核電站堆芯中子注量率測量系統輻照后指套管抽拔機設計

張杰+熊偉

【摘 要】本文敘述了核電站堆芯指套管磨損的原因并針對反應堆堆芯高溫、高壓和高輻射的特點及安全性的考慮，對從堆芯下部抽取更換指套管的方法進行了設計、根據設計需求，完善了抽拔機的組成和工作原理。最后對目前核電站堆芯指套管兩種更換方法進行比較。

【關鍵詞】指套管；抽拔機；設計；比較

0 前言

目前，國內外壓水堆核電站更換堆芯中子注量率測量系統指套管的專用設備中，幾乎都采用從堆芯上部（在換料水池中）抓取的方法。該方法使用廣泛、運用成熟，但也存在更換成本高、技術難度大等缺點。為了克服上述問題，國內也開始進行從堆芯下部抽取指套管工具即輻照后指套管抽拔機（以下簡稱“抽拔機”）的設計。本文將從抽拔機的設計思路和實現方法進行詳細陳述。

1 系統概論

堆芯中子注量率測量系統是核電站重要的監測設備，它主要測量反應堆堆芯的中子注量率分布，監測堆芯功率畸變，積累燃耗數據，對核電站安全可靠的啟動、運行不僅是必不可少的，而且對核電站的安全運行及經濟性起到重要作用。

堆芯中子注量率測量系統是采用移動式微型裂變室為探測器的測量系統，移動式微型裂變室由驅動裝置驅動，通過指套管（為移動式微型裂變室提供導向和通道）由上至下對堆芯內部中子通量進行測量，在一個測量周期內，本系統可得到堆芯軸向及頸項測量數據，以便核電站專業人員進行物理分析。

指套管是長度13-16m、外徑7.5mm的不銹鋼管，如圖1所示，指套管的一端在壓力容器內，經儀表導管固定板、堆芯支撐板、堆芯下柵格板最終到達燃料組件頂端；另一端在導向管的引導下通過生物屏蔽墻、手動閥到達密封段出口處通過法蘭結構固定并與連接管組件相連，接受來自驅動裝置和管路選擇器的移動式微型裂變室。由于以下三個原因，指套管易造成磨損、破損進而泄漏：①指套管插入堆芯燃料組件中，長期受到高溫、高壓、震動、水流沖刷等作用；②在核電站停堆換料期間，處在燃料組件中的指套管需要抽回，核燃料更換完畢后再重新插入燃料組件中，因此在每次換料期間指套管都存在機械磨損；③如果壓力容器內存在松脫的部件，松動部件會在冷卻劑流動的作用下對指套管進行反復循環撞擊，造成大量指套管破損及堆內構件其它設備損壞。指套管的泄漏會造成一回路反應堆冷卻劑外泄，造成相應的管路無法正常進行中子通量測量。核電站運行人員定期通過渦流探傷方法測量指套管的壁厚以衡量其磨損程度。根據運行經驗，當磨損深度≥40%壁厚時應更換指套管。指套管因長期受輻照照射，帶有很強的放射性，參照核安全和放射性防護規則，維修人員無法直接進行更換，需遠程遙控操作相關設備進行指套管取出和存放作業。

2 抽拔機設計

由于需要將輻照后的指套管從堆芯底部抽出，因此抽拔機在設計時需要考慮以下基本需求：

①抽拔動力需求：需要有足夠大的動力將三維彎曲的指套管從堆芯中安全、平穩的抽出；

②安全需求：由于輻照后的指套管劑量很大，需要操作人員遠程、自動操作，并且卷出后的指套管要封存在屏蔽容器內；

③防止冷卻劑溢出需求：為使指套管抽出密封段后反應堆一回路冷卻劑不立刻噴出，要采取相應措施。

2.1 硬件設計

根據基本需求，抽拔機應由遠程控制柜、抽拔機裝置、探針、冷凍器、電磁閥和CO2瓶等基本設備組成，如圖2所示。

①抽拔裝置主要包括抽拔裝置本體、卷繞盤、驅動電機和接線箱等，作用是2臺互為備用的驅動電機（包括減速器、電磁離合器和傳動軸等）將輻照后指套管從堆芯內拔出并卷入卷繞盤中儲存，由于輻照后指套管每米γ劑量率可達11SV/h，抽拔裝置本體外殼由鋼板焊接而成，中間灌鉛，將卷繞盤包在中間，以達到有效屏蔽γ射線的目的。

②探測裝置包括探桿、彈簧和微動開關等，安裝在密封段反壓接嘴上，作用是當指套管末端經過探桿后，探桿在彈簧的作用下觸發微動開關動作，給出指套管將要抽出密封段的信號。

③冷凍裝置包括冷凍器、電磁閥和CO2瓶，作用是當出現指套管將要抽出密封段的信號后，控制電磁閥打開，液態CO2留到冷凍器中，冷凍器固定在導向管下游，將一回路反應堆冷卻劑冷凍，以便指套管抽出密封段時，冷卻劑不會噴出。

④遠程控制柜：安裝在遠離堆芯儀表室的維修房間內，可遠程自動控制驅動電機啟停、電磁閥開關并接收微動開關的信號。設置有指示燈，可遠程觀察抽拔進展情況。也可實現手動操作。

⑤輔助設備包括支架及吊車，可使抽拔機在堆芯儀表室內移動并固定，以滿足抽拔分布在不同位置的指套管的需求。

2.2 控制流程

由于指套管長度為13-16m且處在壓力容器外面的部分γ劑量很小，為減小抽拔風險，在移除密封段上游設備騰出空間后，先使用抽拔機手動操作將低放射性部分抽出（約8-10m），將此部分切掉后作為低放射性物項廢物處理。剩余5-6m高放射性部分采用遠程自動操作，整個操作流程分為6個階段，在遠程控制柜上對應有相應的指示燈，以便遠程監控。

①階段：啟動驅動電機，抽拔指套管，直到指套管末端到達密封段，探測裝置上的微動開關給出信號，停止抽拔；

②階段：電磁閥打開，液態CO2開始流入冷凍裝置；

③階段：延時3分鐘，將一回路反應堆冷卻劑冷凍；

④階段：電磁閥關閉；

⑤階段：重新啟動驅動電機，繼續抽拔指套管，直到指套管末端到達抽拔裝置本體進口處，微動開關給出信號；

⑥階段：繼續抽拔，延時1分鐘，驅動電機停止工作，指套管已進入抽拔裝置本體內的卷繞盤中。

至此，整個抽拔流程結束。取出的指套管封存在抽拔機鉛屏蔽內，待下個換料大修放射性下降后取出妥善安置。

3 兩種取出指套管方法的比較

從堆芯上部（抓取機）和堆芯下部（抽拔機）取出指套管是目前兩種可行的操作方法。從堆芯上部抓取指套管是在換料水池中進行的。操作人員遠程對指套管進行抓取和切割并使用水下運輸小車將切割下的指套管運送至乏燃料池儲存。全過程使用水下視頻設備進行監控。下面將從成本、使用范圍、操作性、運行經驗等幾個方面對兩種方法進行比較。

1）從堆芯上部抓取指套管（抓取機）：

優點：

①在一個換料周期內可更換多根指套管；

②可取出已經斷裂的指套管；

③實際應用廣泛，例如在秦山一期及巴基斯坦恰希瑪核電站1號機組中得到應用，可靠性高。

缺點：

①設備（指套管抓取工具、水下剪切工具、水下運輸容器和水下視頻等）造價高；

②輔助設備（燃料抓取機、傾翻機和水下照明等）繁雜；

③操作人員技術要求高且人數眾多（15人左右）。

2）從堆芯下部抽取指套管（抽拔機）

優點：

①設備組成簡單、制造周期短、造價低；

②操作方法簡單，操作人員較少（4-6人）。

缺點：

①在一個換料大修周期內只能更換一根指套管；

②無法抽拔已經斷裂的指套管；

③僅在巴基斯坦恰希瑪核電站2號機組中得到應用，實際應用經驗較少，存在未知風險。

由以上比較可以看出，抽拔機適用于在一個換料大修周期內更換一根沒有斷裂的指套管。在更換成本和操作簡便性上具備優勢。可與抓取機形成高、低檔互補搭配，為核電站業主提供多種選擇。

4 結論

由于指套管破損會造成反應堆冷卻劑泄漏，影響堆芯中子注量率測量系統的正常使用及核電站安全。因此指套管的更換工作至關重要。本文論述了堆芯中子注量率測量系統輻照后指套管抽拔機的組成和原理。同時對兩種指套管更換方法進行了比較分析，確定了抽拔機的使用范圍。

【參考文獻】

[1]杜曉光.移動式堆芯中子注量率測量系統概述[J].中國核電，2010，03（04）：367-373.

[2]柳正鈞.堆芯指套管磨損、堵塞機理與預防維修策略[J].核動力工程，2004，06.

[責任編輯：湯靜]