CN102483962A - 用于核反应堆的控制棒驱动机构 - Google Patents

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Abstract

一种用于核反应堆中的控制棒驱动机构(CRDM)，该CRDM包括：与至少一个控制棒相连的连接杆；导螺杆；构造成线性地平移导螺杆的驱动机构；电磁铁线圈组件；以及闩定组件，其响应于电磁铁线圈组件的通电而将连接杆闩定到导螺杆，并响应于电磁铁线圈组件的断电而使连接杆解除与导螺杆的闩定。闩定组件与导螺杆固定并随导螺杆线性地平移，而电磁铁线圈组件不随导螺杆移动。电磁铁线圈组件至少与线性的平移行程共延，所述驱动机构构造成在该平移行程上线性地平移导螺杆。

Description

用于核反应堆的控制棒驱动机构
相关申请的交互参照
本申请要求对2009年6月10日提交的美国临时申请No.61/185,887的优先权益。本文以参见方式引入该2009年6月10日提交的美国临时申请No.61/185,887的全部内容。
背景技术
在压水堆(PWR)或其它类型的核反应堆中，可移动的控制棒用来控制核反应。控制棒包括中子吸收材料，控制棒布置成可***到反应堆堆芯中。一般地说，控制棒***到堆芯越深，那么，中子被吸收得越多，因而核反应速率降得越多。为了精确地控制反应性，对***量的精确控制以及对***量的准确测量是很有用的。控制棒驱动机构(CRDM)提供了该种控制。
在紧急情况下，控制棒可完全***以便快速地停止核反应。在如此的“紧急停堆(紧急关闭核反应堆)”中，有一种***控制棒的替代的快速机构是有益的。附加地或替代地，已知有专用的控制棒，其不是完全地***(因此，关闭核反应)就是完全地拔出(因此，使反应堆运行)。在如此的***中，“开/关棒”有时被称之为“停堆棒”，而连续可调的控制棒有时被称之为“灰棒”。
有了这些考虑，就可知来构造使用导螺杆的CRDM，该导螺杆被一分离开的滚子-螺母组件啮合。在正常运行过程中，滚子-螺母组件通过作用在偏置弹簧上的确定的磁性力夹紧在导螺杆上。通过转动，滚子-螺母组件、导螺杆和因此附连的控制棒，以精确可控方式朝向反应堆堆芯移动或远离堆芯移动。在紧急停堆时，电流被切断，因此切断磁性力，偏置弹簧打开可分离的滚子-螺母组件，因而包括导螺杆的灰棒就作紧急停堆。例如，如此结构的实例公开在Domingo Ricardo Giorsetti所著的“陆上和船上核动力装置之间技术差异的分析(Analysis of the Technological Differences Between Stationary & MaritimeNuclear Power Plants”)”文中，其为美国麻省理工学院(MIT)的核工程系的M.S.N.E.的论文(1977)，本文以参见方式引入其全部内容。
对于一体的压水堆(integral PWR)，已知将CRDM安装在外面，并通过合适的贯穿件与压力容器内的控制棒连接。为了减小贯穿件的尺度，已经有人建议将CRDM集成在压力容器内。例如，参见Ishizaka等人的文章“先进船用反应堆X(MRX)的内置型控制棒驱动机构的研发(Development of a Built-inType Control Rod Drive Mechanism(CRDM)For Advanced Marine Reactor X(MRX))”，先进核动力反应堆设计和安全性国际会议会刊(ANP’92)，october25-29，1992(Tokyo Japen)日本原子能协会于1992年10月出版，本文以参见方式引入其全部内容。
现有的CRDM设计存在一定的缺点。当选择内部CRDM设计时，由于复杂的机电CRDM位于压力容器内的高压和高温环境内，就突现出这些缺点来，其中。将CRDM内部地放置在压力容器内，还提出了结构难度上的挑战。
可分开的滚子-螺母形成了与导螺杆复杂的连接，在正常运行过程中，这种连接会不利地影响灰棒的***精度。滚子-螺母与导螺杆再连接会是复杂的，当重新建立起接触时，再连接可能不是立即显现的，因此，从紧急停堆事件得到恢复后会引入位置的偏移。导螺杆的紧急停堆还具有对导螺杆的螺纹或结构完整性造成不可恢复的破坏的可能性。还有，对于复杂的可分离的滚子-螺母来说，随时间推移产生的磨损也会是一个问题。
另一问题是可靠性。因为控制棒的紧急停堆是对安全致关重要的特征，所以，必须可靠地运行，即使在包括电力中断、压力很大变化等的失水事故(LOCA)或其它失效模式下，也必须可靠地运行。
控制棒位置探测器通常也是复杂的装置。在某些***中，采用了外部位置探测器，其需要通过压力容器壁的贯穿件。对于MRX反应堆的一体的CRDM来说，设计了复杂的位置探测器，其中，传感器产生通过磁阻波导的扭转应变脉冲，测量磁场的相互作用来引证出棒位。一般地说，内部位置探测器在电阻原理基础上操作，由于材料电阻因温度引起变化，所以，内部位置探测器易于出现误差。
发明内容
在本发明的一个方面，控制棒机构用于核反应堆中，该控制棒机构包括：构造成***反应堆堆芯内来吸收中子的控制棒；与控制棒相连的连接杆；包括导螺杆的驱动机构，导螺杆与马达驱动的螺母啮合，从而螺母的转动可致使导螺杆线性平移；以及可操作地连接所述连接杆的闩，以与导螺杆一起移动，该闩响应于电力的丢失或切断而打开，以使连接杆与导螺杆脱离连接。
在本发明的另一个方面，控制棒的控制方法包括：使用导螺杆，响应于紧急停堆线性地移动控制棒，从导螺杆中脱开控制棒，由此，控制棒进行紧急停堆，但导螺杆不作紧急停堆。
在本发明的另一个方面，核反应堆包括：反应堆堆芯；压力容器，其包括包含反应堆堆芯的下部容器部分、设置在反应堆堆芯和下部容器部分上方的上部容器部分，以及位于反应堆堆芯上方且设置在下部容器部分和上部容器部分之间的中间法兰；以及由中间法兰支承的内部控制棒驱动机构(CRDM)。
在本发明的另一个方面，用于核反应堆的控制棒驱动机构(CRDM)包括：与至少一个控制棒连接的连接杆；导螺杆；构造成线性地平移导螺杆的驱动机构；电磁铁线圈组件；以及闩定组件，其响应于电磁铁线圈组件的通电而将连接杆闩定/锁定到导螺杆，并响应于电磁铁线圈组件的断电而使连接杆脱开与导螺杆的闩定。
附图说明
本发明可包括各种部件和部件的结构布置，以及各种过程的操作和过程操作的配置。附图仅是用来说明优选实施例，不能看作是限制本发明。
图1示意地示出压水堆(PWR)型的示例核反应堆容器。
图2示意地示出图1的示例核反应堆容器的上部堆内构件部分。
图3-5示意地示出使用液压升力停堆控制棒***的诸方面。
图6-15示意地示出具有电磁灰棒功能的控制棒***和用于紧急关闭功能的磁性闩***的诸方面。
具体实施方式
参照图1，图中示意地示出压水堆(PWR)型的图示核反应堆容器。图示的主容器10包括反应堆堆芯12、内部螺旋状蒸汽发生器14以及内部控制棒20。所示的反应堆容器包括四个主要部件，即：1)下部容器22，2)上部堆内构件24，3)上部容器26，以及4)上部容器封头28。中间法兰29设置在下部和上部容器部分22、26之间。也可构思其它的容器构造。应注意到，图1是示意图，它不包括许多细节，诸如用于二次冷却剂流入和流出蒸汽发生器的压力容器贯穿件，用于电气部件的电气贯穿件等。
图1所示的反应堆容器10的下部容器22包含反应堆堆芯12，堆芯可具有基本上任何合适的构造。一种合适的构造包括不锈钢堆芯模板结构，该结构包含燃料组件，为了对反应堆进行换料，该模板结构可被更换，堆芯12由下部容器支承。所示的上部容器26容纳蒸汽发生器14，对于该所示PWR，它具有内部蒸汽发生器的设计(有时称作一体的PWR设计)。在图1中，蒸汽发生器14只是示意性地示出。圆柱形的内壳体或上部流动围板30使中央上升区域32与环形下降区域34分隔开，螺旋状的蒸汽发生器14位于该环形下降区域34内。所示的蒸汽发生器14呈螺旋形盘管设计，但也可考虑其它的设计。反应堆主冷却剂流过蒸汽发生器14的管的外面，而二次侧的冷却剂在蒸汽发生器14的管内流动。在典型的循环型式中，主冷却剂被反应堆堆芯12加热，并上升通过中央上升区域32而流出围板30的顶部，于是，主冷却剂通过环形下降区域34往下流回，并流过蒸汽发生器14。如此的主冷却剂流动可由自然对流驱动，由内部或外部主冷却剂泵(未示出)驱动，或由泵辅助的自然对流的组合来驱动。尽管图示的是一体的PWR设计，但也可考虑具有外部蒸汽发生器(未示出)的反应堆容器，在此情形中，压力容器的贯穿件允许主冷却剂传输到外部的蒸汽发生器和从蒸汽发生器传输回。所示的上部容器封头28是可分离的部件。也可考虑使容器封头与上部容器26成一体，在此情形中，蒸汽发生器14和上部围板30可选择地由容器封头内部上的凸耳支承。
所示的实施例是一体的PWR，其包括内部蒸汽发生器14，一般地，蒸汽发生器可具有各种几何构造，例如，螺旋形的、垂直形、斜形等等。出于冗余性的考虑，通常具有一个以上的蒸汽发生器是有利的，蒸汽发生器的管道或管子通常***在环形下降区域34内，以促进热的均匀性；然而，可考虑只包括单一的蒸汽发生器。尽管所示的蒸汽发生器14显示为被设置或包裹在靠近于围板30，但一般地蒸汽发生器可填充环形下降区域34的大部分体积，在某些实施例中，蒸汽发生器可基本上填充围板30的外表面和反应堆容器10内表面之间的环形体积。也可构思将内部蒸汽发生器或其一部分全部地或部分地设置在围板30上方的中央上升区域32内，或是反应堆容器10内的任何地方。另一方面，某些实施例中，PWR可能不是一体的PWR，即，在某些实施例中，因偏向于一个或多个外部蒸汽发生器，则所示的内部蒸汽发生器可被省略掉。还有，所示PWR是一个实例，在其它实施例中，可采用沸水堆(BWR)或其它反应堆设计，其带有内部或外部蒸汽发生器。
参照图2，图中更详细地示出上部堆内构件部分24。在所示设计中，上部堆内构件部分24对控制棒驱动器或驱动机构40、42以及控制棒导向框架44提供支承，并且上部堆内构件24还是让控制棒驱动动力和控制仪表信号通过的结构。这允许上部容器26和一体的蒸汽发生器14独立于控制棒驱动器和相关的机构而移去。然而，也可构思更加一体的设计，诸如用于控制棒驱动机构(CRDM)支承和一体的蒸汽发生器支承的共用的部分。
特别地参照图2所示的实施例，上部堆内构件结构24包括上部堆内构件篮46、CRDM支承结构48、控制棒导向框架44，以及控制棒驱动机构40、42本身。上部堆内构件篮46合适地是焊接结构，其包括中间法兰29和用于控制棒导向框架44的支承结构。在一个合适的实施例中，控制棒导向框架44是分离的304L不锈钢焊接结构，它们用螺栓固定就位，中间法兰29是SA508Gr 4NC12碳钢锻件，结构的其余部分是304L不锈钢。CRDM支承结构48包括用于控制棒驱动器40、42的支承栅格以及用于对内仪表(堆芯内仪表)的导向结构。所有这些合适地都是304L不锈钢。CRDM支承结构48用螺栓固定到上部堆内构件篮46。它们只是说明性的材料和结构，也可考虑其它的结构和/或反应堆相容的材料。
图2所示的实例使用两种类型的控制棒驱动器40、42：液压的控制棒驱动型42和电气的控制棒驱动型40，前者操作可完全拔出或完全***堆芯的停堆控制棒；后者在堆芯整个寿期中操作***不同深度的灰棒来控制反应堆正常运行期间的核反应。灰棒也构造成可紧急停堆，即，在某些紧急情况下快速***反应堆堆芯12内。在其它实施例中，可考虑完全省略掉停堆控制棒，在此情形中，灰棒也会提供停堆操作。
继续参照图2，并还参照图3-5，图中示出停堆控制棒的诸方面。停堆控制棒合适地成束布置，安装在蛛网状辐条支架上或类似结构上，它们全都在单一排内操作并全都通过单一的停堆控制棒驱动机构42来运动。图3-5仅示出单个停堆控制棒驱动器42，但不是蛛网状辐条支架，而是单个的停堆控制棒。该结构可认知这样的事实：停堆控制棒用于二元的“开/关”方式，停堆控制棒要么全部***反应堆堆芯12内以使反应停止，要么全部从反应堆堆芯12中拔出以使反应堆正常运行。
特别地参照图3，停堆控制棒驱动器42包括圆柱外壳50、圆柱帽52、圆柱底板54，以及提供与停堆控制棒栅格(未示出)连接的连接杆56。图3-5所示的停堆控制棒驱动器42是液压致动的驱动器，其使用来自压力注射泵的反应堆冷却剂库存净化的返回流体进行致动，该流体大约为500℉(260℃)和1600psi，使停堆控制棒排保持在反应堆堆芯12外。
特别地参照图4，图中示出棒处于拔出位置的活塞区域的剖视图。在图4的放大部分中，示出了圆柱帽52的排气端口60，连同提升活塞62、活塞环64(在某些实施例中其为金属的)、急刹车缓冲器66和缓冲击发弹簧68。图4所示拔出位置对应于停堆控制棒驱动器圆柱42正在受压。
特别地参照图5，图中示出棒处于***位置的活塞区域的剖视图。图5的放大部分示出了提升活塞62、活塞环64、急刹车缓冲器或急刹车缓冲活塞66、棒导向套管70，以及棒密封环72(在某些实施例中其为金属的)。圆柱底板54在放大部分中可见其包括压力端口或入口端口74。图5所示***位置对应于停堆控制棒驱动器圆柱42正在释压。
在某些实施例中，允许冷却剂流过活塞和轴密封装置64、72，并变成返回到反应堆堆芯12的库存量的部分。停堆控制棒驱动器圆柱42安装在反应堆堆芯12上方。致动该圆柱42的液压管线(未示出)路线通过法兰29，而仪表管线路线通过压力密封导管到公用连接器，公用连接器还可供选择地用于灰棒驱动器40。将控制棒的蛛网状辐条支架连接到停堆棒栅格的延伸棒，可供选择地设计为它们可滑动通过栅格，以使单个被卡住的棒束不会阻止其它组的控制棒落下。此外，延伸棒设计成与控制棒蛛网状辐条支架脱开啮合，以使在上部堆内构件24移去时停堆棒仍保持在堆芯内。在换料操作期间，使用遥控工具来实施该脱开啮合和再啮合的操作。
在反应堆正常运行过程中，通过对停堆控制棒液压圆柱42加压，使停堆棒完全悬置在反应堆堆芯外(即，在拔出的位置中)。例如，在一个合适的实施例中，来自高压注射泵的反应堆冷却剂库存净化的返回流体，以500℉(260℃)温度和1600psi压力，通过圆柱底54的入口端口74供应到提升圆柱活塞62的下侧。在该实例中，活塞62上方存在于圆柱50内的流体从反应堆容器10供应通过圆柱帽的排气端口60，因此流体处于600℉(315℃)和1500psi的反应堆压力容器条件下，在活塞62上造成100psi的净压差。选择活塞的尺寸，使得所形成的压差足以支持停堆棒和支承蛛网状辐条支架及其它相关部件的规定的载荷，并提升停堆棒排通过圆柱行程到达活塞62的顶部止挡。
在容器加压时的紧急停堆的事件中，通过停止对提升活塞62的底侧提供加压的冷却剂，并将供应管线通到大气压力，就可使停堆棒排突然被释放。在前述实例中，提升活塞62的顶表面处的容器压力预期在提升活塞上形成初始的1500psi压差，该压差连同重力影响一起，朝向图5所示的完全***位置，向下推进平移的组件(包括提升活塞62、急刹车缓冲活塞66、缓冲击发弹簧68、连接杆56以及停堆棒栅格(未示出))。在平移组件下降过程中，缓冲击发弹簧68的力保持缓冲活塞66位于提升活塞62的钻孔之外，将填充流体的缓冲腔保存在两个活塞62、66之间。当急刹车缓冲活塞66的底表面冲击到圆柱组件的固定的底板54上时，提升活塞62的连续移动驱逐贮留的流体通过受控的流动限制部，由此，耗散掉平移组件的动能。此外，动能通过平移组件的诸部件的弹性变形而耗散，特别是通过长而相对瘦长的连接杆56的变形而耗散。还可构思其它的动能耗散机构。当流体从腔中被驱逐出时，提升活塞62冲击缓冲活塞66，使平移组件静止不动。
继续参照图1和2，并还参照图6-14，现描述灰棒和相关驱动机构40的说明性实施例。如图6所示，在所示实施例中，有两种不同的灰棒构造(1型和2型)。诸灰棒80布置成灰棒簇，灰棒簇又结合在一起成为两个或四个的组，并如图6所示地由连接杆82支承。1型结构还包括平衡配重84来替代一个连接杆/簇单元。具体来说，轭86连接两个连接杆82和配重84来形成1型结构。轭88连接三个连接杆84来形成2型结构。灰棒驱动器40安装在反应堆堆芯12上方。图7示出灰棒驱动器40和停堆棒提升圆柱50相对于CRDM支承结构48的位置的平面图。停堆棒提升圆柱50中心地定位。四个外侧的灰棒驱动器40同时地移动，各个灰棒驱动器40移动包括轭86的两个1型棒结构。两个内侧驱动器40同时地移动，各个内侧驱动器40移动包括轭88的四个2型棒结构。这些不同组的驱动器40可选择地一起移动或独立地移动。动力和信号连接线路合适地通过压力密封的导管或堆芯内的仪表导向90，通向中间法兰29(图7中未示出)上的连接器。
就停堆棒来说，将控制棒蛛网状辐条支架连接到棒栅格上的延伸杆可供选择地这样进行设计：它们滑动通过栅格而使卡棒的单一簇不会阻止其它组的控制棒落下。此外，延伸棒可供选择地设计成与控制棒蛛网状辐条支架脱开啮合，以使在上部堆内构件移去时灰棒仍可保持在堆芯内，或在上部堆内构件处于其支承位置时灰棒被移去。灰棒控制机构的两个合适的设计型式包括“磁性起重器”型和“动力螺杆”型。在这两种类型中，动力螺杆型有望对灰棒簇提供更加精确的位置控制，因此，所示实施例使用动力螺杆型的控制机构。
参照图8，在一个所示的实施例中，灰棒驱动机构40使用球形螺母提升杆结构。图8示出完全***状态(左侧图)和完全拔出状态(右侧图)。图8的视图示出2型结构的轭88；对于1型结构来说，轭88被轭86代替。在图8所示的实施例中，底部止挡/缓冲组件100安装在反应堆支承部101上，可选地，可带有为电磁线圈组件设置的附加的侧向支承件。下部和上部支承管102、104安装在底部止挡100的顶上，它们对导螺杆/扭矩接受器组件提供导向。球形螺母/马达组件106安装在上部支承管104的顶上，而电磁线圈组件108安装至马达的顶上。电磁线圈组件108驻留于提升的杆-对导螺杆闩定组件110，该组件(在闩定时)支承提升/连接杆组件112(见延伸在***状态中，即，左侧图)。
位置指示器组件在球形螺母/马达组件106和底部止挡组件100之间安装到支承管102、104上。在某些实施例中，位置指示器是合适地安装在闩定组件110下方的弦线电位器，但其它安装位置也可被考虑。所示弦线电位器包括安装在支承管102上的张紧的线轴120以及“弦线”或缆线或诸如此类的线122，“弦线”或缆线或诸如此类的线122具有附连到提升/连接杆组件112的一端，这样，当提升/连接杆组件112(以及由此附连的灰棒簇)朝向反应堆堆芯12(图8中未示出)移动时，弦线或缆线122抵抗张力而从卷轴120中拉出。当运动反转时，张紧的卷轴120内的张力致使弦线或缆线122卷回到卷轴120上。旋转传感器124测量张紧的卷轴120的转数，传感器使用编码器来计数基准标标记或其它旋转的量度的通过。弦线电位器的安装也可不同于所示的方式进行，只要张紧的卷轴120安装在不随灰棒移动的位置，且确保弦线或缆线122随灰棒移动即可。还可构思将旋转传感器124与张紧的转轴120集成在一起。弦线电位器提供输出电信号，该电信号与随灰控制棒移动的连接杆或其它部件112的位置相一致，因此，提供关于反应堆堆芯12内的灰控制棒的位置信息。位置指示的电信号通过电气连通件(未示出)传出到反应堆容器10外，该电气连通件可做得很小，和/或与其它电气连通件做成一体。构造位置指示器装置，并对在反应堆容器温度和辐照水平下的运行进行标定。
继续参照图8，并还参照图9-14，在所示实施例中，灰棒CRDM40的平移组件包括三个元件：导螺杆/扭矩接受器组件；提升杆/连接杆组件；以及可操作地将提升杆连接导螺杆的闩定***。图9示出导螺杆/扭矩接受器组件的立体图(左侧)和剖视图(右侧)。马达组件包括定子外壳130，其容纳定子132和转子134。上部定子端板136和带有可调***140的径向轴承138完成了马达组件的上部，而下部外壳142和推力轴承144完成了马达组件的下部。设置在下部外壳142内的下部球形-螺母组件150旋入到转子134内，而上部球形螺母组件152也旋入到转子134内。球形-螺母组件150、152以螺纹方式与导螺杆160联接(部分地示于图9中)。图9还示出提升杆和上部支承管104的部分。
参照图10，图中示出闩定***，其包括提升的杆-对导螺杆闩定组件110和一部分的电磁线圈组件108。图10还示出有终止在闩定组件110处或闩定组件内的提升杆112的端部111和导螺杆160的近端。闩170直接将提升杆112的顶端部111连接到导螺杆160以实施正常的运行，在紧急停堆过程中断开提升杆112(见图11)。提升杆112的底部旋入到连接杆82的顶部(可选地通过中间的轭86或中间的轭88)，由此形成连续的提升杆/连接杆组件。连接杆82的底部直接联连到控制棒的蛛网状辐条支架，由此将控制棒附连到驱动结构上。可供选择地，磁铁113靠近提升杆112的顶部111设置，以对基于基于磁性的位置指示器(见图21)提供磁信号。图10还示出马达的一部分，包括马达外壳130、定子132和转子134的多个部分，该马达的这部分完整地显示在图9中。
闩170被容纳在闩外壳172内，闩外壳172包括用于闩弹簧174的弹簧导向。所示闩***实施例的附加的部件包括电磁铁外壳176，其容纳形成电磁铁线圈堆叠的电磁铁177和位于闩170上的永久磁铁178。导螺杆160旋入到闩外壳172的闩定***基部179内。闩170布置成绕枢轴部位180枢转，由于向下的杆载荷而提供防止故障的紧急停堆。
在该实施例中，导螺杆160受到球形螺母马达组件(最好见图9)的连续支承，球形螺母马达组件允许非常精细地控制导螺杆位置，并因此非常细地控制控制棒组件的位置。在所示实施例中，马达(例如，定子132、转子134)是同步马达，其中，转子134是永久磁铁。该设计具有诸如紧凑性和简单性之类的优点；然而，也可考虑其它的马达结构。
导螺杆160不作紧急停堆。相反，在紧急停堆过程中，通过磁性致动的闩定***(见图11)，提升杆/连接杆组件的提升杆112的顶端与导螺杆160脱开连接。当切断通向电磁铁177的电力时，防止故障的闩定***从导螺杆160中释放提升杆/连接杆组件(并因此释放控制棒组件)，由此启动紧急停堆。底部止挡和缓冲***(未示出，但合适地类似于本文参照图4和5所述的图示的停堆棒的底部止挡和缓冲***)纳入到底部/缓冲组件中，以在紧急停堆行程结束时耗散动能，并设定棒底部的提升。扭矩接受器(未示出)附连到导螺杆160以对抗马达的扭矩，由此，提供导螺杆/控制棒组件的平移。
正常状态(即，紧急停堆之前的状态)显示在图9和10中。图9示出球形螺母马达组件，而图10示出正常运行时啮合的闩定***。如图10所示，闩170上的永久磁铁178朝向通电的电磁铁177磁性地被吸引，由此围绕枢轴部位枢转闩170，并使闩170与提升杆112的区配区域相配合。因此，在图10所示的正常状态中，闩170与提升杆112固定。此外，闩定***基部179旋入导螺杆160或其它方式固定到导螺杆160。因此，在图10的正常状态中，提升杆112通过闩定***固定到导螺杆160，于是，随着图9所示的球形螺母马达组件平移导螺杆160时，提升杆112就随导螺杆160平移。
参照图11来描述紧急停堆，该图示出在紧急停堆过程中的提升杆112以及控制棒组件。为了启动紧急停堆，切断通向电磁铁177的电源，即，关闭电源。这就除去了闩170上的永久磁铁178上的吸力，闩弹簧174延伸而围绕枢轴部位180枢转闩170，因而远离提升杆112的区配区域。这使闩170与提升杆112脱开，于是，提升/连接杆组件(以及由此的控制棒组件)朝向反应堆堆芯12落下。图11中所见的导螺杆160仍在先前拔出的高度上(即，导螺杆160未参与紧急停堆)，但通向电磁铁线圈177的电源已经切断，于是，磁场从线圈中移去。
还如图11所示，闩170绕枢轴部位180的枢转，因在部位181处与闩外壳172的弹簧导向器撞击而停止。
继续参照图11并还参照图12和13，为了在紧急停堆之后再次使驱动机构啮合，可通过球形螺母马达(再参见图9)驱动导螺杆160进入完全***的位置。导螺杆底上的传感器用来确定导螺杆是否完全***。特别地参照图12，随着导螺杆160靠近完全***位置，紧急关闭到底部的提升杆112顶部111上的斜的凸轮表面182，凭借凸轮作用使闩170进入其接近完全退出的位置。特别地参照图13，当电磁铁177恢复供电时，闩170将完全地与提升杆112的区配区域再次配合，于是，提升杆/连接杆组件再次连接到导螺杆160。按照图10所示，然后可恢复正常运行。再说一遍的话，图12显示导螺杆160正在被向下驱动回到完全***的位置，准备再次啮合提升杆112。通向电磁铁线圈177的电源仍被切断，而闩160仍脱开啮合。提升杆112顶部111上斜的凸轮表面182，凭借凸轮作用使闩170回到与提升杆112的顶部111部分配合。图13示出仍在底部上的导螺杆160，但电源恢复供给电磁铁线圈177。恢复的磁场现再次使闩170与提升杆112的区配区域配合。
图9示意地示出球形螺母/马达组件106的合适实施例，其包括下部和上部球形螺母组件150、152。一般地说，基本上可采用任何类型的马达，只要其合适地构造成可在压力容器环境中运行即可。
参照图14和15，图中示出一说明性的实施例，其使用带有下部球形螺母组件185的无电刷DC电子控制马达(BLDC)184。组件184、185是球形螺母/马达组件106的说明性实施例。特别地参照图14，图示的BLDC马达184包括缠绕的定子芯组件186，该组件设置在定子外部壳体187和定子内部壳体188之间，并通过定子上部外壳189和定子下部外壳190固定。永久磁铁转子191包括永久磁铁192。根据转子磁铁192的磁通和定子芯组件186的载流定子导体的相互作用，BLDC马达184产生了转矩。下部球形螺母组件185类似于图9的下部球形螺母组件150；然而，在图14所示的组件中，没有对应于图9的上部球形螺母组件152的上部球形螺母组件。图14的组件还包括径向轴承193、通过推力轴承锁定螺母195固定的推力轴承194和马达顶帽196。引线密封管197提供了绝缘的且对环境友好的与马达结实的电气连接。例如，可从Conax
Figure BPA00001480920100121
Technologies(Buffalo，New York，USA)购得某种合适的绝缘的引线密封管。特别地参照图15，BLDC马达184和下部球形螺母组件185图示在图10-13的控制棒驱动机构(CRDM)中。图15所示的CRDM还包括先前所述的电磁铁线圈堆叠组件177、提升的棒与导螺杆闩定组件110、导螺杆160以及提升杆112。球形螺母组件185啮合导螺杆160，这样，随着马达184转动永久磁铁转子191和固定的球形螺母组件185，导螺杆160就被线性驱动。
回过来参照图1和2，所公开的反应堆设计的优点在于，中间部分包括堆内构件支承法兰或“中间法兰”29。该部分可做得相对地薄，并对控制棒驱动机构提供支承，且引导堆内仪表。该部分对控制棒驱动机构(CRDM)提供电输入和液压输入。反应堆冷却剂排放贯穿件(未示出)可供选择地也设置在该部分内。如果结合该贯穿件的话，那么，无论何时反应堆加压时，该排放管线可供选择地由内部阀隔绝，以限制或消除诸如失水事故(LOCA)那样可能的部位。
包括CRDM在内的所示上部堆内构件24不包括所示的热隔绝。然而，可以构思使用能够承受至少约为650℉(343℃)的设计温度的绝热***来隔绝这些部件。通过使用绝热***，就不需要外部的冷却水，但是可供选择地也可使用外部冷却水。例如，冷却水可供应到电气装置上，以减小运行环境所赋加的热荷的严重程度。绝热***便于将电气的CRDM定位在压力容器内，这可减小反应堆容器10的总高度，大大地减少通入反应堆容器10内的贯穿件数量，并能使整个反应堆模块作为单一单元进行运输。另一优点是减小安全壳结构(未示出)的总高度。尽管使用隔绝可被认为是有利的，但其它构思的方案包括使用水冷却和/或选择能够抵挡高运行温度的材料，而无需采用隔绝。
所示反应堆实施例是一体的压水堆(PWR)结构。然而，也可设置将一个或多个揭示的技术、装置等合适地用于其它类型的核反应堆容器，诸如沸水堆(BWR)，其可有利地结合内部的CRDM组件、有效的控制棒位置传感器等。
优选的实施例已经图示和描述了。显然，本技术领域内技术人员阅读和理解了以上的详细描述后会想到各种修改和变化。本文旨在将本发明诠释为包括所有如此的修改和变化，且它们落入附后权利要求书或其等价物的范围之内。

Claims (26)

1.一种用于核反应堆中的控制棒机构，该控制棒机构包括：
构造成***反应堆堆芯内来吸收中子的控制棒；
与控制棒相连的连接杆；
包括导螺杆的驱动机构，导螺杆与马达驱动的螺母啮合，从而螺母的转动致使导螺杆线性平移；以及
可操作地连接所述连接杆的闩，以与导螺杆一起移动，所述闩响应于电力的丢失或移去而打开，以使连接杆与导螺杆脱离连接。
2.如权利要求1所述的控制棒机构，其特征在于，控制棒包括多个通过蛛网状辐条支架组件与连接杆连接的控制棒。
3.如权利要求1所述的控制棒机构，其特征在于，还包括：磁性地控制所述闩的电磁铁，其中，电磁铁失电或断电致使闩打开而使连接杆与导螺杆与脱离。
4.如权利要求3所述的控制棒机构，其特征在于，电磁铁至少与线性的平移行程共同延伸，所述闩可通过驱动机构在该平移行程上线性地平移。
5.如权利要求3所述的控制棒机构，其特征在于，所述闩包括永久磁铁，该永久磁铁在电源供应给电磁铁时被吸引到电磁铁上。
6.如权利要求3所述的控制棒机构，其特征在于，所述闩机械地偏置打开，通到电磁铁上电源操作以磁性地关闭所述闩。
7.如权利要求6所述的控制棒机构，其特征在于，所述闩通过弹簧被机械地偏置打开。
8.如权利要求3所述的控制棒机构，其特征在于，当驱动机构致使导螺杆线性平移时，电磁铁不随导螺杆移动。
9.如权利要求8所述的控制棒机构，其特征在于，还包括：容纳电磁铁的电磁铁外壳，所述闩也设置在电磁铁外壳内。
10.控制棒的控制方法包括：
使用导螺杆线性地移动控制棒；以及
响应于紧急停堆，从导螺杆中脱开控制棒，由此，控制棒作紧急停堆，但导螺杆不作紧急停堆。
11.如权利要求10所述的控制棒的控制方法，其特征在于，所述脱开包括：
将固定控制棒的闩与导螺杆脱开配合。
12.如权利要求11所述的控制棒的控制方法，其特征在于，脱开闩的配合包括：
从电磁铁上除去电源，从而磁性地关闭所述闩。
13.如权利要求11所述的控制棒的控制方法，其特征在于，控制棒通过连接杆与导螺杆固定，所述连接杆的下端与控制棒连接，其上端与导螺杆闩定，所述脱开包括：
从导螺杆上解除连接杆的上端的闩定。
14.一种核反应堆，包括：
反应堆堆芯；
压力容器，其包括包含反应堆堆芯的下部容器部分、设置在反应堆堆芯和下部容器部分上方的上部容器部分，以及位于反应堆堆芯上方且设置在下部容器部分和上部容器部分之间的中间法兰；以及
由中间法兰支承的内部控制棒驱动机构(CRDM)。
15.如权利要求14所述的核反应堆，其特征在于，还包括：
设置在压力容器内位于中间法兰上方的一体的蒸汽发生器。
16.如权利要求14所述的核反应堆，其特征在于，还包括：
支承控制棒驱动机构并固定到中间法兰的堆内构件篮组件。
17.如权利要求14所述的核反应堆，其特征在于，还包括：
由中间法兰支承的控制棒导向框架。
18.如权利要求14所述的核反应堆，其特征在于，还包括：
由中间法兰支承的液压停堆控制棒驱动机构。
19.如权利要求14所述的核反应堆，其特征在于，包括内部控制棒驱动机构的马达的内部控制棒驱动机构设置在压力容器内，中间法兰对内部控制棒驱动机构提供电气的和液压的输入。
20.如权利要求14所述的核反应堆，其特征在于，所述内部控制棒驱动机构
包括：
与控制棒连接的连接杆；
导螺杆；
提供导螺杆线性平移的驱动机构；以及
具有以下状态的所述闩，(i)闩定状态，其中，连接杆被闩定到导螺杆，当导螺杆被驱动结构驱动而线性地平移时，连接杆随导螺杆一起移动，以及(ii)解除闩定的状态，其中，连接杆未闩定到导螺杆。
21.一种用于核反应堆的控制棒驱动机构(CRDM)，所述控制棒驱动机构包括：
与至少一个控制棒连接的连接杆；
导螺杆；
构造成线性地平移导螺杆的驱动机构；
电磁铁线圈组件；以及
闩定组件，其响应于电磁铁线圈组件的通电而将连接杆闩定到导螺杆，并响应于电磁铁线圈组件的断电而使连接杆解除与导螺杆的闩定。
22.如权利要求21所述的控制棒驱动机构，其特征在于，所述闩定组件与导螺杆固定，并随导螺杆线性地平移。
23.如权利要求22所述的控制棒驱动机构，其特征在于，电磁铁线圈组件不随导螺杆移动。
24.如权利要求23所述的控制棒驱动机构，其特征在于，电磁铁线圈组件至少与线性的平移行程共延，所述驱动机构构造成在该平移行程上线性地平移导螺杆。
25.如权利要求21所述的控制棒驱动机构，其特征在于，所述闩定组件机械地偏置而被解除闩定，闩定组件包括磁铁，磁铁响应于电磁铁线圈组件的通电而受力，该力克服机械偏置力而致使所述闩定组件实现闩定。
26.如权利要求21所述的控制棒驱动机构，其特征在于，所述闩定组件设置在电磁铁线圈组件内。
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