啜吸檢測裝置設(shè)計技術(shù)

趙偉

（西安核設(shè)備有限公司 ， 陜西 西安 710021）

啜吸檢測裝置是核電廠燃料操作與貯存系統(tǒng)中的檢查設(shè)備，作用是定性檢測輻照后燃料組件包殼的密閉性和定量測量燃料組件包殼破損的大小，防止電廠將破損的燃料再次插入反應(yīng)堆而引起事故，并避免由于破損引起的乏燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)到后處理過程中的污染問題。

1 設(shè)備功能簡介

設(shè)備安裝在核電廠每個機(jī)組的燃料廠房水池中，安全等級NC；抗震類別：啜吸室為甲類[1]，設(shè)備主體材料為022Cr19Ni10；乏燃料池水：pH 值（25℃）為4.7 ～ 5.5，含硼量0.2% ～ 0.25%，正常溫度50℃（最高80℃），應(yīng)在事故條件下100℃保持供水。

啜吸檢測裝置的作用是通過在燃料組件周圍創(chuàng)造檢測所需的穩(wěn)定的 、特定的和可重復(fù)的條件。它可將燃料組件與水池中的水隔離，并升高其溫度，升溫是通過燃料組件放出的剩余衰變熱和系統(tǒng)設(shè)置的加熱裝置實(shí)現(xiàn)的，作用是為了加速破損處的裂變產(chǎn)物泄漏速率，提高檢測效率。啜吸檢測裝置加熱參數(shù)要求為啜吸室內(nèi)裝有燃料組件的情況下為3℃/min，未裝入燃料組件的情況下為1.5℃/min。

該檢測裝置可通過兩種方式完成檢測，即氣樣檢測和水樣檢測。氣樣檢測不僅可以進(jìn)行在線檢測，也可進(jìn)行離線檢測。在線檢測是利用啜吸室內(nèi)筒水升溫，裂變產(chǎn)物由循環(huán)的流體帶出，流體流過計量罐與γ活度測量通道相連提供一個即時讀數(shù)來實(shí)現(xiàn)。而離線檢測是通過取樣瓶取出水樣和氣樣送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測量來實(shí)現(xiàn)，并且通過比較加熱前后流體中的γ活度來定性檢測燃料組件的嚴(yán)密性及定量確定燃料裂紋的大小。水樣檢測僅可進(jìn)行離線檢測，控制柜將部分水導(dǎo)入手套箱內(nèi)取出水樣，對比加熱前后取樣中的γ活度來實(shí)現(xiàn)檢測目的[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

啜吸檢測裝置是由水回路、氣回路、熱屏蔽回路及蓋控制回路四個系統(tǒng)組成，各回路是通過管路將啜吸室與機(jī)電控制柜中電磁閥、加熱器、主泵及手套箱等連接形成的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 離線啜吸檢測系統(tǒng)Fig.1 Off-line sipping test system

2.1 水回路系統(tǒng)

水回路系統(tǒng)主要功能是清洗管路、對啜吸室的水進(jìn)行加熱或冷卻以及提取水樣。

在對燃料組件進(jìn)行檢測時，檢測前及檢測后用含硼及無硼除鹽水進(jìn)行沖洗，去除硼結(jié)晶的沉淀，防止前一次檢測的殘留物影響檢測結(jié)果。

檢測燃料組件時，為了縮短檢測時間，需將啜吸室內(nèi)的水加熱到50℃，使燃料組件升溫促使包殼內(nèi)壓力上升，從而加快裂變產(chǎn)物由破損處逸出。保證工作溫度是通過機(jī)電控制柜將加熱或冷卻水經(jīng)底部水回路送入啜吸室內(nèi)。利用頂部水回路通過控制柜將部分水導(dǎo)入手套箱內(nèi)的取樣瓶中取樣[3]。

2.2 氣回路系統(tǒng)

氣回路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線檢測和離線取樣檢測。

在線檢測是將氣體由底部氣回路送入啜吸室內(nèi)，氣體經(jīng)過啜吸室中的加熱水及燃料組件上升到啜吸室頂部盒蓋處，由頂部氣回路流出形成循環(huán)流體回路，將裂變產(chǎn)物帶出，當(dāng)帶有裂變產(chǎn)物的氣體流過計量罐進(jìn)入γ活度檢測通道時，檢測通道會測量出一個即時讀數(shù)。

離線檢測是將流體通過控制柜導(dǎo)入手套箱內(nèi)的取樣瓶中取樣。

2.3 熱屏蔽系統(tǒng)

熱屏蔽是在設(shè)備工作時，通過外筒進(jìn)氣口向啜吸室內(nèi)筒與外筒之間的夾層中注入壓縮空氣，將夾層中的水從外筒下部排出形成氣腔，然后進(jìn)行保壓使水不能回流，以保證啜吸室內(nèi)加熱水的升溫和保溫。

2.4 蓋控制系統(tǒng)

蓋控制系統(tǒng)為液壓缸提供動力，來實(shí)現(xiàn)開啟和閉合啜吸室頂部盒蓋。在燃料組件裝入或吊出時，打開啜吸室盒蓋，在組件檢測時，關(guān)閉盒蓋，實(shí)現(xiàn)啜吸室內(nèi)筒與池水間隔離，使內(nèi)筒水溫不受池水影響[3]。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

啜吸檢測裝置包括水上的控制部分和水下機(jī)械部分，兩部分之間通過軟管連接。本文主要對水下機(jī)械部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計論述。水下機(jī)械部分包括啜吸室、錨固板、托架、支架、支座等主要部件，并配有專用工具，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 啜吸檢測裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Off-line sipping detection device structure

3.1 啜吸室結(jié)構(gòu)

啜吸室包括內(nèi)筒、外筒、盒蓋、過濾器、啜吸室底部、波形壓縮器等部件。其中內(nèi)筒由外圍板、法蘭板、方筒及方法蘭組成。外圍板上開有頂部水回路接口。方筒為漏斗方形結(jié)構(gòu)，上段喇叭口起導(dǎo)向作用便于燃料組件裝入，下段為等徑方形長筒。方筒內(nèi)徑與燃料組件外徑的間隙要求嚴(yán)格，既要兩者之間的摩擦阻力較小可以順利裝入，又要盡可能地縮小間隙減小循環(huán)水體積，保證室內(nèi)升溫要求。內(nèi)筒中間及上部設(shè)置有兩組熱電偶，與電控部分連接，實(shí)時測量內(nèi)筒工作時水溫。

外筒為圓形筒，上端法蘭與內(nèi)筒法蘭連接，法蘭下方設(shè)有熱屏蔽接口及連接臂。外筒下端設(shè)計有4個間隙定位裝置，確保內(nèi)筒垂直放置并保證其在工作時不會晃動，下端法蘭連接在底板上，底板與支撐結(jié)構(gòu)連接，通過設(shè)置在底板上的4 個調(diào)節(jié)螺柱來調(diào)平及支承啜吸室。

盒蓋安裝在外圍板上，中心開有頂部氣回路接口。盒蓋由液壓缸控制系統(tǒng)驅(qū)動液壓缸，并通過安裝在外圍板上的限位開關(guān)信號來開啟與閉合。

過濾器安裝在內(nèi)筒下法蘭處，用于收集來自燃料組件破損處的固體殘留廢物，防止污染水池。

啜吸室底部為錐形筒，筒上開有底部水、氣回路接口。兩端帶有法蘭，下端小法蘭與波形壓縮器連接，該錐形設(shè)計是為了滿足自密封。啜吸室底部安放在池底支座上，通過底板上的調(diào)節(jié)螺柱使波形壓縮器與支座底板依靠設(shè)備自重進(jìn)行密封，將池水與啜吸室內(nèi)筒分隔。當(dāng)?shù)醭鲟ㄎ視r，波形壓縮器自動打開，排出啜吸室內(nèi)的水[4]。

3.2 操作工具

啜吸室安裝在水池里，因此每套設(shè)備都配有蓋操作工具、過濾器操作工具及啜吸室操作工具。

蓋操作工具是當(dāng)液壓缸無法打開盒蓋時，利用該工具通過轉(zhuǎn)動水下啜吸室上的驅(qū)動桿，驅(qū)動傳動系統(tǒng)打開盒蓋，結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 手動開蓋示意圖Fig.3 Manual cover opening schematic diagram

3.3 支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)由錨固板、托架、支架、支座組成。錨固板焊于池底和池壁預(yù)埋板上，用于固定托架、支架及支座。托架安裝在水池壁上部管線入口位置，用于引導(dǎo)和支撐各管線及放置蓋操作工具及過濾器操作工具。支架安裝在水池壁下部，支架與啜吸室外筒上連接臂連接，將啜吸室固定在水池壁上。支座安裝在水池底部用于支撐固定啜吸室。支座側(cè)面配有存放過濾器的支架，用于臨時放置過濾器。支架及支座將啜吸室上、下兩端進(jìn)行固定，使其不會發(fā)生水平移動或傾覆[5]，結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 水下支撐結(jié)構(gòu)Fig.4 Underwater supporting structure

4 結(jié)束語

通過對啜吸檢測裝置功能、工作原理、系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析論述，詳細(xì)闡述了該設(shè)備的系統(tǒng)組成及主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)。該裝置因其實(shí)用、安全、高效及操作簡單靈活已成功應(yīng)用于國內(nèi)多個核電機(jī)組及海外核電機(jī)組。