已輻照燃料接收裝置設計

陳書華 黃新東 安彥波 任 荷 甕松峰

（中國核動力研究設計院反應堆燃料及材料重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

已輻照燃料接收裝置（以下簡稱接收裝置）是某型核反應堆換料檢修需要使用的專用設備之一，其功能是完成已輻照燃料組件在空氣中與水下之間的轉運，空中轉運通過換料機進行，水下轉運通過長桿操作工具完成[1]。接收裝置的設計要在滿足其功能的同時保護操作人員免受過量輻照劑量。

1 設計思路

核反應堆裝卸檢修工具的設計應在滿足防止燃料組件跌落的同時保證操作人員免受超限劑量輻射[2]，因此設計時應滿足以下要求：

（1）接收裝置必須具有輻射安全防護功能，對操作人員起到輻射防護作用；

（2）接收裝置在使用過程中應保證燃料組件的安全；

（3）接收筒在上接收位置時，應能與屏蔽筒組件的內方孔對準以便燃組件能順暢地通過，并且保證接收筒中的燃料組件在換料機的抓取范圍內；

（4）裝有燃料組件的接收筒在接收位置時不會意外跌落；

（5）燃料組件的接收筒在抓取位置時，操作人員使用燃料組件長桿工具應能方便地轉運燃料組件。

2 結構介紹

根據接收裝置的各部分結構功能進行劃分，其主要由鑄鋼平臺、套環、鉛屏、導軌組件、池壁支撐組件、接收筒、電機傳動裝置及其他部分組成，見圖1。

圖1 水下燃料接收裝置

2.1 鑄鋼平臺、套環和鉛屏

鑄鋼平臺用于整個接收裝置在水池面上的支撐，同時也是支承換料機的剛性平臺，套環安裝于鑄鋼平臺上，其直接與換料機接觸并為換料機提供定位，保證換料機抓具能夠順利進入鉛屏的中心方孔；鉛屏中心方孔是燃料組件從換料機進入接收筒的通道，鉛屏的徑向有180mm厚的鉛層和40mm厚的鋼板作為生物屏蔽層，頂部有235mm厚的鋼板（其上部的套環厚度為165mm）作為生物屏蔽層。見圖2。

圖2 鑄鋼平臺、套環和鉛屏

2.2 導軌組件

導軌組件為接收筒的運動提供限制，接收筒沿導軌運動，導軌為曲線導軌，上段豎直，下段向平臺外平滑彎曲，當接收筒運行到上接收位置時與鉛屏對接，此時換料機可以抓取或者釋放燃料組件。當接收筒向下運行時就會沿著導軌到達鑄鋼平臺外側的抓取位置，此時可以使用燃料組件長桿抓具抓取或者釋放燃料組件。導軌組件包括左導軌和右導軌兩部分，都為U型槽導軌，U型槽能夠對在其中行走的接收筒滾輪進行限制，防止滾輪脫離軌道。導軌組件的下部有導軌正支撐、導軌背支撐及導軌斜支撐等支撐，這些支撐保證導軌剛度。保證裝置經長期運行或存放后不發生位移和變形。

2.3 池壁支撐組件

池壁支撐組件由鋼板焊接而成，其一端通過螺栓與導軌組件背面相連接固定，另一端上面焊接有調節裝置，調節裝置的調節螺桿通過支撐盤與水池壁相頂，在現場安裝時，根據水池壁上預留的焊接板位置調整池壁支撐組件的位置，對齊后調節頂緊再將支撐盤與焊接板焊接固定。

2.4 接收筒

接收筒組件主要包括接收筒、滾輪、滾輪軸、拉軸、側架及底輪等組成，接收筒承接并包容已輻照燃料組件，上邊沿有一段喇叭導向段方便燃料組件進入。在滾輪軸的兩端安裝有兩個滾輪，兩個滾輪沿著導軌組件上下運行，而接收筒僅與上面的滾輪軸連接，接收筒底部有底輪，當接收筒組件處于導軌組件下部的傾斜段向下運動時，底輪沿著斜槽滑動防止接收筒組件的傾斜。

2.5 電機傳動裝置

電機傳動裝置主要由電機、減速器、卷盤、鋼絲繩、軸承以及卷盤支架組件等組成。鋼絲繩連接卷盤和接收筒，電機帶動卷盤轉動實現接收筒的升降運動。電機選用速度控制性能較好且自帶編碼器的伺服電機，其自帶的旋轉編碼器可以間接地給出接收筒位置信息，減速器則采用蝸輪蝸桿結構型減速器。

2.6 其他

其他部分主要有轉向滑輪組件、載荷傳感用定滑輪及限位裝置等。轉向滑輪組件主要用于改變鋼絲繩的走向。載荷傳感用定滑輪中裝有載荷傳感器，用來監測鋼絲繩的拉力，為過載保護和失重保護提供信號。限位裝置用來檢測接收筒組件是否到位，為控制系統對電機的控制提供信號輸入，分為上限位裝置、下限位裝置和換料機聯鎖限位。

3 計算校核

3.1 計算輸入設定

（1）設滿載情況下接收筒總重2637N；

（2）接收筒運行速度為1m/min，最大速度4.5m/min）；

（3）卷盤直徑為 320mm～412mm；

（4）接收筒側架尺寸見圖3。

圖3 接收筒側架

3.2 運動過程中受力分析

將運動分成三部分：上部豎直段、中間圓弧過渡段及下部傾斜段。對接收筒的側架進行分析，簡化后力學分析模型如下：

圖4 力學分析示意圖

得出：

鋼絲繩拉力F=2637N；

θ=0°（上部豎直段）接收筒側架對軌道壓力N1=N2=1.5G=3956N；

θ=30°（中間圓弧過渡段）接收筒側架對軌道壓力達到最大N1=N2=1.732G=4567N；

θ=45°（下部傾斜段）接收筒側架對軌道壓力N1=N2=1.673G=4412N；

3.3 電機、減速器選型

3.3.1 選擇交流伺服電機：

F：鋼絲繩拉力為2637N；

v：設計最大速度為4.5m/min；

η：傳動效率，這里取35%。

根據實際經驗，電機在拖動負載起動的暫態過程中，其暫態輸出功率為平穩狀態下功率的1.5～2倍，所以選擇額定功率0.9kW的松下全數字式交流伺服電機MGMA900W，主要參數如下：

表1

3.3.2 選擇減速機

擬選擇三聯傳動SLS系列蝸輪蝸桿減速機。由輸出最大速度v出=4.5r/min、卷盤直徑320mm～412mm和電機額定轉速n額定=1000rpm得出減速比 i=n額定/v出=222.2

由鋼絲繩拉力F=2637N、卷盤最大直徑D=412mm，得出驅動卷盤需要轉矩：

T工作=F·D/2=543.2Nm，減速機許用轉矩：

TN≥T工作f1f2f3=814.8Nm

f1、f2、f3分別為工作機系數、原動機系數、起動系數。根據接收裝置使用情況查詢三聯傳動選型手冊得出f1=1.5，f2=1.0，f3=1.0。選擇三聯SLSAF87R57減速機，其主要參數如下：

表2

3.4 鋼絲繩

F0≥F·n=26.37kN

F0：鋼絲繩破斷拉力；

n：安全系數，考慮到水下工作及不可更換性，該處n取10；

F：鋼絲繩最大工作靜拉力，為2637N。

由于在水下工作，因此選擇不銹鋼絲繩6.00NAT1×19+IWSGB/T 9944，其最小破斷拉力為30.4kN。

4 結束語

通過結構設計和計算分析，確定接收裝置的設計是合理的，目前該設備已經在實際工程中得到應用，且效果良好。

[1]黃新東,洪龍.核電換料檢修[M].成都:西南交通大學出版社,2013.

[2]中廣核工程有限公司.壓水堆核電廠核島設計·核島工藝系統和布置設計[M].北京:原子能出版社,2010.