CN109585041B - 一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构 - Google Patents

一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构 Download PDF

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Abstract

本发明属于反应堆功率调节技术领域，具体涉及一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构，用于对反应堆的堆芯进行功率调节，包括与控制棒组件(4)连接的分配机构(3)，通过传动机构(2)驱动分配机构(3)的驱动器(1)，控制棒组件(4)中包含由中子反射层(29)和中子吸收体(30)构成的内部旋转鼓体(26)，内部旋转鼓体(26)能够随着驱动器(1)的运转而旋转，从而调节中子反射层(29)和中子吸收体(30)面对堆芯的角度。本发明不需要占据堆芯其他的空间位置，也不必在堆芯内部上、下进出扰动堆芯，可忽略机构本身的重力产生的影响和作用，特别适用于外太空等地球引力很小的特殊环境。

Description

一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构
技术领域
本发明属于反应堆功率调节技术领域，具体涉及一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构。
背景技术
核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最重要的控制系统和保护系统的关键设备，担负着反应堆的启动、功率调节、停堆及紧急停堆等生产运行和安全控制功能。
目前核反应堆常采用的控制棒驱动机构类型很多，就其驱动能源而言，有电(磁)、液(水)和气等，按其结构形式分为滚珠螺母丝杠式、齿轮齿条式、磁力提升式、液压驱动式、气压驱动式和钢丝绳滑轮式及其它一些衍生的结构形式等。但上述结构形式的控制棒驱动机构，其运行方式均为上、下直线往复运动，控制棒驱动机构的设计、制造和应用，都要考虑重力的作用，在特殊使用环境，如外太空，地球的引力作用反而很小，因此对于该类核动力反应堆而言，使用能动式的往复转动运行方式更为合适，而现有的控制棒驱动机构结构形式和工作原理显然均不能直接应用于外太空用核动力反应堆。
发明内容
本发明的目的是提供一种能动式外太空用核动力反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构，该机构布置在核反应堆堆芯外围，只可在机构本身所处的位置处往复转动，不需要占据堆芯其他的空间位置，也不必在堆芯内部上、下进出扰动堆芯，正常工况下，通过其自身转动实现反应堆功率的调节，在事故工况下，通过快速转动复位，实现核反应堆应急停堆。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构，用于对反应堆的堆芯进行功率调节，其中，包括与控制棒组件连接的分配机构，通过传动机构驱动所述分配机构的驱动器，所述控制棒组件中包含由中子反射层和中子吸收体构成的内部旋转鼓体，所述内部旋转鼓体能够随着所述驱动器的运转而旋转，从而调节所述中子反射层和所述中子吸收体面对所述堆芯的角度。
进一步，所述驱动器包括第一外壳体，所述传动机构包括第二外壳体，所述分配机构包括第三外壳体，所述控制棒组件包括第四外壳体，所述第一外壳体、第二外壳体、第三外壳体、第四外壳体之间密封连接，构成一个封闭的密闭空间，在所述密闭空间内填充具有导热作用的气体介质。
进一步，
所述驱动器包括连接减速器的电机，还包括底端设有离合器的输出轴，所述输出轴通过所述离合器与所述减速器相连，所述输出轴上设有角位移传感器，还包括通过齿轮副与所述输出轴啮合的齿条，所述齿条上设有释放弹簧；
当所述离合器连接时，所述驱动器带动所述输出轴转动的同时通过所述齿轮副传递压力给所述齿条，使得所述齿条上的所述释放弹簧呈压缩状态，所述内部旋转鼓体随所述输出轴转动；当所述离合器断开时，所述释放弹簧被释放，推动所述齿条复位，并通过所述齿轮副传递使得所述输出轴一同复位，从而使得所述内部旋转鼓体随所述输出轴一同复位，使所述反应堆停堆。
进一步，所述传动机构包括底端设有万向连接件的第一传动轴，还包括顶端连接所述万向连接件的花键连接轴，所述花键连接轴的底端与所述输出轴的顶端相连且同轴。
进一步，所述分配机构包括设有主动齿轮的第二传动轴，所述第二传动轴的底端与所述第一传动轴顶端相连且同轴，在所述第二传动轴两侧各设有一个与所述第二传动轴的轴向平行的从动轴，所述从动轴上设有从动齿轮，所述从动齿轮通过中间齿轮与所述主动齿轮实现联动，使得所述从动轴随所述第二传动轴以同样的角度和方向一同旋转；在所述第二传动轴和所述第三外壳体上还设有相对应的限位块，保证所述第二传动轴在随所述输出轴一同复位时快速复位到限定位置。
进一步，所述控制棒组件包括圆柱状的所述内部旋转鼓体，所述内部旋转鼓体为3个，所述内部旋转鼓体的底端设置与所述内部旋转鼓体同轴的第三传动轴，3个所述内部旋转鼓体通过所述第三传动轴的底端分别与所述第二传动轴的顶端和两个所述从动轴的顶端相连且同轴；所述内部旋转鼓体的主体为所述中子反射层，所述中子吸收体设置在所述中子反射层的一侧。
进一步，在所述第三传动轴的靠近所述内部旋转鼓体的底端的部分设有预紧装置。
进一步，所述第二外壳体为管状，中段部分为波纹管膨胀节。
进一步，在所述第一外壳体或所述第二外壳体或所述第三外壳体或所述第四外壳体上设置一个用于补充所述气体介质的充排气接管。
本发明的有益效果在于：
1.具有系统简单、结构紧凑、运行精度高、动作安全可靠的特点；
2.布置在反应堆堆芯的外围，不需要占据堆芯其他的空间位置，也不必在堆芯内部上、下进出扰动堆芯，无需额外的运行空间；
3.可实现对核动力反应堆功率的调节与快速停堆的功能，能动式的往复运行和快速复位模式可忽略机构本身的重力产生的影响和作用，特别适用于外太空等地球引力很小的特殊环境。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述驱动器的示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述传动机构的示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述分配机构的示意图；
图5是本发明具体实施方式中所述第二传动轴的A向视图(相对于图4)；
图6是本发明具体实施方式中所述控制棒组件的示意图；
图7是图6的A向视图；
图中：1-驱动器，2-传动机构，3-分配机构，4-控制棒组件，5-电机，6-减速器，7-离合器，8-角位移传感器，9-输出轴，10-释放弹簧，11-齿条，12-齿轮副，13-第一外壳体，14-花键连接轴，15-波纹管膨胀节，16-万向连接件，17-第二外壳体，18-第一传动轴，19-第三外壳体，20-第二传动轴，21-主动齿轮，22-中间齿轮，23-从动齿轮，24-限位块，25-第四外壳体，26-内部旋转鼓体，27-第三传动轴，28-预紧装置，29-中子反射层，30-中子吸收体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提供的一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构，用于对反应堆的堆芯进行功率调节，包括驱动器1、传动机构2、分配机构3、控制棒组件4四大部分。
其中，驱动器1通过传动机构2与分配机构3相连，分配机构3与控制棒组件4连接，控制棒组件4中包含由中子反射层29和中子吸收体30构成的内部旋转鼓体26，内部旋转鼓体26能够随着驱动器1的运转而旋转，从而调节中子反射层29和中子吸收体30面对堆芯的角度，进而调节反应堆的功率的大小。
驱动器1包括第一外壳体13，驱动器1的其他部件设置在第一外壳体13内；传动机构2包括第二外壳体17，传动机构2的其他部件设置在第二外壳体17内；分配机构3包括第三外壳体19，分配机构3的其他部件设置在第三外壳体19内；控制棒组件4包括第四外壳体25，控制棒组件4的其他部件设置在第四外壳体25内。第一外壳体13、第二外壳体17、第三外壳体19、第四外壳体25之间密封连接，构成一个封闭的密闭空间，在密闭空间内填充具有导热作用的气体介质。
如图2所示，驱动器1包括连接减速器6的电机5，还包括底端设有离合器7的输出轴9，输出轴9通过离合器7与减速器6相连，输出轴9上设有角位移传感器8，用来准确监测控制棒组件4旋转的角度和位置，以保证反应堆功率的调节；还包括通过齿轮副12与输出轴9啮合的齿条11，齿条11上设有释放弹簧10；
当离合器7连接时，驱动器1带动输出轴9转动的同时通过齿轮副12传递压力给齿条11，使得齿条11上的释放弹簧10呈压缩状态，控制棒组件4中的内部旋转鼓体26随输出轴9转动，从而调节中子反射层29和中子吸收体30面对堆芯的角度，进而调节反应堆的功率的大小；当离合器7断开时(可以是通过控制的主动断开，也可以是因为驱动器1停电造成的断开)，释放弹簧10被释放，推动齿条11复位，并通过齿轮副12传递使得输出轴9一同复位，从而使得内部旋转鼓体26随输出轴9一同复位，控制棒组件4中的内部旋转鼓体26上的中子吸收体30面对堆芯，使反应堆停堆。
如图3所示，传动机构2包括底端设有万向连接件16的第一传动轴18，还包括顶端连接万向连接件16的花键连接轴14，花键连接轴14的底端与输出轴9的顶端相连且同轴。花键连接轴14和万向连接件16，用于补偿传动过程中产生的轴向和径向变形。
如图4所示，分配机构3包括设有主动齿轮21的第二传动轴20，第二传动轴20的底端与第一传动轴18顶端相连且同轴，在第二传动轴20两侧各设有一个与第二传动轴20的轴向平行的从动轴，从动轴上设有从动齿轮23，从动齿轮23通过中间齿轮22与主动齿轮21实现联动，使得从动轴随第二传动轴20以同样的角度和方向一同旋转；在第二传动轴20和第三外壳体19上还设有相对应的限位块24(如图5所示)，保证第二传动轴20在随输出轴9一同复位时快速复位到限定位置，不能无限制回复。
如图6、图7所示，控制棒组件4包括圆柱状的内部旋转鼓体26，内部旋转鼓体26为3个，内部旋转鼓体26的底端设置与内部旋转鼓体26同轴的第三传动轴27，3个内部旋转鼓体26通过第三传动轴27的底端分别与第二传动轴20的顶端和两个从动轴的顶端相连且同轴；内部旋转鼓体26的主体为中子反射层29，中子吸收体30设置在中子反射层29的一侧。
在第三传动轴27的靠近内部旋转鼓体26的底端的部分设有预紧装置28，用于消除传动链上的空程。
第二外壳体17为管状，中段部分为波纹管膨胀节15，用于补偿第二外壳体17因为热膨胀产生的轴向位移。
在第一外壳体13或第二外壳体17或第三外壳体19或第四外壳体25上设置一个用于补充气体介质的充排气接管。
以下具体说明本发明的实际应用：
反应堆正常运行时，控制棒组件4的内部旋转鼓体26中的中子吸收体30面对堆芯，反应堆处于停堆状态。随后打开电源，驱动器1中的离合器7吸合，将电机5通过减速器6传递过来的转矩传递到驱动机构的输出轴9上，通过传动机构2将其转矩传递到分配机构3的第二传动轴20上，通过分配机构3内的主动齿轮21、中间齿轮22和从动齿轮23，将转矩平均分配到相应的传动链上，进而传递到控制棒组件4上，控制棒组件4的内部旋转鼓体26由中子吸收体30和中子反射层29组成，通过内部旋转鼓体26的转动，调节中子吸收体30与中子反射层29面对堆芯的角度，进而调节反应堆功率的大小，在此过程中，驱动器1输出转矩时，通过与驱动器1的输出轴9的齿轮副12与齿条11啮合，压缩释放弹簧10，控制棒组件4在旋转过程时，释放弹簧10处于压缩储能状态。在事故工况紧急停堆或正常停堆时，驱动器1内的离合器7脱开，释放弹簧10释放能量，迫使整个传动链快速回转至初始位置，此时控制棒组件4内部旋转鼓体26中的中子吸收体30又面对堆芯，反应堆停堆。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (8)

1.一种反应堆功率调节与停堆用控制棒驱动机构，用于对反应堆的堆芯进行功率调节，其特征是：包括与控制棒组件(4)连接的分配机构(3)，通过传动机构(2)驱动所述分配机构(3)的驱动器(1)，所述控制棒组件(4)中包含由中子反射层(29)和中子吸收体(30)构成的内部旋转鼓体(26)，所述内部旋转鼓体(26)能够随着所述驱动器(1)的运转而旋转，从而调节所述中子反射层(29)和所述中子吸收体(30)面对所述堆芯的角度；
所述驱动器(1)包括连接减速器(6)的电机(5)，还包括底端设有离合器(7)的输出轴(9)，所述输出轴(9)通过所述离合器(7)与所述减速器(6)相连，所述输出轴(9)上设有角位移传感器(8)，还包括通过齿轮副(12)与所述输出轴(9)啮合的齿条(11)，所述齿条(11)上设有释放弹簧(10)；
当所述离合器(7)连接时，所述驱动器(1)带动所述输出轴(9)转动的同时通过所述齿轮副(12)传递压力给所述齿条(11)，使得所述齿条(11)上的所述释放弹簧(10)呈压缩状态，所述内部旋转鼓体(26)随所述输出轴(9)转动；当所述离合器(7)断开时，所述释放弹簧(10)被释放，推动所述齿条(11)复位，并通过所述齿轮副(12)传递使得所述输出轴(9)一同复位，从而使得所述内部旋转鼓体(26)随所述输出轴(9)一同复位，使所述反应堆停堆。
2.如权利要求1所述的控制棒驱动机构，其特征是：所述驱动器(1)包括第一外壳体(13)，所述传动机构(2)包括第二外壳体(17)，所述分配机构(3)包括第三外壳体(19)，所述控制棒组件(4)包括第四外壳体(25)，所述第一外壳体(13)、第二外壳体(17)、第三外壳体(19)、第四外壳体(25)之间密封连接，构成一个封闭的密闭空间，在所述密闭空间内填充具有导热作用的气体介质。
3.如权利要求2所述的控制棒驱动机构，其特征是：所述传动机构(2)包括底端设有万向连接件(16)的第一传动轴(18)，还包括顶端连接所述万向连接件(16)的花键连接轴(14)，所述花键连接轴(14)的底端与所述输出轴(9)的顶端相连且同轴。
4.如权利要求3所述的控制棒驱动机构，其特征是：所述分配机构(3)包括设有主动齿轮(21)的第二传动轴(20)，所述第二传动轴(20)的底端与所述第一传动轴(18)顶端相连且同轴，在所述第二传动轴(20)两侧各设有一个与所述第二传动轴(20)的轴向平行的从动轴，所述从动轴上设有从动齿轮(23)，所述从动齿轮(23)通过中间齿轮(22)与所述主动齿轮(21)实现联动，使得所述从动轴随所述第二传动轴(20)以同样的角度和方向一同旋转；在所述第二传动轴(20)和所述第三外壳体(19)上还设有相对应的限位块(24)，保证所述第二传动轴(20)在随所述输出轴(9)一同复位时快速复位到限定位置。
5.如权利要求4所述的控制棒驱动机构，其特征是：所述控制棒组件(4)包括圆柱状的所述内部旋转鼓体(26)，所述内部旋转鼓体(26)为3个，所述内部旋转鼓体(26)的底端设置与所述内部旋转鼓体(26)同轴的第三传动轴(27)，3个所述内部旋转鼓体(26)通过所述第三传动轴(27)的底端分别与所述第二传动轴(20)的顶端和两个所述从动轴的顶端相连且同轴；所述内部旋转鼓体(26)的主体为所述中子反射层(29)，所述中子吸收体(30)设置在所述中子反射层(29)的一侧。
6.如权利要求5所述的控制棒驱动机构，其特征是：在所述第三传动轴(27)的靠近所述内部旋转鼓体(26)的底端的部分设有预紧装置(28)。
7.如权利要求2所述的控制棒驱动机构，其特征是：所述第二外壳体(17)为管状，中段部分为波纹管膨胀节(15)。
8.如权利要求2所述的控制棒驱动机构，其特征是：在所述第一外壳体(13)或所述第二外壳体(17)或所述第三外壳体(19)或所述第四外壳体(25)上设置一个用于补充所述气体介质的充排气接管。
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