高溫堆示范工程控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1:1工程驗(yàn)證試驗(yàn)完成
清華新聞網(wǎng)10月13日電 10月3日，在清華大學(xué)核研院高溫氣冷堆工程實(shí)驗(yàn)室，高溫堆示范工程一回路重要設(shè)備控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)順利完成1:1熱態(tài)工程驗(yàn)證試驗(yàn)。該試驗(yàn)歷時(shí)4個(gè)多月，控制棒累積行程超過(guò)100千米，相當(dāng)于在實(shí)際反應(yīng)堆中運(yùn)行80年，驗(yàn)證了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可行性及在反應(yīng)堆條件下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。這是高溫氣冷堆核電站重大專(zhuān)項(xiàng)取得的又一重要技術(shù)成果。
控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是保證高溫氣冷堆核電站運(yùn)行控制，如反應(yīng)堆啟動(dòng)、熱停堆、冷停堆及功率調(diào)節(jié)等的關(guān)鍵設(shè)備之一?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要工藝和設(shè)備均由清華大學(xué)核研院獨(dú)立設(shè)計(jì)、研發(fā)，并由上海第一機(jī)床廠(chǎng)有限公司制造完成，關(guān)鍵部件及工藝全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工程試驗(yàn)樣機(jī)于2011年5月完成出廠(chǎng)驗(yàn)收，樣機(jī)在結(jié)構(gòu)、材料、制作工藝、運(yùn)行環(huán)境等方面均與工程產(chǎn)品一致，確保了工程驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。
控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)冷態(tài)性能驗(yàn)證試驗(yàn)于2011年6月至2012年1月在中核能源科技有限公司工程研發(fā)中心完成。隨后，2012年在清華大學(xué)核研院先進(jìn)反應(yīng)堆工程實(shí)驗(yàn)室建成控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工程驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)，同年12月，開(kāi)始進(jìn)行控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)熱態(tài)工程驗(yàn)證試驗(yàn)，至2014年10月完成熱態(tài)試驗(yàn)，控制棒累積運(yùn)行行程達(dá)到103000米。這一行程壽命超過(guò)了反應(yīng)堆運(yùn)行40年所要求的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)行程壽命的2倍，大部分重要零部件的行程壽命已經(jīng)達(dá)到120年。
按照法規(guī)要求，環(huán)保部有關(guān)監(jiān)管部門(mén)分別于2011年12月及2014年6月對(duì)冷態(tài)及熱態(tài)試驗(yàn)中的安全相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的質(zhì)量控制進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果認(rèn)為試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果均滿(mǎn)足試驗(yàn)大綱要求。
項(xiàng)目實(shí)施近6年以來(lái)，清華大學(xué)的科研人員積極探索，中核能源科技有限公司主動(dòng)協(xié)調(diào)，與設(shè)備制造廠(chǎng)聯(lián)合攻關(guān)，攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題。
首先是固體潤(rùn)滑工藝研究?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在大量機(jī)械摩擦副，例如各類(lèi)軸承、齒輪、蝸輪、蝸桿、鏈輪以及控制棒鉸關(guān)節(jié)等，這些摩擦副長(zhǎng)期工作于反應(yīng)堆一回路的高溫氦氣中，且需承受較高的累積輻照劑量，反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法停機(jī)拆卸進(jìn)行部件的再潤(rùn)滑。為保證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在苛刻的工況下穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，課題組針對(duì)不同零部件形狀、不同的摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式以及不同的涂層功能要求，開(kāi)展了多種涂層制備工藝（冷噴涂、熱噴涂、真空鍍等）及多種涂層材料（有機(jī)、無(wú)機(jī)及陶瓷涂層，類(lèi)金剛石、氮化鈦、碳化鎢等多種薄膜）的試驗(yàn)研究，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索積累，逐一取得突破。高溫?zé)o油潤(rùn)滑軸承的研發(fā)是其中較為典型的案例：在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用大量軸承，針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的軸承磨損、卡澀、保持架破裂、使用壽命短等問(wèn)題，總計(jì)提出了11種設(shè)計(jì)方案，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，目前采用的軸承在高溫氦氣條件下的壽命超過(guò)2000萬(wàn)圈，完全滿(mǎn)足示范電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)500萬(wàn)圈軸承使用壽命的要求。高溫?zé)o油潤(rùn)滑軸承也是吸收球停堆系統(tǒng)、燃料裝卸系統(tǒng)等面臨的共性問(wèn)題，這一成果為有關(guān)系統(tǒng)的軸承研發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
其次是特種電機(jī)研發(fā)。為減少非計(jì)劃停堆次數(shù)，提高高溫堆示范工程的經(jīng)濟(jì)性，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)為雙繞組電機(jī)，同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)可自動(dòng)切換至熱備份驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命在150℃、7兆帕氦氣環(huán)境下不少于10年。由于持續(xù)承受高頻脈沖（PWM）電壓沖擊，電機(jī)在試驗(yàn)中多次發(fā)生匝間擊穿現(xiàn)象，為解決這一問(wèn)題，課題組從漆包線(xiàn)選材、繞組浸漆工藝及層間絕緣工藝設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提高了電機(jī)在常壓氦氣氣氛下的絕緣性能，同時(shí)通過(guò)濾波設(shè)計(jì)抑制了電機(jī)繞組端的高頻脈沖（PWM）過(guò)沖電壓。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)在熱態(tài)氦氣條件下累計(jì)運(yùn)行超過(guò)了1000小時(shí)，解決了電機(jī)高溫絕緣失效、匝間短路等問(wèn)題，通過(guò)了試驗(yàn)考核。
此外，針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)線(xiàn)進(jìn)行了多項(xiàng)局部的設(shè)計(jì)改進(jìn)。包括：改進(jìn)齒輪制造工藝，增強(qiáng)其耐磨性；改進(jìn)鏈輪-鏈條的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，解決了鏈輪磨損問(wèn)題；改進(jìn)碟簧減震器設(shè)計(jì)，避免了堵鏈等。所有改進(jìn)工藝都在熱態(tài)工程驗(yàn)證試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。
至此，高溫堆示范工程控制棒產(chǎn)品設(shè)計(jì)完全定型，制造廠(chǎng)家上海第一機(jī)床廠(chǎng)有限公司將按照有關(guān)質(zhì)保程序開(kāi)始示范工程控制棒產(chǎn)品的制造。
供稿：核研院 編輯：蕾蕾
