一种控制棒驱动机构及核反应堆的制作方法

1.本发明属于核工业技术领域，具体涉及一种控制棒驱动机构以及包括该控制棒驱动机构的核反应堆。

背景技术：

2.核反应堆的控制棒驱动机构，是核反应堆堆芯反应性控制系统以及堆芯保护系统的一种重要设备，其可以通过调节控制反应堆堆芯中控制棒的空间位置、速度和加速度，实现反应堆的启动、功率调节、正常停堆以及紧急停堆等运行及安全功能。
3.目前核反应堆通常采用的控制棒驱动机构有磁力步进提升式、齿轮齿条式、滚珠丝杠式、钢丝滚轮式、链条滚轮式等种类。但以上种类的控制棒驱动机构安装在立式反应堆堆芯的上部或下部，且只能实现控制棒在在空间位置中沿上下方向的运动。当反应堆堆芯在某些特殊要求下(如高度方向空间限制，车载、船舶或飞行器等应用场景)，需卧式布置(及非竖直布置)时，或在无重力、微重力条件下，上述的控制棒驱动机构要么不适用安装在卧式堆芯横向位置，要么不能实现控制棒横向空间位置(及非竖直方向位置)的调节，要么是在失电的状况下不能借助外部能源的条件下，无法实现将控制棒插入至使堆芯反应性下降到安全状态下的位置(原有的控制棒驱动机构通常是借助重力作用，使控制棒回落至安全位置)。因此，针对卧式堆或者需要控制棒在水平方向(及非竖直方向)调节的场景下，现有的控制棒驱动机构其动力源组成、结构形式和工作原理均不适用。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种控制棒驱动机构以及包括该控制棒驱动机构的核反应堆，该控制棒驱动机构在失电情况下，无需依靠重力就能够实现控制棒的安全回棒。
5.为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种控制棒驱动机构，用于核反应堆，包括主驱动轴、动力组件和恒力弹簧，所述主驱动轴的一端与控制棒连接，所述动力组件用于带动主驱动轴运动，进而带动控制棒插入或拔出堆芯；所述恒力弹簧设于主驱动轴远离控制棒的一端，并且与主驱动轴固定连接，在所述主驱动轴带动控制棒朝向远离堆芯的方向运动时，所述恒力弹簧处于拉伸状态。
7.优选的，所述动力组件包括驱动单元和传动单元，所述驱动单元包括驱动电机，所述传动单元包括减速部件、锥齿轮副、以及主驱动齿轮，所述减速部件的输入端与驱动电机的输出端连接，所述锥齿轮副设置在减速部件的输出端上，且锥齿轮副与主驱动齿轮啮合，所述主驱动轴的表面上设有齿槽，主驱动齿轮通过所述齿槽与主驱动轴啮合。
8.优选的，所述主驱动齿轮为摩擦轮，所述主驱动齿轮通过压合的方式与所述主驱动轴连接，进而带动主驱动轴运动。
9.优选的，所述主驱动轴沿非竖直方向设置，所述传动单元沿非竖直方向设置。
10.优选的，所述主驱动轴沿水平方向设置，所述减速部件、所述锥齿轮副、所述主驱
动齿轮沿水平方向设置。
11.优选的，还包括限位组件，所述限位组件包括直线轴承，所述直线轴承设有多组，多组直线沿水平方向设置以组成直线轨道，以使得主驱动轴与控制棒在所述直线轨道上移动。
12.优选的，所述控制棒驱动机构还包括外壳组件，所述外壳组件包括压力壳与导向管，所述主驱动轴、所述动力组件和所述恒力弹簧均设置在所述压力壳内，所述导向管的两端分别与压力壳和堆芯连通，所述控制棒设于所述导向管内，所述主驱动轴的一端伸出所述压力壳并且进入导向管内。
13.本发明还提供一种核反应堆，包括堆芯和控制棒，还包括上述的控制棒驱动机构。
14.优选的，所述堆芯为非立式堆芯。
15.优选的，所述控制棒驱动机构包括外壳组件，所述外壳组件包括压力壳与导向管，所述压力壳、所述导向管以及堆芯所在的反应堆容器共同构成反应堆冷却剂的压力边界，以使得反应堆冷却剂处于密封可控状态。
16.本发明的控制棒驱动机构在失去外部动力源的情况下可以实现安全回棒功能，拓展了核反应堆的应用范围，并且提高了其安全性。该驱动机构还可以实现反应性控制棒在堆芯内横向空间位置(及非竖直方向位置)的调整，特别适用于卧式反应堆，该驱动机构可以布置在卧式反应堆堆芯的水平方向上。
附图说明
17.图1是本发明实施例1中的控制棒驱动机构的结构示意图；
18.图2是本发明实施例1中的恒力弹簧的结构示意图。
19.图中：1-主驱动轴，2-恒力弹簧，3-直线轴承，4-驱动电机，5-减速部件，6-锥齿轮副，7-主驱动齿轮，8-压力壳，9-控制棒，10-反应堆容器，11-堆芯。
具体实施方式
20.下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.本发明提供一种控制棒驱动机构，用于核反应堆，包括主驱动轴、动力组件和恒力弹簧，所述主驱动轴的一端与控制棒连接，所述动力组件用于带动主驱动轴运动，进而带动控制棒插入或拔出堆芯；所述恒力弹簧设于主驱动轴远离控制棒的一端，并且与主驱动轴固定连接，在所述主驱动轴带动控制棒朝向远离堆芯的方向运动时，所述恒力弹簧处于拉伸状态。
25.本发明还提供一种核反应堆，包括堆芯和控制棒，还包括上述的控制棒驱动机构。
26.实施例1
27.如图1所示，本实施例公开一种控制棒驱动机构，用于核反应堆，包括主驱动轴1、动力组件和恒力弹簧2，主驱动轴1为细长型的棒状结构，其一端与控制棒9固定连接，同样的，控制棒9为相同的棒状结构，控制棒9通过拔出或插入堆芯11，从而控制反应堆的启动与关闭，所以，堆芯11上开设有与控制棒9直径大小适配的控制棒通道。动力组件用于带动主驱动轴1直线运动，进而带动控制棒9插入或拔出堆芯11；恒力弹簧2设于主驱动轴1远离控制棒9的一端，并且与主驱动轴1固定连接，在主驱动轴1带动控制棒9朝向远离堆芯11的方向运动时，恒力弹簧2处于拉伸状态。
28.如图2所示，恒力弹簧2设于主驱动轴1远离控制棒9的一端，共设有两个，两个恒力弹簧2分别与主驱动轴1的端部固定连接，在动力组件驱动主驱动轴1朝向远离堆芯11方向运动时，恒力弹簧2处于拉伸状态。在无外部电源输入时，主驱动轴1依靠恒力弹簧2提供的拉伸的弹力推动控制棒9插入堆芯11内，从而保证核反应堆在断电紧急状况下的安全。
29.在本实施例中，动力组件包括驱动单元和传动单元，驱动单元包括驱动电机4，传动单元包括减速部件5、锥齿轮副6、以及主驱动齿轮7。
30.减速部件5的输入端与驱动电机4的输出端连接，锥齿轮副6设置在减速部件5的输出端上，且锥齿轮副6与主驱动齿轮7啮合，主驱动轴1的表面上设有齿槽，主驱动齿轮7通过齿槽与主驱动轴1啮合，在驱动电机4的驱动下，主驱动齿轮7带动主驱动轴1做水平直线运动。
31.主驱动齿轮7还可以设置为摩擦轮，此时，主驱动轴1上不设置齿槽，主驱动齿轮7通过压合的方式与主驱动轴1连接，通过摩擦力进而带动主驱动轴1运动。
32.可选的，主驱动轴1沿非竖直方向设置，传动单元沿非竖直方向设置。本实施例中，具体来说，主驱动轴1、减速部件5、锥齿轮副6以及主驱动齿轮7均沿水平方向设置，以适用于卧式核反应堆，用于推动水平方向设置的控制棒9插入或者抽出堆芯11。
33.如图1所示，控制棒驱动机构还可包括限位组件，限位组件包括直线轴承3，直线轴承3设有多组，多组直线轴承3沿水平方向设置以组成直线轨道，以使得主驱动轴1与控制棒9在所形成的直线轨道上移动。具体的，直线轴承3共设有四组，其中两组分布在主驱动轴1的两端，用于保证主驱动轴1的水平位置，另外两组设置在控制棒9的两端，以保证控制棒9的水平位置，进而使得主驱动轴1与控制棒9始终处于同一直线上。
34.如图1所示，控制棒驱动机构还可包括外壳组件，外壳组件包括压力壳8与导向管，主驱动轴1、动力组件和恒力弹簧2均设置在压力壳8内，导向管的两端分别与压力壳8和堆芯11连通，控制棒9设于所述导向管内，主驱动轴1的一端伸出压力壳8并且进入导向管内，压力壳8的直径与主驱动轴1以及控制棒9的直径大小适配，以进一步保证控制棒9与主驱动轴1的直线度。
35.本实施例中的控制棒驱动机构工作过程如下所示：
36.通过控制驱动电机4正转，电机经减速部件5将动力传递给锥齿轮副6与主驱动齿轮7，从而带动主驱动齿轮7正转，主驱动齿轮7带动主驱动轴1朝向远离堆芯11的方向运动，进而带动控制棒9抽出堆芯11，此时，堆芯11处于活性反应状态，恒力弹簧2处于拉伸状态；
37.通过控制驱动电机4反转，从而带动主驱动齿轮7反转，主驱动齿轮7带动主驱动轴1朝向靠近堆芯11的方向运动，进而带动控制棒9插入堆芯11，此时，堆芯11处于关闭状态，恒力弹簧2恢复为无拉伸状态；
38.在紧急停电时，由于驱动电机4不能提供动力，此时，主驱动齿轮7无法带动主驱动轴1进行回程运动，由于当控制棒9抽出堆芯11时，恒力弹簧2处于拉伸状态，恒力弹簧的回弹力将会自动带动主驱动轴1做直线运动，以使得恒力弹簧2的弹性势能得以释放，使得恒力弹簧2的形状由长条状恢复变为螺旋状，产生的回弹力可以克服整个机构的惯性力以及各部件之间的摩擦力，使得主驱动轴1带动控制棒9插入堆芯11内部，使得堆芯11的反应性降低到安全水平，从而自动实现安全停堆功能。
39.本实施例中的控制棒驱动机构的动力组件中的恒力弹簧2能在紧急断电状态下，无需依靠重力就能自动推动控制棒9插入堆芯11，从而实现安全停堆，具有较高的安全性与适用范围。
40.实施例2
41.本实施例公开一种核反应堆，包括堆芯11和控制棒9，还包括实施例1中的控制棒驱动机构。
42.在本实施中，堆芯11为非立式堆芯，具体的，堆芯11为卧式堆芯11。
43.如图1所示，控制棒驱动机构包括外壳组件，外壳组件包括压力壳8与导向管，压力壳8的一端与导向管的一端连通，导向管的另一端与堆芯11所在的反应堆容器10相连通，三者共同构成反应堆冷却剂的压力边界，以使得反应堆冷却剂处于密封可控状态。
44.在本实施中的核反应堆通过压力壳8、导向管以及反应堆容器10形成的反应堆冷却剂的压力边界，以使得反应堆冷却剂处于密封可控状态。
45.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种控制棒驱动机构，用于核反应堆，其特征在于，包括主驱动轴(1)、动力组件和恒力弹簧(2)，所述主驱动轴(1)的一端与控制棒(9)连接，所述动力组件用于带动主驱动轴(1)运动，进而带动控制棒(9)插入或拔出堆芯(11)；所述恒力弹簧(2)设于主驱动轴(1)远离控制棒(9)的一端，并且与主驱动轴(1)固定连接，在所述主驱动轴(1)带动控制棒(9)朝向远离堆芯(11)的方向运动时，所述恒力弹簧(2)处于拉伸状态。2.根据权利要求1所述的控制棒驱动机构，其特征在于，所述动力组件包括驱动单元和传动单元，所述驱动单元包括驱动电机(4)，所述传动单元包括减速部件(5)、锥齿轮副(6)、以及主驱动齿轮(7)，所述减速部件(5)的输入端与驱动电机(4)的输出端连接，所述锥齿轮副(6)设置在减速部件(5)的输出端上，且锥齿轮副(6)与主驱动齿轮(7)啮合，所述主驱动轴(1)的表面上设有齿槽，主驱动齿轮(7)通过所述齿槽与主驱动轴(1)啮合。3.根据权利要求2所述的控制棒驱动机构，其特征在于，所述主驱动齿轮(7)为摩擦轮，所述主驱动齿轮(7)通过压合的方式与所述主驱动轴(1)连接，进而带动主驱动轴(1)运动。4.根据权利要求2所述的控制棒驱动机构，其特征在于，所述主驱动轴(1)沿非竖直方向设置，所述传动单元沿非竖直方向设置。5.根据权利要求4所述的控制棒驱动机构，其特征在于，所述主驱动轴(1)沿水平方向设置，所述减速部件(5)、所述锥齿轮副(6)、所述主驱动齿轮(7)沿水平方向设置。6.根据权利要求5所述的控制棒驱动机构，其特征在于，还包括限位组件，所述限位组件包括直线轴承(3)，所述直线轴承(3)设有多组，多组直线沿水平方向设置以组成直线轨道，以使得主驱动轴(1)与控制棒(9)在所述直线轨道上移动。7.根据权利要求5所述的控制棒驱动机构，其特征在于，还包括外壳组件，所述外壳组件包括压力壳(8)与导向管，所述主驱动轴(1)、所述动力组件和所述恒力弹簧(2)均设置在所述压力壳(8)内，所述导向管的两端分别与压力壳(8)和堆芯(11)连通，所述控制棒(9)设于所述导向管内，所述主驱动轴(1)的一端伸出所述压力壳(8)并且进入导向管内。8.一种核反应堆，包括堆芯(11)和控制棒(9)，其特征在于，还包括权利要求1-7任一项所述的控制棒驱动机构。9.根据权利要求8所述核反应堆，其特征在于，所述堆芯(11)为非立式堆芯(11)。10.根据权利要求9所述的核反应堆，其特征在于，所述控制棒驱动机构包括外壳组件，所述外壳组件包括压力壳(8)与导向管，所述压力壳(8)、所述导向管以及堆芯(11)所在的反应堆容器(10)共同构成反应堆冷却剂的压力边界，以使得反应堆冷却剂处于密封可控状态。

技术总结

本发明公开一种控制棒驱动机构以及包括该控制棒驱动机构的核反应堆，所述控制棒驱动机构用于核反应堆，包括主驱动轴、动力组件和恒力弹簧，所述主驱动轴的一端与控制棒连接，所述动力组件用于带动主驱动轴运动，进而带动控制棒插入或拔出堆芯；所述恒力弹簧设于主驱动轴远离控制棒的一端，并且与主驱动轴固定连接，在所述主驱动轴带动控制棒朝向远离堆芯的方向运动时，所述恒力弹簧处于拉伸状态。该控制棒驱动机构在失电情况下，无需依靠重力就能够实现控制棒的安全回棒。够实现控制棒的安全回棒。够实现控制棒的安全回棒。