技术领域
[0001] 本
发明涉及一种薄壁筒缓冲器，具体涉及一种用于缓冲高温气冷堆控制棒跌落冲击的薄壁筒缓冲器。
背景技术
[0002] 高温气冷堆是以
石墨为慢化剂、氦气为冷却剂的反应堆，是一种具有固有安全特性的第四代反应堆。2006年1月，国务院正式发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中“大型先进压
水堆及高温气冷堆核电站”被列入国家重大专项，并在山东石岛湾建设一座电功率为20万千瓦级的高温气冷堆核电站示范工程。
[0003] 控制棒是高温气冷堆核电站实现启动、停止、功率调节的重要设备，控制棒运行在高温气冷堆
堆芯周围侧反射层的石墨孔道中。当发生极端控制棒驱动线断裂事故时，控制棒会从石墨孔道较高
位置以自由落体的方式跌落，当跌落至孔道底部时可能具有的最高速度达13m/s，控制棒的
质量约为200公斤，如此高的质量和速度会对孔道底部的石墨结构造成冲击破坏，因此需要在孔道底部安装一个缓冲装置缓冲控制棒的冲击，保护孔道的石墨结构不发生破坏。同时，该缓冲装置需要能够耐受600℃的高温以及一定的核
辐射。
[0004] 在以往的工程设计中，薄壁筒缓冲器曾被应用于高温气冷试验堆中，清华大学的研究人员曾提出一种结构[袁碧,薛松,HTR—10控制棒减震器设计,高技术通讯,2002,12:88-92]，能够缓冲控制棒的跌落冲击。但是该方案仅能适用50公斤的控制棒以8m/s速度的跌落冲击，对于更高质量和更高速度 的冲击已不适用。同时由于该方案结构中，薄壁筒会因应
力波从顶部传输至底部，然后在底面反射而从底部开始发生屈曲，薄壁筒容易发生失稳，产生的冲击力较大。
[0005] 以往的缓冲器设计已经不能满足高温气冷堆的需要，需要对缓冲器结构进行改进设计。针对高温气冷堆领域研制的薄壁筒缓冲器也可以应用于其它行业中。
发明内容
[0006] 为了解决上述
现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于缓冲高温气冷堆控制棒跌落冲击的薄壁筒缓冲器，能够缓冲高质量、高速的轴向冲击，并且薄壁筒的屈曲的
变形可控，不失稳，从顶部开始发生屈曲，满足高温气冷堆的设计要求。
[0007] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一种用于缓冲高温气冷堆控制棒跌落冲击的薄壁筒缓冲器,包括置于石墨结构7上的底座5，固定在底座5上的外筒2和薄壁筒4，固定在薄壁筒4顶部、外筒2内部的承冲击环3，固定在外筒2顶部的外筒导向环1，在所述薄壁筒4上部外壁面加工有初始环形
缺陷4a。
[0009] 所述外筒2内径大于薄壁筒4外径的1.4倍。
[0010] 所述薄壁筒4的壁厚为0.5mm～3mm，薄壁筒4的高度为其外径的2～6倍。
[0011] 所述承冲击环3的受冲击面为圆锥面3b，其锥
角角度为40°～90°。
[0012] 所述外筒导向环1的圆锥面具有和承冲击环3的圆锥面3b相同的锥角。
[0013] 所述薄壁筒4的壁厚为2mm，外径为80mm，高度为450mm，外筒2的内径为120mm。
[0014] 所述薄壁筒4的底部安装在底座5的环形槽5a中。
[0015] 所述承冲击环3通过其底面的环形槽3a装配在薄壁筒4的顶部。
[0016] 所述外筒2通过
紧定螺钉6与底座5固定。
[0017] 所述初始环形缺陷4a的为环形矩形槽或环形半圆结构。
[0018] 本发明和现有技术相比，具有如下优点：
[0019] （1）当发生轴向跌落冲击时，跌落的棒体冲击在承冲击环的锥面上，冲击环压缩薄壁筒使薄壁筒发生塑性屈曲变形，吸收冲击的
能量，底座能够分散薄壁筒产生的集中
应力，从而保护底座下面的结构不发生破坏，同时，薄壁筒的初始缺陷使得薄壁筒的屈曲变形从其顶部开始发生，屈曲模态稳定可控，重复性好，并且减少了应力波在薄壁筒底部的集中，即减小了冲击力。
[0020] （2）因为外筒的内径大于薄壁筒外径的1.4倍，薄壁筒发生屈曲变形后，仍不与外筒发生
接触，其屈曲过程避免了与外筒发生强摩擦的干扰，屈曲模态可控性好，工程设计的准确性高。
[0021] （3）薄壁筒的高度和外径的比例在2～6倍之间，可以保证薄壁筒在屈曲过程中变形稳定。
[0022] （4）薄壁筒壁厚应在0.5mm至3mm之间，这个范围的吸能效果最好。
附图说明
[0023] 图1是本发明实例中的薄壁筒缓冲器的示意图。
[0024] 图2是图1中I部分的局部放大图。
[0025] 图3是本发明实例的薄壁筒缓冲器的三维剖视图。
[0026] 图4是本发明实例的薄壁筒缓冲器从顶部发生屈曲变形的模拟示意图。
[0027] 图5是本发明实例的薄壁筒缓冲器在200公斤棒体以13m/s的冲击下的薄壁筒实际变形情况。
具体实施方式
[0028] 以下结合附图及具体
实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0029] 如图1、图2和图3所示，本发明一种用于缓冲高温气冷堆控制棒跌落冲击的薄壁筒缓冲器,包括置于石墨结构7上的底座5，固定在底座5上的外筒2和薄壁筒4，固定在薄壁筒4顶部、外筒2内部的承冲击环3，固定在外筒2顶部的外筒导向环1，在所述薄壁筒4上部外壁面加工有初始环形缺陷4a。
[0030] 下面以薄壁筒缓冲器缓冲高温气冷堆中控制棒的跌落冲击为例说明本发明的具体实施方式。
[0031] 高温气冷堆中，当发生控制棒驱动线断裂的极端事故时，重达200公斤的控制棒8会以自由落体的方式下落，以最大13m/s的速度冲击在反应堆内的石墨结构7上，如果控制棒和石墨结构之间没有缓冲机构，控制棒冲击的能量会将石墨结构冲击破坏。
[0032] 本发明的缓冲器采用薄壁筒4作为塑性变形吸能部件，将控制棒的冲击
动能转化为薄壁筒4的塑性变形能。薄壁筒4的底部安装在底座5的环形槽5a中，底座环形槽能够将薄壁筒4
定位使其不发生径向位移，同时底座5直接安置在石墨结构上，底座与石墨结构的接触方式为面接触，接触面积较大能够分散冲击产生的冲击力，避免石墨结构出现应力集中。薄壁筒在其上部外壁面加工有一初始环形缺陷4a，该初始环形缺陷4a可以是如图2所示的深0.5mm、宽1mm的矩形槽，也可以是其它截面形状如半圆结构的环形缺陷。当发生轴向跌落冲击时，跌落的棒体冲击在承冲击环3的锥面上，承冲击环3压缩薄壁筒4使薄壁筒发生塑性屈曲变形，吸收冲击的能量。同时，由于初始环形缺陷4a的存在，使得薄壁筒
4的屈曲变形不是从底部发生而是从上部该缺陷处发生，保证了屈曲模态稳定可控，重复性好，也减少了应力波在底座处反射时产生过高冲击力，从而可以更有效地减小底座对底座下面结构及 石墨结构的冲击力。通过改变薄壁筒的壁厚、外径、高度可以有效地缓冲不同跌落质量、跌落高度的轴向冲击。
[0033] 通过实验和分析研究表明，薄壁筒4的壁厚应在0.5mm至3mm之间，这个壁厚范围薄壁筒发生塑性变形产生的冲击力较小。薄壁筒高度应在薄壁筒外径的2～6倍之间，这个高度和外径的比例范围可以保证薄壁筒在屈曲过程中变形稳定。通过几何关系可知，当外筒内径大于等于薄壁筒外径的1.57倍（圆周率的一半）时，即使薄壁筒发生极限大变形，圆周被压缩成近似直线，仍可以保证薄壁筒在发生最大变形时仍不与外筒的内壁发生接触，不发生较强的接触是有利于薄壁筒的屈曲过程是持续稳定的，避免了屈曲过程中出现意外最大峰值力；同时通过分析和试验表明，外筒的内径只要大于薄壁筒的外径的1.4倍，因为薄壁筒的圆周不可能完全是直线，就可以保证外筒和薄壁筒不发生较强接触了。针对高温气冷堆中的控制棒跌落冲击，薄壁筒的推荐壁厚为2mm，推荐外径为80mm，推荐高度为450mm，外筒的推荐内径为120mm。该结构可以缓冲200公斤控制棒以13m/s的速度跌落的冲击。如图5所示为薄壁筒实际变形情况。
[0034] 承冲击环通过其底面的环形槽3a装配在薄壁筒的顶部，承冲击环的上部的受冲击面是一个圆锥面3b，其锥角应在40度～90度范围，本实例中为60度，该圆锥面可以自动纠正控制棒跌落的不对中，使得冲击环对薄壁筒的轴向冲击力在圆周分布均匀。
[0035] 外筒通过紧定螺钉6与底座固定，起着限制承冲击环径向位移的作用。外筒导向环安装在外筒顶部，具有和承冲击环的圆锥面一样的锥角，其作用在于可将不对中跌落的控制棒导向至薄壁筒的中心。
[0036] 本发明实例的薄壁筒缓冲器结构与以往缓冲器结构的主要不同之处在 于：
[0037] 1）以往缓冲器没有在薄壁筒的上部加工初始环形缺陷，因此屈曲有时从薄壁筒底部发生，有时从薄壁筒顶部发生，具有随机性；本发明的薄壁筒在其上部外壁面加工有一初始环形缺陷4a，从而使得薄壁筒的屈曲变形不是从底部发生而是从上部该缺陷处发生，如图4所示，这不同于一般文献报道中的屈曲多从薄壁筒底部发生的情况。从而保证了屈曲模态稳定可控，重复性好，也减少了应力波在底座处反射时产生过高冲击力，可以更有效地减小底座对底座下面结构的冲击力。
[0038] 2）以往缓冲器的设计没有考虑薄壁筒的直径与外筒内径的关系，因此在实际应用中，薄壁筒变形后会与外筒发生强烈地摩擦接触，造成屈曲过程存在较大的随机性干扰，可能导致过高的冲击力。本发明中提出外筒的内径应大于薄壁筒的外径的1.4倍，从而保证薄壁筒在发生屈曲变形时不与外筒内壁发生摩擦，减少了随机性因素。
[0039] 3）通过实验和理论分析，本发明提出薄壁筒壁厚应在0.5mm至3mm之间，薄壁筒的高度和外径的比例应在2～6倍之间，可以保证薄壁筒在屈曲过程中变形稳定。
[0040] 4）本发明提出承冲击环的圆锥面的锥角角度优选地为40°～90°度范围。因为控制棒的跌落中心具有一定的随机性，很难和薄壁筒的中心恰好重合，承冲击环圆锥面的锥角在40°～90°范围，可以在冲击发生的一瞬间，将控制棒底部的中心纠正至承冲击环的中心，即薄壁筒的中心。
[0041] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
