在核反应堆中，知道控制棒在反应堆芯中插入的程度很重要。反应 堆芯的能量输出与控制棒的插入程度直接有关。术语“控制棒”在这里 用来包括任何位于反应堆中改变反应堆反应率的部件。这样，它包括除 了正常控制使用以外起其它作用的棒。词语“棒”、“部件”以及“控 制件”在本发明中与“控制棒”是同意词。
当完全插入堆芯中时，控制棒位于包括核裂变材料的核燃料部件附 近中，通常，反应堆芯中子数量越多，燃料原子裂变发生的次数就越多， 这样释放的能量就越多。表现为热量的能量由流过反应区并流向一热交 换器的冷却剂带出反应区，在热交换器处来自反应堆冷却剂的热量用于 产生蒸汽，驱动汽轮机，将热能转变为电能。为了减少核反应堆的能量 输出，由吸收中子的材料制成的控制棒插入通常称为堆芯的反应区中。 控制棒的数量越多并且控制棒在反应区插入越深，能吸收的中子数就越 多，这样，反应堆的能量输出就会下降。相反，为了增大反应堆的能量 输出，将核控制棒从反应区中抽出。相应地，吸收的中子数会下降，裂 变的数量会增加，而反应堆的能量输出会增多。对加压水反应堆来说， 获知每个控制棒的准确位置是最至关重要的。在相邻的棒之间超过十五 英寸的差距会不利地影响燃料管理。另外，知道棒的位置相对于热能输 出的关系可以给出反应堆的工况以及燃料燃烧的程度。因此，为了保持 反应堆安全和可靠的工作状态，必须使用非常可靠的控制棒传动装置以 及位置监测装置。一种更常使用类型的控制棒传动机构称为“磁力联接 器”。使用这种类型的机构，控制棒以一系列的动作插入并从堆芯抽出， 每一次动作都移动控制棒一离散的增进的距离或“步”；这样，这种运 动通常称为“控制棒步进”。在控制棒的完全抽回位置和完全插入位置 之间基本有231步。例如，0步表示完全插入位置，而231步表示完全 抽回位置。这种机构在美国专利Nos.Frisch(3,158,766)和Dewesse (3,992,255)中示出和描述，这些专利已转让给本发明的申请人。
这种磁力联接器式控制棒传动机构包括三个电磁线圈和电枢或插 棒式铁心，它们被操作以升起或降下一传动棒轴，此轴固定连接在通常 称为一“簇”的多个控制棒上，并从而控制控制棒簇组件的运动。此三 个线圈绕一压力壳体安装并装在其外侧，此压力壳体在反应堆容器之上 延伸并密封传动棒的运动路径。两个线圈致动包含在壳体中的可动的或 固定的抓取器分别降下。第三个线圈致动与可动抓取器相连的一提升铁 心。可动或固定抓取器的致动反过来操纵成套的在圆周方向间隔开的插 销，插销卡住具有多个轴向间隔开的圆周槽的传动棒轴。固定的抓取器 插销得以致动以保持传动轴位于所需的轴向位置。可动抓取器插销得以 致动以升起或降下传动棒轴。控制棒传动机构的每个步进运动使传动棒 轴移动5/8英寸(约1.58厘米)。步进运动则由三套轴向间隔开的电磁 线圈工作以致动相应的固定、可动和提升铁心而完成，以交替地和相继 地卡住、移动和释放各自机构的控制棒传动轴。在一压力水反应堆中， 可以有三个机构用于提供对控制棒位置的指示：一步计数器，一可动堆 芯磁通映射装置以及一棒位置指示位置。
步计数器通过用电学方法计数出由棒控制装置指令的机械步数而 提供一间接测量。做为一间接测量装置，它不能在被指令时检测出防止 棒运动的机械故障。
可动堆芯磁通映射装置则当其移近所述棒时提供对控制棒位置的 直接测量。但是因为与其连续使用有关联的机械磨损和操作者互相影响 的问题，对此只用做一备用装置。因此，棒位置指示装置是直接测量控 制棒位置的主要手段。
如前所述，控制棒在一压力容器中移动并连在传动棒上，这样可以 由一传动机构例如在Frisch的专利中所述的机构在向前或相反方向中 有增量地移动。通常一单独的传动棒连在多个称为一“簇”或“堆”的 控制棒上。相应地，所有连成一单个的“簇”的控制棒一起移动。在最 常见的控制方式中，几个簇被指令一起以称为“组合”的方式移动。每 簇的传动棒沿控制棒的移动通道纵向通过压力容器延伸进入棒传送壳 体的密封的受压力的环境中。由于保持受压容器的密封整体性至关重 要，因此使机械穿透最小以减少包含在其中的受压环境损失的可能性。 相应地，为了检测控制棒在反应堆芯中的相对位置，不允许有机械穿透。 因为检测实际控制棒的位置是一项很困难的任务，实际中是检测连在其 上的传动棒的位置并将传动棒位置转换成在反应容器芯中的控制棒的 位置。
过去为了确定传动棒位置已使用了许多不同类型的检测器。这样一 种检测器是一种模拟传感器，包括多个层压的缠绕的线圈，线圈同心设 置成一迭并由一非磁性的不锈钢管状结构支撑，此管状结构可以在非磁 性传送壳体上滑动。线圈交替设置为主级和次级线圈，其中所有的主级 线圈串联连接且所有的次级线圈串联连接。实际上线圈形成一长的线性 的电压变压器，在传送壳体上分布，使得从主级到次级的耦合由磁性传 动棒渗透线圈迭片的程度而影响。通过向主级施加一恒定的、正弦激励 电流并测量经过次级感应的电压而确定棒位置。感应的次级电压的大小 相应于棒位置。
美国专利Nos.3,846,771和3,893,090以及3,858,191都 描述了一种利用数字技术的检测器，它比上述模拟检测器更精确。这种 装置的基本传感器由多个离散的电线圈分别绕棒传送壳体缠绕，沿运动 的控制棒传送轴线纵向串联延伸。在足够的一低频下在每个各自的线圈 中通入一交流电流，以使形成的磁通可以渗透棒传送壳体。当控制棒传 动轴移过线圈中心位置时可以监测出各个线圈中阻抗的变化。这种阻抗 的变化转化成可以指示出控制棒在核反应堆芯中相对位置的离散电信 号输出。在一个实施例中，各线圈与相应的电阻串联连接，而相邻的线 圈-电阻串联组合的相应的公共节点用做一差动放大器的输入，此差动 放大器提供代表在相应节点之间电压差的一输出。差动放大器输出则转 化为控制棒位置的一数字指示信号。
安全调节需要控制棒可以在重力作用下从一完全抽出位置插入堆 芯中的速度应该能周期性地检测出，以确保在紧急时反应堆必须关闭的 极端情况下没有东西阻碍控制棒的快速插入。通常。这些试验必须在每 次重新注入燃料循环之后进行。通常有两种使用的控制棒下落时间测量 技术。第一种是使用声发射传感器以接听当控制棒释放后达到底部时产 生的噪音。此方法只对单个的棒簇适用并在大多数场合下不实用。第二 种方法是利用电子装置测量棒下落时间。第二种方法一次可用于几个 (直到并包括所有)棒，从而可以大大节省试验时间，这具有极大的经 济意义。尽管棒位置指示装置由于构造成可以在正常的反应堆工作过程 中操作，从而能够当在装置的速度下移动时监测控制棒的位置，但位置 指示装置响应速度太慢而不能当在以重力作用下下落时测量出棒位置。 精确测量出位置相对于时间的关系是很重要的安全因素，因为这能识别 出是否有任何妨碍反应堆快速关闭的因素。
现有技术使用棒位置指示装置测量出棒下落时间，其中断开用于向 线圈供电的电源。当传动棒通过线圈下落时在线圈中感应出的电流则做 为在装置中经过一公共电流通路时电压的函数而监测出。用于一模拟位 置指示装置的这种装置的一个例子在美国专利No 5,408,508中示出， 此专利于1995年4月18日授权并转让给本申请的申请人。如在上述专 利中所述，此装置能使所有控制棒同时被检测出。但是，目前已发现尽 管当几个棒一次下落时可以获得棒位置相对于时间的精确轨迹，但当如 果不是全部棒的许多棒同时下落时则产生畸变。此畸变使输出分析更困 难。这样，需要一改进的棒下落测量装置，它在如果不是全部的、而只 是大多数棒同时下落时的控制棒下落试验中能提供一更精确的控制棒 位置相对于时间的轨迹。

本发明提供了一种用于测量当多个控制棒簇在重力作用下落入一 核反应堆芯中时其自由下落时间的改进的方法和装置。此装置和方法使 用现有的控制棒位置指示装置线圈，线圈沿包住可响应于控制棒运动的 传动棒的壳体串联迭加。体现本发明的此装置包括一可以穿过用于对每 个线圈供电的公共变压器的主级线圈连接的分流器。在一控制棒下落试 验中，当从公共变压器断开电源时，主级由分流器短路以减小在次级线 圈中的感应，此感应响应于在现有技术中经历的输出轨迹中的畸变。在 优选实施例中，用于从变压器主级上断开电源的继电器包括同时使主级 线圈短路的另外的触点。这样，提供了一种改进的棒下落试验方法和装 置，即使当所有的控制棒同时下落时也可以获得真实的控制棒位置相对 时间的轨迹。
附图说明
结合附图从下面对优选实施例的描述中可以充分理解本发明，其 中：
图1是一核反应堆、其控制棒传动装置以及棒位置指示装置的一正 视图，示出了可以采用本发明的一优选结构。
图2是带有其相联的传动棒和棒传送壳体的一核反应堆控制棒的 正视图，示出用于移动控制棒传动装置的机构以及本发明使用的棒位置 传感器。
图3是一棒位置指示装置的立体图，更清楚地示出图1和图2中的 线圈。
图4是图1、图2和图3中所示的线圈的一典型的数字式棒位置指 示电路的一示意图。
图5是当四个控制棒簇同时落下时从图4的电路获得的电压轨迹的 典型形状的图形。
图6是当所有的棒同时落入反应堆核心中时从图4获得的典型电压 轨迹的图形。
图7是用于优选实施例中表明本发明的改进的一继电器的示意性 电路图。

准确得知控制棒在一核反应堆中的位置对确保核反应堆的安全和 有效工作很重要。参见图1可以理解，感知控制棒在一加压水反应堆中 的位置非常困难，因为必须保持反应堆压力容器10整体密封。控制棒 12以及在结构上与其各个控制棒12相连的传动杆14被水16包围，水 16完全充满压力容器10。在常规工作状况下，水是高温的并受到压力 作用以便不会沸腾。
控制棒12的位置必须通过测量放置在压力容器10外面的感应元件 的状态而确定，因为为了感应控制棒的位置不允许产生压力容器10的 机械穿透。感应元件唯一可以放置的区域是沿棒传送壳体20。传动棒 14在其各自的棒传送壳体20中移动，壳体20是封闭的管状件，与反应 堆的顶部18一体形成并从顶部向上纵向延伸。感应元件32沿棒传送壳 体20放置，可以只感应到传动棒14的位置。但通常控制棒12在其各 自传动棒14上的紧固很可靠，因此传动棒14和控制棒12的位移是相 同的。每个传动棒14同多个控制棒12相连，控制棒12形成一个簇组 件并能通过参照图2较好地理解。传动棒14的运动通过磁力联接器、 线圈、铁芯(Plunger)以及抓取器22完成，对此前面已作过描述。控 制传动棒14在壳体20中的位置由在磁力联接器22之上延壳体纵向延 伸的控制棒位置指示器30确定。在此例中棒位置指示装置30是前述的 数字式装置，但可以理解本发明也可以用于一模拟装置中。
棒位置指示装置的基本传感器是绕棒传送壳体外部的传动棒运动 轴的周边定位的一线圈32。当一交流电流通过线圈时，产生一会渗入壳 体中的交流磁通。如果频率足够低，集肤深度将大于壳体的厚度，而交 流磁通会一直穿透。正常的60Hz的电能频率即可以满足这一要求。当 金属传动棒穿过棒传送壳体经过由一线圈围绕的位置时，线圈的阻抗将 会改变。由于传动棒是由铁磁材料构成，线圈的阻抗将会增大。此阻抗 的增大由被强机构线圈感应的棒的磁特性放大。此阻抗的变化可以用很 多种方法测量出。
为了测出阻抗的变化，每个线圈32连到一电阻器上，而一差动放 大器的输入端连在每对相邻的电阻之间，总有一个放大器的差动输出大 于其他放大器的输出，指示出棒14的端部定位在相应的两个线圈之间。 线圈32的迭片分成两个相互夹入的组A和B，从图3中可见。这两组一 起形成控制棒位置指示传感器。从每个线圈组得到的信号在反应堆容器 中单独处理。每组中的信号包含需要在系统整个分辨力的一半中定位棒 位置的信息。因此，如果一组产生故障时，系统分辨力降低，但仍可知 道棒的位置。
在一个具有4个(冷却)环路的设备中约61个传动棒中的每一个 都有一迭线圈以及如图3所示在反应堆容器结构中有一组A的编码器34 和一组B的编码器36，用于向一多路装置编制各个线圈输出信号。每个 棒约设有42个线圈。
在图4中示出常见的用于测量棒下落时间的数字式棒位置指示电 路40。与棒下落时间测量无关的数字式棒指示电路的部分TP1未示出， 但可以参阅美国专利No.3,858,191。有许多线圈标有“A1...A24”， 控制棒传动轴通过它们延伸。线圈的准确数量取决于特定的数字式棒位 置指示模式并且对本发明不是至关重要。每个线圈的一端在图4的左边 在变压器T1的HI一侧连到一公共导线42上。每个线圈的另一端在图4 的右边在变压器T1的LO一侧穿过三个电阻R1、R2和R3后连在一起。R1 是线圈电阻并通常为6欧姆。R2是从线圈到数字式棒位置指示电子柜电 缆的电阻，并通常为1.5欧姆。R3是数字式棒位置指示器检测器/编码器 板的输出阻抗并通常为5欧姆。
电路由R4和变压器T1完成。R4是公共导线的电缆阻抗，在电缆中 导线从线圈延伸至容器中的数字式棒位置指示电子柜。R4一般为1.18 欧姆。T1是变压器，在正常工作过程中向数字式棒位置线圈32供给能 量，但在棒下落时间试验中不工作。
如上所述第二套线圈B1...B24在前述A线圈之间交叉。B线圈的电路 和工作同A线圈一样。在正常的数字式棒位置指示装置工作过程中，两 套线圈过剩并使独立的棒位置测量的可靠性增加。对棒下落时间测量而 言，两套线圈的作用组合在一起使轨迹变化较小。从图5和图6中所示— 以伏为单位—的轨迹可以观察到此变化，而且此变化由于传动棒轴端穿 过开口线圈而引起。根据本发明，两套线圈起相同的作用。
当控制棒从完全抽出状态向一完全插入状态下落时，棒传动轴端穿 过线圈A24连续向下经过A2(轴端还穿过大部分B线圈)。棒传动轴由 于座落在数字式棒位置指示线圈之下的控制棒传动撑杆机构中的大线 圈而有些磁化。当传动轴通过线圈下落时在棒传动轴中的此永磁力在 线圈A24...A1中产生一电流。来自传动轴端的磁通切割线圈并产生电流。 线圈有效地平行以便线圈中的电流有效相加。此电流大约与棒速度成比 例。合成的电流通过变压器T1的次级线圈和R4。棒下落时间测量装置测 量出公共电缆42中的电流作为在变压器T1处经过R4的压降的函数。此 电压同电流成正比，而且基本与棒速成正比。图5示出四个棒簇同时下 落时的电压轨迹形状。棒在零时释放并加速产生一电压的增大。在略超 过1,000毫秒时，棒端到达阻尼延迟器，而棒快速减速使电压急剧下降。 阻尼延迟器效应是当棒压入反应堆核中时由棒从控制棒导向套管驱使 冷却剂而产生的。在1000毫秒之上的拐角表示棒到达阻尼延迟器的 时间，该阻尼延迟器位于一公知的棒位置(接近反应器核底部)。在1,500 毫秒时，棒到达制动弹簧并且取得略微的反弹。图5是通常期望的轨迹， 其中畸变问题已由本发明避免。
图6给出两个棒下落曲线，其中现有技术经历的畸变只出现在下曲 线B中。当所有的控制棒同时下落以节省关键路径时间(critical path time)时，得到图6中的下曲线。参见曲线B，在约1,000毫秒处可以 观察到一下降，然后增加到约1,100毫秒，在此由于阻尼延迟器电压突 然下降。而且超过1,500毫秒后，在由于制动弹簧的作用而形成的最终 下落之前有一个向上的摇摆。这些畸变使分析变得更困难，因为这些额 外特征不是由于控制棒下落速度的变化产生的。上曲线A在1,100毫秒 之前以及下曲线B在1,500毫秒之后是正常的棒下落曲线。当所有的控 制棒同时下落时观察到的畸变的原因是由于公共元件变压器T1。如图4 所示，所有的控制棒数字式棒位置指示装置A的线圈由变压器T1提供能 量。在棒下落试验中，T1是不工作的，并且其115v的主级已成为开路。 畸变由经过T1次级的来自所有控制棒(基本50个或以上)的相加的棒 下落电流引起的压降产生。计算表明，整个T1电流约为30安培。由于 来自开路的主电路产生的感应，经过T1的压降使各个棒下落信号抖动， 并产生图6中所示的下畸变的棒下落曲线。
本发明提供的改进在于从棒下落电路中去除T1。完成此目的一个方 法是用一低阻抗短路或分流器使T1的次级线圈短路。这种解决方式已经 过试验并且此技术确实解决了问题并避免了畸变。但是此短路器要有效 的话必须具有很低的阻抗(小于0.001欧姆)。由于所需的低阻抗以及 很低的所涉及的电压(毫伏)，用一继电器对此方法进行远程操作不太 实际。
第二种方法是在棒下落实验中使T1的115伏主级短路。已确定出 基本上所有畸变整是由于变压器T1的感应而产生的，而不是由于否则出 现在次级两端之间的其直流阻抗而产生的。由于较高的阻抗使变压器T1 短路更容易进行。对约20的匝数比，经过T1的115伏主级的短路需要 小于20×20×0.001欧姆，约为0.4欧姆。目前，一继电器用于连接变 压器主级的115伏的电源。当115V的电源在棒下落试验中断开时另外 的触点52可以方便地加入使115V的T1主级短路。当继电器50处于非 加电压的状态时，115V的电源连到T1主级上并且主级不短路。这就是正 常的数字式棒位置指示装置工作状态。当对继电器加电压时，115V的电 源断开且T1主级短路。只有在棒下落试验中才由棒下落试验装置对继电 器加电压。相应地，变压器T1的阻抗从装置中去除，改进试验装置的输 出。
尽管详细描述了本发明的特定实施例，但本领域普通常技术人员可 以理解在公开文本的范围内可以对以上描述进行各种修改的替换。相应 地，公开的特定布置形式只是示意性而非对本发明的范围进行限定。本 发明的范围只在权利要求书中以及其所有等同物中给出。