核電站廢樹脂自動取樣裝置系統設計研究

高虎

（南京源自電力自動化設備有限公司，江蘇 南京 211800）

1 研究背景

在我國核電站放射性廢物處理工藝系統中，濕廢物取樣分析是不可缺少的工藝環節之一，一般采用取樣手套箱或手動閥取進行人工取樣，通過控制取樣時間、距離、臨時屏蔽等手段，減少操作人員在取樣過程中輻射照射，取樣后屏蔽儲存樣品并安全轉運至實驗室同樣需要人工進行操作。目前，少部分AP1000 核電站引進了美國成熟技術設備，可以進行遠程操作、自動完成取樣儲存環節，可以將人員輻照風險降至最低。

受中美貿易摩擦影響，我國第三代核電示范項目CAP1400 反應堆中美國獨有的核技術、設備受到美國能源部10CFR Part 810 民用核電技術的出口限制，廢樹脂自動取樣裝置相關技術存在受限可能。為了填補國內該類設備的空白，避免受到國外進口限制，打破國外技術壟斷，廢樹脂自動取樣裝置國產化研究勢在必行，掌握設計、制造與試驗的核心科技，能夠為推進CAP1400 示范工程項目提供有力的支撐。

2 廢樹脂自動取樣裝置功能要求

廢樹脂取樣裝置進行取樣的濕廢物是由樹脂、活性炭、沸石等與水混合的流體介質，具有放射性，可對人體造成傷害，所以，取樣過程中應能通過遠程控制完成自動取樣；取出的樣品需要儲存到容器中并且能進行屏蔽，這一過程同樣需要遠程控制完成；當樣品進行屏蔽后，即可轉運至實驗室。綜合幾方面功能要求，廢樹脂自動取樣裝置需具備自動取樣、自動儲存、屏蔽防護以及轉運功能，考慮到轉運環節受核電站廠房環境因素影響，可以采用人工轉運方式，其他過程均應實現遠程控制、自動運行。

3 廢樹脂自動取樣裝置系統構成

根據功能需要，如圖1 所示，廢樹脂取樣自動取樣裝置由廢樹脂取樣器、取樣瓶、提升系統、屏蔽容器、轉運車、定位系統及控制系統構成。

3.1 廢樹脂取樣器

廢樹脂取樣器是整個裝置的核心部件，其作用是完成將濕廢物樣品從管線中取出這一重要環節。

廢樹脂取樣器通過法蘭安裝在濕廢物循環管線上，采用氣動方式通過氣缸驅動取樣頭在管線中伸出與復位。取樣頭上設采集腔，采集腔的容積是單次取出的樣品體積。當取樣頭隨氣缸動作伸入管線中，濕廢物介質進入采集腔并充滿；當取樣頭隨氣缸復位后，采集腔中的濕廢物介質被取出，并通過廢樹脂取樣器出口探針自然排出至取樣瓶中。

圖1 系統流程圖

圖2 吹掃單元

考慮到濕廢物介質不能全部自然排除，會殘留一部分附著在采集腔及管路上，如不處理，可能滴落至廠房內造成輻射污染，所以需要對取樣后的采集腔進行沖洗。傳統的沖洗方式沖洗壓力、沖洗水量均不易控制，所以，針對廢樹脂取樣器采取特殊工藝的吹掃單元，如圖2 所示，吹掃單元由兩個三通換向閥、減壓閥構成，吹掃出口接至采集腔沖洗入口，其工作原理是通過切換兩個三通換向閥進、出水方向，在兩個換向閥間的管路中留存一定量的除鹽水，通過減壓閥進行減壓的壓縮空氣推動留存的除鹽水對采集腔進行沖洗，當除鹽水吹掃完后，持續吹掃一定時間，確保采集腔內無水氣殘留。

3.2 取樣瓶

取樣瓶置于屏蔽容器中，用來存放廢樹脂取樣器取出的濕廢物樣品，它由頂部懸掛組件和樣瓶組成。樣瓶根據取樣量和吹掃水量選定容積，考慮到實驗室濕廢物樣品的取出，樣瓶可采用一次性聚丙烯瓶，通過螺紋與頂部懸掛組件連接，每次取樣更換新的樣瓶；取樣瓶懸掛組件與提升系統配合，隨提升系統上升和下降，在上升過程中，廢樹脂取樣器探針插入取樣瓶樣瓶中，廢樹脂取樣器取出的樣品通過探針流入樣瓶中；取完樣，取樣瓶隨提升系統下降至屏蔽容器中。

3.3 屏蔽容器及轉運車

當取樣瓶置于屏蔽容器中時，屏蔽容器能夠對濕廢物樣品進行輻射屏蔽。可采用圓桶式結構，頂部、四周及底部均有一定厚度的鉛屏蔽層，鉛屏蔽層厚度通過輻射計算得出，使容器外表面劑量率水平滿足人員近距離操作的要求。屏蔽容器頂部屏蔽能在取樣瓶上升和下降過程中自行打開或關閉。

屏蔽容器安裝在轉運車上，通過人工轉運方式來轉運至實驗室，轉運車具備升降及四方位移動功能，適用在狹窄通道內移動。

3.4 提升系統

提升系統通過氣動方式帶動取樣瓶實現上升與下降。提升系統包括導軌和滑塊及同時導軌上安裝的限位開關，控制取樣瓶上升與下降的位置。

3.5 控制系統

控制系統對取樣瓶運動定位、取樣過程操作及吹掃操作進行集成控制，且具備相應的狀態顯示及報警功能，可發送取樣啟動或終止指令，可檢測設備運行狀態；控制系統采用觸摸屏界面直觀顯示系統工作狀態，通過指示顏色變化及可見性直觀反映取樣系統各動作點及時狀態，以及綜合故障狀態、自動取樣結束狀態提醒等。

根據不同工作狀態，控制系統包括調試模式、自動運行模式及失效模式。

調試模式：針對設備投運前對各部件進行調試，測試動作、狀態、信號反饋是否正常。

自動運行模式：設備投入正常運行，在該模式下實現設備自動運行。

失效模式：針對廢樹脂取樣裝置正常工作狀態下出現突發情況如斷電、斷水、斷氣，控制系統進行的自動保護模式?？紤]到濕廢物介質的放射性，一旦出現突發情況可能會導致濕廢物介質滴落至工作環境中造成重大事故，所以在失效模式下，控制系統會自行判斷當前設備運行狀態并自動執行最安全動作。

4 工作流程

（1）取樣瓶更換一次性樣瓶后置于屏蔽容器中，通過手動方式推動轉運車至正確位置。

（2）取樣前，打開屏蔽容器頂部屏蔽蓋，取樣瓶通過提升系統從屏蔽容器中提升至取樣位置，此時，廢樹脂取樣器樣品出口探針插入樣瓶中。

（3）廢樹脂取樣器進行取樣，取出濕廢物樣品后進行吹掃，樣品最終吹掃至取樣瓶中。

（4）取樣結束后，取樣瓶通過提升系統下降至屏蔽容器中，屏蔽容器頂部屏蔽蓋關閉，同過手動方式推動轉運車至實驗室。

5 功能試驗平臺

廢樹脂取樣裝置作為核電站放射性廢物處理工藝的重要環節設備，在其應用前，需對設備系統配置功能能否達到設計要求需要進行功能試驗驗證。

功能試驗需搭建試驗平臺來模擬實際工況運行系統，包括模擬濕廢物介質配比、模擬濕廢物介質循環工況。試驗平臺應至少包括螺桿泵、混合箱、儲水箱、流量計、壓力表等，以滿足介質配比、介質輸送、流量監測、壓力監測等試驗條件，同時，試驗平臺還應能模擬各種突發情況以測試控制系統失效模式的可靠性。

6 結語

本文結合廢樹脂自動取樣裝置應用背景，對設備的工作原理、系統構成及控制要求進行了研究分析，確定了技術路線開展廢樹脂自動取樣裝置系統設計，涵蓋了機械結構、電氣儀控兩方面，基本上滿足了核電站系統對設備的技術要求。除此以外，廢樹脂取樣裝置還需要在輻射、抗震、自動轉運等相關專業方面進一步研究優化，包括：（1）廢樹脂自動取樣裝置在高輻射環境下運行，開展廢樹脂取樣過程的輻射防護分析，確定零部件工作壽命、材料老化等問題；（2）根據CAP1400 示范工程核電項目投資保護加速度要求，采用靜態載荷分析法，對廢樹脂自動取樣裝置進行抗震分析，確定整個裝置的鋼結構及支撐的穩定性；（3）開發智能機器人代替人工轉運，真正實現全過程自動化。