一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构 |
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| 申请号 | CN202410056153.1 | 申请日 | 2024-01-15 | 公开(公告)号 | CN117936130A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 中国科学院合肥物质科学研究院; | 发明人 | 曾梅花; 郁杰; 何鋆; 何梅生; 梅华平; 李刚; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种紧凑型液态重金属冷却反应堆 控制棒 驱动机构，由 电机 驱动传动机构、外筒、 齿条 、 连杆 、棒位测量器、辅助 弹簧 、 导向管 和气体保护系统组成；电机驱动传动机构中 齿轮 传动箱固定安装于外筒中部，内部依次安装第一 锥齿轮 、第二锥齿轮、 轴承 、 传动轴 、电磁 离合器 、齿轮，上部依次安装有减速器和 驱动电机 ；所述连杆上部固定安装齿条，下端与控制棒固定连接，同轴活动设置于外筒及导向管内，齿条与齿轮 啮合 安装；棒位测量器主体安装于外筒外壁。本发明采用单电机驱动齿 轮齿 条方式，利用液态重金属浮 力 、辅助弹簧及电磁离合作用，实现控制棒调节及快速落棒功能，结构紧凑，安全可靠，能有效减小控制棒驱动机构轴向尺寸和重量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构，其特征在于：包括电机驱动传动机构、外筒(4)、齿条(5)、连杆(6)、棒位测量器(7)、辅助弹簧(10)、导向管(15)和气体保护系统；所述电机驱动传动机构包括驱动电机(1)、减速器(2)、齿轮传动箱(3)；所述齿轮传动箱(3)固定安装于外筒(4)中部，内部依次安装第一锥齿轮(301)、第二锥齿轮(302)、轴承(303)、传动轴(304)、电磁离合器(305)、齿轮(306)；所述驱动电机(1)、减速器(2)依次安装在所述齿轮传动箱(3)上部，用于驱动所述第一锥齿轮(301)转动，从而驱动所述齿轮(306)转动； |
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| 说明书全文 | 一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构技术领域[0001] 本发明涉及反应堆工程技术领域，具体涉及一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构。 背景技术[0002] 液态重金属(铅/铅铋共晶合金等)具有熔点低、沸点高、载热效率高、中子慢化作用弱等突出优点，被选作快中子反应堆的主要冷却剂。铅基反应堆以铅或铅合金作为冷却剂，其在物理热工的性能以及安全运行方面具有明显优点，铅冷快堆已被公认为能够最快实现产业化发展的第四代工业示范堆型。进入21世纪后，世界范围内多个国家积极推进和开展铅基反应堆相关技术的研究，俄罗斯、美国、欧盟等世界核电发展大国都积极推进铅基反应堆的商业应用，而小型铅基堆也成为当前发展主要方向。 [0003] 控制棒驱动机构是反应堆控制系统和安全保护系统的执行机构，是核反应堆系统中重要的机械设备，是反应堆控制和保护系统的一部分，具有按照反应堆控制系统和安全保护系统的指令驱动控制棒组件从堆芯提升、保持在某一位置上、从任意工作位置上插入或快速插入堆芯，完成反应堆启动、调节功率、维持功率、反应性补偿、正常停堆和紧急工况下快速停堆的功能。目前各种反应堆采用的控制棒驱动机构种类很多，主要的驱动方式有磁力提升式、滚珠螺母式、齿条齿轮式三种，基本采用双电机驱动方式，一电机驱动上下运动，另一个电机驱动抓手的开合，总体尺寸和重量都较大。而液态重金属反应堆由于高温及浮力影响，现有设计常采用配重方式，更是增加了控制棒驱动机构轴向尺寸和总体重量，限制了其在小型堆上的应用。微小型铅基堆由于空间体积、重量限制及高温等要求，对控制棒驱动机构提出新的挑战。为解决该问题，中国专利申请CN117174344A(一种液态重金属冷却微小型反应堆控制棒驱动机构)提出了一种采用单个倒置安装的电机驱动滚珠丝杆螺母机构，配合液态重金属浮力作用，实现控制棒的上下运动及落棒功能，实现机构的小型化。但由于该机构顶部电机占有体积较大，都采用此控制棒驱动机构不利于堆芯的紧凑设计。另外，根据核反应堆运行法规要求，为了保证反应堆的安全运行，需设置有不同原理的独立的反应性控制系统。 发明内容[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构，具有结构紧凑、安全可靠的特点，可适应液态重金属冷却剂高温环境，同时能有效降低控制棒驱动机构轴向高度和整体重量。本发明提出中间位置布置单电机驱动齿轮齿条方式的控制棒驱动机构，可有效解决反应堆小型化及安全运行的问题。 [0005] 为了达到上述目的，本发明提出以下技术方案： [0007] 所述电机驱动传动机构包括驱动电机、减速器、齿轮传动箱；所述齿轮传动箱固定安装于外筒中部，内部依次安装第一锥齿轮、第二锥齿轮、轴承、传动轴、电磁离合器、齿轮；所述驱动电机、减速器依次安装在所述齿轮传动箱上部，用于驱动所述第一锥齿轮转动，从而驱动所述齿轮转动； [0009] 所述棒位测量器包括变送器、磁块、测量杆；所述变送器、测量杆固定安装于外筒外壁；所述磁块固定安装于所述连杆上端，随连杆上下移动； [0011] 进一步地，所述第二锥齿轮、轴承、电磁离合器、齿轮依次同轴安装所述传动轴上。 [0012] 进一步地，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合安装，所述第一锥齿轮同轴安装在减速器下方。 [0013] 进一步地，所述密封隔热层上表面固定安装辅助弹簧的一端，所述辅助弹簧套在连杆上。 [0014] 进一步地，所述辅助弹簧的上端为活动端；当齿轮驱动齿条及连杆下行时，所述齿条下端接触并压缩辅助弹簧，辅助弹簧储能。 [0015] 进一步地，所述外筒顶端设置限位器，当所述磁块接触限位器，连杆到达最高位置，停止向上运动。 [0016] 进一步地，所述外筒通过其下部设有的法兰连接安装于堆顶盖板上，下端同轴设置导向管。 [0017] 进一步地，所述导向管上端设置一圈泄流孔，当连杆带动控制棒向上移动时，导向管内液态金属通过泄流孔向外排出。 [0018] 进一步地，所述连杆下部设置有联轴器，用于装换料时控制棒与上部驱动机构脱开。 [0019] 进一步地，所述气体保护系统充入的保护气体为惰性气体，所述惰性气体的压力高于反应堆内金属蒸气压力。 [0020] 本发明与现有技术相比的有益效果在于： [0021] 1)本发明通过单个电机驱动齿轮齿条以及电磁离合连接和断开传动，利用液态重金属浮力作用，配合辅助弹簧储能释放，实现控制棒上下调节运动及快速落棒功能，结构紧凑，安全可靠，有效降低了控制棒驱动机构轴向高度和重量，有利于反应堆的小型化； [0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。 [0025] 图1为本发明的一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构的控制棒位于堆芯结构示意图； [0026] 图2为本发明的一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构的控制棒初始状态示意图； [0027] 图3为本发明的一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构俯视图。 [0028] 图中附图标记含义为：1.驱动电机；2.减速器；3.齿轮传动箱；4.外筒；5.齿条；6.连杆；7.棒位测量器；8.限位器；9.排气接口；10.辅助弹簧；11.充气接口；12.密封隔热层；13.堆顶盖板；14.联轴器；15.导向管；16.控制棒；17.导轨；18.滑块；301.第一锥齿轮；302.第二锥齿轮；303.轴承；304.传动轴；305.电磁离合器；306.齿轮；701.变送器；702.磁块； 703.测量杆；151.泄流孔。 具体实施方式[0029] 为了使本领域的技术人员较好的理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见，下面所述的实施例仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。 [0030] 实施例： [0031] 如图1～图3所示，本发明的一种紧凑型液态重金属冷却反应堆控制棒驱动机构由电机驱动传动机构、外筒4、齿条5、连杆6、棒位测量器7、辅助弹簧10、导向管15和气体保护系统组成。 [0032] 所述电机驱动传动机构包括驱动电机1、减速器2、齿轮传动箱3；所述齿轮传动箱3固定安装于外筒4中部，内部依次安装第一锥齿轮301、第二锥齿轮302、轴承303、传动轴304、电磁离合器305、齿轮306；所述驱动电机1、减速器2依次安装在所述齿轮传动箱3上部，用于驱动所述第一锥齿轮301转动，从而驱动所述齿轮306转动； [0033] 所述连杆6上部固定安装齿条5，反面固定安装滑块18，下端与控制棒16固定连接，同轴活动设置于外筒4及导向管15内；所述齿条5与所述齿轮306啮合安装；所述外筒4内壁中间位置安装导轨17，与所述滑块18滑动配合，确保连杆6带动控制棒16在导向管15中稳定上下运动； [0034] 所述第二锥齿轮302、轴承303、电磁离合器305、齿轮306依次同轴安装所述传动轴304上。 [0035] 所述第一锥齿轮301与第二锥齿轮302啮合安装，所述第一锥齿轮301同轴安装在减速器2下方。 [0036] 所述密封隔热层12的上表面固定安装辅助弹簧10的一端，所述辅助弹簧10套在连杆6上。 [0037] 所述辅助弹簧10的上端为活动端；当齿轮306驱动齿条5及连杆6下行时，所述齿条5下端接触并压缩辅助弹簧10，辅助弹簧储能。 [0038] 所述外筒4的顶端设置限位器8。 [0039] 所述外筒4通过其下部设有的法兰连接安装于堆顶盖板13上，下端同轴设置导向管15。 [0040] 所述外筒4的顶端设置限位器8，当所述磁块702接触限位器8，连杆6到达最高位置，停止向上运动。 [0041] 优选的，所述导向管15的上端设置一圈泄流孔151，当连杆6带动控制棒16向上移动时，导向管15内液态金属通过泄流孔151向外排出。 [0042] 所述连杆6下部设置有联轴器14，用于装换料时控制棒16与上部驱动机构脱开。 [0043] 本实施例的工作过程包括如下步骤： [0044] 上下移动步骤：电磁离合器305处于通电连接状态，驱动电机1通过齿轮传动箱3内各部件作用驱动齿轮306转动，驱动齿条5上下移动，带动连杆6上下移动，在导轨17和滑块18的支撑滑动配合下，使控制棒16稳定停留在预定位置； [0045] 控制棒下降步骤：堆芯完成装料后，电磁离合器305处于通电连接状态，驱动电机1驱动齿轮306顺时针转动，驱动齿条5向下运动，齿条5下端压缩辅助弹簧10至最大预紧力，控制棒16停留在堆芯正下方； [0046] 快速落棒步骤：电磁离合器305失电断开，齿轮306处于自由空转状态，辅助弹簧10向上恢复原状，释放预紧力，在浮力和弹力同时作用下，连杆6带动控制棒16快速向上移动至顶端限位器8位置，控制棒16快速插入堆芯； [0047] 初始装料及停堆换料步骤：初始装料未充入液态重金属冷却剂，联轴器14拆开，上部驱动机构与控制棒分离，控制棒16通过外部辅助部件停在堆芯位置中；停堆换料时，电机驱动传动机构驱动连杆6向上移动至最上端，控制棒16插入堆芯中。 [0048] 优选的，如图1～图3所示，所述棒位测量器7包括变送器701、磁块702、测量杆703；所述变送器701、测量杆703固定安装于外筒4外壁；所述磁块702固定安装于所述连杆6上端，随连杆6上下移动，测量杆703将磁块702的位置信息传输到变送器701进行转换并传输到控制系统。 [0049] 优选的，如图1～图3所示，所述气体保护系统包括排气接口9、充气接口11、密封隔热层12；所述排气接口9、充气接口11分别设置于外筒4的上下两端侧；所述密封隔热层12安装于外筒4内下端，各安装接口均设置高温密封圈，控制棒驱动机构主体内部形成密封腔体，腔体内充入的保护气体为惰性气体，如氩气，气体压力高于反应堆内金属蒸气压力，防止金属蒸气逸出至上部腔体内，保护腔体内部件安全。 [0050] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 |
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