“華龍一號”燃料操作與貯存系統關鍵設備設計

唐興貴,李建奇,李 均,袁 巍,劉慧芳,張 鑫,葉陽春

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

燃料操作與貯存系統 (RFH系統)的主要功能是轉運、檢查、貯存和操作新、乏燃料組件,完成反應堆換料操作。系統涉及的設備較多,按設備類型可分為操作類設備、格架及存放架類設備、操作工具類和燃料檢查類設備等共計20多種設備。RFH系統雖然不直接參與反應堆安全運行方面的任務,但它在保護現場工作人員免受過量的放射性輻照、防止燃料組件的意外臨界和防止放射性物質不可接受的釋放等方面起著極為重要的作用。

“華龍一號”堆型推出后,由于其在廠房布置、換料水池深度及寬度、安全殼尺寸、轉運通道長度、乏燃料水池大小與換料制度、抗震計算加速度等方面較二代改進型核電站均存在較大差異,且在安全性、可靠性上對設備有了更高的要求,因此對于 “華龍一號”RFH系統的主要設備均有針對性地開展了新設計、新研究,主要包括裝卸料機、轉運裝置、乏燃料貯存格架、新燃料升降機等。

1 裝卸料機設計研究

1.1 堆型變化對裝卸料機的主要影響

“華龍一號”堆型換料水池及堆內構件存放池深度、尺寸及燃料組件操作標高發生較大變化,對裝卸料機的結構,尤其是主起升機構和內外套筒的設計產生了較大影響[1]。主要影響包括:

1)壓力容器下堆芯板深度較以往工程增加1.17 m,這就意味著裝卸料機抓具抓取深度增加,而換料水池深度只增加了270 mm,所以堆芯區與轉運區的相對標高加大了900 mm,這種變化是由于廠房布置時抬高了轉運區的水池底板標高所導致。如圖1所示,若要保證伸縮套筒在固定套筒內留有足夠的導向長度,則要對伸縮套筒和固定套筒同時加長,并對兩個套筒的長度進行合理配比。加長套筒后還需要對導向精度能否達到要求進行分析。

圖1 “華龍一號”堆型標高變化及裝卸料機套筒加長示意圖Fig.1 The change of ref ueling elevation and extension of ref ueling machine sleeve

2)裝卸料機起升高度變化后,重新設計了固定套筒和伸縮套筒的結構,保證了在堆芯深度增加的情況下,能夠在設計、制造和安裝上實現裝卸料機的定位精度要求。

3)設計地震峰值加速度由0.2g提高到0.3g。峰值加速度的變化對設備抗震計算影響很大。尤其是大車門架屬于鋼結構件,在0.3g地震加速度下鋼結構連接處成為力學計算中的薄弱環節,經過反復計算和結構修改后,門架最終滿足了抗震評定要求。如圖2所示,異常工況下的大車支腿當量應力。

圖2 異常工況下的大車支腿當量應力Fig.2 Equivalent stress of gantr y legs at abnor mal condition

目前,“華龍一號”示范工程的首臺裝卸料機已經制造調試完成,并完成了廠內試驗驗收,如圖3所示。

圖3 “華龍一號”示范工程首臺裝卸料機Fig.3 The first ref ueling machine of HPR1000

1.2 主起升機構的單一故障保護設計

起升系統分析考慮了所有可能的失效模式,并針對其失效模式設計出可靠的安全保護裝置。為保證在燃料移動時發生設備單一故障或單一人因差錯不會導致燃料破損,根據單一故障保護要求設計足夠的保護措施,尤其是在超載、超速、超程、斷繩,以及斷電事故下的保護。設計中必須考慮到不安全的故障模式,預期可能發生的故障并采取措施,把組件安放到安全位置,這也是本設備研究重點考慮的問題之一。圖4分析了圍繞單一故障保護準則所作的安全設計。

圖4 單一故障保護設計Fig.4 Single failure protection design

1.3 裝卸料機輔助單軌吊研發

輔助單軌吊是核電站反應堆停堆換料過程中升降專用操作工具完成相關工藝操作的關鍵設備,安裝在裝卸料機大車門架的工字鋼軌道上。

輔助單軌吊作為燃料操作核心設備-裝卸料機的配套部件,滿足 “華龍一號”三代核電技術燃料操作與貯存系統的相關技術指標,與普通的單軌吊相比具有更高的設計基準和更多的附加要求。因此依托中核集團 “龍騰2020”科研項目,開展了輔助單軌吊國產化研發,研制出了滿足核安全法規要求、設備功能要求的專用單軌吊設備。該設備具有完全的自主知識產權,解決了出口受限的問題[2]。圖5所示為輔助單軌吊科研樣機。

圖5 裝卸料機輔助單軌吊Fig.5 Auxiliar y monorail hoist

2 雙安全殼燃料轉運裝置設計研究

“華龍一號”反應堆廠房采用雙層安全殼結構,與燃料廠房之間的運輸距離較二代改進型電站增加了4.160 m,且設置外安全殼后,轉運通道長度由5.540 m增加到9.570 m。由此也帶來原燃料轉運裝置不滿足功能要求等問題。依托中核集團ACP1000重點科技專項203課題 “雙安全殼燃料轉運裝置研制”,開展了燃料轉運裝置科研樣機的開發設計和試驗驗證工作。2015年年底,科研樣機通過了中國核工業集團公司組織的科技成果鑒定[3]。

2.1 關鍵技術成果

“華龍一號”燃料轉運裝置采用接力驅動技術,由兩套小車驅動機構接力驅動小車運動,達到長距離驅動小車往返運行的目的,滿足燃料轉運裝置功能要求。

本設備有兩套小車驅動機構。反應堆廠房小車驅動機構與燃料廠房的相似,通過電動機、減速器、驅動軸將動力從水上傳遞到水下,再通過水下傳動機構驅動小車運動。接力驅動充分利用了已經掌握的設計經驗和成熟技術,圖6為科研樣機試驗場景。目前該成果已申報了多項專利。

圖6 “華龍一號”燃料轉運裝置科研樣機Fig.6 Pr ototype of HPR1000 f uel transfer facility

2.2 核心部件研發

(1)特性離合器

特性離合器是接力驅動的核心功能部件。在反應堆廠房和燃料廠房各設一套,如圖7所示。特性離合器分別安裝在反應堆廠房和燃料廠房的下部傳動機構上。特性離合器具有超越功能,實現了由兩套下部傳動機構接力驅動小車運動的功能。

(2)防撞齒機構

特性離合器齒輪的輪齒處于特定位置時,小車齒條作用于齒輪的力指向齒輪中心,齒條不能撥動齒輪轉動,即處于 “卡住區域”。輪齒處在卡住區域時,無法完成接力運動。防撞齒機構就是為解決這一問題而研發的。

圖7 特性離合器Fig.7 Special clutch

防撞齒機構主要由固定軸、推動臂、壓簧和小滾輪等組成,如圖8所示。在非卡住區域,防撞齒機構正常推動齒輪轉動完成接力。在卡住區域,在防撞齒機構小滾輪的作用下,防撞齒機構壓簧產生壓縮變形,推動臂繞著固定軸抬起,小滾輪越過干涉的輪齒后再落下。推動臂推動齒輪的下一個輪齒,使齒輪轉動完成接力。

圖8 防撞齒機構Fig.8 Anti-collision gear mechanis m

(3)輪齒位置水上檢測系統

輪齒位置水上檢測系統的功能是:齒條與特性離合器齒輪脫離后,通過控制系統使特性離合器齒輪的輪齒停止在非卡住區域。輪齒位置水上檢測系統能夠避免出現卡住區域,與防撞齒機構一起構成齒條與齒輪接合的100%冗余保護。

輪齒位置水上檢測系統如圖9所示,通過安裝在小車電動驅動機構低速軸上的配對齒輪,1∶1模擬下部傳動機構特性離合器的齒輪轉速。在與特性離合器齒輪轉速相同的齒輪上面設置了一個齒輪模擬盤。齒輪模擬盤的開槽角度與特性離合器齒輪的輪齒是相對應的;在小車電動驅動機構支架上設置了一個光電傳感器,可以探測到齒輪模擬盤的開槽信號,借此探測特性離合器齒輪的輪齒位置。光電傳感器將即時探測信號送達控制系統,通過控制系統達到使特性離合器齒輪的輪齒停止在非卡住區域的目的。

圖9 輪齒位置水上檢測系統Fig.9 Above-water gear tooth location detection system

3 乏燃料貯存格架設計研究

“華龍一號”項目中乏燃料貯存格架所涉及的燃耗、換料制度、乏燃料水池參數、抗震要求等設計輸入條件均發生變化,尤其是 “乏燃料貯存水池不宜同時采用燃耗信任制和硼置信方式進行設計”和 “設計地震峰值加速度由0.2g提高到0.3g”這兩項變化對乏燃料貯存格架的設計和計算產生重要影響。為滿足這些設計變化要求以及“十二五期間新建核電廠安全要求”,依托中核集團 “龍騰2020”科研項目,開展了乏燃料貯存格架專項科研設計及樣機研制,確保實現其 “能夠安全的貯存乏燃料組件”的設計要求[4]。

3.1 乏燃料貯存格架的結構

乏燃料貯存格架分為I區和II區兩個貯存區設計,共形成貯存小室1 173個,按18個月換料考慮,大約可以貯存反應堆運行18年乏燃料的卸料量。

II區乏燃料貯存格架共11臺,分別為8×10型,7×10型和7×11型,共形成791個貯存小室。每臺II區乏燃料貯存格架的不銹鋼骨架貯腔結構以及支腿支撐結構與I區格架基本相同,見圖11。在每個方形貯腔內布置有兩面設置的2.5 mm厚的硼不銹鋼板、L形支撐板、導向板等。貯腔頂部設置兩面L型帶錐度的導向段,為燃料組件的操作提供導向。

圖10 I區格架Fig.10 Spent f uel storage rack in region I

圖11 II區格架Fig.11 Spent f uel storage rack in region II

3.2 主要設計參數

?貯存小室柵距280 mm(I區);255 mm(II區);

? 貯存小室內徑22 mm×222 mm;

?貯腔高度4 265 mm;

?硼不銹鋼板厚度2.5 mm;

? 硼不銹鋼板高度3 800 mm。

經臨界分析計算,可貯存于II區的燃料組件初始富集度和燃耗限值之間的對應關系如表1所示。

表1 燃料組件初始富集度和燃耗限值之間的對應關系Table 1 Corresponding relations bet ween initial enrich ment and bur n-up li mit of f uel assembly

3.3 乏燃料貯存格架的設計特點

(1)用于吸收中子的功能性材料均采用硼不銹鋼

對拉桿進行靜態強度有限元分析。對拉桿施加相應的邊界條件，邊界條件如前面所述的拉桿受力分析。得到拉桿的應力云圖和變形云圖(圖6)。

I、II區的格架均采用了具有良好工程應用經驗的硼不銹鋼作為中子吸收材料。這種材料在乏燃料水池的輻照、腐蝕的綜合環境下的抗腐蝕性能和穩定性較好,可以避免以往工程中的鎘乏燃料貯存格架在包鎘不銹鋼密封性失效的情況下可能導致中子吸收能力降低的潛在危險。

(2)I、II區乏燃料貯存格架采用了相似的承載骨架

在滿足乏燃料貯存格架分區貯存的功能要求前提下,I、II區乏燃料貯存格架采用了相似的不銹鋼承載骨架,簡化了臨界、力學、熱工水力的分析計算工作。在制造方面,簡化了制造過程,可大大縮短制造周期。

(3)I區中子吸收材料采用了全新的支撐方式

根據I區乏燃料貯存格架的安全功能要求,結合以往工程的設計經驗,設計了全新的中子吸收材料支撐方式,保證中子吸收材料的可靠定位,并實現載荷傳遞。

(4)抗震計算按三代核電站要求

三代核電站極限安全地震動SL-2地面峰值加速度由0.2g增加到0.3g。乏燃料貯存格架的抗震設計按照三代核電站的抗震要求,采用了華龍標準化設計的包絡反應譜進行計算,滿足乏燃料貯存格架在SL-2地震工況下保證完整性的功能要求。

(5)臨界安全要求滿足 “十二五期間新建核電廠安全要求”

在臨界控制方面,兩個區的格架在正常工況下和假想的事故工況下,均能由格架本身的結構以及所帶的固定中子吸收體維持次臨界安全,不再置信乏燃料水池里的可溶硼,具有更好的臨界安全裕度。

4 新燃料升降機設計研究

新燃料升降機作為RFH系統的一項重要設備,其起升機構長期以來依賴國外進口,對 “華龍一號”設備國產化及走出國門帶來了負面影響。因此,依托中核集團 “龍騰2020”科研項目,開展了新燃料升降機起升機構自主設計及樣機研制,以掌握其設計和制造技術,解決出口受限問題[5]。

4.1 起升機構設計研究

新燃料升降機起升機構采用電機與卷筒平行布置的設計,以縮小安裝空間。電機與卷筒之間的扭矩傳遞通過減速器實現。起升機構通過兩個軸承座固定在上部構件上。減速器的重量由卷筒軸承擔,并在減速器一側設置防扭轉的扭力臂。安全制動器安裝在卷筒軸的一端,并與軸承座固定,如圖12所示。

圖12 新燃料升降機樣機Fig.12 New f uel elevator

起升機構設置有載荷測量裝置和位置檢測裝置。載荷測量裝置安裝在減速器的扭力臂上。位置檢測裝置由編碼器和凸輪限位開關組成,安裝在卷筒軸上。

起升機構控制系統的整體構架由驅動和測量部件與控制柜組成。根據起升機構的不同功能,通過PLC編程預設定了三種運行模式:正常模式、修復模式、檢查模式。可以通過操作臺上的三檔位轉換開關切換不同運行模式。

4.2 起升機構設計特點

1)采用扭力臂式載荷測量結構,扭力臂既可以作為減速箱的固定端,又可以進行載荷測量。如圖13所示。

圖13 扭力臂結構Fig.13 Torque ar m str ucture

2)起升機構設置多重保護。雙鋼絲繩起升系統,雙重制動系統,在控制上采用的監測模式包括編碼器控制、凸輪限位開關和高度位置的監測。正常模式操作時,高低速運行切換和停止是通過編碼器控制的。在編碼器控制失效或故障時,凸輪限位開關可以完成區域速度切換和定點停止的功能,起到了冗余保護的作用。

3)起升機構控制系統的多模式與多區域混合控制能夠確保減少誤操作,提高升降燃料組件的安全性。

5 結束語

隨著 “華龍一號”全球首堆示范工程福清核電站5號機組反應堆廠房穹頂吊裝圓滿完成,標志著 “華龍一號”由土建階段全面轉向安裝階段。作為燃料操作與貯存系統的重要設備,文中所述的各項設備有的已經完成設備驗收,科研的設備也已全部完成科研項目驗收,科研成果也即將應用到華龍首堆工程項目中。對于在后續現場安裝和調試階段可能出現的問題,我們也將隨時跟蹤處理,確保RFH系統設備安全、可靠地服務于 “華龍一號”工程。

致謝

文中所述工作得到了中國核電工程有限公司各級領導及同事的大力支持和幫助,更離不開相關設計者的辛勤付出,在此鄭重致謝。

[1]袁巍.ACP1000裝卸料機主提升機構設計研究 [R]．北京:中國核電工程有限公司,2014．

[2]葉陽春.專用單軌吊研制報告 [R]．北京:中國核電工程有限公司,2016．

[3]李建奇,張鑫,等.雙安全殼燃料轉運裝置研制總結報告 [R]．北京:中國核電工程有限公司,2016．

[4]劉慧芳．ACP1000乏燃料貯存格架研制總結報告 [R]．北京:中國核電工程有限公司,2016．

[5]李均．ACP1000新燃料升降機起升機構研制總結報告[R]．北京:中國核電工程有限公司,2017．