鉛鉍快堆控制棒驅動機構研究

唐菊梅 朱清 靳峰雷 瞿宇 劉明

摘? 要：隨著人類對能源的需求不斷增長，國際核工程界提出發展第四代核電系統的主張，鉛鉍快堆是第四代反應堆系統6種堆型之一。鉛鉍快堆的停堆機構采用齒輪齒條式控制棒驅動機構，該機構主要功能為抓取和釋放控制棒、升降與懸停控制棒及快速落棒。該文經過分析與初步試驗，所設計的鉛鉍快堆控制棒驅動機構符合設計指標要求，并通過設計防反彈裝置，達到了防止傾翻事故工況要求。

關鍵詞：鉛鉍快堆? 齒輪齒條? 控制棒驅動機構? 反應堆

中圖分類號：TL4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（b）-0076-04

Research for Control Rod Drive Mechanism of Lead Bismuth Fast Reactor

TANG Jumei1? ZHU Qing1? JIN Fenglei2? QU Yu1? LIU Ming1

（1.Sichuan Huadu Nuclear Equipment Manufacture Co.，Ltd.， chengdu， Sichuan Province， 611830 China; 2.China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413? China）

Abstract： With the increasing demand for energy， the international nuclear engineering community proposes to develop the fourth generation nuclear power system. Lead bismuth fast reactor is one of the six types of the fourth generation reactor system. Rack and gear control rod drive mechanism is used in the shutdown mechanism of lead bismuth fast reactor. The main functions of the shutdown mechanism are grabbing and releasing control rod， lifting， descending and holding control rod， dropping rod quickly. After analysis and preliminary tests， the designed lead-bismuth fast reactor control rod drive mechanism meets the design index requirements， and through the design of an anti-rebound device， the requirements for preventing tipping accidents are achieved.

Key Words： Lead bismuth fast reactor; Rack and gear; Control rod drive mechanism; Reactor

隨著人類對清潔能源需求的增長，核能作為一種清潔、安全、高效的能源，已在能源領域中起到了重要作用。

鉛基材料（鉛或鉛合金）作為反應堆冷卻劑，其優點是：（1）鉛基堆中子經濟性優良，發展可持續性好;（2）鉛基堆熱工特性優良，化學惰性強，安全性好;（3）鉛基材料可與易揮發放射性核素碘和銫形成化合物，可以降低反應堆放射性源項。

1? 鉛基快堆研究現狀

1.1 俄羅斯

俄羅斯從20世紀60年代開始研究鉛冷快堆，并優先應用于核潛艇的核動力裝置，后逐漸轉為民用。現比較成熟的堆型為SVER與BREST系列。

1.2 歐洲

2006年，歐洲正式啟動鉛冷快堆ELSY的研究，經過多年努力，最新設計ELSY-600是一個已經具有經濟競爭力、安全可靠性的初步堆型。

1.3 美國

在20世紀90年代末，美國國內多家大學合作進行了鉛冷快堆的研究。研究重點集中在高溫制氫、嬗變處理核廢料、鉛鉍腐蝕性等。

1.4 中國

經過多年的發展，中國也成為從事鉛冷快堆研究的大國之一，在2011年，針對加速器驅動次臨界系統預研裝置和第四代鉛冷快堆的技術發展目標和實驗要求，完成了具有臨界和加速器驅動次臨界雙模式任務[1]。

2? 鉛鉍快堆控制棒驅動機構研究

控制棒驅動機構是反應堆控制系統和安全保護系統的執行機構，具有按照反應堆控制系統和安全保護系統的指令驅動控制棒組件從堆芯提升、保持在某一位置上、從任意工作位置上插入或快速插入堆芯，完成反應堆啟動、調節功率、維持功率、反應性補償、正常停堆和緊急工況下快速停堆的功能[2-3]。

鉛冷快堆為第四代核能系統液態金屬冷卻堆型，在控制棒驅動機構結構型式上，鉛鉍快堆采用技術成熟度較高的齒輪齒條式控制棒驅動機構。

2.1 設計研究主要目標參數

（1）控制棒運行速度：0～8 mm/s。

（2）控制棒運行精度：±3 mm。

（3）控制棒最大行程：650 mm。

（4）控制棒組件設計溫度：510 ℃。

（5）驅動機構工作介質：惰性保護氣體，鉛鉍合金。

（6）控制棒運行環境介質：鉛鉍合金。

（7）控制棒全程落棒時間：0.6 s。

（8）控制棒重量：55.54 kg（移動體23.76 kg）。

（9）相鄰兩根控制棒中心距： 200 mm。

（10）驅動機構設計壽命：15年。

2.2 驅動機構結構描述

鉛鉍快堆控制棒驅動機構屬于機電一體化設備。其組成分別是組合電機、主軸傳動鏈、抓手傳動鏈、主軸終端開關、抓手位置開關、快速釋放裝置、防反彈裝置、落棒加速裝置、落棒緩沖裝置、棒位連續位置檢測裝置、可動體和抓手部件。機構全長5 214 mm（不包括控制棒長度），最大直徑φ198 mm。

鉛鉍快堆控制棒驅動機構結構示意圖見圖1，傳動原理圖見圖2。

主軸傳動鏈：采用組合電機提供驅動力，通過減速裝置，將電機的旋轉運動轉化為主軸齒條的直線運動，實現控制棒的升、降及保持。

抓手傳動鏈：采用組合電機提供驅動力，通過減速裝置，將扭矩傳遞給下部凸輪，驅使抓手開、合，實現對控制棒的抓、放。

驅動機構升降動作：主軸驅動電機旋轉→蝸桿ZZ1旋轉→蝸輪ZZ1旋轉→齒輪ZZ1旋轉→齒輪ZZ2旋轉→傳動軸旋轉→齒輪ZZ3旋轉→齒輪ZZ4旋轉→齒輪ZZ5旋轉→齒輪ZZ6旋轉→齒輪ZZ7旋轉→齒輪ZZ8旋轉→齒輪ZZ9旋轉→可動體上下運動→抓手上下運動（→控制棒組件上下運動）。

連續位置檢測動作：齒輪ZZ9旋轉→齒輪WZ1旋轉→齒輪WZ2旋轉→齒輪WZ3旋轉→齒輪WZ4旋轉→連續位置檢測裝置旋轉實現連續位置檢測。

驅動機構抓手開合動作：抓手驅動電機旋轉→齒輪ZS1旋轉→齒輪ZS2旋轉→蝸桿ZS1旋轉→蝸輪ZS1旋轉→齒輪ZS3旋轉→齒輪ZS4旋轉→旋轉套筒旋轉→可動體旋轉軸旋轉→抓手部件凸輪旋轉→抓手開、合。

驅動機構落棒動作：快速釋放裝置斷開傳動鏈→落棒體（含可動體、抓手部件和控制棒組件）下落→齒輪ZZ9旋轉→齒輪ZZ8旋轉→齒輪ZZ7旋轉→齒輪ZZ6旋轉→防反彈裝置正向旋轉并打滑。

落棒防反彈動作：落棒體落棒后具有向上運動趨勢會帶動齒輪ZZ9旋轉→齒輪ZZ8旋轉→齒輪ZZ7旋轉→齒輪ZZ6旋轉→防反彈裝置接通主軸傳動鏈，將扭矩傳遞到主軸傳動鏈上半段，利用蝸輪蝸桿的自鎖功能防止傳動鏈旋轉，利用傳動鏈的柔性吸收能量從而實現防反彈功能，同時能夠實現驅動機構在傾斜擺動狀態的自鎖功能。

2.3 驅動機構功能描述

控制棒驅動機構主要包括3個功能：抓取和釋放控制棒、升降與懸停控制棒、快速落棒。

2.3.1 抓取和釋放控制棒

功能描述：控制棒驅動機構抓手的傳動鏈在電機的驅動下，控制棒驅動機構抓手能夠抓取和釋放控制棒，且設置有抓手位置開關，能夠顯示出抓手的開、合狀態。同時，為了保證抓取和釋放的可靠，控制棒的抓取和釋放裝置要具有防止控制棒意外跌落等功能[4]。

實施方式：由抓手驅動電機、抓手傳動鏈、可動體、抓手部件、抓手位置開關、主軸終端開關和連續位置檢測裝置相互作用，共同實現。其功能原理圖見圖3。

2.3.2 升降與懸停控制棒

功能描述：驅動機構在電機的驅動下，通過減速傳動鏈，將電機的旋轉運動轉化為齒條的直線運動，實現控制棒的升、降及保持功能。當驅動機構提升到“上限位”時，電機斷電，依靠減速裝置中的自鎖式蝸輪蝸桿副實現懸停控制棒。

實施方式：升降與懸停控制棒功能由主軸驅動電機、主軸傳動鏈、快速釋放裝置、抓手部件、可動體、主軸終端開關、抓手位置開關和連續位置檢測裝置相互作用，共同實現。其功能原理圖見圖4。

2.3.3 快速落棒

功能描述：快速落棒，電磁離合器失電斷開傳動鏈，控制棒在可動體的帶動下快速插入堆芯，從而使反應堆緊急停堆。

實施方式：快速落棒功能由主軸傳動鏈、快速釋放裝置、加速裝置、緩沖裝置、防反彈裝置、抓手部件、可動體和連續位置檢測裝置相互作用，共同實現[5-6]。可動體上設置加速裝置和緩沖裝置，采用圓柱螺旋彈簧。其功能原理圖見圖5。

3? 結語

經過分析與初步試驗，所設計的鉛鉍快堆控制棒驅動機構符合設計指標要求。在控制棒驅動機構行程空間受限即小型化設計上，實現了鉛鉍快堆控制棒驅動機構設計總長度在5.5 m以內，同時，通過設計防反彈裝置，實現了防止傾翻事故工況要求。

參考文獻

[1] 韓金盛，劉濱，李文強.鉛冷快堆研究概述[J].核科學與技術，2018，6（3）：87-97.

[2] 鄭志興.核電站反應堆控制保護系統的設計與研究[D].華南理工大學，2019.

[3] 石康麗.鉛冷快堆始發事件及瞬態安全特性初步研究[D].中國科學技術大學，2017.

[4] 張旻，李書良，陽雷.核反應堆控制棒渦流檢測仿真[J].無損檢測，2019，41（7）：1-4.

[5] 曾梅花.加速器驅動鉛基堆堆內換料系統結構分析與仿真[D].中國科學技術大學，2018.

[6] 陶舒暢，賴建永，秦婧，等.美國鉛冷快堆研究進展[J].科技視界，2020（17）：231-234.