Temperature Rise Analysis of Control Rod Drive Mechanism Based on Equivalent Thermal Network Method
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摘要: 核反应堆中的控制棒驱动机构（CRDM）长期运行在高温、高压、高辐射的恶劣环境中，为有效预防其因温度过高而造成损坏，需要对CRDM内部组件进行温度预测与估计，以提高核反应堆的安全性与可靠性。本文提出一种基于等效热网络法的温度估计方法。首先计算得到温升分析中所需热源参数；然后解算不同区域中的热阻，构建CRDM的等效热网络模型，实现对CRDM温度的快速精确估计；最后利用有限元分析（FEA）方法对结果进行验证。验证结果表明，所提出的CRDM温度估计方法具有较高的精度，可为后续新型结构设计和可靠性分析提供理论依据。
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关键词:
- 控制棒驱动机构（CRDM） /
- 等效热网络法 /
- 温度估计 /
- 有限元分析（FEA）
Abstract: The Control Rod Drive Mechanism (CRDM) in nuclear reactor operates in the harsh environment of high temperature, high pressure, and high radiation for a long time. In order to effectively prevent the damage caused by excessive temperature, it is necessary to predict and estimate the temperature of internal components of CRDM to improve the safety and reliability of nuclear reactor. This paper proposes a temperature estimation method based on the equivalent thermal network method. First, the heat source parameters required for the temperature rise analysis are calculated. Then, the thermal resistances in different regions are solved to construct an equivalent thermal network model of the CRDM, enabling rapid and accurate estimation of the CRDM temperature. Finally, the results are validated using Finite Element Analysis (FEA). The validation results show that the proposed CRDM temperature estimation method has high accuracy, providing a theoretical basis for subsequent novel structural design and reliability analysis. -
图 5 轴向空心圆柱体传热热阻
l—所求空心圆柱体的轴向长度；r1—外圆半径；r2—内圆半径
Figure 5. Axial Hollow Cylinder Heat Transfer Resistance
图 6 CRDM等效热网络模型
Plift—提升线圈功率；Pmoving—移动线圈功率；Pholding—保持线圈功率；T0—外部空气环境温度；T19—CRDM驱动杆底部与流体域接触区域温度；T21—CRDM隔热套底部与流体域接触区域温度；T22~ T28—CRDM流体域各节点温度
Figure 6. Equivalent Thermal Network Model of CRDM
表 1 工作状态线圈生热率
Table 1. Coil Heat Generation Rate in Working State
工作线圈 保持线圈 移动线圈 提升线圈 生热率/（W·m−3) 1.60×105 1.60×105 1.95×105 
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表 2 温度解算结果
Table 2. Results of Temperature Solution
结构名称 对应节点 温度/℃ 提升线圈 节点4 342.17 移动线圈 节点5 336.32 保持线圈 节点6 295.81 提升磁极 节点10 322.94 提升衔铁 节点11 340.38 移动衔铁 节点12 334.69 保持磁极 节点13 290.25 保持衔铁 节点14 284.95
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表 3 材料特性表
Table 3. Material Properties
结构名称 材料 密度/
(kg·m−3)比热容/
( J∙kg−1∙K−1)导热系数/
( W∙m−1∙K−1)磁轭组件 QT−400−18 7930 460 15 衔铁组件 1Cr13 7930 460 15 线圈 Cu 8960 385 400 密封壳、
行程套管、
驱动杆不锈钢 7930 460 15
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表 4 温度计算结果对比
Table 4. Comparison of Temperature Calculation Results
结构名称 温度/℃ 误差/℃ 等效热网络模型 有限元模型 提升线圈 342.17 344.13 −1.96 移动线圈 336.32 331.34 4.98 保持线圈 295.81 300.46 −4.65 提升磁极 322.94 319.17 3.77 提升衔铁 340.38 336.98 3.38 移动衔铁 334.69 329.84 4.85 保持磁极 290.25 295.18 −4.93 保持衔铁 284.95 280.54 4.41
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