CN104269192A - 一种适用于液态金属冷却反应堆的控制落棒执行机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于液态金属冷却反应堆的控制落棒执行机构，包括电动机、电动机安装外壳管、可拆外壳管、电磁线圈安装外壳管、电磁线圈、传动杆、冷却套筒、传动部件、压簧、铁芯、钩爪驱动杆、钩爪和下落组件。在电磁线圈安装外壳管外部安装电磁线圈、冷却套筒，在内部采用压簧、铁芯、钩爪驱动杆及钩爪，实现紧急落棒。本发明结构简单，散热好，避免堆内环境的影响。
Description
技术领域
本发明属于液态金属冷却反应堆控制棒驱动系统技术领域，具体涉及一种适用于液态金属冷却反应堆的控制棒落棒机构。
背景技术
与热中子堆相比，快中子反应堆能够更加充分利用核燃料，另外可实现核燃料的增殖，以及嬗变核废料，因此成为未来先进核能技术的重要研究课题和发展方向。液态金属(如钠、铅/铅铋共晶合金等)具有熔点低、沸点高、载热效率高，中子慢化作用弱等突出优点，被选作快中子反应堆的主要冷却剂。液态金属冷却快堆的冷却剂堆芯出口温度高达550℃—800℃，远高于绝大多数压水堆电站的冷却剂温度(～320℃)，对反应堆系统设备提出了更高的要求。
在反应堆本体结构设备中，控制棒驱动机构是唯一的相对运动部件，也是反应堆的关键安全部件，其最重要的功能在于在停堆事故工况下，将控制棒组件迅速落入堆芯活性区，使反应堆迅速进入次临界而停堆。因此，研制适用于反应堆高温运行工况的落棒执行机构，对确保反应堆运行安全具有十分重要的意义。
目前，全世界范围内正在运行的液态金属冷却快堆主要采用电磁落棒执行机构，主要包括电磁离合器、电磁铁等。
中国实验快堆(CEFR)采用电磁离合器作为落棒执行机构，如图1所示。正常运行工况下，电磁离合器通电，步进电机电机轴的旋转运动通过中间轴、上部减速器和一对圆柱齿轮传动到电磁离合器的主动轴，并通过电磁离合器使其主动轴和从动轴间实现磁力连接，再通过另一传动轴与圆柱齿轮副将旋转运动传送给下部减速器。当下部减速器内的齿条轮转动时，便可带动带有主轴和控制棒的齿条作上、下直线移动。齿条上升时，加速弹簧被压缩以积蓄满足快速落棒要求的能量，一旦当接收到事故信号时，电磁离合器断电，电磁离合器的主动轴与从动轴脱开，从动轴与控制棒在自身重力和加速弹簧力联合作用下快速插入堆芯。
印度原型快中子增殖堆(PFBR)采用电磁铁作为落棒执行机构，如图2所示。正常工况下，步进电机将滚珠丝杠的旋转运动转化为螺母的轴向移动，螺母的下端与电磁铁固定在一起，电磁铁通电，其下端靠磁力与移动杆吸合，移动杆下端通过抓手与控制棒相连，从而实现控制棒组件的上、下直线运动。事故工况下，电磁铁断电，移动杆和控制棒组件在重力作用下快速插入堆芯。
由于正常工况条件下，电磁离合器或电磁铁需始终处于通电状态，因此将会产生巨大的热量，同时电磁落棒机构均布置在在控制棒驱动机构内部，正常工况下电磁落棒机构被电动机驱动而上下运动，给布线带来很大困难，更重要的是，散热较差，加之堆内的高温、辐照等恶劣环境共同作用，容易导致电磁线圈绝缘层损伤，从而引发非正常断电停堆事故。另外，电磁落棒机构内置，不便于进行检修或更换。
鉴于上述情况，目前需要对电磁落棒机构进行改进。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题，提供一种新型的落棒执行机构，既能满足紧急落棒停堆要求，又具有良好的散热性能；同时能够有效降低堆内高温、辐照环境对落棒执行机构的影响，并便于检修或更换。
本发明技术解决方案：一种适用于液态金属冷却反应堆的控制落棒执行机构，包括电动机1、电动机安装外壳管2、可拆外壳管3、电磁线圈安装外壳管4、电磁线圈5、传动杆6、冷却套筒7、传动部件8、压簧9、铁芯10、钩爪驱动杆11、钩爪12和下落组件13；
冷却套筒7包容整个电磁线圈5，整体套装在电磁线圈安装外壳管4上；铁芯10、压簧9、钩爪驱动杆11、钩爪12安装在电磁线圈安装外壳管4内部，其中压簧9位于铁芯10和传动部件8之间；
铁芯10是实现夹紧组件及落棒的执行部件，铁芯10通过螺纹或焊接方式与钩爪驱动杆11固定安装，在电磁力作用下带动钩爪驱动杆11提升或下降，实现钩爪12对下落组件13的夹紧和脱开；
钩爪驱动杆11是实现钩爪开合的执行部件，钩爪驱动杆11被铁芯10带动而上下运动，当钩爪驱动杆11提升至钩爪死区时，钩爪驱动杆11的末端操作头带动钩爪夹紧下落组件，反之，钩爪驱动杆回复原位时，钩爪脱开，实现落棒；
压簧9是控制钩爪驱动杆11运动行程的限制部件，压簧9的自由端9-2固定在铁芯上，固定端9-1固定在传动部件8上，电磁线圈5通电后，铁芯10被吸合，压簧9被压缩，防止铁芯10直接与传动部件8贴合碰撞；
电磁线圈5是整个落棒执行机构的动力源，电磁线圈5安装在电磁线圈安装外壳管4外；正常工况下，电磁线圈5通电，产生的磁力使铁芯10带动钩爪驱动杆11向上运动，压簧9的压缩量正好等于钩爪12到达下落组件13的抓取凹槽13-1内缘的位移，同时钩爪驱动杆11的末端操作头带动钩爪12夹紧下落组件13；钩爪12夹紧下落组件13后，电动机1驱动传动杆6，并带动传动部件8、压簧9、铁芯10、钩爪驱动杆11和钩爪12整体向下移动，直至钩爪12进入下落组件13的抓取凹槽13-1，并与抓取凹槽13-1外缘贴合，同时带动下落组件13上下运动，进入正常运行状态；停堆工况下，电磁线圈断电，压簧复位带动铁芯与钩爪驱动杆11向下运动，钩爪驱动杆11的末端操作头脱离钩爪12，使钩爪12失去约束，下落组件13在自身重力作用下脱离钩爪12而下落。
所述铁芯10通过螺纹或焊接方式与钩爪驱动杆11固定安装，铁芯10选材为导磁材料。
所述电磁线圈5设计高度大于并完全覆盖控制棒驱动机构的最大行程。
所述压簧9的压缩量被精确设计为等同于钩爪驱动杆11恰好提升到钩爪死区的位移量，防止钩爪驱动杆11提升过量而超出钩爪限制量程而导致设备失效。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用在控制棒驱动机构外壳管外部安装电磁线圈、冷却套筒，及在外壳管内部采用压簧、铁芯、钩爪驱动杆及钩爪的技术方案，在实现夹紧和脱开下落组件的同时，成功解决了液态金属冷却反应堆通用的电磁落棒执行机构存在安装维修不便，布线困难，散热差，以及容易受到堆内高温、辐照环境影响等问题。本发明工作原理简单，结构简洁，工作可靠性高。
附图说明
图1为本发明落棒停堆机构结构图；
图2为本发明落棒停堆机构夹紧下落组件过程图；
图3为本发明落棒机构在正常运行过程图；
图4为本发明落棒机构紧急落棒过程图
图中：1.电动机，2.电动机安装外壳管，3.可拆外壳管，4.电磁线圈安装外壳管，5.电磁线圈，6.传动杆，7.冷却套筒，8.传动部件，9.压簧，10.铁芯，11.钩爪驱动杆，12.钩爪，13.下落组件。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体结构和实施方式。
如图1所示，本发明一种适用于液态金属冷却反应堆的新型落棒执行机构，包括电磁线圈5、冷却套筒7、压簧9、铁芯10、钩爪驱动杆11、钩爪12。冷却套筒7包容整个电磁线圈5，整体套装在电磁线圈安装外壳管4上；铁芯10、弹簧9、钩爪驱动杆11、钩爪12安装在电磁线圈安装外壳管4内部，其中压簧9位于铁芯10和传动部件8之间，铁芯10通过螺纹或焊接方式与钩爪驱动杆11固定安装，钩爪12由钩爪驱动杆11上下运动而控制其开合；通过电磁线圈5通、断电而控制铁芯10、压簧9、钩爪驱动杆11的运动，从而使钩爪12夹紧或脱开下落组件13。
各组成部件的功能如下：
电磁线圈5是整个落棒机构的动力源。电磁线圈5安装在电磁线圈安装外壳管4外，并通过冷却套筒7进行冷却。电磁线圈5设计高度应大于并完全覆盖控制棒驱动机构的最大行程。正常工况下，电磁线圈5通电，在电磁线圈5内部产生轴向磁场，作为夹紧下落组件13的动力源；停堆工况下，电磁线圈5断电，则可实现落棒。
冷却套筒7：整体套装在电磁线圈安装外壳管4上，包容整个电磁线圈5，采用水冷、风冷或其他冷却方式，冷却电磁线圈5。
压簧9是控制钩爪驱动杆11运动行程的限制部件。压簧9的自由端9-2固定在铁芯10上，固定端9-1固定在传动部件8上。电磁线圈5通电后，铁芯10被吸合，同时压簧9被压缩，能够防止铁芯10直接与传动部件8贴合碰撞，同时压簧9压缩量被精确设计为等同于钩爪驱动杆11恰好提升到钩爪死区的位移量，能够防止钩爪驱动杆11提升过量而超出钩爪限制量程而导致设备失效。
铁芯10是实现夹紧下落组件13及落棒的执行部件。铁芯10选材为导磁材料，与钩爪驱动杆11固定安装，在电磁力作用下带动钩爪驱动杆11提升或下降，从而实现钩爪12对下落组件13的夹紧和脱开。
钩爪驱动杆11是实现钩爪12开合的执行部件。钩爪驱动杆11被铁芯10带动而上下运动，当钩爪驱动杆11提升至钩爪12死区时，钩爪驱动杆11的末端操作头带动钩爪12夹紧下落组件13；反之，钩爪驱动杆11回复原位时，钩爪12脱开以实现落棒。
钩爪12是直接夹紧或脱开下落组件13的执行部件。钩爪12可以采用外抓或内抓设计，由钩爪驱动杆11带动其实现开合。钩爪12可承受下落组件的载荷。
本发明动态工作过程如下：
夹紧下落组件：
电动机1驱动传动杆6，并带动传动部件8、压簧9、铁芯10、钩爪驱动杆11、钩爪12整体向下移动，直至钩爪12进入下落组件13的抓取凹槽，并与凹槽外缘贴合。电磁线圈5通电，产生的磁力使铁芯10带动钩爪驱动杆11向上运动，压簧9的压缩量正好等于钩爪12到达下落组件13抓取凹槽内缘的位移，同时钩爪驱动杆11的末端操作头带动钩爪12夹紧下落组件13。
正常运行：
钩爪12夹紧下落组件13后，电动机1驱动传动杆6，并通过传动部件8将下落组件13上下运动，进入正常运行状态。电磁线圈5一直保持通电，并由冷却套筒7进行冷却。
换料工况：
从正常运行工况到换料维修工况，电动机1驱动传动杆6，并通过传动部件8将下落组件13完全运行到堆芯，并达到行程最末端。下落组件13与控制棒组件的钩爪脱开，电动机1驱动传动杆6，将下落组件13(不含控制棒组件)提升至行程高位，直至下落组件13与堆芯的空间能够满足换料要求。在整个换料工况下，电磁线圈5一直保持通电，并由冷却套筒7进行冷却。
换料结束后，电动机1驱动传动杆6将下落组件13(不含控制棒组件)向下移动至控制棒组件的上操作头位置，使下落组件13夹紧控制棒组件，然后进入正常运行工况。
紧急落棒：
电磁铁5断电，压簧9复位，铁芯10带动钩爪驱动杆11向下运动，钩爪驱动杆11的末端操作头失去对钩爪12的约束，下落组件13在自身重力的作用下使抓取凹槽13-1脱开钩爪12而下落。落棒后根据需要进行夹紧下落组件操作。
设备维修：
正常维修主要包括堆外部件的维修以及堆内部件的维修。堆外部件包括冷却套筒、电磁线圈，如需更换，可以方便地拆卸、维修、更换；堆内部件包括铁芯、压簧、钩爪驱动杆、钩爪，则需要将可拆外壳管3、电磁线圈安装外壳管4拆卸后进行更换。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种适用于液态金属冷却反应堆的控制落棒执行机构，其特征在于：包括电动机(1)、电动机安装外壳管(2)、可拆外壳管(3)、电磁线圈安装外壳管(4)、电磁线圈(5)、传动杆(6)、冷却套筒(7)、传动部件(8)、压簧(9)、铁芯(10)、钩爪驱动杆(11)、钩爪(12)和下落组件(13)；
冷却套筒(7)包容整个电磁线圈(5)，整体套装在电磁线圈安装外壳管(4)上；铁芯(10)、压簧(9)、钩爪驱动杆(11)、钩爪(12)安装在电磁线圈安装外壳管(4)内部，其中压簧(9)位于铁芯(10)和传动部件(8)之间；
铁芯(10)是实现夹紧组件及落棒的执行部件，铁芯(10)通过螺纹或焊接方式与钩爪驱动杆(11)固定安装，在电磁力作用下带动钩爪驱动杆(11)提升或下降，实现钩爪(12)对下落组件(13)的夹紧和脱开；
钩爪驱动杆(11)是实现钩爪开合的执行部件，钩爪驱动杆(11)被铁芯(10)带动而上下运动，当钩爪驱动杆(11)提升至钩爪死区时，钩爪驱动杆(11)的末端操作头带动钩爪夹紧下落组件，反之，钩爪驱动杆回复原位时，钩爪脱开，实现落棒；
压簧(9)是控制钩爪驱动杆(11)运动行程的限制部件，压簧(9)的自由端(9-2)固定在铁芯上，固定端(9-1)固定在传动部件(8)上，电磁线圈(5)通电后，铁芯(10)被吸合，压簧(9)被压缩，防止铁芯(10)直接与传动部件(8)贴合碰撞；
电磁线圈(5)是整个落棒执行机构的动力源，电磁线圈(5)安装在电磁线圈安装外壳管(4)外；正常工况下，电磁线圈(5)通电，产生的磁力使铁芯(10)带动钩爪驱动杆(11)向上运动，压簧(9)的压缩量正好等于钩爪(12)到达下落组件(13)的抓取凹槽(13-1)内缘的位移，同时钩爪驱动杆(11)的末端操作头带动钩爪(12)夹紧下落组件(13)；钩爪(12)夹紧下落组件(13)后，电动机(1)驱动传动杆(6)，并带动传动部件(8)、压簧(9)、铁芯(10)、钩爪驱动杆(11)和钩爪(12)整体向下移动，直至钩爪(12)进入下落组件(13)的抓取凹槽(13-1)，并与抓取凹槽(13-1)外缘贴合，同时带动下落组件(13)上下运动，进入正常运行状态；停堆工况下，电磁线圈断电，压簧复位带动铁芯与钩爪驱动杆(11)向下运动，钩爪驱动杆(11)的末端操作头脱离钩爪(12)，使钩爪(12)失去约束，下落组件(13)在自身重力作用下脱离钩爪(12)而下落。
2.根据权利要求1所述的一种适用于液态金属冷却反应堆的控制落棒执行机构，其特征在于：所述铁芯(10)通过螺纹或焊接方式与钩爪驱动杆(11)固定安装，铁芯(10)选材为导磁材料。
3.根据权利要求1所述的一种适用于液态金属冷却反应堆的控制落棒执行机构，其特征在于：所述电磁线圈(5)设计高度大于并完全覆盖控制棒驱动机构的最大行程。
4.根据权利要求1所述的一种适用于液态金属冷却反应堆的控制落棒执行机构，其特征在于：所述压簧(9)的压缩量被精确设计为等同于钩爪驱动杆恰好提升到钩爪死区的位移量，防止钩爪驱动杆提升过量而超出钩爪限制量程而导致设备失效。
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