长寿期小型棒控压水堆控制棒方案研究

小型棒控压水堆舍弃了可溶硼,并高度依赖控制棒与可燃毒物棒控制堆芯的反应性。为研究控制棒对堆芯关键性能的影响,本文以核动力破冰船用KLT-40模型为对象,以轴向功率偏移、堆芯寿期、燃料利用率与径向功率峰因子为指标,开展长寿期小型棒控压水堆控制棒布置与动作策略设计分析。首先,基于OpenMC程序开发带棒燃耗程序;其次,比较堆芯带控制棒与无控制棒运行时的堆芯寿期等指标;最后,分析不同动作策略对轴向功率偏移等指标的影响。结果表明:控制棒将堆芯寿期从590 EFPDs(等效满功率天,Effective full power days)延长至650~698 EFPDs;低价值棒组优先动作策略使轴向功率偏移程度由−0.69与+0.80分别下降至−0.29与+0.52。因此,要准确计算长寿期压水堆寿期必须采用带控制棒燃耗计算策略,并且通过合理的动作策略能够有效减小控制棒带来的轴向功率偏移。

控制棒对核动力航天器辐射屏蔽特性的影响

针对控制棒及其导向管贯穿阴影式屏蔽体的情况,本文进行了核动力航天器全场辐射屏蔽特性的分析,并提出局部屏蔽的优化方案。利用蒙特卡罗方法在核动力航天器全场范围内对中子与光子进行输运计算,求解得到控制棒吸收体处于不同位置时的中子注量率与光子剂量分布情况,分析了控制棒及其导向管对阴影屏蔽体的屏蔽特性及航天器全场辐射特性的影响,并针对辐射薄弱点提出了局部屏蔽优化方案,对优化后的方案进行了计算验证。结果表明:控制棒导向管垂直贯穿屏蔽体会导致仪器平台辐射剂量超限值,极端工况下光子剂量达到限值的10倍,中子注量达到了限值的1.8倍。利用局部屏蔽体可以有效消除控制棒导向管带来的辐射剂量超限问题,能在控制质量增幅的情况下保证仪器平台所处区域的辐射安全。

液力悬浮式控制棒落棒动力学特性研究

钠冷快堆中非能动停堆的控制棒下落规律和下落时间是控制棒设计的重要参数,是典型的水动力学问题。为解释钠冷快堆控制棒组件在落棒试验中的摆动和撞击现象,采用仿真软件动网格方法模拟研究了控制棒的下落过程,分析了影响控制棒下落规律的影响因素,提出了缓冲控制棒下落速度的方法,试验件落棒时间试验结果与数值模拟结果之间的误差为2.44%。主要结论:模拟发现控制下落过程出现晃动与偏心现象,降低控制棒重心可减缓晃动幅度;控制棒初始偏心及下落偏心对总体下落时间影响较小;缓冲杯底部小孔不影响缓冲效果,缓冲杯表面采用锯齿形沟槽结构可有效提高缓冲效果,锯齿形沟槽缓冲效果比矩形槽提高了47.2%。

基于振动信号的控制棒驱动机构滚轮早期故障诊断研究

针对现有研究未充分关注控制棒驱动机构(control rod drive mechanism,CRDM)的早期故障诊断问题、很难将故障特征定位至具体部件以及人工引入的故障样本与装备实际故障特征存在差异等不足,提出了一种基于振动信号的CRDM滚轮早期故障诊断方法:首先,利用寿命考核试验时机采集了某密封磁阻马达式CRDM的滚轮全寿命振动信号,基于经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)和Hilbert变换方法进行解调分析,获得与滚轮退化状态相关的模态成分;然后,采用时、频域分析方法获得了11个能够直接表征CRDM滚轮磨损状态的特征量,并根据退化趋势提取出与实际故障特征高度吻合的早期故障样本;最后,分别基于BP神经网络和支持向量机两种方法实现了CRDM滚轮早期故障的多特征智能诊断。结果表明:提取的滚轮早期磨损故障样本与实际运行过程保持了较好的一致性,证明所提CRDM滚轮早期故障诊断方法具有较强的工程应用价值。

基于一步法的重反射层反应堆启动物理试验控制棒价值校核计算研究

由于重反射层可减低中子泄漏从而提升中子经济性,因此某些大型先进压水堆采用重反射层减少临界尺寸来优化空间布局。由于重反射层与以往常用的围板水反射层差异较大,采用传统的两步法物理计算程序获得重反射层反应堆的精确中子学参数存在一定的难度,因此使用先进的一步法物理计算程序对重反射层反应堆启动物理试验控制棒价值展开了计算,计算结果表明,确定论一步法程序NECP-X计算结果与蒙特卡罗参考值吻合良好。

基于谐波参数化方法预测控制棒棒位

微型堆中控制棒棒位的准确探测对于微纳型核能系统的远程实时监测和无人化智能化运营至关重要,也会影响功率在线监测的精度。本文提出了一种谐波参数化方法,将高阶谐波拟合为控制棒棒位的多项式函数矩阵,构造探测器响应方程,通过搜索棒位以最小化残差来实现精准的控制棒棒位预测,同时可得到对应的高阶谐波及堆芯重构功率。基于棱柱式气冷堆模型完成验证,数值结果表明,预测棒位的平均偏差为1.6 cm,预测精度较高;相比于固定高阶谐波,节块级功率重构的最大均方根相对误差从6.1%降至3%以内,最大相对误差从14.5%降至5%以内。这些结果验证了谐波参数化方法预测控制棒棒位以及改善堆芯功率重构精度的可行性,并为后续气冷微堆在线监测及故障诊断提供了一种思路。

关于核电厂压力容器顶盖热套管磨损下沉导致控制棒卡涩问题的研究

热套管在国内被认为是控制棒驱动机构的部件之一,其吊挂在驱动机构密封壳底部,采用非固定式安装结构形式。欧美核工业界一般把热套管视为压力容器顶盖的内部构件之一,对控制棒驱动杆起导向作用,同时对顶盖贯穿件起保护作用。在冷却剂的流动冲击下,热套管会发生振动并与密封壳底部互相磨损,致使热套管下沉甚至断裂,从而可能会导致控制棒卡涩。此类问题对于我国M310及其改进型机组具有较高的反馈价值。本文将分析国内外核电厂压力容器顶盖热套管磨损下沉导致控制棒卡涩问题的研究现状、事件原因和维修策略,并提出合理建议。

控制棒驱动机构楔形迷宫密封组件设计与密封性能研究

控制棒驱动机构(CRDM)与压力容器管座之间通常采用焊接连接,针对堆芯换料导致的拆卸不便以及二次焊接时密封性能变差等问题,对控制棒驱动机构的连接形式进行了研究,提出了一种便于维修和利于拆卸的楔形迷宫密封结构。首先,引入了迷宫密封的设计理念,加入了楔形密封结构,采用钢制压力容器的设计标准,计算了工况下控制棒驱动机构所需的最小壁厚和热压载荷耦合作用下的临界屈服温度;然后,应用有限元方法模拟了C形环工作状态,研究了金属C形环的回弹特性及密封面状态;最后,针对楔形迷宫密封组件开展了泄漏率试验和热循环试验。研究结果表明:工况下的最小壁厚为10 mm,临界屈服温度为72.5℃;C形环尺寸越大,最大线比压值越小,密封面的贴合程度越高;楔形迷宫密封组件的泄露率小于1.0×10-6 Pa·m 3/s,能够满足多次拆卸工况下的密封要求。

考虑控制棒燃耗效应的微观燃耗方法研究

控制棒长期处于堆芯内参与反应性控制需要考虑其燃耗效应,文章基于组件均匀化的两步法计算框架,通过分材料区的均匀化及燃耗模型计算获得燃料区和控制棒区的均匀化少群微观截面和核数密度,在堆芯层面独立地求解两区的燃耗方程,提出可考虑控制棒燃耗效应的微观燃耗方法。针对3×3栅元问题对改进的微观燃耗方法开展验证。数值结果表明,考虑控制棒燃耗效应的微观燃耗方法可模拟控制棒燃耗与移动效应,但对于复杂的控制棒移动下燃耗过程,需要精确的控制棒微观截面计算才能获得较高的计算精度。

不同环境控制棒包壳–平面微动磨损有限元分析

控制棒包壳的磨损问题在核反应堆的安全运行中扮演着至关重要的角色。本研究旨在深入探讨控制棒包壳的磨损机制及其影响因素,以提高反应堆的安全性和性能。本研究基于E. Marc等试验测量的摩擦系数和磨损系数,利用商业有限元分析软件ABAQUS,建立了控制棒包壳与接触区域的模型。分析过程中,采用能量磨损模型,同时借助UMESHMOTION子程序和ALE自适应网格方法,实现了磨损表面的动态更新。在确保计算结果准确性的前提下,对比了二维与三维模型,最终选择了计算效率更高的二维模型进行分析。本研究进一步探讨了加速因子、摩擦系数和分析步长对计算结果的影响,确立了合理的参数设置,为控制棒磨损演化规律的研究提供了基础。通过对不同工况下磨损深度分析,得出了如下主要结论:适当的液体润滑对于减少包壳磨损非常重要。研究结果不仅直观地展示了不同环境下的控制棒包壳磨损行为,而且为控制棒寿命预测和优化设计提供了宝贵的基础。

控制棒导向套筒内外部的视频检测

基于核电厂对控制棒导向卡磨损测量和锁紧杯视频检查的现实需求,通过对控制棒导向套筒内外部结构和检查环境的分析,提出了相应的视频检查方案,开发了导向卡磨损测量装置和锁紧杯视频检测装置,对其机器视觉测量技术进行了分析,并成功应用于核电站的在役检查,指导了相关磨损严重控制棒导向套筒的更换。

反应堆内置式控制棒滚动轴承磨损寿命的自动预测

提出一种反应堆内置式控制棒滚动轴承磨损寿命自动预测方法,通过研究滚动体间的接触关系计算滚动轴承内部滚道的接触力,根据轴承的磨损形式和内部滚道的接触力计算径向游离缝隙增量,将其作为评估滚动轴承磨损程度的指标计算得到磨损速率。结合轴承的初始状态建立轴承磨损退化函数,利用退化函数失效阈值计算出滚动轴承的最小健康指数,得到滚动轴承在特定磨损形式下的寿命估计,实现轴承磨损寿命的自动预测。实验表明:所提方法可以有效预测轴承的磨损寿命,且准确度较高。

核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝组织和性能研究

试验采用专用自动TIG焊机焊接核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝,选用机械加工Y形环作为填充材料,研究Canopy焊缝组织和性能。结果表明:通过自动TIG焊,机械加工Y形环熔成的Canopy焊缝,成形良好,宽度适中,焊缝与母材冶金熔合良好;焊缝组织主要由板条状或骨架状铁素体与快速凝固的柱状奥氏体组成;经23.1~23.3MPa水压试验,Canopy焊缝表面无渗漏,无可见变形;维氏硬度结果表明:焊缝硬度在210HV左右,焊缝硬度分布均匀。该研究为核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝用机械加工Y形环提供了宝贵的经验。

基于OpenCV的核电站控制棒驱动机构管口识别技术研究

本文研究了基于OpenCV的核电站控制棒驱动机构管口识别技术,在核电站反应堆压力容器顶盖的在役检查过程中,利用机器视觉技术实现控制棒驱动机构(CRDM)的管口自动识别具有重要意义。本研究使用OpenCV计算机视觉库,采用灰度化处理、滤波处理对图像进行预处理,通过霍夫变换算法实现管口的识别,以期提高反应堆压力容器顶盖检查的检测效率,缩短检测时间,为反应堆压力容器顶盖检查系统的自动化控制工作提供有效参考。

中国先进研究堆控制棒驱动机构定型样机试验验证

中国先进研究堆(CARR)是一座轻水冷却、重水慢化、反中子阱型多用途研究堆。该堆采用全封闭的可动线圈磁力连接控制棒驱动机构。在CARR原驱动机构和1#、2#改进型原理样机的基础上,设计了基于2.5 mm厚度密封筒的改进型驱动机构,加工了用于定型验证的定型样机,设计加工了相关的试验台架,对定型样机的性能进行了严格的试验验证。

控制棒驱动机构工作线圈在线寿命评估方法研究及算法实现

现有压水堆控制棒驱动机构通过定期测量工作线圈进行电阻或绝缘电阻的方法,只能提供有限的监测和诊断信息,无法对工作线圈的性能变化过程进行完整评估。基于现有控制棒驱动机构工作线圈热寿命方程,研究并设计一套可用于开展工作线圈在线寿命评估的方法;通过采集线圈工作电压及工作电流,获得实时的工作线圈电阻,并换算为工作线圈实时工作温度,将实际工作时长折算为工作线圈热寿命消耗时长。最终达到对控制棒驱动机构工作线圈进行在线寿命预测及评估的目的。

基于SARCS-4的控制棒轴向分区计算功能开发及验证分析

在商用压水堆中常采用控制棒轴向分区设计以提升控制棒的反应性开展能力,如美国CASL计划中的VERA堆芯,BEAVRS堆芯以及AP1000堆芯等。因此,核设计软件需要具备控制棒轴向分区的计算能力。压水堆堆芯核设计常采用两步法,即先进行二维组件输运计算得到组件均匀化的群常数,再进行三维堆芯扩散计算。文章在基于两步法的压水堆堆芯核设计程序系统SARCS-4中开发了针对轴向分区控制棒的计算功能,并应用于控制棒轴向分为两区的VERA基准题堆芯的控制棒价值计算。计算结果表明,SARCS-4程序对控制棒轴向分区的堆芯计算正确,可用于堆芯核设计。

核电站控制棒驱动机构电源系统建模及故障分析

大型核电站控制棒驱动机构的电源系统由两台带飞轮的电动发电机组成,励磁方式包括自并励和相复励。某自并励机型棒电源系统曾发生一机失磁,与之并联的另一机过流保护抢先动作的严重事故。实际核电站中大量棒电源系统采用相复励机型,为了探究此次事故原因并判断棒电源系统中是否存在保护失配的共性风险,有必要对相复励棒电源系统故障特点进行研究。文中从相复励系统的全补偿公式出发,理论分析了机端短路电流变化趋势与相复励系统参数的关系,然后建立了棒电源系统的PSCAD模型。发现机端短路故障的仿真计算与理论分析相吻合,并通过动模机组单机机端短路实验共同验证了仿真模型的正确性。文中仿真分析了棒电源系统单机失磁时的故障特点,提出利用稳态等效电路估算棒电源系统失磁故障时机端电流的大小。结合制造厂家的真机实验验证了估算方法的有效性,同时说明了事故棒电源系统过流与失磁保护失配的原因,为核电棒电源系统保护装置改造奠定了基础。

核电站控制棒电源系统发电机失磁故障解析

核电站控制棒电源(简称棒控电源)是控制棒驱动机构的唯一供电系统,确保该系统的安全可靠运行对提高核电站安全性具有重大意义。实际运行的棒控电源系统中发电机的失磁保护判据原理简单,现场发生了多起失磁保护失配事件,且棒控电源系统中发电机的运行状态不同于常规并网发电机;为了有效解决失磁保护失配问题,需对棒控电源系统中发电机的失磁故障进行重新解析。首先,根据转差率和功角特点将失磁发展历程划分为等功角阶段、异步运行阶段和周期异步运行阶段;其次,以发电机等效电路及相量图为基础,以q轴电动势为切入点,结合发电机基本方程,由各阶段q轴电动势的变化解析得到各电气量稳态表达式;最后,通过实际机组的失磁实验数据以及基于PSCAD平台的失磁故障仿真,全面验证了解析结果的正确性。该文给出的失磁故障解析过程为棒控电源系统发电机失磁保护方案的制定奠定了理论基础。

核电站控制棒电源系统相复励发电机短路故障的解析计算

针对核电站控制棒电源系统,现有保护仅采用以额定电流为定值的定时限过流保护作为短路后备保护,导致该系统已发生多起过流保护抢先动作与失磁保护失配的事件。解决保护失配问题的关键在于对控制棒电源系统发电机短路故障电流的准确解析,解析重点在于考虑发电机实际采用的相复励无刷励磁方式对故障电流的影响,而相复励励磁电流由并励电压对应的励磁分量和复励电流对应的励磁分量合成产生。经过合理的假设与模型简化,结合发电机基本方程和励磁系统数学模型,推导得到了并励电压分量作用下的三相短路电流。引入复励电流分量作用,根据励磁电流变化对短路电流进行修正,得到了包含暂态分量和稳态分量的相复励发电机三相短路电流时域解析表达式。由正序等效定则扩展得到两相短路电流的时域解析表达式。基于PSCAD/EMTDC平台建立了控制棒电源系统电磁暂态模型,对理论分析结果进行了验证,进一步对保护优化方法进行了讨论。