高通量反應堆堆內設備裝卸工藝及系統淺析

戴旭東　王炳炎　劉兆東

【摘 要】本文以我國高通量試驗反應堆為樣本，對試驗型高中子通量水池堆的堆內設備裝卸總體方案進行了介紹，詳細分析了主要設備的裝卸工藝流程。同時，從實際操作的角度對工藝系統的設備配置進行了描述，并對設備功能和工藝需求的關系進行了闡述。

【關鍵詞】高通量反應堆；堆內設備；裝卸工藝

0 引言

高通量反應堆是一種重要的工程試驗堆，具有較高的中子通量水平，堆內通常有多個不同的輻照空間和特殊輻照設施，可以用于進行動力堆的研究，或用于材料、化學、同位素、醫學等領域的輻照研究工作。鑒于高通量堆的重要特性，各個國家都有自己的高通量工程試驗堆，雖然種類和堆型有所差異，但都具有高中子通量和較大輻照空間的特點。

作為重要的工具堆，高通量堆通常造價較高，其運行和維護費用也比較昂貴，除了常規運行時的燃料消耗以外，其反應堆內部設備的裝拆、檢修、維護等活動也是影響其性能以及運行成本的重要因素。因此，在反應堆設計和建造初期，就應對堆內設備的裝卸、轉運、貯存工藝進行綜合考慮，開展試驗和研究，規劃專用設備工具并進行研制。

1 堆內設備裝卸總體方案

高通量堆為水池型反應堆，反應堆壓力容器整體置于堆廳水池內，運行期間反應堆水池內一直保有一定的充水量。研究堆的反應堆結構比較特別，為了便于開展各項試驗，堆內設置了許多用于試驗的專用裝置，堆內結構的設計也更趨向于試驗操作的便利性，因此增設了不少的輔助機構，這樣就提高了堆內設備裝卸的復雜性。

高通量反應堆的堆內設備由三個主要的功能部件構成，分別為上部堆內構件、下部支承組件以及堆內測量組件。其中，上部堆內構件包括燃料裝卸輔助轉換架、吊籃組件、控制棒導管及支架等結構；下部支承組件上安裝有測量裝置固定板，組件的每一個控制棒孔道內安裝有緩沖裝置，用于實現控制棒落棒時的水力緩沖；堆內測量組件包括了堆內、堆外中子測量裝置、堆芯溫度測量裝置，所有的測量裝置都有相應的支承結構，保證其在反應堆的正確位置就位。

堆內構件裝卸的難度在于內部操作空間狹小，而各部件均有不小的重量和一定的復雜程度[1]。所有的堆內設備都必須合理規劃其初次安裝定位、檢修維護時的拆除、轉運、暫存，以及檢修完成后的復裝，保證所有的設備都能得到有效的維護，確保反應堆的運行安全。堆內設備的裝卸總體方案包括拆卸工藝和安裝工藝方案，初次安裝定位與復裝流程相同，但復裝時還需要考慮放射性防護問題，因此方案相對更為復雜。總體方案如圖1所示，按照反應堆從外到內的順序，根據堆內設備之間的相互裝載關系進行拆卸和復裝。拆卸過程中，首先拆卸的是控制棒組件以及驅動機構、控制棒導管等，之后拆卸堆內和堆外測量組件，以及與之相應的支承結構，最后拆卸上部堆內構件和下部支承組件。復裝是拆卸的逆過程，但由于復裝精度要求較高，因此使用了許多專用輔助裝置來保證在強輻照場下完成對中及安裝就位的操作，同時，堆內構件的裝拆工具必須滿足特殊的設計要素如水下遠距離操作，防止人員輻射等[2]。

2 裝卸工藝系統設計

2.1 主要工藝流程

作為燃料裝卸貯存系統的相關設備，堆內構件的裝卸應嚴格遵守燃料裝卸及貯存系統設計準則的相關原則，將人員輻射安全作為首要考慮的因素，同時應保證設備安全、有效的監測并控制堆內設備的裝卸精度。

在確定了裝卸總體方案后，根據總體框架逐步細化形成詳細的工藝流程；將工藝流程進行步驟分解后針對每一步操作規劃專用裝卸工具設備，為整個工藝過程配備完善的設備系統，確定每一項設備的功能及滿足的技術指標等；最后開展工藝系統設備的詳細設計，設計過程中應充分考慮設備的性能指標、使用環境特點及要求、運輸、現場使用及存放方案等，最終完成設備的設計和加工制造，形成完整的堆內設備裝卸工藝系統。

根據總體裝卸方案，堆內設備拆卸采取由外圍至核心的拆卸方法，從驅動機構和控制棒組件開始拆卸，直至內部的堆內組件，逐步將堆內設備全部拆卸出堆。裝卸工藝流程見圖2所示。

2.1.1 驅動機構拆卸工藝流程

除了壓力容器頂蓋以外，控制棒驅動機構密封結構是反應堆的另一個重要的壓力邊界。高通量試驗堆的驅動機構設置在反應堆底部的堆下小室內。驅動機構共分為兩層，依據其布置特點，按照由外及內的順序進行拆卸。拆卸驅動機構前，首先將控制棒組件取出。控制棒組件由上下兩部分組成，互相連接后再與絲杠連接，驅動機構通過控制絲杠的升降帶動控制棒對堆芯的反應性進行控制。基于此種連接方式，同時為避免拆卸時放射性冷卻劑漏入堆下小室，驅動機構采取上下兩端分別拆卸的方式，即打開壓力容器頂蓋，從上部吊取控制棒組件，依次取出絲杠與控制棒連接桿并吊離堆芯進行暫存和檢修維護，帶強放射性的控制棒組件則直接從水下轉運至貯存設施內。完成上端的拆卸后，關閉壓力容器底封頭管座上的隔離閥，使用專用設備按照由外至內的順序對驅動機構進行拆除。拆除完畢的驅動機構必須考慮運輸問題，由于堆下小室內空間和運輸通道狹窄，必須采用專用的運輸設備將驅動機構零部件轉運至檢修層進行維護。從裝卸環境空間來看，驅動機構裝卸最大的問題就在于堆下小室空間小且放射性強，故提出了提高裝卸操作效率的基本需求。

2.1.2 反應堆測量組件拆卸工藝流程

反應堆測量組件主要用于完成反應堆內部各類狀態信號的監測，如溫度、中子通量、水位等。高通量試驗堆的測量組件主要包括反應堆內部的中子測量裝置，反應堆外部布置的中子測量裝置，以及堆內的溫度測量裝置等。其設計均采用直插式結構從反應堆上方頂蓋處插入堆芯內部，拆卸時依然采取由外至內的順序進行拆除。首先依次吊取堆外中子測量裝置，由于堆內中子測量裝置固定在頂蓋上的管座法蘭上，因此，需要先去除其密封，并采用專用工具吊取堆內中子測量裝置，再打開頂蓋，待吊籃取走后，拆除溫度測量裝置。

2.1.3 堆內組件拆卸工藝流程

不同于電站的商用反應堆，高通量反應堆堆內組件主要包括燃料裝卸輔助轉換裝置、吊籃組件和下部支承組件，而控制棒和驅動機構運動的通道即控制棒的導管穿過堆內組件，安裝至堆底結構內，溫度測量裝置的導管又通過吊籃法蘭安裝于下部支承組件的輔助支承體上。因此，堆內組件各部分相互之間配合關系緊密，拆卸過程比較復雜。拆卸按照從上至下的原則進行，與下部支承有配合的導管等先不拆卸，以避免增加復裝的難度。首先打開控制棒導管支架，從內至外吊取控制棒的導管組件，在取走控制棒導管組件頂端的堵塞后，依次吊取控制棒導管至專用掛架上暫存。之后可以拆除吊籃組件，由于溫度測量的導管依然通過吊籃法蘭的貫通孔安裝在堆內，因此在吊取吊籃組件時須進行較為精確導向，確保吊籃組件在出堆過程中對中度的良好狀態，導向精度誤差單個方向不大于1.5mm。燃料裝卸輔助轉換裝置在反應堆運行過程中通常一次安裝至吊籃法蘭上后不再拆卸，因此采用專用工具將其與吊籃組件一同裝卸是一個簡便做法。吊籃組件拆卸完成后可以直接吊走溫度測量裝置的導管，最后再吊取底部支承組件，其具有同樣的導向精度要求。在拆除底部支承組件時，必須確保測量器上的線纜隨同組件一起被轉運至專用存放設施內部，減少復裝時的難度。底部支承組件可能存在進一步拆除檢修的需求，其上部的測量板組件和底部的緩沖裝置均可以采用專用設備在存放設施上進行拆除操作，以滿足檢修維護的需求。

2.1.4 復裝關鍵工藝流程

復裝即是將拆卸出來的反應堆堆內設備在完成檢修維護工作后從暫存設施內再次進行組裝的過程。高通量反應堆的檢修周期較長，每一次大修將會涉及較多的裝卸操作，拆卸檢修的程度較為復雜，加之強放射性設備的引入，因此復裝比拆卸和初裝難度都要大，其中最關鍵的復裝步驟是吊籃組件的引入。根據堆內組件設計的裝配關系，吊籃復裝前溫度測量裝置的導管已安裝于底部支承組件上，因此吊籃法蘭的貫通孔需要穿過導管落入堆內。導管管徑較細，吊籃如此大重量的設備僅靠吊車的操作獨立穿過導管是非常困難的，同時由于吊籃具有強放射性，復裝入堆過程中人員完全不能靠近予以輔助操作。因此必須采用精確的輔助機械裝置通過調整溫度測量裝置導管的位置，精確的控制其擺動角度滿足吊籃引入的要求，同時在導管頂端加裝輔助工裝以提高其位置容錯性，保證吊籃組件的順利引入。輔助裝置采用機械手穩定的夾持導管，并由人員遠程操作，通過多個視角的觀測準確的控制其擺動角度，在確認滿足吊籃安裝的位置要求后，再操作吊車將吊籃組件裝入堆內。

2.2 主要系統設備配置

高通量反應堆的堆內設備裝卸共涉及約20余項專用設備設施，其中部分為大型吊裝設備，其余主要為小型長桿類輔助操作工具及自動化機電輔助設備。根據裝卸工藝的要求，每一種堆內設備的裝卸都需要配置相應的專用設備，如吊籃組件和底部支承組件等大型設備，還必須配置輔助導向和輔助操作的多個設備進行協同工作，共同完成主設備的裝卸。系統主要設備配置如圖3所示，按照適用的設備范圍分別配置以下專用設備：

（1）用于吊籃組件、底部支承組件裝卸和貯存的配套設備，如吊籃組件吊具、底部支承組件吊具、堆內組件導向裝置、燃料裝卸輔助裝置操作工具、溫度測量裝置導管自動扶正裝置、導管輔助工裝、控制棒導管吊具等；

（2）用于反應堆測量組件裝卸的主要設備，如堆內、堆外中子測量裝置操作工具、溫度測量組件吊具、徑向限位裝置吊具等；

（3）用于進行控制棒驅動機構拆卸的主要設備，如控制棒組件吊具、驅動機構拆裝裝置、驅動機構轉運裝置、隔離閥維修脹塞等。

3 結論

高通量反應堆堆內設備的裝卸工藝經過多年的應用實踐和改進優化，具有流程完整、安全可靠、高效的特點，根據工藝流程進行了系統設備的配置，各環節相應的專用設備均能適應實際工況的技術要求，各設備的組合使用和協同工作共同保證了堆內設備裝卸的安全性和可靠性。

【參考文獻】

[1]陳書華，黃新東，等.核反應堆堆內構件吊具設計[J].科技視界，2015（25）.

[2]孫剛.堆容器及堆內構件的安裝[J].中國原子能科學研究院年報，2006.

[責任編輯：王楠]