一、核反應堆堆型演變

1.世界核反應堆的發(fā)展

第一代核反應堆，主要是1970年前投入運行的各種原型堆（電輸出功率300MW以下）;第二代核反應堆，主要是1970年至1995年投入運行的各類商用反應堆（壓水堆、沸水堆、重水堆等）;第三代核反應堆，主要以沸水堆ABWR，壓水堆AP600、AP1000和EPR，模塊式高溫氣冷堆為代表的先進核反應堆，預計在2010～2015年期間投入運行;第四代核能系統(tǒng)，主要以核反應堆和燃料循環(huán)方面的重大創(chuàng)新和開發(fā)作為目標，以超高溫堆、氣冷快堆、超臨界水冷堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆和熔鹽堆為主要研究對象，目前尚處在技術和經(jīng)濟性論證階段，預計開發(fā)工作不遲于2030年。

2.我國核反應堆的發(fā)展

第二代核反應堆，主要是在汲取法國和俄羅斯第二代核反應堆運行經(jīng)驗基礎上先后建成的300MW～1000MW的秦山核電站、大亞灣核電站、江蘇田灣核電站等11座成熟商業(yè)運營的壓水堆機組，總裝機容量超過910萬kW。

第三代核反應堆，主要是指我國正在建設中的AP1000和EPR先進壓水堆型以及自主研發(fā)的200MW商用高溫氣冷堆。

二、控制棒驅動機構

控制棒驅動機構是核電站反應堆控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)的一種伺服機構。控制棒驅動機構的具體功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒，以完成反應堆啟動、調節(jié)反應堆功率、維持功率、停止反應堆和事故情況下的快速停堆（又稱為事故快插、事故落棒），它是核反應堆的重要動作部件，也是直接影響核反應堆正常運行和安全可靠的關鍵設備之一。

目前全世界運行中的壓水堆型采用的控制棒驅動機構類型主要有三類：即磁力提升、滾珠螺母絲杠和齒輪齒條。前些年，在某些壓水堆中常常同時選用磁力提升和齒輪齒條兩種機構，以磁力提升作為全長控制棒組件的驅動機構，以齒輪齒條副作為短棒組件的驅動機構。近年來，德、美、法等國的商業(yè)壓水堆核電站均取消了短棒組件及其驅動機構，而只選用磁力提升型作為全長控制棒組件的驅動機構。

磁力提升型控制棒驅動機構與其他型式相比，具有結構簡單、制造方便、提升力大、磨損小、壽命長、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。同時，即使關鍵零部件發(fā)生故障，也能快速停堆。因此，磁力提升型控制棒驅動機構得到了廣泛應用。

由于運行過程中各種內(nèi)、外因素均會引起反應性變化，故控制棒動作十分頻繁，因此要求控制棒驅動機構在反應堆運行過程中不發(fā)生故障。同時，考慮到反應堆要裝換料，驅動軸應使控制棒組件能夠遠距離裝拆；再加上壓水堆的高壓密封要求，給控制棒驅動機構的設計和制造提出了如下要求：

(1)反應堆正常運行時，要求控制棒的移動速度約為10mm/s；在快速停堆或事故工況時要求得到停堆信號后能自動脫開控制棒組件，使控制棒靠自重快速插入堆芯，從得到信號到控制棒安全插入堆芯的緊急停堆時間不超過2s。穩(wěn)定運行時，控制棒能夠被夾持而停留在一定位置上；失去電源時應自動落棒。

(2)控制棒驅動機構設計壽命應與反應堆壽命相同，壽命期末仍應具有運轉能力。

(3)控制棒驅動機構運行應平穩(wěn)，無異常噪聲，不允許發(fā)生失步、打滑、無法提升和卡棒等異?，F(xiàn)象。

(4)控制棒驅動機構應具有足夠的超載提升能力和抗沖擊耐震動的能力。

(5)控制棒驅動機構結構應該緊湊，裝卸、維修方便，且造價低廉。

1、第二代壓水堆控制棒驅動機構結構

目前，我國運行的第二代壓水堆核電機組均使用磁力提升型控制棒驅動機構。其中，300MW核電機組的控制棒驅動機構是37臺，600MW核電機組的控制棒驅動機構是33臺，1000MW核電機組的控制棒驅動機構是61臺。每臺控制棒驅動機構由鉤爪組件、驅動桿組件、耐壓殼、磁軛線圈組件和棒位探測器組件這五大部件組成。控制棒驅動機構通過耐壓殼安裝在反應堆壓力容器頂蓋的管座之上，用螺紋聯(lián)結后再進行Ω密封焊接，使得控制棒驅動機構穩(wěn)穩(wěn)地豎立在反應堆容器頂蓋上。

(1)驅動桿組件（見圖1）

驅動桿組件從鉤爪組件的內(nèi)孔通過，由驅動桿、可拆接頭、拆卸桿等零件組成。驅動桿是一根外圓表面加工有環(huán)形齒槽的空心管材，驅動桿的內(nèi)部有一根拆卸桿，下端是一個兩半的帶環(huán)齒的可拆接頭。拆卸桿的最上端有一個拆卸鈕，其最下端有一個定位塞頭。在堆芯重新裝料后，通過拆卸專用工具拉起拆卸桿，定位塞頭從兩半的可拆接頭內(nèi)提出，再將驅動桿插入控制棒組件連接柄的孔內(nèi)，然后壓下拆卸桿，將定位塞頭插入可拆接頭，使可拆接頭張開而與連接柄的內(nèi)齒槽嚙合，這樣驅動桿便牢固在控制棒星形架的連接柄上；驅動桿的外表面通過這些環(huán)形齒槽與鉤爪部件中的鉤爪動作的嚙合，帶動下部連接的控制棒組件進行提升、下降、保持或落棒運動（見圖2）。

在反應堆運行時（包括落棒），驅動桿與控制棒組件一直保持連接，只有在移開壓力容器頂蓋后才能將驅動桿組件與控制棒組件進行連接或拆除。在反應堆換料時，通過拆卸專用工具將驅動桿與控制棒拆開，驅動桿組件隨上部堆內(nèi)構件一起吊出（驅動桿下部外壁上有一凸環(huán)可懸掛在控制棒導向管連續(xù)段下部的凸肩上），控制棒組件仍然留在燃料組件內(nèi)。

(2)鉤爪組件（見圖4及圖5）

鉤爪組件主要由兩組鉤爪組件（每組3個鉤爪）、三對電磁鐵和一個套管式支撐結構組成。

圖1 驅動桿組件

圖2 驅動桿

圖3 可拆接頭

三對電磁鐵的吸合或彈開，通過連桿機構，帶動兩組鉤爪與驅動桿齒槽的嚙合、脫開和升降動作。

鉤爪與驅動桿的齒槽嚙合設計為不自鎖，以便當所有電源都切斷時，驅動桿連帶控制棒組件在重力作用下能快速插入堆芯，確保堆芯運行的安全。

圖4 鉤爪組件

圖5 鉤爪組件零件

(3)耐壓殼

耐壓殼是反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的組成部分，其腔體內(nèi)充滿高溫高壓下的反應堆冷卻劑。同時，殼內(nèi)安裝鉤爪組件和驅動桿組件，并為鉤爪組件提供機械支撐，為驅動桿組件提供行程空間；耐壓殼外安裝線圈組件和棒位探測器組件，并為這兩個組件提供機械支撐。耐壓殼由密封殼體和驅動桿行程套管組成。

密封殼體是一個帶有環(huán)形底座的圓筒，采用螺紋連接并用Ω密封焊接，永久性地固定在貫穿反應堆壓力容器頂蓋的管座上。在密封殼外表面上，沿著各線圈的端部，留有放置導磁環(huán)的溝槽，用作磁力線通道來傳遞信號給里面安裝的鉤爪組件進行提升、下降、保持及落棒運動并避免對相鄰機構的寄生作用（見圖6）。

驅動桿行程套管組件由驅動桿行程套管和端塞兩部分組成，驅動桿行程套管的兩端分別采用螺紋連接并用Ω密封焊接方式與下部的密封殼和上部的端塞相連接。端塞上安裝有排氣閥和吊環(huán)螺栓。排氣閥是在反應堆冷卻劑系統(tǒng)充水時候提供排氣功能，而吊環(huán)螺栓是在運輸、安裝與拆卸控制棒驅動機構時提供吊裝功能（見圖7）。

圖6 密封殼體

圖7 行程套管

(4)磁軛線圈組件（見圖8）

磁軛線圈組件是驅動機構的動力部件，它由四個磁軛殼體、三個工作線圈組件和導線管等零件構成，坐落在密封殼體的錐面上。三個工作線圈組件由上而下依次是提升線圈、移動線圈和保持線圈，其引出線共同經(jīng)過一個細長的引線管引出，通過近耐壓殼頂部的一個電連接器與棒控系統(tǒng)進行連接。三個工作線圈組件根據(jù)棒控系統(tǒng)給定的電流程序通/斷電，通過磁軛殼體和密封殼體外表面上安裝的導磁環(huán)使密封殼體內(nèi)的鉤爪組件產(chǎn)生感應電磁力變化，最終操縱密封殼體內(nèi)的兩組鉤爪組件做如下程序規(guī)定的動作來帶動驅動桿組件及其下部連接的控制棒組件進行提升、下降、保持及落棒運動：

① 提升線圈通電，使移動鉤爪提升；提升線圈斷電，使移動鉤爪下降；

② 移動線圈通電，使移動鉤爪與驅動桿環(huán)形槽嚙合；移動線圈斷電，使移動鉤爪擺出，脫離嚙合；

③ 保持線圈通電，使保持鉤爪與驅動桿環(huán)形槽嚙合；保持線圈斷電，使保持鉤爪擺出，脫離嚙合。

套在三個工作線圈組件外面的磁軛殼體是由四個帶方形底座的棱柱形零件組成，彼此間的聯(lián)結面都位于每個線圈中部的平面上，而最底部磁軛殼體擱置在密封殼體外表面的法蘭上，它們提供了機械保護、散熱和構成磁通路的作用（見圖10）。

圖8 磁軛線圈組件

圖9 磁軛殼體

圖10 工作線圈組件

(5)棒位探測器組件（見圖11）

棒位探測器組件安裝在驅動桿行程套管組件外面，由棒位探測線圈及內(nèi)外套管等零件組成。內(nèi)外套管為棒位探測線圈提供支承和保護作用。棒位探測線圈由一個初級線圈和一組次級線圈組成。驅動桿的移動影響初級和次級線圈之間的耦合，由此影響次級線圈兩端的電壓，次級線圈的電壓由數(shù)字處理裝置轉換成棒位指示。

棒位探測器組件通過電連接器和電纜與棒位指示系統(tǒng)連接，棒位指示系統(tǒng)通過對棒位探測器的電信號進行處理后，可以直接顯示控制棒組件在堆芯的實際位置。而在全行程落棒時，還可以用于測量控制棒組件的落棒時間。

2.三代壓水堆控制棒驅動機構的結構

我國目前引進的第三代AP1000壓水堆控制棒驅動機構結構與目前運行的第二代壓水堆控制棒驅動機構基本相似，并通過如下結構變動來提高反應堆的安全性。

(1)驅動桿行程套管組件由原來的驅動桿行程套管與端塞的螺紋連接加Ω焊接的方式改為驅動桿行程套管盲孔加工方式，降低了由于先前Ω焊接可能存在的泄漏風險；

(2)密封殼體與原來貫穿反應堆壓力容器頂蓋的管座的螺紋連接加Ω焊接的方式改為密封殼體與反應堆壓力容器貫穿件的異種金屬對接焊，降低了由于先前Ω焊接可能存在的泄漏風險；

圖11 探測器組件

(3)鉤爪組件中的鉤爪零件結構由原來的單齒改為了雙齒結構，降低了失步、打滑、無法提升以及卡棒異常現(xiàn)象發(fā)生的概率。

三、控制棒驅動機構的制造

由于控制棒驅動機構是一個機電傳動裝置，其材料大致分為金屬不銹鋼和特種電工絕緣耐高溫材料，這兩類材料在加工過程中具有各自的難點。

1.第二代壓水堆控制棒驅動機構的制造

第二代壓水堆核電項目控制棒驅動機構設備上的制造難點如附表所示。

附表

2.第三代壓水堆控制棒驅動機構的制造

目前正在積極通過第三代AP1000項目的技術轉讓和重大科技攻關項目來突破以下三個由于壓水堆控制棒驅動機構結構變化所新增的制造難點：

(1)驅動桿行程套管長達5m的盲孔深孔加工；

(2)密封殼體內(nèi)45。斜面孔的加工；

(3)密封殼體與反應堆壓力容器貫穿件的異種金屬對接焊接及焊后機加工。