一种核电站控制棒驱动机构用陶瓷电磁线圈的制作方法

本发明涉及一种核电站控制棒驱动机构陶瓷电磁线圈，涉及核电站核反应堆控制棒驱动机构技术领域。

背景技术：

控制棒驱动机构是核反应堆的功率控制系统，它与堆芯内的控制棒组件连接，通过以一定次序对若干个电磁线圈通电，实现控制棒组件的插入和提升，从而控制堆芯平均温度，以达到反应堆安全启动，调节反应堆功率和停堆的目的。因此，由电磁线圈提供动力的控制棒驱动机构是直接影响反应堆正常运行和反应堆安全可靠的关键设备之一。

由于反应堆堆内高达300℃以上的温度传递以及电磁线圈工作产生的电阻热，使得电磁线圈工作环境温度高达350℃。长期以来，囿于耐辐照、耐高温的绝缘材料以及制造工艺等方面的限制，电磁线圈制造尽管用了诸如云母、玻璃丝、氧化硅等无机材料，可仍需要大量有机材料的粘结、浸渍、灌封等，而所有有机材料在300℃以上的高温条件下会很快开始分解。为此，一方面，在反应堆堆顶布置庞大的风机冷却系统，既复杂了堆顶结构、占据了宝贵的有限空间，又增加了运行成本和维修难度。而且，一旦风机冷却系统发生故障，就可能造成线圈烧毁、反应堆停堆事故，严重影响核电站的运行安全。另一方面，尽管有了风机冷却系统，但堆顶温度仍然有150℃左右，长期在较高温度下工作，控制棒驱动机构电磁线圈里的有机材料仍以较快速度分解，造成线圈绕组松散、绝缘结构损坏，而需要定期更换电磁线圈，这会大大影响到反应堆的工作安全和电站的运行经济性；对此，从引进第三代ap1000核电技术开始，国家核安全局和各设计院就提出了电磁线圈要达到60年寿限期。

如何能使电磁线圈的耐热等级达到300℃以上，如何能使电磁线圈的使用寿限达到60年，这是核电电磁线圈长期以来期望解决的的二个主要问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种核电站控制棒驱动机构用陶瓷电磁线圈，可实现500℃以上耐温等级、使用寿限60年以上，从根本上解决控制棒驱动机构电磁线圈耐热能力和使用寿限有限的难题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种核电站控制棒驱动机构用陶瓷电磁线圈，包括：

陶瓷绕线骨架；

线圈绕组：所述线圈绕组绕制在所述陶瓷绕线骨架的绕线区域空间内；所述的线圈绕组由耐高温电磁线绕制而成，耐高温电磁线按照设计规定的层/匝数绕制在所述陶瓷绕线骨架的绕线区域内，绕制完成的线圈绕组的两端线头留出足够的引接长度，与耐高温引接线连接。

无机封装层：所述无机封装层密实填充在线圈绕组与陶瓷线圈绝缘外筒之间的间隙内；所述的无机封装层的材料为可陶瓷化的无机粉末材料，该粉末材料的粒径为1～100nm，包括p2o5、al2o3、b2o3、zno、sio2、ro中的一种或几种，优选p2o5-al2o3-b2o3；p2o5-zno-b2o3；sio2-b2o3-zno；sio2-al2o3-ro等。

陶瓷线圈绝缘外筒：所述的陶瓷线圈绝缘外筒为贯通圆筒状，作为线圈的外绝缘结构件，用于线圈绕组外部绝缘、保护以及无机封装材料的封装约束。所述的瓷线圈绝缘外筒为与陶瓷绕线骨架同圆心、同厚度的陶瓷材料圆筒。

耐高温引接线：所述耐高温引接线连接线圈绕组与工作电源。所述耐高温引接线分为两根，一根为进线引接线、一根为出线引接线，分别与绕组进线端和出线端连接，连接后须用色标或字母准确标志。

进一步地，所述的陶瓷绕线骨架包括：陶瓷绕线骨架筒体及其上下两端设置的与其垂直的端板a和端板b，所述的线圈绕组绕制在陶瓷绕线骨架筒体外侧壁上，并位于端板a和端板b之间。

所述的陶瓷绕线骨架筒体为壁厚均匀的空心状圆柱体陶瓷筒体，所述的端板a和端板b呈圆环状，其内孔直径与陶瓷绕线骨架筒体内径一致，外径小于陶瓷线圈绝缘外筒内径。

所述的端板a上设有进出线槽口和埋线槽；所述的进出线槽口用于耐高温引接线的进线和出线；所述埋线槽在端板a的内侧，所述埋线槽从进出线槽口起至陶瓷绕线骨架筒体为一切线，埋线槽深度为线圈绕组所采用的耐高温电磁线外径值，用于将耐高温电磁线埋入、引导至陶瓷绕线骨架筒体。

所述耐高温电磁线为可耐500～1000℃的高温，包括耐高温陶瓷绝缘电磁线等，可以由单股镀镍圆铜线线芯、玻璃丝绕包层、无机绝缘层复合组成。

所述的耐高温引接线可以由多股镀镍圆铜线构成的线芯、无机绝缘层、玻璃丝编织保护层复合组成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)该陶瓷电磁线圈，采用了陶瓷绕线骨架、陶瓷线圈绝缘外筒构成的整体陶瓷结构，陶瓷所具有的高绝缘性、耐辐照、耐高温和使用寿限长的特性，为所述陶瓷电磁线圈达到500℃以上的耐温等级、60年使用寿限提供了主体结构材料保证；其中陶瓷线圈绝缘外筒是本发明中的核心发明之一，以往的核电站控制棒驱动机构用电磁线圈外封装采用的或是玻璃丝带缠绕加有机硅浸渍，或是充沙后有机硅浇注后固化，但是，当线圈耐温等级要超过300℃以上后，有机封装就无效了；本发明采用无机材料封装，就必须解决陶瓷封装后的脱模以及线圈外部尺寸的精确性、均匀性和无裂缝等难题，为此，我们创造性地采用了陶瓷线圈绝缘外筒这一结构性部件，作为线圈外封装本体，粉状无机封装材料转而成为连接线圈绕组和陶瓷绝缘外筒之间的粘合剂。

(2)该陶瓷电磁线圈，采用了耐温等级600℃以上的陶瓷化无机封装材料作为线圈绕组匝间缝隙、线圈绕组与陶瓷线圈绝缘外筒缝隙的填充物，经过700℃以上的烧结成陶瓷体，克服了以往有机材料无法耐300℃以上高温的根本缺陷，完全替代了既有电磁线圈的有机浇注料、灌封料，起到了关键材料和工艺补短板作用，为所述陶瓷电磁线圈达到500℃以上的耐温等级、60年使用寿限提供了封装材料保证；

(3)该陶瓷电磁线圈，采用了无机材料绝缘的耐高温电磁线，保证了电磁线圈的核心——线圈绕组能在500℃以上耐温等级、60年以上使用寿限水平上的长期运行。

(4)该陶瓷电磁线圈，采用了无机材料绝缘的耐高温引接线，使线圈引接线达到与整个陶瓷线圈一致的500℃以上耐温等级、60年以上使用寿限。

(5)该陶瓷电磁线圈，采用了整体陶瓷骨架、无机耐高温电磁线、无机耐高温引接线、无机封装材料和陶瓷线圈绝缘外筒，组成了一个由全无机材料耐高温材料组成的整体，克服了以往线圈采用云母、二氧化硅等无机材料借助机材料粘合制作的骨架、浇注料、灌封料中有机硅等有机材料无法抵御300℃以上高温的根本缺陷，达到了耐500℃以上高温的能力，加上陶瓷电磁线圈材质和结构稳定性，决定了使用寿限可达到60年以上，使得控制棒驱动机构电磁线圈彻底摆脱了使用工况温度、使用寿限的限制，即使取消堆顶风机冷却系统也可保证电磁线圈和驱动机构正常工作。

(6)本发明陶瓷电磁线圈无需变更既有核电站控制棒驱动机构的设计、直接替换原有电磁线圈，既可提升现有控制棒驱动机构的耐温等级，使得在堆顶风机冷却系统故障条件下电磁线圈和驱动机构仍能保持正常工作，提高反应堆运行安全保障能力；也能为今后优化核电站设计，取消堆顶风机冷却系统、缩小反应堆体积提供技术和器件支撑。

附图说明

图1为陶瓷电磁线圈的剖面示意图；

图2为陶瓷电磁线圈的外形示意图；

图3为陶瓷电磁线圈中的陶瓷绕线骨架示意图；

图4为陶瓷电磁线圈中陶瓷线圈绝缘外筒的示意图；

图5为陶瓷电磁线圈中陶瓷线圈绝缘外筒的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

以下如无特殊说明，采用的材料均为市售材料。

实施例1

图1是陶瓷电磁线圈剖面示意图，该陶瓷电磁线圈包括：

陶瓷绕线骨架01

线圈绕组02，线圈绕组02绕制在陶瓷绕线骨架01的绕线区域内；

无机封装层03，无机封装层03用于填充线圈绕组02与陶瓷线圈绝缘外筒04之间的间隙；

陶瓷线圈绝缘外筒04，陶瓷线圈绝缘外筒04为贯通圆筒状，如图4-5所示，作为线圈的外绝缘结构件，用作线圈绕组02的外部绝缘和保护层；

耐高温引接线05，耐高温引接线05为两根，一根为进线引接线、一根为出线引接线，用于连接线圈绕组02和工作电源。

上述结构中，陶瓷绕线骨架01、线圈绕组02、无机封装层03、陶瓷线圈绝缘外筒04组成一个密实完整的陶瓷电磁线圈结构，既确保线圈绕组02能处于长期稳定的工作状态，又使电磁线圈各部分密实连为一体，形成优良的热传递，大大提升了电磁线圈的耐辐照、耐高温能力，同时，使用寿限达到60年以上；

其中，陶瓷绕线骨架01、陶瓷线圈绝缘外筒04采用高密度、高强度、膨胀系数低且机加工性能好的工业陶瓷制作，这类材料较普遍，应用面很广；线圈绕组02为耐高温电磁线，由单股镀镍圆铜线线芯、玻璃丝绕包层、无机绝缘层复合组成。

无机封装层03由陶瓷化无机粉末材料制成，在本实施例将p2o5-al2o3-b2o3粉末填充在线圈绕组02与陶瓷线圈绝缘外筒04之间的间隙，密实填充成完整的陶瓷体，然后在700℃以上烧结为陶瓷，这是陶瓷线圈能耐500℃以上高温的关键所在，它将陶瓷绕线骨架、线圈绕组、陶瓷线圈绝缘外筒以陶瓷同质材料的方式连为一体，从根本上克服了既有电磁线圈以有机硅等有机材料浇注、灌封的缺陷。

图2是陶瓷电磁线圈外形示意图，结合图1和图2所示，可以看到，由陶瓷绕线骨架01、无机封装层03、陶瓷线圈绝缘外筒04组成一个密实完整的陶瓷体，将线圈绕组02紧紧包裹在内芯之中，使得整个电磁线圈的耐辐照、耐高温能力等同于陶瓷，可以保证各类机组的控制棒驱动机构在无风机冷却状态下的正常运行，从根本上，解决了有机绝缘的电磁线圈无法超越300℃耐温等级、60年使用寿限的难题；同时，电磁线圈达到了60年以上的使用寿限，在反应堆60年寿限期内不更换控制棒驱动机构电磁线圈成为现实。

上述实例中，为了照顾到接线和线圈运输、安装等操作的便利，耐高温引接线05由多股镀镍圆铜线构成的线芯、无机绝缘层、玻璃丝编织保护层复合组成，其中无机绝缘层的材质主要为氧化镁，在接线及线圈运输、安装时其无机绝缘层为软性，而经过500℃以上高温后就硬化(陶瓷化)了。

图3为陶瓷电磁线圈中的陶瓷绕线骨架示意图，结合图1和图3所示，陶瓷绕线骨架01包括陶瓷绕线骨架筒体011、端板a012、端板b013、进出线槽口014、埋线槽015；陶瓷绕线骨架筒体011为约定高度、直径、壁厚均匀的空心状圆柱体陶瓷筒体，作为绕线承载主体；垂直于筒体两端的为端板a012、端板b013，其内孔直径与陶瓷绕线骨架筒体011内径一致，其边缘外径小于陶瓷线圈绝缘外筒04内径，用于约束耐高温电磁线的绕线范围的宽度和高度；端板a012的厚度要大于端板b13的厚度；陶瓷绕线骨架筒体011和陶瓷绕线骨架端板a012(端板b013)轴向之间的空间为线圈绕组02，陶瓷绕线骨架筒体011、端板a012、端板b013材质相同，且一体成型；进出线槽口014位置在陶瓷绕线骨架端板012上，用于耐高温引接线05的进线、出线；埋线槽015，在陶瓷绕线骨架端板012的内侧，埋线槽015从进线槽口014起至陶瓷绕线骨架筒体011为一斜切线，其深度为线圈绕组02所采用的耐高温电磁线外径值，用于将耐高温电磁线06埋入、引导至陶瓷绕线骨架筒体011而不影响绕线排线。

陶瓷电磁线圈的生产过程为：将耐高温电磁线按照设计规定的层/匝数绕制在陶瓷绕线骨架01的绕线区域内，逐层涂覆无机粉末材料031；绕制完成的线圈绕组02的两端线头留出足够的引接长度；在线圈绕组02两端线头处接好引接线，并做好进出线标志；将陶瓷线圈绝缘外筒04套在线圈绕组02外面，置于振动台上填充无机粉末材料31；将填充完毕的线圈放入烘箱，通过700℃以上的高温完成封装固化。

所得陶瓷电磁线圈按本行业常规检测方法进行检测，耐温等级可达500℃以上，使用寿命可达60年以上。

实施例2

无机封装层03将无机材料p2o5-zno-b2o3粉末填充在线圈绕组02与陶瓷线圈绝缘外筒04之间的间隙，密实填充成完整的陶瓷体，然后经过700℃的烧结，将陶瓷绕线骨架、线圈绕组、陶瓷线圈绝缘外筒以陶瓷同质材料的方式连为一体，从根本上克服了既有电磁线圈以有机硅等有机材料浇注、灌封的缺陷。

其余同实施例1。

实施例3

无机封装层03将无机材料sio2-b2o3-zno粉末填充在线圈绕组02与陶瓷线圈绝缘外筒04之间的间隙，密实填充成完整的陶瓷体，然后在700℃进行烧结，将陶瓷绕线骨架、线圈绕组、陶瓷线圈绝缘外筒以陶瓷同质材料的方式连为一体，从根本上克服了既有电磁线圈以有机硅等有机材料浇注、灌封的缺陷。

其余同实施例1。

实施例4

无机封装层03无机材料sio2-al2o3-ro粉末填充在线圈绕组02与陶瓷线圈绝缘外筒04之间的间隙，密实填充成完整的陶瓷体，然后在680℃进行烧结，将陶瓷绕线骨架、线圈绕组、陶瓷线圈绝缘外筒以陶瓷同质材料的方式连为一体，从根本上克服了既有电磁线圈以有机硅等有机材料浇注、灌封的缺陷。

其余同实施例1。

综上所述，本发明提供的一种核电站控制棒驱动机构用陶瓷电磁线圈，由陶瓷绕线骨架、无机封装层、陶瓷线圈绝缘外筒组成一个密实完整的陶瓷体，将线圈绕组紧紧包裹在内芯之中，使得整个电磁线圈的耐辐照、耐高温能力等同于陶瓷，可以保证各类机组的控制棒驱动机构在无风机冷却状态下的正常运行，从根本上，解决了有机绝缘的电磁线圈无法超越300℃耐温等级、60年使用寿限的难题；同时，电磁线圈达到了60年以上的使用寿限，在反应堆60年寿限期内不更换控制棒驱动机构电磁线圈成为现实。

若本领域普通技术人员根据上述说明所进行改进或变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。