拆除乏燃料水池中子吸收體自動化工具研究及應用

鄧艷超，沈佳偉，郭 亮，杜 凱，吳小龍

（中核核電運行管理有限公司 維修支持處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

圖1 燃料格架結構圖Fig.1 Fuel grid structure

秦山核電站是中國自行設計、建造和運營管理的第一座30萬千瓦壓水堆核電站，1984年開工，1991年投運，現(xiàn)已經(jīng)運行了26年。燃料格架位于乏燃料水池中，用于貯存高放射性的乏燃料組件，是壓水堆核電站的重要設備之一。2017年根據(jù)延壽技術需求，確定需要拆除乏燃料貯存池內(nèi)的中子吸收體。本文將介紹一種適用于該核電機組可水下拆除、更換乏燃料格架中子吸收體的自動化工具的研發(fā)和應用，利用合理的機械結構，通過自動化設備的控制與應用，儀器儀表采集高度、定位、載荷、動作等信息輸入，控制系統(tǒng)實現(xiàn)保護、輸出等功能，有效地解決了水下觀察困難、水下操作不便、無預制吊點、中子吸收體結構空間限制等，此套工藝的設計和應用順利完成中子吸收體抽取工作。

1 格架結構組成

秦一廠30萬千瓦機組所使用的乏燃料格架由中國自主設計、研發(fā)、制造，由格架本體、支撐腳、中子吸收體組件、底板、壓緊部件等組成。單個乏燃料格架的外形尺寸為長2215mm、寬1965mm、高3677mm[1]。

當中子吸收體材料沒有裝入乏燃料格架中，組件貯存可以采用交叉排列，可有效控制增值系數(shù)小于0.90。當中子吸收體插入乏燃料格架中，可有效控制增值系數(shù)遠小于0.90，可以滿足格架內(nèi)所有空腔均能放置乏燃料組件。

乏燃料格架按要求安裝在乏燃料水池池底，格架空腔中心線與底部水平面垂直，并保持格架外形與水池兩側抓取機軌道平行。一般可滿足永久貯存要求[2]。

中子吸收體簡稱硼板，采用B-10塑料板作為中子吸收材料，外表面用不銹鋼包裹，上部斜面形成型腔喇叭口，組件插入時起到導向作用。B-10塑料板由中國工程物料研究院化工材料研究所研制，有良好的物理性能、機械力學性能，抗輻照性能及抗硼酸水溶液浸泡和屏蔽性能等，在乏燃料貯存格架中插入中子吸收體保證了乏燃料組件在貯存時一直處于次臨界狀態(tài)[3]。

圖2 中子吸收體結構圖Fig.2 Structure of neutron absorber

2 中子吸收體拆除問題分析

乏燃料貯存格架中子吸收體部件在機組運行期間更換則需要面對以下問題：

1）乏燃料貯存格架無法移動：因該機組已運行20余年，乏燃料貯存格架中已經(jīng)存放有核燃料組件，乏燃料貯存格架是無法再移動的。

2）水下操作難度大：乏燃料組件本身存在高放射性，乏燃料組件貯存在乏燃料貯存格架中，需要覆蓋約11m的水作為輻射屏蔽層。拆除工作只能在水下進行，操作難度很大。

3）檢修工作空間狹?。焊窦鼙旧順嫾o湊（三角導向塊內(nèi)徑高度32mm、壓板高度壓緊部分高度5mm、螺栓頭部高度6mm、三角導向塊內(nèi)徑高度-（壓板高度壓緊部分高度+螺栓頭部高度）=剩余高度21mm，且進行近10m的遠程操作），中子吸收體旁邊即是乏燃料組件，使得檢修工作空間狹小。

4）吊運風險高：乏燃料池中的水是循環(huán)流動的，用于帶走乏燃料組件的殘余熱量。水中吊裝（棚板自重約20kg）因缺少有效的固定，可能導致棚板脫落。

5）中子吸收體缺少專用吊點：中子吸收體頂部只有三角導向塊及其壓緊部件，沒有專制吊點。

3 工藝設計

由于中子吸收體拆除、更換工作本身存在較高風險，故工藝總體設計參照了多種壓水堆水下操作工藝——阻流塞拆裝、輻照樣品取出、燃料組件操作等。而專用工具則根據(jù)設備結構、工藝細節(jié)需求進行研發(fā)。除機械結構設計外，重點考慮專用工具的自動化程度，引入高度傳感器、載荷傳感器、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構、儀控保護系統(tǒng)等部件，實現(xiàn)安全、高效、便捷的自動化工具。

圖3 工具抓頭示意圖Fig.3 Schematic diagram of tool grab

3.1 工藝要求

根據(jù)中子吸收體結構特征，擬定大致工藝設計如下：

1）旋松開中子吸收體三角導向塊十字壓板緊固螺母。

2）旋動十字壓板（45°），解放中子吸收體上下自由度。

3）抓取中子吸收體，然后從格架中吊出并放入回收容器中。

4）恢復中子吸收體十字壓板及緊固螺母。

根據(jù)以往水下檢修工作經(jīng)驗，本方案還需投用03廠房燃料抓取機、乏燃料格架吊車及廠房和乏池照明系統(tǒng)，另為增加水下操作的直觀性需要配備水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)。為保證整體作業(yè)實施的安全性、準確性，還需配備高精度載荷傳感器等儀器儀表設備[4]。

3.2 專用工具設計基準

專用工具應具備滿足相應工藝的主要功能：

1）專用工具設計為可與現(xiàn)有的鋁制加長桿連接的接口，可快捷拆裝，同時由于加長桿的可擴展性，同樣需為本專用工具設計、配備加長桿專用的夾具、吊具等。

2）專用工具應操作簡便，結構簡單。

3）專用工具應考慮保護控制系統(tǒng)的設計，通過高度傳感器、載荷傳感器等信號輸入，制定合理的PLC程序僅允許高度在某一范圍內(nèi)才允許信號輸出；僅允許載荷在一定范圍內(nèi)才允許執(zhí)行上下運動。

4）專用工具應牢固可靠，具備安全的結構設計，在承載（約50kg）工況下不會出現(xiàn)與中子吸收體組件意外脫開的狀況。

5）依據(jù)擬定的以上基準，本工藝的專用工具采用inventor軟件進行輔助設計。針對本工藝設計，共設計了3套可分別實現(xiàn)3種不同功能的工具。

3.3 專用工具設計

設計的專用抓頭與鋁制加長桿連接后可實現(xiàn)狹小空間內(nèi)中子吸收體自導向和抓取功能；通過提升、下降加長桿即可帶動工具內(nèi)芯桿的上下移動，進而實現(xiàn)抓取功能；通過旋轉(zhuǎn)加長桿即可帶動工具內(nèi)芯桿的轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)可鎖定抓取和釋放的狀態(tài)，避免人為勿操作的可能性。專用工具鉤爪頭部設計成與三角板鏤空上內(nèi)表面契合的形狀，在吊裝過程中使中子吸收體處于垂直狀態(tài)。該工具材料選用耐硼酸輻射的不銹鋼、銷軸及各量零部件裝配均焊接牢固[5]。

設計過程中通過三維建模軟件將零部件裝配至整體。首先，檢驗工具結構是否滿足機加工要求，結構是否合理，功能是否符合預期。同時在模擬裝配、焊接完畢后進行力學分析，承載力達到100kg，滿足設計要求。確保了吊裝中子吸收體時主要承力零部件的屈服強度、拉伸強度都在不銹鋼材質(zhì)許可范圍內(nèi)，同時對帶載狀態(tài)下對專用工具整體的形變位移、變形趨勢、安全系數(shù)進行了校核，確保均可在工藝要求范圍內(nèi)。

另對水下工作環(huán)境進行建模，通過制作動畫驗證專用工具的操作空間是否符合現(xiàn)場實際情況。在專用工具加工、安裝、修改完成后，利用配重塊對抓具可靠性進行檢驗。加工制作中子吸收體模擬體，對專用工具的功能進行復驗，確?？臻g、重量、功能、安全性均符合設計預期。

3.4 儀器儀表及控制系統(tǒng)

高度傳感器：采用拉線編碼器，以人員操作的平臺高度為固定端，實時采集工具下降高度。通過PLC模塊設置高度編碼器控制值，在預設的高度范圍內(nèi)允許執(zhí)行其他動作指令?？刂凭仍?mm[6]。

載荷傳感器：采用高精度、實時傳輸信號的傳感器元件，以工具自由狀態(tài)的重量為設定值。通過PLC模塊處理數(shù)據(jù)，并設置超載值和欠載值。若出現(xiàn)超載情況，可立即切斷工具的上升動作，起到保護作用?？刂凭仍?.1kg[7]。

電磁閥控制氣動元件：使用兩組三位四通電磁閥控制氣路和氣缸的動作，實現(xiàn)抓頭開合和芯桿升降的功能。通過PLC模塊處理數(shù)據(jù)，并執(zhí)行電磁閥動作。

4 現(xiàn)場實施

專用工具操作，操作人員將中子吸收體專用工具底座三角槽與三角導向板上頂面貼合，工具當前鎖定為釋放狀態(tài)。操作人員通過氣動機構動作使工具解鎖并提升加長桿，使工具處于抓取狀態(tài)。使用吊車提升抓具，緩慢將中子吸收體抽出格架，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測提升高度和提升重量。在確定中子吸收體無掛蹭的情況下，根據(jù)輻射防護監(jiān)測的劑量水平將中子吸收體吊出并放置于指定容器內(nèi)。

5 優(yōu)化與改進

圖4 實施照片F(xiàn)ig.4 Implementation photos

通過本次中子吸收體更換作業(yè)，實地驗證了該檢修工藝的可行性。從定位好操作中子吸收體開始，整體拆除工作花費了約兩個小時，也證明了專用工具設計上符合預期，但由于項目準備時間過于倉促，專用于本工藝的專用工具還有較大的優(yōu)化改進空間。

1）增加位置、行程指示功能，使操作人員不依賴水下攝像系統(tǒng)，可減少前期工作的裝備投入。

2）在中子吸收體抓取工具執(zhí)行機構可增加氣缸和執(zhí)行機構到位時的監(jiān)控探頭，并增加反饋指示燈。使工具的旋擰-鎖定、提升-抓取的動作模式變成全自動、全時監(jiān)控及全面監(jiān)測的自動化設備，可減少人力投入。

3）在中子吸收體抓取工具上安裝復位彈簧或改進鎖定方式等。

6 小結

通過本工藝設計一方面實現(xiàn)了運行期間更換秦一廠30萬千瓦機組乏池格架中子吸收體的目標，其工藝設計、工裝設計、工裝加工、現(xiàn)場實施均自主完成，減少了公司在此項目上的資金投入。同時，也可用于國外（巴基斯坦）與秦一廠30萬千瓦機組為同一類型的機組，以及其他電站需要實施乏池格架中子吸收體檢修更換的項目。