摘要：本文剖析不同止逆机构于核电领域的应用。在阐述反应堆冷却剂泵组基础的前提下，运用流体动力学及传热学理论，阐释环路逆向流动的成因与危害。针对某华龙机组的滚柱式止逆机构及CPR 机组的棘爪/ 棘齿盘机构，从机械设计原理层面进行详细解析，依据机械性能评价体系总结两种止逆机构的异同，为核电设备设计、维护及优化提供坚实的理论支撑与实践参考。关键词：核电；止逆机构；反应堆冷却剂泵；滚柱式止逆机构；棘爪/ 棘齿盘机构

一、引言

反应堆冷却剂泵是保障核电站一回路冷却剂循环的核心设备，其运行状态直接关乎核电站整体安全。止逆机构作为电机的关键部件，防止反转、避免冷却剂逆向流动，对维持堆芯冷却、保障核电站安全起着决定性作用。不同类型止逆机构基于独特的机械设计原理，在核电呈现出各异的应用特性。深入探究这些止逆机构，有助于优化机械设计水平，增强核电运行的可靠性与安全性。

二、核电站反应堆冷却剂泵及电机概述

2.1 反应堆冷却剂泵结构与工作原理

从机械结构设计理论出发，反应堆冷却剂泵采用电动机驱动，依据流体动力学，冷却液通过轴向吸入端进入叶轮，并通过径向排出喷嘴水平排出。叶轮封装在扩压器中，此过程遵循能量守恒定律，将速度头转化为压力头。冷却剂如此流动路径与能量转换基于热传导理论，可有效带出堆芯产生的热量、维持堆芯正常温度。

2.2 反应堆冷却剂泵电机结构

三相鼠笼式感应电动机，用于驱动反应堆一回路主泵旋转，主要由机架、定子、转子、导轴承、止逆机构等部分构成。从散热设计理论看，电机由直接从安全壳大气中获取的空气进行冷却，两个空气冷却器安装在定子两侧，限制排放回安全壳的空气温度。这种冷却方式与电机结构设计满足热交换理论，确保电机运行的稳定性与可靠性，为反应堆冷却剂泵正常工作提供稳定动力支持。

三、环路逆向流动的原因及危害

在三环路核电站的安全稳定运行体系中，主泵作为一回路冷却剂循环流动的核心驱动装置，承担着至关重要的使命。其正常运转直接关系到堆芯冷却效果，对保障核电站的安全稳定起着决定性作用。正常工况下，三个联通环路的主泵相互配合，协同工作，促使冷却剂按照设定的流量与方向在整个一回路系统中循环不息。通过这一有序循环，堆芯在核裂变过程中产生的巨大热量得以高效带出，并传递给蒸汽发生器，进而转化为蒸汽驱动汽轮机发电，形成完整的能量转换链条。然而，当运行中出现一台主泵突然停止转动的异常情况时，整个核电站的流体动力学平衡将被瞬间打破。

3.1 逆向流动的形成机制

在三环路核电站系统内，正常运行遵循流体网络理论，三个联通环路构成稳定的流体循环体系。主泵持续提供动力，使冷却剂在一回路中保持稳定的流量与流向，确保堆芯热量能够及时、有效地传递。但当其中一台主泵突发停运，系统的动态平衡被打破。其余两台正常运转的主泵，依然对冷却剂持续施加压力，驱使冷却剂不断流动。而停运泵所在的环路，由于失去了主泵的正向驱动力，压力迅速下降。根据压力驱动流动的基本原理，流体具有从高压区域流向低压区域的天然属性。此时，停运泵所在环路成为整个系统中的低压区域，其余环路的高压冷却剂便将此环路视为“流出通道”，从而导致冷却剂在该环路中发生逆行流动。

3.2 逆向流动对堆芯冷却的影响

从热传递理论的专业视角分析，逆向流动所形成的旁路绕过了堆芯，这一变化对堆芯冷却工作产生了极为严重的负面影响。堆芯作为核电站实现能量转换的核心区域，核裂变反应持续进行，在此过程中会释放出热能。只有依靠冷却剂持续不断地循环流动，才能将这些热量及时带走，维持堆芯处于正常的温度范围。正常运行时，冷却剂按照既定路径流经堆芯，通过热交换过程，将堆芯热量稳定传递出去。然而，当逆向流动旁路出现后，流经堆芯的冷却剂流量大幅减少，热交换效率急剧下降。大量热量无法及时被带出堆芯，导致堆芯温度在短时间内迅速上升。过高的温度会使燃料元件包壳材料的性能发生显著变化，出现性能下降的情况。若温度持续升高，甚至可能引发包壳破损的严重后果。

3.3 逆向流动引发的泵反转问题

当冷却剂逆向流经停止运转的主泵时，依据牛顿力学中的作用力与反作用力原理，冷却剂会对泵的叶轮产生反向作用力。在这一反向力的作用下，原本静止的叶轮开始反向旋转，出现泵反转现象。如果在泵处于反转状态时再次启动，从电机启动理论来看，将会产生严重问题。正常启动时，电机需要克服转子的惯性以及负载阻力，以建立稳定的运行状态。但在反转情况下，电机内部的磁场和电路状态与正常启动时截然不同，处于一种特殊的电磁暂态过程。此时，电机的等效阻抗发生变化，相较于正常启动时显著增大，导致启动电流急剧增加。过大的电流会使电机绕组产生大量热量。如果这种过热状态持续时间过长，超过了电机绝缘材料的耐受温度，绝缘材料的性能将逐渐劣化。随着劣化程度的加剧，最终可能导致电机短路、烧毁等严重故障，使主泵彻底失去工作能力。

四、某华龙一号机组滚柱式止逆机构

4.1 结构组成

滚柱式止逆机构基于机械设计中的摩擦传动原理，由内圈、外圈、滚柱和弹簧等构成。内圈与轴相连，外圈与外壳相连，滚柱放置在内圈和外圈之间的槽内，弹簧将滚柱推向槽狭窄处。

4.2 工作原理

当内圈沿逆时针方向转动时，由于楔块并非规则形状，其重心位置、曲线轮廓决定了在受到离心力期间，使得楔块在向远离轴心方向运动时不会直接贴紧外圈，而是向特定方向绕轴转动，出现“回缩效应”实现无磨损运行。当内圈试图反向转动时，滚柱在摩擦力和弹簧力作用下，被楔紧在槽狭窄处，使内外圈之间产生极大摩擦力，形成机械制动，该工作原理基于机械部件间摩擦力与弹簧力协同，具备较高可靠性。

4.3 应用特点

滚柱式止逆机构工作平稳、噪声小，适用于高速运转场合，但从制造工艺理论看，该机构对制造精度要求高，否则影响止逆效果与使用寿命。在核电领域，某华龙一号机组采用此止逆机构，充分利用其工作平稳、噪声小优势，同时严格质量控制保证制造精度，满足设备可靠性的要求。

4.4 质量控制与测试

止逆机构整体要求测试扭矩、脱离转速并按图纸检查尺寸。外圈需进行制造检验，包括依据材料热处理理论检测渗碳层深度、表面硬度，按 DINENISO9934 进行磁粉探伤检测。内圈同样进行制造检验，检测渗碳层深度和表面硬度。部件最终有效硬化层约 3mm，表面硬度约 60HRC，实测脱离 ，重新接合 n=120min-¹ 满足技规要求。另外针对额定转矩、最大转矩及最大转速也进行了专项测试，结果表明随着角度增大（方向基准为设备旋转即逆时针方向，从上向下看为正，扭转沿该方向角度增加），扭矩逐渐上升（在 °测试区间，扭矩为 0-70000Nm 左右，呈指数型曲线增长），展示了产品在扭转过程中的力学特性，满足材料学要求。

五、CPR 机组的棘爪/ 棘齿盘机构

5.1 结构组成

棘爪 / 棘齿盘机构基于机械啮合原理，主要由棘爪、棘齿盘和机架构成。棘齿盘单向齿形，棘爪嵌入飞轮柱面孔内，可绕轴摆动。5 个棘爪增加冗余度，减少单个棘爪的磨损和疲劳，避免因单个棘爪故障出现逆止功能失效的情况。

5.2 工作原理

当主动件带动棘爪沿逆时针方向转动时，棘爪被棘齿弹起并沿着棘齿盘继续弹跳，不产生阻碍，装置正常运转，当主泵高速旋转时，棘爪与飞轮接触面之间由于离心力产生的摩擦力足以克服重力，致使旋转部件呈现悬浮状态。而在泵组停机阶段，随着转速逐渐降低并低于临界值，棘爪与棘齿盘开始接触，在持续接触直至设备停止运转的过程中，棘爪会在自身重力作用下，嵌入棘齿槽中，形成机械锁止。

5.3 应用特点

棘爪 / 棘齿盘机构设计理论简单、制造方便、成本较低。但从机械动力学角度看，工作时会产生冲击和噪声，且棘轮每次转动角度只能是棘轮齿距角整数倍，运动步进性明显。

某核电机组棘齿盘有 72 个齿，而棘爪数量为 5 个，根据互质的性质，在循环中每次只有一个棘爪与棘齿盘的齿处于有效啮合状态，负责承受载荷，同时棘爪与棘齿的啮合情况不会出现周期性重复，保证了传动的准确性和稳定性。这种特性也意味着单个棘爪需要承受较大的作用力，对棘爪的强度和耐磨性提出了较高要求，在设计时根据关键部件材料CrMn/25CrMo2 钢材料属性，获取布氏硬度、材料强度极限、料最小屈服极限等力学数据。

5.4 棘爪所受重力与离心力的力学分析

已知某核电机组棘爪质量为 1.1kg，飞轮半径是 0.925m， 。棘爪所受重力G=1. 1 3 6 × 9 . 8=11.1328 牛。查询滑动摩擦系数 u≈ 0 . 1 ，当摩擦力 u*Fc=G 时，由离心力公式为 Fc=mω ，且 ，可得

理论上当主泵转速达到约 时，止逆机构中的棘爪所受摩擦力等于重力，棘爪飘起脱离棘齿盘。

六、两种止逆机构的对比

6.1 目的与结果

依据机械运动控制理论，棘爪 / 棘齿盘与滚柱式止逆机构虽结构和原理不同，但目的与结果一致。二者均用于防止机械部件非预期方向转动，保障设备运行安全稳定，避免因逆转引发故障。正常运转时，它们都允许部件沿设定方向转动，阻力小、运转流畅；部件试图反向转动时，迅速响应，通过机械锁止或摩擦力阻止逆转，可靠实现单向运动控制。

6.2 性能优势

从机械性能评价体系看，棘爪 / 棘齿盘机构结构简单、成本低、制造安装方便；而滚柱式止逆机构工作平稳、噪声小、响应快，适用于高速、高精度设备。在某华龙一号机组中，基于对设备运行平稳性和可靠性的极高要求，滚柱式止逆机构能更好适应工况。

七、结论

通过对环路逆向流动危害分析及两种止逆机构研究，明确其在保障核电站稳定运行中的核心作用。在未来核电设备设计与维护中，应充分考量不同止逆机构特性，依据实际需求合理选用，以提升核电站安全性与可靠性。

参考文献：

[1] 康建龙 , 刘艳庄 , 谭富祥 , 等 . 核电厂逆止阀螺栓防松措施力学特性分析 [J]. 工程机械 , 2023(6):56-61,9.

[2] 吴优 , 孙楠 , 许蒙 , 等 . 逆止阀摇臂固定螺栓断裂问题分析 [J]. 电力系统装备 ,2024(1):109-111.

[3] 李大鹏 , 徐伟 . 核电厂消防水逆止阀阀体断裂原因分析 [J]. 电脑爱好者（普及版）（电子刊）, 2023(3):77-78.