稿件編號：CSMIRT20-（1核能與新能源技術(shù)（INET），，100084；2先進核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心3華北核與輻射安全監(jiān)督站，：高溫氣冷堆示范工程（HTR-PM控制棒孔道高達19m多，套疊式控制棒吸收體從上到下需要穿過反應(yīng)堆壓力容器控制棒殼管嘴、金屬堆內(nèi)構(gòu)件控制棒上/中/下導(dǎo)向管，以及石墨和碳堆芯支承結(jié)構(gòu)中的控制棒孔道。由于整個控制棒孔道高度較大，由石墨、碳、低合金耐熱鋼、奧氏體不銹鋼等多種材質(zhì)的零部件構(gòu)成，其加工偏差、安裝誤差、溫度載荷導(dǎo)致的零部件熱脹冷縮、動導(dǎo)致的堆內(nèi)構(gòu)件相互晃動等多種因素使控制棒孔道發(fā)生一定量的變形。本文對高溫氣冷堆示范工程（HTR-PM）控制棒孔道的通過性進行系統(tǒng)研究，綜合上述各種因素進行了優(yōu)化設(shè)計，并通過理論分析和冷、熱態(tài)試驗、堆芯結(jié)構(gòu)模型抗震試驗驗證了控制棒孔道通過性能夠滿足設(shè)計要求。目前高溫氣冷堆示范工程已經(jīng)完成堆本體設(shè)備的安裝工作，孔道的位置度測量和控制棒模擬件通過性試驗也證明了HTR-PM控制棒孔道通過性滿足功能要求。：高溫氣冷堆；控制棒孔道；通過號： 文章標志碼 文章編號Studyandtestverificationonhtr-pmcontrolrodchannels（1.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology(INET),TsinghuaUniversity,Beijing,,NorthernRegionalOfficeofNuclearandRadiationSafetyInspection,Beijing,:ThecontrolrodchannelsreachmorethannineteenmetersintheHigh-Temperaturegas-cooledReactorPebble-bedModule(HTR-PM)demonstrationpower.Whentheoverlapcontrolrodsdropped,theypassthroughthecontrolrods nozzleofreactorpressurevessel,theupper/middle/lowerguidetubesofcontrolrodsinmetalreactorinternals,andthecontrolrodchannelsinthegraphiteandcarbonreactorcore.Becausetheheightofcontrolrodchannelsislarge,thecontrolrodchannelsarecomposedofvariousmaterialssuchasgraphite,carbon,lowalloyheat-resistantsteelandausteniticstainlesssteel,andmanyotherfactorssuchastheprocessingdeviation,theinstallationerror,thethermalexpansionandshrinkageofcomponentscausedbytemperature,theshakingoftheinternalscausedbythegroundmotionmakesomedeformationofcontrolrodchannelsappeared.Inthispaper,theHTR-PMcontrolrodchannelsfunctionalityisresearched,andtheabovefactorsareoptimized.Itwasprovedthatthedesignrequirementsofcontrolrodchannelsfunctionalityhadbeensatisfiedthroughtheoreticalysis,coldtest,hottestandamodelshakingtabletestofreactorcore.Atpresent,theinstallationofequipmenthasbeencompletedintheHTR-PM.Thecontrolrod基金項目：國家科技重大專項（2008ZX06902-005）自主科研計劃資作者簡介：(1988—)，男，河北灤平人，研究員，教授，博士生導(dǎo)師，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)專業(yè) 1functionalitysatisfiedfunctionalrequirementshasbeendemonstratedthroughthepositionmeasurementofthecontrolrodchannelsandthesimulatedfunctionaltestofthecontrolrod.t引1控制棒孔道變形不同情況示意圖Fig.1differentdeformationsofcontrolrod圖2控制棒孔道通過性試驗驗證Fig.2thetestofcontrolrod高冷范H-）制棒是反功節(jié)急的重要，失棒設(shè)則，所制能在上在能動去供，棒重力落入堆芯HT-M制棒孔達19m多落棒過程中套疊式控制棒從上到下依次穿過反壓器棒嘴屬構(gòu)件控上中下管1控制棒孔道變形不同情況示意圖Fig.1differentdeformationsofcontrolrod圖2控制棒孔道通過性試驗驗證Fig.2thetestofcontrolrod

狀復(fù)雜等顯著特點。控制棒孔道的加工偏差、安裝誤差、溫度和輻照載荷導(dǎo)致的零部件變形、導(dǎo)致的堆內(nèi)構(gòu)件相互晃動和錯位等將導(dǎo)致控制棒孔道發(fā)生變形，見圖1。如果變形超過一定限值，將導(dǎo)致控制棒運動受阻或卡棒事故，對高溫氣冷堆的正常運行帶來極大的安全隱患，因此，對高溫氣冷堆控制棒孔道的通過性進行理論分析和試驗研究顯得尤為重要。英國高溫氣冷堆的控制棒及其石墨孔道有著相似的結(jié)構(gòu)，考慮到安全運行和延壽，相關(guān)理論分析和試驗驗證工作也正在進行[1，見圖2控制棒及其孔道設(shè)計高溫氣冷堆的控制棒設(shè)計為內(nèi)、外棒套疊式結(jié)構(gòu)，內(nèi)棒可以在外棒中運動，為了避免控制棒孔道變形使控制棒運動受阻或卡住，內(nèi)外棒均設(shè)計成多棒節(jié)組成的柔性結(jié)構(gòu)。內(nèi)棒設(shè)計球面關(guān)節(jié)連接的多節(jié)棒結(jié)構(gòu)，球面關(guān)節(jié)可在小角度內(nèi)自由扭轉(zhuǎn)；外棒設(shè)計鏈環(huán)連接的多節(jié)棒結(jié)構(gòu)，在重力作用下呈現(xiàn)較好的直

在正常運行條件下控制棒孔道的彎曲不得超過10mm，在事故條件下控制棒孔道的彎曲不得超過15mm。控制棒孔道通過性分析單節(jié)控制棒孔道套管直徑D為130mm，高H為300mm；單節(jié)控制棒由內(nèi)棒和外棒組d1和高h1分別為72mm和509mmd2和高h2分別為114mm和497mm，見圖3。顯然，控制棒卡棒與否只與外棒尺寸有關(guān)，以下分析中所提及的控制棒尺寸均為外棒尺寸（即：d=d2，h=h2。Fig.3thedimensionsofcasingandcontrol套管平移分析4，X軸平X軸成任意角度φ

4.Fig.4thesideviewofcontrolrodinserting控制棒垂直插入套管的俯視圖見圖5，要保證控制棒可穿過套管，必須滿足D-?≥d。即要條件為連續(xù)兩節(jié)套管間的平移量D-d=130-114=16mm。5.Fig.5theoverheadviewofcasing套管旋轉(zhuǎn)分析1在上2在下，兩套管間不存在平移，套2上端面與X軸平行，套管1右下端點始終與套管2接觸，且繞Z軸轉(zhuǎn)X軸成α角。此時，控制棒剛好能通過22左下角相交于一點A，控制棒右壁緊貼套管2右上角B點C點與1的左壁剛好接觸，見圖6。Fig.6thecriticalgraphofcontrolrodpassingthroughcasing2whencasingrotated下一節(jié)套管3，如圖7所示Fig.7theminimumangle(left)andumangle(right)ofcontrolrod

throughcasing2后能順利通過33的最小臨界轉(zhuǎn)角對應(yīng)的3端面和側(cè)面分別與控制棒的端角相同，均為8.0°。綜上所述，控制棒孔道套管間僅存在轉(zhuǎn)動時，控制棒順利通過套管的必要條件為：任意一節(jié)套管與前一節(jié)套管的轉(zhuǎn)角小于8.0°，與后一節(jié)套管的轉(zhuǎn)角大于3.0，小于80。套管平移迭加旋轉(zhuǎn)分析2B1XZ平面的投影可判直于轉(zhuǎn)軸）1沿XZ軸方向平移，見8。Fig.8theprojectionofthecasing1andthecontrolrodintheXZ對于垂直于轉(zhuǎn)軸的平移，平移量為?X， 時控制棒剛好能通過套管2的臨界條件為：制棒左下角和套管2左下角相交于點A，控制棒右壁緊貼套2右上B點，控制棒左上角C點與套管1左壁剛好接觸，見圖9。9.垂直于轉(zhuǎn)軸平移時，控制棒通過套管2臨界圖Fig.9thecriticalgraphofcontrolrodpassingthroughbushing2whentranslationsindirection根據(jù)對稱性，控制棒通過套管3所對應(yīng)臨界平移分量?X=AK·cosα=BJ·cosα，如圖

–控制棒孔道通過性試驗11所示，11控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷態(tài)落棒試驗示意Fig.11theschemeofCRDMcold-statedroptest10.垂直于轉(zhuǎn)軸平移時，控制棒通過套管Fig.10thecriticalgraphofcontrolrodpassingthroughbushing3whentranslationsindirectionaxis綜上所述，套管間既有相對轉(zhuǎn)動α，又X時，保證控制棒通

冷、熱態(tài)試驗性能試驗和行程試驗，其中整體性能試驗況：溫度≥1500.05～0.3MPa（考慮檢，氦氣中氧含量150℃氦氣氛圍下，控制棒驅(qū)動機構(gòu)的各正常執(zhí)行系統(tǒng)下長期運行的可靠性，開展了行程試驗。2倍，大部分重要零部件的行程已經(jīng)達到120堆年，驗證了控制棒驅(qū)運行的可靠性。試驗完成后，對控制棒系動態(tài)試驗

常運行狀態(tài)（裝有球）和安裝階段（未裝幅值的白噪聲和5次SL1和1次SL2輸入。試驗結(jié)果表明整個模型保持了結(jié)構(gòu)完整，在強震過程中控制棒模擬件能夠順暢下落，見表1，滿足設(shè)計要求。試驗完成后對模型進行拆檢，未發(fā)現(xiàn)石墨構(gòu)件有明顯破損，驗證了模型在載荷作用下可正常工作，保持器保持了結(jié)構(gòu)完整性和可運行性，在工況下能夠執(zhí)行其安全功能。1timeofcontrol特性，包括測量其自振頻率、振型、阻尼等 刻123刻1234強度和位移，驗證模型的可靠性，以及石墨堆芯結(jié)構(gòu)整體模型和控制棒孔道的最大變形，石墨和金屬連接構(gòu)件的強度等,建筑科學(xué)研究院抗震搭建了1:4石墨堆芯結(jié)構(gòu)整體模型，如圖12所示，開展了抗震試驗。

(a)thelayoutofmodelshakingtabletestofreactorcore(b)schemeofmodelshakingtabletestof圖12石墨堆芯結(jié)構(gòu)整體模型抗震試震下的可運行性，水利水電科學(xué)全停堆（SSE）載荷下的斷電落棒試驗，構(gòu)在運行基準下的可運行性，包括提棒、總本文對高溫氣冷堆示范工程（HTR-PM）控制棒孔道的通過性進行系統(tǒng)研究，綜合考慮安裝、運行、事故等各種因素，對控制棒及其孔道進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并通過理論分析和冷、熱態(tài)試驗、堆芯結(jié)構(gòu)模型抗震試驗等驗證了控制棒孔道的通過性能夠滿足設(shè)計要求。目

HTR-PM