一种浮动式反应堆控制棒驱动机构的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种浮动式反应堆的控制棒驱动机构，包括承压壳体部件、驱动电机部件、落棒释放机构部件、磁轭线圈部件和驱动螺杆部件。本实用新型提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，其机构传动动作可靠，运行精确度高，结构简单易行，可实现浮动式反应堆各种工况下的功率控制以及反应堆安全控制的功能。
【专利说明】
一种浮动式反应堆控制棒驱动机构
技术领域
[0001]本实用新型涉及核电站反应堆的控制棒驱动机构，具体是一种应用于浮动式反应堆的控制棒驱动机构。
【背景技术】
[0002]核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最重要的控制系统和安全保护系统的伺服设备，担负着反应堆的启动、功率调节、停堆及安全(紧急)停堆等生产运行和安全控制功能。由于工作环境不同于陆基，浮动式电站反应堆时刻处于周期性摇摆状态中，此时驱动机构不能始终保持固定竖直状态，依靠重力作为控制棒插入堆芯的驱动力已不能安全实现落棒动作。当浮动堆发生大角度倾斜，甚至发生倾覆时，重力就成为控制棒运动的阻力，阻碍其原设定落棒动作。因此，原有的陆基核反应堆控制棒驱动机构的驱动工作机理已不能满足浮动反应堆的生产和安全保证功能。为保证浮动式反应堆稳定可靠地正常工作，它的控制棒驱动机构必须采用新型的驱动技术和运动可靠性保障措施。
[0003]在浮动式反应堆控制棒驱动机构的设计应用中，俄罗斯因拥有大量的核动力破冰船和丰富的开发运行浮动式反应堆实践经验，从而成为该领域的领头羊。俄罗斯试验机械制造设计局(OKBM)的ABV、VBER和KLT系列浮动式反应堆是其多年的研究成果。其中KLT-40系列是其最成熟的浮动式核反应堆，该反应堆已为核动力破冰船在俄罗斯北部极恶劣环境工作提供动力，其总运行时间超过7000堆年。Akademik Lomonosov是俄罗斯核电集团(Rosenergoatom)设计的全球第一座浮动核电站，就配备2座35MWe(KLT-40S)反应堆，电站预定在2016年试运行，其采用的外置式控制棒驱动机构使用步进电机和齿轮齿条驱动机构[KLT-40floating nuclear heat and power unit with KLT-40s reactor plant(0ΚΒΜ,Russian Federat1n).1n: Status of advanced light water reactor designs IAEA-TECD0C-1391.Vienna:1nternat1nal Atomic Energy Agency，IAEA,2004:733-754.]。这种齿轮齿条式驱动机构动作可靠，但因传动机构特点，占用空间体积过大，无法适应高密度布置需求。日本的原子能研究机构(JAERI)则致力于内置式滚珠螺母丝杠式控制棒驱动机构的石开发[Ishida,Toshihisa.1mayoshi ,Shou.et al.Development of in-vessel typecontrol rod drive mechanism for marine reactor.Journal of Nuclear Science andTechnology.2001,38(7)，557—570.]，并将其应用于船用一体化反应堆MRX、DRX。这种采用丝杠滚子螺母式驱动机构设计时，可分开的滚子螺母与导螺杆形成了复杂连接，这可能会在正常运行期间影响到控制棒运动精度。同时导螺杆的紧急停堆释放还有可能对螺纹或导螺杆结构完整性造成不可修复的损坏。当发生急停事件时，螺母与导螺杆完全脱离。如重新恢复连接，将会引入相对位置的偏差，这将导致滚子螺母与导螺杆重新啮合的难度提高、接触情况变得更复杂。此外，对于复杂的可分离式滚子螺母来说，随着时间推移产生的磨损会将会是一个不可避免的问题。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型针对现有技术的不足，提出一种浮动式反应堆控制棒驱动机构。
[0005]浮动式反应堆控制棒驱动机构包括:
[0006]承压壳体部件;所述的承压壳体部件由螺杆行程壳体、电机承压壳体和导向套管组成;所述螺杆行程壳体、电机承压壳体和导向套管共同构成压力边界;其中所述电机承压壳体与反应堆顶盖连接固定；
[0007]驱动电机部件;所述的驱动电机部件由定子绕组、转子、螺母和轴承构成，其中定子绕组安装在所述电机承压壳体的外部或内部;所述转子和螺母连成一体，并由所述轴承套装在所述电机承压壳体内；所述定子绕组因电流变化而产生交变磁场，对所述转子产生转矩作用，驱动所述螺母转动从而推动螺杆直线运动；
[0008]落棒释放机构部件;所述的落棒释放机构部件由落棒弹簧、释放弹簧、钩爪、连杆、衔铁组成;所述落棒弹簧、释放弹簧、钩爪、连杆、衔铁套装在所述导向块内；
[0009]驱动螺杆部件;所述驱动螺杆部件包括中空的螺杆和芯杆;所述芯杆位于所述螺杆内部可自由滑动，所述螺杆的螺纹段与螺母啮合，所述螺杆的一端与导向块连接，另一端为安装芯杆进入螺杆内部提供导向作用，所述芯杆的一端与控制棒组件连接，另一端与钩爪连接并与所述落棒弹簧接触；
[0010]磁轭线圈部件;所述磁轭线圈部件由多个磁轭组件和多个工作线圈组成，并围绕在所述螺杆行程壳体外部。
[0011]优选地，所述钩爪、连杆和衔铁构成一个连杆滑块机构，通过所述衔铁的上下运动来控制所述钩爪的收放动作。
[0012]优选地，所述导向块与所述驱动螺杆部件之间可采用螺纹连接。
[0013]优选地，所述导向块的内部有导流通道，以减少流体阻力。
[0014]优选地，所述导向块与所述螺杆行程壳体之间采用凸凹槽接触方式，以防止所述导向块的转动。
[0015]优选地，所述衔铁上下运动由所述磁轭线圈部件和释放弹簧共同协作实现，当所述磁轭线圈部件通电后产生磁场力，所述衔铁吸合;断电后磁场力消失，所述释放弹簧弹开所述衔铁。
[0016]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:
[0017]1、本实用新型提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，其机构传动动作可靠，运行精确度高，结构简单易行，可实现浮动式反应堆各种工况下的功率控制以及反应堆安全控制的功能。
[0018]2、本实用新型提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，放置于反应堆压力容器顶盖外部，可以通过结构热屏蔽设计和外部冷却有效降低电机驱动部件温度，有利于保障电气部件稳定工作。
[0019]3、本实用新型提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，采用整体螺母旋转驱动螺杆做直线运动，螺母与螺杆始终保持啮合状态，不会因紧急落棒或换料发生脱离，因此不会产生由重新啮合连接而产生的位置误差问题，保证啮合精度和传动稳定性，提高传动部件的耐磨性、可靠性和使用寿命。
[0020]4、本实用新型提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，螺杆上端部采用导向块装置限制螺杆的自转，同时保证螺杆与螺母的轴线同轴度，避免发生螺纹牙咬死现象。
[0021]5、本实用新型提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，螺杆内部中空，装有芯杆与控制棒组件连接。当紧急落棒时，芯杆被落棒弹簧快速弹出，推动控制棒组件插入堆芯。由于没有螺杆伴随落棒动作，减小了对堆芯的冲击，同时保护了螺杆螺纹的完整性。
[0022]6、本实用新型提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，采用压缩于导向块内部的落棒弹簧作为蓄能组件，可以实现任意工况、任何姿态的紧急情况下安全落棒。同时该弹簧始终处于压缩状态，不会因控制棒位置变化而引起弹簧压缩高度变化，因此没有交变应力而产生的疲劳破坏。
【附图说明】
[0023]图1为符合本实用新型优选实施例的浮动式反应堆控制棒驱动机构工作示意图。
[0024]图2为符合本实用新型优选实施例的导向块与螺杆行程壳体工作接触情况横截面示意图。
[0025]图3为符合本实用新型优选实施例的落棒工况下落棒释放机构部件示意图。
【具体实施方式】
[0026]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明。
[0027]如附图1所示，本实用新型的浮动式反应堆控制棒驱动机构包括承压壳体部件、驱动电机部件、落棒释放机构部件、磁轭线圈部件和驱动螺杆部件。其中:承压壳体部件由螺杆行程壳体11、电机承压壳体17和导向套管18组成，共同构成压力边界，其中电机承压壳体17与反应堆顶盖(图中未标出)连接固定;驱动电机部件由定子绕组15、转子14、螺母13、推力轴承16和径向轴承12构成，其中定子绕组15可安装在电机承压壳体17的外部或内部(本图例为外部)，转子14和螺母13连成一体，通过推力轴承16和径向轴承12套装在电机承压壳体17内；落棒释放机构部件由落棒弹簧4、释放弹簧5、钩爪6、连杆7、衔铁8组成并套装在导向块3内，其中钩爪6、连杆7和衔铁8构成一个连杆滑块机构，通过衔铁8的上下运动来控制钩爪6的收放动作;衔铁8上下运动由工作线圈2和释放弹簧5共同协作实现，当工作线圈2通电后产生磁场力，衔铁8吸合;断电后磁场力消失，释放弹簧5弹开衔铁8;导向块3与螺杆10之间可采用螺纹连接，其内部有导流通道，以减少流体阻力;磁轭线圈部件由多个磁轭组件I和多个工作线圈2组成，并围绕在螺杆行程壳体11外部;驱动螺杆部件包括中空的螺杆1和芯杆9，芯杆9位于螺杆10内部可轴向自由滑动，其中螺杆10的螺纹段与螺母13啮合，螺杆10的一端与导向块3连接，另一端为安装芯杆9进入螺杆10内部提供导向作用，芯杆9的一端与控制棒组件(图中未标出)连接，另一端与钩爪6连接并与落棒弹簧4接触。
[0028]附图1中所示为正常工况下控制棒驱动机构的工作情况，此时工作线圈2始终保持通电状态，通电后产生的磁场力使衔铁8吸合，衔铁8通过连杆7推动钩爪6保持抓持芯杆9的动作。当反应堆调节系统发出控制棒运动指令时，通过控制定子绕组15内部的交变电流产生交变磁场，对转子14产生转矩，同步带动螺母13旋转，从而驱动与螺母13啮合的螺杆10直线运动。
[0029]如图2所示，在本实用新型所采用的螺母13转动、螺杆10直线运动的传动方式中，一方面螺杆行程壳体11为螺杆10的运动提供导向作用，另一方面为防止螺杆10发生自转，与螺杆10连接的导向块3与螺杆行程壳体11之间采用凸凹槽接触方式。
[0030]如图3所示，当发生紧急安全状况断电时，驱动电机部件失效，螺杆10无法运动。此时工作线圈2由于断电而使磁场力消失，释放弹簧5弹开衔铁8，衔铁8通过连杆7推动钩爪6张开，芯杆9在落棒弹簧4的作用下快速推动控制棒组件进入堆芯。
[0031]与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果:
[0032]1.本实施例提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，其机构传动动作可靠，运行精确度高，结构简单易行，可实现浮动式反应堆各种工况下的功率控制以及反应堆安全控制的功能。
[0033]2.本实施例提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，放置于反应堆压力容器顶盖外部，可以通过结构热屏蔽设计和外部冷却有效降低电机驱动部件温度，有利于保障电气部件稳定工作。
[0034]3.本实施例提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，采用整体螺母旋转驱动螺杆做直线运动，螺母与螺杆始终保持啮合状态，不会因紧急落棒或换料发生脱离，因此不会产生由重新啮合连接而产生的位置误差问题，保证啮合精度和传动稳定性，提高传动部件的耐磨性、可靠性和使用寿命。
[0035]4.本实施例提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，螺杆上端部采用导向块装置限制螺杆的自转，同时保证螺杆与螺母的轴线同轴度，避免发生螺纹牙咬死现象。
[0036]5.本实施例提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，螺杆内部中空，装有芯杆与控制棒组件连接。当紧急落棒时，芯杆被落棒弹簧快速弹出，推动控制棒组件插入堆芯。由于没有螺杆伴随落棒动作，减小了对堆芯的冲击，同时保护了螺杆螺纹的完整性。
[0037]6.本实施例提供的浮动式反应堆控制棒驱动机构，采用压缩于导向块内部的落棒弹簧作为蓄能组件，可以实现任意工况、任何姿态的紧急情况下安全落棒。同时该弹簧始终处于压缩状态，不会因控制棒位置变化而引起弹簧压缩高度变化，因此没有交变应力而产生的疲劳破坏。
[0038]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0039]本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。
[0040]显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种浮动式反应堆控制棒驱动机构，其特征在于，包括: 承压壳体部件;所述的承压壳体部件由螺杆行程壳体、电机承压壳体和导向套管组成；所述螺杆行程壳体、电机承压壳体和导向套管共同构成压力边界;其中所述电机承压壳体与反应堆顶盖连接固定； 驱动电机部件;所述的驱动电机部件由定子绕组、转子、螺母和轴承构成，其中定子绕组安装在所述电机承压壳体的外部或内部;所述转子和螺母连成一体，并由所述轴承套装在所述电机承压壳体内；所述定子绕组因电流变化而产生交变磁场，对所述转子产生转矩作用，驱动所述螺母转动从而推动螺杆直线运动； 落棒释放机构部件;所述的落棒释放机构部件由落棒弹簧、释放弹簧、钩爪、连杆、衔铁组成;所述落棒弹簧、释放弹簧、钩爪、连杆、衔铁套装在所述导向块内； 驱动螺杆部件;所述驱动螺杆部件包括中空的螺杆和芯杆;所述芯杆位于所述螺杆内部可自由滑动，所述螺杆的螺纹段与螺母啮合，所述螺杆的一端与导向块连接，另一端为安装芯杆进入螺杆内部提供导向作用，所述芯杆的一端与控制棒组件连接，另一端与钩爪连接并与所述落棒弹簧接触； 磁轭线圈部件;所述磁轭线圈部件由多个磁轭组件和多个工作线圈组成，并围绕在所述螺杆行程壳体外部。2.如权利要求1所述的浮动式反应堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述钩爪、连杆和衔铁构成一个连杆滑块机构，通过所述衔铁的上下运动来控制所述钩爪的收放动作。3.如权利要求1所述的浮动式反应堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述导向块与所述驱动螺杆部件之间可采用螺纹连接。4.如权利要求1所述的浮动式反应堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述导向块的内部有导流通道，以减少流体阻力。5.如权利要求1所述的浮动式反应堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述导向块与所述螺杆行程壳体之间采用凸凹槽接触方式，以防止所述导向块的转动。6.如权利要求1所述的浮动式反应堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述衔铁上下运动由所述磁轭线圈部件和释放弹簧共同协作实现，当所述磁轭线圈部件通电后产生磁场力，所述衔铁吸合;断电后磁场力消失，所述释放弹簧弹开所述衔铁。
【文档编号】G21C7/14GK205722806SQ201620406680
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】白勇军, 刘刚, 史骁辰, 王丰, 林绍萱, 王德斌, 翁娜
【申请人】上海核工程研究设计院