csmirt20-036田冬青清华高温气冷堆控制棒孔道通过性研究和试验验证提交

稿件编号：CSMIRT20-（1核能与新能源技术（INET），，100084；2先进核能技术协同创新中心3华北核与辐射安全监督站，：高温气冷堆示范工程（HTR-PM控制棒孔道高达19m多，套叠式控制棒吸收体从上到下需要穿过反应堆压力容器控制棒壳管嘴、金属堆内构件控制棒上/中/下导向管，以及石墨和碳堆芯支承结构中的控制棒孔道。由于整个控制棒孔道高度较大，由石墨、碳、低合金耐热钢、奥氏体不锈钢等多种材质的零部件构成，其加工偏差、安装误差、温度载荷导致的零部件热胀冷缩、动导致的堆内构件相互晃动等多种因素使控制棒孔道发生一定量的变形。本文对高温气冷堆示范工程（HTR-PM）控制棒孔道的通过性进行系统研究，综合上述各种因素进行了优化设计，并通过理论分析和冷、热态试验、堆芯结构模型抗震试验验证了控制棒孔道通过性能够满足设计要求。目前高温气冷堆示范工程已经完成堆本体设备的安装工作，孔道的位置度测量和控制棒模拟件通过性试验也证明了HTR-PM控制棒孔道通过性满足功能要求。：高温气冷堆；控制棒孔道；通过号： 文章标志码 文章编号Studyandtestverificationonhtr-pmcontrolrodchannels（1.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology(INET),TsinghuaUniversity,Beijing,,NorthernRegionalOfficeofNuclearandRadiationSafetyInspection,Beijing,:ThecontrolrodchannelsreachmorethannineteenmetersintheHigh-Temperaturegas-cooledReactorPebble-bedModule(HTR-PM)demonstrationpower.Whentheoverlapcontrolrodsdropped,theypassthroughthecontrolrods nozzleofreactorpressurevessel,theupper/middle/lowerguidetubesofcontrolrodsinmetalreactorinternals,andthecontrolrodchannelsinthegraphiteandcarbonreactorcore.Becausetheheightofcontrolrodchannelsislarge,thecontrolrodchannelsarecomposedofvariousmaterialssuchasgraphite,carbon,lowalloyheat-resistantsteelandausteniticstainlesssteel,andmanyotherfactorssuchastheprocessingdeviation,theinstallationerror,thethermalexpansionandshrinkageofcomponentscausedbytemperature,theshakingoftheinternalscausedbythegroundmotionmakesomedeformationofcontrolrodchannelsappeared.Inthispaper,theHTR-PMcontrolrodchannelsfunctionalityisresearched,andtheabovefactorsareoptimized.Itwasprovedthatthedesignrequirementsofcontrolrodchannelsfunctionalityhadbeensatisfiedthroughtheoreticalysis,coldtest,hottestandamodelshakingtabletestofreactorcore.Atpresent,theinstallationofequipmenthasbeencompletedintheHTR-PM.Thecontrolrod基金项目：国家科技重大专项（2008ZX06902-005）自主科研计划资作者简介：(1988—)，男，河北滦平人，研究员，教授，博士生导师，反应堆结构力学专业 1functionalitysatisfiedfunctionalrequirementshasbeendemonstratedthroughthepositionmeasurementofthecontrolrodchannelsandthesimulatedfunctionaltestofthecontrolrod.t引1控制棒孔道变形不同情况示意图Fig.1differentdeformationsofcontrolrod图2控制棒孔道通过性试验验证Fig.2thetestofcontrolrod高冷范H-）制棒是反功节急的重要，失棒设则，所制能在上在能动去供，棒重力落入堆芯HT-M制棒孔达19m多落棒过程中套叠式控制棒从上到下依次穿过反压器棒嘴属构件控上中下管1控制棒孔道变形不同情况示意图Fig.1differentdeformationsofcontrolrod图2控制棒孔道通过性试验验证Fig.2thetestofcontrolrod

状复杂等显著特点。控制棒孔道的加工偏差、安装误差、温度和辐照载荷导致的零部件变形、导致的堆内构件相互晃动和错位等将导致控制棒孔道发生变形，见图1。如果变形超过一定限值，将导致控制棒运动受阻或卡棒事故，对高温气冷堆的正常运行带来极大的安全隐患，因此，对高温气冷堆控制棒孔道的通过性进行理论分析和试验研究显得尤为重要。英国高温气冷堆的控制棒及其石墨孔道有着相似的结构，考虑到安全运行和延寿，相关理论分析和试验验证工作也正在进行[1，见图2控制棒及其孔道设计高温气冷堆的控制棒设计为内、外棒套叠式结构，内棒可以在外棒中运动，为了避免控制棒孔道变形使控制棒运动受阻或卡住，内外棒均设计成多棒节组成的柔性结构。内棒设计球面关节连接的多节棒结构，球面关节可在小角度内自由扭转；外棒设计链环连接的多节棒结构，在重力作用下呈现较好的直

在正常运行条件下控制棒孔道的弯曲不得超过10mm，在事故条件下控制棒孔道的弯曲不得超过15mm。控制棒孔道通过性分析单节控制棒孔道套管直径D为130mm，高H为300mm；单节控制棒由内棒和外棒组d1和高h1分别为72mm和509mmd2和高h2分别为114mm和497mm，见图3。显然，控制棒卡棒与否只与外棒尺寸有关，以下分析中所提及的控制棒尺寸均为外棒尺寸（即：d=d2，h=h2。Fig.3thedimensionsofcasingandcontrol套管平移分析4，X轴平X轴成任意角度φ

4.Fig.4thesideviewofcontrolrodinserting控制棒垂直插入套管的俯视图见图5，要保证控制棒可穿过套管，必须满足D-∆≥d。即要条件为连续两节套管间的平移量D-d=130-114=16mm。5.Fig.5theoverheadviewofcasing套管旋转分析1在上2在下，两套管间不存在平移，套2上端面与X轴平行，套管1右下端点始终与套管2接触，且绕Z轴转X轴成α角。此时，控制棒刚好能通过22左下角相交于一点A，控制棒右壁紧贴套管2右上角B点C点与1的左壁刚好接触，见图6。Fig.6thecriticalgraphofcontrolrodpassingthroughcasing2whencasingrotated下一节套管3，如图7所示Fig.7theminimumangle(left)andumangle(right)ofcontrolrod

throughcasing2后能顺利通过33的最小临界转角对应的3端面和侧面分别与控制棒的端角相同，均为8.0°。综上所述，控制棒孔道套管间仅存在转动时，控制棒顺利通过套管的必要条件为：任意一节套管与前一节套管的转角小于8.0°，与后一节套管的转角大于3.0，小于80。套管平移迭加旋转分析2B1XZ平面的投影可判直于转轴）1沿XZ轴方向平移，见8。Fig.8theprojectionofthecasing1andthecontrolrodintheXZ对于垂直于转轴的平移，平移量为∆X， 时控制棒刚好能通过套管2的临界条件为：制棒左下角和套管2左下角相交于点A，控制棒右壁紧贴套2右上B点，控制棒左上角C点与套管1左壁刚好接触，见图9。9.垂直于转轴平移时，控制棒通过套管2临界图Fig.9thecriticalgraphofcontrolrodpassingthroughbushing2whentranslationsindirection根据对称性，控制棒通过套管3所对应临界平移分量∆X=AK·cosα=BJ·cosα，如图

–控制棒孔道通过性试验11所示，11控制棒驱动机构冷态落棒试验示意Fig.11theschemeofCRDMcold-statedroptest10.垂直于转轴平移时，控制棒通过套管Fig.10thecriticalgraphofcontrolrodpassingthroughbushing3whentranslationsindirectionaxis综上所述，套管间既有相对转动α，又X时，保证控制棒通

冷、热态试验性能试验和行程试验，其中整体性能试验况：温度≥1500.05～0.3MPa（考虑检，氦气中氧含量150℃氦气氛围下，控制棒驱动机构的各正常执行系统下长期运行的可靠性，开展了行程试验。2倍，大部分重要零部件的行程已经达到120堆年，验证了控制棒驱运行的可靠性。试验完成后，对控制棒系动态试验

常运行状态（装有球）和安装阶段（未装幅值的白噪声和5次SL1和1次SL2输入。试验结果表明整个模型保持了结构完整，在强震过程中控制棒模拟件能够顺畅下落，见表1，满足设计要求。试验完成后对模型进行拆检，未发现石墨构件有明显破损，验证了模型在载荷作用下可正常工作，保持器保持了结构完整性和可运行性，在工况下能够执行其安全功能。1timeofcontrol特性，包括测量其自振频率、振型、阻尼等 刻123刻1234强度和位移，验证模型的可靠性，以及石墨堆芯结构整体模型和控制棒孔道的最大变形，石墨和金属连接构件的强度等,建筑科学研究院抗震搭建了1:4石墨堆芯结构整体模型，如图12所示，开展了抗震试验。

(a)thelayoutofmodelshakingtabletestofreactorcore(b)schemeofmodelshakingtabletestof图12石墨堆芯结构整体模型抗震试震下的可运行性，水利水电科学全停堆（SSE）载荷下的断电落棒试验，构在运行基准下的可运行性，包括提棒、总本文对高温气冷堆示范工程（HTR-PM）控制棒孔道的通过性进行系统研究，综合考虑安装、运行、事故等各种因素，对控制棒及其孔道进行了结构优化设计，并通过理论分析和冷、热态试验、堆芯结构模型抗震试验等验证了控制棒孔道的通过性能够满足设计要求。目

HTR-PM