核電廠變形相關(guān)組件安全貯存工器具研發(fā)及應(yīng)用

石中華，鄧志新，張旭輝，王玲彬

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽　314300）

核電廠變形相關(guān)組件安全貯存工器具研發(fā)及應(yīng)用

石中華，鄧志新，張旭輝，王玲彬

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

由于變形相關(guān)組件形狀發(fā)生變化，無(wú)法配插到燃料組件或存放架內(nèi)進(jìn)行貯存，一般是將其臨時(shí)放入乏燃料水池貯存格架中的空貯存小室內(nèi)，這種狀態(tài)下的變形相關(guān)組件失去支撐，變形相關(guān)組件棒體會(huì)在自身重量作用下發(fā)生彎曲，長(zhǎng)時(shí)間處于此狀態(tài)下可能導(dǎo)致棒體破損，致使里面的物質(zhì)泄漏而污染乏燃料水池。文章中工器具的整個(gè)研發(fā)是以秦山第二核電廠作為試驗(yàn)場(chǎng)所，以其乏燃料水池內(nèi)的3組變形相關(guān)組件作為研制對(duì)象，最終研發(fā)出一套適用于變形相關(guān)組件安全貯存的工器具，本套工器具保證了變形相關(guān)組件的完整性。

變形相關(guān)組件；安全貯存工器具；研發(fā)；安全貯存

燃料相關(guān)組件在乏燃料水池內(nèi)通常有兩種貯存方式，一種是配插在燃料組件［2］中（見(jiàn)圖1），另一種是存放在相關(guān)組件存放架［5］內(nèi)（見(jiàn)圖2）。但對(duì)于發(fā)生了變形的相關(guān)組件來(lái)說(shuō)，由于其結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生了改變而導(dǎo)致無(wú)法將其在上述兩種貯存方式中安全配插貯存，只能將其臨時(shí)性地放入乏燃料水池貯存格架中的空貯存小室內(nèi)（見(jiàn)圖3），棒體在自身重量作用下進(jìn)一步發(fā)生變形，長(zhǎng)時(shí)間存放變形棒體有可能發(fā)生棒體包殼破裂導(dǎo)致內(nèi)部物質(zhì)泄漏到乏燃料水池內(nèi)，從而影響乏燃料水池內(nèi)的乏燃料組件、已輻照燃料組件、新燃料組件的貯存環(huán)境，并且在大修換料時(shí)，泄漏物質(zhì)將隨著燃料組件的輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)一步進(jìn)入堆芯，污染反應(yīng)堆一回路水質(zhì)，影響燃料組件在堆內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境。因此，有必要研發(fā)一套工器具，來(lái)確保變形相關(guān)組件能夠長(zhǎng)期處于安全貯存的狀態(tài)。

圖1　相關(guān)組件配插燃料組件示意圖Fig.1　Schematic of safe storage of associated core components in fuel assembly

圖2　相關(guān)組件配插存放架示意圖Fig.2　Schematic of safe storage of associated core components in rack

圖3　變形相關(guān)組件臨時(shí)貯存示意圖Fig.3　Schematic of temporary storage of deformation associated core components

1　變形相關(guān)組件介紹

秦山第二核電廠目前有3組變形相關(guān)組件（一組一次中子源組件［3］、一組可燃毒物組件［4］、一組控制棒組件［1］），一次中子源組件和可燃毒物組件主要是棒體發(fā)生彎曲變形（圖4是一次中子源組件變形示意圖，可燃毒物組件變形與其基本相同），控制棒組件棒體和翼板均彎曲變形（見(jiàn)圖5），這三組變形的相關(guān)組件無(wú)法配插到燃料組件或相關(guān)組件存放架內(nèi)。目前乏燃料水池池內(nèi)的專用抓取工具（可燃毒物組件抓具、控制棒電動(dòng)工具）由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限性和復(fù)雜性，只能抓取配插在燃料組件和相關(guān)組件存放架內(nèi)的無(wú)變形相關(guān)組件，否則，專用抓取工具的抓爪無(wú)法與相關(guān)組件聯(lián)扣，并且變形的相關(guān)組件棒體也無(wú)法進(jìn)入專用抓取工具的棒體導(dǎo)向裝置。所以，要實(shí)現(xiàn)對(duì)變形相關(guān)組件的抓取和安全貯存，必須研發(fā)一套新的工器具。

圖4　變形一次中子源組件Fig.4　Deformation primary neutron source assembly

圖5　變形控制棒組件Fig.5　Deformation control rod assembly

2　變形相關(guān)組件安全貯存工器具研發(fā)

2.1工器具研發(fā)設(shè)計(jì)要求和準(zhǔn)則

核電廠對(duì)安全要求等級(jí)極高，特別是乏燃料水池重要部位，里面貯存大量的乏燃料組件、已輻照燃料組件以及新燃料組件，并且對(duì)乏燃料水池不銹鋼覆面保護(hù)要求嚴(yán)格，不允許砸、碰等可能導(dǎo)致不銹鋼覆面損傷的情況發(fā)生。所以，工器具的研發(fā)必須以安全為首位。其設(shè)計(jì)要求如下。

1）實(shí)現(xiàn)對(duì)變形相關(guān)組件的準(zhǔn)確抓取

由于目前貯存于乏燃料水池中的變形相關(guān)組件是失去定位支撐的，因此無(wú)法利用現(xiàn)有的核燃料裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)和貯存系統(tǒng)（PMC系統(tǒng)）中的抓具對(duì)其進(jìn)行抓取，所以必須設(shè)計(jì)一種新的抓具。由于現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，變形相關(guān)組件在乏燃料水池貯存格架空的貯存小室內(nèi)（標(biāo)高：+7.45 m），乏燃料水池內(nèi)充滿含硼水（水位大于+19.3 m），而操作必須站在人橋吊車上，標(biāo)高+23 m，因此操作位置距變形相關(guān)組件上部結(jié)構(gòu)有10 m左右的距離。

2）實(shí)現(xiàn)變形相關(guān)組件的安全存放

實(shí)現(xiàn)抓取后，由于變形相關(guān)組件部分棒體發(fā)生變形，需要設(shè)計(jì)一種專用適配器，即不受變形相關(guān)組件棒體變形的影響，又能很好地配合PMC系統(tǒng)進(jìn)行操作，貯存后不影響周圍貯存小室的正常使用，更重要的是能夠安全地支撐變形相關(guān)組件。因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸受到了限制，由于3組變形相關(guān)組件上部結(jié)構(gòu)不一樣，需分別考慮，被抓起的變形相關(guān)組件棒體很難進(jìn)行約束，4 m左右長(zhǎng)的棒體會(huì)來(lái)回?fù)u擺，給貯存帶來(lái)了困難。

3）實(shí)現(xiàn)對(duì)變形相關(guān)組件的棒體導(dǎo)向

針對(duì)變形相關(guān)組件棒體來(lái)回?fù)u擺問(wèn)題，本套工器具還必須具備導(dǎo)向作用，能夠?qū)ψ冃蔚陌趔w進(jìn)行有效導(dǎo)向，特別對(duì)棒體變形較大的導(dǎo)向也必須有效可靠。

4）本套工器具必須滿足安全、簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)、方便現(xiàn)場(chǎng)操作的設(shè)計(jì)要求，即必須以安全為首位，設(shè)計(jì)的工器具易加工，造價(jià)低，并且需要與現(xiàn)場(chǎng)PMC系統(tǒng)相互融合，以方便現(xiàn)場(chǎng)的操作。

2.2工器具研發(fā)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和準(zhǔn)則，通過(guò)幾種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比和抉擇，最終確定用吊鉤實(shí)現(xiàn)對(duì)變形相關(guān)組件的抓取，用專用適配器實(shí)現(xiàn)對(duì)變形相關(guān)組件的安全存放，在安全存放過(guò)程中，用導(dǎo)向工具對(duì)變形相關(guān)組件棒體進(jìn)行導(dǎo)向。

2.2.1吊鉤

該吊鉤最大特點(diǎn)：采用3 mm厚的不銹鋼板，通過(guò)增加不銹鋼板的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)度，而不采用不銹鋼棒，最大原因是采用不銹鋼板制作的吊鉤在抓取變形相關(guān)組件時(shí)是面接觸，增大了接觸面，能夠更牢靠地抓取變形相關(guān)組件，被抓住的變形相關(guān)組件不會(huì)輕易滑動(dòng)或晃動(dòng)，增加了穩(wěn)定性，而采用不銹鋼棒制作的吊鉤在抓取變形相關(guān)組件時(shí)是線接觸，不穩(wěn)定。除此之外，采用不銹鋼板制作的吊鉤可以在相關(guān)組件支撐板和翼板之間有更多的操作空間，能夠準(zhǔn)確地抓取變形相關(guān)組件，其強(qiáng)度可以通過(guò)向bd方向增加寬度即可，而不銹鋼棒則需要向abcd 4個(gè)方向增加尺寸才能實(shí)現(xiàn)，除此之外，吊鉤分別設(shè)計(jì)成窄口和寬口兩種，用2只窄口吊鉤抓取變形一次中子源組件、變形可燃毒物組件，用2只寬口吊鉤抓取變形控制棒組件。保證了安全性，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場(chǎng)操作性都非常好（見(jiàn)圖6）。

圖6　吊鉤Fig.6　Hook

圖7　專用適配器Fig.7　Proprietary adapter

2.2.2專用適配器

此專用適配器，可與PMC系統(tǒng)中的新燃料升降機(jī)、乏燃料組件抓具、貯存格架中的貯存小室很好的融合，即可利用新燃料升降機(jī)把其放到乏燃料水池內(nèi)，也可利用乏燃料組件抓具對(duì)其進(jìn)行抓取和存放，并且能夠支撐在貯存格架中的貯存小室上方，不影響周圍小室的正常使用，如圖7所示。帶凹槽的專用適配器用于貯存變形一次中子源組件、變形可燃毒物組件，其原理是利用這兩組變形相關(guān)組件頂部的“Z”形板（壓緊桿）作為支撐點(diǎn)，把“Z”形板兩端約束在專用適配器的凹槽內(nèi)。中間有兩個(gè)支撐條板的專用適配器用于貯存變形控制棒組件，其原理是利用兩個(gè)支撐條板來(lái)支撐變形控制棒組件的翼板部位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全貯存。該專用適配器基本不受變形相關(guān)組件棒體變形限制，實(shí)現(xiàn)了變形相關(guān)組件的懸掛貯存，保證了棒體不再受外力作用，避免了棒體發(fā)生破損；安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，便于加工，經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場(chǎng)操作性都非常好。

2.2.3導(dǎo)向工具

導(dǎo)向工具有兩種功能（見(jiàn)圖8），結(jié)構(gòu)一用于對(duì)變形相關(guān)組件棒體進(jìn)行導(dǎo)向，使其順利進(jìn)入專用適配器內(nèi)，結(jié)構(gòu)二用于把變形控制棒組件的棒體平均分散在專用適配器兩支撐條板兩側(cè)，在變形相關(guān)組件棒體變形較大的情況下，必須利用此導(dǎo)向工具，將變形較大的棒體收攏到一個(gè)較小的范圍內(nèi)，以便棒體順利進(jìn)入專用適配器內(nèi)。

圖8　導(dǎo)向工具Fig.8　Oriented tool

3　工器具應(yīng)用

經(jīng)過(guò)工器具圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，工器具加工，工器具驗(yàn)證，證明安全可靠，于2009年7月，利用研發(fā)的變形相關(guān)組件安全貯存工器具，成功將秦山第二核電廠3組變形相關(guān)組件（一組一次中子源組件、一組可燃毒物組件、一組控制棒組件）進(jìn)行了安全貯存，實(shí)施過(guò)程安全順利。

貯存操作主要步驟：利用新燃料升降機(jī)、乏燃料組件抓具、人橋吊車把專用適配器放入乏燃料貯存格架空的貯存小室上→用2只吊鉤鉤取變形相關(guān)組件→借助人橋吊車提起變形相關(guān)組件→導(dǎo)向工具對(duì)變形相關(guān)組件棒體導(dǎo)向→變形相關(guān)組件慢慢進(jìn)入專用適配器內(nèi)→確認(rèn)變形相關(guān)組件已安全貯存→脫去吊鉤→完成安全貯存。

4　結(jié)束語(yǔ)

變形相關(guān)組件安全貯存工器具（抓取工具、專用適配器、導(dǎo)向工具）的成功研發(fā)，解決了秦山第二核電廠3組變形相關(guān)組件的安全貯存問(wèn)題。該套工器具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工，在操作使用上安全可靠，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便易行。在此次秦山第二核電廠3組變形相關(guān)組件安全貯存過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這3組變形相關(guān)組件棒體變形已較大，通過(guò)此次安全貯存，使棒體處于自由懸掛狀態(tài)，避免了棒體變形的進(jìn)一步加深。

此套工器具的研發(fā)，彌補(bǔ)了壓水堆核電廠在處理變形相關(guān)組件方面的空白，可推廣使用，也可作為經(jīng)驗(yàn)借鑒。

［1］ 于小焱. 控制棒組件總圖［M］. 宜賓：中核建中核燃料元件有限公司，1998.（YU Xiao-yan. Assembly drawing of Rod Cluster Control Assembly［M］. Yinbin： CNNP Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd ，1998 .）

［2］ 王鼎樺. 燃料組件總圖［M］. 宜賓：中核建中核燃料元件有限公司，1999. （WANG Ding-hua. Assembly drawing of Fuel Assembly［M］. Yinbin： CNNP Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd ，1999 .）

［3］ 文潔. 中子源組件總圖［M］. 宜賓：中核建中核燃料元件有限公司，2009. （WEN Jie. Assembly drawing of Primary Neutron source Assembly［M］. Yinbin：CNNP Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd ，2009 .）

［4］ 文潔. 可燃毒物組件總圖［M］. 宜賓：中核建中核燃料元件有限公司，2009. （WEN Jie. Assembly drawing of Burnable Poison Assembly［M］. Yinbin： CNNP Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd，2009 .）

［5］ 宮民選. 可燃毒物存放架技術(shù)改進(jìn)［J］.中國(guó)核電青年技術(shù)與管理創(chuàng)新論文專刊，2013，5（增刊）：250-253.（GONG Min-xuan . Technical improvements of Burnable Poison Assembly storage rack［J］. Special paper of CNNP Youth technology and management innovation ，2013，5（supplement）：250-253.）

Safe Storage Tools Designed and Applied for Deformation Associated Core Components

SHI Zhong-hua，DENG Zhi-xin，ZHANG Xu-hui，WANG Ling-bin
（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.， Ltd.， Haiyan of Zhejiang Prov. 314300， China）

Due to the shape of the deformation associated core components is changed， it can't be inserted to fuel assembly or storage rack， and it can only be stored in spent fuel storage cell. Deformation associated core components in this state will lose support. Rods of deformation associated core components become bend under the weight of its own， which may be damaged for a long time in this state， thus the material inside leaked and the spent fuel pool is contaminated. Therefore， we must design a tool， which can safely store the deformation associated core components.Qinshan Phase II is selected as the test site for the whole development process，with three groups of deformation associated core components （a group of primary neutron source assembly， a group of burnable poison assembly， a group of rod cluster control assembly） in the spent fuel pool as development objects. Ultimately a set of tools suitable for the safe storage of deformation associated core components are developed， which ensure the integrity of the deformation associated core components.

deformation associated core components；safe storage tools；development；safe storage

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0249-06

TM623

A

1674-1617（2015）03-0249-06

2015-04-28

石中華（1982—），男，寧夏中衛(wèi)人，工程師，學(xué)士，從事核燃料性能分析工作。