AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解析課件

1、3.3 反應(yīng)性控制和控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2008年11月 海陽(yáng)反應(yīng)性控制概述 為了控制堆芯的反應(yīng)性，采用了控制棒、可燃毒物棒和硼酸等控制手段。其中改變硼濃度用來(lái)控制反應(yīng)性的長(zhǎng)期變化，例如： 燃耗和裂變產(chǎn)物積累 零功率條件下溫度的變化 氙或釤濃度的變化 可燃毒物棒的消耗棒束控制組件用來(lái)控制以下反應(yīng)性的變化： 停堆 功率運(yùn)行階段冷卻劑溫度的變化 功率變化引起的反應(yīng)性變化 空泡效應(yīng)在第一個(gè)燃料循環(huán)期間，由于燃料為新料，后備反應(yīng)性很大，如果堆芯采用高濃度硼來(lái)平衡反應(yīng)性，可能引入正的慢化劑溫度系數(shù)。為了保證負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)，保持反應(yīng)堆自穩(wěn)定特性，需要加入可燃毒物組件。對(duì)于操縱員來(lái)說(shuō)，棒束控制組件是最有效的控

2、制反應(yīng)性的方式?？梢砸苿?dòng)棒束控制組件和灰棒控制組件在堆內(nèi)的相對(duì)位置來(lái)達(dá)到控制堆內(nèi)反應(yīng)性的目的。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)概述用于反應(yīng)性控制的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)和控制棒是AP1000反應(yīng)堆系統(tǒng)(RXS)的一部分。每個(gè)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由四個(gè)獨(dú)立的子組件組成。分別為承壓殼體，勵(lì)磁線圈組件，銷爪組件，以及驅(qū)動(dòng)桿組件。位于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上的一體化頂蓋組件內(nèi)。CRDM承壓殼體構(gòu)成一回路壓力邊界，并提供其他設(shè)備的支撐。CRDM外殼的頂部支撐了棒位置指示器線圈組件。棒行程罩的上部密封是一個(gè)堅(jiān)固的，一體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)與一體化頂蓋相連來(lái)提供地震情況下的支撐。控制棒安裝于控制棒束組件(RCCA)和灰棒控制組件（GRCA

3、）下面。RCCA由24根吸收體棒組成，頂部端塞固定到一個(gè)公共連接件（星型架）上，用來(lái)控制相對(duì)較快的反應(yīng)性變化和軸向功率分布。同樣的，GRCA由24根頂部端塞固定到星型架上的細(xì)棒組成，用于負(fù)荷跟蹤。這些控制組件提供了一種機(jī)械補(bǔ)償(MSHIM)策略，能減少反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的調(diào)硼操作?？刂瓢羰M件和灰棒束組件由堆內(nèi)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)支撐。RCCA和 GRCA的末端與燃料組件的導(dǎo)向管相接觸。3.3.1 功能1安全相關(guān)功能CRDM, RCCA, 和GRCA連同RXS和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)一起執(zhí)行和/或支持以下安全相關(guān)功能反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界：在電廠所有運(yùn)行工況下，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）外殼屬于一回路壓力邊界，用來(lái)

4、包容反應(yīng)堆冷卻劑和/或堆芯應(yīng)急冷卻流量，限制放射性釋放到安全殼(通過(guò)限制冷卻劑泄漏)。堆芯冷卻和反應(yīng)性控制：在偏離正常及故障和異常工況下，CRDM提供了RCCA和 GRCA提升和下插的手段，用以控制反應(yīng)堆功率。堆芯的反應(yīng)性依賴于控制棒、冷卻劑內(nèi)溶解硼濃度以及其它毒物。當(dāng)反應(yīng)堆手動(dòng)或自動(dòng)觸發(fā)停堆時(shí)，CRDM斷電，RCCA和GRCA依靠重力以所需要的速度插入堆芯，保障燃料的完整性。2非安全相關(guān)功能 在電廠正常運(yùn)行期間，RCCA,GRCA,和 CRDM還需執(zhí)行一些反應(yīng)性控制方面的非安全相關(guān)功能：CRDM通過(guò)調(diào)整RCCA和GRCA的位置，可以在不進(jìn)行調(diào)硼的情況下實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整(如調(diào)峰運(yùn)行)?？刂瓢暨€要提

5、供足夠的反應(yīng)性來(lái)彌補(bǔ)從滿功率到零功率時(shí)所產(chǎn)生的功率虧損，并要提供必須的停堆裕量。3非安全相關(guān)的縱深防御功能 無(wú)4 與執(zhí)照許可相關(guān)的其他功能 無(wú)3.3.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)1 安全相關(guān)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)CRDM的殼體提供了一個(gè)高度一體化的壓力邊界，用以包容一回路冷卻劑以及溶于冷卻劑或出現(xiàn)在壓力容器上封頭內(nèi)部的燃料裂變產(chǎn)物，承壓殼體屬于一回路冷卻劑壓力邊界的一部分。CRDM的設(shè)計(jì)使其在反應(yīng)堆冷卻劑的壓力和溫度以及預(yù)期的安全殼內(nèi)部環(huán)境之下運(yùn)行仍然能夠維持自身的功能和結(jié)構(gòu)的完整性。CRDM,RCCA和GRCA的設(shè)計(jì)保證了在正常運(yùn)行，中等頻率事件，稀有事故，極限事故工況下都能夠履行他們的安全功能。另外，他們的設(shè)計(jì)能夠在安

6、全停堆地震情況下仍然能履行預(yù)期的安全功能。CRDM,RCCA和GRCA的設(shè)計(jì)限制了反應(yīng)性引入的大小和速度，加上反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作，即使如彈棒這樣的反應(yīng)性事故也不會(huì)造成燃料損壞、反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界破損或者堆芯充分冷卻能力的降低。CRDM,RCCA和GRCA的設(shè)計(jì)使得反應(yīng)堆能在其具有最大后備反應(yīng)性且處于熱態(tài)時(shí)，當(dāng)最大價(jià)值控制棒處于全部提出位置時(shí)，仍然能夠維持至少 1K/K的次臨界度。2非安全相關(guān)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋移開時(shí)，CRDM驅(qū)動(dòng)桿下端的設(shè)計(jì)允許維修人員用長(zhǎng)柄工具進(jìn)行驅(qū)動(dòng)桿和控制棒組件間的遠(yuǎn)距離連接或解鎖操作。棒位指示系統(tǒng)能提供RCCA 和 GRCA的軸向位置監(jiān)測(cè)手段。RCCA 和

7、GRCA提供了堆芯反應(yīng)性控制手段，以維持堆芯功率在所需水平。3其他執(zhí)照許可設(shè)計(jì)基準(zhǔn) 無(wú)3.3.3 系統(tǒng)描述1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)AP1000的CRDM設(shè)計(jì)是基于西屋公司經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的成熟設(shè)計(jì)，已經(jīng)運(yùn)用于許多運(yùn)行中的核電站。CRDM位于反應(yīng)堆壓力容器頂部，他們與含有中子吸收材料的RCCA和用于負(fù)荷跟蹤的GRCA聯(lián)在一起。GRCA除了中子吸收能力較弱外，幾何形狀和RCCA是一樣的。CRDM的主要功能是以設(shè)計(jì)速度提升或下插53個(gè)RCCA和16個(gè)GRCA中的一個(gè)指定的組，以此來(lái)控制流過(guò)堆芯冷卻劑的平均溫度(Tavg)堆芯功率控制關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)維持堆芯具有可接受的中子通量分布。在啟動(dòng)和停堆期間，控制組件的插入和

8、提出，與反應(yīng)堆冷卻劑硼濃度一起控制堆芯反應(yīng)性變化。 為了能使所有的控制棒組一起協(xié)同工作，CRDM須進(jìn)行統(tǒng)一控制。每個(gè)CRDM都隸屬于一個(gè)特定的控制棒組，利用這些控制棒組來(lái)進(jìn)行反應(yīng)性控制，軸向功率分布控制，或?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)堆停堆。每組RCCA或者GRCA中的CRDM動(dòng)作時(shí)能夠保持步調(diào)一致。CRDM和控制棒組件的設(shè)計(jì)允許在堆芯壽期的大部分時(shí)間里不調(diào)硼地進(jìn)行負(fù)荷跟蹤。在電廠正常運(yùn)行期間，CRDM的設(shè)計(jì)允許RCCA和GRCA處于棒行程內(nèi)的任何位置。CRDM是一種磁力提升機(jī)構(gòu)，當(dāng)它接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的指令序列后，三個(gè)勵(lì)磁線圈即按照相應(yīng)的次序勵(lì)磁，使控制棒組件做步進(jìn)式的插入或提起動(dòng)作。在任何步序循環(huán)中，如果線圈

9、的勵(lì)磁電流中斷，CRDM的設(shè)計(jì)能保證驅(qū)動(dòng)桿釋放，繼而，驅(qū)動(dòng)桿和與之相聯(lián)的棒束依靠自身的重力全部落入堆芯。 當(dāng)三個(gè)線圈接收到成型的順序激發(fā)的脈沖電流后，CRDM便產(chǎn)生插入或提升的動(dòng)作。CRDM程控供電裝置中的可控硅整流器重復(fù)上述步序，棒束便被提出或插入堆芯。控制棒的提升依靠的是電磁力，而下插依靠的是重力。CRDM能以114.3 厘米每分鐘（45inch/min）的速度提升或者降低最大為181.4千克（400磅）的負(fù)重（包含驅(qū)動(dòng)桿重量）。在電廠運(yùn)行期間，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的夾持線圈和傳遞線圈通電，保持RCCA在一個(gè)靜止位置。棒位通過(guò)安裝在棒行程罩外的位置指示器組件內(nèi)的48個(gè)離散線圈來(lái)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)控制棒驅(qū)動(dòng)桿

10、上部的鐵磁體部分穿過(guò)線圈中心線時(shí)，每個(gè)磁性線圈能感應(yīng)到棒的移動(dòng)和存在。CRDM內(nèi)部機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)使其能在溫度為343.3C（650F）的反應(yīng)堆冷卻劑中運(yùn)行。承壓殼體的設(shè)計(jì)能包容343.3C（650F）和17.24 MPa (2500 psia)的反應(yīng)堆冷卻劑，三個(gè)勵(lì)磁線圈能承受200C (392F)的溫度,并且需要風(fēng)機(jī)來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，以維持線圈內(nèi)部溫度不大于200C (392F)。由于失去冷卻空氣后，最壞的結(jié)果是引起驅(qū)動(dòng)桿釋放，所以冷卻空氣不要求是安全相關(guān)的。同樣，由于風(fēng)機(jī)失電最終能導(dǎo)致線圈失電，因此通風(fēng)機(jī)的電源不要求是應(yīng)急電源。2 控制棒的分布和反應(yīng)性價(jià)值 RCCA設(shè)計(jì)按功能分為調(diào)節(jié)組和

11、停堆組。術(shù)語(yǔ)“組”用來(lái)描述一群特殊的控制組件。調(diào)節(jié)組標(biāo)記為MA,MB,MC,MD,M1,M2和軸向功率偏移（AO）組，其中MA,MB,MC,MD是GRCA；停堆組標(biāo)記為SD1、SD2、SD3、和SD4。多于4個(gè)RCCA的每個(gè)組，盡管作為一組來(lái)操作和控制，仍然由兩個(gè)或者更多的子組構(gòu)成。RCCA的軸向位置可通過(guò)手動(dòng)或者自動(dòng)控制。RCCA在反應(yīng)堆停堆信號(hào)觸發(fā)后，落入堆芯。采用兩個(gè)準(zhǔn)則來(lái)選則控制棒組。第一，總的反應(yīng)性價(jià)值必須滿足規(guī)范要求；第二，考慮到在功率運(yùn)行期間，這些控制棒可能部分的插入，總的功率峰值因子應(yīng)該足夠低，以滿足出力要求。在任何工況下，臨界棒位取決于冷卻劑內(nèi)的硼濃度。為了不違反技術(shù)規(guī)格書中

12、有關(guān)停堆的規(guī)定和其它的考慮，在達(dá)臨界過(guò)程中，不斷的調(diào)整硼濃度，這樣最終的臨界棒位將會(huì)保持在插入極限以上。在壽期初，為了維持低功率下慢化劑溫度系數(shù)不超限，同樣規(guī)定了控制棒的提出極限位。停堆棒組提供了額外的負(fù)反應(yīng)性來(lái)建立足夠的停堆裕量。停堆裕量是指熱停堆工況下、RCCA落棒動(dòng)作、假設(shè)反應(yīng)性價(jià)值最大的一束控制棒卡在全部抽出位置、氙毒和硼濃度都沒有變化時(shí)堆芯的次臨界度。由于吸收體的燃耗造成的控制棒價(jià)值損失是可忽視的。3.3.4 主要設(shè)備描述 1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) (1)承壓殼體 承壓殼體由銷爪外殼和棒行程罩兩部分構(gòu)成（如圖），通過(guò)螺紋密封焊相連，以便于銷爪組件的檢修。棒行程罩的上封頭是一個(gè)堅(jiān)固的、

13、一體化部件，通過(guò)與一體化頂蓋相連來(lái)提供地震支撐。銷爪外殼是承壓殼體的下部構(gòu)件，內(nèi)部安裝銷爪組件。銷爪外殼與CRDM接管在生產(chǎn)廠家內(nèi)通過(guò)雙金屬焊相連接；而接管通過(guò)冷縮配合和局部透焊與壓力容器上封頭相連接。棒行程外殼是CRDM壓力外殼上部構(gòu)件，能夠在提升控制棒時(shí)給驅(qū)動(dòng)桿提供移動(dòng)空間。 和CE電站和韓國(guó)CE電站一樣，在電廠啟動(dòng)時(shí)，CRDM外殼是不進(jìn)行排氣操作的；壓力容器頂蓋通過(guò)專門的排氣管道進(jìn)行充水排氣，當(dāng)一回路達(dá)到運(yùn)行壓力時(shí)，承壓殼體內(nèi)殘存的氣體將被水吸收掉，而殼體內(nèi)的水在經(jīng)歷12步插棒操作后將會(huì)被置換掉。 (2)勵(lì)磁線圈組件 勵(lì)磁線圈組件包括線圈殼、電纜、電氣連接件和三個(gè)勵(lì)磁線圈：夾持線圈、傳遞

14、線圈、以及提升線圈。勵(lì)磁線圈組件是一個(gè)獨(dú)立的單元，套裝于銷爪外殼的外面。它安裝在承壓殼體的基座上，沒有附屬機(jī)械部件。線圈勵(lì)磁使銷爪組件內(nèi)的磁極和銷爪產(chǎn)生動(dòng)作。(3)銷爪組件 銷爪組件包含導(dǎo)向套管、夾持磁極、傳遞磁極和兩套銷爪：分別為傳遞銷爪和夾持銷爪；銷爪與驅(qū)動(dòng)桿上加工出來(lái)的凹槽進(jìn)行咬合。傳遞銷爪在提升磁極的作用下以每步15.9mm (5/8-inch)的步幅上升或下降，使驅(qū)動(dòng)桿提升或者下插。當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿移動(dòng)一步后，夾持銷爪固定驅(qū)動(dòng)桿組件，然后傳遞銷爪復(fù)位，為下一步動(dòng)作做好準(zhǔn)備。 (4)驅(qū)動(dòng)桿組件 驅(qū)動(dòng)桿組件包含一個(gè)連接頭、驅(qū)動(dòng)桿、解鎖按鈕、解鎖桿、以及鎖緊扣（如圖3.34）。驅(qū)動(dòng)桿上的凹槽間距為

15、15.9mm (5/8-inch)，以便銷爪在驅(qū)動(dòng)桿靜止或者運(yùn)動(dòng)期間與之咬合，驅(qū)動(dòng)桿下端的連接頭可以使驅(qū)動(dòng)桿與棒束組件直接相連。解鎖按鈕、解鎖桿、和鎖緊扣能夠保障驅(qū)動(dòng)桿和控制棒之間的可靠連接，并且提供了遠(yuǎn)距離斷開驅(qū)動(dòng)桿連接的手段。 2 CRDM材料CRDM與反應(yīng)堆冷卻劑接觸的部分用抗腐蝕的三類金屬制造：不銹鋼、鎳鉻鐵合金、以及在有限范圍里運(yùn)用的鈷基合金。多年以來(lái)，這些材料已經(jīng)成功的運(yùn)用于類似的CRDM。對(duì)于不銹鋼，只用奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼。用低或者零鈷合金代替鈷基合金的銷、桿、或者硬化表面；替代材料已通過(guò)評(píng)估或試驗(yàn)核定。承壓材料遵照ASME標(biāo)準(zhǔn)、第三部分CRDM部分的材料規(guī)范，作為反應(yīng)堆

16、冷卻劑壓力邊界通常由奧氏體(316 和 304型)不銹鋼制造。反應(yīng)堆容器頂蓋貫穿件用鎳鉻鐵合金。材料的選擇基于CRDM和控制棒運(yùn)行周期的規(guī)定。特定的材料可以使設(shè)備免遭受不良影響，例如滿功率運(yùn)行下最少300次事故停堆（基于RCS設(shè)計(jì)瞬態(tài)事故停堆的數(shù)目）和驅(qū)動(dòng)桿連接組件200次連接和去連接周期引起的過(guò)度磨耗或者磨損。內(nèi)部銷爪組件使用熱處理過(guò)的奧氏體不銹鋼材料制造。熱處理能夠避免應(yīng)力腐蝕開裂。浸入反應(yīng)堆冷卻劑的磁極部用410不銹鋼制造。非磁性部分，除銷釘和彈簧，都用304不銹鋼制造。連接銷用鈷合金或者合格的替代品制造。彈簧用鎳鉻鐵合金（合金750）制造。銷爪臂的澆鑄用適于提高耐磨性的材料。軸承和磨損

17、面有選擇性的使用鍍鉻板和表面硬化。驅(qū)動(dòng)桿組件也浸沒在反應(yīng)堆冷卻劑中并且用410不銹鋼制造。驅(qū)動(dòng)桿連接件由403不銹鋼加工而成。其他部分除彈簧外都用304不銹鋼制造，彈簧用鎳鉻鐵合金制造，并且鎖定按鈕用鈷合金棒材或者合格的替代品制造。暴露在安全殼空氣的線圈殼要求用磁性材料制造。通過(guò)試驗(yàn)和評(píng)估，低碳鑄鋼和球墨鑄鐵證明是合格的。鍍鋅的外殼能抵抗建造期間的各類腐蝕。線圈纏繞在復(fù)合的線軸上，具有雙重玻璃絕緣銅線。線圈用硅化物樹脂漆真空浸漬。線圈外徑通過(guò)一個(gè)云母片作為包裝材料來(lái)保護(hù)。良好的絕緣能經(jīng)受住200C（392F）的溫度。按照有關(guān)規(guī)定， CRDM的彈簧用鎳鉻鐵合金（合金750）制造。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示用這

18、種材料制造的彈簧在壓水堆主回路水中不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。CRDM的螺栓材料不采用合金750。3 工作過(guò)程 下面是控制棒提升一步時(shí)的動(dòng)作（下插一步的動(dòng)作與之相似）： (1)傳遞線圈斷電，傳遞銷爪與驅(qū)動(dòng)桿上的槽脫開； (2)傳遞線圈通電，傳遞銷爪與驅(qū)動(dòng)桿上的槽嚙合； (3)夾持線圈斷電，夾持銷爪與驅(qū)動(dòng)桿上的槽脫開,控制棒組件的重量轉(zhuǎn)移到傳遞銷爪上； (4)提升線圈通電，傳遞銷爪受到電磁鐵的吸引，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿提升一步； (5)夾持線圈通電，夾持銷爪與驅(qū)動(dòng)桿上的槽嚙合，并且使控制棒組件的重量由傳遞銷抓轉(zhuǎn)移到夾持銷抓上來(lái)； (6)傳遞線圈斷電，傳遞銷爪與驅(qū)動(dòng)桿上的槽脫開； (7)提升線圈斷電，傳遞銷爪下降

19、一步； (8)控制棒的運(yùn)動(dòng)結(jié)束，傳遞線圈重新通電，與夾持銷爪一起保持棒位。 3.3.5 系統(tǒng)運(yùn)行 1 正常運(yùn)行在電廠大部分運(yùn)行時(shí)間里，CRDM保持RCCA在全部提出的位置；GRCA則根據(jù)堆芯溫度控制，反應(yīng)性平衡或者負(fù)荷跟蹤的需要而處于提出或插入的位置。當(dāng)控制棒靜止時(shí)，傳遞銷爪和夾持銷爪處于鎖緊狀態(tài)，使得驅(qū)動(dòng)桿組件和下面懸吊的RCCA或GRCA不會(huì)掉落。當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿被提出堆芯到最后幾步時(shí)，雖然控制棒還沒有完全從燃料組件內(nèi)提出，但控制棒束已經(jīng)離開堆芯的最上部分。這個(gè)范圍處于263到266步內(nèi)。電站運(yùn)行過(guò)程中，CRDM有可能位于此范圍內(nèi)的任意位置，并且我們認(rèn)為此時(shí)控制棒已經(jīng)處于全提的狀態(tài)，對(duì)CRDM或者

20、電廠的運(yùn)行也沒有任何不利影響。由于驅(qū)動(dòng)桿最下端的一小段沒有加工凹槽，因此單純通過(guò)CRDM的提升是無(wú)法將控制棒從導(dǎo)向管里完全提出來(lái)的。假如夾持線圈的勵(lì)磁中斷（譬如跳堆時(shí)），線圈產(chǎn)生的磁力消失，驅(qū)動(dòng)桿組件和RCCA或GRCA的重力（加上夾持銷爪復(fù)位彈簧的力），將銷爪推離驅(qū)動(dòng)桿組件凹槽，產(chǎn)生落棒動(dòng)作?？刂瓢粼谥亓ψ饔孟侣淙攵研?。當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿被驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)釋放后，首先作自由落體運(yùn)動(dòng)，直到最后到達(dá)導(dǎo)向管內(nèi)的緩沖區(qū)；在那里，導(dǎo)向管內(nèi)的冷卻劑將會(huì)減緩棒的下落速度，直到完全插入位置。滿功率運(yùn)行時(shí)，在調(diào)節(jié)帶內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械補(bǔ)償（MSHIM）和軸向偏移控制棒組（AO棒組）來(lái)補(bǔ)償硼濃度的微小變化、冷卻劑溫度變化、以及微小的氙毒變化；從而省掉了調(diào)硼操作。當(dāng)MSHIM組的棒位達(dá)到限值時(shí)則需要通過(guò)調(diào)整硼酸濃度來(lái)補(bǔ)償額外的反應(yīng)性變化。可溶硼的使用僅限