AP1000控制棒驱动机构

• 控制棒安装于控制棒束组件(RCCA)和灰棒 控制组件（GRCA）下面。RCCA由24根吸 收体棒组成，顶部端塞固定到一个公共连 接件（星型架）上，用来控制相对较快的 反应性变化和轴向功率分布。同样的， GRCA由24根顶部端塞固定到星型架上的 细棒组成，用于负荷跟踪。这些控制组件 提供了一种机械补偿(MSHIM)策略，能减 少反应堆冷却剂系统的调硼操作。控制棒 束组件和灰棒束组件由堆内导向机构支撑。 RCCA和 GRCA的末端与燃料组件的导向 管相接触。
• 对于操纵员来说，棒束控制组 件是最有效的控制反应性的方 式。可以移动棒束控制组件和 灰棒控制组件在堆内的相对位 置来达到控制堆内反应性的目 的。
控制棒驱动机构概述
• 用于反应性控制的控制棒驱动机构(CRDM) 和控制棒是AP1000反应堆系统(RXS)的一 部分。每个控制棒驱动机构由四个独立的 子组件组成。分别为承压壳体，励磁线圈 组件，销爪组件，以及驱动杆组件。位于 反应堆压力容器顶盖上的一体化顶盖组件 内。CRDM承压壳体构成一回路压力边界， 并提供其他设备的支撑。CRDM外壳的顶 部支撑了棒位置指示器线圈组件。棒行程 罩的上部密封是一个坚固的，一体式结构， 通过与一体化顶盖相连来提供地震情况下 的支撑。
和CE电站和韩国CE电站一样，在电厂启动时， CRDM外壳是不进行排气操作的；压力容器顶盖 通过专门的排气管道进行充水排气，当一回路达 到运行压力时，承压壳体内残存的气体将被水吸 收掉，而壳体内的水在经历1－2步插棒操作后将 会被置换掉。 (2)励磁线圈组件 励磁线圈组件包括线圈壳、电缆、电气连接件和 三个励磁线圈：夹持线圈、传递线圈、以及提升 线圈。励磁线圈组件是一个独立的单元，套装于 销爪外壳的外面。它安装在承压壳体的基座上， 没有附属机械部件。线圈励磁使销爪组件内的磁 极和销爪产生动作。
• 为了能使所有的控制棒组一起协同工作，CRDM 须进行统一控制。每个CRDM都隶属于一个特定 的控制棒组，利用这些控制棒组来进行反应性控 制，轴向功率分布控制，或实现反应堆停堆。每 组RCCA或者GRCA中的CRDM动作时能够保持步 调一致。 • CRDM和控制棒组件的设计允许在堆芯寿期的大 部分时间里不调硼地进行负荷跟踪。在电厂正常 运行期间，CRDM的设计允许RCCA和GRCA处于 棒行程内的任何位置。 • CRDM是一种磁力提升机构，当它接收到控制系 统发出的指令序列后，三个励磁线圈即按照相应 的次序励磁，使控制棒组件做步进式的插入或提 起动作。在任何步序循环中，如果线圈的励磁电 流中断，CRDM的设计能保证驱动杆释放，继而， 驱动杆和与之相联的棒束依靠自身的重力全部落 入堆芯。
3.3.1 功能
1安全相关功能
• CRDM, RCCA, 和GRCA连同RXS和反应堆冷却 剂系统一起执行和/或支持以下安全相关功能 • 反应堆冷却剂压力边界：在电厂所有运行工况下， 控制棒驱动机构（CRDM）外壳属于一回路压力 边界，用来包容反应堆冷却剂和/或堆芯应急冷却 流量，限制放射性释放到安全壳(通过限制冷却剂 泄漏)。 • 堆芯冷却和反应性控制：在偏离正常及故障和异 常工况下，CRDM提供了RCCA和 GRCA提升和 下插的手段，用以控制反应堆功率。堆芯的反应 性依赖于控制棒、冷却剂内溶解硼浓度以及其它 毒物。当反应堆手动或自动触发停堆时，CRDM 断电，RCCA和GRCA依靠重力以所需要的速度 插入堆芯，保障燃料的完整性。
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• 当三个线圈接收到成型的顺序激发的脉冲电流后， CRDM便产生插入或提升的动作。CRDM程控供 电装置中的可控硅整流器重复上述步序，棒束便 被提出或插入堆芯。控制棒的提升依靠的是电磁 力，而下插依靠的是重力。CRDM能以114.3 厘 米每分钟（45inch/min）的速度提升或者降低最 大为181.4千克（400磅）的负重（包含驱动杆重 量）。 • 在电厂运行期间，驱动机构的夹持线圈和传递线 圈通电，保持RCCA在一个静止位置。 • 棒位通过安装在棒行程罩外的位置指示器组件内 的48个离散线圈来进行测量。当控制棒驱动杆上 部的铁磁体部分穿过线圈中心线时，每个磁性线 圈能感应到棒的移动和存在。
3非安全相关的纵深防御功能 无
4 与执照许可相关的其他功能 无
3.3.2 设计基准
1 安全相关设计基准 • CRDM的壳体提供了一个高度一体化的压 力边界，用以包容一回路冷却剂以及溶于 冷却剂或出现在压力容器上封头内部的燃 料裂变产物，承压壳体属于一回路冷却剂 压力边界的一部分。 • CRDM的设计使其在反应堆冷却剂的压力 和温度以及预期的安全壳内部环境之下运 行仍然能够维持自身的功能和结构的完整 性。
• 内部销爪组件使用热处理过的奥氏体不锈钢材料 制造。热处理能够避免应力腐蚀开裂。浸入反应 堆冷却剂的磁极部用410不锈钢制造。非磁性部 分，除销钉和弹簧，都用304不锈钢制造。连接 销用钴合金或者合格的替代品制造。弹簧用镍铬 铁合金（合金750）制造。销爪臂的浇铸用适于 提高耐磨性的材料。轴承和磨损面有选择性的使 用镀铬板和表面硬化。 • 驱动杆组件也浸没在反应堆冷却剂中并且用410 不锈钢制造。驱动杆连接件由403不锈钢加工而 成。其他部分除弹簧外都用304不锈钢制造，弹 簧用镍铬铁合金制造，并且锁定按钮用钴合金棒 材或者合格的替代品制造。
3其他执照许可设计基准 无
• 3.3.3 系统描述
1 控制棒驱动机构
• AP1000的CRDM设计是基于西屋公司经过验证的 成熟设计，已经运用于许多运行中的核电站。 CRDM位于反应堆压力容器顶部，他们与含有中 子吸收材料的RCCA和用于负荷跟踪的GRCA联 在一起。GRCA除了中子吸收能力较弱外，几何 形状和RCCA是一样的。 • CRDM的主要功能是以设计速度提升或下插53个 RCCA和16个GRCA中的一个指定的组，以此来 控制流过堆芯冷却剂的平均温度(Tavg)――堆芯 功率控制关键参数，同时维持堆芯具有可接受的 中子通量分布。在启动和停堆期间，控制组件的 插入和提出，与反应堆冷却剂硼浓度一起控制堆 芯反应性变化。
• CRDM内部机械装置的设计使其能在温度 为343.3°C（650°F）的反应堆冷却剂中 运行。承压壳体的设计能包容343.3°C （650°F）和17.24 MPa (2500 psia)的反 应堆冷却剂，三个励磁线圈能承受200°C (392°F)的温度,并且需要风机来进行强制 通风冷却，以维持线圈内部温度不大于 200°C (392°F)。由于失去冷却空气后， 最坏的结果是引起驱动杆释放，所以冷却 空气不要求是安全相关的。同样，由于风 机失电最终能导致线圈失电，因此通风机 的电源不要求是应急电源。
• 承压材料遵照ASME标准、第三部分CRDM 部分的材料规范，作为反应堆冷却剂压力 边界通常由奥氏体(316 和 304型)不锈钢制 造。反应堆容器顶盖贯穿件用镍铬铁合金。 材料的选择基于CRDM和控制棒运行周期 的规定。特定的材料可以使设备免遭受不 良影响，例如满功率运行下最少300次事故 停堆（基于RCS设计瞬态事故停堆的数目） 和驱动杆连接组件200次连接和去连接周期 引起的过度磨耗或者磨损。
• 采用两个准则来选则控制棒组。第一，总 的反应性价值必须满足规范要求；第二， 考虑到在功率运行期间，这些控制棒可能 部分的插入，总的功率峰值因子应该足够 低，以满足出力要求。在任何工况下，临 界棒位取决于冷却剂内的硼浓度。为了不 违反《技术规格书》中有关停堆的规定和 其它的考虑，在达临界过程中，不断的调 整硼浓度，这样最终的临界棒位将会保持 在插入极限以上。在寿期初，为了维持低 功率下慢化剂温度系数不超限，同样规定 了控制棒的提出极限位。
2非安全相关功能 在电厂正常运行期间，RCCA,GRCA,和 CRDM还需执行一些反应性控制方面的非 安全相关功能：CRDM通过调整RCCA和 GRCA的位置，可以在不进行调硼的情况下 实现负荷调整(如调峰运行)。控制棒还要提 供足够的反应性来弥补从满功率到零功率 时所产生的功率亏损，并要提供必须的停 堆裕量。
3.3 反应性控制和控制棒驱 动系统
2008年11月 海阳
反应性控制概述
为了控制堆芯的反应性，采用了控制棒、 可燃毒物棒和硼酸等控制手段。 其中改变硼浓度用来控制反应性的长期变 化，例如： 燃耗和裂变产物积累 零功率条件下温度的变化 氙或钐浓度的变化 可燃毒物棒的消耗
棒束控制组件用来控制以下反应性的变化： 停堆 功率运行阶段冷却剂温度的变化 功率变化引起的反应性变化 空泡效应 在第一个燃料循环期间，由于燃料为新料， 后备反应性很大，如果堆芯采用高浓度硼 来平衡反应性，可能引入正的慢化剂温度 系数。为了保证负的慢化剂温度系数，保 持反应堆自稳定特性，需要加入可燃毒物 组件。
• (3)销爪组件 销爪组件包含导向套管、夹持磁极、传递 磁极和两套销爪：分别为传递销爪和夹持 销爪；销爪与驱动杆上加工出来的凹槽进 行咬合。传递销爪在提升磁极的作用下以 每步15.9mm (5/8-inch)的步幅上升或下降， 使驱动杆提升或者下插。当驱动杆移动一 步后，夹持销爪固定驱动杆组件，然后传 递销爪复位，为下一步动作做好准备。
2 控制棒的分布和反应性价值
RCCA设计按功能分为调节组和停堆组。术 语“组”用来描述一群特殊的控制组件。 调节组标记为MA,MB,MC,MD,M1,M2和轴 向功率偏移（AO）组，其中 MA,MB,MC,MD是GRCA；停堆组标记为 SD1、SD2、SD3、和SD4。多于4个 RCCA的每个组，尽管作为一组来操作和控 制，仍然由两个或者更多的子组构成。 RCCA的轴向位置可通过手动或者自动控制。 RCCA在反应堆停堆信号触发后，落入堆芯。
• 停堆棒组提供了额外的负反应性来建立足 够的停堆裕量。停堆裕量是指热停堆工况 下、RCCA落棒动作、假设反应性价值最大 的一束控制棒卡在全部抽出位置、氙毒和 硼浓度都没有变化时堆芯的次临界度。由 于吸收体的燃耗造成的控制棒价值损失是 可忽视的。
• 3.3.4 主要设备描述
1 控制棒驱动机构的结构 (1)承压壳体 承压壳体由销爪外壳和棒行程罩两部分构成（如 图），通过螺纹密封焊相连，以便于销爪组件的 检修。棒行程罩的上封头是一个坚固的、一体化 部件，通过与一体化顶盖相连来提供地震支撑。 销爪外壳是承压壳体的下部构件，内部安装销爪 组件。销爪外壳与CRDM接管在生产厂家内通过 双金属焊相连接；而接管通过冷缩配合和局部透 焊与压力容器上封头相连接。棒行程外壳是 CRDM压力外壳上部构件，能够在提升控制棒时 给驱动杆提供移动空间。
(4)驱动杆组件 驱动杆组件包含一个连接头、驱动杆、解 锁按钮、解锁杆、以及锁紧扣（如图3.3－ 4）。驱动杆上的凹槽间距为15.9mm (5/8inch)，以便销爪在驱动杆静止或者运动期 间与之咬合，驱动杆下端的连接头可以使 驱动杆与棒束组件直接相连。解锁按钮、 解锁杆、和锁紧扣能够保障驱动杆和控制 棒之间的可靠连接，并且提供了远距离断 开驱动杆连接的手段。
2非安全相关设计基准 • 在反应堆压力容器顶盖移开时，CRDM驱 动杆下端的设计允许维修人员用长柄工具 进行驱动杆和控制棒组件间的远距离连接 或解锁操作。 • 棒位指示系统能提供RCCA 和 GRCA的轴 向位置监测手段。 • RCCA 和GRCA提供了堆芯反应性控制手 段，以维持堆芯功率在所需水平。
• CRDM,RCCA和GRCA的设计保证了在正常运行， 中等频率事件，稀有事故，极限事故工况下都能 够履行他们的安全功能。另外，他们的设计能够 在安全停堆地震情况下仍然能履行预期的安全功 能。 • CRDM,RCCA和GRCA的设计限制了反应性引入 的大小和速度，加上反应堆保护系统的动作，即 使如弹棒这样的反应性事故也不会造成燃料损坏、 反应堆冷却剂压力边界破损或者堆芯充分冷却能 力的降低。 • CRDM,RCCA和GRCA的设计使得反应堆能在其 具有最大后备反应性且处于热态时，当最大价值 控制棒处于全部提出位置时，仍然能够维持至少 1％△K/K的次临界度。
2 CRDM材料
• CRDM与反应堆冷却剂接触的部分用抗腐 蚀的三类金属制造：不锈钢、镍铬铁合金、 以及在有限范围里运用的钴基合金。多年 以来，这些材料已经成功的运用于类似的 CRDM。对于不锈钢，只用奥氏体不锈钢 和马氏体不锈钢。用低或者零钴合金代替 钴基合金的销、杆、或者硬化表面；替代 材料已通过评估或试验核定。