核電站乏燃料裝卸相關設備研制

董岱林，甕松峰，楊靈均，李海博

（中國核動力研究設計院，四川 成都610213）

0 引言

核電站乏燃料是經(jīng)反應堆使用過的舊燃料，具有高放射性和較大余熱釋出的特點。核電站乏燃料在乏燃料水池儲存到一定數(shù)量后，需將乏燃料運出乏燃料水池以留出空間來容納后續(xù)的乏燃料。

通常采用乏燃料運輸容器對乏燃料進行運輸，在此過程中，需要將乏燃料裝入運輸容器以及將乏燃料從運輸容器中卸出。在裝載和卸載乏燃料時，要滿足乏燃料運輸容器的一些特殊要求，如溫度要求、空氣充填及排出、放射型物質(zhì)收集及屏蔽等［1］，要完成這些特殊要求，需要研制出相應的配套設備。

1 乏燃料特點及裝卸流程

1.1 乏燃料特點

a.放射性大，經(jīng)過核反應，燃料組件具有極強的放射性。

b.熱功率大，經(jīng)計算，乏燃料運輸容器裝滿后（NAC-STC型容器裝載26組乏燃料）熱功率約為22.1kW，容器內(nèi)溫度為284℃［2－3］。

c.燃料組件表面容易剝落一些放射性物質(zhì)，這些放射性物質(zhì)比較細小，容易進入環(huán)境造成人員輻射及環(huán)境污染。

1.2 裝卸流程

乏燃料裝入乏燃料運輸容器及從中卸載需要滿足以下流程要求。

1.2.1 裝入流程及要求

a.向乏燃料運輸容器中充滿冷卻水，排出容器中的空氣。

b.將乏燃料裝入乏燃料運輸容器。

c.向乏燃料運輸容器中充入空氣，排出運輸容器中的水，并檢測水是否排盡。

d.持續(xù)向乏燃料運輸容器中充入空氣，風干乏燃料運輸容器內(nèi)部。

e.將容器中排出的氣水混合物進行氣水分離并分別排放。

f.空氣排放前需要過濾，并對過濾下來的放射性物質(zhì)進行屏蔽。

g.對容器中排出的水進行溫度監(jiān)測。

h.排氣時整個系統(tǒng)保持負壓，防止放射性物質(zhì)外泄。

1.2.2 卸出流程及要求

a.向容器中充入冷卻水排出容器中的空氣，并檢測空氣是否排盡。

b.持續(xù)充入冷卻水將容器內(nèi)溫度降低到25℃以下。

c.容器中排出的高溫空氣需要進行冷卻處理。

d.容器中排出的水和空氣需要進行放射性物質(zhì)過濾及屏蔽。

e.將容器中排出的氣水混合物進行氣水分離并分別排放。

f.對容器中排出的水和空氣進行溫度監(jiān)測。

g.排氣時整個系統(tǒng)保持負壓，防止放射性物質(zhì)外泄。

2 技術(shù)方案

分析乏燃料特點及裝卸流程要求可知，乏燃料裝卸要求涉及的相關設備的功能較多，如果將所有功能集成到一臺設備，會造成設備龐大且復雜，不便于設計、制造、運輸、維修及現(xiàn)場布置。因此，采用模塊化的設計思想，可以化繁為簡，降低設計難度，提高設計及制造效率。設備劃分為臺架模塊、冷卻模塊、屏蔽過濾模塊和控制模塊，每個模塊具有特定功能。

臺架模塊集成向容器中充入空氣排出水、向容器中充入冷卻水排出空氣、持續(xù)向容器中充入冷卻水、溫度監(jiān)測和氣水分離功能。

冷卻模塊集成對高溫空氣進行冷卻以及溫度監(jiān)測的功能。

屏蔽過濾模塊集成對容器中排出的水和空氣進行放射性物質(zhì)過濾、屏蔽以及溫度監(jiān)測功能。

控制模塊用來對臺架模塊、冷卻模塊和屏蔽過濾模塊進行集中控制，臺架模塊、冷卻模塊和屏蔽過濾模塊之間通過電纜及流體輸送管連接，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 乏燃料裝卸設備系統(tǒng)框架

3 結(jié)構(gòu)組成及工作程序

3.1 模塊的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)技術(shù)方案，對功能模塊進行如下設計。

3.1.1 臺架模塊

根據(jù)臺架模塊的功能，臺架模塊的組成包括潛水泵、溫度計、減壓閥、流量計、三通球閥、氣水分離器、液位計、空氣過濾器、壓力表、電磁閥和連接管路。氣水分離器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主體材料為奧氏體不銹鋼。氣水混合物從氣水混合物進管進來后，經(jīng)過濾網(wǎng)，使水中含有的空氣與水充分分離，空氣經(jīng)過濾芯從氣體出管中排出（濾芯可以阻擋水通過），水則從下端的水出管排出，擋水罩防止水直接沖刷到濾芯，液位計防止液位過高淹沒濾芯。

圖2 氣水分離器結(jié)構(gòu)

空氣過濾器為一焊制的奧氏體不銹鋼雙層外殼結(jié)構(gòu)，兩層不銹鋼外殼之間填充有鉛（鉛層厚度為30mm），用來對過濾下來的放射性物質(zhì)進行屏蔽，防止輻射［4］，空氣過濾器設計有進氣管和出氣管，雙層外殼內(nèi)部設計有可更換濾芯，對空氣的過濾效率為99.9%。

連接管路部分非金屬軟管耐溫為150℃。

3.1.2 冷卻模塊

根據(jù)冷卻模塊的功能，冷卻模塊的組成包括三通球閥、氣動球閥、壓力表、熱電阻、冷卻器和連接管路。冷卻器為一熱交換器，傳熱管為若干組彎折的不銹鋼管，冷源為進入乏燃料運輸容器之前的冷卻水，對乏燃料運輸容器中排出的高溫空氣進行冷卻。

3.1.3 屏蔽過濾模塊

根據(jù)屏蔽過濾模塊的功能，屏蔽過濾模塊的組成包括液位計、空氣過濾器、水過濾器、三通球閥、熱電阻和連接管路。

空氣過濾器與臺架模塊的空氣過濾器一致。水過濾器為一焊制的奧氏體不銹鋼雙層外殼結(jié)構(gòu)，兩層不銹鋼外殼之間填充有鉛（鉛層厚度為30mm），用來對過濾下來的放射性物質(zhì)進行屏蔽，防止輻射［4］，水過濾器設計有進水管和出水管，雙層外殼內(nèi)部設計有可更換濾網(wǎng)，濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑為150μm。

連接管路部分非金屬軟管耐溫為150℃。

3.1.4 控制模塊

控制模塊采用PLC對整個設備進行集中控制，PLC型號為西門子CPU 224CN（14個輸入／10個輸出），還包括1個EM223數(shù)字量擴展模塊（16個輸入／16個輸出）、1個EM231模擬量擴展模塊（4個輸入）和1個EM231（4個輸入）熱電阻擴展模塊，并采用TP177觸摸屏作為人機交互界面。

控制模塊采集系統(tǒng)的液位信號、溫度信號、流量信號和壓力信號，并對電磁閥、氣動球閥、風機和潛水泵進行開關控制?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

整個控制程序由1個主程序和2個子程序構(gòu)成，2個子程序分別控制乏燃料裝入操作和卸出操作。程序中設計有報警功能，對應于誤操作、元器件故障以及需要人為干預的地方。

3.2 工作程序

使用時各功能模塊連接如圖4所示，裝載乏燃料時，設備只使用臺架模塊即可，不需要連接冷卻模塊和屏蔽過濾模塊。

3.2.1 裝載操作程序

a.向乏燃料運輸容器中充入水排出空氣的路線為（如圖4所示）：潛水泵將裝灌池中的水泵出，沿流量計1、減壓閥1、三通球閥1、三通球閥7和三通球閥8到達運輸容器，排出的水及空氣經(jīng)過三通球閥5、三通球閥6、液位計1和三通球閥4到達汽水分離器，空氣經(jīng)過空氣過濾器1和風機排到DVK通風系統(tǒng)，水則經(jīng)液位計3到達裝灌池。

圖4 乏燃料裝卸設備模塊連接

液位計1監(jiān)測運輸容器中是否充滿水，風機使整個系統(tǒng)保持負壓，壓力表1監(jiān)測充水壓力，流量計1監(jiān)測瞬時流量和累計流量。

b.向乏燃料運輸容器中充入空氣排出水的路線為（如圖4所示）：現(xiàn)場氣源經(jīng)空氣過濾器2、壓力表2、減壓閥2、電磁閥、三通球閥4、液位計1、三通球閥6和三通球閥5到達運輸容器，運輸容器中排出的水和空氣經(jīng)三通球閥8、三通球閥7、三通球閥1和流量計2到達氣水分離器，空氣經(jīng)過空氣過濾器1和風機排到DVK通風系統(tǒng)，水則經(jīng)液位計3到達裝灌池。

液位計3監(jiān)測運輸容器中水是否排盡，風機使整個系統(tǒng)保持負壓。

3.2.2 卸出操作程序

a.向乏燃料運輸容器中充入水排出空氣的路線為（如圖4所示）：潛水泵將裝灌池中的水泵出，經(jīng)過流量計1、減壓閥1、三通球閥1、三通球閥7、冷卻器、熱電阻1、壓力表1和三通球閥8到達運輸容器，運輸容器中排出的高溫空氣經(jīng)三通球閥5、液位計4、熱電阻3、三通球閥3、空氣過濾器3、氣動球閥、冷卻器、熱電阻2、三通球閥6、液位計1和三通球閥4到達氣水分離器，然后經(jīng)過空氣過濾器1和風機到達DVK排風系統(tǒng)。液位計4判斷運輸容器中的空氣是否排盡，熱電阻1和熱電阻2分別檢測高溫空氣冷卻前后的溫度，冷卻水進入運輸容器前在冷卻器中對運輸容器中排出的高溫空氣進行冷卻，空氣過濾器3將放射性雜質(zhì)過濾掉，并對過濾下來的放射性雜質(zhì)進行放射性屏蔽，風機使整個系統(tǒng)保持負壓。

b.向乏燃料運輸容器中充入水進行循環(huán)冷卻的路線為（如圖4所示）：潛水泵將裝灌池中的水泵出，經(jīng)過流量計1、減壓閥1、三通球閥1、三通球閥7、冷卻器、熱電阻1、壓力表1和三通球閥8到達運輸容器，運輸容器中排出的水經(jīng)三通球閥5、液位計4、熱電阻3、三通球閥3、水過濾器到達裝灌池。

熱電阻1和熱電阻3分別檢測冷卻水進入運輸容器前后的溫度，水冷卻器將冷卻水中的放射性雜質(zhì)過濾掉，并對過濾下來的放射性雜質(zhì)進行放射性屏蔽。

3.3 其他

乏燃料裝卸過程中，乏燃料運輸容器蓋子的打開與關閉，以及乏燃料吊入運輸容器及從中吊出，均由核電站其他工具完成。

4 結(jié)束語

設備已成功應用于大亞灣核電站乏燃料的裝卸；設備滿足了乏燃料運輸容器裝卸料乏燃料組件的流程要求；設備使用過程中對放射性雜質(zhì)過濾效率良好，沒有發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏，同時屏蔽效果好，沒有造成人員輻射和環(huán)境污染。模塊化的設計思路，降低了設計難度，提高設計與制造效率，同時便于設備運輸和現(xiàn)場布置。

［1］ 張時龍.國際乏燃料運輸?shù)幕窘?jīng)驗與我國乏燃料運輸研究現(xiàn)狀［J］.輻射防護通訊，1994（4）：22-33.

［2］ 張慧.乏燃料運輸市場待開啟［J］.能源，2014（3）：65-67.

［3］ 劉揚.乏燃料運輸方案介紹［J］.輻射防護通訊，1995（5）：26-31.

［4］ 劉揚.乏燃料正常運輸情況下對有關運輸人員和公眾的輻射影響［J］.輻射防護通訊，1994（2）：110-114.