反應(yīng)堆新燃料組件清洗裝置研制

董岱林， 杜華， 殷琪， 張安銳， 王坤， 徐世超

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610041）

0 引言

反應(yīng)堆燃料組件是核反應(yīng)堆中的核心部件之一，其功能是提供合適富集度的二氧化鈾，實(shí)現(xiàn)核燃料持續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，將核能轉(zhuǎn)化為熱能。新燃料組件是未經(jīng)過裂變反應(yīng)，沒有經(jīng)過活化的燃料組件[1-2]。

鑒于燃料組件的重要性，其在入堆之前，必須保證燃料組件表面的清潔度達(dá)到相關(guān)要求，且表面保持干燥狀態(tài)。由于種種原因，一些反應(yīng)堆新燃料組件在入堆前由于制造、貯存及運(yùn)輸?shù)仍颍斐杀砻娓街屑?xì)小雜質(zhì)或分成，因此有必要對(duì)其進(jìn)行去除，防止雜質(zhì)被帶入反應(yīng)堆內(nèi)，以免對(duì)反應(yīng)堆設(shè)備造成腐蝕，保證設(shè)備和材料的完整性，極端情況下，這些雜質(zhì)可能會(huì)造成意外停堆或核安全事故[3-4]?；谝陨显?，研制了反應(yīng)堆新燃料組件清洗裝置，以便對(duì)新燃料組件進(jìn)行入堆前的清洗，使其達(dá)到清潔要求。

1 環(huán)境及新燃料組件特點(diǎn)

1.1 環(huán)境特點(diǎn)

反應(yīng)堆及附屬場(chǎng)所建造均較為緊湊，燃料組件存放及處理場(chǎng)所具有以下特點(diǎn)：1）清洗場(chǎng)地不規(guī)則，總體面積較小，設(shè)備的布置受到限制；2）設(shè)備進(jìn)出的閘門較小，大型設(shè)備進(jìn)出存在困難；3）現(xiàn)場(chǎng)廢水儲(chǔ)存及處理能力有限，因此廢水產(chǎn)生應(yīng)盡可能少。

1.2 新燃料組件特點(diǎn)

1）屬于精密部件，精度高，不允許磕碰及其它損傷；2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由大量豎向的燃料棒束排列而成；3）裝堆時(shí)間緊迫，清洗時(shí)間應(yīng)盡可能短。

1.3 新燃料組件結(jié)構(gòu)組成

新燃料組件主要由上管座、燃料棒、攪渾格架、下管座等主要零部件構(gòu)成，上管座、下管座將若干細(xì)長(zhǎng)型的燃料棒約束在一起形成長(zhǎng)方體，從上至下，安裝有若干攪渾格架，其可對(duì)燃料棒進(jìn)行固定限位，也利于反應(yīng)堆內(nèi)的冷卻劑形成良好流場(chǎng)，新燃料組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 技術(shù)方案

目前常用表面清洗技術(shù)有物理法和化學(xué)法，很明顯，化學(xué)法是通過一些化學(xué)反應(yīng)達(dá)到清洗的目的，其容易對(duì)基體材料造成損傷，因此不能用于新燃料組件的清洗，而物理方法主要有氣流法、振動(dòng)法及水流法，或者是幾種方法聯(lián)合使用[5-6]。

氣流法的特點(diǎn)是對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的構(gòu)件除塵效果好，且需要在一個(gè)相對(duì)封閉的空間進(jìn)行作業(yè)，其缺點(diǎn)是噪聲大，產(chǎn)生大量的帶有污染的氣體需要經(jīng)過再次處理，造成設(shè)備復(fù)雜，體積大，因此氣流法不宜用于對(duì)新燃料組件的清理。

圖1 新燃料組件結(jié)構(gòu)圖

振動(dòng)法的特點(diǎn)是對(duì)于附著緊密的雜質(zhì)去除效果比較好，缺點(diǎn)是對(duì)于精度高、裝配要求高的構(gòu)件可能造成一定的不良影響，鑒于新燃料組件的特點(diǎn)及重要性，因此不適合用振動(dòng)法對(duì)其進(jìn)行表面清理。

水流法的特點(diǎn)是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件比較有效，缺點(diǎn)是對(duì)于粘接緊密的雜質(zhì)去除效果不好，鑒于新燃料組件表面的附著物為細(xì)小雜質(zhì)及粉塵，且粘接不緊密，因此水流法適用于新燃料組件表面的清理。

為了獲得良好的除塵效果，將新燃料組件封閉在一個(gè)腔體內(nèi)，在此利用立體式水流清洗法，即用水流從新燃料組件的上部和側(cè)面對(duì)新燃料組件進(jìn)行沖洗，且新燃料組件以一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。清洗完畢后，利用熱空氣對(duì)新燃料組件進(jìn)行多方位快速去水干燥。清洗及干燥原理見圖2和圖3。

圖2 新燃料組件清洗原理圖

圖3 新燃料組件干燥原理圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 清洗模型試驗(yàn)

由于新燃料組件由若干燃料棒組成，每個(gè)燃料棒之間的間隙較小，為了能夠?qū)⑷剂辖M件上的一些附著物沖刷干凈，選用去離子水對(duì)新燃料棒進(jìn)行立體式?jīng)_刷，設(shè)計(jì)了一種三維沖刷方案，分別從上方及側(cè)方對(duì)新燃料組件進(jìn)行沖刷清洗，同時(shí)使燃料組件以一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

為了獲得比較好的清洗效果，同時(shí)縮短清洗時(shí)間，按照1:1的比例制造新燃料組件模擬體進(jìn)行清洗對(duì)比實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)的條件如下：1）每次試驗(yàn)前，對(duì)新燃料組件模擬體外表面噴涂一些粉塵和附著物；2）受水泵及出水孔的大小限制，水流射出速度為0.5 m/s；3）規(guī)定每次清洗時(shí)間分別為5、8、10 min，并且對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行清洗實(shí)驗(yàn)。清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 清洗時(shí)間與轉(zhuǎn)速試驗(yàn)記錄

通過實(shí)驗(yàn)得出，清洗時(shí)間越長(zhǎng)，清洗越干凈，當(dāng)清洗時(shí)間一定時(shí)，新燃料組件模擬體轉(zhuǎn)速越慢，越容易清洗干凈。為了節(jié)約清洗時(shí)間，工程實(shí)際中，為了獲得較好的清洗效果，同時(shí)為了節(jié)約清洗時(shí)間，將新燃料組件的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為2 r/min，清洗時(shí)間定為10 min。

3.2 風(fēng)干模型分析

對(duì)新燃料組件進(jìn)行風(fēng)干的技術(shù)方案是利用熱空氣從新燃料組件的下方往上方對(duì)其進(jìn)行風(fēng)干。除了與熱空氣的溫度有關(guān)外，風(fēng)干效果還與熱空氣形成的流場(chǎng)有關(guān)。熱空氣的溫度根據(jù)所選熱風(fēng)機(jī)的制熱效果確定。

經(jīng)分析，當(dāng)空氣從下往上流過時(shí)，新燃料組件的上部較下部難以快速干燥，為了提高風(fēng)干效率，在封閉腔體中間偏上設(shè)置一個(gè)擾流板將下方一部分空氣直接引至上部，同時(shí)提高上部空氣流速，從而提高風(fēng)干效率。

用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）對(duì)風(fēng)干過程建模并進(jìn)行分析，將空氣視為牛頓流體，將風(fēng)干空間的邊界視為絕熱材料，當(dāng)入口風(fēng)量為0.8 m3/s時(shí)，出口壓力為常壓（大氣壓）時(shí)，可以得到空氣運(yùn)動(dòng)的跡線圖和速度等值面圖，如圖4和圖5所示。

圖4 空氣運(yùn)動(dòng)跡線圖

圖5 空氣運(yùn)動(dòng)等值面圖

可以看出，空氣進(jìn)入風(fēng)干模型后，其跡線較為均勻地流過新燃料組件所在空腔，且由于擾流板的擾流作用，從速度等值面圖（7 m/s）可以看出，燃料組件的上半部分的空氣流速和下部部分的空氣流速基本一致。經(jīng)過優(yōu)化，確定了擾流板的位置距離燃料組件上部三分之一處為較為合理，進(jìn)而可以確定新燃料組件清洗及風(fēng)干所在腔體的結(jié)構(gòu)尺寸。

4 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)所確定的新燃料組件清洗技術(shù)方案，對(duì)清洗裝置開展詳細(xì)設(shè)計(jì)。將反應(yīng)堆新燃料組件清洗裝置分為3個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括清洗裝置本體模塊、清洗液循環(huán)風(fēng)干模塊及控制模塊，3個(gè)模塊之間通過管線連接起來。

模塊化的設(shè)計(jì)原則，可以進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，縮短設(shè)計(jì)及制造時(shí)間，大大提高研制效率，同時(shí)，模塊化有利于設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)布置，能夠適應(yīng)復(fù)雜的清洗場(chǎng)地。反應(yīng)堆新燃料組件清洗裝置系統(tǒng)圖如圖6所示。

4.1 清洗裝置本體模塊

清洗裝置本體模塊用于放置新燃料組件，構(gòu)建一個(gè)清洗與風(fēng)干的空間，對(duì)新燃料組件進(jìn)行清洗并風(fēng)干。清洗裝裝置本體采用的主體材料為奧氏體不銹鋼，與新燃料組件接觸的部分采用尼龍材料。

圖6 新燃料組件清洗裝置系統(tǒng)圖

清洗裝置本體包括上噴頭、擾流板、導(dǎo)向筒、電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)座、外圓罩、側(cè)噴頭、導(dǎo)流板、循環(huán)水箱等零部件，如圖7所示。

上噴頭和側(cè)噴頭分別從上面和側(cè)面向新燃料組件噴射去離子水；導(dǎo)向筒用來對(duì)新燃料組件進(jìn)行導(dǎo)向與限位，其材料為尼龍材料；電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)座旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)新燃料組件旋轉(zhuǎn)；外圓罩構(gòu)成一個(gè)相對(duì)密封的清洗與風(fēng)干空間，防止去離子水泄漏；導(dǎo)流板使從底部引進(jìn)的熱空氣能夠形成更加均勻的流場(chǎng)，加上擾流板的擾流作用，能夠更加有效地風(fēng)干新燃料組件；循環(huán)水箱能夠收集去離子水，并對(duì)其進(jìn)行過濾后循環(huán)使用。清洗裝置本體模塊實(shí)物如圖8所示。

圖7 清洗裝置本體結(jié)構(gòu)圖

圖8 清洗裝置本體

4.2 清洗液循環(huán)風(fēng)干模塊

清洗液循環(huán)風(fēng)干模塊的功能是為新燃料組件的清洗與風(fēng)干提供源源不斷的去離子水與熱空氣，包括齒輪泵、熱風(fēng)機(jī)、傳感器和相應(yīng)的氣管、水管和電纜。

齒輪泵是將清洗裝置本體模塊中循環(huán)水箱的過濾水輸送至上噴頭和側(cè)噴頭，對(duì)新燃料組件進(jìn)行清洗；熱風(fēng)機(jī)先對(duì)空氣進(jìn)行加熱，然后將熱空氣送至清洗裝置本體模塊。清洗液循環(huán)風(fēng)干模塊的實(shí)物如圖9所示。

4.3 控制模塊

控制模塊的功能是對(duì)清洗裝置本體模塊和清洗液循環(huán)風(fēng)干模塊進(jìn)行集中控制，同時(shí)為操作人員提供良好的人機(jī)交互界面。

采用西門子CPU224 PLC進(jìn)行控制，外加一個(gè)EM231模擬量擴(kuò)展模塊，共14路數(shù)字量輸入、4路模擬量輸入和10路數(shù)字量輸出，實(shí)際使用8路數(shù)字量輸入、3路模擬量輸入和9路數(shù)字量輸出。PLC完成系統(tǒng)的邏輯控制功能、保護(hù)和人機(jī)交互功能，并對(duì)熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)出口壓力、清洗液流量、清洗液輸送等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。

圖9 清洗液循環(huán)風(fēng)干模塊

操作具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。通過觸摸屏，可以很方便地對(duì)該裝置進(jìn)行操作，而且還可以直觀地查看清洗和風(fēng)干的狀態(tài)量。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)新燃料組件清洗技術(shù)的研究，解決了一些反應(yīng)堆新燃料組件清洗及風(fēng)干的問題；2）通過對(duì)清洗裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，解決了設(shè)備運(yùn)輸通道及現(xiàn)場(chǎng)清洗場(chǎng)地不規(guī)則的問題；3）實(shí)踐證明，立體旋轉(zhuǎn)式的清洗方式效果良好，清洗后的新燃料組件表面無(wú)可見附著物；4）實(shí)踐證明，下部供風(fēng)及繞流板的風(fēng)干方式效果良好，風(fēng)干后新燃料組件表面干燥，風(fēng)干速度快。