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摘要：本文主要通过介绍核电厂控制棒的棒位测量指示，由控制棒驱动机构动作而引起的麦克风噪声以及对驱动机构电流的控制这三个方面，来具体描述控制棒的驱动原理，并提出了核电厂控制棒失步的判断方法。
关键词：核电厂；控制棒失步；控制棒驱动机构；判断方法
为保证核电厂核反应堆的有序安全运行，一定要做好核反应性控制。电厂核反应堆主要用控制棒和冷却剂中的硼浓度来控制反应性。硼浓度的反应性控制主要作用于一些长期的控制，并且起效性相对较慢；与此相反，控制棒则主要作用于一些短期的反应性控制，并且起效较快。在核电厂控制核反应堆的过程中，明确判断控制棒是否失步，也就是控制棒是否在规定的棒位，是控制核反应堆安全运行最关键的步骤。
一、核电厂控制棒的控制原理
控制棒的主要控制原理就是根据电网负荷的变化值，来相应调节控制棒的棒位，进而实时控制核反应堆堆芯的反应性，从而实现对核电功率和堆芯温度的有效调控。总体来说，需要通过提棒来启动反应堆，通过不断调节控制棒棒位，来调节核反应堆的反应性，在紧急情况下，通过落棒来停堆。与此同时，为了保证控制棒的可靠、稳定工作状态，要每隔30天左右对没有变换过棒位的控制棒进行手动提插，来验证控制棒的稳定性和可用性。
控制棒在工作时需要通过一种步进式机构来进行驱动，即所谓的控制棒驱动机构，用来保证控制棒处于合适位置，进而有效控制堆芯的反应性。每个反应堆约有几十套控制棒驱动机构来实现对控制棒组件的控制。钩爪组件、压力外壳、驱动杆组件和驱动线圈组件是构成控制棒驱动机构的主要部分，驱动杆组件与控制棒联接成一体，可用驱动杆操控控制棒，并用钩爪组件完成对驱动杆的夹持和移动，在驱动线圈的共同作用下，来实现对控制棒棒位的调控。驱动线圈组件一共有三个线圈，分别套在压力外壳的不同位置，通过按一定的时序给不同线圈通电，完成对驱动杆的夹持、插入和提升。
二、核电厂控制棒失步的判断方法
对控制棒的控制是在一个开环的系统中工作，然而仅仅严密监测三个驱动线圈的电流输出，根本无法准确判断出控制棒是否已经按照操纵指令来完成提、插移位，这就需要运用一些手段来判断控制棒实际棒位，是否存在失步现象，并准确测量出失步步数。
（一）观察控制棒棒位指示
可以通过控制棒的控制系统直接观察到控制棒棒位。在每一个驱动杆行程套管外侧都装有棒位探测器组件。探测器由初级线圈和次级线圈共同组成，其中初级线圈通交流电，次级线圈不通电。驱动杆沿初、次级线圈的中心轴线运行，当驱动杆变换高度时，相当于变压器的铁芯位置在变化，，从而会在各组次级线圈中形成不同的感应电压，经过采集板收集，并经运算后则可直接把控制棒棒位显示出来。
当前，大多数核电反应堆控制棒的额定行程为225步，步距为15.875毫米[1]。控制棒在高温、高压、高辐射的压力容器内，现有的棒位测量技术，无法实现对位置的精准测量，不能将精度准确在毫米之间。在棒位指示中可以直接观察出控制棒失步步数较多的情况，但是对于小于8步的失步，就不能直接显示在控制系统的指示器上，这时就需要操作人员具有丰富的经验，来判断控制棒的具体失步数值。要仔细观察疑似失步的棒束与同组控制棒的棒位是否存在差距，然后通过操纵杆对控制棒进行微调，观察整组控制棒是否有同步变化，根据经验可知，测量棒位变化的范围在同组控制棒内不会大于一步，并且在很大比例上应该是同步的。
（二）观察控制棒驱动线圈电流波形
需要通过对三个线圈的不同供电组合来完成对控制棒的提、插及保持操控，所以就可以通过电流的波形情况来判断控制棒是否存在失步。
如果在控制棒改变棒位的过程中存在电流异常现象，就要中断操作过程，检查故障原因。比如观察到移动线圈电流在不断上升的过程中没有出现正常的小回调，见图1，就代表着移动钩爪没有钩入驱动杆环槽，这样，钩爪上、下移动时，就不能带着驱动杆一起运动[2]。所以就会造成本束驱动杆比其他驱动杆少走一步，从而导致控制棒失步。
（三）根据驱动机构动作时麦克风噪声判断
在对反应堆进行调试和启动阶段，工作人员会把麦克风安装在驱动杆行程套管的顶端，来采集控制棒驱动机构运行时出现的噪音信号。
例如，把控制棒提升一步，需要控制棒驱动机构内各构件按规定的顺序动作，动作过程中会产生敲击、振动，相对应的噪声信号就会出现7个波峰，见图1。如果这7个波峰的噪声信号正常，代表着驱动机构内各构件均已完成规定动作。如果缺失其中任何一个波峰，则代表相应构件没有完成指令动作，也就会造成控制棒提升失败，从而引起控制棒失步。具体来讲，如果移动线圈的电流波形在工作状态下一直没有出现小回调，就表示移动钩爪钩入驱动杆操作失败，相应的与该动作对应的噪声信号也不会出现，也就代表着控制棒的提棒失败；再比如，在保持电流断开时，保持钩爪会脱出驱动杆环槽，并产生噪音波峰信号，如果该波峰不出现或出现过晚，则表示保持钩爪没有在规定时间内回落到位，也就无法按照提棒指令完成对控制棒的提升操作。
通过对麦克风噪声波峰来判断控制棒是否存在失步，是一种最简单、也最直接的方法，但是此方法在实施前一定要满足两个前提条件：第一，一定要把麦克风安装到位，才可最大程度的收集因驱动机构动作而产生的噪音；第二，要把驱动线圈的电流信号与麦克风噪声信号共同接入录波装置，从而才可通过噪声波峰来判断控制棒驱动机构是否按照操控指令完成对控制棒的提、插移位。
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图1
三、造成控制棒失步的原因概述
造成控制棒失步的原因有很多种，通过对多起控制棒失步现象进行分析，把控制棒的失步原因归结为以下几类;
1、控制棒的棒控系统出现故障，从而导致驱动线圈没有按照正常程序接入电流，也就不能产生指令动作；
2、钩爪没有在规定时间内归位或归位延迟，不能正常提、插棒，从而造成控制棒失步；
3、钩爪动作异常，保持或移动钩爪没有按照指令操作，出现未钩入驱动杆环槽或钩入延迟。
4、提升衔铁卡死或动作不到位。
其中，如果因为控制棒的棒控系统出现故障而造成控制棒失步，工作人员可以及时发现，而因为钩爪失误造成控制棒失步，就代表控制棒驱动机构存在异常因素，但是这种因素经常是偶发的，在出现一次后会随即消失，这就对工作人员的维修带来了一定难度，也只能通过驱动线圈电流波形与噪声波形来进行验证判断，通过对一系列故障检查的结果可知，这种偶发因素大多是由温度、异物卡顿造成的。
综上所述，核电厂控制棒的失步的判断方法，主要可以通过观察控制棒棒位指示，驱动线圈电流波形和麦克风噪声波形等方式来进行判断。但是在核电厂的实际故障处理中，若想快速准确的判断出控制棒失步步数与故障点，就需要工作人员具有丰富经验并结合反应堆的实际情况来进行综合考虑，现在国际上的通用方法是观察控制棒指示来对故障原因进行快速分析判断，并通过录波波形定位故障节点。
参考文献
[1]郑杲,黄可东,李国勇,许明周,青先国,何正熙,李梦书.“华龙一号”核电厂控制棒棒位处理设备架构设计.核动力工程,2020,41(1):104-107.
[2]孙波.核电厂控制棒失步的判断方法.中小企业管理与科技,2016(6): 223-224.