反应堆控制棒驱动机构模拟负载系统的研制

刘 冲，姚秋果，赵大威，黄 勇，赵 亮

（1．南华大学，湖南 衡阳421001；2．中科华核电技术研究院北京分公司，北京 100086）

控制棒控制系统是反应堆中一个十分重要的系统，其主要作用是在确保反应堆安全的前提下控制其反应性，以满足反应堆长期稳定运行的需要。通过最佳的提棒／降棒等操作程序，使反应堆在运行过程中保持平坦的功率分布，并补偿由于温度系数、中毒效应等引起的反应堆反应性变化，在负荷变化时能够调节反应堆功率跟随负荷变化，或者在发生事故时能实现迅速停堆并保证适当的停堆裕度［1］。

本文设计了一种负载模拟装置，用以模拟反应堆棒控系统对控制棒动作的有效控制。模拟负载系统是基于实际运行的核电站反应堆控制棒驱动机构各电磁线圈工况参数来进行的，包括线圈的电磁性能、电感量、阻抗特性和电流导通能力等，以真实反映和模拟实际负载的各种特性。设计的模拟负载系统由控制棒控制系统（控制器）实现指令信号的产生和跟踪，即可以快速准确地跟踪模拟负载各驱动线圈的电流指令信号及其实测电流波形等各种信号和参数，从而实现对反应堆控制棒驱动机构的负载特性和逻辑功能进行检验与测试。

1 模拟负载设计原理

控制棒是反应堆功率调节和应急控制不可缺少的反应性控制部件，而控制棒驱动机构（CRDM）是反应堆的重要动作部件。在压水型反应堆中，CRDM安装在反应堆压力容器顶盖上，通过它的动作带动控制棒组件在堆芯内上、下运动、保持控制棒组件在指令位置以实现反应堆的启动、运行、调节功率和在断电落棒情况下安全停堆等功能［2］。

实际运行的核电站反应堆控制棒驱动机构线圈组件由三个线圈（提升线圈LC、传递线圈MC和保持线圈SC）与钩爪组件相对应的磁极、衔铁等构成三个“电磁铁”磁力驱动机构，从上到下分别是提升电磁铁、传递电磁铁、保持电磁铁。当线圈组件中的三个线圈按照给定的时序通电时，三个电磁铁就能按照设定的时序电流信号吸合或释放，使连接在衔铁上的两组钩爪交替啮合或摆出驱动杆上的环形槽，从而带动驱动杆组件和与之相连的控制棒组件按照控制要求以步进的方式提升或下插控制棒。当只给保持线圈通电时，保持电磁铁吸合，保持钩爪进入驱动杆环形槽，使控制棒组件保持在指定位置；当三个线圈都断电时，三个电磁铁全部打开，两组钩爪均摆出驱动杆环形槽，驱动杆组件和控制棒组件一起，在重力作用下快速落入堆底，实现快速停堆［3－5］。

2 模拟负载系统组成与设计

模拟负载共设计为四套（以模拟实际反应堆的一个控制棒组），各套模拟负载彼此之间是独立的。每套模拟负载负责模拟对一束控制棒的各种工况控制。每套模拟负载都包括与实际系统的提升线圈LC、传递线圈MC和保持线圈SC相对应的电抗器、电阻负载及其辅助设备。模拟负载的提升线圈最大电流为（40±1．6）A，小电流（16±0．6）A；传递线圈和保持线圈大电流为（8±0．3）A，小电流为（4．7±0．2）A。并确保提升线圈在40 A电流下工作、保持线圈和传递线圈在8 A电流下工作时，均不出现磁饱和现象。模拟负载系统原理框图及其电气接线原理图分别如图1、图2所示。

图1 模拟负载系统原理框图Fig．1 Block diagram of simulated load system

图2 模拟负载电气原理图Fig．2 Schematic of simulated load

操作员站是把与棒控有关的全部信息以多样化的方式，集中在上位机的操纵界面中，以便操作人员能够及时有效地掌握运行状态，如控制棒位置、控制器工作状态、驱动电源的工作状态、控制棒位置指示装置的工作状态等这些主要信息均可得以实时监控和执行参数修改。

控制棒控制系统采用PLC（可编程控制器）作为主控制器件，实现对模拟负载各电磁线圈按照控制棒提升或下降的电流时序轮流通电与逻辑控制，以模拟实际反应堆棒控系统各种运行工况和逻辑关系的控制。

驱动电源由控制棒控制系统通过相应的程序控制去控制大功率晶闸管整流器产生图3所示的脉冲时序电流，给模拟负载各电磁线圈按照控制棒提升或下降的电流时序轮流通电，以模拟控制驱动控制棒上下移动的各种运行状态。

3 模拟负载系统实验测试与性能比较

考虑到实际的控制棒驱动机构各电磁线圈为单线圈，其阻抗特性主要决定于它的电抗和电阻值的大小。为了能够更加真实地模拟实际负载的各种工作特性，在模拟负载设计时，将其提升线圈、传递线圈和保持线圈回路的电抗和电阻与实际的控制棒驱动机构各电磁线圈电抗和电阻值的大小尽量接近，以确保模拟负载与真实负载的阻抗特性具有较好相似度。

另外，由于实际的反应堆控制棒的驱动杆位于各电磁线圈轴线中心，且在各自驱动机构的配合下轴向移动的。因此，控制棒移动与否对线圈电流变化的影响较小；所以，在设计模拟负载各线圈时将其设计为固定铁芯的电抗器，而不考虑衔铁运动对各线圈电流变化的影响。

3．1 实验测试

在系统测试之前，对各模拟负载线圈绕组的电阻、电感量、绝缘特性、抗电强度、接地电阻、温升以及线圈磁饱和情况进行逐项检查和测量。在确保线圈组件各项指标参数达到设计要求、各项功能正确无误后进入系统测试程序。

系统测试是在全部设备（包括控制棒控制系统、CRDM驱动电源、线圈组件等）准备就绪情况下，按照实际系统提棒／插棒动作要求的线圈通电时序，对所有功能（包括控制棒按单束棒、棒组或棒子组的正常升／降操作、逻辑连锁和保护信号等）进行严格的功能测试。在图3所示的控制棒提升电流时序控制下，实验测得模拟负载控制棒驱动线圈提升控制棒时的工作电流波形如图4所示。

3．2 性能比较

图3 控制棒提升电流时序图Fig．3 Current timing sequence curves of rod elevating

图4 模拟负载控制棒驱动线圈电流波形图Fig．4 Driver coil current waves of simulated load

图5所示曲线为秦山一期300 MW反应堆控制棒提升状态下驱动机构线圈电流波形图（2008年棒控／棒位系统数字化改造之前），图6则是国外某核电厂控制棒提升时的驱动机构线圈电流波形图。秦山一期核电站的驱动机构是将中间的可动钩爪作为保持钩爪用，而下面的固定钩爪作为传递钩爪用。这与国内外其他核电站的驱动机构刚好相反。因此，在设计线圈电流时序时，与国外核电站的驱动机构的提升时序和下降时序也相反。

图5 秦山一期控制棒驱动线圈电流波形图Fig．5 Driver coil current waves of Qinshan I

图6 国外某核电厂控制棒驱动线圈电流波形图Fig．6 Driver coil current waves of an overseas NPP

通过对图5、图6所示的实际运行系统和图4所示的模拟负载系统提棒动作的驱动线圈电流波形进行比较以后可以发现，图5所示的秦山一期核电站的控制棒驱动机构中六个机械动作点之间的时间间隔长短差异较大，同时，由于线圈电流的稳定工作范围较小，因而工作的稳定性差。图6所示的国外某核电厂驱动机构电流波形中表明六个机械动作点之间的时间间隔长短比较均匀，而且，电流纹波明显要比秦山一期驱动线圈的电流纹波要小，因此，驱动机构动作的可靠性较高。

在图4所示的模拟负载系统驱动机构线圈实测电流波形图中的六个机械动作点之间的时间间隔长短相对均匀，要比秦山一期驱动线圈的电流、甚至也比国外某核电厂驱动机构线圈电流性能更好，而且电流纹波也表现不明显，驱动机构动作的稳定性和系统的可靠性得到了极大提高和改善。

4 结束语

本文参考法国相关技术资料，设计了一套全新的控制棒驱动机构模拟负载系统，并对系统各项功能进行了严格测试和长时间的运行考验。通过模拟负载系统样机的实验测试发现，整个模拟系统不仅具有比较完善的功能，很高的稳定性和可靠性，而且具有操作界面友好、操作方便、易于维护等优点。该模拟系统的研制成功，不仅取得了驱动机构研制的第一手试验数据，也验证了设计方案、技术路线的可行性，为驱动机构国产化奠定了一定的基础。

［1］ 胡守印，苏庆善，孙栓樑，等．HTR-10控制棒控制系统设计［J］．核动力工程，2001，22（6）：520-522：529．

［2］ 张继革，吴元强，盛选禹，等．控制棒新型电磁驱动机构动态特性实验研究［J］．核科学与工程，2003，23（2）：123-126．

［3］ 李红鹰．秦山核电二期工程反应堆控制棒驱动机构设计［J］．核动力工程，2003，24（S1）：161-164．

［4］ 张建民．核反应堆控制［M］．西安：西安交通大学出版社，2002．

［5］ 凌备备．核反应堆工程原理［M］．北京：原子能出版社，1989．