一种防止反应堆发生弹棒事故的装置

摘要

本发明公开了一种防止反应堆发生弹棒事故的装置，包括棘爪组件(1)、控制组件(2)和电缆组件(3)，所述装置位于控制棒驱动机构(10)的下部，所述控制棒驱动机构(10)环绕设置于驱动轴(5)，并位于反应堆压力容器(6)外部上端，所述电缆组件(3)为所述控制组件(2)提供电力，所述控制组件(2)产生电磁感应并发生位移，带动所述棘爪组件(1)运动，使所述棘爪组件(1)与驱动轴(5)啮合或脱离。该装置充分利用了原驱动机构的结构，能够防止反应堆发生弹棒事故，为控制棒驱动机构增加了安全屏障。

说明书

技术领域

本发明涉及核电安全领域和机械设备领域，尤其适用于控制棒控制系统。

背景技术

核电是一种高效清洁的新能源，与传统火力发电相比，核电具有原料少、效率高和无污染的特点。然而，一旦发生核事故，将会导致非常严重的后果，甚至给社会造成致命的打击。因此，确保核电厂安全运行、防止堆芯熔化至关重要。

反应堆正常运行时，由控制棒驱动机构完成控制棒组件在堆芯内的提升与下落，实现反应性控制。在紧急停堆或失去外电源时，控制棒依靠重力落入堆芯，确保安全停堆。控制棒驱动机构的承压外壳是反应堆的承压边界，事故工况下，承压外壳有可能破裂，一回路的高压冷却剂会将控制棒冲出反应区，发生弹棒事故，使反应性增加，造成堆芯融化，因此要采取有效手段防止弹棒事故的发生。

目前，一般通过增加压力外罩强度的方法防止压力外罩破裂，保证驱动机构所处的压力与堆芯压力平衡，防止冷却剂喷出发生弹棒事故，这种方式不能完全保证压力外罩不破裂损坏；采取增加控制棒组件重量或采用配重的方式使控制棒快速落入堆芯，同时防止堆芯弹出，这种方式受到空间和材料密度的限制，如果承压外壳破口足够大，冷却剂喷出流量足够，同样有发生弹棒事故的可能，没有可以有效控制弹棒事故发生的专设安全设施。

由于现有技术中上述问题的存在，本发明人对现有的技术进行改造，设计出一种防止反应堆发生弹棒事故的装置。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种防止反应堆发生弹棒事故的装置，该装置受到空间和材料密度的限制小，同时，当承压外壳破口和冷却剂流出时，能够锁死驱动轴，防止发生弹棒事故。为控制棒驱动机构增加了一道安全屏障，符合多样性原则和纵深防御原则。

本发明的目的在于提供以下两方面：

(1)提供一种防止反应堆发生弹棒事故的装置：所述装置位于控制棒驱动机构10的下部，所述控制棒驱动机构10环绕于驱动轴5设置，并位于反应堆压力容器6外部上端；

所述装置包括棘爪组件1、控制组件2和电缆组件3，所述电缆组件3为所述控制组件2提供电力，所述控制组件2产生电磁感应并发生位移，带动所述棘爪组件1运动，使所述棘爪组件1与驱动轴5啮合或脱离。

(2)本发明还提供一种使用上述装置的控制棒驱动系统，

所述控制棒驱动系统：

正常工况时，通过电气连接件31给止回线圈23通电，产生电磁回路，磁场驱动止回磁极24与止回衔铁21克服弹簧22的弹力吸合，在连杆15的带动下，棘爪13与驱动轴5脱离，通过给提升线圈72、传递线圈74和夹持线圈76配合通电，实现驱动轴5的提升与下落；

事故工况时，提升线圈72、传递线圈74、夹持线圈76断电，止回线圈23通电，使控制棒和驱动轴5依靠重力迅速落入堆芯，然后止回线圈23断电，弹簧22弹出止回衔铁21，止回衔铁21上升，在连杆15作用下，棘爪13与驱动轴5啮合并相互作用，控制棒与驱动轴5的重力克服弹簧22的弹力继续下降，基于棘爪13和棘爪支架11的作用，阻碍驱动轴5的上升；

断电工况时，反应堆突然失去电源或者驱动系统失去外电源，提升线圈72、传递线圈74、夹持线圈76和止回线圈23同时全部断电，提升和下落驱动轴5的全部销爪与驱动轴5脱开，在弹簧22的弹力作用下，棘爪13与驱动轴5啮合，控制棒和驱动轴5靠自身重力克服弹簧弹力，迅速插入堆芯。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本装置实现了棘爪与驱动轴啮合和脱离：正常工况下棘爪与驱动轴脱离，使驱动轴可以自由提升与下落；事故工况和断电工况时，棘爪与驱动轴啮合，防止弹棒事故的发生；

(2)反应堆重启时，对本装置通电即可完成棘爪与驱动轴的脱离，不必机械拆除，自动化和安全性高；

(3)电缆组件充分利用了原控制棒驱动系统的电气连接件和电缆导管，减少了对原控制棒驱动机构的改动幅度；

(4)控制组件采用电磁控制，与控制棒驱动机构的提升线圈工作磁路类似，由于对提升线圈工作磁路研究充分，应用经验丰富，提高了控制组件的可靠性；

(5)本装置可应用于核电厂反应堆和船舶反应堆，应用范围广，同时可与多种相关设备配套使用，增加一道安全屏障，符合多样性原则和纵深防御原则。

附图说明

图1示出本发明与反应堆压力容器相对位置示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的控制棒驱动机构的装置示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的一种防止反应堆发生弹棒事故的装置的局部放大图；

图4示出本根据发明一种优选实施方式的一种防止反应堆发生弹棒事故的装置棘爪组件俯视图；

图5示出根据发明一种优选实施方式的一种防止反应堆发生弹棒事故的立体示意图。

附图标号说明

1-棘爪组件

2-控制组件

3-电缆组件

4-承压外壳

5-驱动轴

6-反应堆压力容器

8-连接部

10-控制棒驱动机构

11-棘爪支架

12棘爪固定轴

13-棘爪

14-棘爪从动轴

15-连杆

16-连杆支架

17-棘爪主动轴

21-止回衔铁

22-弹簧

23-止回线圈

24-止回磁极

31-电气连接件

32-电缆导管

51-V形凹槽

71-提升磁极

72-提升线圈

73-传递磁极

74-传递线圈

75-夹持磁极

76-夹持线圈

100-本发明提供的装置

131-棘爪齿

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的一种防止反应堆发生弹棒事故的装置，其与反应堆压力容器6的相对位置如图1所示，位于反应堆压力容器6的外部上端，并且置于控制棒驱动机构10的下部。

在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述控制棒驱动机构10环绕设置于驱动轴5，并且，所述控制棒驱动机构10包括：驱动轴5，连接部8，提升磁极71，提升线圈72，传递磁极73，传递线圈74，夹持磁极75，夹持线圈76，和本发明所提供的装置。其中，所述提升磁极71和夹持磁极75固接于连接部8；并且，连接部8、提升磁极71、传递磁极73和夹持磁极75位于驱动轴压力外壳4内侧，并环绕驱动轴5设置，提升线圈72、传递线圈74和夹持线圈76位于驱动轴压力外壳4外侧并环绕压力外壳4设置。

本发明中，如图2所示，所述装置包括棘爪组件1、控制组件2和电缆组件3，其中，所述电缆组件3为控制组件2提供电力，控制组件2产生电磁感应并发生位移，带动所述棘爪组件1与驱动轴5啮合或脱离。

本发明中，棘爪组件1与控制组件2的相对位置关系如图5所示，并且，根据本发明，在一种优选的实施方式中，如图3所示，所述棘爪组件1固接于连接部8，并位于夹持磁极75的下方，所述棘爪组件1包括棘爪支架11、棘爪固定轴12、棘爪13、棘爪从动轴14、连杆15、连杆支架16和棘爪主动轴17；

所述棘爪支架11固定于连接部8靠近驱动轴5一侧，由锻钢或铸钢制成，其形状视实际情况而定，，所述棘爪支架11上固定设置棘爪固定轴12，用于固定所述棘爪13，所述棘爪固定轴12可以为转动轴，也可以为固定轴，更优选棘爪固定轴12和棘爪13为销轴连接，使二者可以自由转动；所述棘爪固定轴12可由锻钢或铸钢制成，支撑力度强；

所述棘爪13由棘爪固定轴12处向驱动轴5处缓慢变细，并且，所述棘爪13具有棘爪齿131，所述棘爪齿131优选为单齿，可以与驱动轴5的V形凹槽互相啮合啮合。同时，棘爪13弯曲具有弧度，可以承受所述棘爪13与驱动轴5互相啮合时产生的较大应力；所述棘爪13由铸钢或锻钢制成，能够加强棘爪13的机械强度，承受更大的应力。

在一种优选的实施方式中，所述棘爪固定轴12轴心到所述棘爪13与驱动轴5啮合接触面的垂直距离范围为30mm到50mm，最佳距离为40mm。

在一种优选的实施方式中，所述棘爪13上下边缘处两个弧的曲率半径大于35mm；在进一步优选的实施方式中，所述棘爪13上下边缘处两个弧的曲率半径为50mm；

在一种优选的实施方式中，所述棘爪13的厚度为3-10mm；在进一步优选的实施方式中，所述棘爪13的厚度为5mm。

所述棘爪13的尺寸可以根据实际情况而任意改变，以适应不同操作环境；并且，当棘爪13具有一定的弯曲度时，其承力能力较大，与驱动杆5的啮合作用强，锁死效果好。

并且，如图3所示，在棘爪13靠近驱动轴5一侧设置有棘爪从动轴14，用于连接连杆15；所述连杆15两端分别连接于棘爪从动轴14和棘爪主动轴17，棘爪从动轴14和棘爪主动轴17与连杆15相对运动，二者协调转动，带动连杆15上下运动，连杆15带动棘爪13完成与驱动轴5的啮合和脱离；；

在一种优选的实施方式中，所述连杆15由铸钢或锻钢制成；

在一种优选的实施方式中，所述连杆15中间为长方体，两端为半圆体，两半圆体的圆心距离为20-35mm，进一步优选为25mm。

图3中，所述连杆支架16由铸钢或锻钢制成，与控制组件2连接。所述连杆支架16还设置有棘爪主动轴17，所述棘爪主动轴17与连杆支架16固接，用于连接所述连杆15，所述棘爪主动轴17可以设置为转动轴，也可以设置为固定轴，连杆15和棘爪主动轴17还可以铰链连接，使二者能够相对转动；当控制组件2位移时，带动连杆支架16和棘爪主动轴17运动，为连杆15提供动力。

在本发明中，棘爪从动轴14、连杆15、连杆支架16和棘爪主动轴17把棘爪13与控制组件2连接起来，实现控制组件2对棘爪13的控制，使棘爪13既可以与驱动轴5啮合，又可以与驱动轴5脱离。

同时，本发明中，棘爪固定轴12、棘爪从动轴14和棘爪主动轴17的轴连接各自转动，保证了各个轴的自由旋转，同时结构简单，实现了对棘爪13的上下往复运动，也就是说，实现了棘爪13驱动轴5啮合和脱离的过程。

在一种优选的实施方式中，所述棘爪组件1为1-5个，周向均匀分布在驱动轴5四周；

如图4所示，在一种更优选的实施方式中，所述棘爪组件1为3个，周向均匀分布在驱动轴5四周。

棘爪组件1均匀分布在驱动轴5周围，能够对驱动轴5产生全面均匀的作用力；同时，棘爪13结构简单，最大程度降低对棘爪13的控制难度，因此降低了棘爪13发生事故的几率；棘爪齿131和驱动轴5的V形环形凹槽结构适配性高，接触面积大，作用力强，能够有效的实现对驱动轴5的啮合锁死功能。

并且，如图3所示，所述控制组件2包括止回衔铁21、弹簧22、止回线圈23和止回磁极24；所述止回衔铁21、弹簧22、和止回磁极24位于承压外壳4内侧，所述止回线圈23设置于承压外壳4外部下端。

在一种优选的实施方式中，所述止回衔铁21由软铁制成，其上端面为平面，所述平面固接于连杆支架16下方，在止回衔铁21下部接近驱动轴5一侧开设有凹槽，所述凹槽用于固定所述弹簧22，并用于与所述止回磁极24进行定位；

在一种优选的实施方式中，所述止回衔铁21的厚度为5-20mm；

在一种优选的实施方式中，所述止回磁极24与连接部8一体成型，其位于止回衔铁21下方，在止回磁极24上端接近驱动轴5一侧开设有凹槽，所述凹槽深度小于止回衔铁21下部开设凹槽的深度，并与止回衔铁21下部设置的凹槽共同使用，用于固定所述弹簧22，并用于和止回衔铁21进行定位；

所述止回衔铁21和止回磁极24环绕驱动轴5设置，在凹槽处共同夹持所述弹簧22，使弹簧22固定于凹槽内，防止其发生偏移；并且，通过凹槽与弹簧22的夹持连接，当弹簧发生弹性形变时，能够使所述止回衔铁21和止回磁极24产生相应的位移变化。

止回衔铁21和止回磁极24没有接触，两者之间具有一定距离。

在一种优选的实施方式中，所述弹簧22为合金钢制成的螺旋弹簧，套设于驱动轴5外周，其两端分别连接在所述止回衔铁21的凹槽顶部和所述止回磁极24的凹槽底部，所述止回衔铁21的凹槽顶部和所述止回磁极24的凹槽底部之间的距离小于所述弹簧22的自身长度，使弹簧22处于压缩状态。

在一种优选的实施方式中，所述止回线圈23设置于控制轴承压外壳4外部下端，并置于夹持线圈76下方，电缆组件3连接通电产生电磁感应，磁场驱动所述止回衔铁21和止回磁极24的吸合。

在一种更优选的实施方式中，所述止回线圈23与所述止回磁极24水平对应，能更最大程度产生电磁感应。

电缆组件3连接通电产生电磁感应，磁场驱动止回衔铁21和止回磁极24的吸合，并克服弹簧22的弹力作用，导致止回衔铁21的向下发生位移，带动连杆15向下发生位移，连杆15驱使棘爪13和驱动轴5脱离；

当反应堆发生事故工况或断电工况时，所述止回线圈23断电，所述止回衔铁21和所述止回磁极24磁性吸引力断开，所述弹簧22克服止回衔铁21的重力作用，弹性支撑所述连杆15向上运动，所述连杆15带动所述棘爪13发生位移，使所述棘爪13单向运动，实现与驱动轴5的啮合，所述棘爪13随驱动轴5向下运动，棘爪13带动连杆15向下运动，使弹簧22受力压缩；同时，所述弹簧22的弹力小于控制棒和驱动轴5的重力，在棘爪13与驱动轴5啮合作用时，不影响控制棒和驱动轴5依靠重力下降的速度。

控制组件2采用电磁控制，这与控制棒驱动机构10的提升线圈工作磁路类似，由于对提升线圈工作磁路研究充分，应用经验丰富，提高了控制组件2的可靠性。

图2中，所述电缆组件3，设置于承压外壳4的外部上端，并位于提升线圈72上方，所述电缆组件3包括电气连接件31和电缆导管32；

并且，所述电气连接件31通过所述电缆导管32连接所述提升线圈72、传递线圈74、夹持线圈76和所述止回线圈23，所述电气连接件31与控制中心连接，同时控制并给提升线圈72、传递线圈74、夹持线圈76和止回线圈23提供电力；所述提升线圈72、传递线圈74、夹持线圈76控制销爪完成对驱动轴5的提升和下落。

本发明中，电缆组件充分利用了原控制棒驱动系统的电气连接件和电缆导管，减少了对原控制棒驱动机构的改动幅度，同时实现了对本装置的控制作用。

本发明的另一个目的还在于提供一种控制棒驱动系统，所述系统采用本发明中的任一项装置，所述系统，

正常工况下，通过电气连接件31给止回线圈23通电，产生电磁回路，磁场驱动止回磁极24与止回衔铁21克服弹簧22的弹力产生吸合，在连杆15的带动下，棘爪13与驱动轴5脱离，通过给提升线圈72、传递线圈74、夹持线圈76配合通电，实现对驱动轴5的提升与下落；

事故工况下，提升线圈72、传递线圈74、夹持线圈76断电，止回线圈23通电，使控制棒和驱动轴5依靠重力迅速落入堆芯，然后止回线圈23断电，弹簧22弹出止回衔铁21，止回衔铁21上升，在连杆15作用下，棘爪13与驱动轴5啮合并相互作用，控制棒与驱动轴5的重力克服弹簧22的弹力继续下降，弹簧22弹力相对于控制棒和驱动轴5的重力可以忽略不计，基于棘爪13和棘爪支架11的作用，阻碍驱动轴5的上升，防止发生弹棒事故；

断电工况下，反应堆突然失去电源或者驱动系统失去外电源，提升线圈72、传递线圈74、夹持线圈76和止回线圈23同时全部断电，提升和下落驱动轴5的全部销爪与驱动轴5脱开，在弹簧22的弹力作用下，棘爪13与驱动轴5啮合，控制棒和驱动轴5靠自身重力克服弹簧弹力，迅速插入堆芯，因为相对于控制棒和驱动轴5自身重力，弹簧22的弹力可忽略不计，因此不会影响落棒速度。

通过上述研究，本装置实现了：正常工况下棘爪13与控制杆脱离，使驱动轴5可以自由提升与下落；事故工况下，棘爪13与驱动轴5啮合，防止弹棒事故的发生；同时本装置和系统可与多种相关设备配套使用，增加一道安全屏障，符合多样性原则和纵深防御原则。

本发明提供的装置和控制棒驱动系统还具有另外一个有益效果，当反应堆发生断电或事故，需要重启反应堆时，只需要对本装置的止回线圈23进行通电，即可实现棘爪13脱离驱动轴5，使反应堆正常工作，不需要任何拆卸装配和调修手段。因此，自动化和安全性更高。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。