乏燃料相關(guān)組件水下縮容技術(shù)研究

丁 明，劉 攀，龔雪瓊，張 斌

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

隨著核電站的持續(xù)運(yùn)行，國(guó)內(nèi)運(yùn)行周期較長(zhǎng)的核電機(jī)組產(chǎn)生了大量廢乏燃料相關(guān)組件，存放在乏燃料水池中，占用大量的乏燃料貯存格架[1]。同時(shí)，核電站的運(yùn)行會(huì)不斷產(chǎn)生乏燃料組件需存放在乏燃料水池格架內(nèi)，由于目前國(guó)內(nèi)乏燃料后處理能力有限，難以及時(shí)外運(yùn)，導(dǎo)致乏燃料存放格架存儲(chǔ)能力不足。

隨著乏燃料水池可用格架數(shù)量的逐年減少，在新燃料接收、RCCA 檢查及大修卸料水池定位時(shí)，這些廢棄的相關(guān)組件被頻繁挪位，大大影響核電站檢修的工期和安全性。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)廢棄乏燃料組件尚無(wú)相應(yīng)的處理措施，部分核電廠以機(jī)組間乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)的方法，來(lái)保證運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的機(jī)組能夠正常運(yùn)行?；诜θ剂虾筇幚磉\(yùn)輸及乏水池格架優(yōu)化利用的考慮，需減小乏燃料相關(guān)組件存儲(chǔ)空間，以便存儲(chǔ)更多的乏燃料組件，并解決退役組件解體處置問題。

1 研究對(duì)象

燃料相關(guān)組件包括可燃毒物組件、中子源組件、阻力塞組件和控制棒組件，其中可燃毒物組件、中子源組件、阻力塞組件都包括一個(gè)壓緊組件形成的支承結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的功能棒組件，壓緊組件的結(jié)構(gòu)均相同，放置在燃料組件上管座的支承板上；控制棒組件主要由星形柄和吸收棒組件組成（圖1）。

圖1 控制棒組件

可燃毒物棒是兩層不銹鋼管中間夾著一層硼玻璃管，外徑9.7 mm，上、下兩端用端塞焊接密封，上端塞光段長(zhǎng)度約40 mm，其包殼管材料為AISI 304 不銹鋼，端塞材料為AISI 308 不銹鋼。中子源棒結(jié)構(gòu)與可燃毒物棒基本類似，包殼管材料為AISI 304 不銹鋼，端塞材料為AISI 308 不銹鋼，控制棒是不銹鋼管中間夾著吸收劑，外徑9.7 mm，星型架材料為AISI 304 不銹鋼，包殼管材料為滲氮AISI 316L 不銹鋼，端塞為AISI 308 不銹鋼。阻力塞棒是不銹鋼圓棒，外徑最大尺寸11 mm，端部過渡段直徑4.85 mm。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

根據(jù)相關(guān)組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求的前提下，制定乏燃料相關(guān)組件縮容總體思路：①將可燃毒物組件、中子源組件、阻力塞組件、控制棒組件的功能棒和連接柄解體分離；②將分離下來(lái)的連接柄和單棒分類存放在專用的貯存容器中；③將貯存容器存放在乏燃料水池格架內(nèi)?？s小相關(guān)組件存儲(chǔ)過程中各棒束之間的距離，最大限度縮小存儲(chǔ)空間，達(dá)到減少占用乏燃料水池格架的目的，見圖2。

圖2 燃料相關(guān)組件縮容示意

按照上述思路進(jìn)行縮容處理需滿足如下要求：

（1）縮容操作流程必須合理可行，不得影響機(jī)組正常運(yùn)行，保證乏燃料水池格架中的燃料組件和相關(guān)組件的安全。

（2）縮容處置過程中必須確保足夠的水屏蔽層，相關(guān)組件始終在水面3 m 以下，防止放射性風(fēng)險(xiǎn)。

（3）為了避免解體操作過程中有碎屑和其他異物落入水池，解體操作必須采用無(wú)屑剪切。

（4）為防止放射性物質(zhì)的泄漏，剪切切口應(yīng)盡量靠近連接板，使剪切分離后的功能棒仍然有上端塞保護(hù)，便于存儲(chǔ)。

（5）為了保證剪切后仍然有端塞保護(hù)，對(duì)于可燃毒物組件、中子源組件，可供剪切的部分為單棒上端塞靠近連接板40 mm區(qū)域，考慮到剪切刃口的定位誤差，剪切位應(yīng)盡量控制在離連接板25 mm 范圍內(nèi)；阻力塞棒是一根不銹鋼棒，其可剪切范圍可以適當(dāng)放大，為保持一致性，實(shí)際操作時(shí)應(yīng)與可燃毒物棒、中子源棒剪切位置一致；控制棒組件的可剪切區(qū)域?yàn)槲瞻舻纳隙巳糠?，其可剪切范圍適當(dāng)放大（約82 mm），但為了保持一致性，剪切切口位置與可燃毒物組件、中子源組件一致。

2.2 工作流程設(shè)計(jì)

乏燃料相關(guān)組件縮容需充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，要求縮容操作流程科學(xué)、合理，不得影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

（1）為了保證縮容操作不影響乏燃料水池和整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行和操作安全性（3 m 以上水屏蔽），縮容操作需與乏燃料水池隔離?？紤]燃料廠房布置，縮容操作選擇在裝罐池內(nèi)進(jìn)行，故縮容操作的第一步是將相關(guān)組件從乏燃料水池轉(zhuǎn)移至裝罐池。

（2）為了便于解體后連接柄和單棒的轉(zhuǎn)移和最終存儲(chǔ)，且減少水下運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)相關(guān)組件的剪切采取橫向臥式剪切的方式，因而縮容操作的第二步是將相關(guān)組件從豎直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)。

（3）為了對(duì)相關(guān)組件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，相關(guān)組件剪切解體分離前需進(jìn)行裝夾固定，故縮容操作的第三步是將相關(guān)組件裝夾固定。

（4）縮容操作的第四步是對(duì)相關(guān)組件進(jìn)行水下無(wú)屑剪切，分離相關(guān)組件單棒和連接柄。

（5）將剪切分離后的單棒和連接柄分別存放在指定的貯存容器中，最終將裝滿的貯存容器存放在乏燃料水池格架上，完成整個(gè)縮容操作。

2.3 縮容設(shè)備

縮容流程所需設(shè)備主要包括組件轉(zhuǎn)移設(shè)備、組件翻轉(zhuǎn)設(shè)備、組件裝夾設(shè)備、剪切分離設(shè)備以及組件存儲(chǔ)設(shè)備，各設(shè)備具體功能見表1，在裝罐池內(nèi)的布置如圖3 所示。

圖3 縮容設(shè)備裝罐水池內(nèi)布局

縮容設(shè)備應(yīng)具備以下技術(shù)特性：

（1）整套縮容設(shè)備在使用過程中，始終保持相關(guān)組件在水面以下3 m，避免對(duì)操作人員外照射。

（2）整套剪切裝置通過夾緊固定機(jī)構(gòu)夾持在乏水池池壁的水泥臺(tái)上，不需要改造電站原有結(jié)構(gòu)且裝拆方便。

（3）在組件轉(zhuǎn)移以及分離后單棒、連接柄轉(zhuǎn)移過程中，相關(guān)轉(zhuǎn)移工具均能實(shí)現(xiàn)鎖緊，避免轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生墜落。

（4）組件翻轉(zhuǎn)過程中，翻轉(zhuǎn)裝置與剪切平臺(tái)之間設(shè)有軟限位和硬限位，避免翻轉(zhuǎn)裝置翻轉(zhuǎn)角度過大，組件從翻轉(zhuǎn)裝置上溜出。

（5）剪切刀具是剪切解體的執(zhí)行元件，為了避免污染乏水池水質(zhì)，剪切裝置采用冷擠壓斷裂的方式實(shí)現(xiàn)相關(guān)組件單棒和連接柄的分離；剪切裝置通過液壓系統(tǒng)傳遞動(dòng)力，并采用去離子水作為液壓工作介質(zhì)。

（6）剪切過程中，剪切定刀片寬度設(shè)計(jì)合理，剪切時(shí)定刀片貼近連接柄端面，控制剪切斷口在上端塞范圍內(nèi)，不會(huì)破壞相關(guān)組件單棒的結(jié)構(gòu)完整性，不會(huì)造成放射性氣體泄漏。

（7）十字滑臺(tái)用于調(diào)整剪切刀具與相關(guān)組件之間的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)剪切刀具X、Y、Z 三個(gè)方向的位置調(diào)整，其控制采用自動(dòng)程序定位，并配合手動(dòng)調(diào)整，既保證了設(shè)備操作便捷性，又具備一定的精確性。

（8）組件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一方面作為夾具固定相關(guān)組件，另一方面攜帶相關(guān)組件旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)90°后自動(dòng)鎖死，使剪切裝置每次只需剪切靠近刀具側(cè)的兩排相關(guān)組件單棒，通過4 次旋轉(zhuǎn)完成24 根單棒剪切，減小對(duì)刀行程和剪切刀具結(jié)構(gòu)尺寸。

（9）為了確保剪切過程的安全性，實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓系統(tǒng)壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過安全閥值后，終止剪切程序，并提示對(duì)剪切裝置進(jìn)行檢查或更換刀具。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PLC 以及視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成（圖5）。工控機(jī)作為人機(jī)交互接口，主要完成操作指令的輸入、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、視頻信號(hào)的顯示和儲(chǔ)存，并輔以作業(yè)管理等功能；PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行元器件的直接控制。PLC 的控制對(duì)象有3 個(gè)部分：剪切裝置X、Y、Z 方向的移動(dòng)、液壓剪切操作以及卷?yè)P(yáng)機(jī)的啟停。

圖4 乏燃料相關(guān)組件縮容設(shè)備控制系統(tǒng)

乏燃料相關(guān)組件縮容設(shè)備控制系統(tǒng)具備以下技術(shù)特性：

（1）為了保護(hù)電機(jī)、防止燒毀，在電機(jī)選型上使用防燒電機(jī)或者增加空氣開關(guān)和熱繼電器，進(jìn)行電流保護(hù)和過載保護(hù)。

（2）為了防止X、Y 和Z 向的滑塊脫離軌道，設(shè)備安裝完成后進(jìn)入調(diào)試模式，調(diào)整3 個(gè)方向的限制范圍，確認(rèn)后退出調(diào)試模式。手動(dòng)和自動(dòng)模式下不能調(diào)整限位。

（3）水液壓剪切裝置壓力限定、剪切缸行程限定、水位和水溫超限報(bào)警，當(dāng)測(cè)量值超過閾值時(shí)，將彈出報(bào)警信號(hào)窗口。

（4）為防止誤操作，水液壓剪切裝置和十字滑臺(tái)間有互鎖功能，無(wú)論是手動(dòng)還是自動(dòng)模式，只有確認(rèn)進(jìn)刀對(duì)刀完成，十字滑臺(tái)鎖定，方可啟動(dòng)水液壓剪切裝置；只有確認(rèn)剪切完成，鎖定水液壓剪切裝置后，十字滑臺(tái)方可進(jìn)行下一步動(dòng)作。

3 應(yīng)用案例

目前，該燃料相關(guān)組件水下縮容技術(shù)已成功運(yùn)用于某核電站1、2、3、4 號(hào)機(jī)組的廢棄相關(guān)組件縮容作業(yè)，對(duì)每個(gè)機(jī)組都實(shí)現(xiàn)了66 組可燃毒物組件和2 組中子源組件的解體分離，安全有效地將896 根可燃毒物棒束、4 根中子源棒束和732 根阻力塞棒束從68 個(gè)“之”字形連接柄上解體。

整套縮容設(shè)備具備安全、高效和高維護(hù)性。在水下攝像頭的監(jiān)視下，配合十字滑臺(tái)微調(diào)功能，對(duì)刀位置精確，所有斷口都在相關(guān)組件的安全剪切區(qū)域內(nèi)。可在40 min 內(nèi)完成一組組件剪切，刀具在剪切10 組組件后可在30 min 內(nèi)完成更換。整個(gè)縮容作業(yè)中沒有放射性物質(zhì)泄漏，也沒有產(chǎn)生任何碎屑對(duì)乏水池水質(zhì)造成污染。

每個(gè)機(jī)組被解體下來(lái)的連接柄和單棒分別存放在7 個(gè)外形尺寸與燃料組件相同的貯存容器中，最終僅占用7 個(gè)乏燃料貯存格架。為4 個(gè)機(jī)組乏燃料水池優(yōu)化出500 多個(gè)有效可用格架，提高了約10%的存儲(chǔ)能力。

通過在現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用，乏燃料水下縮容技術(shù)各項(xiàng)功能均得到有效驗(yàn)證，滿足乏燃料相關(guān)組件的縮容要求。

4 結(jié)語(yǔ)

乏燃料相關(guān)組件水下縮容技術(shù)通過自動(dòng)定位和水液壓無(wú)屑剪切實(shí)現(xiàn)單棒與連接板的分離，不僅保證分離后單棒的結(jié)構(gòu)完整性，避免放射性氣體泄漏，還避免水池內(nèi)進(jìn)入新的異物。該技術(shù)能夠以近10∶1 的比例進(jìn)行固態(tài)廢料優(yōu)化貯存，為機(jī)組乏燃料水池優(yōu)化出大量可用格架，解決了核電站格架存儲(chǔ)能力不足的問題，提高了格架的利用率，對(duì)保證核電站正常運(yùn)行具有重要意義，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具備一定推廣和借鑒價(jià)值。