力矩對落棒時間的影響較小。運動仿真分析結果表明，有重力作用時快速復位時間比無重力時長50 ms左右。

圖6 冷態(tài)(a)和熱態(tài)(b)性能試驗快速復位后安全棒組件位置的偏差Fig.6 Quick reset position deviation of safety rod assembly at cold state (a) and hot state (b) tests

4 結論

冷、熱態(tài)性能試驗中安全棒系統(tǒng)試驗樣機均運行正常，快速復位時間、安全棒組件高位位移和快速復位后安全棒組件位置均在系統(tǒng)設計范圍內。冷、熱態(tài)性能試驗后，系統(tǒng)完全能繼續(xù)正常運行，壓力邊界完好。試驗樣機冷、熱態(tài)性能試驗為后續(xù)抗震試驗提供了有力條件，也為后續(xù)系列產品的設計及試驗裝置的改進提供有力的參考依據(jù)。