[科普中國]-安全棒

安全棒驅(qū)動原理介紹

中國先進(jìn)研究堆(CARR)共有2根安全棒，設(shè)置在重水箱內(nèi)，是反應(yīng)堆事故停堆的安全保障。安全棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)置在導(dǎo)流箱上，穿過重水箱自上而下驅(qū)動處于重水箱內(nèi)的安全棒。CARR安全棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用水力驅(qū)動方式，其回路結(jié)構(gòu)如圖1所示，是以流體動壓原理設(shè)計的水力缸為驅(qū)動部件的安全棒驅(qū)動系統(tǒng)。水力驅(qū)動缸由缸體和活塞組成，安全棒和運(yùn)動組件與活塞剛性連接。該水力驅(qū)動缸由其控制單元控制，控制單元由電磁閥和若干阻力節(jié)組成。來自重水箱中的重水經(jīng)泵加壓后通過控制單元進(jìn)入水力驅(qū)動缸。當(dāng)電磁閥打開時，由進(jìn)水口進(jìn)入缸內(nèi)的高壓水推動活塞向上移動直至活塞到達(dá)缸體頂部的出水孔以上，并依靠流體的動壓保持在該位置上。當(dāng)安全棒落棒時，打開電磁閥，或系統(tǒng)斷電，電磁閥失效打開，同時驅(qū)動泵停止運(yùn)行，缸內(nèi)水流經(jīng)電磁閥迅速返回至重水箱內(nèi)，安全棒運(yùn)動組件在自身重力的作用下，在1s內(nèi)落至底端，使反應(yīng)堆停止。在缸體下端設(shè)置緩沖器，以緩沖安全棒落棒時產(chǎn)生的沖擊載荷。安全棒行程的上、下端點(diǎn)設(shè)有電感位置指示器，用以指示安全棒是否到達(dá)上下終端位置。12

存在的問題及原因分析存在的問題

在中國先進(jìn)研究堆C階段調(diào)試過程中，操縱員提升安全棒時，1號安全棒提起后意外落棒，經(jīng)現(xiàn)場檢查，安全棒動力電源進(jìn)線電壓、電流正常，驅(qū)動泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但電磁閥線圈出現(xiàn)局部燒損，經(jīng)測量該線圈表面溫度較其他線圈表面溫度高。由于電磁閥在安全棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)行時一直保持通電狀態(tài)，其電磁線圈發(fā)出熱量隨時間積累，導(dǎo)致電磁閥的電磁線圈老化，電磁閥失效，引發(fā)意外落棒。1

原因分析

分析認(rèn)為，導(dǎo)致1號安全棒脫離上部終端的原因是驅(qū)動泵出口閥正常工作開度僅為1/20圈，長時間運(yùn)行中因管路振動導(dǎo)致其開度發(fā)生變化，引起泵出口壓力降低，驅(qū)動力不足，導(dǎo)致安全棒脫離上部終端。1

解決方法驅(qū)動泵和電磁閥在反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間長期處于負(fù)荷工作狀態(tài)，在安全棒水力驅(qū)動機(jī)構(gòu)回路出現(xiàn)異常情況下，如過濾網(wǎng)堵塞、回路壓力過低，就無法保持安全棒在上部終端位置，通過調(diào)節(jié)回路閥門增加流量，提高壓力，進(jìn)一步加大了驅(qū)動泵和電磁閥工作負(fù)荷，情況嚴(yán)重時導(dǎo)致電磁閥線圈燒損等意外情況發(fā)生。所以，要徹底消除這些問題，需考慮改變安全棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的工作方式。1

改進(jìn)設(shè)計設(shè)計思路為保證CARR安全棒工作的可靠性與穩(wěn)定性，將CARR安全棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)由現(xiàn)有的水力驅(qū)動式工作方式改為水力提升冰力磁力保持式工作方式，該工作方式在維持原有工作方式不變的情況下增加磁力保持手段，安全棒的保持動力由驅(qū)動泵提供的動水壓力和磁力保持裝置產(chǎn)生的磁力共同提供。兩種保持動力中任意一種單獨(dú)工作時提供的動力均可保證安全棒維持在頂部位置。其驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖2所示。圖2中，在安全棒頂端加裝銜鐵組件，銜鐵組件與安全棒剛性連接。在安全棒套筒外側(cè)增設(shè)磁力保持裝置。磁力保持裝置基于磁阻最小原理設(shè)計，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。由銅質(zhì)漆包線繞制成保持線圈，線圈骨架采用阻磁材料不銹鋼，線圈盒采用導(dǎo)磁材料。1

原理分析通電后保持線圈產(chǎn)生的磁場將沿著線圈盒上導(dǎo)磁蓋、線圈盒、下導(dǎo)磁蓋、銜鐵組件及套筒盒銜鐵之間的主氣隙形成閉合磁回路，磁力保持裝置產(chǎn)生的電磁力將銜鐵組件吸住，達(dá)到磁力保持的目的。提升安全棒的過程中使用較大流量，以提供足夠的水力動壓提升安全棒，當(dāng)安全棒提升至頂部終端位置時，啟動磁力保持裝置，同時減小回路流量，水力驅(qū)動泵提供的動壓可維持安全棒在頂部位置，以減小水力驅(qū)動泵和電磁閥的工作負(fù)荷。設(shè)置安全棒驅(qū)動泵出口壓力和磁力保持裝置電流電壓讀數(shù)兩個測點(diǎn)，以監(jiān)督兩種裝置的工作情況，當(dāng)某個測點(diǎn)發(fā)生故障時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，操縱員將有足夠時間進(jìn)行判斷處理。水力驅(qū)動和磁力保持二者互為冗余，在任一裝置動力發(fā)生故障時，另一裝置可提供足夠的維持動力保證安全棒位于上部終端，大幅降低了安全棒意外落棒的幾率。磁力保持裝置、電磁閥和安全棒驅(qū)動泵由同一電源進(jìn)行供電，由斷路器控制供電的通斷，當(dāng)需要下落安全棒時，如停堆、發(fā)生斷電或意外事故時，斷開斷路器，磁力保持裝置、電磁閥和驅(qū)動泵同時失電，斷電后安全棒驅(qū)動泵停止，電磁閥失效打開，磁力保持裝置磁力消失可對安全棒驅(qū)動線立即釋放，使安全棒依靠重力作用快速下插，緊急落棒與原來一致，因此不會增加由磁力保持裝置帶來的卡棒風(fēng)險，也不會增加不能緊急停堆的幾率。套筒內(nèi)，活塞以下的重水通過排水管排出套筒，空氣通過頂部的排氣口進(jìn)入套筒，從而保證了正常落棒，在安全棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)底部設(shè)置有緩沖彈簧，安全棒組件不會直接接觸緩沖彈簧，而是活塞落在緩沖彈簧上，不會對安全棒組件造成直接沖擊。這樣，降低了驅(qū)動泵和電磁閥長期工作負(fù)荷，保證了落棒有足夠的緩沖，減少了意外落棒的幾率。另外，磁力保持裝置工作時產(chǎn)生的電磁力會將銜鐵組件牢牢吸在頂部位置，消除在水力單獨(dú)驅(qū)動情況下，活塞因壓力波動發(fā)生的上下抖動、旋轉(zhuǎn)情況，避免了長期工作可能出現(xiàn)的磨損缸體，引發(fā)卡棒等問題的發(fā)生。1