核电站反应堆控制棒驱动机构的制作方法

本发明属于压水堆核电站领域，更具体地说，本发明涉及一种核电站反应堆控制棒驱动机构。

背景技术：

控制棒驱动机构(简称crdm)是一种安装于反应堆压力容器顶盖上的竖直方向的步进式磁力提升装置。作为执行反应性控制的重要设备，crdm能按照指令带动控制棒组件在堆芯范围内上下运动、保持在指令高度，或者断电释棒使控制棒在重力作用下插入堆芯，达到控制反应堆启动、功率调节和停堆功能。此外，crdm耐压壳作为与冷却剂接触的一回路压力边界，是放射性包容的安全屏障。

目前，常用的crdm主要包括：耐压壳组件、钩爪组件、驱动杆组件、线圈组件和棒位探测器组件。耐压壳组件必须能承受高温高压，是反应堆主冷却剂系统压力边界的一部分，必须保证反应堆压力边界的完整性，保证无任何冷却剂的泄漏。钩爪组件是crdm运动执行组件，包括上下两套钩爪运动副，通过两套运动副的有序配合可实现crdm动作。驱动杆组件底部与控制棒连接，外表面有环槽，环槽与钩爪配合带动控制棒上升或下插。线圈组件主要包括三个线圈和磁轭，安装于耐压壳组件的外部。棒位探测器组件用以探测驱动杆所在位置，包括初级线圈和次级线圈，安装于棒行程套管外侧。此外，堆顶还设置有通风冷却装置，以实现对线圈组件的冷却。

目前现有技术的crdm中，crdm耐压壳由三段组成，自上而下分别为端塞、棒行程套管和钩爪壳体，其中，耐压壳底部安装于压力容器顶盖的crdm管座上。相互连接处均由螺纹连接并通过ω焊缝密封，因此，crdm耐压壳有上、中、下三处ω焊缝。

钩爪组件安装在钩爪壳体内部，钩爪组件的提升磁极固定在钩爪壳体的上端凸台上，用棒行程套管压紧，钩爪组件的下端是辅助定位。装配时，钩爪组件自钩爪壳体顶部装入。

驱动杆部件位于耐压壳组件内部，穿过钩爪组件，其下端通过可拆接头与控制棒组件相连。

棒行程套管为驱动杆组件提供了上、下运动的空间。

线圈组件套装在钩爪壳体的外面，它的3个线圈与钩爪组件相对应的磁极、衔铁形成3个“电磁铁”，从上到下分别是“提升电磁铁”、“移动电磁铁”和“固定电磁铁”。3个“电磁铁”按照给定的程序通电时，可以使驱动杆部件上、下运动或静止不动，断电时落棒。

棒位探测器组件采用一组初级线圈和次级线圈，为单精度棒位探测器。

但是，上述现有的crdm存在以下缺陷：

1)共有三处ω密封焊缝，ω密封焊缝为薄壁焊缝，厚度为1.9～2.3mm，ω焊缝区域容易发生破损泄漏事故，破损泄漏的风险较大。

2)单精度棒位探测器测量精度较低，可靠性低，不满足单一故障准则。

3)线圈通电电流大，线圈材料耐温性能较差，因此需要通风冷却。

为了克服上述缺陷，相关技术对crdm做出了改进：crdm耐压壳包括两段，上部为棒行程套管，下部为钩爪壳体。棒行程套管为一体件，顶端为盲管结构，钩爪壳体与crdm管座集成为一体件，棒行程套管与钩爪壳体通过螺纹连接并通过ω焊缝密封。

crdm钩爪组件悬挂于棒行程套管底部。装配时，钩爪组件从钩爪壳体顶部装入。反应堆在役阶段如需维修更换钩爪组件，切开ω焊缝，将钩爪组件从钩爪壳体中吊出。

但是，上述crdm仍然存在以下缺陷：

1)ω密封焊缝位于棒行程套管与钩爪壳体之间，拆卸钩爪组件时，将钩爪组件从钩爪壳体中吊出，被反应堆冷却剂污染的钩爪组件具有放射性，吊出后裸露在环境中会对操作人员产生辐照伤害风险。

2)线圈通电电流大，线圈材料耐温性能较差，同样需要通风冷却。

有鉴于此，确有必要提供一种安全可靠的核电站反应堆控制棒驱动机构。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服现有技术的缺陷，提供一种安全可靠的核电站反应堆控制棒驱动机构。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电站反应堆控制棒驱动机构，包括耐压壳组件、钩爪组件、驱动杆组件、线圈组件和棒位探测器组件，其中，耐压壳组件为一体化壳体，顶部为盲管结构，底部可拆卸密封安装在压力容器顶盖的crdm管座上。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述耐压壳组件与crdm管座之间设有密封环。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述密封环为c型密封环，或弹簧c型密封环，或设有穿孔的o型密封环。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述密封环由镍基合金制成，密封环表面镀银。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述密封环包括内圈密封环和外圈密封环。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述钩爪组件自耐压壳组件底部装入耐压壳组件内，所述钩爪组件下端通过限位螺母支承于压力容器顶盖的crdm管座上。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述钩爪组件采用双齿钩爪。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述线圈组件套设在所述耐压壳组件下部，其包括3个电磁线圈、磁轭、引接线和导线管，所述钩爪组件对应设有铁芯组件，线圈组件的电磁线圈和磁轭与钩爪组件上对应设置的铁芯组件自上而下形成提升电磁铁、移动电磁铁和固定电磁铁。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述提升电磁铁设有提升衔铁，提升衔铁的气隙为11～15mm。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述耐压壳组件上部设有台阶面，所述棒位探测器组件支撑于台阶面上，所述棒位探测器组件包括定位套筒、位于定位套筒中靠近内侧的内层线圈，以及位于定位套筒中靠近外侧的外层线圈。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述内层线圈和外层线圈采用格雷码信号输出形式。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述内层线圈和外层线圈可相互配合工作，实现双精度设计。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述内层线圈和外层线圈可独立工作，实现冗余设计。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述耐压壳组件由奥氏体不锈钢制成。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述耐压壳组件的底部通过螺纹连接可拆卸密封安装在压力容器顶盖的crdm管座上。

作为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的一种改进，所述棒位探测器组件外侧设有外罩，外罩支撑于所述线圈组件上。

相对于现有技术，本发明核电站反应堆控制棒驱动机构具有以下优点：

1)耐压壳一体化设置，无焊缝，可减少反应堆冷却剂泄漏的可能，也无需开展在役检查，减少了运行维修工作量；

2)耐压壳组件与crdm管座之间通过螺纹环可拆卸连接，密封环可利用介质压力实现自紧密封，密封可靠，结构简单，拆卸方便快捷，可减少维修人员的更换时间和受辐照剂量；

3)采用双齿钩爪结构可提高钩爪的耐磨性，延长crdm的运行寿命；

4)通过优化crdm步长、增大线圈匝数、采用高强度奥氏体不锈钢(如06cr18ni11nb)制备一体化耐压壳、使用薄壁钢外罩，可降低线圈工作电流，降低线圈组件的发热量，使得线圈组件无需通风冷却，简化了堆顶结构，提高了核电站的经济性；

5)采用双精度棒位探测器组件，有效提升了棒位探测的测量精度和准确性，扩大了棒位探测范围，增加了冗余设计，有助于实现核电站反应堆功率的精确控制，保证核电站的安全运行。

6)钩爪组件从耐压壳组件底部装拆，可降低对操作人员产生辐照伤害风险。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电站反应堆控制棒驱动机构及其技术效果进行详细说明。

图1为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的结构示意图。

图2为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的耐压壳组件与crdm管座的安装示意图。

图3为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的耐压壳组件与crdm管座的组装示意图。

图4为图3中圆圈部a的局部放大示意图。

图5a至图5c为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构中密封环的不同实施方式的结构示意图。

图6为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的钩爪组件的结构示意图。

图7为图6中圆圈部b的局部放大示意图。

图8为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的线圈组件的结构示意图。

图9为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的棒位探测器的结构示意图。

图10为本发明核电站反应堆控制棒驱动机构的外罩的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

请参照图1至10所示，本发明核电站反应堆控制棒驱动机构包括耐压壳组件100、钩爪组件200、驱动杆组件300、线圈组件400和棒位探测器组件500，其中，耐压壳组件100为一体化壳体，顶部为盲管结构，底部通过螺纹连接可拆卸密封安装在压力容器顶盖的crdm管座上。

请参照图1至图5所示，耐压壳组件100为一体化壳体，无焊接结构。耐压壳组件100的顶部为盲管结构，底部安装在压力容器顶盖crdm管座700上。在图示实施方式中，耐压壳组件100和压力容器顶盖crdm管座700采用螺纹环102连接实现可拆卸密封连接，螺纹环102通过螺纹旋在crdm管座700上，将耐压壳组件100压紧在crdm管座700上，采用两个c型密封环103密封，形成了可拆密封连接。c型密封环103表面镀银，可提高其密封性。

当螺纹环102拧紧时，c型密封环103受压缩，建立初始密封；耐压壳组件100内压上升后，耐压壳组件100与crdm管座700之间有脱开的趋势，c型密封环103也在内压的作用下向外张开，实现自锁密封，使得密封效果更加可靠。在图示实施方式中，c型密封环103有两个，分为内圈密封环和外圈密封环，当内圈密封环失效时，外圈密封环同样能够达到密封效果，实现双保险。

请特别参照图5a至图5c、图7所示，根据本发明的其他实施方式，密封环也可以是弹簧c型密封环104(c型金属环内部有弹簧，在受压缩时，弹簧对c型金属环有反向作用力，辅助c型金属环104实现密封，c型金属环外表面镀银)，或设有穿孔的o型密封环105(由金属小圆管制成，外表面镀银，环的内侧钻有若干小孔，由于管内压力随介质压力的增高而增高，也可实现自紧密封)。

请参照图6和图7所示，钩爪组件200是crdm的运动执行组件，由上下两套钩爪运动副组成，通过两套运动副的有序配合实现crdm动作。在图示实施方式中，钩爪组件200自耐压壳组件100底部装入，安装在耐压壳组件100内。钩爪组件200下端通过底部的限位螺母211支承于压力容器顶盖的crdm管座700上，上端通过提升磁极201的外径与耐压壳100的内径的配合关系实现径向定位，上端轴向无约束，以保证其在高温下能自由膨胀。

在图示实施方式中，钩爪组件200的套管轴202是组件的支承轴，其上端用螺纹连接到提升磁极201上，下端用螺纹连接到限位螺母211上，其内孔为驱动杆部件300提供通道和导向。套管轴202上装配的各零件可分为3个次组件，分别为3个“电磁铁”的铁芯组件。

“提升电磁铁”的铁芯组件包括提升磁极201、提升衔铁203上段及两者之间的缓冲片、隔磁片、提升弹簧等零件。

“移动电磁铁”的铁芯组件包括提升衔铁203下段、隔磁片、移动弹簧、移动衔铁204、缓冲轴205以及3组钩爪206与连杆207组成的子组件等。

“固定电磁铁”的铁芯组件包括固定磁极208、隔磁片、固定弹簧、固定衔铁209、固定钩爪支撑筒210以及3组钩爪213与连杆214组成的子组件等。

在crdm安装到顶盖上之前，钩爪组件200通过底部的三个螺栓212固定在耐压壳100内部，然后将一体化耐压壳100和钩爪组件200一起吊装在crdm管座700上。当钩爪组件200安装到压力容器顶盖上之后，钩爪组件200通过限位螺母211支承于压力容器顶盖的crdm管座700上，并被耐压壳100内部的凸台压紧。拆卸时，将耐压壳100与钩爪组件200一起吊出，钩爪组件200保留在耐压壳100内部。

在图示实施方式中，钩爪组件200采用双齿钩爪206结构，每个钩爪上设置两个钩爪齿，以增加钩爪的耐磨性，从而提升crdm运行寿命。

请参照图1所示，驱动杆部件300包括驱动杆、可拆接头、拆卸杆、弹簧等零件(未图示)。

驱动杆组件300位于耐压壳组件100内部，穿过钩爪组件200，其下端通过可拆接头与控制棒组件相连。一体化耐压壳100为驱动杆部件300提供了上、下运动的空间。驱动杆组件300从钩爪组件200的套管轴202内孔穿过，驱动杆上均布环形齿，与钩爪组件200中的两套钩爪组件配合，在一体化耐压壳100内上、下移动，实现控制棒组件的提升与下插。

请参照图8所示，线圈组件400套装在耐压壳100的下部，其包括3个电磁线圈403、404、405、磁轭402和引接线，以及导线管401。线圈组件400的电磁线圈403、404、405和磁轭402与钩爪组件200对应的铁芯组件共同形成3个“电磁铁”，从上到下分别是“提升电磁铁”、“移动电磁铁”和“固定电磁铁”，其作用过程如下：

提升线圈403通电激磁，使提升衔铁202吸合，带动移动钩爪206提升一个步距；去磁使提升衔铁202打开，带动移动钩爪206复位。

移动线圈404通电激磁，使移动衔铁204吸合，带动连杆207向上移动，使移动钩爪206摆入驱动杆环形槽中，与驱动杆环形齿啮合；去磁使移动衔铁204打开，带动连杆207下降，使移动钩爪206摆出驱动杆环形槽，与驱动杆环形齿脱离啮合。

固定线圈405通电激磁，使固定衔铁209吸合，带动连杆214向上移动，使固定钩爪213摆入驱动杆环形槽中，与驱动杆环形齿啮合；去磁使固定衔铁209打开，带动连杆214下降，使固定钩爪213摆出驱动杆环形槽，与驱动杆环形齿脱离啮合。

请参照图9所示，棒位探测器组件500套装在耐压壳100的上部，并支撑于耐压壳100的台阶面上。棒位探测器组件500用于探测控制棒组件在堆芯的实际位置，在全行程落棒时还可以用于测量控制棒组件的落棒时间。

在图9所示的实施方式中，棒位探测器组件500设有定位套筒502、位于定位套筒502中靠近内侧的内层线圈504，和位于定位套筒502中靠近外侧的外层线圈506。内层线圈504和外层线圈506采用格雷码信号输出形式，内层线圈504、外层线圈506单独工作，实现双精度冗余设计，在步长不变的情况下测量精度可达±3步。当内层线圈504、外层线圈506有一个不能正常工作时，另一个线圈可独立工作，测量精度为±6步。现有技术的棒位探测器组件500只有单层线圈，测量精度为±4步。相对于现有技术，本发明中，棒位探测器组件500可提高棒位探测的测量精度和准确性，扩大棒位探测范围，增加了冗余设计，有助于实现核电站反应堆功率的精确控制，保证核电站的安全运行。

请参照图1和图10所示，外罩600为圆柱形结构，设置于棒位探测器组件500的外侧并支撑于线圈部件400上，在图示实施方式中，外罩600由薄钢板制作而成。

在图示实施方式中，外罩600采用薄壁钢制成，具有“烟囱效应”，可加快薄壁钢外罩600内部的气体流动，通过自然循环，带走线圈组件400产生的热量，降低线圈表面的温度。

需要指出的是，现有技术中，由于线圈组件400发热量大(提升线圈303发热量最大)，而线圈所能承受的最大温度有限值，因此需要冷却通风结构。

为了减小线圈组件400的发热量，取消冷却通风设备，本发明适当减小提升衔铁203的气隙(步长)，将步长调整到11～15mm。如此设置，可以降低衔铁吸合所需电磁力，降低线圈组件400中所需电流。此外，本发明还可以通过增大线圈匝数，在输出同样电磁力的情况下，降低线圈组件中所需电流。

此外，本发明的一体化耐压壳组件100的材料为高强度奥氏体不锈钢，当所选材料为06cr18ni11nb时，340℃时，材料的基本许用应力强度为131mpa，大于现有技术中的材料022cr19ni10n的基本许用应力强度111mpa，可以将线圈组件400与钩爪组件200间的耐压壳做的更薄，最小壁厚可由11.2mm降为9.4mm，从而减小奥氏体不锈钢对线圈组件400的磁阻，在提供同样大电磁力的情况下，降低线圈组件400中所需电流。

通过以上方式，当步长调整为12mm，线圈匝数增大40％时，提升线圈303所需电流可以降低60％，从而大幅度降低了线圈组件400发热量，不再需要外加冷却通风设备，简化了反应堆堆顶结构。

结合以上本发明具体实施方式的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明核电站反应堆控制棒驱动机构至少具有以下优点：

1)耐压壳100一体化设置，无焊缝，可减少反应堆冷却剂泄漏的可能，也无需开展在役检查，减少了运行维修工作量；

2)耐压壳组件100与crdm管座700之间通过螺纹环102可拆卸连接，密封环103可利用介质压力实现自紧密封，密封可靠，结构简单，拆卸方便快捷，可减少维修人员的更换时间和受辐照剂量；

3)采用双齿钩爪206结构可提高钩爪的耐磨性，延长crdm的运行寿命；

4)通过优化crdm步长、增大线圈匝数、采用稳定化奥氏体不锈钢06cr18ni11nb制备一体化耐压壳100、使用薄壁钢外罩600，可降低线圈工作电流，降低线圈组件400的发热量，使得线圈组件400无需通风冷却，简化了堆顶结构，提高了核电站的经济性；

5)采用双精度棒位探测器组件500，有效提升了棒位探测的测量精度和准确性，扩大了棒位探测范围，增加了冗余设计，有助于实现核电站反应堆功率的精确控制，保证核电站的安全运行；

6)钩爪组件200从耐压壳组件100底部装拆，可降低对操作人员产生辐照伤害风险。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。