田湾核电站控制棒意外下落的研究

朱术超

（核电运行研究（上海）有限公司，上海 314000）

0 引言

田湾核电站1 号、2 号机组为俄罗斯VVER 机组，控制棒共103 束、分为10 组（第1～第7 组为停堆棒组，第8～第10 组为调节棒组），控制棒的移动由控制棒驱动机构驱动、工作电压由控制棒控制机柜提供。其中，控制棒驱动机构由俄罗斯OKB“GIDROPRESS”公司设计制造，主要有承压壳体、电磁组件、移动组件（棘爪）、驱动杆和棒位传感器等部件，主要功能是为驱动控制棒组件在堆芯燃料组件中上、下移动，实现反应堆启动、功率调节和停堆等，通过棒位传感器传送控制棒束在堆芯的位置信号。

两个机组的棒控棒位系统（CPS 系统）由俄罗斯VNIIEM 公司设计制造，包括保护预保护执行子系统、控制棒供电子系统和棒位测量子系统（其中包含41 台控制棒动力控制机柜），系统设计使用寿命为40 年，机柜内模件使用寿命不低于10 年。控制棒动力控制机柜主要包括交流供电模件（BU1）、直流供电模件、开关等部件，设备分级为CC1，安全等级为SR。动力控制机柜的主要功能是，为控制棒驱动机构的提升线圈、锁紧线圈、固定线圈提供工作电流，根据控制指令驱动控制棒驱动机构，实现控制棒在燃料组件中的移动。机柜交流供电模件BU1 发生故障时，可以切换到直流供电（110 V）实现控制棒双保持功能。

2017—2021 年，1 号、2 号机组共计发生了10 次控制棒意外下落事件。针对此问题，江苏核电组织国内外设计院、制造厂家和同行电站专家进行咨询评估，深入分析、研究控制棒意外下落原因。

1 原因分析

1.1 动力控制机柜

控制棒动力控制机柜主要包括交流供电模件和直流供电模件，通过交流供电模件向控制棒驱动机构保持线圈、提升线圈和锁紧线圈提供交变电流，控制控制棒的上提和下插动作。如果交流供电模件出现故障，则立刻切换至直流供电模件，向驱动机构保持线圈和锁紧线圈供电，避免控制棒意外下落。在交流供电模件故障未能切换至直流供电情况下，会发生控制棒意外下落事件。

1.1.1 直流供电模件

直流供电模件的功能是在交流供电模件故障后，切换至直流供电模件，避免控制棒意外下落。直流供电模件故障不会直接导致驱动机构失去供电，发生控制棒意外下落事件。根据1 号、2号机组10 次控制棒意外下落事件过程记录，对相关直流供电模件的测试结果未发现异常。

1.1.2 交流供电模件

在2019 年1 月（1 号机组03-24 控制棒下落）和4 月（2 号机组12-35 控制棒下落）两次下落事件分析过程，通过对控制棒交流供电模件的测试发现，控制棒交流供电模件逻辑设计存在缺陷：模件供电切换监测回路设计不合理，模件内部供电切换监测回路的监测值取自放大单元的输出端，未能监测线圈实际的电流输出值，在交流供电模件内部元器件异常导致输出电流减小或波形异常的情况下不能正确触发其保护功能，未切换到直流供电模件供电，从而导致控制棒在移动过程中意外掉落。

（1）2019 年1 月1 号机组03-24 控制棒下落的具体原因为：控制棒交流供电模件内部放大单元可变电阻故障，导致固定线圈输出电流降低。由于模件供电切换监测回路设计不合理，模件内部供电切换回路监测值取自放大器单元的输出端，未监测线圈实际的电流输出值，导致交流供电模件输出电流偏低时未及时切换至直流供电模件，控制棒意外下落事件发生。

（2）2019 年4 月2 号机组12-35 控制棒下落的原因为：控制棒交流供电模件内部可控硅控制器故障，导致锁紧线圈输出电流降低且输出波形异常。由于模件供电切换监测回路设计不合理，模件内部供电切换回路监测值取自放大器单元的输出端，未监测线圈实际的电流输出值，导致交流供电模件输出电流偏低时未及时切换至直流供电模件，控制棒意外下落事件发生。

1.1.3 交流供电模件元器件的故障

1 号、2 号机组控制棒动力控制机柜分别在2003 年、2004年完成安装和调试，开始投入运行。柜内的交流供电模件执行纠正性维修策略，在2017 年前未设置定期更换项目。根据纠正性维修记录，控制棒交流供电模件故障次数约在5 次/年。

2021 年6 月，在控制棒活动性试验前进行供电回路检查过程意外下落。对交流供电模件进行台架检查测试发现，交流供电模件上的PRT1 卡件的可擦除存储器EPROM 老化，导致模件性能下降。进行锁紧线圈供电回路检查时，EPROM 输出异常影响固定线圈的输出电流降低，但未达到直流供电模件切换阈值。可以判定，固定线圈电流减小导致形成的磁力不足，固定棘爪无法抓住驱动杆，致使11-28 控制棒意外下落。

2021 年8 月，在控制棒活动性试验过程进行上提时意外下落。检查在线电流监测记录发现，02-33 控制棒的交流供电模件锁紧线圈和固定线圈的输出电流时序异常，控制棒上提过程中锁紧线圈电流异常降低且固定线圈无输出，交流供电模件输出电流异常未切换至直流供电，导致控制棒掉落。通过对交流供电模件进行台架检查测试发现，模件PRT1 板卡的数模转换器故障，影响固定线圈和锁紧线圈电流输出，致使02-33 控制棒意外下落。

1.2 控制棒驱动机构

VVER 机组的控制棒驱动机构主要包括承压壳体、电磁组件、移动组件、驱动杆和棒位传感器等，而移动组件主要由可动磁极、不可动磁极和棘爪组成。其工作原理为：交变电流通过电磁线圈产生磁场，可动磁极和不可动磁极按照磁场变化动作，带动相应的棘爪实现对驱动杆的夹持和移动。如果可动磁极、不可动磁极、套筒或棘爪出现短时失效，就有可能会出现棘爪动作异常，导致控制棒在移动过程中意外下落。

1.2.1 移动组件短时失效的原因

控制棒驱动机构移动组件短时失效的可能原因有两个，分别为移动组件内部机械磨损和移动组件内部进入外部杂质。

（1）内部机械磨损。根据研究表明，制造控制棒驱动机构的钢材均具有高耐腐蚀性、高耐磨损性，同时该型号控制棒驱动机构做过20 万步的全寿命型式试验，并且在俄罗斯、保加利亚多个核电站有长期应用经验。田湾核电站1 号、2 号机组历次大修对控制棒驱动机构的检查记录表明，均未发现异常腐蚀和磨损现象；并且发生过落棒事件的驱动机构在后续燃料循环内经历了多次移动操作，结果均正常。因此，可以排除驱动机构内部机械磨损导致控制棒意外下落的可能。

（2）移动组件内部进入杂质。当一回路不溶性杂质进入移动组件内部，可能会导致控制棒驱动机构的移动组件短时失效。另外，棘爪与套筒间存在杂质。根据相关结构图，棘爪与套筒之间的间隙较小，杂质容易到达且不易移除，只有在动作振动或棘爪与套筒之间的挤压力下将杂质击碎，才能消除影响。如果杂质挤压在此，每次提升后驱动杆对棘爪的向下的冲击力，可能导致杂质向更狭窄的下方区域移动，从而形成棘爪的短时失效。随着不溶性杂质在棘爪动作、驱动机构设备振动、一回路冷却剂流动等情况下从棘爪处脱离，棘爪动作又恢复正常。因此，棘爪与套筒之间的杂质可能会使带套筒的可动磁极未达到全行程，棘爪未完全抱住驱动杆，造成驱动机构部件短时失效，导致控制棒意外下落。

1.2.2 移动组件动作失效的杂质来源

（1）控制棒驱动机构腐蚀性产物的堆积。控制棒驱动机构部件制造时使用了马氏体不锈钢，由于制造商在出厂前没有对驱动机构进行足够的钝化处理，在新的驱动机构使用初期，还没有形成完整的保护膜（保护膜形成一般需要10 周）之前，会生成腐蚀产物。1 号、2 号机组控制棒驱动机构的转动轴和棘爪材料为马氏体不锈钢，存在形成腐蚀产物的可能。但在出现控制棒意外下落事件时，相应的控制棒驱动机构移动组件已长期运行，转动轴和棘爪表面钝化膜早已形成。因此可以排除由于控制棒驱动机构自身形成的腐蚀产物导致控制棒滑步和意外下落的可能原因。

（2）控制棒驱动机构运行磨损产生杂质。控制棒在运动过程中，固定磁极与可动磁极之间、棘爪与驱动杆之间相互撞击，在长期作用下存在一定程度的正常磨损，会有小颗粒物质从部件上脱落形成杂质。根据1 号、2 号机组控制棒驱动机构设计文件，控制棒驱动机构设计寿命为30 年，全双行程次数不少于6000 次，紧急落棒次数不少于300 次。2017 年控制棒意外下落首次发生时，1 号、2 号机组控制棒驱动机构运行约10 年，经估算双行程次数不大于300 次、紧急落棒次数不大于50 次，控制棒驱动机构运行年限和移动行程均未超过设计值的20%。同时，大修期间对控制棒驱动机构的检查项目结果表明，未发现有明显磨损现象。因此，由于控制棒驱动机构运行磨损产生杂质的可能性较低。

（3）一回路化学离子结合形成不溶性杂质。一回路中存在硼酸、氯离子、硫酸根离子、硅酸根等化学离子，如果它们与其他物质结合产生不溶性杂质，该杂质进入驱动机构部件内部就可能导致控制棒驱动机构部件的短时失效。根据一回路化学特性，化学离子可能会产生硅酸盐类物质、SiO2结晶、硼酸结晶、其他杂质等。根据对一回路中化学离子含量的分析，一回路中并不存在钙、镁、铝离子，无法形成硅酸盐类物质。硅酸离子与微量铁离子在冷却剂中呈离子形态，也不会形成硅酸盐；一回路中SiO2浓度为373 μg/L，机组运行初期最高为842 μg/L，远未达到SiO2的析出点，因此在机组运行过程一回路设备表面不会形成SiO2结晶；在高温水中硼酸与水完全互溶，也不存在硼酸析出形成晶体的可能；一回路中其他离子（氯离子、硫酸根离子、铁离子）及TOC（Total Organic Carbon，总有机碳）均含量极低，硼酸—总碱金属浓度控制合理，未发生过控制指标偏离的情况，不存在析出形成杂质的可能。因此，大修期间和正常运行期间，可以排除一回路化学离子结合形成不溶性杂质的可能。

（4）外部不溶性杂质随设备检修被带入一回路。大修期间，大量一回路设备处于开口检修状态，外部不溶性杂质可能会随着设备检修过程被带入一回路。压力容器开口检修阶段，由于设备闸门双开，存在外部杂质随空气进入一回路的可能。根据VVER机组设计，一回路冷却剂净化系统中没有设置机械过滤器，而是通过树脂床进行过滤，经估算有效过滤孔径约100 μm。因此，一些细小杂质有较大可能被一回路冷却剂带入驱动机构部件并进入棘爪，造成棘爪动作过程的短时失效。因此，存在外部不溶性杂质随设备检修和一回路开口进入的可能。

2 结论

通过对田湾核电站1 号、2 号机组控制棒意外下落事件的检查和分析，导致控制棒意外下落的原因主要有两个：一是控制棒供电系统模件故障（包括偶发故障）；二是设备检修和一回路开口期间，外部不溶性杂质随着一回路冷却剂被带入移动组件内部，可能会造成控制棒驱动机构棘爪短时动作异常。