, 王大中, 张作义, 姜胜耀, 张亚军, 秦本科, 赵陈儒, 刘潜峰, 王金海清华大学 核能与新能源技术研究院, 北京 100084
收稿日期：2020-12-30
基金项目：院系自筹项目
作者简介：薄涵亮(1964-), 男, 教授。E-mail: bohl@tsinghua.edu.cn
摘要：安全性和经济性满足较小功率用户需求的小型核反应堆为近年来的研究热点，一体化布置水冷反应堆为小型核反应堆的主要堆型之一。核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最关键的安全设备，担负着反应堆的启动、功率调节及停堆等重要功能。该文给出一种应用于一体化布置水冷反应堆的内置式控制棒水压驱动技术，包括功率小于50 MW的A型和热功率50~300 MW的B型2种整体设计方案、部件组成、主要功能和性能等工程研究和应用。为一体化水堆提供了完整的内置式控制棒驱动线，包括其部件组成、联接结构、固定方式和功能；降低了反应堆高度；避免了弹棒事故，增强了反应堆安全性；使一体化布置反应堆更加紧凑、体积小、自然循环能力加强。
关键词：一体化水堆内置式控制棒水压驱动机构
In-vessel control rod hydraulic drive mechanism for integrated water reactors
BO Hanliang
, WANG Dazhong, ZHANG Zuoyi, JIANG Shengyao, ZHANG Yajun, QIN Benke, ZHAO Chenru, LIU Qianfeng, WANG JinhaiInstitute of Nuclear & New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: In recent years, many researchers have focused on small nuclear reactors that provide good economics and safety characteristics for small users with the integrated water reactor as one of the main reactor types for small nuclear reactors. The control rod drive mechanism is a key component during reactor startup, power regulation and shutdown. This paper describes an in-vessel type control rod hydraulic drive mechanism for integrated water reactors, including the structure, the components, the main functions and the performance. Type A is designed for reactors with power levels less than 50 MW with type B for 50~300 MW reactors. This study provides a complete in-vessel type control rod drive line for integrated water reactors including the components, connecting structures, modes and functions that reduce the reactor height, prevent the control rod ejection accident and enhance the reactor safety to make the integrated water reactor more compact with natural circulation.
Key words: integrated water reactorin-vessel typecontrol rodhydraulic drive mechanism
核动力电厂由能量输出部分的核岛和能量转换部分的常规岛组成，核岛内主要布置有反应堆、蒸汽发生器、主泵和稳压器四大设备，构成“反应堆及一回路系统”，可控地实现核能以热能形式的释放和传输。凭借核能工程技术的发展和设备的小型化，可以把蒸汽发生器、主泵和稳压器布置于反应堆压力容器内部，形成一体化布置核反应堆，其安全性和经济性满足较小功率需求的用户。代表堆型如：阿根廷原子能委员会和INVAP公司开发的CAREM先进小型核电机组；韩国的系统集成模块化先进反应堆(SMART)；日本原子能研究所开发的MRX堆；中国的NHR5、NHR200和ACP100反应堆；美国西屋公司的国际创新与保障堆(IRIS)，及与IRIS类似的NuScale和mPower多功能小型压水堆等[1]。
核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最关键的安全设备，担负着反应堆的启动、功率调节及停堆等重要功能。控制棒驱动机构一般位于反应堆压力容器外，称为外置式驱动技术。外置式驱动技术的最大缺点是传动线长，增加反应堆总体高度和存在弹棒隐患。内置式驱动技术就是把控制棒驱动机构置于压力容器内，缩短了控制棒驱动线，从而降低了反应堆高度；避免了弹棒事故，增强了反应堆安全性；使一体化布置核反应堆更加紧凑、体积缩小、自然循环能力加强。
公开报道的内置式控制棒驱动技术有水力驱动控制棒和控制棒电机磁力锁驱动机构，其中日本SBWR、阿根廷CAREM、中国NHR5和NHR200、美国IRIS、韩国PINCs堆的设计采用水力驱动控制棒，日本MRX堆的设计采用控制棒电机磁力锁驱动机构，仅有中国的NHR5实现了水力驱动控制棒技术的实际应用[2-3]。
NHR5和NHR200的水力驱动控制棒由循环泵、组合阀、控制棒(又名步进缸)组成。其中，组合阀由上升电磁阀、下降电磁阀、脉冲缸、保持流量阻力节、下降阻力节和回零阻力节构成；步进缸由外套和内套组成，内套固定，外套运动，步进缸外套装有中子吸收体，步进缸内套上有数目相当于总行程步数的孔槽，各孔槽间的距离为步长，外套上只有一排孔。反应堆压力容器内冷却剂(水)经循环泵加压后，经组合阀注入水力步进缸，通过组合阀产生的恒定水流或脉冲水流控制步进缸外套保持在某一位置或产生步进式运动，从而控制反应堆的运行。水力驱动控制棒系统以反应堆冷却剂作工质，靠流体动压驱动控制棒运动，决定了其驱动过载能力小的特点；另外因反应堆冷却剂物性随反应堆的运行工况发生变化，使流体动压驱动控制棒运动随工况变化而复杂化。例如水力驱动控制棒的静态、动态保持流量和工作流量随温度发生变化，驱动力也随温度的升高而变小，出现冷态下提一步，热态下不动，热态下提一步，冷态下提两步的现象，需要采取复杂的工作流量随温度自动调节补偿，或提棒延时随温度自动调节补偿[4-8]。
磁力提升器是压水堆控制棒驱动机构[9]，由一套机电传动组成，其中3个电磁线圈通过两套销爪与传动轴上槽纹的配合作用，使驱动轴和控制棒束作步进式移动。整个驱动机构位于反应堆压力容器盖上，压力容器与驱动机构承压壳焊接，驱动轴和销爪机构在承压壳内而电磁线圈在承压壳外。承压壳内的构件为：固定的提升磁铁；可移动的传递磁铁、衔铁及传递销爪；固定的夹持磁铁、衔铁及夹持销爪。销爪机构有3个销爪，它们各自有固定销，按120°夹角装在传动轴槽纹杆的四周。传动轴加工有环形沟槽，以便销爪能够将它步跃移动或保持在所要求的位置。磁力提升器是一种商业化的外詈式驱动机构，存在弹棒隐患，对于一体化布置核反应堆其传动线过长，增加反应堆总体高度。
控制棒水压驱动技术[10]是在对水力驱动控制棒系统深入研究的基础上，结合商用压水堆磁力提升器的优点，发展而来的一种内置式控制棒驱动技术。其驱动机构部件采用3个水压缸驱动2个销爪机构工作，流体静压驱动的设计，解决了水力驱动控制棒系统动压驱动因工况变化而引起的驱动特性的复杂性的缺点，使控制棒能够准确定位和步进运动，并具有较大的过载能力，继承了内置式控制棒驱动机构不贯穿压力壳、传动线短的优点，避免了弹棒事故，增强了反应堆安全性等优点。不仅完全满足一体化布置核反应堆的使用要求，而且可以推广到其他研究水堆，使其控制棒传动线缩短。本文给出内置式控制棒水压驱动技术的设计方案、组成、功能和性能等工程研究和应用。
1 设计方案内置式控制棒水压驱动技术的设计原理参见文[10]，其主要应用于一体化布置水冷反应堆，分别为热功率小于50 MW的A型和热功率50~300 MW的B型2种设计方案。
1.1 整体设计内置式控制棒水压驱动技术包括驱动线和驱动回路两部分，驱动线置于反应堆压力容器内部，驱动回路位于反应堆压力容器外作为工艺回路。
A型内置式控制棒水压驱动线如图 1a所示，该内置式控制棒驱动线包括组合阀、棒位测量、弹簧箱、驱动机构、控制棒和缓冲器等六大部件；六大部件顺序联接，形成整个控制棒驱动线，置于反应堆压力容器内，即内置式；组合阀和棒位测量为承压部件，以法兰形式与压力容器联接，构成完整压力边界；缓冲器安装于堆芯下支撑板上，防止拆装过程中控制棒事故跌落而损坏；十字翼吸收体与驱动轴和棒位测量杆联接形成控制棒；组合阀控制水流使驱动机构工作，拖动控制棒步升、步降和落棒。
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| 图 1 一体化水堆的A型与B型内置式控制棒水压驱动线 |
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B型内置式控制棒水压驱动线如图 1b所示，该内置式控制棒驱动线包括组合阀、棒位测量、驱动机构、驱动轴、缓冲筒、控制棒和缓冲器等七大部件；七大部件顺序联接，形成整个控制棒驱动线，置于反应堆压力容器内。与A型内置式控制棒驱动线相比较，组合阀和驱动机构部件相同；棒位测量部件直接检测驱动轴位置，增加了检测量程及固定驱动机构部件的功能；驱动轴部件为独立部件，组合了缓冲锁和与控制棒的联接机构；缓冲筒部件结合驱动轴部件上的缓冲锁实现控制棒落棒过程中的速度限制及末端制动功能；控制棒部件也是独立部件，满足反应堆换料操作需求；缓冲器部件增加了控制棒部件与驱动轴部件联接位置给定功能，保证其顺利联接。
内置式控制棒水压驱动回路如图 2所示，包括隔离阀、循环泵、过滤器、调节阀、阻力节、截止阀等设备组成、工艺回路和测点布置。工艺回路水通过喉部缩管穿过压力容器压力边界，经隔离阀进入循环泵，增压后通过过滤器；工艺回路设一用一备循环泵、过滤器驱动支路，在循环泵前和过滤器后分别有截止阀，实现一用一备切换和维修；过滤器出口的水分为两路，一路进入组合阀，穿过压力容器压力边界驱动控制棒驱动线，一路经调节阀、阻力节回到循环泵前，实现控制棒驱动线驱动压力和流量的调节；整体流程和组成设备形成控制棒水压驱动工艺回路。工艺回路在出隔离阀和进组合阀处分别设有出压力容器温度测点、进组合阀温度测点、进组合阀差压测点和进组合阀流量测点，实现工艺回路调节和驱动性能检测；在驱动支路上设有循环泵差压测点、过滤器差压测点和循环泵流量测点，实现循环泵和过滤器的性能检测和设备维修。
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| 图 2 内置式控制棒水压驱动回路 |
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1.2 驱动机构控制棒水压驱动机构如图 3所示，包括驱动机构内套的结构和提升缸、传递缸、夹持缸、传递销爪机构、夹持销爪机构。驱动机构内套为厚壁管结构，包括提升螺纹台阶、夹持螺纹台阶、夹持爪弹簧架台阶、限位螺纹台阶，和传递爪滑槽、传递爪定位块滑槽、夹持爪滑槽、夹持爪定位块滑槽等结构，决定了水压缸和销爪机构的空间位置。夹持缸布置于驱动机构内套夹持螺纹台阶，夹持缸内套缸联接夹持销爪机构；夹持爪弹簧架布置于驱动机构内套夹持爪弹簧架台阶，固定于夹持套夹持爪定位块槽内的爪定位块布置于驱动机构内套夹持爪定位块滑槽，使夹持爪工作在夹持套夹持爪槽和驱动机构内套夹持爪滑槽内，限位堵件布置于驱动机构内套限位螺纹台阶，确定了夹持销爪机构的位置。传递缸布置于传递套传递螺纹台阶，传递缸内套缸联接传递销爪机构；固定于传递套传递爪定位块槽内的爪定位块布置于驱动机构内套传递爪定位块滑槽，使传递爪工作在传递套传递爪槽和驱动机构内套传递爪滑槽内，确定了传递销爪机构的位置，并与夹持销爪机构位置错开。提升缸布置于驱动机构内套提升螺纹台阶，提升缸内套缸与传递套联接；转动提升缸、传递缸、夹持缸，使其引水管通道和支撑通道对齐后锁死。
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| 图 3 驱动机构 |
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1.3 组合阀组合阀结构如图 4所示，包括3套三通电磁阀零部件，1个逆止活塞，1个进水管，3个进缸水孔，1个回零水孔，1件阀盖，1件阀体，3条阀盖螺钉，8条固定螺钉。
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| 图 4 组合阀 |
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三通电磁阀的驱动部分由组装在阀盖内部的动铁芯、大推杆、与阀盖螺纹联接并密封焊接的静铁芯等零件，和与阀盖焊接的进水管，及安装在阀盖外部，电磁阀头螺母固定的电磁阀头组成；三通电磁阀的阀芯部分由组装在阀体内部的上阀芯、小推杆、下阀芯、复位弹簧、与阀体螺纹联接的密封盖、与阀体焊接的盖堵板组成；阀体与回零腔室堵板焊接成整体，组装了3套三通电磁阀驱动的阀盖，与组装了3套三通电磁阀阀芯的阀体组件，由阀盖定位孔上的定位销定位，金属O型环密封，3条阀盖螺钉联接，8条固定螺钉压紧在压力容器管嘴法兰上。3个三通电磁阀拥有一路进水，从进水管至阀体腔室，再由阀体腔室分流3股，分别经3路来水通道至下阀芯腔；3个三通电磁阀共用一路排水，从上阀芯腔分别经3路排水通道流入回零腔室，再由回零腔室经回零通道从回零水孔排除；3个三通电磁阀具有3路独立的进缸通道和进缸水孔，分别与驱动机构的夹持、传递、提升水压缸联通。三通电磁阀通电时，电磁阀头的磁力克服复位弹簧力和高压来水压力，使动铁芯驱动大推杆关闭上阀芯，同时小推杆打开下阀芯，此刻高压来水从阀体腔室经下阀芯腔、小推杆腔、进缸通道、进缸水孔流入水压缸，驱动水压缸动作；三通电磁阀断电时，下阀芯在复位弹簧力和高压来水的作用下关闭，同时上阀芯打开，此刻水压缸的水从进缸水孔流入，经进缸通道、小推杆腔、上阀芯腔、排水通道、回零腔室、回零通道、回零水孔排除，水压缸复位，恢复到初始状态；三通电磁阀的供电控制实现了水压缸动作的控制，组合阀的结构实现了驱动机构功能的控制。
阀盖组件与阀体组件由阀盖螺钉联接，逆止活塞处于阀体腔室内，由阀盖定位孔上的定位销定位，金属O型环密封，固定螺钉压紧在压力容器管嘴法兰上。工作状态下，阀盖组件进水管的高压来水使逆止活塞处于阀体腔室的底部，与阀体形成密封，关闭阀体腔室底部的逆止通道，打开阀体腔室上部的来水通道；高压来水通过来水通道进入下阀芯腔，组合阀执行驱动，驱动机构水压缸的正常控制功能；事故状态下，阀盖组件进水管处的压力低于压力容器的压力，高压水从回零水孔流入，经回零通道、回零腔室、逆止通道，推动逆止活塞至阀体腔室顶部，与阀盖组件进水管密封，同时关闭阀体腔室上部的来水通道；逆止组合阀执行高压水被密封在压力容器内的逆止功能。
1.4 棒位测量A型内置式控制棒棒位测量如图 5a所示，包括法兰套筒、压管、锁母、密封焊片、引线接口件、吊装螺柱、螺母、进缸水管、安装螺钉和棒位传感器。法兰套筒为传感器承压壳，是棒位测量部件的主体部件，棒位传感器置于其П型空腔内，棒位信号从引线接口件引出，无需使用耐高温高压的电气贯穿件，提高了棒位测量传感器的可靠性。来自组合阀部件的3股进缸水流和回零水流，穿过法兰套筒的进缸流道和回零流道，进缸水管与法兰套筒焊接联接，引流给弹簧箱水管组件；吊装螺柱与法兰套筒螺纹联接，点焊防松，配有螺母，与弹簧箱部件滑动联接，实现驱动机构供水和驱动线吊装、装拆功能。压管置于棒位传感器顶端，通过与法兰套筒螺纹联接的锁母实施固定，位于锁母上面的密封焊片与法兰套筒实施密封焊接，满足法兰套筒端面的密封要求。安装螺母把法兰套筒固定在压力容器管嘴法兰上，组合阀部件凭借穿过法兰套筒上螺钉通道的长固定螺钉与法兰套筒联接，并加固法兰套筒在压力容器管嘴法兰上的固定，O型密封圈密封。
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| 图 5 棒位测量 |
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B型内置式棒位测量如图 5b所示，包括法兰组件、套筒组件、联接螺钉和棒位传感器。法兰组件由法兰、进缸流道、回零流道、引线接口件、锁母、密封焊片、进缸水管、安装螺钉、螺钉孔道组成；法兰与锁母螺纹联接，与密封焊片密封焊接，与引线接口件和进缸水管焊接联接；来自组合阀部件的3股进缸水流和回零水流，穿过法兰的进缸流道和回零流道，进缸水管引流给水管组件，实现驱动机构水压缸供水的衔接功能。套筒组件为长尺寸传感器承压壳，是棒位测量部件的主体部件，由套筒、转接头、压管、棒位传感器组成；棒位传感器置于套筒П型空腔内，转接头与套筒螺纹联接，通过压管固定棒位传感器，密封焊接防松，棒位信号从转接头开孔引至引线接口件，无需使用耐高温高压的电器贯穿件，提高了棒位测量传感器的可靠性。法兰组件与套筒组件螺纹联接成长尺寸传感器承压壳，密封焊接防松；长尺寸传感器承压壳联接槽采用联接螺钉与驱动机构滑动联接，实现驱动线吊装、装拆的功能；安装螺母把长尺寸传感器承压壳固定在压力容器管嘴法兰上，组合阀部件凭借穿过法兰上螺钉通道的长固定螺钉与法兰联接，并加固法兰在压力容器管嘴法兰上的固定，O型密封圈密封，满足压力容器压力边界的密封和强度要求。
1.5 控制棒A型控制棒如图 6a所示，包括上联接轴、上联接套、上十字翼架、吸收棒组件、包覆板、十字翼支撑、铆钉、下十字翼架、下联接套、下联接轴。上联接套、上十字翼架、十字翼支撑上端由定位销确定其联接位置；上联接轴穿过上联接套、上十字翼架中心孔，与十字翼支撑上端螺纹联接，上联接轴与上联接套焊接防松。下联接套、下十字翼架、十字翼支撑下端由定位销确定其联接位置；下联接轴穿过下联接套、下十字翼架中心孔，与十字翼支撑下端螺纹联接，下联接轴与下联接套焊接防松。上、下十字翼架上的凸起结构高于其翼板平面，为十字翼控制棒运动状态的导向，降低十字翼控制棒与燃料元件盒之间的摩擦磨损。吸收棒组件由上端塞、包壳管、碳化硼芯块、下端塞组成；碳化硼芯块置于包壳管内，上端塞和下端塞与包壳管焊接密封，包壳管腔内充氦气，预留热膨胀和逸出气体的空间。吸收棒组件上端和下端分别置于上十字翼架和下十字翼架上的吸收棒组件插孔内，形成一排吸收棒组件定位；U型包覆板包覆吸收棒组件管排，其边缘采用铆钉分别与上十字翼架、十字翼支撑、下十字翼架铆接为整体结构。U型包覆板的外边缘采用凹槽结构，紧贴最外边的吸收棒组件管，增强了包覆板的边缘强度，保证了十字翼碳化硼控制棒的整体强度和结构尺寸。
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| 图 6 A/B型十字翼控制棒和驱动轴 |
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A型控制棒驱动轴如图 6a所示，包括棒位测量杆联接、光轴段、环槽段、十字翼控制棒，满足驱动机构实现十字翼控制棒的驱动功能需求。棒位测量杆与驱动轴螺纹联接，点焊防松。环槽段由传递认爪段、标准工作短段、夹持认爪段、标准工作长段、行程限位段组成；传递、夹持认爪段采取窄环宽槽结构，标准工作短、长短采用宽环窄槽结构；行程限位段采取2倍环槽结构的宽槽结构。十字翼控制棒与驱动轴螺纹联接，焊接固定。该十字翼控制棒驱动轴结构给出了其具体工程实施结构，结合驱动机构销爪结构的工作特性，解决了驱动机构初始抓取时的认槽问题，及十字翼控制棒最高棒位撞车的限位问题。满足驱动机构实现十字翼控制棒驱动的总体功能要求。
B型控制棒如图 6b所示，包括边筋、榫卯结构、包覆平板。边筋为半圆边、沉排铆钉孔的筋条，上下端为圆柱榫头结构；上十字翼架下翼角和下十字翼架上翼角为椭圆柱卯槽结构；边筋置入上、下十字翼架的卯槽内，榫卯结构固定；边筋、上十字翼架、十字翼支撑、下十字翼架的沉排铆钉孔形成长方形封闭框架；吸收棒组件排固定于上、下十字翼架的定位孔内；包覆平板为四周开有铆钉孔的长方形薄板，均匀布置冷却水孔，双面包覆在长方形封闭框架内，四周铆钉铆接固定，构成整体十字翼。
B型驱动轴如图 6b所示，包括联接结构驱动组件、环槽结构件、缓冲锁部件、中套管、可拆装联接结构。环槽结构件与中套管螺纹联接，之间夹紧固定缓冲锁部件，内六角螺钉防转点焊防松；中套管与可拆装联接结构螺纹联接，短销钉防转点焊防松；联接结构驱动组件置于环槽结构件和中套管内部，轴簧和锁簧压紧，上端通过上胀环与环槽结构件锁死，下端与可拆装联接结构通过滑动销钉联接，点焊防松，依靠专用拆装工具实现远距离驱动可拆装联接结构工作。联接结构驱动组件由上端头、上胀环、联接棒、上锁环、轴簧上锁套、上锁销、轴簧、轴簧下锁套、锁簧上止套、锁簧、锁簧下止套组成；上端头与联接棒、联接棒与上锁环螺纹联接，长销钉防转点焊防松；轴簧上锁套通过上锁销固定在环槽结构件上，防松杆固定点焊防松，轴簧下锁套与联接棒螺纹联接，长销钉防转点焊防松，轴簧置于其上、下锁套之间；锁簧上止套置于中套管内，锁簧下止套与联接棒螺纹联接点焊防松，锁簧置于其上、下止套之间；锁簧下止套螺纹联接滑动销钉，滑动销钉点焊在爪驱动滑套上。环槽结构件由光轴段、传递认爪段、标准工作短段、夹持认爪段、标准工作长段、行程限位段组成；Π型轴簧定位结构位于光轴段上；传递、夹持认爪段采取窄环宽槽结构，标准工作短、长短采用宽环窄槽结构；行程限位段采取2倍环槽结构的宽槽结构。缓冲锁部件由滚轮结构、上锁体、下锁体、活套环、定位螺钉组成；滚轮结构分别周向均布于上锁体和下锁体端部；上锁体与下锁体螺纹联接，活套环置于其之间，定位螺钉防转点焊防松。可拆装联接结构与中套管螺纹联接，滑动销钉驱动爪驱动滑套，实现爪与十字翼控制棒的联接和松开功能。
1.6 落棒缓冲A型控制棒落棒缓冲通过弹簧箱实现，弹簧箱设计如图 7a所示，包括碟簧组件、上导向筒、大弹簧、水管组件、下导向筒、缓冲锁部件、联接螺钉。碟簧组件置于弹簧箱的顶端，通过棒位测量部件压紧碟簧组件，从而固定弹簧箱及驱动机构并补偿热膨胀；上导向筒上端Y型法兰与棒位测量部件滑动联接，为碟簧组件提供安装和变形空间，下端三角法兰与下导向筒上端三角法兰联接，定位螺钉固定，弹簧垫片防松，构成弹簧箱的主体结构；下导向筒下端与驱动机构联接，联接螺钉位于联接固定槽处，环丝防松；水管组件置于上下导向筒的水管卡件内，由粗径直通卡套、金属波纹软管、引水管、细径直通卡套组成，粗径直通卡套联接棒位测量部件来水管，下段细径直通卡套联接驱动机构引水管，为驱动机构供水。大碟簧、缓冲锁、大弹簧从下而上依次置于上下导向筒的内腔，缓冲锁与控制棒驱动轴联接，大弹簧为缓冲锁提供附加落棒推力，满足摇摆倾斜条件下落棒速度的要求；上导向筒的通水孔区、下导向筒的缓冲孔区通过补水和排水形成缓冲锁运动的水力阻尼，水力阻尼与大弹簧推力相匹配便能够实现落棒速度的控制；缓冲锁落棒进入下导向筒制动盲区，先被水力制动，后被大碟簧制动。
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| 图 7 A型弹簧箱及B型缓冲筒 |
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B型控制棒落棒缓冲通过缓冲筒实现，缓冲筒设计如图 7b所示，包括缓冲筒通水孔区、缓冲盲区、缓冲孔区、制动盲区、底盘凸起、缓冲锁、控制棒驱动轴、大碟簧、底盘的结构及其构成的可变腔体，实现水力缓冲、初级减速、次级减速、水力制动、碟簧制动的功能。缓冲筒固定在堆芯支撑结构上，可变腔体由缓冲锁和控制棒驱动轴构成的运动边界，和通水孔区、缓冲盲区、缓冲孔区、制动盲区、底盘凸起、底盘构成的静止边界组成；通过控制可变腔体内水排出的速度，实现缓冲锁和控制棒驱动轴的水力缓冲、初级减速、次级减速、水力制动、碟簧制动功能。十字翼控制棒的落棒过程中，缓冲锁位于缓冲筒通水孔区时刻，为落棒初始状态；缓冲锁处于缓冲筒缓冲盲区的时段，为落棒缓冲状态；缓冲锁处于缓冲筒缓冲孔区的时段，为初级减速状态；缓冲锁处于缓冲筒制动盲区的时段，为水力减速状态；缓冲锁处于缓冲筒底盘凸起的时段，为水力制动状态；缓冲锁处于大碟簧作用的时段，为碟簧制动状态。十字翼控制棒的落棒冲击，可通过调整缓冲筒缓冲孔区和制动盲区的长度尺寸、缓冲锁内壁与缓冲筒底盘凸起的间隙尺寸，使水力缓冲、初级减速、次级减速、水力制动与十字翼控制棒(含驱动轴)重力相匹配，满足落棒时间和落棒冲击的技术要求。
1.7 缓冲器A型控制棒落棒缓冲器如图 8a所示，包括缓冲器外套、压杆、碟簧、锁母。碟簧置于缓冲器外套内台阶上，压杆插入碟簧中心至缓冲器外套底腔，锁母压紧，锁母与缓冲器外套螺纹联接，螺纹缝隙打孔，孔内点焊防松；缓冲器安装于堆芯下支撑板上，螺纹联接，点焊防松；缓冲器的压杆为冲击载荷的承载件。冲击载荷作用时，缓冲器外套内碟簧的变形力和水的压力同时作用于压杆上，吸收压杆上冲击载荷的能量；压杆的复位依靠碟簧的复位弹力。
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| 图 8 A/B型缓冲器 |
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B型控制棒落棒缓冲器如图 8b所示，包括缓冲器外套、压杆、碟簧、压簧、锁母。碟簧置于缓冲器外套内下台阶上，压簧位于缓冲器外套内上台阶上，压杆插入压簧、碟簧的中心至缓冲器外套底腔，通过锁母压紧，锁母与缓冲器外套螺纹联接，螺纹缝隙打孔，孔内点焊防松；缓冲器安装于堆芯下支撑板上，螺纹联接，点焊防松；缓冲器的压杆为联接定位和落棒冲击载荷的承载件。联接定位状态，缓冲器压杆托起十字翼控制棒，使驱动轴联接结构与之联接；落棒缓冲状态，缓冲器外套内压簧的变形力和水的压力首先作用在压杆上，使十字翼控制棒减速，然后碟簧的变形力再作用在压杆上，3个力共同吸收压杆上十字翼控制棒的冲击载荷能量；压杆的复位依靠压簧和碟簧的复位弹力。
2 功能和性能控制棒内置式水力驱动技术的工作原理为通过组合阀控制高压来水的通断，使夹持、传递和提升3个水压缸依次工作，驱动夹持、传递销爪机构依次动作，驱使驱动轴及控制棒夹持不动、或步升运动、或步降运动、或落棒运动，即控制棒处于夹持状态、步升状态、步降状态或落棒状态等。
夹持状态：控制棒在某一步位保持不动的状态称夹持状态。夹持阀打开，高压水经引水管进入夹持水压缸，使夹持水压缸冲压运动至顶部，带动销爪机构动作，抓住控制棒，夹持不动。
步升状态：控制棒从某一步位提升到下一步位的状态称提升状态，即从一个夹持状态到下一个夹持状态，需要6个分步骤完成。第一步：传递阀打开，高压水经引水管进入传递水压缸，使传递水压缸冲压运动至顶部，带动销爪机构动作，抓住控制棒；第二步：夹持阀关闭，夹持水压缸的水经引水管进入组合阀通过回零孔返回压力容器，使夹持水压缸卸压复位，带动销爪机构动作，松开控制棒；第三步：提升阀打开，高压水经引水管进入提升水压缸，使提升水压缸冲压运动至顶部，带动传递水压缸及销爪机构和控制棒一起提升一步；第四步：夹持阀打开，高压水经引水管进入夹持水压缸，使夹持水压缸冲压运动至顶部，带动销爪机构动作，抓住控制棒；第五步：传递阀关闭，传递水压缸的水经引水管进入组合阀通过回零孔返回压力容器，使传递水压缸卸压复位，带动销爪机构动作，松开控制棒；第六步：提升阀关闭，提升水压缸的水经引水管进入组合阀通过回零孔返回压力容器，使提升水压缸卸压复位，带动传递水压缸及销爪机构复位；恢复到夹持状态。
步降状态：控制棒从某一步位下降到下一步位的状态称步降状态，即从一个夹持状态到下一个夹持状态，也需要6个分步骤完成。第一步：提升阀打开，带动传递水压缸及销爪机构运动至顶部；第二步：传递阀打开，抓住控制棒；第三步：夹持阀关闭，松开控制棒；第四步：提升阀关闭，带动传递水压缸及销爪机构和控制棒一起下降一步；第五步：夹持阀打开，抓住控制棒；第六步：传递阀关闭，松开控制棒；恢复到夹持状态。
落棒状态：控制棒从某一步位下落到零步位的状态称落棒状态。关闭夹持阀，松开控制棒，控制棒和驱动轴在重力和弹簧力作用下，快速下落到零步位。然后打开夹持阀，抓住控制棒，保持不动。
事故安全：反应堆运行过程中，如果忽然断电，则夹持阀关闭，松开控制棒，控制棒快速下落到零步位使核反应堆安全停堆；如果循环泵故障，则夹持水压缸失去水压而复位，松开控制棒，控制棒快速下落到零步位也使核反应堆安全停堆。故具有事故安全停堆的被动安全特性。
2.1 水压缸性能水压缸的性能指水压缸的运动阻力和水压缸的泄漏量随运动步数的变化曲线，在驱动线的寿期内，要求运动阻力和泄漏量不超过限值。水压缸的运动阻力和泄漏量随运动步数的变化与水压缸摩擦副配伍的选取有关，图 9为夹持水压缸分别在Ti55531基体镀TiN膜与活塞环镀DLC膜配伍，321不锈钢基体镀WC+TiN膜与活塞环镀DLC膜配伍，321不锈钢基体镀CrC膜与活塞环镀DLC膜配伍工况下的冷态运动阻力和泄漏量实测值，其运动阻力和泄漏量的限值分别为150 N和100 kg/h。从图 9可以看出，CrC/DLC摩擦副配伍最优，WC+TIN/DLC摩擦副配伍次之，Ti55531+TiN/DLC摩擦副配伍最差；CrC/DLC和WC+TIN/DLC摩擦副配伍均可满足100万步的使用要求，而Ti55531+TiN/DLC摩擦副配伍仅满足50万步的使用要求。
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| 图 9 夹持水压缸不同摩擦副配伍的冷态运动阻力和泄漏量实测值 |
| 图选项 |
2.2 球关节硬管联接组件性能球关节硬管联接组件为可运动变形的流体输送管道，其可变性特性解决了内置式控制棒驱动机构在高温、高压、辐照环境下，提升水压缸与传递水压缸相对运动并同时供水的动管线问题，提升了驱动机构的可靠性；球头管的摩擦副采用321不锈钢基体WC/DLC或CrC/DLC涂层，有效降低了球关节的运动阻力和泄漏率，大幅提升了球关节的使用寿命。
图 10为WC/DLC涂层球关节硬管联接组件的运动阻力在不同运动频率下随运动步数的变化曲线实测值，其运动阻力限值在5 Hz运动频率下运动阻力的最大值小于15 N。从图 10可以看出，随运动步数的增加其运动阻力缓慢增加；低频运动的运动阻力大于高频运动阻力；WC/DLC涂层球关节硬管联接组件的运动阻力可满足400万步的使用要求。
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| 图 10 WC/DLC涂层球关节硬管联接组件的运动阻力随运动步数的变化曲线实测值 |
| 图选项 |
图 11为WC/DLC涂层球关节硬管联接组件的泄漏量随运动步数的变化曲线实测值，其泄漏量限值为1 kg/h。从图 11可以看出，随运动步数的增加其泄漏量缓慢下降，进入稳定区；随运动步数进一步增加，大于约200万步后出现随机波动；WC/DLC涂层球关节硬管联接组件的泄漏量可满足400万步的使用要求。
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| 图 11 WC/DLC涂层球关节硬管联接组件的泄漏量随运动步数的变化曲线实测值 |
| 图选项 |
2.3 驱动机构性能驱动机构的性能包括：水压缸运动行程和最小驱动差压；驱动机构步进行程和抖动量；驱动机构步进时序；驱动机构步进驱动差压；落棒状态夹持爪松开机械时间。驱动机构的性能与摩擦副的选取、零部件加工和装配、使用环境温度、使用运行时间或寿期等因素有关，需要进行系列试验获取其性能参数。
零部件加工和装配质量、摩擦副选取为水压缸运动行程和最小驱动差压的主要因素。
零部件加工和装配质量决定了驱动机构步进行程和抖动量。
驱动机构步进时序，即驱动机构步进6个步骤的执行时间和连续步进的最小间隔时间，与驱动机构步进驱动差压和使用环境温度及使用寿期耦合，驱动机构步进驱动差压越大，步进时序越短；使用环境温度越高，步进时序越长；驱动机构使用寿期越长，步进时序越长；但较大的驱动机构步进驱动差压产生较大的水击和撞击及振动噪声，会造成驱动机构的零部件和引水管线损坏，所以驱动机构步进时序的确定非常重要，需要综合优化选取：在较小的水击和撞击及振动噪声下，满足使用环境温度和使用寿期及反应堆控制的要求。
落棒状态夹持爪松开机械时间为控制棒机械落棒时间的组成部分，是反应堆安全分析所需的参数之一，控制棒机械落棒时间需满足反应堆安全限值。
表 1为CrC/DLC摩擦副驱动机构寿期初冷态性能参数实测值，满足反应堆控制的使用要求。
表 1 CrC/DLC摩擦副驱动机构寿期初冷态性能参数实测值
| 序号 | 名称 | 部件 | 状态 | 运动行程/mm | 驱动差压/kPa | |||||
| 1 | 水压缸运动行程/最小驱动差压 | 提升缸 | 上升 下降 | 14.85 14.85 | 235 | |||||
| 传递缸 | 上升 下降 | 5.00 4.99 | 335 | |||||||
| 夹持缸 | 上升 下降 | 7.00 7.00 | 398 | |||||||
| 名称 | 状态 | 步进行程/mm | 抖动量/mm | |||||||
| 2 | 驱动机构步进行程/抖动量 | 步升 步降 | 14.87 14.87 | 0.42 0.42 | ||||||
| 名称 | 状态 | t1/ms | t2/ms | t3/ms | t4/ms | t5/ms | t6/ms | t7/ms | ||
| 3 | 驱动机构步进时序 | 步升 步降 | 470 712 | 500 470 | 712 500 | 450 900 | 620 560 | 900 620 | 350 335 | |
| 名称 | 驱动差压/松开时间 | |||||||||
| 4 | 驱动机构步进驱动差压/kPa | 950 | ||||||||
| 5 | 落棒状态夹持爪松开机械时间/ms | 500 | ||||||||
表选项
2.4 组合阀性能组合阀的性能包括其作为压力边界的承压性能、控制功能和内漏参数，其承压性能通过组合阀的出厂水压试验进行检验；其控制功能通过组合阀台架和驱动线台架的相关检测试验进行检验；表 2为组合阀性能内漏参数实测值，其各个阀的内漏值小于500 g/h的限值，满足使用要求。
表 2 组合阀性能内漏参数实测值 ?
| g·h-1 | |||||||||||||||||||||||||||||
| 序号 | 测试台架 | 状态 | 提升阀 | 传递阀 | 夹持阀 | 回零孔 | 逆止阀 | ||||||||||||||||||||||
| 1 | 组合阀台架 | 热试验前 热试验后 | 0.00 3.50 | 7.20 54.30 | 0.00 0.30 | 0.00 411.0 | 0.00 0.93 | ||||||||||||||||||||||
| 2 | 驱动线台架 | 冷态试验 热态试验 | / / | / / | / / | / / | 2.73 微量蒸汽 | ||||||||||||||||||||||
表选项
2.5 落棒缓冲性能落棒缓冲性能主要包含2个方面：一方面需要足够快的时间下落至反应堆底部，以满足反应堆安全运行的需要；另一方面需要限制落棒过程中控制棒的速度和制动过程中控制棒的加速度，以保证控制棒在整个寿期内的结构完整性。
图 12为A型控制棒落棒曲线实测值，其落棒时间小于1 s，满足反应堆安全运行的需求；落棒过程中控制棒的最大速度和制动过程中控制棒的最大加速度小于限值，满足控制棒在整个寿期内的结构强度要求。
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| 图 12 A型控制棒落棒曲线实测值 |
| 图选项 |
图 13为B型控制棒落棒曲线实测值，其落棒时间小于3 s，满足反应堆安全运行的需求；落棒过程中控制棒的最大速度和制动过程中控制棒的最大加速度小于限值，满足控制棒在整个寿期内的结构强度要求。
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| 图 13 B型控制棒落棒曲线实测值 |
| 图选项 |
3 结束语本文给出了应用于一体化布置水冷反应堆的内置式控制棒水压驱动技术，包括功率小于50 MW的A型和热功率50~300 MW的B型2种整体设计方案、部件组成、主要功能和性能等工程研究和应用。
控制棒水压驱动技术为一体化水堆提供了完整的内置式控制棒驱动线，包括其部件组成、联接结构、固定方式和功能；降低了反应堆高度；避免了弹棒事故，增强了反应堆安全性；使一体化布置反应堆更加紧凑、体积小、自然循环能力加强。
控制棒水压驱动技术满足压力容器密封、地震、摇摆倾斜和冲击环境等需求，提高了反应堆的环境适应性，为陆基、舰船和可移动一体化布置反应堆的发展提供了新工程技术。
控制棒水压驱动技术的运动部件在不打开压力容器盖的条件下，满足检测、维修和更换等的需要，提升了反应堆的可测量性和可维修性及可靠性。
致谢
内置式控制棒水压驱动技术于2000年提出概念，经过了应用基础研究、原理样机、工程样机和系列环境实验研究及验证，产品已经应用于实际的一体化布置核反应堆。感谢核研院几代领导20年来的持续关怀和支持！感谢课题组同事20年来的持续坚守和付出！感谢反应堆装备研究室同事们20年来的持续关心和厚爱！
参考文献
| [1] | 周培德, 侯斌, 陈晓亮, 等. 小型反应堆技术发展趋势[J]. 原子能科学技术, 2020, 54(Suppl.): 218-225. ZHOU P D, HOU B, CHEN X L, et al. Development trend of small reactor technology[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2020, 54(Suppl.): 218-225. (in Chinese) |
| [2] | KIN I G, BANG I C. Hydraulic control rod drive mechanism concept for passive in-core cooling system (pincs) in fully passive advanced nuclear power plant[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2017, 85: 266-278. DOI:10.1016/j.expthermflusci.2017.03.013 |
| [3] | ISHIDA T, IMAYOSHI S, YORITSUNE T, et al. Development of in-vessel type control rod drive mechanism for marine reactor[J]. Journal of Nuclear Science and Technology, 2001, 38(7): 557-570. DOI:10.1080/18811248.2001.9715067 |
| [4] | ZHENG Y H, BO H L, DONG D. Theoretical analysis of the working performance of the hydraulic control rod driving system in perturbation or inclination[J]. Nuclear Technology, 2007, 157(2): 208-214. DOI:10.13182/NT07-A3813 |
| [5] | ZHENG Y H, BO H L, DONG D. The study on the hydraulic control rod driving system in cyclical swing[J]. Nuclear Engineering and Design, 2007, 237(1): 100-106. DOI:10.1016/j.nucengdes.2006.05.003 |
| [6] | BO H L, ZHENG Y H, ZHENG W X, et al. Study on step-up characteristic of hydraulic control rod driving system[J]. Nuclear Engineering and Design, 2002, 216(1-3): 69-75. DOI:10.1016/S0029-5493(02)00030-4 |
| [7] | ZHENG Y H, BO H L, DONG D, et al. Experiment study on rod ejection accident of hydraulic control rod driving system[J]. Journal of Nuclear Science and Technology, 2001, 38(12): 1133-1137. DOI:10.1080/18811248.2001.9715147 |
| [8] | BO H L, ZHENG W X, DONG D. Studies on the performance of the hydraulic control rod drive for the NHR-200[J]. Nuclear Engineering and Design, 2000, 195(1): 117-121. DOI:10.1016/S0029-5493(99)00200-9 |
| [9] | 陈济东. 大亚湾核电站系统及运行[M]. 北京: 原子能出版社, 1998. CHEN J D. System and operation on Daya Bay nuclear power station[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1998. (in Chinese) |
| [10] | 薄涵亮, 郑文祥, 王大中, 等. 核反应堆控制棒水压驱动技术[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2005, 45(3): 424-427. BO H L, ZHENG W X, WANG D Z, et al. Hydraulic control rod drive technology for nuclear reactors[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2005, 45(3): 424-427. DOI:10.3321/j.issn:1000-0054.2005.03.039 (in Chinese) |
