高温堆示范工程控制棒驱动机构1:1工程验证试验完成

  清华新闻网10月13日电 10月3日,在清华大学核研院高温气冷堆工程实验室,高温堆示范工程一回路重要设备控制棒驱动机构顺利完成1:1热态工程验证试验。该试验历时4个多月,控制棒累积行程超过100千米,相当于在实际反应堆中运行80年,验证了控制棒驱动机构的设计可行性及在反应堆条件下长期运行的可靠性。这是高温气冷堆核电站重大专项取得的又一重要技术成果。

  控制棒驱动机构是保证高温气冷堆核电站运行控制,如反应堆启动、热停堆、冷停堆及功率调节等的关键设备之一。控制棒驱动机构的主要工艺和设备均由清华大学核研院独立设计、研发,并由上海第一机床厂有限公司制造完成,关键部件及工艺全部实现国产化,具有自主知识产权。

  控制棒驱动机构工程试验样机于2011年5月完成出厂验收,样机在结构、材料、制作工艺、运行环境等方面均与工程产品一致,确保了工程验证试验的准确性。

  控制棒驱动机构冷态性能验证试验于2011年6月至2012年1月在中核能源科技有限公司工程研发中心完成。随后,2012年在清华大学核研院先进反应堆工程实验室建成控制棒驱动机构工程验证试验平台,同年12月,开始进行控制棒驱动机构热态工程验证试验,至2014年10月完成热态试验,控制棒累积运行行程达到103000米。这一行程寿命超过了反应堆运行40年所要求的驱动机构行程寿命的2倍,大部分重要零部件的行程寿命已经达到120年。

  按照法规要求,环保部有关监管部门分别于2011年12月及2014年6月对冷态及热态试验中的安全相关试验进行了现场见证,并对试验过程中的质量控制进行了检查,检查结果认为试验过程及结果均满足试验大纲要求。

  项目实施近6年以来,清华大学的科研人员积极探索,中核能源科技有限公司主动协调,与设备制造厂联合攻关,攻克了多项技术难题。

  首先是固体润滑工艺研究。控制棒驱动机构中存在大量机械摩擦副,例如各类轴承、齿轮、蜗轮、蜗杆、链轮以及控制棒铰关节等,这些摩擦副长期工作于反应堆一回路的高温氦气中,且需承受较高的累积辐照剂量,反应堆运行过程中无法停机拆卸进行部件的再润滑。为保证控制棒驱动机构在苛刻的工况下稳定可靠运转,课题组针对不同零部件形状、不同的摩擦副相对运动形式以及不同的涂层功能要求,开展了多种涂层制备工艺(冷喷涂、热喷涂、真空镀等)及多种涂层材料(有机、无机及陶瓷涂层,类金刚石、氮化钛、碳化钨等多种薄膜)的试验研究,经过长期探索积累,逐一取得突破。高温无油润滑轴承的研发是其中较为典型的案例:在控制棒驱动机构中使用大量轴承,针对实验过程中发现的轴承磨损、卡涩、保持架破裂、使用寿命短等问题,总计提出了11种设计方案,经试验验证,目前采用的轴承在高温氦气条件下的寿命超过2000万圈,完全满足示范电站控制棒驱动机构500万圈轴承使用寿命的要求。高温无油润滑轴承也是吸收球停堆系统、燃料装卸系统等面临的共性问题,这一成果为有关系统的轴承研发提供了宝贵经验。

  其次是特种电机研发。为减少非计划停堆次数,提高高温堆示范工程的经济性,控制棒驱动机构中的步进电机为双绕组电机,同时电机驱动器采用冗余设计,当其中一个驱动器故障时可自动切换至热备份驱动器。电机的设计寿命在150℃、7兆帕氦气环境下不少于10年。由于持续承受高频脉冲(PWM)电压冲击,电机在试验中多次发生匝间击穿现象,为解决这一问题,课题组从漆包线选材、绕组浸漆工艺及层间绝缘工艺设计等多方面进行了优化改进,提高了电机在常压氦气气氛下的绝缘性能,同时通过滤波设计抑制了电机绕组端的高频脉冲(PWM)过冲电压。经试验验证,电机在热态氦气条件下累计运行超过了1000小时,解决了电机高温绝缘失效、匝间短路等问题,通过了试验考核。

  此外,针对试验过程中发现的问题,对控制棒驱动机构的传动线进行了多项局部的设计改进。包括:改进齿轮制造工艺,增强其耐磨性;改进链轮-链条的结构和材料设计,解决了链轮磨损问题;改进碟簧减震器设计,避免了堵链等。所有改进工艺都在热态工程验证试验中得到验证。

  至此,高温堆示范工程控制棒产品设计完全定型,制造厂家上海第一机床厂有限公司将按照有关质保程序开始示范工程控制棒产品的制造。

 供稿:核研院 编辑:蕾蕾

2014年10月13日 10:13:38  清华新闻网

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