控制棒驱动线落棒行为动力学仿真技术研究
杨方亮，杨晓晨，刘〓佳，彭〓航，谢细明
中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都〓610041)
反应堆控制棒驱动线是反应堆控制与核安全保护的执行机构。应用虚拟样机技术，进行了控制棒驱动线落棒行为动力学仿真研究。通过合理处理驱动线落棒过程中的流固耦合、刚柔耦合以及摩擦碰撞问题，获得了动力学仿真在驱动线上应用的方法和技术。仿真结果与实验数据对比表明，研究得到的方法合理可行。
反应堆控制棒驱动线是反应堆控制及核安全保护的执行机构，由控制棒驱动机构、控制棒组件、导向组件及燃料组件等部分组成。反应堆控制棒驱动线是反应堆内唯一具有相对运动的设备单元，其结构可靠性关系到反应堆的启动、功率调节、反应性补偿及事故工况下安全停堆等，在反应堆中至关重要。
控制棒驱动线的落棒行为是指该设备单元在反应堆寿期内，在高温、高压、高辐照以及流致振动条件下，当驱动机构释放后，控制棒组件（包括驱动杆等部件）在导向结构内的运动情况，主要考核指标为落棒时间。作为核电站安全保证的重要方面之一，反应堆结构应能确保在正常运行工况或在遭受到重大载荷时，控制棒能在规定的时限内从任意高度位置快速插入堆芯的规定部位，以保证反应堆安全停堆。
由于落棒时间是核电站安全分析的重要参数之一，也是驱动线设计考核的重要指标，各国在落棒时间计算程序开发及落棒物理模型研究中做了大量工作［1-3］。但目前反应堆控制棒驱动线的落棒时间主要靠驱动线的冷态、热态综合试验进行验证，也就是利用物理样机进行仿真试验。本文在国内外现有研究的基础上，遵循虚拟样机技术的研究思路，采用动力学仿真的方法研究控制棒驱动线落棒行为。
1〓驱动线落棒过程的受力分析
落棒时间与驱动线各部件的结构设计、制造和安装直接相关，同时受水流、温度、压力等因素的影响。反应堆正常运行时影响落棒的因素主要有驱动线各部件的对中性、运动部件和导向部件之间的摩擦力、运动部件的重力、浮力以及流体阻力等。地震或失水事故时，由于外界激励，堆内构件发生振动变形，运动部件将与导向部件反复碰撞，引入了附加摩擦力，从而影响落棒性能。
落棒动力学方程为：
m·d2Vdt2=Fg-Fb-Fh-Ff
(1)
式中：m为运动部件的质量；V为运动部件的速度；Fg为运动部件的重力；Fb为运动部件的浮力；Fh为运动部件下落过程中受到的水力阻力；Ff为运动部件下落过程中受到的机械摩擦阻力。
因此在落棒过程中受力为重力、浮力、流体阻力、摩擦阻力。
1.1〓常力
落棒动力学方程中的重力、浮力为常力，可由经典公式求得。
1.2〓流体阻力
控制棒驱动线分析中的流体为不可压黏性流体。驱动线运动部件所受流体阻力主要分为两部分：流体摩擦阻力、流体压差阻力。
流体摩擦阻力Fhf是由于流体与控制棒驱动线运动部件存在相对运动产生的，采用如下公式计算：
Fhf=∑iτmi·Pmi·Li
(2)
式中：Pmi为驱动线运动部件某段湿周；Li为驱动线运动部件该段长度；τmi为驱动线该段的剪切力。
由于流体在驱动线运动部件与导向部件形成....
作者简介：杨方亮（1979—），男，四川德阳人，中国核动力研究设计院高级工程师，主要从事反应堆结构设计研究工作
（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）
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