阅读说明：本技术 带有热管冷却的控制棒驱动机构 (Control rod drive mechanism with heat pipe cooling ) 是由 C·洛布沙伊德 D·诺艾尔 于 2018-12-21 设计创作，主要内容包括：用于核反应堆控制棒驱动机构(CRDM)的冷却系统包含位于该控制棒驱动机构内或附近的蒸发段以及流体地联接至所述蒸发段的冷凝段。所述冷却系统可以包含从所述控制棒驱动机构中的驱动线圈向上延伸的一组热翅片以及延伸穿过所述驱动线圈和热翅片的热管。流体在处于所述热管的蒸发段中时由于所述控制棒驱动机构所生成的热量而蒸发并且从所述蒸发段运动至所述热翅片中的冷凝段中。流体在处于所述冷凝段中时冷却并且冷凝,从而再循环返回至所述蒸发段中。该被动自然循环冷却系统减少或消除通常用于冷却控制棒驱动机构的水软管、管道以及其它水泵送设备的数量,或者减少或消除对空气冷却的需求,从而增加核反应堆的可靠性并且简化核反应堆的运行和维护。(A cooling system for a nuclear reactor Control Rod Drive Mechanism (CRDM) includes an evaporator section located within or proximate to the CRDM and a condenser section fluidly coupled to the evaporator section. The cooling system may include a set of heat fins extending upwardly from a drive coil in the control rod drive mechanism and heat pipes extending through the drive coil and heat fins. Fluid evaporates while in the evaporator section of the heat pipe due to heat generated by the control rod drive mechanism and moves from the evaporator section into the condenser section in the heat fin. The fluid cools and condenses while in the condenser section, thereby being recycled back into the evaporator section. The passive natural circulation cooling system reduces or eliminates the number of water hoses, pipes and other water pumping equipment typically used to cool control rod drive mechanisms, or the need for air cooling, thereby increasing the reliability of the nuclear reactor and simplifying the operation and maintenance of the nuclear reactor.)

具体实施方式

一种简化的冷却系统当在抽空的容纳容器(CNV)中运行时使用热管来冷却控制棒驱动机构(CRDM)中的电动马达。冷却系统不依赖通过反应堆构件冷却水系统(RCCWS：Reactor Component Cooling Water System)进行的主动水冷却，并且极大地简化控制棒驱动机构、容纳容器以及反应堆构件冷却水系统的设计，从而避免潜在的容纳疏散系统(CES)触发和由于意外的冷却泄漏或阻塞而导致的控制棒驱动机构故障。

冷却系统克服在真空环境中运行的控制棒驱动机构的冷却限制，所述真空环境阻止有效的对流热传递。热管可以将热量从控制棒驱动机构电线圈传递至位于控制棒驱动机构电线圈上方的翅片式热交换器，从而提高通过辐射将热量通过真空传递至周围的容纳容器的容器壁的能力。冷却系统可以包含与电线圈相同的或比电线圈更大的直径的外壳，并且不需要外部动力或外部流体传递。在替代的选择中，热管的冷端可以在控制棒驱动机构上方被直接地安装至容纳容器的容器壁，以进一步促进传导热传递。

图1示出包括反应堆压力容器52的示例性整体反应堆模块5的剖视图。反应堆芯6被显示为位于反应堆压力容器52的下部头部55附近。反应堆芯6可以位于护罩22中，所述护罩在反应堆芯6的侧面周围包围反应堆芯6。被蒸汽发生器30包围的立管段24位于反应堆芯6上方。

当一次冷却剂28由于裂变事件而被反应堆芯6加热时，一次冷却剂28可以被从护罩22向上引导至位于反应堆芯6上方的环形空间23中，并且离开立管24。这可能致使另外的一次冷却剂28被抽吸至护罩22中，继而被反应堆芯6加热，这将更多的一次冷却剂28抽吸至护罩22中。从立管24冒出的一次冷却剂28可以被蒸汽发生器30冷却并且被朝向反应堆压力容器52的外侧引导，然后通过自然循环返回至反应堆压力容器52的底部。

一次冷却剂28循环经过反应堆芯6以变成高温冷却剂TH，然后继续向上通过立管段24，在那里它被沿着环形空间向下引导返回并且被蒸汽发生器30冷却以变成低温冷却剂TC。一个或多个控制棒驱动机构(CRDM)10可操作地联接至多个驱动轴20，所述多个驱动轴可以被构造成与位于反应堆芯6上方的多个控制棒组件80接合。

反应堆压力容器挡板45可以被构造成将一次冷却剂28朝向反应堆压力容器52的下部头部55引导。反应堆压力容器挡板45的表面可以直接接触离开立管段24的一次冷却剂28并且使离开所述立管段的一次冷却剂偏转。在某些示例中，反应堆压力容器挡板45可以由不锈钢或其它材料制成。

反应堆压力容器52的下部头部55可以包括椭圆形、圆顶形、凹形或半球形部分55A，其中椭圆形部分55A将一次冷却剂28朝向反应堆芯6引导。椭圆形部分55A可以增加流动速率并且促进一次冷却剂通过反应堆芯6的自然循环。通过修改反应堆压力容器挡板45的曲率半径以消除/最小化边界层分离和停滞区域，可以获得对一次冷却剂28流的进一步的优化。

反应堆压力容器挡板45被显示为位于立管段24的顶部与增压器区域40之间。增压器区域40被显示为包括一个或多个加热器以及喷雾喷嘴，所述喷雾喷嘴被构造成在反应堆压力容器52的上端56或头部内控制压力或维持蒸汽圆顶。位于反应堆压力容器挡板45下方的一次冷却剂28可以包括相对过冷的冷却剂T_SUB，而在反应堆压力容器52的上端56中的加压器区域40中的一次冷却剂28可以包括大致上饱和的冷却剂T_SAT。

一次冷却剂28的液位被显示为在反应堆压力容器挡板45上方，并且在增压器区域40内，以使得反应堆压力容器挡板45与反应堆压力容器52的下部头部55之间的整个体积在反应堆模块5的正常的操作期间可以充满一次冷却剂28。

护罩22可以支撑一个或多个控制棒引导管94，所述控制棒引导管用来引导被插入至反应堆芯6中或被从该反应堆芯移除的控制棒组件80。在某些示例中，驱动轴20可以穿过反应堆压力容器挡板45和立管段24，以便控制控制棒组件80相对于反应堆芯6的位置。

反应堆压力容器52可以包括凸缘，可以通过所述凸缘将下部头部55可移除地附接至反应堆压力容器52的上部反应堆容器主体60。在某些示例中，当下部头部55比如在补充燃料操作期间与上部反应堆容器主体60分开时，立管段24、反应堆压力容器挡板45以及其它内部部分可以保持于上部反应堆容器主体60内，而反应堆芯6可以保持于下部头部55内。

另外，上部反应堆容器主体60可以容纳于容纳容器70内。存在于位于容纳容器70与反应堆压力容器52之间的容纳区域74中的任何空气或其它气体可以在反应堆起动之前或期间被移除或排空。从容纳区域74排空或抽空的气体可能包括不可冷凝的气体和/或可冷凝的气体。在紧急操作期间，蒸气和/或蒸汽可以被从反应堆压力容器52排放至容纳区域74中，或者仅仅可忽略不计的量的不可冷凝的气体(比如氢气)可以被排放或释放至容纳区域74中。

图2示出反应堆模块5和示例性控制棒驱动机构(CRDM)10组件的上部剖视图。反应堆模块5可以包括容纳控制棒驱动机构10中的至少一部分的上部容纳容器76。多个驱动轴壳体77可以位于上部容纳容器76内。与控制棒驱动机构10相关联的多个驱动轴20可以位于容纳于主容纳容器70中的反应堆压力容器52中。驱动轴壳体77可以被构造成在反应堆模块5的操作期间容纳驱动轴20中的至少一部分。在某些示例中，基本上所有的控制棒驱动机构10可以被容纳于主容纳容器70内。

上部容纳容器76可移除地附接至主容纳容器70。通过移除上部容纳容器76，可以减小反应堆模块5的整体尺寸和/或体积，这可以影响峰值容纳压力和/或水位。除了减小反应堆模块5的总高度之外，从主容纳容器70移除上部容纳容器76可以进一步减小反应堆模块5的重量和运输高度。在某些示例性反应堆模块中，对于反应堆模块5的总高度减小的每一英尺，可以移除几吨的重量。

反应堆压力容器52和/或主容纳容器70可以包括一个或多个钢容器。另外，主容纳容器70可以包括一个或多个凸缘，比如在补充燃料操作期间，可以通过所述一个或多个凸缘将主容纳容器70的顶部头部或底部头部从容纳容器主体移除。

在补充燃料期间，可以将反应堆模块5从操作舱重新定位至补充燃料舱中，并且可以在反应堆模块5上执行一系列拆卸步骤。操作舱可以通过水连接至补充燃料舱，以使得在水中运输反应堆模块5。可以拆卸主容纳容器70，例如，可以使顶部头部或底部头部与容纳容器主体分开，以便获得至控制棒驱动机构10和/或反应堆压力容器52的通路。在该补充燃料阶段，反应堆压力容器52可以保持被完全地浸没于补充燃料舱中的周围的水中。在某些示例中，控制棒驱动机构10的上部部分(比如多个驱动轴壳体77)可以位于水上方，以有助于在干燥环境中接近控制棒驱动机构10。在其它示例中，整个控制棒驱动机构10可以被浸没于补充燃料舱中的水池中。

控制棒驱动机构10可以通过喷嘴78安装至反应堆压力容器52的上部头部。喷嘴78可以被构造成在补充燃料操作期间部分地或完全地拆卸主容纳容器70时支撑控制棒驱动机构10。另外，控制棒驱动机构10可以被构造成支撑和/或控制驱动轴20在反应堆压力容器52内的位置。

反应堆压力容器52可以包括大致胶囊形堆壳。在某些示例中，反应堆压力容器52的高度可以为大约20米。驱动轴20可以从位于反应堆压力容器52的上部头部处的控制棒驱动机构10延伸至反应堆压力容器52的下部头部中，以使得它们可以连接至插入至反应堆芯6中的控制棒组件80(图1)。从反应堆压力容器52的上部头部至反应堆芯6的距离虽然小于反应堆压力容器52的总高度，但是因此可能使驱动轴20的长度也为大约20米长，或者在某些示例中略小于反应堆压力容器52的高度。

图3为控制棒组件80的立体图，所述控制棒组件部分地保持于反应堆芯6中的核燃料组件90上方并且部分地插入至反应堆芯中的核燃料组件中。如上所述，多个驱动轴20从控制棒驱动机构10向下延伸至反应堆芯6的顶部。控制棒组件80可以包含附接至驱动轴20的底端的圆柱形毂82。臂84从圆柱形毂82径向向外延伸并且在远侧端处附接至控制棒86的顶端。

控制棒86延伸至核燃料组件90中，所述核燃料组件被替代地称为形成反应堆芯6的一部分的燃料束。核燃料组件90可以包含支撑多个引导管94的顶部喷嘴92。引导管94从顶部喷嘴92向下延伸并且在核燃料棒(未示出)之间延伸。控制棒86控制核燃料棒中的铀和钚的裂变速率。

控制棒86通常由驱动轴20保持于核燃料组件90上方或保持稍微地插入至核燃料组件90中。反应堆芯6可能会过热。启动核快速控制棒插入操作，其中图1中的控制所述控制棒驱动机构10释放驱动轴20，从而使控制棒86向下下落至引导管94中并且下落于核燃料棒之间。

图4A示出示例性反应堆压力容器52的剖视图。控制棒驱动机构10可以安装至反应堆压力容器52的上部头部96并且被构造成支撑多个驱动轴20，所述多个驱动轴穿过反应堆压力容器52的上部反应堆容器主体60的长度朝向位于反应堆压力容器52的下部头部98中的反应堆芯6延伸。在某些示例中，下部头部98可以在凸缘100处比如通过多个螺栓可移除地附接至上部反应堆容器主体60。

除了容纳多个核燃料棒之外，反应堆芯6可以被构造成接收多个控制棒组件80，所述多个控制棒组件被可运动地插入于燃料棒之间以控制反应堆芯6的功率输出。当反应堆芯6生成功率时，驱动轴20的下端102可以连接至控制棒组件80。另外，控制棒驱动机构10可以被构造成通过使驱动轴20在反应堆压力容器52内向上或向下运动来控制所述控制棒组件80在反应堆芯6内的位置。

驱动轴20的上端104可以容纳于位于反应堆压力容器52的上部头部96上方的控制棒驱动机构压力壳体77中，比如当控制棒组件80被从反应堆芯6移除时。在某些示例中，控制棒驱动机构压力壳体77可以包括被构造成容纳驱动轴20的上端104的单个压力容器。在其它示例中，控制棒驱动机构压力壳体77可以包括用于驱动轴20中的每一个的单独的壳体。

驱动轴20的下端102被显示为与控制棒组件80断开，比如可以与反应堆芯6的补充燃料操作相关联。在补充燃料操作的初始阶段期间，当驱动轴20与控制棒组件80断开时，下部头部98可以保持附接至上部反应堆容器主体60。反应堆压力容器52可以保持对周围环境完全地密封，在某些示例中，所述周围环境可以包括在补充燃料操作的初始阶段期间至少部分地包围反应堆压力容器52的水池。

控制棒驱动机构10可以包括远程断开机构，可以通过所述远程断开机构使驱动轴20与控制棒组件80断开而无需打开或以其它方式拆卸反应堆压力容器52。在某些示例中，反应堆压力容器52可以形成包围反应堆芯6、控制棒组件80、以及驱动轴20的下端102的密封区域106。通过远程地断开驱动轴20，当驱动轴20被至少部分地撤回至控制棒驱动机构压力壳体77中时，控制棒组件80可以保持于反应堆芯6内。

图4B示出图4A的被部分地分解的示例性反应堆压力容器52。在补充燃料操作期间，下部头部98可以与反应堆压力容器52的上部反应堆容器主体60分开。在某些示例中，下部头部98可以在补充燃料站中保持静止而上部反应堆容器主体60由起重机提升并且远离下部头部98运动以有助于接近反应堆芯6。

驱动轴20被显示为处于缩回或撤回位置中，以使得下端102可以完全地保持于上部反应堆容器主体60和/或控制棒驱动机构压力壳体77内。例如，控制棒驱动机构10可以被构造成使驱动轴20的下端102升高到用来将上部反应堆容器主体60与下部头部98的上部凸缘110安装在一起的下部凸缘108上方。将驱动轴20的下端102撤回至上部反应堆容器主体60中可以在补充燃料操作期间在下部凸缘108与上部凸缘110之间提供额外的间隙并且进一步可以防止驱动轴20在运输和/或存储上部反应堆容器主体60期间接触外部物体或受到损坏。另外，当驱动轴20处于缩回位置或撤回位置中时可以类似地由控制棒驱动机构压力壳体77容纳和/或保护驱动轴20的上端104。

如上所述，在部分或全部的补充燃料操作期间，控制棒组件80可以保持完全地插入于反应堆芯6中。在某些示例中，维持控制棒组件80在反应堆芯6内的插入可以由核监管和/或安全考虑决定。

单铰链型控制棒驱动机构

图5为包含远程断开机构的单铰链型控制棒驱动机构88的侧视图并且图6为包含远程断开机构的单铰链型控制棒驱动机构的平面图。参考图5和6，驱动轴壳体77包覆驱动轴20的顶端并且围绕闩锁机构138延伸。驱动轴壳体77被替代地称为上部压力边界。

如上所述，驱动轴20通过在顶部连接至驱动轴壳体77的底端的喷嘴78进入图2中的反应堆压力容器(RPV)52。驱动轴20的底端可拆卸地连接至控制棒组件80，如在下面更详细地示出的。

控制棒驱动机构88包含驱动组件122，所述驱动组件使驱动轴20和附接的控制棒组件80升高和降低。控制棒驱动机构88还包含使驱动轴20与控制棒组件80断开的断开组件120。可以经由电控制信号从反应堆压力容器52的外部远程地启用和控制驱动组件122和断开组件120两者。

图7为控制棒驱动机构88的侧视剖视图并且图8为控制棒驱动机构88中所使用的单铰链闩锁组件138的更详细的剖视图。参考图7和8，在驱动轴壳体77和喷嘴78中设置有通孔158。可以将螺栓(未示出)插入至孔158中以将驱动轴壳体77连接至从反应堆压力容器52的上部头部向上延伸的喷嘴78，如上面在图2中所示出的。

断开棒132延伸穿过驱动轴20的整个长度，并且圆柱形的断开磁体134附接至断开棒132的顶端。断开磁体134向上延伸至驱动轴壳体77中，并且环形的断开线圈136围绕驱动轴壳体77和断开磁体134延伸。当被启用时，断开线圈136可以将断开磁体134保持于升高位置中，从而容许断开棒132在驱动轴20内竖直地向上回撤。

驱动轴20的上端包含带螺纹140的外表面。在一个示例中，螺纹140可以包括用于线性地移动驱动轴20的型螺纹。当然，也可以使用任何其它类型的螺纹或齿轮。驱动轴20从断开磁体134下方穿过驱动轴壳体77和喷嘴78延伸至反应堆压力容器52的上部头部中(图1)。驱动轴20进一步延伸穿过反应堆压力容器52的长度，并且底端包含连接至控制棒组件80的抓钩126。断开磁体134和断开线圈136完成断开组件120。

驱动线圈128的环形布置可以围绕驱动轴壳体77的外部延伸，并且驱动轴壳体77内部的驱动磁体130的环形布置可以围绕驱动轴20延伸。连续地启用驱动线圈128可以使驱动磁体130升高。图8中的交替的驱动线圈128的交替的启用还可以使驱动磁体130围绕驱动轴20的中心轴线156旋转。驱动线圈128、驱动磁体130以及闩锁组件138形成驱动组件122。

单铰链闩锁组件138在底端上联接至驱动轴壳体77并且在顶部联接至驱动磁体130。闩锁组件138包含环形底座142，所述环形底座包含围绕驱动轴20延伸的中心开口。唇部143从环形底座142的外侧底端向外延伸并且安置至形成于驱动轴壳体77的底端与喷嘴78的顶端之间的凹槽中。唇部143充当向下抵靠喷嘴78的顶部表面的压紧保持底座142。

环形轴环148能够旋转地附接至环形底座142并且包含台阶144，所述台阶附接于围绕环形底座142的顶部延伸的轴承154的顶部上。轴环146还包含接收驱动轴20并且围绕驱动轴20延伸的中心开口。轴环146被竖直地/在高度上向下保持至底座142上但是在轴承154和底座142的顶部上围绕驱动轴20的中心轴线156旋转。

夹持器150的外端通过第一销152A而能够枢转地附接至轴环148的上端。夹持器150的内端通过第二销152B而能够枢转地附接至闩锁146的底端。闩锁146的顶端附接至驱动磁体130。当驱动磁体130降低时，闩锁146的底端可以位于轴环148的台阶144的顶部上。

当被启用时，驱动线圈128竖直地向上提升驱动磁体130，从而也提升闩锁146。提升闩锁146使夹持器150的内端向上旋转，从而与驱动轴20上的螺纹140接合。夹持器150的外端围绕第一销152A旋转，所述第一销由轴环148在竖向上保持于适当的位置中。

在使夹持器150的内端升高之后，驱动线圈128可以开始使驱动磁体130围绕驱动轴20的中心轴线156旋转。驱动磁体130的底端开始使升高的闩锁146和附接的夹持器150围绕驱动轴20的外圆周旋转。使夹持器150旋转还使轴环148在底座142的顶部上方并且围绕中心轴线156旋转同时保持由底座142在高度上压紧于适当的位置中。

夹持器150的内端在螺纹140内旋转，从而使驱动轴20在驱动轴壳体77和喷嘴78的内部轴向地且线性地向上运动。驱动线圈128可以使驱动磁体130沿相反的方向旋转，从而也使附接的夹持器150在螺纹140内沿相反的方向旋转。因此，夹持器150使驱动轴20沿如电气控制系统所指示的向上的或向下的方向轴向地和线性地运动。

停用驱动线圈128使驱动磁体130竖直地向下下落。夹持器150的内端也围绕第二销152B向下旋转，从而与螺纹140分离。现在被从夹持器150释放，驱动轴20经由重力自由地竖直地向下下落。

图9为驱动组件122的剖视平面图。环形的驱动线圈128围绕驱动轴壳体77的外部延伸，并且环形的驱动磁体130围绕驱动轴壳体77的内部延伸。驱动轴20延伸穿过形成于驱动磁体130中的中心开口，并且断开棒132延伸穿过沿着驱动轴20的中心轴线形成的孔。螺纹140围绕驱动轴20的外表面延伸。

当被连续地启用时，驱动线圈128生成电磁场，所述电磁场沿竖向提升驱动磁体130。当以交替模式启用驱动线圈128时，所述电磁场还使驱动磁体130围绕中心轴线旋转，从而使驱动组件122旋转以像电动马达一样有效地运行。例如，电气控制系统可以在第一时间段期间启用驱动线圈A，并且在交替的第二时间段期间启用驱动线圈B。驱动线圈A和驱动线圈B的交替的启用致使驱动磁体M围绕延伸穿过驱动轴20的竖直轴线旋转。

图10为单铰链闩锁组件138的剖视平面图。断开棒132延伸穿过驱动轴20的中心。螺纹140围绕驱动轴20的外表面延伸。闩锁146具有环形横截面形状并且经由第二销152B附接至夹持器150的内端。轴环148也包含环形横截面形状并且经由第一销152A附接至夹持器150的外端。如上所述，闩锁146附接至驱动磁体130并且可以竖直地向上和向下运动。驱动轴壳体77也具有与驱动轴20同心地对准的环形横截面形状。还应当注意的是，可以围绕驱动轴20放置任何数量的夹持器150。例如，四个夹持器150可以围绕驱动轴120以90度的间隔放置。

图11A-11E为示出控制棒驱动机构88的不同的操作位置的侧视剖视图。参考图11A，驱动组件122被显示为处于降低状态中。在控制棒组件80被完全地插入至反应堆芯6中的情况下(图1)，驱动线圈128被停用并且驱动磁体130处于降低位置中。降低的驱动磁体130与附接的闩锁146从驱动轴20的螺纹140释放夹持器150。

在电力损失或强制的快速控制棒插入期间，驱动线圈128可以停用，从而使重力能够使与闩锁组件138断开的驱动轴20向下下落。附接的控制棒组件80相应地下落至燃料组件90中，从而使反应堆芯6(参见图1和3)无效。因此，控制棒驱动机构88具有每当在电源故障期间被停用时自动地快速停止反应堆芯6的优点。

断开组件120也被显示为处于降低状态中。断开线圈136被停用并且断开磁体134处于位于驱动轴20的顶部的降低位置中。在降低位置中，断开棒132的底端在抓钩126的往复臂127A和127B之间延伸。叉开的抓钩臂127A和127B压靠控制棒组件80的圆柱形毂82中的槽并且锁定至该控制棒组件的圆柱形毂中的所述槽中。

图11B示出处于升高状态中的驱动组件122。驱动线圈128被启用并且驱动磁体130处于升高位置中。升高的驱动磁体130使附接的闩锁146升高，从而使夹持器150的内端向上运动，从而与驱动轴20的螺纹140互锁。锁定的夹持器150可以基于驱动磁体130的旋转方向使驱动轴20升高或降低。

断开组件120仍然被显示为处于降低状态中，其中断开棒132的底端保持插入于抓钩臂127A和127B之间。叉开的抓钩臂127A和127B保持锁定于圆柱形毂82的内部，从而将驱动轴20的下端锁定至控制棒组件80。

图11C示出处于升高状态中的驱动组件122。驱动线圈128被启用并且驱动磁体130被升高，从而使附接的闩锁146向上运动，从而使夹持器150的内端与螺纹140接合。驱动线圈128还可以开始使驱动磁体130旋转，从而使夹持器150围绕驱动轴20的接合的螺纹140旋转。使夹持器150旋转将驱动轴20轴向地和线性地向上推动至驱动轴壳体77中，并且将连接的控制棒组件80提升较短的距离，这不会在反应堆芯中引起反应性引入(在所谓的死区内)。

使驱动轴20升高还使断开磁体134升高，从而将附接的断开棒132的底端维持于抓钩臂127A和127B之间。换句话说，在下面所讨论的断开之前，使驱动轴20和断开棒132一起升高保持驱动轴20的底端附接至控制棒驱动机构80。

图11D示出处于降低状态中的驱动组件122以及处于升高状态中的断开组件120。当驱动轴20和断开磁体134处于图11C中所示的升高位置中时，断开线圈136被启用。然后，驱动线圈128可以使驱动磁体130沿相反的方向旋转，从而使驱动轴20竖直地向下降低。同时，断开线圈136将断开磁体134保持于升高位置中。当夹持器150继续使驱动轴20线性地向下运动时，断开棒132的底端从抓钩126之间向上滑动出来。抓钩臂127A和127B相应地向内往复运动，从而与控制棒组件80断开，所述控制棒组件下落较短的距离。替代地，停用驱动线圈128，从而使驱动轴20下落并且使控制棒组件80断开，其中借助于断开线圈136将断开磁体134保持于升高位置中。

图11E示出处于降低状态中的断开组件120和驱动组件122。停用所述断开线圈136释放所述断开磁体134，从而致使断开棒132的底端在抓钩臂127A和127B之间滑动。然后，驱动线圈128可以停用，从而使夹持器150与驱动轴20断开。然后，叉开的抓钩126位于控制棒组件80的顶部上。

因此，在反应堆芯补充燃料操作期间，可以远程地启用和停用驱动线圈128和断开线圈136以线性地移动驱动轴20并且还使驱动轴20与控制棒组件80断开。在完成对反应堆容器52(图4A和4B)的补充燃料和重新组装之后对控制棒组件80的重新连接可以以图11A至11D中所示的步骤的相反的顺序来执行。

双铰链型控制棒驱动机构

图12为双铰链型控制棒驱动机构159的侧视图。图13A和13B为控制棒驱动机构159的侧视剖视图。图14为双铰链闩锁组件160的更详细的视图。

参考图12、13A、13B以及14，控制棒驱动机构159中的驱动组件122和断开组件120包含与上述大致上相同的驱动以及断开线圈和磁体。驱动轴壳体77和喷嘴78也全部与如上所述的那些大致上相同。断开棒132、驱动轴20以及带螺纹140的外表面也类似于上述那些。

与上述相似，连续地启用驱动线圈128可以使驱动磁体130与环形驱动线圈128升高并且对准。相邻的驱动线圈128的交替的启用还可以使驱动磁体130围绕驱动轴20的中心轴线156旋转，以迫使驱动轴20和附接的控制棒组件80线性地运动。

双铰链闩锁组件160在底端处联接至驱动轴壳体77，并且在顶端处联接至驱动磁体130。闩锁组件160包含如上所述的类似的底座142，所述底座142包含围绕驱动轴20延伸的中心开口。类似的唇部143从底座142的外侧底端向外延伸并且安置至形成于驱动轴壳体77的底端与喷嘴78的顶端之间的凹槽中。唇部143充当向下抵靠喷嘴78的顶表面的压紧保持底座142。

参考图13A，驱动组件122被显示为处于升高状态中。启用驱动线圈128使驱动磁体130和附接的闩锁162升高。夹持器164的下端向上并且向内运动，从而与驱动轴20的螺纹140接合。然后，锁定的夹持器164可以根据驱动磁体130的旋转方向使驱动轴20升高或降低。

断开组件120被显示为处于降低位置中，其中断开棒132的底端被插入于抓钩126的臂127A和127B之间。叉开的臂127A和127B锁定于圆柱形毂82的内部，从而将驱动轴20的底端锁定至控制棒组件80。

参考图13B，驱动组件122和断开组件120被显示为处于降低状态中。停用驱动线圈128使驱动磁体130和附接的闩锁162降低。夹持器164向下和向外运动，从而与驱动轴20的螺纹140分离。

在断开棒132的底端保持插入于抓钩126的臂127A和127B之间的情况下，断开组件120仍然被显示为被停用。叉开的臂127A和127B保持锁定于圆柱形毂82的内部，从而将驱动轴20的底端锁定至控制棒组件80。

在图14中，在设计方面类似于图8的环形轴环148附接至底座142但是相对于底座142旋转地脱离，并且包含类似的台阶144，所述台阶附接于围绕底座142的顶部延伸的轴承154的顶部上。轴环146还包含接收驱动轴20并且围绕所述驱动轴延伸的中心开口。轴环146被竖直地/在高度上向下保持至底座142上，但是在轴承154和底座142的顶部能够围绕驱动轴20的中心轴线156旋转。

铰链168的外端通过第一销166A能够枢转地附接至轴环148的顶端。铰链168的内端通过第二销166B能够枢转地附接至夹持器164的下端。闩锁162的顶端附接至驱动磁体130，并且闩锁162的底端通过第三销166C能够枢转地附接至夹持器164的顶端。

当被启用时，驱动线圈128竖直地向上提升驱动磁体130，从而也使闩锁162升高。夹持器164和铰链168的内端也向上运动，从而使夹持器164的底端向内运动，从而与驱动轴20的螺纹140接合。

在接合夹持器164的下端之后，驱动线圈128可以开始使驱动磁体130围绕驱动轴20的中心轴线156旋转。驱动磁体130的底端也开始使升高的闩锁146和接合的夹持器164围绕驱动轴20旋转。使夹持器164旋转还使轴环148围绕中心轴线156旋转同时借助于底座142竖直地向下保持。

夹持器164的内端在接合的螺纹140内旋转，从而使驱动轴20在驱动轴壳体77和喷嘴78的内部线性地向上运动。驱动线圈128可以使驱动磁体130沿相反的方向旋转，从而使夹持器164在螺纹140内沿相反的方向旋转，从而使驱动轴20向下轴向地运动。

停用驱动线圈128使驱动磁体130和夹持器164的内端向下下落。铰链168也向下和向外旋转，从而使夹持器164的下端与螺纹140分离。驱动轴20现在被从夹持器150释放并且经由重力自由地竖直地向下下落。

图15为双铰链闩锁组件160的剖视平面图。断开棒132延伸穿过驱动轴20的中心线。螺纹140围绕驱动轴20的外表面延伸。闩锁162具有环形横截面形状并且在底端处附接至夹持器164的顶端。轴环148也包含环形横截面形状并且经由第一销166A附接至铰链168的外端。如上所述，轴环146附接至驱动磁体130并且可以竖直地向上以及向下运动。驱动轴壳体77也具有与驱动轴20同心地对准的环形横截面形状。

图16A-16G为示出上述单铰链型控制棒驱动机构88或双铰链型控制棒驱动机构159的不同的操作的简化示意图，其中重点在于实现本文中所描述的控制棒驱动机构功能的主要元件。为了解释说明的目的，下面使用以下缩写。

驱动线圈128＝A

驱动磁体130＝B

闩锁146、162＝C

驱动轴20＝D

夹持器150、164＝E

断开线圈136＝F

断开磁体134＝G

抓钩126＝H

驱动轴壳体77＝I

底座142＝J

断开棒132＝K

控制棒组件80＝CRA

同心电磁线圈A和F在驱动轴壳体I(替代地被称为压力边界)的外部延伸。外部的线圈A和F相互作用以分别使圆柱形磁体B和G在压力边界I内部运动。

参考图16A，最初使驱动线圈A断电。闩锁C被固定至环形驱动磁体B并且安放于驱动轴壳体I内部的底座J上。

参考图16B，使驱动线圈A通电，从而向上提升驱动磁体B直至与驱动线圈A对准。这提升闩锁C并且接合夹持器E，所述夹持器E围绕销枢转，所述销被相对于压力边界I的内部在竖向上固定，但是容许闩锁C的旋转。夹持器E安装至驱动轴D的螺纹槽中。

参考图16C，通过以特定的顺序操作驱动线圈A，使驱动磁体B和闩锁C进行旋转运动，而同时仍然维持与驱动线圈A相同的高度。这防止夹持器E的分离。夹持器E的旋转运动转化为使驱动棒D和附接的CRA升高的线性驱动轴运动。

返回参考图16A，在收到快速控制棒插入信号或电力损失时，驱动线圈A释放驱动磁体B，从而由于闩锁C的下落而致使夹持器E向下和向外枢转。这提供安全特征，其中驱动轴D的重力驱动的下落使附接的CRA下落至反应堆芯中。

图16D-16G示出如何在拆卸图4A和4B中的反应堆压力容器52之前远程地使驱动轴D从CRA断开。最初使驱动线圈A断电，并且闩锁C安放于底座J上。这可能类似于图6A中所示的初始驱动轴接合构造。

参考图16D，启用驱动线圈A，从而使驱动磁体B和闩锁C升高，从而使夹持器E与驱动轴D接合。如图11C中所示，驱动线圈A然后使驱动磁体B和闩锁C进行旋转运动，同时维持与驱动线圈A相同的高度。使夹持器E旋转使驱动轴D以及断开磁体G线性地向上运动至升高位置中，从而将附接的CRA提升较短的距离，这不会在反应堆芯中引起反应性引入(在所谓的死区内)。

参考图16E，仍然使驱动线圈A通电，从而将驱动磁体B、驱动轴D、断开磁体G以及断开棒K保持于升高位置中。使断开线圈F通电，从而将断开磁体G和附接的断开棒K在竖向上保持于适当的位置中。然后，驱动线圈A可以使驱动磁体B、闩锁C以及夹持器E沿相反的方向旋转，从而使驱动轴D线性地降低。驱动轴D的底端上的抓钩H当前保持CRA，并且断开棒K的底端开始从抓钩臂向上运动而脱出。抓钩H的臂收缩，从而使CRA下落较短的距离，直至它再次安放于图3中的核燃料组件顶部喷嘴92的顶部上。

参考图16F，驱动线圈A保持通电并且因此将驱动磁体B保持于适当的位置中。然后使断开线圈F断电。这释放断开磁体G，从而使断开棒K的底端插入至驱动轴D的底部上的抓钩H中并且使所述驱动轴的底部上的所述抓钩扩张。

参考图16G，使驱动线圈A断电，从而释放环形驱动磁体B和闩锁C。驱动轴D下落较短的距离直至抓钩H安放于CRA圆柱形毂的顶部上而没有接合。这使反应堆压力堆壳的上部段和下部段能够分开，以便在不移除CRA的情况下补充燃料。

以相反的顺序执行抓钩H与CRA的重新连接。驱动线圈A可以使驱动轴D以及断开磁体G竖直地向上运动至升高位置中。断开线圈F可以启用，从而将断开磁体G和断开棒K保持于升高位置中。然后，驱动线圈A可以使驱动轴D降低，从而使抓钩H收缩并且将抓钩插入至CRA中。然后可以停用断开线圈F，从而使断开磁体G和断开棒K的底部下落于抓钩H之间。抓钩H扩张，从而锁定至CRA中。

替代地，通过使用断开线圈F的电磁力向上拉动断开磁体G而使抓钩H与CRA重新接合。使断开磁体G运动至升高位置中而无需同时使驱动线圈A通电。驱动轴D的重量可以足够大，以使得仅仅断开棒K在驱动轴D内部向上运动。抓钩H收缩，从而插入至CRA圆柱形毂中。然后，停用断开线圈F，所以断开棒K的底部向下下落返回至抓钩H中。抓钩H扩张，从而锁定至CRA中。

控制棒驱动机构冷却系统

图17示出具有示例性控制棒驱动机构(CRDM)88的反应堆模块5的上部剖视图，所述示例性控制棒驱动机构具有集成的冷却系统180。图18为等距立体图，其更详细地示出控制棒驱动机构88和冷却系统180。反应堆模块5包含与上述相同的上部容纳容器76壳体。多个驱动轴壳体77位于上部容纳容器76内。如上文还描述的，多个驱动轴20通过喷嘴78向下延伸至反应堆压力容器52中，所述喷嘴在顶部连接至驱动轴壳体77的底端。

驱动轴壳体77可以保持上述控制棒驱动机构88、断开组件120、驱动组件122、单铰链闩锁组件138或双铰链型控制棒驱动机构159中的任何一个。如上所述，驱动组件122可以使驱动轴20升高和降低，并且断开组件120可以使驱动轴20从控制棒组件80(图3)断开。可以经由电控制信号从反应堆压力容器52的外部远程地启用和控制驱动组件122和断开组件120两者。

如以上还提到的，可以在反应堆起动之前或期间移除或排空存在于位于容纳容器70与反应堆压力容器52之间的容纳区域74中的任何空气或其它气体。从容纳区域74排空或抽空的气体可以包括不可冷凝的气体和/或可冷凝的气体。

冷却系统180包含一组热翅片184，所述一组热翅片从驱动线圈128的顶部向上并且围绕断开组件120延伸。热翅片184可以具有平板形状并且可以由任何热沉材料(比如铝、铜、不锈钢或任何其它导热金属)形成。热翅片184具有用于至形成于反应堆压力容器52与容纳容器70之间的容纳区域74内的具有较低的温度的容纳容器表面的辐射热传递的改进的路径。热翅片184可以移除驱动线圈128所生成的热量而不显著地增加控制棒驱动机构88的占地面积。

在一个示例中，热翅片184可以附接至保持驱动线圈128的外部金属外壳185或与保持所述驱动线圈的所述外部金属外壳一起形成。例如，驱动线圈128和热翅片184可以被形成为可以在驱动轴壳体77之上滑动的同一模块化环形外壳。

图19为控制棒驱动机构冷却系统180的下部部分的剖视平面图。如以上在图9中所描述的，环形驱动线圈128围绕驱动轴壳体77的外圆周延伸，并且环形驱动磁体130围绕驱动轴壳体77的内部延伸。驱动轴20延伸穿过形成于驱动磁体130中的中心开口，并且断开棒132延伸穿过沿着驱动轴20的中心轴线形成的孔。螺纹140围绕驱动轴20的外表面延伸。

冷却通道186竖直地延伸穿过驱动线圈128和/或在所述驱动线圈之间延伸，并且形成或保持热管190。例如，通道186可以保持金属管，所述金属管保持流体，所述金属管一起用作热管190。在该示例中，四对外部热管190A和四对内部热管190B以半环的方式延伸穿过每个驱动线圈128。外部热管190A和内部热管190B被替代地称为热管190。

图20为控制棒驱动机构冷却系统180的上部部分的剖视平面图并且图21为控制棒驱动机构冷却系统180的上部部分的放大的平面剖视图。冷却通道188竖直地延伸穿过热翅片184，并且再次形成或保持用作热管190的管。冷却通道188与驱动线圈128中的通道186连接或与所述驱动线圈中的所述通道连续地形成以形成热管回路190。

如以上在图5-7中所描述的，圆柱形断开磁体134附接至断开棒132的顶端(图7)。断开磁体134向上延伸至驱动轴壳体77中，并且环形断开线圈136围绕驱动轴壳体77和断开磁体134延伸。热翅片184从断开线圈136径向向外延伸，并且在一个示例中包含热管190的上部段。热管190A和190B以半环的方式向上延伸穿过每个热翅片184。

热管190A和190B的蒸发段沿着热翅片184的内侧延伸，并且被热翅片184中的隔热材料196覆盖。在一个示例中，隔热材料196可以为任何类型的矿棉、硅酸钙、玻璃纤维、微孔耐火材料、玻璃纤维毡、反射金属隔热材料(RMI)或通常用于使核电站中的管隔热的任何其它材料。

热管190A和190B的冷凝段流体地联接至热管190A和190B的隔热段，沿着热翅片184的外侧延伸，并且被冷凝通道198包围。在一个示例中，冷凝通道198为从热管190的外表面径向向外延伸的一组高导热金属条或狭槽。冷凝通道198使热管190的冷凝段的更多外表面区域暴露至由容纳容器70(图17)所形成的冷却器容纳区域74。可以围绕热管190的冷凝部分在热翅片184内形成任何其它类型的热翅片或散热片，以进一步提高热传递速率。

图22为冷却系统180的等距侧视图并且图23为冷却系统180的更详细的等距侧视图。在该示例中，多对外部和内部圆形热管回路190A和190B分别延伸穿过每个驱动线圈128和热翅片184。外部热管190A沿着驱动线圈128和热翅片184的内侧和外侧延伸。内部热管190B在外部热管190A的内侧延伸穿过驱动线圈128和热翅片184。

热管190从底端向上延伸穿过驱动线圈128的顶端，然后进一步向上穿过底端延伸至热翅片184的顶端。热管190的顶端从断开线圈136径向向外延伸，并且热管190的底端径向向内朝向驱动轴壳体77延伸，从而形成连续的环。

替代的选择是在控制棒驱动机构88上方将热管190的较冷的上部段194直接地安装至容纳容器70的内壁，在所述控制棒驱动机构这里热量通过传导传递至容纳容器表面。例如，热管190可以包含这样的环：这些环进一步向上并且离开热翅片184或驱动线圈128的顶部延伸并且接触容纳容器70的内壁。在两个替代方案中，一旦热量被传递至容纳容器，它就消散至容纳容器外部的环境。

热管190A和190B的更靠近驱动线圈128和热翅片184的内侧的内部部分被称为蒸发段208，并且热管190A和190B的更靠近热翅片184的外侧延伸的外部部分被称为冷凝段210。蒸发段208和冷凝段210流体地联接在一起。

热管190可以包括由比如铜、铝、不锈钢或任何其它导热金属的任何材料所形成的任何圆形、椭圆形或扁平形管或孔口。热管190可以容纳能够传递热量的任何流体200，比如水、氨、甲醇、液态钠或等等。当被加热时，流体200可以转变成蒸发状态200A，而当被冷却时，流体200可以转变返回成冷凝状态200B。

流体200的蒸发和冷凝产生穿过热管190的流体流，所述流体流从驱动线圈128移除热量。例如，驱动线圈128在运行时产生使流体200A蒸发的热量。蒸发的流体200A向上上升穿过热管190的蒸发段208，从而从驱动线圈128传递热量。

如上所述，热管190的上部冷凝段210中的隔热材料196传递蒸发的流体200A。热管190的上部冷凝段210中的冷凝通道198将蒸发的流体200A凝结成冷凝的流体200B的液滴。在热管190中可以使用其它类型的多孔介质，以帮助将蒸发的流体200A凝结成冷凝的流体200B。

冷凝的流体200B经由重力或毛细作用通过热管190的冷凝段210竖直向下下落。驱动线圈128然后将冷凝的流体200B重新加热返回成蒸发的流体200A，从而使流体200通过热管190循环返回并且进一步从驱动线圈128移除热量。流量限制器(未示出)可以在驱动线圈128的上游位于热管190中，以控制流体200的流动方向和流动速率。

被动冷却系统180减少或消除通常在主动反应堆构件冷却水系统中所使用的水软管、管道和水泵送设备的数量。简化的冷却系统180还将热管190嵌入于集成的驱动线圈128和热翅片184中，以提供模块化控制棒驱动机构88设计，其中可以在维护操作期间更容易地将电驱动线圈128换出。冷却系统180还克服压水反应堆(PWR)控制棒驱动机构设计中的对流热冷却的局限性，在所述压水反应堆控制棒驱动机构设计中，控制棒驱动机构电线圈128在真空环境中位于控制棒驱动机构压力边界的外部。

已经描述和示例说明了优选实施例的原理，应当清楚的是，可以在不脱离这样的原理的情况下在布置和细节方面对实施例进行修改。对落入以下权利要求的精神和范围内的所有修改和变型提出权利要求。

上面所描述的一些操作可以以软件实施，并且其它操作可以以硬件实施。本文中所描述的操作、过程或方法中的一个或多个可以由与本文中参考所示出的附图所描述的那些相似的设备、装置或系统来执行。

对于本领域中的技术人员而言将显而易见的是，可以在不提供某些或全部特定细节的情况下实践所公开的实施方式。在其它情况下，未详细地描述某些过程或方法，以避免不必要地使所公开的实施方式模糊。其它实施方式和应用也是可能的，因此，以下示例不应当被视为对范围或设定的限定或限制。

已经参考了附图，所述附图形成说明书的一部分，并且在附图中通过示例的方式示出具体的实施方式。尽管充分详细地描述了这些公开的实施方式以使本领域技术人员能够实践所述实施方式，但是应当理解的是，这些示例不是限制性的，以使得可以使用其它实施方式并且可以对所公开的实施方式进行改变而不脱离它们的精神和范围。

尽管本文中所提供的示例已经主要地描述了压水反应堆和/或轻水反应堆，但是对于本领域的技术人员而言显而易见的是，所述示例可以应用于其它类型的动力系统。例如，其示例或变型也可以被制造成可与沸水反应堆、钠液态金属反应堆、气冷反应堆、球形床反应堆和/或其它类型的反应堆设计一起操作。

应当注意的是，示例不限于任何特定类型的反应堆冷却机构，也不限于被用来在核反应内或与核反应相关联地产生热量的任何特定类型的燃料。本文中所描述的任何比率和值仅仅被作为示例提供。可以通过实验确定其它比率和值，比如通过构造核反应堆系统的全尺寸模型或成比例模型。