反应堆控制棒驱动机构

1.本发明涉及一种反应堆控制棒驱动机构。


背景技术：

2.随着我国能源需求激增，能源缺口愈加扩大，干净、安全、高效率的先进核能是解决我国能源问题的有效方案，大力发展核能也是未来我国能源结构调整和优化的重要方向。反应堆是使原子核裂变反应能够有控制地持续进行的设备。控制棒驱动机构是反应堆重要的安全设备，主要由驱动机构和控制棒组成，在反应堆正常工况下通过操纵控制棒在堆芯的位置来实现正常工况下的反应堆启动、功率调节、功率补偿和停堆；在反应堆事故工况下，控制棒驱动机构断电，控制棒靠自重在规定时间内快速插入堆芯，实现反应堆的紧急停闭。
3.钠冷快堆cefr及早期的压水堆采用丝杠-螺母副作为控制棒驱动机构，德国的avr球床高温气冷实验堆采用齿轮齿条驱动形式，ap1000采用磁力提升，这几种驱动机构特点是控制精度高，但不适用于高温环境，且加工制造及组装难度大，需要足够大的竖直安装空间，且无法实现速度可调。同时，控制棒在跌落过程中冲击较大，且多采用液态缓冲，该缓冲方式并不适用于高温、气态工况。
4.近年来，小型模块式反应堆以其紧凑的设计、高固有安全性、灵活多变的应用场景使其成为核反应堆领域的研发热点，被考虑用于满足一些特殊领域的能源供给。传统的驱动机构多为钢性传动，需要较大的安装空间，且在高温气态环境下无法提供可重复多次使用的缓冲装置，针对安装空间受限的问题及高温环境的使用工况，传统的驱动机构并不适用，因此有必要提出一种新型的控制棒驱动机构。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中反应堆控制棒驱动机构占用竖直空间较大、转速不可调、控制棒跌落时缓冲效果不佳、不适用于高温环境的缺陷，提供一种反应堆控制棒驱动机构，该反应堆控制棒驱动机构具有占用竖直空间较少、转速可调、控制棒运动平稳、减少控制棒跌落冲击、适用于高温环境等优点。
6.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
7.本发明提供一种反应堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述驱动机构包括：
8.卷筒组件，所述卷筒组件上缠绕有牵引绳，所述牵引绳与控制棒相连；所述卷筒组件中设有卷筒；
9.驱动模块，所述驱动模块与所述卷筒组件相连并带动所述卷筒旋转；
10.滚珠丝杠，所述滚珠丝杠水平贯穿所述卷筒，所述卷筒绕所述滚珠丝杠旋转；所述滚珠丝杠上设有螺母，所述螺母固定在所述卷筒上；所述螺母随所述卷筒转动，所述螺母与所述滚珠丝杠之间通过螺纹配合；
11.定位轴，所述定位轴与所述滚珠丝杠相接且与所述滚珠丝杠共轴；
12.所述卷筒上设有定位槽，所述定位槽为螺旋形且环绕所述卷筒的转动轴线，所述牵引绳排列在所述定位槽内。
13.在本技术方案中，驱动模块带动卷筒旋转，使得牵引绳随卷筒旋转而运动，带动控制棒升降，并可通过控制卷筒旋转速度调节控制棒运动速度；螺母在滚珠丝杠上转动时带动卷筒沿滚珠丝杠的轴线方向做水平运动，与螺旋形的定位槽配合，使得牵引绳始终保持竖直，防止牵引绳缠绕，保持控制棒运动始终处于平稳状态。
14.较佳地，所述卷筒组件还包括第一转动轮、第二转动轮和导柱；所述驱动模块与所述第一转动轮相连；所述导柱的一端与所述第一转动轮相连，另一端伸入所述卷筒并与所述第二转动轮相连；所述第一转动轮和第二转动轮与所述卷筒共轴。
15.在本技术方案中，第一转动轮通过导柱带动第二转动轮和卷筒转动，导柱固定在第一转动轮与第二转动轮之间，使得导柱无法在水平方向上相对运动，稳定传递转动。
16.较佳地，所述导柱的数量为三根，且均匀分布在所述卷筒的周向上。
17.在本技术方案中，多根导柱均匀分布在卷筒上，使得转动均匀传递到卷筒上，带动卷筒平稳转动。
18.较佳地，在所述卷筒的内部与所述导柱相接处设有轴承。
19.在本技术方案中，设置轴承使得卷筒运动时的摩擦减小，从而使得卷筒的水平运动平稳顺畅。
20.较佳地，所述驱动模块包括传动组件和动力组件；所述传动组件与所述卷筒共轴且相连；所述动力组件与所述传动组件相连。
21.在本技术方案中，传动组件带动卷筒旋转，且与卷筒处于同一水平面上，节省了竖直方向上的安装空间。
22.较佳地，所述传动组件为电磁离合器，所述电磁离合器包括定子和左转子、右转子，所述左转子与所述动力组件相连，所述右转子与所述卷筒组件相连；
23.当所述电磁离合器通电时，所述左转子与所述右转子相连；当所述电磁离合器断电时，所述左转子与所述右转子断开。
24.在本技术方案中，电磁离合器连接动力组件和卷筒组件，电磁离合器断电时控制棒即因为自重下落，从而实现紧急落棒。
25.较佳地，所述卷筒组件还包括缓冲组件，所述缓冲组件设置在所述滚珠丝杠上，所述缓冲组件位于所述控制棒紧急落棒时，所述螺母的水平运动所指向的所述滚珠丝杠的一端，所述滚珠丝杠贯穿所述缓冲组件；
26.所述缓冲组件面向所述螺母的一侧设有接触面，所述控制棒紧急落棒时，所述螺母与所述接触面抵接；
27.所述滚珠丝杠上设有台阶面，所述滚珠丝杠在所述台阶面的远离所述缓冲组件的一端的直径大于接近所述缓冲组件的一端的直径；所述缓冲组件不与所述螺母抵接时即与所述台阶面相接触，并对所述滚珠丝杠施加向远离所述缓冲组件的方向的力。
28.在本技术方案中，控制棒紧急落棒时螺母与缓冲组件接触，缓冲组件向螺母施加与运动方向相反的力，缓冲卷筒的冲击力，避免卷筒损坏。
29.较佳地，所述缓冲组件的内部沿水平方向依次设有端盖、弹簧、推力轴承和挡圈；所述弹簧的一端抵接在所述端盖上，另一端抵接在所述推力轴承上；所述推力轴承位于所
述挡圈与所述弹簧之间，所述推力轴承的下环安装在所述挡圈的内孔中；所述挡圈位于所述缓冲组件接近所述螺母的一端，伸出所述缓冲组件。
30.在本技术方案中，控制棒紧急落棒时挡圈与螺母接触，使得弹簧被压缩，从而起到对卷筒的缓冲作用；推力轴承将挡圈与弹簧隔开，并带动挡圈随螺母一同旋转，避免了螺母与挡圈之间摩擦锁死。
31.较佳地，所述卷筒的端面设有压紧套，所述压紧套与所述卷筒相连；所述压紧套内设有弹性元件和小球，所述弹性元件的一端与所述小球相连，另一端与所述压紧套相连；所述缓冲组件上开有止动槽，当所述卷筒运动至紧急落棒时的水平方向极限位置时，所述小球落入所述止动槽内。
32.在本技术方案中，卷筒运动至紧急落棒时的极限时，小球与止动槽配合对卷筒造成一定阻力，避免缓冲组件推动卷筒急剧反弹损坏卷筒。
33.较佳地，所述驱动机构还包括压辊组件，所述压辊组件位于所述卷筒的侧上方，所述压辊组件包括压辊，所述压辊与所述牵引绳相接触。
34.在本技术方案中，压辊与牵引绳接触，将牵引绳压在卷筒上，避免牵引绳缠绕堆积。
35.较佳地，所述压辊数量为两个，两个所述压辊与所述滚珠丝杠相平行，分别压在所述卷筒的两侧。
36.在本技术方案中，两个平行的压辊使得卷筒运动时，牵引绳始终与卷筒间保持接触，同时确保牵引绳不会脱出定位槽。
37.较佳地，所述驱动机构还包括导向组件，所述导向组件位于所述卷筒与所述控制棒之间，所述牵引绳穿过所述导向组件；所述导向组件包括第一导向轮、第二导向轮和限位柱；所述第一导向轮的安装位置高于所述第二导向轮；所述第一导向轮和所述第二导向轮上开有导向槽，所述牵引绳在所述导向槽中运动；所述限位柱位于所述第二导向轮上方，与所述牵引绳接触。
38.在本技术方案中，牵引绳穿过导向组件，使得牵引绳在卷筒与控制棒间也始终保持竖直绷紧，避免牵引绳运动出现偏差。
39.较佳地，所述驱动机构还包括棒位测量组件，所述棒位测量组件与所述卷筒组件相连；所述测量组件包括相位角测量装置，所述相位角测量装置固定在支座上，与所述卷筒组件间通过齿轮副联动，随同所述卷筒旋转。
40.在本技术方案中，可通过设定的传动比，依据相位角测量装置随卷筒旋转时的旋转角度，计算卷筒的旋转角度，通过输出测得的相位角变化即可测得卷筒运动状况。
41.较佳地，所述驱动机构还包括支撑筒，所述支撑筒位于所述卷筒的下方，所述支撑筒中空，所述牵引绳竖直伸入所述支撑筒并在所述支撑筒中上下运动，带动所述控制棒在所述支撑筒内部升降。
42.在本技术方案中，支撑筒限制了牵引绳和控制棒运动方向，使其只能沿竖直方向上下运动。
43.较佳地，所述支撑筒内设有缓冲器，所述缓冲器固定在所述支撑筒底部。
44.在本技术方案中，控制棒紧急落棒时与缓冲器相接触，从而缓冲紧急落棒带来的冲击。
45.较佳地，所述驱动机构还包括单向飞轮组件，所述单向飞轮组件与所述卷筒相连，并随所述卷筒转动。
46.在本技术方案中，卷筒紧急落棒时的大部分动能传递至单向飞轮组件，而当卷筒复位时，传递至单向飞轮组件的动能被消耗，大大降低卷筒获得的动能，避免控制棒急剧上升。
47.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
48.本发明的积极进步效果在于：
49.上述反应堆控制棒驱动机构，通过驱动模块与卷筒的水平布置，使得占用的竖直安装空间较少；通过卷筒与滚珠丝杠的配合，使得卷筒转速可调、控制棒运动平稳；通过设置纯机械结构的缓冲器和缓冲组件，减少控制棒跌落冲击，且使驱动机构适用于高温环境。
附图说明
50.图1为本发明实施例的反应堆控制棒驱动机构的结构示意图。
51.图2为本发明实施例的反应堆控制棒驱动机构的爆炸图。
52.图3为本发明实施例的反应堆控制棒驱动机构的局部剖视图。
53.图4为图3所示的驱动机构的传动组件的剖视图。
54.图5为图3所示的驱动机构的卷筒组件的剖视图。
55.图6为图3所示的驱动机构的压辊组件的结构示意图。
56.图7为图3所示的驱动机构的导向组件的结构示意图。
57.图8为图3所示的驱动机构的测量组件的结构示意图。
58.附图标记说明
59.驱动模块1，动力组件11，传动组件12，左转子121，右转子122，定子123；
60.卷筒组件2，卷筒21，定位槽211，第一转动轮22，第二转动轮23，导柱24，滚珠丝杠25，台阶面251，螺母26，定位轴27，缓冲组件28，端盖281，弹簧282，推力轴承283，挡圈284，止动槽285，接触面286，压紧套29，弹性元件291，小球292；
61.压辊组件3，压辊31；
62.导向组件4，第一导向轮41，第二导向轮42，限位柱43，导向槽44；
63.测量组件5，相位角测量装置51；
64.支撑筒6，缓冲器61；
65.单向飞轮组件7；
66.牵引绳8；
67.控制棒9。
具体实施方式
68.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
69.如图1至图3所示为本发明反应堆控制棒驱动机构的实施例。该反应堆控制棒驱动机构包括驱动模块1，卷筒组件2，滚珠丝杠25和定位轴27；卷筒组件2上缠绕有牵引绳8，牵
引绳8与控制棒9相连；卷筒组件2中设有卷筒21；驱动模块1与卷筒组件2相连并带动卷筒21旋转；滚珠丝杠25水平贯穿卷筒21，卷筒21绕滚珠丝杠25旋转；滚珠丝杠25上设有螺母26，螺母26固定在卷筒21上；螺母26随卷筒21转动，螺母26与滚珠丝杠25之间通过螺纹配合；定位轴27与滚珠丝杠25相接且与滚珠丝杠25共轴；卷筒21上设有定位槽211，定位槽211为螺旋形且环绕卷筒21的转动轴线，牵引绳8排列在定位槽211内。驱动模块1带动卷筒21旋转，使得牵引绳8随卷筒21旋转而运动，带动控制棒9升降，并可通过控制卷筒21旋转速度调节控制棒9运动速度；螺母26在滚珠丝杠25上转动时带动卷筒21沿滚珠丝杠25的轴线方向做水平运动，与定位槽211配合，使得牵引绳8始终保持竖直，防止牵引绳8缠绕，保持控制棒9运动始终处于平稳状态。
70.卷筒组件2还包括第一转动轮22、第二转动轮23和导柱24；驱动模块1与第一转动轮22相连；导柱24的一端与第一转动轮22相连，另一端伸入卷筒21并与第二转动轮23相连；第一转动轮22和第二转动轮23与卷筒21共轴。第一转动轮22通过导柱24带动第二转动轮23和卷筒21转动；导柱24固定在第一转动轮22与第二转动轮23之间，使得导柱24无法在水平方向上相对运动，稳定传递转动。
71.导柱24的数量为三根，且均匀分布在卷筒21的周向上，使得转动均匀传递到卷筒21上，带动卷筒21平稳转动。
72.卷筒21的内部与导柱24相接处设有轴承，使得卷筒21运动时的摩擦减小，从而使得卷筒21的水平运动平稳顺畅。
73.驱动模块1包括传动组件12和动力组件11；传动组件12与卷筒21共轴且相连；动力组件11与传动组件12相连。传动组件12带动卷筒21旋转，且与卷筒21处于同一水平面上，节省了竖直方向上的安装空间。
74.如图4所示，传动组件12为电磁离合器，电磁离合器包括定子123和左转子121、右转子122，左转子121与动力组件11相连，右转子122与卷筒组件2相连；当电磁离合器通电时，左转子121与右转子122相连；当电磁离合器断电时，左转子121与右转子122断开。电磁离合器连接动力组件11和卷筒组件2，电磁离合器断电时控制棒9即因为自重下落，从而实现紧急落棒。
75.如图5所示，卷筒组件2还包括缓冲组件28，缓冲组件28设置在滚珠丝杠25上，缓冲组件28位于控制棒9紧急落棒时，螺母26的水平运动所指向的滚珠丝杠25的一端，滚珠丝杠25贯穿缓冲组件28；缓冲组件28面向螺母26的一侧设有接触面286，控制棒9紧急落棒时，螺母26与接触面286抵接；滚珠丝杠25上设有台阶面251，滚珠丝杠25在台阶面251的远离缓冲组件28的一端的直径大于接近缓冲组件28的一端的直径；缓冲组件28不与螺母26抵接时即与台阶面251相接触，并对滚珠丝杠25施加向远离缓冲组件28的方向的力。控制棒9紧急落棒时，螺母26与缓冲组件28接触，缓冲组件28向螺母26施加与运动方向相反的力，缓冲卷筒21的冲击力，避免卷筒21损坏。
76.缓冲组件28的内部沿水平方向依次设有端盖281、弹簧282、推力轴承283和挡圈284；弹簧282的一端抵接在端盖281上，另一端抵接在推力轴承283上；推力轴承283位于挡圈284与弹簧282之间，推力轴承283的下环安装于在挡圈284的内孔中；挡圈284位于缓冲组件28接近螺母26的一端，伸出缓冲组件28。控制棒9紧急落棒时挡圈284与螺母26接触，使得弹簧282被压缩，从而起到对卷筒21的缓冲作用；推力轴承283将挡圈284与弹簧282隔开，并
带动挡圈284随螺母26一同旋转，避免螺母26与挡圈284之间摩擦锁死。
77.卷筒21的端面设有压紧套29，压紧套29与卷筒21相连；压紧套29内设有弹性元件291和小球292，弹性元件291的一端与小球292相连，另一端与压紧套29相连；缓冲组件28上开有止动槽285，当卷筒21运动至紧急落棒时的水平方向极限位置时，小球292落入止动槽285内。卷筒21运动至紧急落棒时的极限时，小球292与止动槽285配合对卷筒21造成一定阻力，避免缓冲组件28推动卷筒21急剧反弹损坏卷筒21。
78.如图6所示，驱动机构还包括压辊组件3，压辊组件3位于卷筒21的侧上方，压辊组件3包括压辊31，压辊31与牵引绳8相接触。压辊31与牵引绳8接触，将牵引绳8压在卷筒21上，避免牵引绳8缠绕堆积。
79.压辊31数量为两个，两个压辊31与滚珠丝杠25相平行，分别压在卷筒21的两侧。两个平行的压辊31使得卷筒21运动时，牵引绳8始终与卷筒21间保持接触，同时确保牵引绳8不会脱出定位槽211。
80.如图7所示，驱动机构还包括导向组件4，导向组件4位于卷筒21与控制棒9之间，牵引绳8穿过导向组件4；导向组件4包括第一导向轮41、第二导向轮42和限位柱43；第一导向轮41的安装位置高于第二导向轮42；第一导向轮41和第二导向轮42上开有导向槽44，牵引绳8在导向槽44中运动；限位柱43位于第二导向轮42上方，与牵引绳8接触，避免牵引绳8脱出导向槽44。牵引绳8穿过导向组件4，使得牵引绳8在卷筒21与控制棒9间也始终保持竖直绷紧，避免牵引绳8运动出现偏差。
81.如图8所示，驱动机构还包括棒位测量组件5，棒位测量组件5与卷筒组件2相连；棒位测量组件5包括相位角测量装置51，相位角测量装置51固定在支座52上，并随卷筒21一同旋转。可通过设定的传动比，依据相位角测量装置51随卷筒21旋转时的旋转角度，计算卷筒21的旋转角度，通过输出测得的相位角变化即可测得卷筒21运动状况。
82.驱动机构还包括支撑筒6，支撑筒6位于卷筒21的下方，支撑筒6中空，牵引绳8竖直伸入支撑筒6并在支撑筒6中上下运动，带动控制棒9在支撑筒6内部升降。支撑筒6限制了牵引绳8和控制棒9运动方向，使其只能沿竖直方向上下运动。
83.支撑筒6内设有缓冲器61，缓冲器61固定在支撑筒6底部。控制棒9紧急落棒时与缓冲器61相接触，从而缓冲紧急落棒带来的冲击。
84.驱动机构还包括单向飞轮组件7，单向飞轮组件7与卷筒21相连，并随卷筒21转动。卷筒21紧急落棒时的大部分动能传递至单向飞轮组件7，而当卷筒21复位时，传递至单向飞轮组件7的动能被消耗，大大降低卷筒21获得的动能，避免控制棒9急剧上升。
85.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。