AP1000控制棒驱动机构解析课件

1、3.3 反应性控制和控制棒驱动系统2008年11月 海阳反应性控制概述 为了控制堆芯的反应性，采用了控制棒、可燃毒物棒和硼酸等控制手段。其中改变硼浓度用来控制反应性的长期变化，例如： 燃耗和裂变产物积累 零功率条件下温度的变化 氙或钐浓度的变化 可燃毒物棒的消耗棒束控制组件用来控制以下反应性的变化： 停堆 功率运行阶段冷却剂温度的变化 功率变化引起的反应性变化 空泡效应在第一个燃料循环期间，由于燃料为新料，后备反应性很大，如果堆芯采用高浓度硼来平衡反应性，可能引入正的慢化剂温度系数。为了保证负的慢化剂温度系数，保持反应堆自稳定特性，需要加入可燃毒物组件。对于操纵员来说，棒束控制组件是最有效的控

2、制反应性的方式。可以移动棒束控制组件和灰棒控制组件在堆内的相对位置来达到控制堆内反应性的目的。控制棒驱动机构概述用于反应性控制的控制棒驱动机构(CRDM)和控制棒是AP1000反应堆系统(RXS)的一部分。每个控制棒驱动机构由四个独立的子组件组成。分别为承压壳体，励磁线圈组件，销爪组件，以及驱动杆组件。位于反应堆压力容器顶盖上的一体化顶盖组件内。CRDM承压壳体构成一回路压力边界，并提供其他设备的支撑。CRDM外壳的顶部支撑了棒位置指示器线圈组件。棒行程罩的上部密封是一个坚固的，一体式结构，通过与一体化顶盖相连来提供地震情况下的支撑。控制棒安装于控制棒束组件(RCCA)和灰棒控制组件（GRCA

3、）下面。RCCA由24根吸收体棒组成，顶部端塞固定到一个公共连接件（星型架）上，用来控制相对较快的反应性变化和轴向功率分布。同样的，GRCA由24根顶部端塞固定到星型架上的细棒组成，用于负荷跟踪。这些控制组件提供了一种机械补偿(MSHIM)策略，能减少反应堆冷却剂系统的调硼操作。控制棒束组件和灰棒束组件由堆内导向机构支撑。RCCA和 GRCA的末端与燃料组件的导向管相接触。3.3.1 功能1安全相关功能CRDM, RCCA, 和GRCA连同RXS和反应堆冷却剂系统一起执行和/或支持以下安全相关功能反应堆冷却剂压力边界：在电厂所有运行工况下，控制棒驱动机构（CRDM）外壳属于一回路压力边界，用来

4、包容反应堆冷却剂和/或堆芯应急冷却流量，限制放射性释放到安全壳(通过限制冷却剂泄漏)。堆芯冷却和反应性控制：在偏离正常及故障和异常工况下，CRDM提供了RCCA和 GRCA提升和下插的手段，用以控制反应堆功率。堆芯的反应性依赖于控制棒、冷却剂内溶解硼浓度以及其它毒物。当反应堆手动或自动触发停堆时，CRDM断电，RCCA和GRCA依靠重力以所需要的速度插入堆芯，保障燃料的完整性。2非安全相关功能 在电厂正常运行期间，RCCA,GRCA,和 CRDM还需执行一些反应性控制方面的非安全相关功能：CRDM通过调整RCCA和GRCA的位置，可以在不进行调硼的情况下实现负荷调整(如调峰运行)。控制棒还要提

5、供足够的反应性来弥补从满功率到零功率时所产生的功率亏损，并要提供必须的停堆裕量。3非安全相关的纵深防御功能 无4 与执照许可相关的其他功能 无3.3.2 设计基准1 安全相关设计基准CRDM的壳体提供了一个高度一体化的压力边界，用以包容一回路冷却剂以及溶于冷却剂或出现在压力容器上封头内部的燃料裂变产物，承压壳体属于一回路冷却剂压力边界的一部分。CRDM的设计使其在反应堆冷却剂的压力和温度以及预期的安全壳内部环境之下运行仍然能够维持自身的功能和结构的完整性。CRDM,RCCA和GRCA的设计保证了在正常运行，中等频率事件，稀有事故，极限事故工况下都能够履行他们的安全功能。另外，他们的设计能够在安

6、全停堆地震情况下仍然能履行预期的安全功能。CRDM,RCCA和GRCA的设计限制了反应性引入的大小和速度，加上反应堆保护系统的动作，即使如弹棒这样的反应性事故也不会造成燃料损坏、反应堆冷却剂压力边界破损或者堆芯充分冷却能力的降低。CRDM,RCCA和GRCA的设计使得反应堆能在其具有最大后备反应性且处于热态时，当最大价值控制棒处于全部提出位置时，仍然能够维持至少 1K/K的次临界度。2非安全相关设计基准在反应堆压力容器顶盖移开时，CRDM驱动杆下端的设计允许维修人员用长柄工具进行驱动杆和控制棒组件间的远距离连接或解锁操作。棒位指示系统能提供RCCA 和 GRCA的轴向位置监测手段。RCCA 和

7、GRCA提供了堆芯反应性控制手段，以维持堆芯功率在所需水平。3其他执照许可设计基准 无3.3.3 系统描述1 控制棒驱动机构AP1000的CRDM设计是基于西屋公司经过验证的成熟设计，已经运用于许多运行中的核电站。CRDM位于反应堆压力容器顶部，他们与含有中子吸收材料的RCCA和用于负荷跟踪的GRCA联在一起。GRCA除了中子吸收能力较弱外，几何形状和RCCA是一样的。CRDM的主要功能是以设计速度提升或下插53个RCCA和16个GRCA中的一个指定的组，以此来控制流过堆芯冷却剂的平均温度(Tavg)堆芯功率控制关键参数，同时维持堆芯具有可接受的中子通量分布。在启动和停堆期间，控制组件的插入和

8、提出，与反应堆冷却剂硼浓度一起控制堆芯反应性变化。 为了能使所有的控制棒组一起协同工作，CRDM须进行统一控制。每个CRDM都隶属于一个特定的控制棒组，利用这些控制棒组来进行反应性控制，轴向功率分布控制，或实现反应堆停堆。每组RCCA或者GRCA中的CRDM动作时能够保持步调一致。CRDM和控制棒组件的设计允许在堆芯寿期的大部分时间里不调硼地进行负荷跟踪。在电厂正常运行期间，CRDM的设计允许RCCA和GRCA处于棒行程内的任何位置。CRDM是一种磁力提升机构，当它接收到控制系统发出的指令序列后，三个励磁线圈即按照相应的次序励磁，使控制棒组件做步进式的插入或提起动作。在任何步序循环中，如果线圈

9、的励磁电流中断，CRDM的设计能保证驱动杆释放，继而，驱动杆和与之相联的棒束依靠自身的重力全部落入堆芯。 当三个线圈接收到成型的顺序激发的脉冲电流后，CRDM便产生插入或提升的动作。CRDM程控供电装置中的可控硅整流器重复上述步序，棒束便被提出或插入堆芯。控制棒的提升依靠的是电磁力，而下插依靠的是重力。CRDM能以114.3 厘米每分钟（45inch/min）的速度提升或者降低最大为181.4千克（400磅）的负重（包含驱动杆重量）。在电厂运行期间，驱动机构的夹持线圈和传递线圈通电，保持RCCA在一个静止位置。棒位通过安装在棒行程罩外的位置指示器组件内的48个离散线圈来进行测量。当控制棒驱动杆

10、上部的铁磁体部分穿过线圈中心线时，每个磁性线圈能感应到棒的移动和存在。CRDM内部机械装置的设计使其能在温度为343.3C（650F）的反应堆冷却剂中运行。承压壳体的设计能包容343.3C（650F）和17.24 MPa (2500 psia)的反应堆冷却剂，三个励磁线圈能承受200C (392F)的温度,并且需要风机来进行强制通风冷却，以维持线圈内部温度不大于200C (392F)。由于失去冷却空气后，最坏的结果是引起驱动杆释放，所以冷却空气不要求是安全相关的。同样，由于风机失电最终能导致线圈失电，因此通风机的电源不要求是应急电源。2 控制棒的分布和反应性价值 RCCA设计按功能分为调节组和

11、停堆组。术语“组”用来描述一群特殊的控制组件。调节组标记为MA,MB,MC,MD,M1,M2和轴向功率偏移（AO）组，其中MA,MB,MC,MD是GRCA；停堆组标记为SD1、SD2、SD3、和SD4。多于4个RCCA的每个组，尽管作为一组来操作和控制，仍然由两个或者更多的子组构成。RCCA的轴向位置可通过手动或者自动控制。RCCA在反应堆停堆信号触发后，落入堆芯。采用两个准则来选则控制棒组。第一，总的反应性价值必须满足规范要求；第二，考虑到在功率运行期间，这些控制棒可能部分的插入，总的功率峰值因子应该足够低，以满足出力要求。在任何工况下，临界棒位取决于冷却剂内的硼浓度。为了不违反技术规格书中

12、有关停堆的规定和其它的考虑，在达临界过程中，不断的调整硼浓度，这样最终的临界棒位将会保持在插入极限以上。在寿期初，为了维持低功率下慢化剂温度系数不超限，同样规定了控制棒的提出极限位。停堆棒组提供了额外的负反应性来建立足够的停堆裕量。停堆裕量是指热停堆工况下、RCCA落棒动作、假设反应性价值最大的一束控制棒卡在全部抽出位置、氙毒和硼浓度都没有变化时堆芯的次临界度。由于吸收体的燃耗造成的控制棒价值损失是可忽视的。3.3.4 主要设备描述 1 控制棒驱动机构的结构 (1)承压壳体 承压壳体由销爪外壳和棒行程罩两部分构成（如图），通过螺纹密封焊相连，以便于销爪组件的检修。棒行程罩的上封头是一个坚固的、

13、一体化部件，通过与一体化顶盖相连来提供地震支撑。销爪外壳是承压壳体的下部构件，内部安装销爪组件。销爪外壳与CRDM接管在生产厂家内通过双金属焊相连接；而接管通过冷缩配合和局部透焊与压力容器上封头相连接。棒行程外壳是CRDM压力外壳上部构件，能够在提升控制棒时给驱动杆提供移动空间。 和CE电站和韩国CE电站一样，在电厂启动时，CRDM外壳是不进行排气操作的；压力容器顶盖通过专门的排气管道进行充水排气，当一回路达到运行压力时，承压壳体内残存的气体将被水吸收掉，而壳体内的水在经历12步插棒操作后将会被置换掉。 (2)励磁线圈组件 励磁线圈组件包括线圈壳、电缆、电气连接件和三个励磁线圈：夹持线圈、传递

14、线圈、以及提升线圈。励磁线圈组件是一个独立的单元，套装于销爪外壳的外面。它安装在承压壳体的基座上，没有附属机械部件。线圈励磁使销爪组件内的磁极和销爪产生动作。(3)销爪组件 销爪组件包含导向套管、夹持磁极、传递磁极和两套销爪：分别为传递销爪和夹持销爪；销爪与驱动杆上加工出来的凹槽进行咬合。传递销爪在提升磁极的作用下以每步15.9mm (5/8-inch)的步幅上升或下降，使驱动杆提升或者下插。当驱动杆移动一步后，夹持销爪固定驱动杆组件，然后传递销爪复位，为下一步动作做好准备。 (4)驱动杆组件 驱动杆组件包含一个连接头、驱动杆、解锁按钮、解锁杆、以及锁紧扣（如图3.34）。驱动杆上的凹槽间距为

15、15.9mm (5/8-inch)，以便销爪在驱动杆静止或者运动期间与之咬合，驱动杆下端的连接头可以使驱动杆与棒束组件直接相连。解锁按钮、解锁杆、和锁紧扣能够保障驱动杆和控制棒之间的可靠连接，并且提供了远距离断开驱动杆连接的手段。 2 CRDM材料CRDM与反应堆冷却剂接触的部分用抗腐蚀的三类金属制造：不锈钢、镍铬铁合金、以及在有限范围里运用的钴基合金。多年以来，这些材料已经成功的运用于类似的CRDM。对于不锈钢，只用奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。用低或者零钴合金代替钴基合金的销、杆、或者硬化表面；替代材料已通过评估或试验核定。承压材料遵照ASME标准、第三部分CRDM部分的材料规范，作为反应堆

16、冷却剂压力边界通常由奥氏体(316 和 304型)不锈钢制造。反应堆容器顶盖贯穿件用镍铬铁合金。材料的选择基于CRDM和控制棒运行周期的规定。特定的材料可以使设备免遭受不良影响，例如满功率运行下最少300次事故停堆（基于RCS设计瞬态事故停堆的数目）和驱动杆连接组件200次连接和去连接周期引起的过度磨耗或者磨损。内部销爪组件使用热处理过的奥氏体不锈钢材料制造。热处理能够避免应力腐蚀开裂。浸入反应堆冷却剂的磁极部用410不锈钢制造。非磁性部分，除销钉和弹簧，都用304不锈钢制造。连接销用钴合金或者合格的替代品制造。弹簧用镍铬铁合金（合金750）制造。销爪臂的浇铸用适于提高耐磨性的材料。轴承和磨损

17、面有选择性的使用镀铬板和表面硬化。驱动杆组件也浸没在反应堆冷却剂中并且用410不锈钢制造。驱动杆连接件由403不锈钢加工而成。其他部分除弹簧外都用304不锈钢制造，弹簧用镍铬铁合金制造，并且锁定按钮用钴合金棒材或者合格的替代品制造。暴露在安全壳空气的线圈壳要求用磁性材料制造。通过试验和评估，低碳铸钢和球墨铸铁证明是合格的。镀锌的外壳能抵抗建造期间的各类腐蚀。线圈缠绕在复合的线轴上，具有双重玻璃绝缘铜线。线圈用硅化物树脂漆真空浸渍。线圈外径通过一个云母片作为包装材料来保护。良好的绝缘能经受住200C（392F）的温度。按照有关规定， CRDM的弹簧用镍铬铁合金（合金750）制造。运行经验显示用这

18、种材料制造的弹簧在压水堆主回路水中不会发生应力腐蚀开裂。CRDM的螺栓材料不采用合金750。3 工作过程 下面是控制棒提升一步时的动作（下插一步的动作与之相似）： (1)传递线圈断电，传递销爪与驱动杆上的槽脱开； (2)传递线圈通电，传递销爪与驱动杆上的槽啮合； (3)夹持线圈断电，夹持销爪与驱动杆上的槽脱开,控制棒组件的重量转移到传递销爪上； (4)提升线圈通电，传递销爪受到电磁铁的吸引，带动驱动杆提升一步； (5)夹持线圈通电，夹持销爪与驱动杆上的槽啮合，并且使控制棒组件的重量由传递销抓转移到夹持销抓上来； (6)传递线圈断电，传递销爪与驱动杆上的槽脱开； (7)提升线圈断电，传递销爪下降

19、一步； (8)控制棒的运动结束，传递线圈重新通电，与夹持销爪一起保持棒位。 3.3.5 系统运行 1 正常运行在电厂大部分运行时间里，CRDM保持RCCA在全部提出的位置；GRCA则根据堆芯温度控制，反应性平衡或者负荷跟踪的需要而处于提出或插入的位置。当控制棒静止时，传递销爪和夹持销爪处于锁紧状态，使得驱动杆组件和下面悬吊的RCCA或GRCA不会掉落。当驱动杆被提出堆芯到最后几步时，虽然控制棒还没有完全从燃料组件内提出，但控制棒束已经离开堆芯的最上部分。这个范围处于263到266步内。电站运行过程中，CRDM有可能位于此范围内的任意位置，并且我们认为此时控制棒已经处于全提的状态，对CRDM或者

20、电厂的运行也没有任何不利影响。由于驱动杆最下端的一小段没有加工凹槽，因此单纯通过CRDM的提升是无法将控制棒从导向管里完全提出来的。假如夹持线圈的励磁中断（譬如跳堆时），线圈产生的磁力消失，驱动杆组件和RCCA或GRCA的重力（加上夹持销爪复位弹簧的力），将销爪推离驱动杆组件凹槽，产生落棒动作。控制棒在重力作用下落入堆芯。当驱动杆被驱动机构释放后，首先作自由落体运动，直到最后到达导向管内的缓冲区；在那里，导向管内的冷却剂将会减缓棒的下落速度，直到完全插入位置。满功率运行时，在调节带内通过调节机械补偿（MSHIM）和轴向偏移控制棒组（AO棒组）来补偿硼浓度的微小变化、冷却剂温度变化、以及微小的氙毒变化；从而省掉了调硼操作。当MSHIM组的棒位达到限值时则需要通过调整硼酸浓度来补偿额外的反应性变化。可溶硼的使用仅限