張杰+熊偉

【摘 要】本文敘述了核電站堆芯指套管磨損的原因并針對(duì)反應(yīng)堆堆芯高溫、高壓和高輻射的特點(diǎn)及安全性的考慮，對(duì)從堆芯下部抽取更換指套管的方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)、根據(jù)設(shè)計(jì)需求，完善了抽拔機(jī)的組成和工作原理。最后對(duì)目前核電站堆芯指套管兩種更換方法進(jìn)行比較。

【關(guān)鍵詞】指套管；抽拔機(jī)；設(shè)計(jì)；比較

0 前言

目前，國(guó)內(nèi)外壓水堆核電站更換堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)指套管的專用設(shè)備中，幾乎都采用從堆芯上部（在換料水池中）抓取的方法。該方法使用廣泛、運(yùn)用成熟，但也存在更換成本高、技術(shù)難度大等缺點(diǎn)。為了克服上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)也開始進(jìn)行從堆芯下部抽取指套管工具即輻照后指套管抽拔機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“抽拔機(jī)”）的設(shè)計(jì)。本文將從抽拔機(jī)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)陳述。

1 系統(tǒng)概論

堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)是核電站重要的監(jiān)測(cè)設(shè)備，它主要測(cè)量反應(yīng)堆堆芯的中子注量率分布，監(jiān)測(cè)堆芯功率畸變，積累燃耗數(shù)據(jù)，對(duì)核電站安全可靠的啟動(dòng)、運(yùn)行不僅是必不可少的，而且對(duì)核電站的安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性起到重要作用。

堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)是采用移動(dòng)式微型裂變室為探測(cè)器的測(cè)量系統(tǒng)，移動(dòng)式微型裂變室由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，通過(guò)指套管（為移動(dòng)式微型裂變室提供導(dǎo)向和通道）由上至下對(duì)堆芯內(nèi)部中子通量進(jìn)行測(cè)量，在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，本系統(tǒng)可得到堆芯軸向及頸項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)，以便核電站專業(yè)人員進(jìn)行物理分析。

指套管是長(zhǎng)度13-16m、外徑7.5mm的不銹鋼管，如圖1所示，指套管的一端在壓力容器內(nèi)，經(jīng)儀表導(dǎo)管固定板、堆芯支撐板、堆芯下柵格板最終到達(dá)燃料組件頂端；另一端在導(dǎo)向管的引導(dǎo)下通過(guò)生物屏蔽墻、手動(dòng)閥到達(dá)密封段出口處通過(guò)法蘭結(jié)構(gòu)固定并與連接管組件相連，接受來(lái)自驅(qū)動(dòng)裝置和管路選擇器的移動(dòng)式微型裂變室。由于以下三個(gè)原因，指套管易造成磨損、破損進(jìn)而泄漏：①指套管插入堆芯燃料組件中，長(zhǎng)期受到高溫、高壓、震動(dòng)、水流沖刷等作用；②在核電站停堆換料期間，處在燃料組件中的指套管需要抽回，核燃料更換完畢后再重新插入燃料組件中，因此在每次換料期間指套管都存在機(jī)械磨損；③如果壓力容器內(nèi)存在松脫的部件，松動(dòng)部件會(huì)在冷卻劑流動(dòng)的作用下對(duì)指套管進(jìn)行反復(fù)循環(huán)撞擊，造成大量指套管破損及堆內(nèi)構(gòu)件其它設(shè)備損壞。指套管的泄漏會(huì)造成一回路反應(yīng)堆冷卻劑外泄，造成相應(yīng)的管路無(wú)法正常進(jìn)行中子通量測(cè)量。核電站運(yùn)行人員定期通過(guò)渦流探傷方法測(cè)量指套管的壁厚以衡量其磨損程度。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)磨損深度≥40%壁厚時(shí)應(yīng)更換指套管。指套管因長(zhǎng)期受輻照照射，帶有很強(qiáng)的放射性，參照核安全和放射性防護(hù)規(guī)則，維修人員無(wú)法直接進(jìn)行更換，需遠(yuǎn)程遙控操作相關(guān)設(shè)備進(jìn)行指套管取出和存放作業(yè)。

2 抽拔機(jī)設(shè)計(jì)

由于需要將輻照后的指套管從堆芯底部抽出，因此抽拔機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下基本需求：

①抽拔動(dòng)力需求：需要有足夠大的動(dòng)力將三維彎曲的指套管從堆芯中安全、平穩(wěn)的抽出；

②安全需求：由于輻照后的指套管劑量很大，需要操作人員遠(yuǎn)程、自動(dòng)操作，并且卷出后的指套管要封存在屏蔽容器內(nèi)；

③防止冷卻劑溢出需求：為使指套管抽出密封段后反應(yīng)堆一回路冷卻劑不立刻噴出，要采取相應(yīng)措施。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)基本需求，抽拔機(jī)應(yīng)由遠(yuǎn)程控制柜、抽拔機(jī)裝置、探針、冷凍器、電磁閥和CO2瓶等基本設(shè)備組成，如圖2所示。

①抽拔裝置主要包括抽拔裝置本體、卷繞盤、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和接線箱等，作用是2臺(tái)互為備用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)（包括減速器、電磁離合器和傳動(dòng)軸等）將輻照后指套管從堆芯內(nèi)拔出并卷入卷繞盤中儲(chǔ)存，由于輻照后指套管每米γ劑量率可達(dá)11SV/h，抽拔裝置本體外殼由鋼板焊接而成，中間灌鉛，將卷繞盤包在中間，以達(dá)到有效屏蔽γ射線的目的。

②探測(cè)裝置包括探桿、彈簧和微動(dòng)開關(guān)等，安裝在密封段反壓接嘴上，作用是當(dāng)指套管末端經(jīng)過(guò)探桿后，探桿在彈簧的作用下觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，給出指套管將要抽出密封段的信號(hào)。

③冷凍裝置包括冷凍器、電磁閥和CO2瓶，作用是當(dāng)出現(xiàn)指套管將要抽出密封段的信號(hào)后，控制電磁閥打開，液態(tài)CO2留到冷凍器中，冷凍器固定在導(dǎo)向管下游，將一回路反應(yīng)堆冷卻劑冷凍，以便指套管抽出密封段時(shí)，冷卻劑不會(huì)噴出。

④遠(yuǎn)程控制柜：安裝在遠(yuǎn)離堆芯儀表室的維修房間內(nèi)，可遠(yuǎn)程自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟停、電磁閥開關(guān)并接收微動(dòng)開關(guān)的信號(hào)。設(shè)置有指示燈，可遠(yuǎn)程觀察抽拔進(jìn)展情況。也可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。

⑤輔助設(shè)備包括支架及吊車，可使抽拔機(jī)在堆芯儀表室內(nèi)移動(dòng)并固定，以滿足抽拔分布在不同位置的指套管的需求。

2.2 控制流程

由于指套管長(zhǎng)度為13-16m且處在壓力容器外面的部分γ劑量很小，為減小抽拔風(fēng)險(xiǎn)，在移除密封段上游設(shè)備騰出空間后，先使用抽拔機(jī)手動(dòng)操作將低放射性部分抽出（約8-10m），將此部分切掉后作為低放射性物項(xiàng)廢物處理。剩余5-6m高放射性部分采用遠(yuǎn)程自動(dòng)操作，整個(gè)操作流程分為6個(gè)階段，在遠(yuǎn)程控制柜上對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的指示燈，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

①階段：?jiǎn)?dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，抽拔指套管，直到指套管末端到達(dá)密封段，探測(cè)裝置上的微動(dòng)開關(guān)給出信號(hào)，停止抽拔；

②階段：電磁閥打開，液態(tài)CO2開始流入冷凍裝置；

③階段：延時(shí)3分鐘，將一回路反應(yīng)堆冷卻劑冷凍；

④階段：電磁閥關(guān)閉；

⑤階段：重新啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，繼續(xù)抽拔指套管，直到指套管末端到達(dá)抽拔裝置本體進(jìn)口處，微動(dòng)開關(guān)給出信號(hào)；

⑥階段：繼續(xù)抽拔，延時(shí)1分鐘，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作，指套管已進(jìn)入抽拔裝置本體內(nèi)的卷繞盤中。

至此，整個(gè)抽拔流程結(jié)束。取出的指套管封存在抽拔機(jī)鉛屏蔽內(nèi)，待下個(gè)換料大修放射性下降后取出妥善安置。

3 兩種取出指套管方法的比較

從堆芯上部（抓取機(jī)）和堆芯下部（抽拔機(jī)）取出指套管是目前兩種可行的操作方法。從堆芯上部抓取指套管是在換料水池中進(jìn)行的。操作人員遠(yuǎn)程對(duì)指套管進(jìn)行抓取和切割并使用水下運(yùn)輸小車將切割下的指套管運(yùn)送至乏燃料池儲(chǔ)存。全過(guò)程使用水下視頻設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。下面將從成本、使用范圍、操作性、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等幾個(gè)方面對(duì)兩種方法進(jìn)行比較。

1）從堆芯上部抓取指套管（抓取機(jī)）：

優(yōu)點(diǎn)：

①在一個(gè)換料周期內(nèi)可更換多根指套管；

②可取出已經(jīng)斷裂的指套管；

③實(shí)際應(yīng)用廣泛，例如在秦山一期及巴基斯坦恰?，敽穗娬?號(hào)機(jī)組中得到應(yīng)用，可靠性高。

缺點(diǎn)：

①設(shè)備（指套管抓取工具、水下剪切工具、水下運(yùn)輸容器和水下視頻等）造價(jià)高；

②輔助設(shè)備（燃料抓取機(jī)、傾翻機(jī)和水下照明等）繁雜；

③操作人員技術(shù)要求高且人數(shù)眾多（15人左右）。

2）從堆芯下部抽取指套管（抽拔機(jī)）

優(yōu)點(diǎn)：

①設(shè)備組成簡(jiǎn)單、制造周期短、造價(jià)低；

②操作方法簡(jiǎn)單，操作人員較少（4-6人）。

缺點(diǎn)：

①在一個(gè)換料大修周期內(nèi)只能更換一根指套管；

②無(wú)法抽拔已經(jīng)斷裂的指套管；

③僅在巴基斯坦恰希瑪核電站2號(hào)機(jī)組中得到應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，存在未知風(fēng)險(xiǎn)。

由以上比較可以看出，抽拔機(jī)適用于在一個(gè)換料大修周期內(nèi)更換一根沒有斷裂的指套管。在更換成本和操作簡(jiǎn)便性上具備優(yōu)勢(shì)?？膳c抓取機(jī)形成高、低檔互補(bǔ)搭配，為核電站業(yè)主提供多種選擇。

4 結(jié)論

由于指套管破損會(huì)造成反應(yīng)堆冷卻劑泄漏，影響堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)的正常使用及核電站安全。因此指套管的更換工作至關(guān)重要。本文論述了堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)輻照后指套管抽拔機(jī)的組成和原理。同時(shí)對(duì)兩種指套管更換方法進(jìn)行了比較分析，確定了抽拔機(jī)的使用范圍。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]