安全棒系统试验样机冷、热态性能试验研究

彭朝晖，范月容，张金山，郭志家，衣大勇，冯嘉敏，赵守智

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

空间核反应堆具有环境适应性广、功率覆盖范围广、结构紧凑及大功率下质量功率比小等优点，在航天任务中有着广阔的应用前景，其安全性同样备受关注[1-4]。根据核领域安全管理要求，对安全重要系统和部件等在施工设计之前应经过充分的设计验证[5]。安全棒系统是空间核反应堆上的动设备，也是关系到空间核反应堆安全的重要设备之一。目前，对于空间核反应堆安全棒系统的公开资料很少，国内对空间核反应堆的设计使用经验也存在不足。针对俄罗斯TOPAZ-Ⅱ空间堆及类似的小型堆安全棒系统开展了研究，安全棒系统结构较复杂，理论分析无法完整及有效地模拟反应堆的所有工况状态。因此，有必要通过全尺寸试验样机试验的方法来检验安全棒系统的运行性能，验证设备的设计是否满足功能要求。本文对安全棒系统试验样机进行冷、热态性能试验研究。

1 安全棒系统试验样机结构

空间核反应堆工作环境特殊，与地面上的核反应堆存在区别。地面核反应堆控制棒、安全棒的设计、制造和应用，都要考虑重力的作用。对于空间核反应堆，地球的引力作用很小，其外环境为真空环境，内环境充入一定压力的混合惰性气体[6]。

空间核反应堆安全棒系统示意图如图1所示，主要由驱动机构、分配机构(含安全棒组件)、卡锁机构、传动轴等组成，具有结构紧凑且工作温度高等特点[6-8]。正常工况下，驱动机构电机转动，经离合器的吸合传递至传动轴，传动轴通过分配机构的齿轮齿条啮合带动安全棒组件向下移动，安全棒组件的定位滑块与导向管内壁接触滑动，传动轴两端采用花键连接。同时，在驱动机构内，齿轮与齿条杆啮合，齿条杆移动带动弹簧被压缩，安全棒组件到达指定位置后驱动机构中的卡锁锁住齿条杆的位置，随后驱动机构内电磁离合器断电。正常停堆或事故工况下，驱动机构内卡锁断电解锁，在弹簧力的作用下，齿条杆快速释放，驱动机构输出轴快速反转，安全棒组件快速插入堆芯，实现紧急停堆。安全棒组件插入堆芯后，卡锁机构锁住安全棒组件端部。

图1 安全棒系统示意图Fig.1 Schematic of safety rod system

安全棒系统与堆芯装置联系紧密，接口较多，本文安全棒系统试验样机设计了模拟支撑装置，模拟支撑装置与安全棒系统的连接形式与实际连接相同(包括外部圆柱形筒体)[9]，板1、2、3、4、6分别与安全棒系统采用焊接的方式连接，板5中间开有一大圆形孔，安全棒系统与板5无直接连接。模拟支撑装置与安全棒系统的接口关系如图2所示。

图2 模拟支撑装置与安全棒系统的接口关系Fig.2 Interface relationship between analog support device and safety rod system

2 试验装置设计

安全棒系统试验样机性能试验采用在有地面重力作用、系统内外部与大气接触的有氧环境中进行。试验装置由试验样机、温控系统、综合测试平台及其他测量设备组成，装置组成和工作关系如图3所示。冷态性能试验时无需使用温控系统。热态性能试验时，按照温度场分布要求及测温要求，在试验样机及模拟支撑装置上缠绕加热丝和保温棉，关键部位设置热电偶，热电偶与试验样机表面紧密贴合，保证测温的准确性。加热丝分为若干组，按照温区分别缠绕加热丝，不同温区之间保留约100 mm间隔用于安装隔热保温层。试验样机及模拟支撑装置外表面采用保温层完全包裹。安全棒系统工作温度场分布要求列于表1。温控系统中，热电偶温度与加热丝加热实现联锁，控制升温速率为50 ℃/h，温控精度为±5 ℃，设置的目标温度高于试验要求的温度5 ℃，保证热态试验时样机温度不低于试验要求的温度。达到预设温度后，保温4 h，开始进行热态性能试验。

图3 试验装置组成和工作关系Fig.3 Composition and working relationship of test facility

表1 温度场分布
Table 1 Distribution of temperature field

部件温度/℃驱动机构180分配机构400安全棒组件、卡锁机构610传动轴270

设计综合测试平台，对安全棒系统试验样机驱动机构进行控制及测量，控制驱动机构输出轴的运转角度、运转速度，测量运行时间等。综合测试平台通过测量驱动机构内的角位移传感器的角度来计算快速落棒的时间。试验样机套管端部敞口，激光测距仪固定在模拟支撑装置板6上，激光测距仪能实时测量安全棒组件的相对位置，如图2所示。

3 试验内容与结果

3.1 试验内容

安全棒系统试验样机性能试验按先冷态性能试验再热态性能试验的顺序进行。由于电气绝缘材料在有氧环境会产生热氧裂解[10]，而奥氏体不锈钢在有氧环境对试验产生的影响不大，因此有氧环境对试验结果更保守。在保证试验结果有效性的前提下，冷态性能试验在大气常温环境下进行，热态性能试验在安全棒系统温度场达到设计要求并保温一定时间后进行。为避免前期性能试验对样机造成不可逆损伤，保证样机后续试验的继续开展，根据寿期内安全棒系统可能的运动次数及冷、热态性能试验验证的目标，确定安全棒系统试验样机进行50次全行程冷态性能试验，100次全行程热态性能试验。空间核反应堆安全棒系统的运动特性与压水堆控制棒驱动机构不同，试验内容也不尽相同[11-12]，压水堆控制棒驱动机构在运行过程中需多次、多步频繁动作提升到指定位置，而空间核反应堆安全棒系统需一次运动到指定位置。安全棒系统试验样机试验过程中需验证的设计及试验指标列于表2。

表2 设计及试验指标Table 2 Design and test indicator

3.2 试验结果

安全棒组件在运动过程中受自身重力、齿轮齿条的驱动力、导管的滑动摩擦阻力及导管弯曲变形产生的阻力等作用，在安全棒系统试验样机冷、热态性能试验中，未发生运行不到位、意外掉棒及卡棒等现象，运行正常。

1) 快速复位时间

安全棒系统试验样机冷态性能试验进行50次全行程动作，热态性能试验进行100次全行程动作，综合测试平台通过角位移传感器测得安全棒组件快速复位时间如图4所示。

图4 冷态(a)和热态(b)性能试验的快速复位时间Fig.4 Quick reset time at cold state (a) and hot state (b) performance tests

图4表明，环境冷、热态性能试验全行程动作的快速复位时间虽有波动，但机械落棒时间均在≤1 s范围内，均满足设计要求；高温条件对安全棒组件的快速复位有影响，高温试验比常温试验的快速复位时间总体上要长。驱动机构中的弹簧在热态条件下，弹簧本身的刚度和性能均有一定程度的下降，因此弹簧复位能力变差。模拟支撑装置和安全棒系统在高温条件下会有一定形变，且高温下不锈钢材料的相对滑动摩擦系数变化较大[13]，导致复位阻力增大，复位时间增加。

2) 安全棒组件高位保持

在冷、热态性能试验中，驱动机构锁住安全棒组件位置并高位保持时，激光测距仪测得安全棒组件位移如图5所示。

图5表明，冷、热态性能试验时，安全棒组件锁止在高位的位移偏差均在±5 mm范围内，满足设计要求。安全棒组件的高位位置由驱动机构内的卡锁锁住齿条杆保持，驱动机构装配调试后，锁住齿条杆位置不变，但由于齿条杆到安全棒组件间有多级齿轮啮合传动，随试验次数的增加，传动部件间的磨损会导致传动链的空隙增大[14]，在重力作用下，安全棒组件锁止时的高位位移也随空隙的增大而增大。

图5 冷态(a)和热态(b)性能试验安全棒组件的位移Fig.5 Displacement of safety rod assembly at cold state (a) and hot state (b) performance tests

3) 安全棒组件复位

冷、热态性能试验中，快速复位后激光测距仪测得安全棒组件位置相对初始零位的偏差如图6所示。

图6表明：冷、热态性能试验时，快速复位后安全棒组件位置均能回复到相对初始零位±5 mm范围内，端部卡锁机构能牢牢锁住安全棒组件，防止安全棒组件非预期移出堆芯，满足设计要求；在同样的环境温度下，随全行程动作次数的增加，安全棒组件快速复位回到相对初始零位的能力下降。这也是由于随试验次数的增加，驱动机构内的弹簧性能下降，在初始状态的弹簧力变小所致。

3.3 误差分析

所选激光测距仪的测量精度为±1 mm，在测量安全棒组件位移时存在偏差。在地面重力作用下，安全棒组件的自重产生快速复位的阻力矩，故地面试验快速复位时间比太空无重力作用时要长；而快速复位时的弹簧产生的力矩远大于安全棒组件自重产生的阻力矩，因此，自重产生的阻力矩对落棒时间的影响较小。运动仿真分析结果表明，有重力作用时快速复位时间比无重力时长50 ms左右。

图6 冷态(a)和热态(b)性能试验快速复位后安全棒组件位置的偏差Fig.6 Quick reset position deviation of safety rod assembly at cold state (a) and hot state (b) tests

4 结论

冷、热态性能试验中安全棒系统试验样机均运行正常，快速复位时间、安全棒组件高位位移和快速复位后安全棒组件位置均在系统设计范围内。冷、热态性能试验后，系统完全能继续正常运行，压力边界完好。试验样机冷、热态性能试验为后续抗震试验提供了有力条件，也为后续系列产品的设计及试验装置的改进提供有力的参考依据。