压水堆核电站控制棒驱动机构金属材料设计

第32卷第6期2011年12月热处理技术与装备

RECHULI JISHU YU ZHUANGBEI Vol．32，No．6Dec ， 2011

收稿日期：2011－10－11

作者简介：兰银辉（1976－），男，工程师，主要从事核电站材料设计。

联系电话：0755－84478505；E －mail ：lanyinhui@cgnpc．com．cn

·材料研究·

压水堆核电站控制棒驱动机构金属材料设计

兰银辉1，熊少阳2

，尤

磊1，刘克明

3

（1．中广核工程有限公司，广东深圳518124；2．上海海洋大学爱恩学院，上海201306；

3．江西省科学院应用物理研究所，江西南昌330029）摘

要：控制棒驱动机构为核反应堆系统中的重要设备。本文介绍了压水堆控制棒驱动机构的结构特点、功能及金属材料的选用原则，对所用奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、镍基合金和钴基合金的选

用进行了具体分析。

关键词：控制棒驱动机构；奥氏体不锈钢；马氏体不锈钢；镍基合金；钴基合金中图分类号：

TG142．7

文献标识码：

A

文章编号：1673－4971（2011）06－0024－05

The Metallic Material Design of Pressurized Water

Reactor Control Rod Drive Mechanism

LAN Yin-hui 1，XIONG Shao-yang 2，YOU Lei 1，LIU Ke-ming 3

（1．China Nuclear Power Engineering Company Co．，Ltd．，Shenzhen guangdong 518124，China ；

2．Aien Institute ，shanghai Ocean University ，Shanghai 201306，China ；

3．Jiangxi Academy of Sciences Institute of Applied Nanchang Jiangxi 330029，China ）

Abstract ：Control rod drive mechanism is important equipment in nuclear reactor system of pressurized water reactor．The paper introduced its structure ，characteristic the function and the selected principle of the metallic material of PWR control rod drive mechanism ，and specificly analyzed the slection of martensitic stainless steel ，austenite stainless steel ，nickel base alloy and cobalt base alloy．

Key words ：control rod drive mechanism ；austenite stainless steel ；martensitic stainless steel ；nickel base alloy ；cobalt base alloy

压水堆控制棒驱动机构（简称CRDM ）是核反应

堆系统中重要的机械设备，是反应堆控制和保护系统的一部分；它按照指令带动控制棒组件在堆芯内上下运动、保持和改变控制棒组件在堆芯内的高度，在紧急情况下断电释放控制棒组件，使其快速插入堆芯，从而达到反应堆的安全启动、功率调节、功率保持、正常停堆和紧急停堆；同时控制棒驱动机构是一回路冷却剂承压边界，是辐射防护的第二道屏障，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。

控制棒驱动机构由驱动杆部件、钩爪部件、耐压

壳部件、线圈部件和棒位指示器部件组成。其中驱动杆部件、钩爪部件、耐压壳部件和线圈部件的磁轭等由金属材料组成（具体结构见图1、图2）。驱动杆下部的可拆接头连接控制棒组件，通过钩爪部件带动驱动杆运动，从而实现控制棒提升、下落和停止等功能。耐压壳部件安装于反应堆压力容器顶盖管座上，组成一回路边界，其腔室用于容纳钩爪部件和提

第6期兰银辉等：压水堆核电站控制棒驱动机构金属材料设计供驱动杆运动空间，并将线圈部件与一回路冷却剂隔开。线圈部件套在耐压壳外部，线圈产生电磁力驱动钩爪带动驱动杆运动，棒位探测线圈感应驱动杆的位置。这些金属材料零部件长期承受高温（设

计温度343ħ）［1］、

高压（设计压力17．2MPa ）［1］

，反应堆冷却剂的腐蚀等的作用。因此，对其选材有较

高要求，既要具有耐高温、高压，又要具有足够的韧性、塑性及耐磨、抗冲击和抗腐蚀性能，对部分材料的磁性能亦有较高要求

。

图1CPR1000CRDM 结构示意图

Fig．1

Structure diagram of CPR1000CRDM

1主要零部件选材依据和原则

压水堆控制棒驱动机构属于重要的核岛主设

备，工作条件相当恶劣，安全性和质量要求高，其耐压壳部件属于核安全1级、耐压壳部件中的排气阀属于核安全2级；驱动机构其他部件属于安全相关级（LS 级）；驱动机构的抗地震等级为1－I 级；驱动机构部件和零件的设计规范等级应与它的安全等级相对应。近年来核岛设备设计的日益长寿化，对材料提出了越来越高的要求，因此控制棒驱动机构的设计选材必须根据其结构、功能、工况条件、使用性能、制造工艺特点以及工艺性能要求进行优选，以满足设备的安全和质保要求。为此，其主要零部件的

选材应考虑，

但不限于以下要求

：图2CPR1000CRDM 结构图

Fig．2

Structure chart of CPR1000CRDM

（1）金属材料应符合ASTM 、ASME 、RCC-M 等国

际标准。对于CRDM 国产化材料可以选用国家GB 标准和自行研制的特种材料。材料应具有足够的强

度和刚度，

能够承受反应堆冷却剂腐蚀、耐高温。对磁性材料必须具有良好的磁性能和较小的矫顽力。（2）材料应具有优良的冶金质量，即要求材质具有足够高的纯净度、致密度和均匀性。

（3）材料应具有足够高的塑韧性和优良的抗辐照脆化性能。

（4）材料应具有低的热应力时效脆化敏感性。

（5）驱动机构涉及的材料品种较多，设计选材应

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