堆芯裝料機燃料操作難點分析及處理措施

于春寧 鄧寅生

摘要：堆芯加載是核電站每次換料大修關鍵路徑中的重要環節。安全高效的堆芯裝料不僅是核電站穩定、安全、經濟運行的前提，也是保證堆芯安全和第一道放射性屏障完整性的重要環節。本文僅考慮裝卸機械的運行對裝載的影響，對燃油抓斗、擺式機械和轉車性能對裝載的影響進行了探討。

關鍵詞：堆芯裝載機燃料;操作難度;分析治療措施;研究

1裝載困難分析

1.1裝卸機定位精度超差

1.1.1大型汽車編碼器的計數精度

在裝載過程中，裝卸機一般采用半自動模式運行，在此模式下裝卸機通過編碼器反饋給可編程邏輯控制器（PLC）控制系統，編碼器通過齒輪和齒條在軌道上嚙合旋轉進行位置信號反饋。編碼器和裝載機小車的實際距離之間存在線性關系，通過系數進行補償。調試過程中發現編碼器在運行過程中出現跳檔、測量數據漂移等故障。附加裝載機的大車跨度較大，雖然采用雙邊主從驅動方式，但由于制造、調試、安裝等過程中的偏差，裝載機的實際位置與大車核心部件的理論位置有關，可能存在偏差，影響裝卸機定位精度。

1.1.2套管的同心度和垂直度

燃料組件通過手柄與裝卸機內套筒連接，內套筒通過2根鋼絲繩懸掛在裝卸機升降機構上，內套筒由絞車上下驅動。外套固定在小車的甲板上，通過推力軸承壓在支撐架上;內套筒由2根鋼絲繩懸掛在卷筒上。內套筒的上下運動由安裝在外套筒上的7組導向輪引導。導向輪按0°和180°布置。從外套筒底部開始，152.4mm成對排列，間隔1.524m;同時，在外套筒內側底部安裝了四根長度為1.42m的燃料組件導桿，它們都分布在45°、135°、225°和315°四個方向上，為燃料組件和手柄的上下移動提供指導。在裝載過程中，由于堆芯升降過程中內套筒的導向精度，燃料組件會發生旋轉和擺動，導致機械部件的振動和磨損加劇，容易造成燃料組件及其相鄰部件的刮擦。嚴重情況下，燃油總成將損壞。因此，外套筒相對于鐵芯下板的垂直度以及內外套的同心度將影響裝卸機定位精度的精度。

1.2燃料組件的變形

機組正常運行期間，燃料組件經過長時間的輻照，并一直處于高溫高壓、高活性和特殊的水力運動環境中，隨著運行時間的增加，燃料組件的長度將增加，但受堆芯上限的限制，而鐵芯被燃料組件無法自由伸長，最終會出現燃料組件彎曲、變形。

燃料組件變形的形狀各不相同，因為燃料組件之間的間隙僅為1.5 mm，燃料組件的變形會擠壓相鄰燃料組件或侵占相鄰組件的空間、光線，導致裝卸機過載或欠載故障報警，或導致燃料組件相互干擾掛鉤，燃料組件擠壓損壞，影響充電大修持續時間，嚴重時甚至可能導致核安全事故。

2堆芯機操作困難的處理措施

2.1裝卸機定位精度超差驗證及處理措施

2.1.1.大型汽車編碼器定位精度驗證與調整

除編碼器定位外，裝卸機還采用物理尺和指針定位。因此，可以使用物理刻度和指針來驗證編碼器的定位精度。具體方法如下：在堆芯H8位置選擇作為裝卸機零點（原點），并在橋架、小車軌道井位置標記線，每天連續1班后將裝卸機定位到零位，確認指針與標記線是否對齊，因此，如果編碼器接口可以設置任何錯誤，則確認編碼器的錯誤位置，以修改編碼器的測量值。

2.1.2.外套管垂直度的校核和調整

可通過將鉛錘懸掛在0°、90°、180°和270°的外套筒外壁上，并在外壁上選擇至少三個位置測量外套筒與鉛錘線之間的距離來驗證外套筒的垂直度，滿足設計和安裝文件的要求（≤4.76毫米）。如果垂直度不符合要求，可通過增減裝卸機小車甲板上的支撐墊片來調整外套的垂直度。

2.1.3內外套筒同心度的調整

通過內套筒全行程運動試驗，將激光發射器固定在夾具定位銷上，驗證內外套筒的同心度，形成的光斑必須在φ4mm圓內。如果同心度不符合要求，可通過調整導向輪和導向桿之間的間隙以及調整提升機構提升支架的高度來實現。

2.2構件變形處理措施

2.2.1燃料組件旋轉加載

當燃料組件的變形方向朝向開放區域時，可通過旋轉裝卸機套筒將燃料組件旋轉到一定角度，以達到組件順利插入的目的。

2.2.2燃料組件擴展操作

燃料組件在堆芯銷上就位時，由于輻照變形或相鄰燃料組件的擠壓而出現一定程度的傾斜，這會占用其他燃料組件的空間，導致后續燃料組件的加載受到周圍組件的干擾而加載，現在需要傾斜反向驅動膨脹的燃料組件，當這種情況發生時，夾具可以重新定位在傾斜部件上。根據燃料組件的實際傾斜，裝載車或小車可以移動到標準坐標方向，傾斜的燃料組件可以推到標準坐標方向，最多可以推展開方向的第二組燃料組件和第三組燃料組件。

據調查，中國同行業的核電廠都為此配備了堆芯膨脹工具。堆芯膨脹工具可以在關閉狀態下進入要加載的燃料位置，操作堆芯膨脹工具打開，使傾斜部件可以移動到標準坐標，而不會損壞相鄰的燃料部件。

2.2.3燃料組件導向裝置（行李箱頂部）充電

燃料組件和堆芯下板由兩個180°對稱布置的定位銷定位。燃料組件下管座定位孔直徑22.2mm，堆芯下板定位銷直徑21.5mm。在不考慮燃料組件刮擦等因素的情況下，裝卸機的最大偏移量允許為11mm。當燃料組件的變形超過11mm時，即使通過調整坐標進行加載，燃料組件仍不能插入堆芯下板的定位銷中，裝載機坐標的過度調整將導致燃料組件擠壓，并增加燃料刮擦的風險。為了解決這一問題，需要將燃料組件導向裝置（小靴頂）放置在堆芯底板上，為扭曲的燃料組件和堆芯底板定位銷提供導向，以實現燃料組件的順利裝載和放置。雖然燃料組件的變形程度和變形方向是隨機的，但一般認為每個乏燃料組件在大修和加載時都會發生變形，這種變形不利于燃料組件的加載。因此，國內同行優先考慮在裝載每個乏燃料組件之前放置小防塵套。

小靴頂通常用作堆芯裝載的輔助工具，用于燃料組件的輔助導向。小鞋頂加載法是一種安全、高效、操作簡單且不占用變形裝配加載法關鍵路徑的加載方法。

2.2.4修改的材料步驟順序（跳躍步驟）

目前，三門核電站堆芯加載方式為“蛇型”。在后期充電中，大部分堆芯空間已被燃料組件占據，因為在使用燃料組件的位置時，L型小靴幫助占據了大約3個空間，堆芯沒有足夠的空間放置L型小靴幫助，單型和小靴幫助只能提供一個引導面，使用上述方法仍可以將燃料組件的一部分安裝到位。此時，只能選擇“跳過”操作來修改物料步驟順序。然而，每次換料大修前，堆芯燃料組件的裝載設計主要考慮堆芯燃料組件的濃縮程度、運行時間、反應性控制等因素。因此，“跳過”操作只能在核心核物理學家計算后進行，以確保核安全和控制。

2.3增加部件變形測量裝置

由于燃料組件的隨機變形和強烈的水下熱擾動，很難通過目測直接判斷燃料組件的變形量和變形方向，這給堆芯載荷帶來了很大的不確定性。然而，如果在加載鐵芯時添加部件變形測量裝置，則可以預先測量部件變形方向和變形量。根據實測數據和堆芯加載方案，分析燃料組件加載方式（是否可以直接就位，是否需要旋轉外套和提前改變加載步驟等），以及組件變形方式，變形量和變形位置標記在加載步驟列表中。通過預先分析、判斷和制定相應的處理措施，可最大限度地縮短檢修裝車周期，降低裝車難度。

3結論

綜上所述，在使用裝載機操作燃料組件的過程中，影響裝載的主要因素是裝載機的定位精度和燃料組件的變形。由于裝卸機的定位精度主要是在設備調試期間確定的，其次是機械運動部件之間的磨損引起的相關部件之間的精度變化對定位精度造成的影響，但可以通過調整坐標、調整或更換部件，包括定位精度對載荷的影響要盡量減小。

參考文獻

[1]汪寧遠，李然，劉義保，楊靈芳，楊波.基于MOX燃料組件的177混合堆芯裝料方案數值研究[J].核動力工程，2018，39（04）：6-10.