安全棒

安全棒是一種用於快速落棒安全停閉反應堆的裝置。安全棒驅動機構是反應堆可靠運行和安全停堆的關鍵設備。中國先進研究堆(CARR)共設定了2根採用動水壓式的安全棒驅動機構。

基本介紹

• 中文名：安全棒
• 外文名：safety controlrod
• 落棒原理：依靠重力或其他外力
• 作用：安全停閉反應
• 套用：中國先進研究堆
• 領域：核反應堆控制

安全棒介紹

中國先進研究堆(CARR)共有2根安全棒，設定在重水箱內，是反應堆事故停堆的安全保障。安全棒驅動機構設定在導流箱上，穿過重水箱自上而下驅動處於重水箱內的安全棒。CARR安全棒驅動機構採用水力驅動方式，其迴路結構如圖1所示，是以流體動壓原理設計的水力缸為驅動部件的安全棒驅動系統。水力驅動缸由缸體和活塞組成，安全棒和運動組件與活塞剛性連線。該水力驅動缸由其控制單元控制，控制單元由電磁閥和若干阻力節組成。來自重水箱中的重水經泵加壓後通過控制單元進入水力驅動缸。當電磁閥打開時，由進水口進入缸內的高壓水推動活塞向上移動直至活塞到達缸體頂部的出水孔以上，並依靠流體的動壓保持在該位置上。當安全棒落棒時，打開電磁閥，或系統斷電，電磁閥失效打開，同時驅動泵停止運行，缸內水流經電磁閥迅速返回至重水箱內，安全棒運動組件在自身重力的作用下，在1s內落至底端，使反應堆停止。在缸體下端設定緩衝器，以緩衝安全棒落棒時產生的衝擊載荷。安全棒行程的上、下端點設有電感位置指示器，用以指示安全棒是否到達上下終端位置。

存在的問題

在中國先進研究堆C階段調試過程中，操縱員提升安全棒時，1號安全棒提起後意外落棒，經現場檢查，安全棒動力電源進線電壓、電流正常，驅動泵運轉正常，但電磁閥線圈出現局部燒損，經測量該線圈表面溫度較其他線圈表面溫度高。由於電磁閥在安全棒驅動機構運行時一直保持通電狀態，其電磁線圈發出熱量隨時間積累，導致電磁閥的電磁線圈老化，電磁閥失效，引發意外落棒。

原因分析

分析認為，導致1號安全棒脫離上部終端的原因是驅動泵出口閥正常工作開度僅為1/20圈，長時間運行中因管路振動導致其開度發生變化，引起泵出口壓力降低，驅動力不足，導致安全棒脫離上部終端。

解決方法

驅動泵和電磁閥在反應堆功率運行期間長期處於負荷工作狀態，在安全棒水力驅動機構迴路出現異常情況下，如過濾網堵塞、迴路壓力過低，就無法保持安全棒在上部終端位置，通過調節迴路閥門增加流量，提高壓力，進一步加大了驅動泵和電磁閥工作負荷，情況嚴重時導致電磁閥線圈燒損等意外情況發生。所以，要徹底消除這些問題，需考慮改變安全棒驅動機構的工作方式。

改進設計

設計思路

為保證CARR安全棒工作的可靠性與穩定性，將CARR安全棒驅動機構由現有的水力驅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動泵提供的動水壓力和磁力保持裝置產生的磁力共同提供。兩種保持動力中任意一種單獨工作時提供的動力均可保證安全棒維持在頂部位置。其驅動機構如圖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線。在安全棒套筒外側增設磁力保持裝置。磁力保持裝置基於磁阻最小原理設計，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。由銅質漆包線繞製成保持線圈，線圈骨架採用阻磁材料不鏽鋼，線圈盒採用導磁材料。

水力提升水力磁力保持式安全棒驅動機構結構示意圖

原理分析

通電後保持線圈產生的磁場將沿著線圈盒上導磁蓋、線圈盒、下導磁蓋、銜鐵組件及套筒盒銜鐵之間的主氣隙形成閉合磁迴路，磁力保持裝置產生的電磁力將銜鐵組件吸住，達到磁力保持的目的。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，同時減小迴路流量，水力驅動泵提供的動壓可維持安全棒在頂部位置，以減小水力驅動泵和電磁閥的工作負荷。設定安全棒驅動泵出口壓力和磁力保持裝置電流電壓讀數兩個測點，以監督兩種裝置的工作情況，當某個測點發生故障時，系統會發出報警信號，操縱員將有足夠時間進行判斷處理。水力驅動和磁力保持二者互為冗餘，在任一裝置動力發生故障時，另一裝置可提供足夠的維持動力保證安全棒位於上部終端，大幅降低了安全棒意外落棒的幾率。磁力保持裝置、電磁閥和安全棒驅動泵由同一電源進行供電，由斷路器控制供電的通斷，當需要下落安全棒時，如停堆、發生斷電或意外事故時，斷開斷路器，磁力保持裝置、電磁閥和驅動泵同時失電，斷電後安全棒驅動泵停止，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險，也不會增加不能緊急停堆的幾率。套筒內，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入套筒，從而保證了正常落棒，在安全棒驅動機構底部設定有緩衝彈簧，安全棒組件不會直接接觸緩衝彈簧，而是活塞落在緩衝彈簧上，不會對安全棒組件造成直接衝擊。這樣，降低了驅動泵和電磁閥長期工作負荷，保證了落棒有足夠的緩衝，減少了意外落棒的幾率。另外，磁力保持裝置工作時產生的電磁力會將銜鐵組件牢牢吸在頂部位置，消除在水力單獨驅動情況下，活塞因壓力波動發生的上下抖動、旋轉情況，避免了長期工作可能出現的磨損缸體，引發卡棒等問題的發生。