一种反应性控制机构的制作方法

本发明涉及核反应堆装备领域，具体涉及一种反应性控制机构。

背景技术：

反应性控制机构是实现对反应性有效控制，以及反应堆安全运行的关键设备，包括控制棒驱动机构、控制棒组件、棒位测量机构、落棒缓冲机构等。控制棒驱动机构带动控制棒组件在堆芯中上下运动，实现反应性控制，在停堆事故工况下，控制棒组件在重力作用下快速落入堆芯，实现紧急停堆。

针对第四代核能系统重要堆型之一液态重金属冷却反应堆，其冷却剂自身的特性对反应性控制机构的功能实现提出了巨大的技术挑战，其密度高于控制棒组件的平均密度，难以直接实现控制棒组件在冷却剂中的快速下落及稳定自立。为解决高密度冷却剂带来的技术难题，目前主要有进行控制棒组件配重和浮力驱动上浮2种控制方式。例如，欧洲ELFR铅冷堆分别采用气体和浮力驱动的控制方式：针对气体驱动方式，从堆芯顶部向下驱动控制棒组件插入活性区，以实现反应性控制及停堆操作，同时对控制棒组件进行钨配重，以保证在气动系统失效时实现自然落棒；针对浮力驱动方式，使控制棒组件在自身浮力作用下从堆芯底部向上驱动插入活性区。另外，欧洲ALFRED铅冷快堆设计方案中，提出采用电机和浮力驱动的控制方式：针对电机驱动方案，采用步进电机通过丝杠-螺母传动机构带动控制棒组件在堆芯中运动，在停堆事故工况下，通过对电磁铁断电而使吸合衔铁脱开控制棒组件，对控制棒组件进行钨配重，以确保控制棒组件能够迅速落入堆芯活性区；浮力驱动方式与ELFR方案相同。

控制棒组件配重和浮力驱动上浮2种设计方案均存在一定的问题。对于前者，控制棒组件是浸没在冷却剂中运动的，为确保控制棒组件能够在自身重力作用下快速落入堆芯，那么控制棒组件的平均密度需远大于冷却剂，适合的配重材料主要为钨(密度为19.1g/cm³)或钽(密度为16.6g/cm³)，所需配重材料用量大，对反应性控制机构的驱动荷载提出了更高的要求(大于500kg)。对于后者，必须预留出组件上浮的空间，增加了反应堆主容器高度及相应的工程造价，同时难以检测上浮过程中的棒位。

除此之外，在高温、高辐照的堆内环境下，实现对棒位的精确测量也是反应性控制机构的重要问题。例如，申请人为清华大学的发明专利《高温气冷堆控制棒驱动机构》(公开号：102214487A)中提出将环链机构和棒位测量机构设置在减速机构的输出轴上，通过测量环链机构的转动角度而间接测量棒位，而无法直接读取控制棒的直线位移，可能导致较大误差。

同时，现有方案尚未考虑到长期运行过程中，堆内各类蒸汽(如铅蒸汽)，可能扩散至驱动机构的机械结构中发生凝结从而导致卡棒事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种反应性控制机构，能够在液态重金属冷却剂中实现控制棒组件的正常运动及下落停堆，能够防止堆内高温、强辐照环境对棒位测量的影响，并可避免堆内蒸汽扩散凝结导致事故。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种反应性控制机构，包括主轴电机，所述主轴电机通过减速机构与传动机构连接，所述传动机构包括传动螺母以及传动丝杆，所述传动丝杆的上杆端与抓手电机的转轴连接，传动丝杆与传动螺母配合，所述传动螺母上设置有下落组件，所述传动丝杆的下杆端设置有顶杆，所述减速机构与传动丝杆连接，主轴电机转动并连动所述下落组件上下移动，所述下落组件上设置有落棒执行机构，所述下落组件与控制棒组件通过所述落棒执行机构进行连接或脱开，所述下落组件下方安装有配重机构，配重机构的配重材料密度高于冷却剂，当所述下落组件与所述控制棒组件连接，双重配重同时作用于落棒过程；当所述下落组件与所述控制棒组件脱开，所述控制棒组件自立于冷却剂中。

本发明还存在以下特征：

所述下落组件上还设置有棒位测量机构，所述棒位测量机构与所述下落组件通过齿条或链条连接，所述下落组件在运动过程中通过齿条或链条带动测量齿轮转动，测量齿轮的转动角度用于测量控制棒的棒位。

所述传动机构、落棒执行机构以及顶杆设置在外壳内，所述外壳的下端设置有安装板，所述安装板与下落组件之间设置有密封结构，所述密封结构用于隔绝通入气体将内部重金属蒸汽排出。

所述控制棒组件的下端设置有落棒缓冲机构，所述落棒缓冲机构用于在落棒时实现对所述下落组件以及所述控制棒组件的缓冲。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

其一，针对高密度的液态重金属冷却剂，本发明在下落组件和控制棒组件上同时进行配重的设计，与现有的ELFR、ALFRED等配重下落设计方案相比，进一步优化了配重设计，有效降低了配重重量，更容易满足落棒时间要求，同时与上浮驱动方案相比，节省了组件上浮所需要的高度空间，从而降低了工程造价成本，另外更易于实现对棒位的测量；

其二，采用与下落组件直接配合角位移传感器测量棒位，有效避免了堆内高温、强辐照环境的影响，可以实现对棒位的连续精确测量，测量精度远高于压水堆采用的棒位棒控系统；

其三，采用带缓冲缸和泄压孔的落棒缓冲机构，既能对下落组件提供导向，又实现了对下落组件的缓冲，防止对堆芯造成过大冲击荷载，提高了反应性控制机构的可靠性；

其四，对下落组件进行非接触式密封，防止堆内蒸汽扩散至驱动机构中，提高了设备使用寿命及可靠性。本发明工作原理简单，结构简洁，工作可靠性高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为反应性控制机构结构图。

图中：1为主轴电机；2为抓手电机；3为减速机构；4为传动机构；5为传动螺母；6为下落组件；7为棒位测量机构；8为齿条或者链条；9为反应性控制机构安装板；10为组件抓手；11为控制棒组件；12为落棒缓冲机构；13为配重机构；14为密封结构；15为落棒执行机构；16为顶杆；17为外壳。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，对本发明的结构特征详述如下：

一种反应性控制机构，包括主轴电机1，所述主轴电机1通过减速机构3与传动机构4连接，所述传动机构4包括传动螺母5以及传动丝杆，所述传动丝杆的上杆端与抓手电机2的转轴连接，传动丝杆与传动螺母5配合，所述传动螺母5上设置有下落组件6，所述传动丝杆的下杆端设置有顶杆16，所述减速机构3与传动丝杆连接，主轴电机1转动并连动所述下落组件6上下移动，所述下落组件6上设置有落棒执行机构15，所述下落组件6与控制棒组件11通过所述落棒执行机构15进行连接或脱开，所述下落组件6下方安装有配重机构13，配重机构13的配重材料密度高于冷却剂，当所述下落组件6与所述控制棒组件11连接，双重配重同时作用于落棒过程；当所述下落组件6与所述控制棒组件11脱开，所述控制棒组件11自立于冷却剂中。

所述下落组件6上还设置有棒位测量机构7，所述棒位测量机构7与所述下落组件6通过齿条或链条8连接，所述下落组件6在运动过程中通过齿条或链条8带动测量齿轮转动，测量齿轮的转动角度用于测量控制棒的棒位。

所述传动机构4、落棒执行机构15以及顶杆16设置在外壳17内，所述外壳17的下端设置有安装板9，所述安装板9与下落组件6之间设置有密封件14，所述密封件14用于隔绝通入气体将内部重金属蒸汽排出。

所述控制棒组件11的下端设置有落棒缓冲机构12，所述落棒缓冲机构12用于在落棒时实现对所述下落组件6以及所述控制棒组件11的缓冲。

主轴电机1通过减速机构3驱动传动螺母5沿滚珠丝杠的轴向直线移动，传动螺母5下端与下落组件6固定连接，并带动下落组件6移动；落棒执行机构15安装在下落组件6上，吸合或脱开下落组件6；配重机构13固定在下落组件6的下段，采用密度高于冷却剂的材料；

下落组件6下落过程中，配重机构13始终高于冷却剂液面，以减小下落时间；

棒位测量机构7包括齿条或链条8，下落组件6与齿条或链条8固定连接，齿条或链条8长度大于控制棒行程，齿条或链条8随下落组件6的运动而做相对应的竖直位移，推动测量齿轮转动，通过读取转动的角度信号在全行程范围内精确测量棒位；

控制棒组件10包括组件上操作头、吸收体棒束、气隙和配重，上操作头被组件抓手11抓取或脱开；吸收体棒束用于控制堆芯反应性；气隙位于吸收体棒束的上下两端，以包容中子吸收体材料在堆芯中产生的反应气体；配重位于控制棒组件10的最下端，其材料与配重机构13相同，与配重机构13同时作用于落棒过程，控制棒组件11能够稳定自立在冷却剂中；

顶杆16同轴安装在传动机构4的滚珠丝杠中，抓手电机2驱动顶杆16上下运动，以实现组件抓手10的动作：当顶杆16下行至行程最低位，压迫组件抓手10与上操作头内表面接触并被压紧，夹紧上操作头；当顶杆16上行，组件抓手10脱开组件上操作头；

落棒缓冲机构12为控制棒组件10提供下落导向，同时在落棒时对下落组件6以及控制棒组件11进行缓冲，防止堆芯产生过高的冲击荷载；

密封结构14安装在反应性控制机构安装板9与下落组件6之间，用于隔绝堆内蒸汽，密封结构14为非接触式密封，以螺旋气密封结构为例说明如下：在落棒组件周围设计螺旋气通道，并从外壳17一端通入惰性气体按照螺旋通道旋转下降，螺旋气出口的压力与堆内压力相当，将堆内蒸汽带出，同时又不影响落棒性能。

下面详细介绍本发明的工作过程。

控制棒驱动机构的工作状态分为正常工作状态、落棒停堆状态和安装检修等状态。

正常工作状态：抓手电机2驱动顶杆16向下运动到行程最低位，压迫组件抓手10与组件上操作头内表面接触并被压紧；落棒执行机构15的电磁铁通电，吸合下落组件6，主轴电机1通过减速机构3中驱动传动机构4带动下落组件6和控制棒组件11以设计速率上下运动；在运行过程中，通过测量齿轮转动角度信号反映棒位；

落棒停堆状态：落棒执行机构15的电磁铁断电而脱开下落组件6，下落组件6和控制棒组件11在配重作用下落入堆芯而实现快速停堆；

组件安装检修：落棒执行机构15的电磁铁通电；抓手电机2驱动顶杆16向上运动，使组件抓手10释放组件上操作头；然后通过主轴电机1将下落组件6提升至行程高位，控制棒组件11自立于冷却剂中，进行安装及检修。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。