秦三廠全堆芯乏燃料清空方案研究

霍啟龍 熊小紅 劉學(xué)斌

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦山第三核電廠（以下簡稱“秦三廠”）擁有2 臺從加拿大引進(jìn)的CANDU6 型重水堆核電機(jī)組，每個(gè)CANDU6 重水堆堆芯水平布置380 根壓力管。壓力管作為堆芯燃料的承載部件，長期處于高輻照、高溫、高壓的工況，隨著電廠的連續(xù)運(yùn)行，壓力管將不可避免地發(fā)生老化和性能降級現(xiàn)象，最終導(dǎo)致其不滿足設(shè)計(jì)安全要求。因此，為保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須對全堆壓力管，包括燃料通道部件進(jìn)行更換（以下簡稱“換管”）。

在壓力管更換工程實(shí)施前，需要將堆芯內(nèi)的所有乏燃料清空，便于壓力管更換的實(shí)施。本文結(jié)合重水堆壓力管更換項(xiàng)目和秦山重水堆機(jī)組現(xiàn)狀，提出秦三廠全堆芯乏燃料清空工藝方案，并對乏燃料清空工具進(jìn)行剖析和研究，以確保乏燃料清空過程的安全。

1 裝換料過程概述

秦三廠重水堆機(jī)組采用不停堆換料方式。 其堆芯水平布置380 根壓力管，內(nèi)裝12 根燃料棒束，全堆共裝載4 560 根燃料棒束。在反應(yīng)堆堆芯AC 兩側(cè)各布置一臺由原加拿大原子能公司（現(xiàn)坎杜能源公司)設(shè)計(jì)制造的核一級設(shè)備裝卸料機(jī)裝置，它是重水堆更換核燃料的關(guān)鍵設(shè)備。

2 乏燃料清空工藝研究

秦三廠在燃料通道清空操作時(shí)，建議采用裝卸料機(jī)清空工藝。正常燃料通道清空操作主要是利用上、下游裝卸料機(jī)的相互配合，完成燃料通道的清空操作。

燃料通道清空過程中裝卸料機(jī)的通常幾個(gè)操作：

（1）在輔助孔道，將兩側(cè)裝卸料機(jī)里的備用屏蔽塞從裝卸料機(jī)倉M 管里卸出。

（2）6 個(gè)抓取工具延伸件（Fuel Adapter Extension，以下簡稱“FAE”）分別安裝到上游裝卸料機(jī)倉L、N、B、D、F & M 管里。

注：當(dāng)只有一個(gè)裝卸料機(jī)可用，則將燃料抓取工具（Fuel Adapter，以下簡稱“FA”）連接于FAE 前端部，僅用一個(gè)裝卸料機(jī)通過抓取燃料棒束完成通道的清空操作。

（3）用RGA、FAE 工具將反應(yīng)堆燃料通道里的12根燃料棒束推至下游裝卸料機(jī)內(nèi)。

（4）下游裝卸料機(jī)定位并鎖緊于乏燃料孔道，接收卸出的12 根乏燃料棒束。

（5）依次完成各燃料通道的清空操作。工具裝入到上游裝卸料機(jī)上，下游裝卸料機(jī)準(zhǔn)備工作完成后，同時(shí)定位到需要清空的燃料通道上。裝卸料機(jī)進(jìn)入自動清空模式后根據(jù)程序執(zhí)行燃料清空操作。

（6）上游裝卸料機(jī)用RGA 和FAE 工具將反應(yīng)堆燃料通道里的12 根燃料棒束從燃料通道依次推入到下游裝卸料機(jī)內(nèi)。下游裝卸料機(jī)接收卸出的12 根乏燃料棒束并貯存于貯倉內(nèi)。見圖1。

圖1 裝卸料機(jī)12 根貯存?zhèn)}

3 乏燃料清空工具研究

3.1 壓力管蠕變研究

本報(bào)告研究的燃料通道清空用工器具及采用的裝卸料機(jī)清空工藝均是以壓力管壽期內(nèi)正常設(shè)計(jì)尺寸為前提的。但在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，由于壓力管中的燃料棒束和冷卻劑的重量以及壓力管本身重量的作用，再加上熱蠕變和輻照蠕變因素，壓力管會發(fā)生下垂彎曲，參見98-31100-PIP-004《Final Inspection Report》及17YW022-406-BG《秦山三廠壓力管與排管接觸、排管與LISS 管嘴間隙分析報(bào)告》。當(dāng)壓力管更換項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，壓力管的蠕變量可能超出正常設(shè)計(jì)尺寸并影響現(xiàn)有燃料通道清空工器具的使用。

基于秦三廠兩臺機(jī)組歷次在役檢查中所抽查的壓力管最大下垂量，進(jìn)行歸一化擬合，通過95%置信度下垂量下限即可預(yù)測236kEFPH 下的保守下垂量不大于75 mm。

根據(jù)兩臺機(jī)組在役檢查獲得的下垂曲線（基于下垂曲率測定）可知，壓力管下垂最大量接近軸向長度中點(diǎn)，兩端曲率為負(fù)、中間段曲率為正，近似于反正態(tài)分布曲線，如圖2 所示。

圖2 壓力管下垂量及下垂曲率趨勢

3.2 專用工具研究

（1）FAE 工具是用于操作超過推桿范圍的棒束，F(xiàn)AE 一端是與RGA 類似的搖桿臂結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)與相鄰FAE（或FA）連接固定。FAE 另一端的配合槽用于同相鄰FAE 或RGA 搖桿臂鎖緊。FAE 內(nèi)部有延伸套筒，借助于鎖緊推桿旋轉(zhuǎn)RGA 內(nèi)部延伸套筒可實(shí)現(xiàn)解鎖操作。此時(shí)搖桿臂在延伸套筒的推動下抵消了彈簧力并脫開相鄰FAE 端部配合槽，完成釋放。

單個(gè)FAE工具的長度約997mm，壓力管任意997mm長度內(nèi)最大變形量約2.9 mm。FAE 除兩端外中間管徑為89 mm，壓力管內(nèi)徑為103.4 mm，間隙大于壓力管變形造成的影響，因此對單個(gè)FAE 的使用無影響。

（2）FA 工具主要用于抓取燃料棒束操作。在正常燃料通道清空操作時(shí)，依靠上游裝卸料機(jī)內(nèi)的FAE 將通道內(nèi)的燃料棒束逐組（以2 根燃料棒束為一組）推入下游裝卸料機(jī)貯倉內(nèi)，此操作中不需使用本工具。但在特殊工況下在僅使用一個(gè)裝卸料機(jī)進(jìn)行燃料棒束的抓取操作時(shí)需使用FA 工具。為了便于貯存和運(yùn)輸，F(xiàn)A 的長度近似于單根燃料棒束的長度。在任何給定方向，F(xiàn)A 端部上的10 個(gè)抓頭中至少有4 個(gè)抓住燃料棒束的端板。FA 的另一端設(shè)置有配合槽，可與FAE上搖桿臂相連并自鎖。

FA 工具的長度約480 mm，壓力管任意480 mm長度內(nèi)最大變形量約0.7 mm。在FA 能夠到達(dá)需要操作的燃料棒束位置后，壓力管自身的變形對FA 的使用無影響。

壓力管更換時(shí)，壓力管下垂對相連后的FAE 工具影響最大。相鄰FAE 的鎖緊依靠圖3 所示搖桿臂結(jié)構(gòu)。搖桿臂設(shè)置在右側(cè)FAE 上，圓周方向均勻布置4個(gè)。由于搖桿臂在抓緊狀態(tài)下與左側(cè)FAE 配合槽存在間隙，因此相鄰工具允許發(fā)生一定彎角。根據(jù)尺寸計(jì)算，在66 mm 高度（此時(shí)下端搖桿臂距離中心最近）上允許約+1.0 mm 的轉(zhuǎn)動。FAE 長度約997 mm，因此相鄰工具的允許偏角為±0.87。連續(xù)2 個(gè)FAE 工具所在曲線的曲率為2sin（0.5×θ）/L，式中θ=±0.87，L=997 mm，計(jì)算得兩段FAE 相連后最大高度差約15.1 mm，F(xiàn)AE 前后相連后允許的曲率最大值為±15.2×10/mm。

圖3 FAE 連接時(shí)允許偏差

FAE 相連后，形成如圖4 所示的一組連續(xù)線段。

左側(cè)連續(xù)3 段的FAE 長度約3 m 與壓力管長度基本對應(yīng)。同時(shí)壓力管內(nèi)徑約103.4 mm，工具兩端外徑最大處約102.5 mm，有0.9 mm 間隙，工具可以順利伸入壓力管半管長度（半管預(yù)估直線度約11.7 mm）。

如FAE 工具繼續(xù)在壓力管中推進(jìn)，經(jīng)過壓力管中間段的FAE 將連續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動并形成如圖4 所示半徑為R（R=曲率-1，即R=66 m）的圓弧。根據(jù)之前計(jì)算分析，此時(shí)壓力管自身在中間段形成的連續(xù)圓弧半徑約43 m，因此FAE 將無法順利插入。如使用額外的力強(qiáng)行將FAE 推入，可能將FAE 上搖桿臂與配合槽連接失效并使相鄰FAE 斷開，存在FAE 卡在壓力管中無法卸出的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 壓力管變形最大時(shí)相連FAE 狀態(tài)

綜上所述，得到如下結(jié)論。

3.2.1 半管長度影響

兩段FAE 工具相連后最大高度差約15.1 mm，考慮工具與壓力管在直徑方向上約0.9 mm 的間隙，壓力管任意2 m 內(nèi)直線度不超過16 mm 時(shí)（實(shí)際約為11.7 mm），壓力管變形對工具使用無影響。預(yù)估的壓力管變形能夠維持工具的可用性。

3.2.2 全管長度影響

全長直線度即為壓力管最大變形量，約75mm。此時(shí)，壓力管中間位置變形的曲率大于工具允許通過的曲率。如將工具延伸件強(qiáng)行插入壓力管中間位置，工具上搖桿臂可能因受力過大而失效。

4 研究結(jié)論

綜上初步分析，對乏燃料清空工具進(jìn)行評估，提出工器具優(yōu)化方案，總結(jié)如下。

（1）由于壓力管發(fā)生下垂彎曲。因此乏燃料清空專用工具需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，通過對插入頭的公差和尺寸改變，可以便于通過下垂的壓力管內(nèi)，將乏燃料卸出堆芯。

（2）由于乏燃料清空專用工具屬于多段相連，如果出現(xiàn)分離脫開現(xiàn)象，將增大乏燃料清空工作難度，因此增加卡爪的數(shù)量，可以保護(hù)操作過程中防止分離。

（3）由于燃料通道內(nèi)部會附著一些殘余碎片（根據(jù)單管更換經(jīng)驗(yàn)反饋），因改變專用工具尺寸，會導(dǎo)致工具借口處存在縫隙，導(dǎo)致殘余碎片卡澀，可以對外部套管端頭形狀進(jìn)行修改，以防止異物卡澀。

（4）由于乏燃料清空專用工具的相應(yīng)改進(jìn)，因此裝卸料機(jī)配置上需要對相關(guān)配件進(jìn)行改進(jìn)，便于在乏燃料清空過程中，提升裝卸料機(jī)保養(yǎng)進(jìn)度，更加利于維護(hù)。