阅读说明：本技术 浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动装置及方法 (Device and method for driving shutdown control rod in overturning state of floating nuclear power station ) 是由 兰志刚 于汀 吴克强 刘强 孙洋洲 吴勇虎 岳娟 刘聪 石云 谭越 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动装置及方法,其特征在于,包括滑轨支架、压盘、气缸和气缸驱动系统；滑轨支架固定设置在放置有反应堆堆芯的安全壳一侧,安全壳由支撑架进行固定,滑轨支架上通过滑块滑动连接压盘,压盘上开设有用于活动插设控制棒的若干通孔,每一控制棒均穿过对应通孔伸入安全壳内；位于压盘与支撑架的顶部之间,每一控制棒上均设置有限位销,每一控制棒均连接常规控制棒驱动装置；滑块的顶部固定连接气缸的输出端,气缸的输入端连接气缸驱动系统,本发明可以广泛应用于海上浮动核电站非能动停堆技术领域中。(The invention relates to a device and a method for driving a shutdown control rod in an overturning state of a floating nuclear power station, which are characterized by comprising a slide rail bracket, a pressure plate, a cylinder and a cylinder driving system; the containment vessel is fixed by a support frame, the slide rail bracket is connected with a pressure plate in a sliding manner through a sliding block, a plurality of through holes for movably inserting control rods are formed in the pressure plate, and each control rod penetrates through the corresponding through hole and extends into the containment vessel; the control rods are positioned between the pressure plate and the top of the support frame, each control rod is provided with a limit pin, and each control rod is connected with a conventional control rod driving device; the top of the sliding block is fixedly connected with the output end of the air cylinder, and the input end of the air cylinder is connected with the air cylinder driving system.)

浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动装置及方法

技术领域

本发明是关于一种浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动装置及方法，属于海上浮动核电站非能动停堆技术领域。

背景技术

核反应堆均设置有常规能动停堆系统，当反应堆在发生超设计基准事故时，反应堆常规能动停堆系统利用控制棒驱动装置将控制棒***堆芯，可以实现严重事故工况下的安全停堆。现代反应堆控制已将该停堆系统设计为具有非能动停堆功能，当常规能动停堆系统失电时，控制棒可以利用自身重力下落***下方的反应堆堆芯，从而实现非能动停堆。

海上浮动核电站漂浮在海上，若遇到特殊情况导致浮动核电站倾覆时，此时堆芯将位于控制棒上方，与重力指向相反。若此时反应堆系统尚有电力供应，可以利用控制棒驱动装置，将控制棒***堆芯，实现停堆。若此时反应堆系统失去电力供应，因为此时重力指向与堆芯相反的方向，控制棒无法依靠重力实现非能动***堆芯的功能，会造成原有的非能动停堆功能失效。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在海上浮动核电站倾覆且失电的极端情况下，依然能够将控制棒顺利***堆芯的浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动装置及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动装置，其特征在于，包括滑轨支架、压盘、气缸和气缸驱动系统；所述滑轨支架固定设置在放置有反应堆堆芯的安全壳一侧，所述安全壳由支撑架进行固定，所述滑轨支架上通过滑块滑动连接所述压盘，所述压盘上开设有若干通孔，每一控制棒均穿过对应所述通孔伸入所述安全壳内；位于所述压盘与所述支撑架的顶部之间，每一所述控制棒上均设置有限位销，每一所述控制棒均连接常规控制棒驱动装置，所述常规控制棒驱动装置用于当浮动核电站处于工作状态时，控制所述控制棒***或拔出所述安全壳的反应堆堆芯内；所述滑块的顶部固定连接所述气缸的输出端，所述气缸的输入端连接所述气缸驱动系统，所述气缸驱动系统用于当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，通过所述驱动气缸控制所述压盘沿所述滑轨支架运动，进而控制所述控制棒***所述安全壳的反应堆堆芯内。

优选地，所述气缸包括缸体、驱动活塞和驱动活塞杆；所述缸体内活动插设所述驱动活塞，所述驱动活塞的底部固定连接所述驱动活塞杆的一端，所述驱动活塞杆的另一端穿出所述缸体的底部固定连接所述滑块的顶部；所述缸体的上部和下部均设置有限位器；所述驱动活塞将所述缸体分为A腔室和B腔室两部分，位于所述缸体顶部与上部的所述限位器之间以及所述缸体底部与下部的所述限位器之间，所述缸体上均设置有用于连接所述气缸驱动系统管路的开口。

优选地，所述气缸驱动系统包括二位三通电磁换向阀和驱动气罐，其中，所述二位三通电磁换向阀包括阀体、电磁开关、滑阀芯组件、复位弹簧和复位弹簧限位器；所述阀体的一侧设置有所述电磁开关，所述阀体内设置有所述滑阀芯组件和复位弹簧，所述电磁开关的动铁心固定连接所述滑阀芯组件的一端，所述滑阀芯组件的另一端固定连接所述复位弹簧的一端，所述复位弹簧的另一端固定连接所述阀体；所述阀体内侧的顶部和底部均设置有用于对所述复位弹簧进行限位的所述复位弹簧限位器；位于所述高压驱动气管路两侧，所述阀体的底部开设有A通路排气孔和B通路排气孔；位于所述A通路排气孔与所述高压驱动气管路之间，所述阀体的顶部通过A通路管路连接位于所述缸体上部的开口；位于所述高压驱动气管路与所述B通路排气孔之间，所述阀体的顶部通过B通路管路连接位于所述缸体下部的开口。

优选地，所述滑阀芯组件是由一个换向阀芯上间隔设置三个换向阀芯活塞构成，三个所述换向阀芯活塞之间的间距能保证在所述二位三通电磁换向阀处于不同开关状态时，打开或封闭相应的排气孔。

优选地，所述驱动气罐中高压空气的压力P为：

其中，W为所述控制棒、压盘和滑块的总重量，f为总摩擦力，S为所述驱动活塞的面积，V_c为所述缸体腔室的体积，V_t为所述驱动气罐的内体积，V_p为所述A通路管路的内体积。

优选地，其特征在于，所述压盘设置在所述安全壳的顶部与所述常规控制棒驱动装置之间，所述安全壳顶部与所述常规控制棒驱动装置之间的距离大于所述控制棒正常运行时的行程差加上所述压盘的厚度；若所述安全壳顶部与所述常规控制棒驱动装置之间的距离不大于所述控制棒正常运行时的行程差加上所述压盘的厚度时，增加所述控制棒位于所述安全壳外部部分的长度。

浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动方法，其特征在于，包括以下内容：

1)当浮动核电站处于工作状态时，反应堆常规能动停堆系统供电正常，常规控制棒驱动装置供电正常，气缸驱动系统处于通电状态，气缸驱动系统通过驱动气缸控制压盘位于待命位置，常规控制棒驱动装置控制控制棒***或拔出安全壳的反应堆堆芯内；2)当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，若反应堆常规能动停堆系统供电正常，则常规控制棒驱动装置供电正常，气缸驱动系统处于通电状态，气缸驱动系统通过驱动气缸控制压盘位于待命位置，控制棒驱动装置控制控制棒***安全壳的反应堆堆芯内，实现停堆；3)当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，若反应堆常规能动停堆系统断电，则常规控制棒驱动装置失效，气缸驱动系统处于断电状态，气缸驱动系统通过驱动气缸，经滑块和压盘控制控制棒***安全壳的反应堆堆芯内，实现可控停堆。

优选地，所述步骤1)的具体过程为：1.1)当浮动核电站处于正常工作状态时，反应堆常规能动停堆系统供电正常，常规控制棒驱动装置供电正常；1.2)电磁开关通电，滑阀芯组件位于阀体的电磁开关侧，A通路排气孔打开，B通路排气孔封闭，高压驱动气管路和B通路管路连通，来自驱动气罐的高压空气通过高压驱动气管路和B通路管路进入缸体的B腔室；同时，释放缸体A腔室内的气体，此时复位弹簧处于拉伸状态，驱动活塞移动至缸体上部的限位器处，压盘位于待命位置；1.3)常规控制棒驱动装置控制控制棒***或拔出安全壳的反应堆堆芯内。

优选地，所述步骤2)的具体过程为：2.1)当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，若反应堆不断电，则反应堆常规能动停堆系统供电正常，常规控制棒驱动装置供电正常；2.2)电磁开关通电，滑阀芯组件位于阀体的电磁开关侧，A通路排气孔打开，B通路排气孔封闭，高压驱动气管路和B通路管路连通，来自驱动气罐的高压空气通过高压驱动气管路和B通路管路进入缸体的B腔室；同时，释放缸体A腔室内的气体，此时复位弹簧处于拉伸状态，驱动活塞移动至缸体上部的限位器处，压盘位于待命位置；2.3)常规控制棒驱动装置控制控制棒***或拔出安全壳的反应堆堆芯内。

优选地，所述步骤3)的具体过程为：3.1)当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，若反应堆常规能动停堆系统断电，则常规控制棒驱动装置失效；3.2)电磁开关断电，滑阀芯组件在复位弹簧的作用下向阀体另一侧移动，直至A通路排气孔封闭，B通路排气孔打开，A通路管路与高压驱动气管路连通，来自驱动气罐的高压空气通过高压驱动气管路和A通路管路进入缸体的A腔室；同时，释放缸体B腔室内的气体，此时复位弹簧处于复位状态，驱动活塞移动至缸体下部的限位器处，从而依次通过驱动活塞杆、滑块和压盘控制控制棒***安全壳的反应堆堆芯内，实现可控停堆。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明由于设置有滑块、压盘、气缸和气缸驱动系统，气缸驱动系统依靠储存的压缩空气作为驱动机构，在海上浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，能够将控制棒顺利***位于控制棒上方的反应堆堆芯内，且由于在控制棒上设置有限位销，控制棒不会从压盘上的通孔中继续坠落，而是由压盘推动限位销，带动控制棒克服重力向上***反应堆内，从而实现非能动停堆，可以广泛应用于海上浮动核电站非能动停堆技术领域中。

附图说明

图1是本发明驱动装置的整体结构示意图；

图2是本发明驱动装置中部分结构的俯视图；

图3是本发明驱动装置中二位三通电磁换向阀的结构示意图；

图4是当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时本发明驱动装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1、图2所示，本发明提供的浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动装置包括滑轨支架1、滑块2、压盘3、气缸4和气缸驱动系统5。

滑轨支架1固定设置在放置有反应堆堆芯51的安全壳6一侧，安全壳6由采用框架结构的支撑架7进行固定。滑轨支架1上滑动连接滑块2，滑块2一侧固定连接压盘3，压盘3上阵列式开设有用于活动插设控制棒8的若干通孔11，每一控制棒8均穿过对应通孔11伸入安全壳6内。位于压盘3与支撑架7的顶部之间，每一控制棒8上均设置有限位销81，每一控制棒8均连接外部的常规控制棒驱动装置，常规控制棒驱动装置用于当浮动核电站处于工作状态时，控制控制棒8***或拔出安全壳6的反应堆堆芯51内。滑块2的顶部固定连接气缸4的输出端，气缸4的输入端连接气缸驱动系统5，气缸驱动系统5用于当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，通过驱动气缸4控制滑块2沿滑轨支架1运动，使得压盘3沿滑轨支架1运动，进而控制控制棒8***安全壳6的反应堆堆芯51内，实现可控停堆。

在一个优选的实施例中，气缸4包括缸体41、驱动活塞42和驱动活塞杆43。缸体41内活动插设驱动活塞42。驱动活塞42的底部固定连接驱动活塞杆43的一端，驱动活塞杆43的另一端穿出缸体41的底部固定连接滑块2的顶部。缸体41的上部和下部均设置有限位器44。驱动活塞42将缸体41分为A腔室和B腔室两部分，位于缸体41顶部与上部的限位器44之间以及缸体41底部与下部的限位器44之间，缸体41上均设置有用于连接气缸驱动系统5管路的开口。当A腔室充满气时，B腔室放空，驱动活塞42位于上限位；当B腔室充满气时，A腔室放空，驱动活塞42位于下限位。

在一个优选的实施例中，如图1、图3所示，气缸驱动系统5包括二位三通电磁换向阀51、驱动气罐52和通气管路，其中，二位三通电磁换向阀51包括阀体511、电磁开关512、滑阀芯组件513、复位弹簧514和复位弹簧限位器515，通气管路包括A通路管路531、B通路管路532和高压驱动气管路533，滑阀芯组件513是由一个换向阀芯516上间隔设置三个换向阀芯活塞517构成，三个换向阀芯活塞517之间的间距恰好能保证在二位三通电磁换向阀51处于不同开关状态时，打开或封闭相应的排气孔。

阀体511的一侧设置有电磁开关512，阀体511内设置有滑阀芯组件513和复位弹簧514，电磁开关512的动铁心固定连接滑阀芯组件513的一端，滑阀芯组件513的另一端固定连接复位弹簧514的一端，复位弹簧514的另一端固定连接阀体511。阀体511内侧的顶部和底部均设置有复位弹簧限位器515，用于对复位弹簧514进行限位。阀体511的底部中心通过高压驱动气管路533连接容纳有高压空气的驱动气罐52。位于高压驱动气管路533两侧，阀体511的底部开设有A通路排气孔54和B通路排气孔55。位于A通路排气孔54与高压驱动气管路533之间，阀体511的顶部通过A通路管路531连接位于缸体41上部的开口；位于高压驱动气管路533与B通路排气孔55之间，阀体511的顶部通过B通路管路532连接位于缸体41下部的开口。本发明的二位三通电磁换向阀51与反应堆常规能动停堆系统连接一路电，即保证反应堆常规能动停堆系统有电时，本发明中的二位三通电磁换向阀51也不会断电。

在一个优选的实施例中，驱动气罐52的高压气体应保证在安全壳6处于上下位置颠倒的倾覆状态时，缸体41的A腔室能提供足够的压力用于克服控制棒8、压盘3和滑块2的重力和静摩擦力，将控制棒8***反应堆堆芯51内。驱动气罐52中高压空气的压力可以采用下述算法确定：

假定高压空气为理想气体，气缸4的充气过程为等温过程，设定控制棒8、压盘3和滑块2的总重量为W，总摩擦力为f，驱动活塞42的面积为S，缸体41腔室的体积为V_c，驱动气罐52的内体积为V_t，A通路管路531的内体积为V_p，则高压空气的压力P应满足下述公式：

在一个优选的实施例中，压盘3设置在安全壳6的顶部与常规控制棒驱动装置之间。安全壳6顶部与常规控制棒驱动装置之间的距离应大于控制棒8正常运行时的行程差(即控制棒8在完全***反应堆堆芯51和拔出反应堆堆芯51的行程差)加上压盘3的厚度，以确保常规控制棒驱动装置提升控制棒8时，有足够的行程空间不会受压盘3阻挡。若安全壳6顶部与常规控制棒驱动装置之间的距离不大于控制棒8正常运行时的行程差加上压盘3的厚度时，可增加控制棒8位于安全壳6外部部分的长度。压盘3的待命位置(即缸体41的B腔室充满气体，缸体41的A腔室排空，从而使压盘3不会将控制棒8压入反应堆的位置)应确保常规控制棒驱动装置提升控制棒8时，有足够的行程空间不会受压盘3阻挡。

在一个优选的实施例中，每一控制棒8上限位销81的位置应确保常规控制棒驱动装置提升控制棒8时，有足够的行程空间不会受压盘3阻挡。另外，控制棒8在由常规控制棒驱动装置驱动的行程范围内，其上的限位销81不会提升至压盘3的待命位置，即不会与压盘3发生碰撞。

基于上述浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动装置，本发明还提供一种浮动核电站倾覆状态下的停堆控制棒驱动方法，包括以下步骤：

1)当浮动核电站处于工作状态时，反应堆常规能动停堆系统供电正常，常规控制棒驱动装置供电正常，气缸驱动系统5处于通电状态，气缸驱动系统5通过驱动气缸4控制压盘3位于待命位置，可利用原有的常规控制棒驱动装置控制控制棒8***或拔出安全壳6的反应堆堆芯51内，具体为：

1.1)当浮动核电站处于正常工作状态时，反应堆常规能动停堆系统供电正常，常规控制棒驱动装置供电正常，因此，二位三通电磁换向阀51中的电磁开关512处于通电状态。

1.2)电磁开关512通电，滑阀芯组件513位于阀体511的电磁开关512侧，A通路排气孔54打开，B通路排气孔55封闭，高压驱动气管路533和B通路管路532连通，来自驱动气罐52的高压空气通过高压驱动气管路533和B通路管路532进入缸体51的B腔室。同时，释放缸体41A腔室内的气体，此时复位弹簧514处于拉伸状态，驱动活塞42移动至缸体41上部的限位器44即上限位处，压盘3位于待命位置，其中，由于缸体41B腔室的压力足以克服压盘3和控制棒8的重力，使其不会在重力作用下下落。

1.3)此时可利用原有的常规控制棒驱动装置控制控制棒8***或拔出安全壳6的反应堆堆芯51内。

2)当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态、需要紧急停堆时，若反应堆常规能动停堆系统供电正常，则常规控制棒驱动装置供电正常，气缸驱动系统5处于通电状态，气缸驱动系统5通过驱动气缸4控制压盘3位于待命位置，此时可利用原有的常规控制棒驱动装置控制控制棒8***安全壳6的反应堆堆芯51内，实现停堆，具体为：

2.1)如图4所示，当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，若反应堆不断电，则反应堆常规能动停堆系统供电正常，常规控制棒驱动装置供电正常，二位三通电磁换向阀51中的电磁开关512处于通电状态。

2.2)电磁开关512通电，滑阀芯组件513位于阀体511的电磁开关512侧，A通路排气孔54打开，B通路排气孔55封闭，高压驱动气管路533和B通路管路532连通，来自驱动气罐52的高压空气通过高压驱动气管路533和B通路管路532进入缸体51的B腔室。同时，释放缸体41A腔室内的气体，此时复位弹簧514处于拉伸状态，驱动活塞42移动至缸体41上部的限位器44即上限位处，压盘3位于待命位置，其中，由于缸体41B腔室的压力足以克服压盘3和控制棒8的重力，使其不会在重力作用下下落。

2.3)此时可利用原有的常规控制棒驱动装置控制控制棒8***安全壳6的反应堆堆芯51内，实现停堆。

3)当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态、需要紧急停堆时，若此时反应堆常规能动停堆系统断电，则常规控制棒驱动装置失效，气缸驱动系统5处于断电状态，气缸驱动系统5通过驱动气缸4，经滑块2和压盘3控制控制棒8***安全壳6的反应堆堆芯51内，实现可控停堆，具体为：

3.1)当浮动核电站处于上下位置颠倒的倾覆状态时，若反应堆常规能动停堆系统断电，则常规控制棒驱动装置失效，此时，二位三通电磁换向阀51中的电磁开关512处于断电状态。

3.2)电磁开关612断电，滑阀芯组件513在复位弹簧514的作用下向阀体511另一侧移动，直至A通路排气孔54封闭，B通路排气孔55打开，A通路管路531与高压驱动气管路533连通，来自驱动气罐52的高压空气通过高压驱动气管路533和A通路管路531进入缸体41的A腔室。同时，释放缸体41B腔室内的气体，此时复位弹簧514处于复位状态，驱动活塞42移动至缸体41下部的限位器44即下限位处，从而依次通过驱动活塞杆43、滑块2和压盘3控制控制棒8***安全壳6的反应堆堆芯51内，实现可控停堆。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。