[发明专利]一种用于液态重金属冷却反应堆的反应性控制机构

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆装备领域，具体涉及一种反应性控制机构。

背景技术

反应性控制机构是实现对反应性有效控制，以及反应堆安全运行的关键设备，包括控制棒驱动机构、控制棒组件、棒位测量机构、落棒缓冲机构等。控制棒驱动机构带动控制棒组件在堆芯中上下运动，实现反应性控制，在停堆事故工况下，控制棒组件在重力作用下快速落入堆芯，实现紧急停堆。

针对第四代核能系统重要堆型之一液态重金属冷却反应堆，其冷却剂自身的特性对反应性控制机构的功能实现提出了巨大的技术挑战，其密度高于控制棒组件的平均密度，难以直接实现控制棒组件在冷却剂中的快速下落及稳定自立。为解决高密度冷却剂带来的技术难题，目前主要有进行控制棒组件配重和浮力驱动上浮2种控制方式。例如，欧洲ELFR铅冷堆分别采用气体和浮力驱动的控制方式：针对气体驱动方式，从堆芯顶部向下驱动控制棒组件插入活性区，以实现反应性控制及停堆操作，同时对控制棒组件进行钨配重，以保证在气动系统失效时实现自然落棒；针对浮力驱动方式，使控制棒组件在自身浮力作用下从堆芯底部向上驱动插入活性区。另外，欧洲ALFRED铅冷快堆设计方案中，提出采用电机和浮力驱动的控制方式：针对电机驱动方案，采用步进电机通过丝杠-螺母传动机构带动控制棒组件在堆芯中运动，在停堆事故工况下，通过对电磁铁断电而使吸合衔铁脱开控制棒组件，对控制棒组件进行钨配重，以确保控制棒组件能够迅速落入堆芯活性区；浮力驱动方式与ELFR方案相同。

控制棒组件配重和浮力驱动上浮2种设计方案均存在一定的问题。对于前者，控制棒组件是浸没在冷却剂中运动的，为确保控制棒组件能够在自身重力作用下快速落入堆芯，那么控制棒组件的平均密度需远大于冷却剂，适合的配重材料主要为钨(密度为19.1g/cm³)或钽(密度为16.6g/cm³)，所需配重材料用量大，对反应性控制机构的驱动荷载提出了更高的要求(大于500kg)。对于后者，必须预留出组件上浮的空间，增加了反应堆主容器高度及相应的工程造价，同时难以检测上浮过程中的棒位。

除此之外，在高温、高辐照的堆内环境下，实现对棒位的精确测量也是反应性控制机构的重要问题。例如，申请人为清华大学的发明专利《高温气冷堆控制棒驱动机构》(公开号：102214487A)中提出将环链机构和棒位测量机构设置在减速机构的输出轴上，通过测量环链机构的转动角度而间接测量棒位，而无法直接读取控制棒的直线位移，可能导致较大误差。

同时，现有方案尚未考虑到长期运行过程中，堆内各类蒸汽(如铅蒸汽)，可能扩散至驱动机构的机械结构中发生凝结从而导致卡棒事故。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种反应性控制机构，能够在液态重金属冷却剂中实现控制棒组件的正常运动及下落停堆，能够防止堆内高温、强辐照环境对棒位测量的影响，并可避免堆内蒸汽扩散凝结导致事故。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种反应性控制机构，包括主轴电机，所述主轴电机通过减速机构与传动机构连接，所述传动机构包括传动螺母以及传动丝杆，所述传动丝杆的上杆端与抓手电机的转轴连接，传动丝杆与传动螺母配合，所述传动螺母上设置有下落组件，所述传动丝杆的下杆端设置有顶杆，所述减速机构与传动丝杆连接，主轴电机转动并连动所述下落组件上下移动，所述下落组件上设置有落棒执行机构，所述下落组件与控制棒组件通过所述落棒执行机构进行连接或脱开，所述下落组件下方安装有配重机构，配重机构的配重材料密度高于冷却剂，当所述下落组件与所述控制棒组件连接，双重配重同时作用于落棒过程；当所述下落组件与所述控制棒组件脱开，所述控制棒组件自立于冷却剂中。

本发明还存在以下特征：

所述下落组件上还设置有棒位测量机构，所述棒位测量机构与所述下落组件通过齿条或链条连接，所述下落组件在运动过程中通过齿条或链条带动测量齿轮转动，测量齿轮的转动角度用于测量控制棒的棒位。

所述传动机构、落棒执行机构以及顶杆设置在外壳内，所述外壳的下端设置有安装板，所述安装板与下落组件之间设置有密封结构，所述密封结构用于隔绝通入气体将内部重金属蒸汽排出。

所述控制棒组件的下端设置有落棒缓冲机构，所述落棒缓冲机构用于在落棒时实现对所述下落组件以及所述控制棒组件的缓冲。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：