CPR1000核電機組RPV輻照監(jiān)督管提取方案及實踐

黃 平，段興彪，周 鵬，范敏郁，羅志峰，錢王潔，張晏瑋，蔡可信

（1. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2. 陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941； 3. 遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116302）

反應堆壓力容器（RPV）是核反應堆內(nèi)防止放射性擴散的第二道安全屏障和一回路壓力邊界，是反應堆壽期內(nèi)不可更換的設備［1-4］。輻照脆化是RPV的主要老化機理，經(jīng)中子輻照后RPV材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高、屈服強度增加、斷裂韌性降低，快速斷裂的風險增加，為避免發(fā)生快速斷裂事故，目前普遍采用輻照監(jiān)督的方法，在堆芯吊籃處安裝若干根輻照監(jiān)督管，內(nèi)部放置不同類型的性能測試試樣，定期取出輻照監(jiān)督管進行性能測試，由于監(jiān)督管位置較RPV更接近堆芯，所受中子輻照的注量率要高，從而通過輻照監(jiān)督管內(nèi)試樣的性能可以有效預測RPV服役更長時間的輻照脆化性能［5，6］。輻照監(jiān)督管理可以分為監(jiān)督管提取、監(jiān)督管運輸、監(jiān)督管內(nèi)試樣測試、綜合性能評估等工作，其中，輻照監(jiān)督管提取是進行后續(xù)工作的前提，本文介紹了輻照監(jiān)督管提取的技術方案，并以某CPR1000核電機組為例，闡述了輻照監(jiān)督管提取時應注意的事項，為國內(nèi)其他類似核電機組的輻照監(jiān)督管提取提供參考。

1 輻照監(jiān)督管提取的主要工作

1.1 運輸容器設計、制造與驗證

反應堆輻照監(jiān)督管是為了檢測反應堆壓力容器在全壽期內(nèi)，材料經(jīng)中子輻照后的力學性能及脆化程度，以及壓力容器材料承受的中子注量和中子能譜。輻照監(jiān)督管有效段位于堆芯區(qū)域，在反應堆正常運行時受到來自堆芯中子的輻照使監(jiān)督管材料活化而生成反射性物質(zhì)。在監(jiān)督管達到輻照時間后需從反應堆卸出，并裝入專門設計的運輸容器運送至實驗室進行輻照分析，對監(jiān)督管的反射性源項的計算為后續(xù)運輸容器設計的基礎。

因此，首先需對監(jiān)督管的放射性源項進行分析計算，由于放射源監(jiān)督管為非特殊形式的放射性物質(zhì)，計算主要放射性核的活度以及與各核素的A2值的比值之和，用以確定運輸容器貨包類型。按照GB 11806-2004《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)定》中規(guī)定，輻照后的監(jiān)督管中所有放射性核素的活度與其A2值的比值之和小于1，可按照A型貨包設計，而大于1則需按照B型以上貨包設計計算。

輻照監(jiān)督管從反應堆容器中卸出后需裝入專門設計的運輸容器運送至實驗室進行分析，由于輻照監(jiān)督管有較強的放射性，運輸容器必須設計有屏蔽層，如圖1所示，其屏蔽層主體材料為鉛，其他結(jié)構材料為鋼材。此外，需對運輸容器進行屏蔽設計，使之滿足GB 11806-2004對放射性運輸容器的劑量率要求。主要計算內(nèi)容為對已初步設計的運輸容器方案進行屏蔽計算，得到容器表面及距離表面1米、2米處的劑量當量率，并使計算目標滿足《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程》中的有關要求：

圖1 輻照監(jiān)督管運輸容器結(jié)構示意圖Fig.1 Structural diagram of shipping containers for irradiation surveillance capsule

1） 輻射照射應控制在可合理做到的盡可能低的水平。

2） 第6.10.2條規(guī)定，正常運輸條件下，在貨包外表面任意一點處，輻射水平均不得超過 2 mSv/h，同時運輸指數(shù)也不得超過10（即距離容器表面1米處的輻射水平不超過0.1 mSv/h）。

此外，還需根據(jù)計算獲得的容器外表面最高輻射水平，參照《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程》貨包分級標準（如表1所示），確定運輸指數(shù)及對應的貨包運輸?shù)燃墶?/p>

表1 貨包和外包裝的運輸?shù)燃塗able 1 Transport level of package and outer packing

運輸容器經(jīng)源項計算、屏蔽計算，整體設計結(jié)構如圖2所示，主要由容器本體（防倒支架）、減震器、容器支架及緊固件等組成，容器本體采用不銹鋼內(nèi)筒+鉛+銹鋼外殼三層結(jié)構，減震器在連接法蘭處通過螺栓與容器本體相連接，容器通過吊耳固定在容器支架上。制造過程中，采用直立鑄鉛方式，灌鉛后屏蔽體采用60Co源γ探傷機進行探傷檢查，制造完成后還需進行吊耳載荷試驗，包含靜載荷和動載荷。此外，運輸容器設計和模擬件制造需向國家核安全局（NNSA）報備，制造后進行驗證試驗，包含噴水試驗、自由下落試驗及貫穿試驗等，最終試驗結(jié)果提交NNSA批準之后進行最終運輸容器的制造［7，8］。

圖2 運輸容器Fig.2 Shipping containers

1.2 運輸容器在進入核島前的安裝與調(diào)試

輻照監(jiān)督管運輸容器運達核電站后，在核電站大修期間實施輻照監(jiān)督管的提取和包裝，主要流程如圖3所示。鑒于核島內(nèi)復雜的工況條件，各類操作動作難度大為增加，運輸容器在進入核島前完成安裝和調(diào)試工作尤為關鍵［9］。

圖3 輻照監(jiān)督管提取與包裝流程Fig.3 Extraction and packaging process of irradiation surveillance capsule

如圖4所示，運輸車輛進入核電廠后先在AB庫進行卸車，航車吊運需要注意人員安全。運輸容器暫時橫放于臨時坐架上，拆卸螺栓、移除減震器、安裝吊耳，減震器暫存AB庫，并辦理存放單。借助一根吊帶捆綁容器，一根吊帶連接吊耳將運輸容器豎立，且事先在地面鋪放緩沖材料，防止運輸容器與地面碰撞。

圖4 運輸容器安裝與調(diào)試Fig.4 Installation and debugging of shipping containers

防倒支架分為兩個半環(huán)，待運輸容器豎立并平穩(wěn)于地面后，搬運防倒支架對準安裝于運輸容器下部，需注意防倒支架與運輸容器間的結(jié)合度，防止間隙過大，安裝螺栓時勿單個擰緊后繼續(xù)安裝下一枚螺栓，應先安裝所有螺栓但不擰緊，后對稱分布的螺栓同時多人擰緊，可有效保障防倒支架的安裝穩(wěn)定性。運輸容器安裝完成后，必須對其進行必要的調(diào)試，利用吊帶多次拉動吊耳，驗證吊耳的安裝流暢性，吊起運輸容器并靜止于空中，驗證吊耳和防倒支架安裝穩(wěn)定性，尤其關注吊耳連接部分。待設備艙門打開窗口期間，打開保衛(wèi)邊界將運輸容器吊運至20米龍門架雞籠，并暫存于雞籠。

1.3 輻照監(jiān)督管提取及放置

等待設備艙門再次打開窗口期間，將雞籠暫存的運輸容器吊運至核島RX20米平臺。在RX廠房水池邊作業(yè)，存在人員和工具墜落、人員沾污等風險，需做好風險宣貫，合理監(jiān)護操作。如圖6所示，運輸容器入水前需打開頂蓋和疏水孔，此外鑒于容器入水，存在引入異物風險，需在入水前檢查松動部件，編制防異物檢查單，對現(xiàn)場入水設備及工具進行登記、檢查，并拍照留底。

圖5 運輸容器吊運至20米雞籠暫存Fig.5 Temporary storage in 20-meter platform

圖6 運輸容器入水前準備Fig.6 Preparation before extraction of irradiation surveillance capsule

利用吊耳，將運輸容器從RX20米平臺吊入構件池，入水后吊帶上端臨時綁扎于水池護欄。組裝抓取工具、安裝水下電視，依據(jù)圖7所示的輻照監(jiān)督管堆內(nèi)周向布置方位圖，移出輻照監(jiān)督樣品塞，提取輻照監(jiān)督管、平移、放入運輸容器［10］。回裝輻照監(jiān)督樣品塞，拆除抓取工具、運輸容器封蓋，運輸容器從構件池吊至堆坑，吊帶及容器封蓋長繩綁扎在水池邊噴淋管上。同時，需要確認容器放置于堆坑位置，不影響水閘門的安裝；吊帶及長繩綁扎位置注意不影響換料小車的行駛。

圖7 輻照監(jiān)督管堆內(nèi)周向布置方位圖Fig.7 Internal circumferential orientation diagram of irradiation surveillance capsule

圖8 輻照監(jiān)督管提取Fig.8 Extraction of irradiation surveillance capsule

考慮到輻照監(jiān)督提管工作一般為大修核島主關鍵路徑工作，為避免可能出現(xiàn)第一次輻照監(jiān)督提取的U管無法拔出導致核島主關鍵路徑延遲的情況，需制定輻照監(jiān)督管拔管預案。鑒于樣品損傷影響因素、中子注入量率、超前因子和中子注量四個方面，U管、V管、Y管具有等效性，同時考慮輻照監(jiān)督管長桿抓具、下部堆內(nèi)構件法蘭、輻照監(jiān)督管塞子所承受的最大程度及最大力，結(jié)合役前階段插入及撥出輻照監(jiān)督管試驗數(shù)據(jù)，制定U管最大提出力，如超過最大提出力則更換V管、Y管提?。?1］。

在對堆坑去污時，同時對運輸容器表面進行去污。運輸容器經(jīng)懸掛排水后，從堆坑吊至RX20米暫存場地，解除吊帶及長繩，并在容器出水后進行劑量測量和防異物檢查，擰緊封蓋和疏水螺栓。

1.4 運輸容器包裝

鑒于等待設備艙門再次打開的窗口時間和廠內(nèi)運輸要求，需對容器進行臨時包裝（吊具單獨包裝、無外表裸露、張貼大修物料存放單），如圖9所示。人員需穿戴紙衣、鞋套、乳膠手套、口罩等附加防護用品，避免人員沾污。

圖9 RX20米平臺臨時包裝Fig.9 Temporary packing in RX20-meter platform

設備艙門再次開啟時，運輸容器仍先由核島運至龍門架雞籠，再吊入廠內(nèi)運輸車輛后運至AC熱室，裝車起運前需測量表面劑量、并辦理放射性物品廠內(nèi)運輸許可證。在AC熱室對運輸容器進行最終打包，如圖10所示，拆除容器臨時包裝、防倒支架（起重配合，防止容器傾倒），將容器放平于支架；拆除容器吊具、擰緊疏水孔螺栓、安裝減震器；對運輸容器、吊具、防倒支架進行打包，張貼物料存放單暫存，等待運輸容器出廠運輸。此外，鑒于兩次包裝、一次拆卸的復雜性，以及可能存在的人員沾污，在核島RX20米平臺空間允許的條件下，建議可以在核島內(nèi)一次完成包裝后吊運入AC熱室暫存。

圖10 最終包裝狀態(tài)Fig.10 Final packing state

2 結(jié)論

（1） 運輸容器需經(jīng)源項計算確定貨包類型，屏蔽計算確定運輸?shù)燃壓?，再進行整體結(jié)構設計，主要由容器本體（防倒支架）、減震器、容器支架及緊固件等組成，容器本體采用不銹鋼內(nèi)筒+鉛+銹鋼外殼三層結(jié)構。運輸容器設計和模擬件制造均需向國家核安全局報備，并經(jīng)驗證試驗評審后方可進行正式容器制造。

（2） 鑒于核島內(nèi)復雜的工況條件，各類操作動作難度大為增加，運輸容器運達核電站、進入核島前，在AB庫拆卸減震器，安裝吊耳，豎立運輸容器后安裝防倒支架，完成運輸容器安裝并調(diào)試吊耳安裝流暢性與穩(wěn)定性、防倒支架安裝穩(wěn)定性。

（3） 經(jīng)由雞籠將運輸容器吊運至核島RX20米平臺，水池旁臨邊作業(yè)需注意人員和工具墜落、人員沾污等風險，并在容器入水前進行防異物檢查。運輸容器吊運入構件池，水下提取輻照監(jiān)督管并封蓋，吊運至堆坑池完成去污后方可吊回RX20米平臺，容器出水后仍需劑量測量和防異物檢查。同時，為避免可能出現(xiàn)第一次輻照監(jiān)督提取的U管無法拔出導致核島主關鍵路徑延遲的情況，需制定輻照監(jiān)督管拔管預案。核島RX20米平臺完成臨時包裝后，吊運至AC熱室拆卸、最終包裝，填寫物料存放單暫存，等待運輸容器出廠運輸。

致謝

感謝國家重點研發(fā)計劃（2020YFB1901500）對本文研究的資助。