CN101872650B - 用于核反应堆紧急落棒的磁控连接件及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于核反应堆异常升温时紧急落棒、实现非能动停堆的磁控连接件及其制备方法和应用，该磁控连接件安装在驱动机构1和控制棒3之间，包括通过磁性吸合力连接的上连接件2a和下连接件2b，上连接件2a与驱动机构1相连，下连接件2b与控制棒3相连，其中上连接件2a是Sm(Co，Fe)基温度感知合金制备的永磁体，下连接件2b是Fe(Co，Ni)基居里点合金制备的软磁体，根据核反应堆的实际工作状况调整上、下连接件的成分，得到所需的吸合力和下连接件的居里点温度。当反应堆异常温度超过Fe(Co，Ni)基材料的居里点时，下连接件失去磁性，上下连接件相互断开，控制棒由于自身的重力作用而下落。

Description

用于核反应堆紧急落棒的磁控连接件及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于用于核反应堆的紧急保护装置及其制备方法和应用，特别是一种用于核反应堆异常升温时紧急落棒、实现非能动停堆的磁控连接件及其制备方法和应用。

背景技术

核反应堆常规的能动停堆系统，理论上通过机械、电气或者操作员的动作，均可实现异常或者事故工况下安全停堆的目的。系统输入一个电信号，使得控制棒驱动机构的电磁线圈断电，控制棒脱落，实现对反应堆的控制；或者通过人的操作实现对反应堆的控制。但是这些方式都是能动的，依赖于外在动力或者人工操作，需要一定的响应时间，而且有一定的失效可能性。

目前，中国实验快堆具备两套独立的停堆系统：第一停堆系统的功能包括安全停堆、功率调节、温度及燃耗补偿、以及换料和其它因素所引起的反应性偏差的补偿；第二停堆系统的功能是安全停堆。两套停堆系统都满足卡棒准则：即当每套系统中价值最大的一根控制棒组件被卡住时，两系统中任何一套系统都能使反应堆从任何工况停到热停堆状态(360℃)。两套停堆系统能使反应堆停到冷停堆状态，并保持足够的停堆深度。中国实验快堆共设有两种控制棒驱动机构。一种用来驱动安全棒，另一种用来驱动补偿棒和调节棒，每一根控制棒由一个单独的驱动机构来驱动。可见，控制棒的可靠插入很大程度上依赖于具有能动性质的控制保护系统的正常响应或运行人员的正确操作。尽管事故概率极其低，但控制系统故障或运行人员误操作的可能性在核电站还是不能完全排除。尤其是当出现未能实现停堆的预期瞬态时，比如无保护瞬时超功率、无保护失流、无保护失热阱。

为了克服上述现有技术存在的缺陷，降低核反应堆在异常或者事故工况下不能安全停堆核、造成反应堆异常升温时的概率，现提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于核反应堆异常升温时紧急落棒、实现非能动停堆的磁控连接件。

本发明的第二目的在于提供一种上述磁控连接件的制备方法。

本发明的第三目的在于提供一种上述磁控连接件用于核反应堆紧急落棒的方法。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于核反应堆紧急落棒的磁控连接件，所述磁控连接件安装在驱动机构1和控制棒3之间，该磁控连接件包括通过磁性吸合力连接的上连接件2a和下连接件2b，上连接件2a与驱动机构1相连，下连接件2b与控制棒3相连，其中：

上连接件2a是Sm(Co，Fe)基温度感知合金制备的永磁体，下连接件2b是Fe(Co，Ni)基居里点合金制备的软磁体，根据核反应堆的实际工作状况调整上、下连接件的成分，得到所需的吸合力和下连接件的居里点温度。

上连接件2a的居里点温度高于下连接件2b的居里点温度。

所述Sm(Co，Fe)基温度感知合金的化学成分按质量百分比为：Sm25-30％、Fe 5-14％、Cu 5-8％、Zr 1-4％、余量为Co。所述Fe(Co，Ni)基居里点合金的化学成分按质量百分比为：Co 0-40％、Ni 25-55％、Mn 0-2.0％、Cu 0-1.0％、余量为Fe。

Sm(Co，Fe)基温度感知合金体的居里点温度不小于820℃。Fe(Co，Ni)基居里点合金体的居里点温度为360℃-700℃。

上、下连接件为圆柱体，二者的吸合面直径相同，二者之间的吸合力为10-50kg。

一种制备如权利要求1所述的用于核反应堆紧急落棒的磁控连接件的方法，其中，包括如下步骤：

1)将所需成分的Sm(Co，Fe)基温度感知合金钢锭机械破碎为3-5μm的粉末，在1.8-2T磁场下成型，然后经过热处理得到上连接件毛坯；

2)将所需成分的Fe(Co，Ni)基居里点合金原料采用真空感应炉冶炼，经热处理、磁化、保温和冷却到300℃出炉，得到下连接件毛坯；

3)根据驱动棒的尺寸和上下连接件之间所需的吸合力以及环境温度，理论计算出上、下连接件的设计尺寸，根据设计尺寸分别将上述毛坯加工为上、下连接件；

4)将上连接件在7特斯拉以上脉冲磁场下饱和充磁，将上下连接件通过磁力吸合在一起就得到用于核反应堆紧急落棒的磁控连接件。

该制备方法具体包括：

1)制备上连接件毛坯：

a)将所需成分的永磁体的钢锭，通过机械破碎为0.5-1.0mm大小的颗粒；

b)采用湿法或干法将所述颗粒破碎为3-5μm的粉末；

c)将所述粉末在1.8-2T磁场下成型后经热处理工艺制得合金毛坯；

d)将合金毛坯加工出合金体形状后，用7特斯拉以上脉冲磁场饱和充磁；

2)制备下连接件毛坯：

a)采用真空感应炉将软磁体的钢锭在800-1100℃热处理2-6h；

b)然后施加1000-2000A/m的磁场，并以50-80℃/h的速度冷却到700-750℃保温2-3h；

c)最后以150-200℃/h的速度冷却到300℃后出炉。

所述Sm(Co，Fe)基温度感知合金体的化学成分按质量百分比为：Sm25-30％、Fe 5-14％、Cu 5-8％、Zr 1-4％、余量为Co。所述Fe(Co，Ni)基居里点合金体的化学成分按质量百分比为：Co 0-40％、Ni 25-55％、Mn0-2.0％、Cu 0-1.0％、余量为Fe。

一种上述磁控连接件用于核反应堆紧急落棒的方法，其磁控上下连接件能针对不同类型核反应堆的安全温度点，在设定的安全温度点相互断开，控制棒由于自身的重力作用而下落的温度点在360℃-560℃范围内。

本发明所得到的用于非能动停堆的电磁连接组件不依赖人工操作或外在动力即可实现安全停堆，降低了响应时间并减小了失效的可能性，提高了核反应的安全性。本发明通过高使用温度Sm(Co，Fe)基温度感知强磁材料以及高耐蚀、高使用温度Fe(Co，Ni)基居里点合金材料成分设计和制备方法的创新，根据实际工作状况合理的选择两种材料的体积比和设计形状，制造出反应堆异常升温时能在所设定的温度点(如450℃、500℃、550℃等)紧急落棒的智能磁性组件。当反应堆异常时，连接对感知到周围冷却剂温度的异常升高，当温度超过Fe(Co，Ni)基材料的居里点时，下连接件失去磁性，上下连接件相互断开，控制棒由于自身的重力作用而下落。该装置不依赖任何外力或者运行人员操作就能实现异常或事故情况下核反应堆的安全停堆。与传统的能动停堆系统相比，该系统能有效降低异常或事故情况下由于机械或电气故障，或操作员的误判所带来的核反应堆不能安全停堆的概率。

附图说明

图1为本发明得到的磁控连接组件示意图。

图2为本发明得到的Sm(Co，Fe)基温度感知合金体经过516℃处理后的磁通变化曲线。

图3为本发明得到的上、下连接件间吸合力与上、下连接件直径关系的曲线图。

附图标号

1   驱动机构        2a   上连接件

2b  下连接件        3    控制棒

4   堆芯燃料

具体实施方式

针对核电站极端环境下非能动停堆装置中的控制棒驱动杆磁性连接件的设计要求，本发明涉及一种用于非能动停堆的电磁连接组件及其制备和应用，其提供一种高耐蚀性能和高使用温度的Fe(Co，Ni)基居里点合金材料和Sm(Co，Fe)基温度感知材料构成的智能电磁连接组件及其制备和应用。

根据本发明的目的，其技术方案的原理为：在控制棒3和驱动机构1之间增加一对连接组件，其由上、下连接件2a、2b组成，上连接件2a由Sm(Co，Fe)基温度感知材料制成，下连接件2b由Fe(Co，Ni)基居里点合金制成。上连接件2a为永磁材料，提供磁场源，下连接件2b为软磁材料，借助其高剩磁为上、下连接件2a、2b提供强的吸合力。通过调整连接对的尺寸可调控吸合力的大小。当反应堆正常工作时，上、下连接件2a、2b紧密吸合，并保持吸合的状态。当事故状况出现，反应堆冷却剂温度异常升高，连接组件感知到周围冷却剂温度的异常升高，当温度达到下连接件2b(Fe(Co，Ni)基居里点合金)的居里点温度时，靠磁力连接的居里点合金丧失磁性，从而与上连接件2a自动断开，即与居里点合金相连的控制棒3在重力作用下自动插入堆芯，从而保证反应堆在异常或者事故工况下安全停堆，达到非能动停堆的效果，确保核电站安全。该装置不依赖任何外力或者运行人员操作就能实现异常或事故情况下核反应堆的安全停堆。与传统的能动停堆系统相比，该系统能有效降低异常或事故情况下由于机械或电气故障，或操作员的误判所带来的核反应堆不能安全停堆的概率。

根据上述目的和工作原理，本发明所采用的具体技术方案是：首先，研制Fe(Co，Ni)居里点合金体和Sm(Co，Fe)基温度感知合金体。该Fe(Co，Ni)基居里点合金的组成成分(质量百分比)为：Co 5-40％、Ni 25-55％、Mn 0-2.0％、Cu 0-1.0％、余为Fe。这里要求核反应堆的安全工作温度上限是居里点合金磁性消失的温度，即这种软磁合金的居里点。制备上述居里点合金的方法是将一定成分配比的Fe(Co，Ni)居里点合金原料采用真空感应炉冶炼，将钢锭在800-1100℃热处理2-6h，然后施加1000-2000A/m的磁场，并以50-80℃/h的速度冷却到700-750℃保温2-3h，再以150-200℃/h的速度冷却到300℃出炉。

该Sm(Co，Fe)基温度感知合金的组成成分(质量百分比)为：Sm20-30％、Fe 5-15％、Cu 5-8％、Zr 1-4％，余为Co。本发明从多种永磁体中选择得到该Sm(Co，Fe)基温度感知合金，使得当反应堆异常升温超过某一设定温度点时，上连接件的温度感知合金的磁性能发生急剧变化，磁能积明显下降；而一般性能的永磁体在这个温度点磁能积缓慢下降，无法满足本发明的要求。该温度感知合金的制备方法是将一定成分比例的温度感知合金钢锭，先通过机械破碎为0.5-1.0mm大小的颗粒，再破碎为3-5μm的粉末，在1.8-2T磁场下成型，然后经过热处理工艺制得合金毛坯。其次，参考驱动机构1的尺寸和上、下连接件2a、2b之间所需的吸合力以及环境温度，理论计算出上、下连接件2a、2b的设计尺寸，根据设计尺寸分别加工居里点合金和温度感知合金材料。最后将上连接件2a(温度感知合金)在7T以上脉冲磁场下饱和充磁，将上、下连接件2a、2b通过磁力吸合在一起就得到非能动停堆装置中的智能磁性组件，而吸合力的大小可通过调整这两种材料的配比来实现。

本发明得到的用于非能动停堆的电磁连接组件是非能动停堆系统的中控制棒驱动杆磁性连接件的重要组成。其优点在于：通过高使用温度Sm(Co，Fe)基温度感知强磁材料以及高耐蚀、高使用温度Fe(Co，Ni)基居里点合金材料成分设计和制备方法的创新，根据实际工作状况合理的选择两种材料的体积比和设计形状，制造出反应堆异常升温时能在所设定的温度点(如450℃、500℃、550℃等)紧急落棒的智能磁性组件。

下面对本发明进一步说明：

实施例1

针对本发明Fe(Co，Ni)基居里点合金化学成分，采用上述制备工艺，制备了3批居里点合金，序号分别为#1、#2和#3。它们的成分和居里温度T_c列于表1。可见，通过成分的调整可以可到本发明中所述的居里点合金的居里温度。

表1本发明的Fe(Co，Ni)基居里点合金的成分和性能表

成分和性能序号

Co

Ni

Mn

Cu

Fe

居里温度Tc(℃)

#1

6.0

53.0

＜1.0

＜0.2

余

370±10

#2

-

48.0

＜1.0

＜0.2

余

500±10

#3

32.0

38.0

＜0.5

＜0.2

余

700±10

实施例2

针对本发明Sm(Co，Fe)基温度感知合金的化学成分，采用上述制备工艺，制备了2批温度感知合金，它们的成分和距离温度列于表2。运用磁通计测试温度感知合金在高温环境中的磁性衰减情况。图2为这2批温度感知合金经过516℃处理后的磁通变化。可见，在高温处理的开始阶段材料的磁性降低的很快，磁性能大概降低一半，然而，随着热处理时间的延长，材料的磁性降低较小。这说明温度感知合金可在516℃温度环境下长期工作。满足本发明提出的非能动停堆装置中的智能磁性组件的需求。

表2本发明的Sm(Co，Fe)基温度感知合金的成分和性能表

成分和性能序号	Sm	Fe	Cu	Zr	Co	居里温度(℃)
							1	25.0	12.0	8.0	3.0	余	≥830
2	27.0	8.0	6.0	2.5	余	≥830

实施例3

采用本发明制备的居里点合金和温度感知合金，理论计算得到的不同尺寸上下连接件之间的吸合力。上下连接件的磁性能分别材料500℃时的数据。上下连接件均为圆柱体，它们的高度均为50mm。图3为连接件的吸合力与圆柱体直径之间的关系。

Claims (11)

1.一种用于核反应堆紧急落棒的磁控连接件，所述磁控连接件安装在驱动机构(1)和控制棒(3)之间，该磁控连接件包括通过磁性吸合力连接的上连接件(2a)和下连接件(2b)，上连接件(2a)与驱动机构(1)相连，下连接件(2b)与控制棒(3)相连，其特征在于：

上连接件(2a)是Sm(Co，Fe)基温度感知合金制备的永磁体，下连接件(2b)是Fe(Co，Ni)基居里点合金制备的软磁体，根据核反应堆的实际工作状况调整上、下连接件的成分，得到所需的吸合力和下连接件的居里点温度；

其中，所述Sm(Co，Fe)基温度感知合金的化学成分按质量百分比为：Sm 25-30％、Fe 5-14％、Cu 5-8％、Zr 1-4％、余量为Co；

所述Fe(Co，Ni)基居里点合金的化学成分按质量百分比为：Co0-40％、Ni 25-55％、Mn 0-2.0％、Cu 0-1.0％、余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的磁控连接件，其特征在于：所述上连接件(2a)的居里点温度高于下连接件(2b)的居里点温度。

3.根据权利要求1所述的磁控连接件，其特征在于：Sm(Co，Fe)基温度感知合金体的居里点温度不小于820℃。

4.根据权利要求1所述的磁控连接件，其特征在于：Fe(Co，Ni)基居里点合金体的居里点温度为360℃-700℃。

5.根据权利要求1所述的磁控连接件，其特征在于：所述上、下连接件 (2a、2b)为圆柱体，二者的吸合面直径相同，二者之间的吸合力为10-50kg。

6.一种制备如权利要求1所述的用于核反应堆紧急落棒的磁控连接件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将所需成分的Sm(Co，Fe)基温度感知合金钢锭机械破碎为3-5μm的粉末，在1.8-2T磁场下成型，然后经过热处理得到上连接件毛坯；

2)将所需成分的Fe(Co，Ni)基居里点合金原料采用真空感应炉冶炼，经热处理、磁化、保温和冷却到300℃出炉，得到下连接件毛坯；

3)根据驱动棒的尺寸和上下连接件之间所需的吸合力以及环境温度，理论计算出上、下连接件的设计尺寸，根据设计尺寸分别将上述毛坯加工为上、下连接件；

4)将上连接件在7特斯拉以上脉冲磁场下饱和充磁，将上下连接件通过磁力吸合在一起就得到用于核反应堆紧急落棒的磁控连接件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

1)制备上连接件毛坯：

a)将所需成分的永磁体的钢锭，通过机械破碎为0.5-1.0mm大小的颗粒；

b)采用湿法或干法将所述颗粒破碎为3-5μm的粉末；

c)将所述粉末在1.8-2T磁场下成型后经热处理工艺制得合金毛坯；

2)制备下连接件毛坯：

a)采用真空感应炉将软磁体的钢锭在800-1100℃热处理2-6h；

b)然后施加1000-2000A/m的磁场，并以50-80℃/h的速度冷却到700-750℃保温2-3h；

c)最后以150-200℃/h的速度冷却到300℃后出炉。 

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述Sm(Co，Fe)基温度感知合金体的化学成分按质量百分比为：Sm 25-30％、Fe 5-14％、Cu 5-8％、Zr 1-4％、余量为Co。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述Fe(Co，Ni)基居里点合金体的化学成分按质量百分比为：Co 0-40％、Ni 25-55％、Mn 0-2.0％、Cu 0-1.0％、余量为Fe。

10.一种如权利要求1所述的磁控连接件用于核反应堆紧急落棒的方法。

11.根据权利要求10所述方法，其特征在于：所述磁控上下连接件能针对不同类型核反应堆的安全温度点，在设定的安全温度点相互断开，控制棒由于自身的重力作用而下落的温度点在360℃-560℃范围内。 

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