控制棒停堆系统已修改

华能山东石岛湾核电有限公司运行部HTR-PM培训专题控制棒系统一、概述二、高温气冷堆控制棒系统的发展三、HTR-PM控制棒四、HTR-PM控制棒驱动机构五、HTR-PM控制棒系统的运行目录一、概述一、概述控制棒系统的作用控制棒系统是反应堆控制和安全保护系统的执行机构。反应堆正常运行时，控制棒驱动机构以一定的速度拖动控制棒在堆内移动，补偿和调节堆芯的后备反应性，实现反应堆的正常启动、运行和停闭；在反应堆事故工况下，驱动机构驱动或释放控制棒快速插入堆芯，实现紧急停堆。因此，控制棒系统是关系到反应堆安全的一个极为重要的系统。一、概述控制棒分类停堆棒：当反应堆出现事故工况时，快速引入足够的负反应性，使反应堆紧急停闭，这类控制棒被称为停堆棒或安全棒。反应堆正常运行时，它们被提出堆外。调节棒：迅速及时地补偿由于负荷变化、温度变化及变更功率水平引起的微小反应性瞬态变化。补偿棒：用于补偿燃耗、裂变产物积累等反应堆长期运行所引起的反应性变化。其特点是反应性当量较大，动作过程可以比较缓慢，另外这类控制棒也可以用来改善堆内的功率分布，以便获得良好的热工性能和均匀的燃耗。一、概述高温堆控制棒系统的技术要求具有一定的驱动速度，保证控制棒以堆芯特性允许的速度在堆内移动；动作响应快而准确，保证控制棒在堆内移动灵敏、位置精确、重复性好；安全可靠，安全是指必须保证反应堆的正常运行和事故工况下的紧急停堆，可靠是指在保证反应堆安全的前提下，尽量避免传动机构的误动作而造成非计划停堆，保证反应堆的运行经济性；一、概述要有足够的传动力矩驱动控制棒在堆内移动；严格的密封，保证堆芯气氛与外界的隔绝；良好的润滑，减少传动件的磨损和摩擦；快速落棒的冲击缓冲，保证堆内构件以及驱动机构自身的结构完整性；控制棒位置的精确指示，连续指示控制棒位置以及终端极限位置；传动机构和控制棒组件的可拆连接，既要保证连接的牢固可靠，又能灵活拆卸。一、概述高温堆控制棒系统的技术特点驱动机构的动力源移动高温气冷堆的控制棒组件重量大、行程长，比一般的压水堆要高很多，因此需要有较大的动力源提供足够的传动力矩。常用的动力源一般有电动、气动、液压或其中二者的组合，大多数情况下都使用电动动力源，这是因为电动动力源除了具有结构简单紧凑、便于控制、动作响应快等特点外，还具有技术成熟、易于维护等优点。当在有限的空间尺寸限制下电动动力源不能提供足够的传动力矩时，就需要考虑使用气动或液压动力源。一、概述氦气密封高温气冷堆控制棒驱动机构的密封有两种方案可供选择，一种是干气密封，即从氦净化系统引一股干净的氦气以比堆内稍高的压力从密封处反向吹入堆内，以维持堆内压力并防止堆内氦气外泄。这种方案的优点是可以将动力源从高温氦气环境中分离出来，对动力源的要求较低，便于采用成熟产品，缺点是系统的运行维护比较复杂，附属设备较多。另外一种方案是采用电气贯穿件将主要传动部件及动力源整体密封于高温高压的氦气环境中，这种方案的好处是将动密封问题转化为静密封问题，密封效果好而且可靠，不足之处是需要研制可靠的电气贯穿件，另外对动力源的耐温、耐辐照和绝缘等要求也较高。一、概述事故落棒缓冲由于气体的缓冲作用比液体小很多，因此与压水堆相比，气冷堆内缺少有效的阻尼介质，另外气冷堆的控制棒组件重量又比较大、行程也比较长，这两个因素决定了必须解决好控制棒快速下落所带来的冲击缓冲问题，以保证控制棒、驱动机构、堆内构件或燃料元件等不因巨大冲击力而损坏。对于此问题有以下几个解决途径：第一是设置落棒过程限速阻尼器，这类阻尼器可以有磁涡流限速器或摩擦刹车片等多种形式，它们是将落棒动能转换为磁涡流发热或摩擦发热而耗散掉；一、概述第二是设置落棒行程终端缓冲弹簧，这类缓冲弹簧可以有金属、气体或液体弹簧等多种形式，但在驱动机构的狭小空间内一般难以单独设计这类弹簧来进行缓冲；第三个解决途径是将事故落棒的冲击动能加以转换，例如设置与控制棒等重的配重，将控制棒的位能转换为配重的位能。另外为防止控制棒从驱动机构意外脱落而损坏堆内陶瓷构件，有的反应堆在控制棒通道底部设置了一种特殊的一次性缓冲装置来吸收控制棒跌落时的冲击动能。一、概述驱动机构摩擦副的润滑高温气冷堆中的冷却剂氦气没有润滑作用，而且在氦气环境中由于零件表面不能形成具有保护作用的氧化膜，从而使摩擦副之间的摩擦加剧，甚至产生摩擦副“抱死”现象。传统的矿物油脂类润滑方式因温度、辐照和玷污等原因而必须排除。因此，为了减少驱动机构的摩擦和磨损，提高其性能、效率、可靠性和使用寿命，必须采用耐高温、耐辐照、耐腐蚀和长寿期的固体润滑方式。常用的固体润滑材料有二硫化钼和石墨等，实验表明在氦气环境中石墨的润滑效果比二硫化钼要差，二硫化钼在固体润滑中效果良好，应用比较广泛。固体润滑处理工艺一般有镀膜、沉积、热压、烧结、渗入或扩散等方式。二、高温气冷堆控制棒系统的发展二、高温气冷堆控制棒系统的发展高温气冷实验堆的控制棒系统从20世纪50年代开始，世界上共建造了三座高温气冷实验堆，即英国的“龙”（Dragon）实验堆、美国的“桃花谷”（PeachBottom）反应堆和西德的球床实验堆“AVR”。实验堆的重要结构特征是：蒸发器置于反应堆活性区上部的一体化布置，因此控制棒系统只能布置于活性区下部。二、高温气冷堆控制棒系统的发展“桃花谷”实验堆的控制棒系统桃花谷高温气冷实验堆为柱状堆，其控制棒系统共分为两组；第一组有36根控制棒，作用类似于调节棒和补偿棒，它们从堆底插入堆芯，行程为7ft，事故工况最大插入速度为10ft/s，正常工况运行速度为0.06ft/s，棒位测量精度为0.25in。其驱动机构为电机－螺母丝杠系统；第二组有19根控制棒，其作用类似于停堆棒和安全棒，用于正常停堆和事故工况下的紧急停堆，它们也由堆底向上插入堆芯，由于不满足失效安全模式，因此备有蓄电池系统供紧急停堆使用；二、高温气冷堆控制棒系统的发展另外还有55根高温释放安全棒，作为第二停堆系统，悬挂在顶反射层内，事故工况下，当反应堆堆芯温度超出安全定值时，这些安全棒依靠重力落入堆芯；二、高温气冷堆控制棒系统的发展AVR实验堆的控制棒系统控制棒系统德国的AVR球床高温气冷实验堆有4根控制棒均匀布置在堆底2米直径的圆周上，控制棒不插入堆芯球床，而是侧反射层的石墨孔道；控制棒总长20m,每截长1.2米，直径95mm,棒行程4m；其驱动机构为齿轮－齿条机构，对应于每根控制棒相应地有一个配重，事故工况下抱闸断电，靠配重的重力快速插入控制棒。二、高温气冷堆控制棒系统的发展高温气冷示范堆的控制棒系统在三座高温气冷实验堆成功运行的基础上，在20世纪70年代世界核电的高速发展时期，美国和西德分别建造了电功率达300MW以上的圣·符伦堡（FortSt.Vrain）高温气冷堆示范电厂和钍高温气冷堆示范电厂（THTR-300）。此后为了追求更高的核电站经济性，在这两座示范电厂的基础上美国和西德分别进行了百万千瓦级电功率的大型高温气冷堆商业电站的设计，但最终因各种原因电站订货被取消。二、高温气冷堆控制棒系统的发展圣·符伦堡高温气冷堆示范电厂的控制棒系统圣·符伦堡（FortSt.Vrain）高温气冷堆示范电厂共有37根控制棒；其传动机构为轮鼓－钢丝绳的机构型式，安装在预应力混凝土反应堆压力壳的顶部；控制棒为空心圆柱状，吸收体长度为4.7米；堆芯有专设的控制棒孔道，控制棒可以在其中自由移动。二、高温气冷堆控制棒系统的发展工作原理圣·符伦堡（FortSt.Vrain）高温气冷堆控制棒传动机构是由电动马达通过减速齿轮箱带动缠绕钢丝绳的轮鼓旋转而实现控制棒的移动，轮鼓开有双向沟槽，可同时带动一根控制棒及其对应的配重一个提升一个下降。控制棒和配重的重量相同（约56.7kg），但轮鼓的旋转半径不同，提升控制棒的略大。控制棒的位置由位置传感器连续给出，终端位置由极限开关给出。二、高温气冷堆控制棒系统的发展电动马达由电磁制动马达制动，电磁制动马达安装在电动马达输出轴的一端，当控制棒到达指定位置时靠电磁制动马达制动并保持。当发生事故需要紧急停堆时，电动马达和电磁制动马达同时断电，由弹簧将制动马达弹开，控制棒靠重力作用快速落入堆芯。由于双向轮鼓同时带动一根控制棒和一个配重，当控制棒在重力作用下快速下落时，配重相应提升，控制棒的下落动能转换为配重的位能，因此控制棒传动机构不需要设置过程阻尼装置和很大的冲击缓冲装置。控制棒传动机构运行在和堆芯相同的氦气气氛中，机构整体密封，轴承和齿轮采用无油固体润滑。二、高温气冷堆控制棒系统的发展西德的钍高温气冷堆（THTR300）的控制棒系统西德的钍高温气冷堆（THTR300）根据球床堆的特点设置了两套控制棒系统：一套为36根调节棒，用于调节反应堆快速的反应性变化及事故工况下的热停堆，布置于侧反射层，其驱动机构为电动机构，棒的移动速度为20～30cm/s，全部插入时间为数十秒至100秒；另外一套42根控制棒插入堆芯球床，用于补偿长期停堆后的反应性变化，并保证一定的冷停堆深度，移动速度较慢。二、高温气冷堆控制棒系统的发展堆芯球床控制棒由于插入时需要克服很大的燃料球的阻力，因此被设计成传动力较大的双缸气动机构。反应性补偿由步进气缸实现，冷停堆由长冲程气缸实现。传动机构位于混凝土安全壳内，安全壳内有预埋件供安装该机构二、高温气冷堆控制棒系统的发展基本操作流程为：先用下面的锁紧机构将控制棒的连杆抱紧（该锁紧机构是固定的，由高压氦气驱动），同时松开长冲程气缸上的锁紧机构，用高压氦气注入步进气缸的下部，将步进缸活塞和长冲程气缸一起向上顶起；然后两个锁紧机构各自反向动作，在步进缸的上部注入高压氦气，步进缸活塞带动长冲程气缸及控制棒一起向下移动，如此往复可将控制棒一步一步插入堆芯球床。按相反步骤可将控制棒逐步提起。当需要快速插入控制棒时，只需将两个锁紧机构打开，然后在长冲程气缸上部注入高压氦气，长冲程气缸内的活塞将会把控制棒快速推入堆芯球床，最大速度可达30cm/s。控制棒的气动驱动机构有如下优点：驱动力较大，可以省略齿轮减速机构，冲击很小，可以不再设置冲击缓冲装置；缺点是：虽然驱动机构本身简单，但辅助系统复杂，另外操作速度也较慢。二、高温气冷堆控制棒系统的发展模块式高温气冷堆的控制棒系统在美国三哩岛和苏联切尔诺贝利核电厂事故之后，各国公众和监管机构对核电厂的安全日益关注和重视，为此美国推出了先进堆型发展计划，高温气冷堆商用电站的开发也从原来的向大型化方向发展，转变为开发具有非能动固有安全性的模块式高温气冷堆，即在任何事故工况下，堆芯余热能通过非能动方式载出，燃料元件温度不会超过允许值，避免发生堆芯熔化的可能；即使发生最严重事故，核电厂厂外的放射性剂量仍在限值允许范围内，因此无需采用厂外应急计划。为了实现上述安全目标，必须限制堆芯尺寸，因此模块式高温堆的容量较小，单堆热功率一般在100MW～300MW的范围内。二、高温气冷堆控制棒系统的发展目前模块式高温气冷堆有两类典型设计，一类是德国西门子的国际原子能公司（Interatom）首先提出的球床模块式高温气冷堆HTR-Module，该堆型延续了AVR实验堆的技术特点，燃料管理采用不停堆连续装卸料方式，可以提高电站的利用率。另一类是美国的MHTGR，该堆型是圣·符伦堡（FortSt.Vrain）堆的进一步发展，采用六棱柱状石墨块堆芯的设计概念。二、高温气冷堆控制棒系统的发展球床模块式高温堆HTR-Module的控制棒系统HTR-Module堆的热功率为200MW，堆芯直径3米，堆芯平均高度9.4米，堆芯这种容量规模的设计主要是考虑堆芯余热的非能动载出以及控制棒反应性当量的要求，即只考虑将控制棒布置于侧反射层以满足反应堆的反应性控制要求。若要增大反应堆容量可以采用环形堆芯设计，即堆芯的中心采用石墨柱或石墨球床。二、高温气冷堆控制棒系统的发展HTR-Module在侧反射层布置了6根控制棒来进行热停堆，每根棒吸收体长度4800mm，共有10节，包壳材料为X8CrNiMoNb1616，控制棒外径100mm；HTR-Module控制棒系统的特点是传动机构位于顶部热屏蔽层上、压力壳封头内。这样布置的好处是：可以避免“弹棒”事故；不存在发生控制棒穿管断裂的危险；压力壳封头结构简单。缺点主要是：控制棒驱动机构的检修需要打开压力壳封头；驱动机构温度较高；为防止驱动机构检修时空气进入堆芯，需保证顶部热屏、堆芯筒体等结构的气密性。二、高温气冷堆控制棒系统的发展控制棒驱动机构有电机、永磁体涡流制动装置、行星齿轮减速器、环链机构、棒位指示器和上、下磁性限位开关等部件。控制棒的最大行程6750mm，正常棒速10mm/s，事故落棒末速度0.5m/s。驱动机构的检修时间间隔设想为5年，检修时的辐射防护按被拆除部件的预期辐照水平进行处理：控制棒驱动机构受污染，用薄壁密封罐拆除；控制棒组件被活化，用屏蔽密封罐拆除；永磁阻尼器被活化，用屏蔽密封罐拆除。二、高温气冷堆控制棒系统的发展南非PBMR的控制棒系统南非的球床模块式高温气冷堆PBMR采用氦透平直接循环发电技术，可以显著提高发电效率。到目前为止，经过不断的设计改进，PBMR采用中心石墨柱的环形堆芯设计方案，中心石墨柱直径2米，球床外径3.7米，堆芯平均高度11米。PBMR共有24根控制棒布置在侧反射层孔道内，24根棒分为两组，每组12根，其中一组为反应性控制和调节棒，最大行程范围为6.5m（堆芯活性区的上部），另一组为停堆棒（安全棒），最大行程范围为10.2m（堆芯活性区的下部）。二、高温气冷堆控制棒系统的发展每根控制棒设计为6节，重180kg，外径Φ100mm，总长6.95m（其中吸收体长度6.5m），棒与孔道的间隙为25mm，正常运行速度为10mm/s，事故落棒末速度0.5m/s;吸收体材料为B4C，控制棒包壳材料为铁镍基合金Alloy800H,正常运行温度范围500～700℃;设计准则为：正常工况全寿期应变＜0.4％，非正常工况应变＜0.1％；环链材料为镍基合金Alloy625，正常运行温度范围500℃。驱动机构为电机驱动的环链机构，布置在压力壳封头上。控制棒系统可以实现热停堆。备用停堆系统为吸收球停堆系统，吸收球孔道布置在中心石墨柱上，该系统可以单独实现冷停堆。二、高温气冷堆控制棒系统的发展小结从目前球床堆芯和六棱柱状石墨块堆芯这两种模块式高温气冷堆堆型的设计结果来看，由于六棱柱状石墨块堆芯类似于压水堆的堆芯结构和燃料管理方式，控制棒可以直接插入堆芯活性区，因此其反应性控制系统的布置比较灵活，也能获得较大的停堆反应性裕度。传动机构一般采用总体密封方案,动力源在条件允许的情况下，一般采用电机驱动；模块式高温气冷堆的控制棒组件重量较大、行程也比较长，事故落棒时的冲击载荷很大，直接设置缓冲装置很难妥善解决这个问题，利用配重将控制棒的冲击动能转换为配重的位能是个不错的选择。传动机构的固体润滑不是润滑材料的问题，而是固体润滑的处理工艺问题，如何尽量提高润滑涂层的使用寿命是应该努力的方向。三、

HTR-PM控制棒三、HTR-PM控制棒HTR-PM设置了两套依据不同工作原理、相互独立的反应性控制和停堆系统，即控制棒系统和吸收球停堆系统。控制棒系统是是第一停堆系统，在正常工况下控制反应堆的反应性以及热态停堆，事故工况下实现紧急热停堆。吸收球停堆系统起着备用停堆系统和维持冷停堆的作用，并与控制棒系统一起构成示范电站反应性控制的多样性。控制棒为中子吸收部件，其结构包括：包壳、碳化硼吸收体、铰关节、连接头和防冲头等，碳化硼吸收体通过焊接封装于包壳中。其他附属结构包括引棒、环链、弹簧缓冲器以及薄壁减震机构等。三、HTR-PM控制棒HTR-PM控制棒系统的设计要求满足在反射层石墨孔道内正常提升、插入要求；控制棒与上部引棒的连接件可以拆卸，以考虑在电站寿期内更换控制棒的需要；控制棒驱动机构的调试和检修应在反应堆压力容器上封头不打开的条件下进行；在控制棒更换过程中需将控制棒提升到顶部并锁紧，然后将驱动机构和控制棒整体吊出反应堆压力壳外，装入密封屏蔽罐中，再移至反应堆大厅中暂时存放。更换新的控制棒后，再移入反应堆压力容器封头上安装；三、HTR-PM控制棒需考虑控制棒意外脱落事故，此时控制棒重力下落的冲击力不会对反射层结构的完整性造成破坏；控制棒的安全等级为3级，抗震Ⅰ类，质保等级为QA1级，设计规范ASME-Ⅲ-NB；环链的安全等级为3级，抗震Ⅰ类，质保等级QA1级，设计规范ASME-Ⅲ-ND。三、HTR-PM控制棒HTR-PM控制棒系统的功能要求按照指令准确可靠地提升、下插或保持控制棒，完成反应堆的启动、功率调节、功率保持和正常停堆；满足故障（失电）安全设计原则，其停堆速率足以使反应堆在任何预计运行事件中及时进入足够深的次临界状态，以防止燃料损坏并保持压力边界的完整性；随时给出控制棒组件在堆内的实际位置，指示精度满足反应堆控制和保护系统的要求；当控制棒运行至上、下极限位置时应有行程极限位置指示；三、HTR-PM控制棒当控制棒或控制棒石墨孔道因受地震、快中子损伤、辐照、温度或腐蚀等因素影响而发生一定位移或变形时，必须保证仍然能执行安全停堆功能；控制棒与驱动机构的连接件可以拆卸，以考虑在电站寿期内更换控制棒的需要；需考虑控制棒意外脱落事故，此时控制棒重力下落的冲击力不会对反射层结构的完整性造成破坏；控制棒驱动机构的调试和检修应在反应堆压力壳上封头不打开的条件下进行，检修过程应考虑密封，保证堆内氦气气氛不被破坏；在紧急停堆时，对控制棒的最高下落速度加以限制，避免控制棒和驱动机构受到过大的载荷。三、HTR-PM控制棒系统设计参数项目参数工作介质氦气正常工作温度≤560℃介质压力7.0MPa控制棒数量8根/堆吸收体材料B4C吸收体总长度6000mm控制棒孔道内径Φ130mm控制棒最大行程8146mm控制棒正常运行速度50mm/s最大落棒速度≤500mm/s设计寿期40年三、HTR-PM控制棒HTR-PM控制棒系统的布置在紧靠反应堆活性区的石墨侧反射层中布置了8根控制棒，控制棒孔道直径Φ130mm。每根控制棒由一套驱动机构通过环链牵引上下移动。紧急停堆时，控制棒在重力作用下快速落入侧反射层控制棒孔道中。三、HTR-PM控制棒HTR-PM控制棒材料吸收体材料控制棒组件的材料主要包括吸收体材料和包壳材料，吸收体材料是实现反应堆的反应性可调功能的材料，其特点是中子吸收截面大，对反应堆的正反应性有抑制、释放和调节的作用。反应性的大小是表征反应堆工况偏离临界状态的参数，借助由吸收体材料制成的控制棒进出堆芯来调节反应性的大小，从而实现反应堆的启停及功率调节。由此可见，吸收体材料对反应堆的运行、反应性储备以及安全都有不可或缺的重要作用。三、HTR-PM控制棒吸收体材料应具有中子吸收截面大和良好的机械、抗辐照、耐腐蚀性能以及导热性能好、成本低廉、容易制备的特点。例如压水堆控制棒中采用的是Ag(80%)-In(15%)-Cd(5%)合金。B4C陶瓷材料可以较好地满足反应堆对控制材料的性能要求，应用比较广泛，在沸水堆、气冷堆、快堆、部分压水堆及个别重水堆中都有应用。同位素硼10B和11B以混合的形式存在于自然界化合物中，天然硼中10B的平均含量约为19.6％，11B含量约为80.4％，10B能有效地捕获中子而11B则不能。三、HTR-PM控制棒HTR-PM控制棒中所使用的碳化硼（B4C）芯块的化学成分如右图，碳化硼芯块中同位素10B的含量为天然硼中10B的含量。碳化硼芯块的物理性能指标：密度2.0g/cm3；表面硬度应大于2500kg/mm2；导热系数应大于26W/(m·K)；抗热震性能：在20～750℃的温度范围内，热震500次不得产生裂纹。成分含量（％）总硼73～81游离硼≤0.5氧化硼≤0.2氟≤25μg/g氯≤75μg/g钙≤0.3总硼＋总碳≥96水≤750μg/g三、HTR-PM控制棒HTR-PM控制棒包壳材料由于控制棒紧邻堆芯活性区，此处的温度及中子注量率均非常高，因此控制棒包壳材料应选择具有较高的高温强度、抗高温蠕变、耐辐照肿胀等特性的耐高温合金材料。目前控制棒包壳常用的材料主要有316不锈钢、Inconel合金以及Incoloy合金等。HTR-PM采用Incoloy800H合金作为控制棒的包壳材料。三、HTR-PM控制棒HTR-PM控制棒结构每根控制棒总长6615mm，分为10节，其结构如下图所示。相邻两节之间由绞关节连接，绞关节可在一个方向上转动，相邻绞关节的转动方向交错90°，这样的设计用于防止可能发生的控制棒孔道变形而使控制棒运动受阻或卡住。绞关节相接触材料表面作MoS2涂敷处理，防止在高温氦气下金属“咬合”。控制棒的上端为连接头，与引棒相连，下端为锥形防冲头，在控制棒孔道底部设置了与之对应的管式缓冲器，防止可能的控制棒脱落将堆内石墨构件砸坏。三、HTR-PM控制棒控制棒中的每个节棒由芯管、外管、端板、弹簧和B4C吸收体组成，并通过焊接封装，芯管壁厚4mm，外管壁厚为3mm，芯管内径Φ56mm，外管外径Φ110m，芯管和外管之间装有6块B4C烧结休，其断面形状为环形，吸收体与芯管和外管之间均留有0.5mm的问隙，烧结体与上端板之间留有8mm长的空穴。为了减少碳化硼烧结体在搬运中的窜动量，在它的上面设置有弹簧结构压紧。端板上开有小孔，使节棒内部与反应堆环境相通，防止控制棒包壳因承压而坍塌。吸收体密度约2.0g/cm3

，每块吸收体：外径Φ103mm；内径Φ65mm；长度L=100mm。每根控制棒中吸收体的质量约为71kg。一、概述HTR-PM的反应性控制特性HTR-PM模块式高温气冷堆有较大的负温度系数，即使第一停堆系统全部失灵，且风机也停止工作，当堆芯温度上升时，由于负温度系数的作用，堆的功率将迅速降低到剩余发热的水平，不会对堆内燃料元件带来任何损伤。随着功率下降，由于氙中毒效应，反应堆将在一段时间内处于次临界状态，因此对第二停堆系统时间响应的要求是不高的。一、概述HTR-PM与压水堆反应性控制的比较慢化剂温度效应反应堆从冷态零功率向热态零功率过渡时，压水堆堆芯由于水的温度升高，慢化效应下降，会有一个较大的反应性亏损，补偿这部分反应性亏损一般由降低可燃毒物的浓度来补偿；而HTR-PM堆采用固体石墨作慢化剂，慢化剂的温度效应是由密度及核截面的变化引起的，石墨密度随温度的变化可以忽略，但随着石墨的温度增高，堆芯的泄漏加大。同时，石墨对热中子的慢化和扩散作用发生变化，这些变化均使得堆的有效增殖因子减少，即具有负的慢化剂温度系数，引起相应的反应性亏损。一、概述功率调节反应性补偿反应堆由热态零功率向热态满功率过渡时，主要由于燃料的多普勒效应（燃料温度有数百度的变化），压水堆和气冷堆堆芯均会有显著的反应性亏损，这部分亏损表现为瞬时效应，一般均由提出控制棒来补偿。HTR-PM控制棒的补偿范围为反应堆功率的50％～100％。裂变产物的反应性补偿当堆芯由热态满功率向平衡氙毒和钐毒状态过渡时，由于这部分反应性变化为慢变化，因此压水堆一般采用可溶毒物来补偿，而HTR-PM则缺乏这种手段，仍然采用控制棒加以补偿，其补偿范围为反应堆功率50％～100％时的氙的差别引起的反应性变化。一、概述后备反应性储备随着反应堆的运行，燃料的燃耗逐渐增加，堆芯反应性会逐步减小，压水堆的换料周期较长，需要储备的后备反应性较大，对于这部分反应性一般也采用可溶毒物加以补偿。而HTR-PM采用连续装卸料的燃料循环方式，因此需要储备的后备反应性较小，控制棒完全可以补偿。停堆裕度水堆可以从控制棒和可溶毒物两个方面来提高停堆裕度，而HTR-PM只利用控制棒来热停堆，而且控制棒价值较小（因为布置在侧反射层），所以停堆裕度不是很大。四、

HTR-PM控制棒驱动机构四、HTR-PM控制棒驱动机构HTR-PM的控制棒驱动机构是针对高温气冷堆的技术特点而设计的，HTR-PM的冷却剂是高温高压的氦气，堆芯进出口温度为250℃和750℃，系统工作压力为7.0MPa。HTR-PM控制棒驱动机构的环境温度大约是150℃，加之一定的辐射剂量，都给HTR-PM控制棒驱动机构的设计带来一系列特有的问题。由于HTR-PM控制棒驱动机构整体处于工作介质中，所以需解决氦气气氛下的摩擦副、快速落棒时的制动以及长行程棒位测量等问题，另外高温、高压的氦气还给HTR-PM控制棒驱动机构中的电器元件、电机以及穿过主回路压力边界的电气贯穿件的使用带来特殊问题。四、HTR-PM控制棒驱动机构高温堆控制棒驱动机构的设计要求按照指令准确可靠地提升、下插或保持控制棒组件，完成反应堆的启动、功率调节、功率保持和正常热停堆；符合故障(失电)安全设计原则，保证控制棒系统事故停堆操作的可靠性；在紧急停堆时，对控制棒的最高下落速度加以限制，避免控制棒组件和环链受到过大载荷；随时给出控制棒组件在堆内的实际位置，指示精度满足反应堆控制和保护系统的要求；当控制棒运行至上、下极限位置时有行程极限位置指示；当控制棒组件或控制棒石墨孔道因受地震、辐照、温度等因素影响而发生一定位移或变形时，控制棒系统仍然能执行安全停堆功能。四、HTR-PM控制棒驱动机构技术方案高温气冷堆控制棒驱动机构有多种技术方案，包括：德国THTR堆的气动机构、美国桃花谷堆的电机-螺母丝杠机构、德国AVR堆的齿轮-齿条机构，以及日本HTTR柱状高温气冷堆的交流电机驱动的钢丝绳-绳轮机构等。德国的模块式高温堆HTR-MODUL、正在设计的南非PBMR以及我国的HTR-10均采用了电机驱动的环链机构。与钢丝绳绳轮或齿轮-齿条等机构相比，环链机构具有以下技术优点：占用空间小；对传动链的精度要求不高，易于适应高温干摩擦的氦气环境，不易产生摩擦副咬合的情况；链条可以自然堆放，省略了绳轮或其他装置，简化了驱动机构，提高了可靠性。采用步进电机作为动力源，四、HTR-PM控制棒驱动机构可以实现低转速下的大转矩输出，有利于简化减速机构；步进电机可以长期工作于锁紧状态，省去了抱闸等传统装置，使传动链大大简化。以10MW高温气冷实验堆为基础，结合德国HTR-MODUL和南非PBMR控制棒系统的发展经验，HTR-PM的所有控制棒均设置于侧反射层孔道，驱动机构布置于反应堆压力容器上方，并采用步进电机驱动的环链机构，使整个系统布置合理，设备简单可靠；更重要的是HTR-10的成功运行经验也为示范电站控制棒系统的设计提供了重要借鉴。每根控制棒有一套驱动机构，封闭于各自的密封筒内，电源及信号线通过密封筒上的电气贯穿件连接，每套驱动机构通过法兰与反应堆压力容器封头上的穿管相连。四、HTR-PM控制棒驱动机构主要包括以下部件驱动电机齿轮减速机构环链机构磁阻尼器棒位测量装置控制棒限位系统弹簧减震器机构四、HTR-PM控制棒驱动机构步进电机步进电机作为动力源驱动控制棒在堆芯内上、下移动。对步进电机的控制简单可靠，其转速连续可调，并具有良好的保持能力，可以使控制棒步进电机电源，控制棒即可靠自重下落，实现快速热停堆。步进电机为130系列四相混合式步进电机的改进型。技术参数如图：项目数值绝缘电阻＞100MΩ/500VDC温升＜30℃绝缘强度1000V50Hz1Min环境强度150℃环境湿度＜85％绝缘等级H级，聚耽亚胺真空浸漆结构型式双轴伸轴承混合陶瓷滚珠不锈钢圈轴承保持转矩＞35Nm相电流＜8A四、HTR-PM控制棒驱动机构齿轮减速机构齿轮减速机构为三级圆锥-圆柱齿轮减速器，输入端为轴孔，输出端为出轴，输入端转矩取步进电机的最大输出转矩35Nm，输入端正常转速227.61r/min，输入端最高转速4553r/min(对应于事故落棒速度1m/s，转矩3.95Nm)，速比约为40.43，减速器正常负载功率0.86kW，事故落棒时的负载功率为1.89kW，输出端正常转速5.63r/min，最大输出转矩910.1Nm（大于链轮转矩195Nm)。四、HTR-PM控制棒驱动机构固体润滑控制棒驱动机构的工作环境为高温、高压氨气环境（150℃，7MPa），设计寿期内的累积辐照剂量较高，不能采用油脂润滑，只能在摩擦副表面进行金属镀膜或涂敷固体润滑剂，防止氦气环境中摩擦副表面因无法形成氧化膜而导致摩擦系数增大、甚至发生摩擦副相互“咬合”的情况。另外驱动机构中使用的所有轴承采用陶瓷/不锈钢轴承。在团体润滑涂层材料研究方面，兰州化物所有着丰富的前期工作积累，曾对HTR-10相关摩擦副进行过固体润滑涂膜处理，并根据实际应用情况进行了多次改进，取得了较好的结果，针对HTR-PM拟采用聚酰亚胺树脂作为四、HTR-PM控制棒驱动机构附着基，该树脂不仅能够满足粘结力、强度、工艺适应性等方面的要求，而且在耐温和耐辐射方面也能够满足制备高可靠性长寿命团体润滑涂层的要求。在团体润滑剂的选择方面，拟选用二硫化钼作为涂层润滑相，并针对二硫化钼在潮湿环境中润滑性能可能下降的问题，根据以往研究成果，准备利用稀土氟化物与二硫化钼之间的协同作用来改善涂层的摩擦学性能和防护性能，使涂层的可靠性、寿命和表面防护性能进一步提高。四、HTR-PM控制棒驱动机构聚酰亚胺基固体润滑涂层具有以下优点：涂层薄，一般只有几十个微米，不影响零件尺寸；承载力高，是所有润滑材料中承载能力比较突出的；适合高温、重载、真空、辐射环境使用；适用于各种不同材质的底材；具有良好的摩擦和防护性能。四、HTR-PM控制棒驱动机构贯穿件电气贯穿件是应用于核电厂和各种研究型反应堆，提供穿过反应堆压力壳（一回路压力边界）或安全壳的耐压气密的电气通路。HTR-PM控制棒驱动机构采用电气贯穿件将驱动机构整体密封于高温高压的氦气环境中，这种方案的好处是将动密封问题转化为静密封问题，密封效果好而且可靠。贯穿件安装于驱动机构的密封壳上，是一回路压力边界的重要组成部分，其用途是在反应堆正常及事故工况下，保证压力壳内外电气连接的连续性，另外还要确保压力边界的完整性和气密性，防止一回路气体外泄。电气贯穿件附属的泄漏检测装置可以随时对其气密性进行检查。四、HTR-PM控制棒驱动机构HTR-PM控制棒系统电气贯穿件的主要技术参数如下：最高工作压力7.0MPa，寿命60年，最高工作温度为240℃，额定电压300V，额定电流10A，瞬时短路电流4kA。金属导体与法兰之间的密封与绝缘是该贯穿件的技术关键，采用玻璃烧结方式来实现。为了保证玻璃或陶瓷密封绝缘层的不开裂，材料的选择原则是热膨胀系数相近，而且因为玻璃或陶瓷材料的抗压能力远大于其抗拉能力，因此由金属导体向外各种材料的热膨胀系数应逐渐增大。由于金属导体一般选择铜、银等材料，为保证热膨胀系数相近，需要在金属导体上镀覆数层金属过渡层，形成一种热应力缓和型功能梯度复合材料。采用玻璃烧结方式的贯穿件具有较高的耐压能力、较低的气体泄漏率，特别是其中不使用有机材料，因此具有耐辐照、耐高温和长寿期的特点。四、HTR-PM控制棒驱动机构该贯穿件采用法兰组合的结构型式来形成双道气体密封和电气绝缘。两个法兰之间采用螺栓连接、金属“O”形环密封；泄漏监测由下法兰上的通孔外接测泄装置实现；两个法兰上的金属导体采用特殊的连接件连接。整个贯穿件与一回路压力边界可以采用焊接或螺栓连接方式连接。四、HTR-PM控制棒驱动机构环链机构和缓冲设置HTR-PM控制棒重230kg，行程近9m，事故落棒时冷却剂氦气的阻尼作用几乎可以忽略，因此不加限制的事故落棒末速度可达13m/s以上，这给环链机构的使用和缓冲装置的设置都带来了很大的困难，HTR-PM控制棒驱动机构从两个方面来解决这个问题，一是设置落棒过程限速阻尼器，在满足事故落棒时间的前提下来降低事故落棒速度，另一方面是通过设计来尽量提高环链机构的高速运转能力，防止事故落棒时链条从链轮中脱落而形成卡棒或链条断裂。四、HTR-PM控制棒驱动机构普通环链机构最高工作线速度按规定应小于0.1m/s，而反应堆事故工况下的落棒末速度远大于此限定值，例如德国HTR-MODULE和南非PBMR的事故落棒最高末速度均限定为不超过0.5m/s，HTR-PM控制棒驱动机构也以此限值作为环链机构的设计输入，通过控制链轮和环链的加工精度，并增加导向、保护和分链等部件来提高环链机构的使用线速度。设计的可靠性将通过实验进行检验。而且为保证可靠性，实验中应保证在1m/s事故落棒末速度的情况下不发生链轮与链条脱开的情况。四、HTR-PM控制棒驱动机构控制棒驱动机构的冲击缓冲问题，从实践经验来看，比较可靠的解决办法是设置配重，将控制棒的冲击动能转换为配重的位能，但从HTR-PM的堆芯设计来看，其侧反射层布满了控制棒孔道、吸收球孔道以及氦气冷却剂孔道，无法再开辟出供配重运行的孔道。四、HTR-PM控制棒驱动机构HTR-PM控制棒驱动机构从三个方面来解决缓冲问题：首先设置了落棒过程限速阻尼器，用以吸收95％以上的落棒动能。落棒过程限速阻尼器为涡流制动机构，这是因为涡流制动机构具有良好的速度跟随特性，当控制棒正常移动时，由于转速很低，给电机增加的负载几乎可以忽略不计。而在事故工况下，随着落棒速度的加快，涡流制动机构产生的制动转矩也快速增加，并能很快与控制棒组件的重力转矩平衡，使其匀速下落。另外涡流制动机构的结构也比较紧凑，便于在控制棒驱动机构的狭小空间内安装。四、HTR-PM控制棒驱动机构其次是在落棒行程终点设置弹簧缓冲器，环链的下端与控制棒的引棒相连，另一端与弹簧缓冲器相连，当控制棒快速下落到通道底部时，弹簧缓冲器启动，用以吸收剩余的落棒动能。最后为防止控制棒从驱动机构意外脱落而损坏堆内石墨构件，在控制棒孔道底部设置了薄壁管式缓冲器，利用薄壁管的塑性变形来吸收控制棒的冲击能量，是一种一次性的缓冲装。四、HTR-PM控制棒驱动机构棒位测量棒位测量系统采用双通道旋转变压器，锥面包络圆柱蜗杆减速器将控制棒全行程位置指示细分为单圈指示与圈数指示两部分，以圈数指示传感器的输出作为参考，将两个位置传感器的输出综合为最终的控制棒位置信号，不仅可以满足控制棒全行程绝对位置指示的要求，而且可以提高控制棒位置指示精度。旋转变压器技术参数参数数值温度-55℃~+155℃结构无轴型振动20G，10~500Hz冲击100G，11ms温度90％，60℃速度6千~3万转/分输入电压/频率7Vrms/10kHz变压比0.5±5%误差±10’Max相移-5°Nom四、HTR-PM控制棒驱动机构旋转变压器的最大测量误差:±10’；对应与控制棒全行程的测量误差为±5.13mm(没有考虑旋转变压器A消除了累积误差)。蜗杆减速器侧隙误差：由蜗杆蜗轮啮合侧隙造成的运动滞后量，通常在换向时产生。反映了蜗杆减速器的加工和装配精度水平。测试时将输出端固定，输入端顺时针和逆时针方向旋转，在输出端产生±2%额定转矩时，输入端两个旋转方向的极限位置之间的角位移之差，即为侧隙，也称回差，单位为“弧分”。本设计中蜗杆减速器精度按±6弧分计。控制棒在提升和下降过程中的回程误差为±0.1mm。

此误差与控制棒行程无关。为减小棒位测量误差，要求链条节矩最大误差为0.1mm，即误差为控制棒行程的0.417%；对应于控制棒全行程的棒位测量误差为0~46mm。四、HTR-PM控制棒驱动机构磁阻尼器磁阻尼器的设置是为了限制事故落棒速度，以满足环链机构的需要，并减轻自由落棒对驱动机构的冲击，保证环链不因事故落棒而发生破断。经磁阻尼器限速后的最高事故落棒速度不超过0.5m/s.五、HTR-PM控制棒系统的运行五、HTR-PM控制棒系统的运行系统运行工况反应堆启动工况时控制棒系统驱动机构以一定的速度拖动控制棒在堆内移动，与吸收球系统配合，提供正反应性，使反应堆功率提升。反应堆功率运行工况时控制棒系统驱动机构以一定的速度拖动控制棒在堆内移动，补偿和调节堆芯的后备反应性。反应堆停堆工况时控制棒系统驱动机构以一定的速度拖动控制棒在堆内移动，与吸收球系统配合，提供足够大的负反应性，使反应堆安全停闭五、HTR-PM控制棒系统的运行反应堆事故工况时控制棒系统驱动机构驱动或释放控制棒快速插入堆芯，实现紧急停堆