高通量反應(yīng)堆堆內(nèi)設(shè)備裝卸工藝及系統(tǒng)淺析

戴旭東　王炳炎　劉兆東

【摘 要】本文以我國(guó)高通量試驗(yàn)反應(yīng)堆為樣本，對(duì)試驗(yàn)型高中子通量水池堆的堆內(nèi)設(shè)備裝卸總體方案進(jìn)行了介紹，詳細(xì)分析了主要設(shè)備的裝卸工藝流程。同時(shí)，從實(shí)際操作的角度對(duì)工藝系統(tǒng)的設(shè)備配置進(jìn)行了描述，并對(duì)設(shè)備功能和工藝需求的關(guān)系進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】高通量反應(yīng)堆；堆內(nèi)設(shè)備；裝卸工藝

0 引言

高通量反應(yīng)堆是一種重要的工程試驗(yàn)堆，具有較高的中子通量水平，堆內(nèi)通常有多個(gè)不同的輻照空間和特殊輻照設(shè)施，可以用于進(jìn)行動(dòng)力堆的研究，或用于材料、化學(xué)、同位素、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的輻照研究工作。鑒于高通量堆的重要特性，各個(gè)國(guó)家都有自己的高通量工程試驗(yàn)堆，雖然種類和堆型有所差異，但都具有高中子通量和較大輻照空間的特點(diǎn)。

作為重要的工具堆，高通量堆通常造價(jià)較高，其運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用也比較昂貴，除了常規(guī)運(yùn)行時(shí)的燃料消耗以外，其反應(yīng)堆內(nèi)部設(shè)備的裝拆、檢修、維護(hù)等活動(dòng)也是影響其性能以及運(yùn)行成本的重要因素。因此，在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和建造初期，就應(yīng)對(duì)堆內(nèi)設(shè)備的裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、貯存工藝進(jìn)行綜合考慮，開(kāi)展試驗(yàn)和研究，規(guī)劃專用設(shè)備工具并進(jìn)行研制。

1 堆內(nèi)設(shè)備裝卸總體方案

高通量堆為水池型反應(yīng)堆，反應(yīng)堆壓力容器整體置于堆廳水池內(nèi)，運(yùn)行期間反應(yīng)堆水池內(nèi)一直保有一定的充水量。研究堆的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)比較特別，為了便于開(kāi)展各項(xiàng)試驗(yàn)，堆內(nèi)設(shè)置了許多用于試驗(yàn)的專用裝置，堆內(nèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也更趨向于試驗(yàn)操作的便利性，因此增設(shè)了不少的輔助機(jī)構(gòu)，這樣就提高了堆內(nèi)設(shè)備裝卸的復(fù)雜性。

高通量反應(yīng)堆的堆內(nèi)設(shè)備由三個(gè)主要的功能部件構(gòu)成，分別為上部堆內(nèi)構(gòu)件、下部支承組件以及堆內(nèi)測(cè)量組件。其中，上部堆內(nèi)構(gòu)件包括燃料裝卸輔助轉(zhuǎn)換架、吊籃組件、控制棒導(dǎo)管及支架等結(jié)構(gòu)；下部支承組件上安裝有測(cè)量裝置固定板，組件的每一個(gè)控制棒孔道內(nèi)安裝有緩沖裝置，用于實(shí)現(xiàn)控制棒落棒時(shí)的水力緩沖；堆內(nèi)測(cè)量組件包括了堆內(nèi)、堆外中子測(cè)量裝置、堆芯溫度測(cè)量裝置，所有的測(cè)量裝置都有相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)，保證其在反應(yīng)堆的正確位置就位。

堆內(nèi)構(gòu)件裝卸的難度在于內(nèi)部操作空間狹小，而各部件均有不小的重量和一定的復(fù)雜程度[1]。所有的堆內(nèi)設(shè)備都必須合理規(guī)劃其初次安裝定位、檢修維護(hù)時(shí)的拆除、轉(zhuǎn)運(yùn)、暫存，以及檢修完成后的復(fù)裝，保證所有的設(shè)備都能得到有效的維護(hù)，確保反應(yīng)堆的運(yùn)行安全。堆內(nèi)設(shè)備的裝卸總體方案包括拆卸工藝和安裝工藝方案，初次安裝定位與復(fù)裝流程相同，但復(fù)裝時(shí)還需要考慮放射性防護(hù)問(wèn)題，因此方案相對(duì)更為復(fù)雜?？傮w方案如圖1所示，按照反應(yīng)堆從外到內(nèi)的順序，根據(jù)堆內(nèi)設(shè)備之間的相互裝載關(guān)系進(jìn)行拆卸和復(fù)裝。拆卸過(guò)程中，首先拆卸的是控制棒組件以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制棒導(dǎo)管等，之后拆卸堆內(nèi)和堆外測(cè)量組件，以及與之相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)，最后拆卸上部堆內(nèi)構(gòu)件和下部支承組件。復(fù)裝是拆卸的逆過(guò)程，但由于復(fù)裝精度要求較高，因此使用了許多專用輔助裝置來(lái)保證在強(qiáng)輻照?qǐng)鱿峦瓿蓪?duì)中及安裝就位的操作，同時(shí)，堆內(nèi)構(gòu)件的裝拆工具必須滿足特殊的設(shè)計(jì)要素如水下遠(yuǎn)距離操作，防止人員輻射等[2]。

2 裝卸工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要工藝流程

作為燃料裝卸貯存系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備，堆內(nèi)構(gòu)件的裝卸應(yīng)嚴(yán)格遵守燃料裝卸及貯存系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)原則，將人員輻射安全作為首要考慮的因素，同時(shí)應(yīng)保證設(shè)備安全、有效的監(jiān)測(cè)并控制堆內(nèi)設(shè)備的裝卸精度。

在確定了裝卸總體方案后，根據(jù)總體框架逐步細(xì)化形成詳細(xì)的工藝流程；將工藝流程進(jìn)行步驟分解后針對(duì)每一步操作規(guī)劃專用裝卸工具設(shè)備，為整個(gè)工藝過(guò)程配備完善的設(shè)備系統(tǒng)，確定每一項(xiàng)設(shè)備的功能及滿足的技術(shù)指標(biāo)等；最后開(kāi)展工藝系統(tǒng)設(shè)備的詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮設(shè)備的性能指標(biāo)、使用環(huán)境特點(diǎn)及要求、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)使用及存放方案等，最終完成設(shè)備的設(shè)計(jì)和加工制造，形成完整的堆內(nèi)設(shè)備裝卸工藝系統(tǒng)。

根據(jù)總體裝卸方案，堆內(nèi)設(shè)備拆卸采取由外圍至核心的拆卸方法，從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制棒組件開(kāi)始拆卸，直至內(nèi)部的堆內(nèi)組件，逐步將堆內(nèi)設(shè)備全部拆卸出堆。裝卸工藝流程見(jiàn)圖2所示。

2.1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆卸工藝流程

除了壓力容器頂蓋以外，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)是反應(yīng)堆的另一個(gè)重要的壓力邊界。高通量試驗(yàn)堆的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在反應(yīng)堆底部的堆下小室內(nèi)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共分為兩層，依據(jù)其布置特點(diǎn)，按照由外及內(nèi)的順序進(jìn)行拆卸。拆卸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)前，首先將控制棒組件取出。控制棒組件由上下兩部分組成，互相連接后再與絲杠連接，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)控制絲杠的升降帶動(dòng)控制棒對(duì)堆芯的反應(yīng)性進(jìn)行控制?；诖朔N連接方式，同時(shí)為避免拆卸時(shí)放射性冷卻劑漏入堆下小室，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采取上下兩端分別拆卸的方式，即打開(kāi)壓力容器頂蓋，從上部吊取控制棒組件，依次取出絲杠與控制棒連接桿并吊離堆芯進(jìn)行暫存和檢修維護(hù)，帶強(qiáng)放射性的控制棒組件則直接從水下轉(zhuǎn)運(yùn)至貯存設(shè)施內(nèi)。完成上端的拆卸后，關(guān)閉壓力容器底封頭管座上的隔離閥，使用專用設(shè)備按照由外至內(nèi)的順序?qū)︱?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆除。拆除完畢的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須考慮運(yùn)輸問(wèn)題，由于堆下小室內(nèi)空間和運(yùn)輸通道狹窄，必須采用專用的運(yùn)輸設(shè)備將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件轉(zhuǎn)運(yùn)至檢修層進(jìn)行維護(hù)。從裝卸環(huán)境空間來(lái)看，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝卸最大的問(wèn)題就在于堆下小室空間小且放射性強(qiáng)，故提出了提高裝卸操作效率的基本需求。

2.1.2 反應(yīng)堆測(cè)量組件拆卸工藝流程

反應(yīng)堆測(cè)量組件主要用于完成反應(yīng)堆內(nèi)部各類狀態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，如溫度、中子通量、水位等。高通量試驗(yàn)堆的測(cè)量組件主要包括反應(yīng)堆內(nèi)部的中子測(cè)量裝置，反應(yīng)堆外部布置的中子測(cè)量裝置，以及堆內(nèi)的溫度測(cè)量裝置等。其設(shè)計(jì)均采用直插式結(jié)構(gòu)從反應(yīng)堆上方頂蓋處插入堆芯內(nèi)部，拆卸時(shí)依然采取由外至內(nèi)的順序進(jìn)行拆除。首先依次吊取堆外中子測(cè)量裝置，由于堆內(nèi)中子測(cè)量裝置固定在頂蓋上的管座法蘭上，因此，需要先去除其密封，并采用專用工具吊取堆內(nèi)中子測(cè)量裝置，再打開(kāi)頂蓋，待吊籃取走后，拆除溫度測(cè)量裝置。

2.1.3 堆內(nèi)組件拆卸工藝流程

不同于電站的商用反應(yīng)堆，高通量反應(yīng)堆堆內(nèi)組件主要包括燃料裝卸輔助轉(zhuǎn)換裝置、吊籃組件和下部支承組件，而控制棒和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的通道即控制棒的導(dǎo)管穿過(guò)堆內(nèi)組件，安裝至堆底結(jié)構(gòu)內(nèi)，溫度測(cè)量裝置的導(dǎo)管又通過(guò)吊籃法蘭安裝于下部支承組件的輔助支承體上。因此，堆內(nèi)組件各部分相互之間配合關(guān)系緊密，拆卸過(guò)程比較復(fù)雜。拆卸按照從上至下的原則進(jìn)行，與下部支承有配合的導(dǎo)管等先不拆卸，以避免增加復(fù)裝的難度。首先打開(kāi)控制棒導(dǎo)管支架，從內(nèi)至外吊取控制棒的導(dǎo)管組件，在取走控制棒導(dǎo)管組件頂端的堵塞后，依次吊取控制棒導(dǎo)管至專用掛架上暫存。之后可以拆除吊籃組件，由于溫度測(cè)量的導(dǎo)管依然通過(guò)吊籃法蘭的貫通孔安裝在堆內(nèi)，因此在吊取吊籃組件時(shí)須進(jìn)行較為精確導(dǎo)向，確保吊籃組件在出堆過(guò)程中對(duì)中度的良好狀態(tài)，導(dǎo)向精度誤差單個(gè)方向不大于1.5mm。燃料裝卸輔助轉(zhuǎn)換裝置在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中通常一次安裝至吊籃法蘭上后不再拆卸，因此采用專用工具將其與吊籃組件一同裝卸是一個(gè)簡(jiǎn)便做法。吊籃組件拆卸完成后可以直接吊走溫度測(cè)量裝置的導(dǎo)管，最后再吊取底部支承組件，其具有同樣的導(dǎo)向精度要求。在拆除底部支承組件時(shí)，必須確保測(cè)量器上的線纜隨同組件一起被轉(zhuǎn)運(yùn)至專用存放設(shè)施內(nèi)部，減少?gòu)?fù)裝時(shí)的難度。底部支承組件可能存在進(jìn)一步拆除檢修的需求，其上部的測(cè)量板組件和底部的緩沖裝置均可以采用專用設(shè)備在存放設(shè)施上進(jìn)行拆除操作，以滿足檢修維護(hù)的需求。

2.1.4 復(fù)裝關(guān)鍵工藝流程

復(fù)裝即是將拆卸出來(lái)的反應(yīng)堆堆內(nèi)設(shè)備在完成檢修維護(hù)工作后從暫存設(shè)施內(nèi)再次進(jìn)行組裝的過(guò)程。高通量反應(yīng)堆的檢修周期較長(zhǎng)，每一次大修將會(huì)涉及較多的裝卸操作，拆卸檢修的程度較為復(fù)雜，加之強(qiáng)放射性設(shè)備的引入，因此復(fù)裝比拆卸和初裝難度都要大，其中最關(guān)鍵的復(fù)裝步驟是吊籃組件的引入。根據(jù)堆內(nèi)組件設(shè)計(jì)的裝配關(guān)系，吊籃復(fù)裝前溫度測(cè)量裝置的導(dǎo)管已安裝于底部支承組件上，因此吊籃法蘭的貫通孔需要穿過(guò)導(dǎo)管落入堆內(nèi)。導(dǎo)管管徑較細(xì)，吊籃如此大重量的設(shè)備僅靠吊車(chē)的操作獨(dú)立穿過(guò)導(dǎo)管是非常困難的，同時(shí)由于吊籃具有強(qiáng)放射性，復(fù)裝入堆過(guò)程中人員完全不能靠近予以輔助操作。因此必須采用精確的輔助機(jī)械裝置通過(guò)調(diào)整溫度測(cè)量裝置導(dǎo)管的位置，精確的控制其擺動(dòng)角度滿足吊籃引入的要求，同時(shí)在導(dǎo)管頂端加裝輔助工裝以提高其位置容錯(cuò)性，保證吊籃組件的順利引入。輔助裝置采用機(jī)械手穩(wěn)定的夾持導(dǎo)管，并由人員遠(yuǎn)程操作，通過(guò)多個(gè)視角的觀測(cè)準(zhǔn)確的控制其擺動(dòng)角度，在確認(rèn)滿足吊籃安裝的位置要求后，再操作吊車(chē)將吊籃組件裝入堆內(nèi)。

2.2 主要系統(tǒng)設(shè)備配置

高通量反應(yīng)堆的堆內(nèi)設(shè)備裝卸共涉及約20余項(xiàng)專用設(shè)備設(shè)施，其中部分為大型吊裝設(shè)備，其余主要為小型長(zhǎng)桿類輔助操作工具及自動(dòng)化機(jī)電輔助設(shè)備。根據(jù)裝卸工藝的要求，每一種堆內(nèi)設(shè)備的裝卸都需要配置相應(yīng)的專用設(shè)備，如吊籃組件和底部支承組件等大型設(shè)備，還必須配置輔助導(dǎo)向和輔助操作的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行協(xié)同工作，共同完成主設(shè)備的裝卸。系統(tǒng)主要設(shè)備配置如圖3所示，按照適用的設(shè)備范圍分別配置以下專用設(shè)備：

（1）用于吊籃組件、底部支承組件裝卸和貯存的配套設(shè)備，如吊籃組件吊具、底部支承組件吊具、堆內(nèi)組件導(dǎo)向裝置、燃料裝卸輔助裝置操作工具、溫度測(cè)量裝置導(dǎo)管自動(dòng)扶正裝置、導(dǎo)管輔助工裝、控制棒導(dǎo)管吊具等；

（2）用于反應(yīng)堆測(cè)量組件裝卸的主要設(shè)備，如堆內(nèi)、堆外中子測(cè)量裝置操作工具、溫度測(cè)量組件吊具、徑向限位裝置吊具等；

（3）用于進(jìn)行控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆卸的主要設(shè)備，如控制棒組件吊具、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆裝裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、隔離閥維修脹塞等。

3 結(jié)論

高通量反應(yīng)堆堆內(nèi)設(shè)備的裝卸工藝經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用實(shí)踐和改進(jìn)優(yōu)化，具有流程完整、安全可靠、高效的特點(diǎn)，根據(jù)工藝流程進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)備的配置，各環(huán)節(jié)相應(yīng)的專用設(shè)備均能適應(yīng)實(shí)際工況的技術(shù)要求，各設(shè)備的組合使用和協(xié)同工作共同保證了堆內(nèi)設(shè)備裝卸的安全性和可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]孫剛.堆容器及堆內(nèi)構(gòu)件的安裝[J].中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào)，2006.

[責(zé)任編輯：王楠]