INL为MARVEL微堆开发可调反应性控制系统

Idaho美国国家实验室(INL)的研究人员为美国能源部(DOE)的微堆应用研究验证与评估反应堆(MARVEL)开发了一套反应性控制系统(RCS)。

基于先进试验反应堆等试验堆，MARVEL采用两种机械反应性控制机制：一根控制棒和四个控制鼓——旋转圆柱体——以保持其小型化。INL研究人员正在Idaho Falls组装和试验这套RCS，然后将其运往INL材料和燃料综合体的瞬态反应堆试验(TREAT)设施。

MARVEL是一座85 kW、钠-钾冷却的微堆，正在INL组装，高约15英尺、宽4英尺，需要比传统控制棒更小的控制装置。“轻水反应堆通常使用控制棒，其体积和面积要大得多，”INL机电一体化小组研究员Anthony Crawford说，“微堆，特别是MARVEL，需要更紧凑的解决方案，因此我们使用控制鼓。”

MARVEL的四个旋转控制鼓位于堆芯外侧，同时包含反射材料和吸收材料。根据每个鼓的旋转程度，中子要么被反射回堆芯，要么被吸收，从而增加或降低反应堆功率。“控制鼓和控制棒具有相同的基本功能——一个平移运动，一个旋转运动，”Crawford说，“但控制鼓因其惯性、轴承、贯穿件和旋转动力学而更具挑战性。这就是为什么工业界并不总是使用它们。”

MARVEL还使用了一个中央保险吸收体。这本质上是一根控制棒，插入时会吸收中子以控制反应性。中央保险吸收体目前仅计划在停堆期间使用，本质上是一个冗余的应急特征。控制鼓和中央保险吸收体共同提供运行控制和分层安全。“在MARVEL中，控制鼓是我们在运行期间控制反应堆的核心，”Crawford解释道，“中央保险吸收体提供纵深防御。”

当MARVEL项目于2020年启动时，反应性控制系统还只是一个纸面设计。“我们对想要做什么有一个大致想法，”Crawford说，“然后我们经历了完整的工程流程——设计、设计审查、分析——并进入原型制造和试验阶段。”大约三年前，该设计通过了90%设计审查，获得了DOE、美国核管会(NRC)和其他专家的意见。然而，制造过程带来了新的挑战。该系统需要大约25种不同功能来旋转和“紧急停堆”控制鼓。在紧急停堆（完全停堆）期间，离合器释放，弹簧快速将鼓转动到停堆位置，同时阻尼器平滑运动以减少冲击。

“通过制造过程，我们遇到了在CAD(计算机辅助设计)模型中不一定能看到的问题，”Crawford说，“我们必须实时应对这些现实挑战，而几乎没有现成的参考资料。现在我们正在组装它。机电一体化团队制定了详细的组装计划，以确保功能得以保持，并且我们在整个过程中试验每个组件的关键特性。”

反应性控制系统正在按照核工业质量保证基准NQA-1标准建造。MARVEL RCS中使用的许多组件都不是现成的。大部分RCS是在材料和燃料综合体的特殊机加工车间按照严格标准制造的。在某些情况下，工程师们改造了商业组件并对其进行了广泛的试验。“这意味着在接收时、组装期间、试验台上、预运行期间、运行期间以及整个生命周期内都要进行试验，”Crawford指出。

在正常运行期间，系统必须以极高的精度移动以微调反应堆功率。在紧急停堆期间，它必须非常快速可靠地移动。硬件还必须能够承受高温、高通量、振动、膨胀和挠度，同时执行这两项功能。在反应堆组装前试验RCS帮助研究人员更好地理解系统，并在设计、分析和试验过程中制定策略。

研究人员已经组装了所有五个执行器——四个用于运行，一个备用。控制鼓骨架已组装完成，反射材料和吸收材料的安装待进行。他们已经建造了中央停堆吸收体及其备用件。这些系统已安装到试验台上，该试验台以最终部署配置支撑每个控制鼓和中央保险吸收体系统。凭借这种精确配置，系统正在进行初始集成鉴定试验，以验证速度控制、精度和紧急停堆性能。

“RCS现在成为评估反应堆组装健康状况的工具，”Crawford说，“我们将在主冷却系统上试验它，然后在干临界期间再次试验，接着在有冷却剂时再次试验。”该系统还成为一个培训工具。它将帮助操作员更好地理解细微差别……这样他们就能确切知道发生了什么以及如何应对。

MARVEL的RCS被设计为可适应。“我们使用可调节硬挡块来限制寿命早期的最大反应性，然后随着(燃料)燃耗的发生将其移出以恢复能力，”Crawford说，“我们还可以调节弹簧预紧力和更换阻尼器来微调紧急停堆行为。如果没有可调性，为适应反应堆变化而进行的重新设计可能需要数月或数年，或者能力可能会降低或丧失。有了可调性，我们可以快速适应——这种能力不仅适用于MARVEL，也适用于其他反应堆设计。”

一旦MARVEL投入运行，工程师们将能够根据反应堆生命周期中获得的经验来调整RCS。“在启动期间，我们在了解反应堆行为时更保守地运行，”Crawford指出，“一旦我们有信心，我们就给系统更大的自由度来高效运行，并实现其作为试验堆的使命。RCS参数随着反应堆的发展而演变。”

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