安全棒

一种用于快速落棒安全停闭反应堆的装置

安全棒是一种用于快速落棒安全停闭反应堆的装置。安全棒驱动机构是反应堆可靠运行和安全停堆的关键设备。中国先进研究堆(CARR)共设置了2根采用动水压式的安全棒驱动机构。

安全棒介绍

中国先进研究堆(CARR)共有2根安全棒，设置在重水箱内，是反应堆事故停堆的安全保障。安全棒驱动机构设置在导流箱上，穿过重水箱自上而下驱动处于重水箱内的安全棒。CARR安全棒驱动机构采用水力驱动方式，其回路结构如图1所示，是以流体动压原理设计的水力缸为驱动部件的安全棒驱动系统。水力驱动缸由缸体和活塞组成，安全棒和运动组件与活塞刚性连接。该水力驱动缸由其控制单元控制，控制单元由电磁阀和若干阻力节组成。来自重水箱中的重水经泵加压后通过控制单元进入水力驱动缸。当电磁阀打开时，由进水口进入缸内的高压水推动活塞向上移动直至活塞到达缸体顶部的出水孔以上，并依靠流体的动压保持在该位置上。当安全棒落棒时，打开电磁阀，或系统断电，电磁阀失效打开，同时驱动泵停止运行，缸内水流经电磁阀迅速返回至重水箱内，安全棒运动组件在自身重力的作用下，在1s内落至底端，使反应堆停止。在缸体下端设置缓冲器，以缓冲安全棒落棒时产生的冲击载荷。安全棒行程的上、下端点设有电感位置指示器，用以指示安全棒是否到达上下终端位置。

存在的问题

在中国先进研究堆C阶段调试过程中，操纵员提升安全棒时，1号安全棒提起后意外落棒，经现场检查，安全棒动力电源进线电压、电流正常，驱动泵运转正常，但电磁阀线圈出现局部烧损，经测量该线圈表面温度较其他线圈表面温度高。由于电磁阀在安全棒驱动机构运行时一直保持通电状态，其电磁线圈发出热量随时间积累，导致电磁阀的电磁线圈老化，电磁阀失效，引发意外落棒。

原因分析

分析认为，导致1号安全棒脱离上部终端的原因是驱动泵出口阀正常工作开度仅为1/20圈，长时间运行中因管路振动导致其开度发生变化，引起泵出口压力降低，驱动力不足，导致安全棒脱离上部终端。

解决方法

驱动泵和电磁阀在反应堆功率运行期间长期处于负荷工作状态，在安全棒水力驱动机构回路出现异常情况下，如过滤网堵塞、回路压力过低，就无法保持安全棒在上部终端位置，通过调节回路阀门增加流量，提高压力，进一步加大了驱动泵和电磁阀工作负荷，情况严重时导致电磁阀线圈烧损等意外情况发生。所以，要彻底消除这些问题，需考虑改变安全棒驱动机构的工作方式。

改进设计

设计思路

为保证CARR安全棒工作的可靠性与稳定性，将CARR安全棒驱动机构由现有的水力驱动式工作方式改为水力提升冰力磁力保持式工作方式，该工作方式在维持原有工作方式不变的情况下增加磁力保持手段，安全棒的保持动力由驱动泵提供的动水压力和磁力保持装置产生的磁力共同提供。两种保持动力中任意一种单独工作时提供的动力均可保证安全棒维持在顶部位置。其驱动机构如图2所示。图2中，在安全棒顶端加装衔铁组件，衔铁组件与安全棒刚性连接。在安全棒套筒外侧增设磁力保持装置。磁力保持装置基于磁阻最小原理设计，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。由铜质漆包线绕制成保持线圈，线圈骨架采用阻磁材料不锈钢，线圈盒采用导磁材料。

原理分析

通电后保持线圈产生的磁场将沿着线圈盒上导磁盖、线圈盒、下导磁盖、衔铁组件及套筒盒衔铁之间的主气隙形成闭合磁回路，磁力保持装置产生的电磁力将衔铁组件吸住，达到磁力保持的目的。提升安全棒的过程中使用较大流量，以提供足够的水力动压提升安全棒，当安全棒提升至顶部终端位置时，启动磁力保持装置，同时减小回路流量，水力驱动泵提供的动压可维持安全棒在顶部位置，以减小水力驱动泵和电磁阀的工作负荷。设置安全棒驱动泵出口压力和磁力保持装置电流电压读数两个测点，以监督两种装置的工作情况，当某个测点发生故障时，系统会发出报警信号，操纵员将有足够时间进行判断处理。水力驱动和磁力保持二者互为冗余，在任一装置动力发生故障时，另一装置可提供足够的维持动力保证安全棒位于上部终端，大幅降低了安全棒意外落棒的几率。磁力保持装置、电磁阀和安全棒驱动泵由同一电源进行供电，由断路器控制供电的通断，当需要下落安全棒时，如停堆、发生断电或意外事故时，断开断路器，磁力保持装置、电磁阀和驱动泵同时失电，断电后安全棒驱动泵停止，电磁阀失效打开，磁力保持装置磁力消失可对安全棒驱动线立即释放，使安全棒依靠重力作用快速下插，紧急落棒与原来一致，因此不会增加由磁力保持装置带来的卡棒风险，也不会增加不能紧急停堆的几率。套筒内，活塞以下的重水通过排水管排出套筒，空气通过顶部的排气口进入套筒，从而保证了正常落棒，在安全棒驱动机构底部设置有缓冲弹簧，安全棒组件不会直接接触缓冲弹簧，而是活塞落在缓冲弹簧上，不会对安全棒组件造成直接冲击。这样，降低了驱动泵和电磁阀长期工作负荷，保证了落棒有足够的缓冲，减少了意外落棒的几率。另外，磁力保持装置工作时产生的电磁力会将衔铁组件牢牢吸在顶部位置，消除在水力单独驱动情况下，活塞因压力波动发生的上下抖动、旋转情况，避免了长期工作可能出现的磨损缸体，引发卡棒等问题的发生。

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