乏燃料相關組件水下縮容技術研究

丁 明，劉 攀，龔雪瓊，張 斌

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

隨著核電站的持續(xù)運行，國內運行周期較長的核電機組產生了大量廢乏燃料相關組件，存放在乏燃料水池中，占用大量的乏燃料貯存格架[1]。同時，核電站的運行會不斷產生乏燃料組件需存放在乏燃料水池格架內，由于目前國內乏燃料后處理能力有限，難以及時外運，導致乏燃料存放格架存儲能力不足。

隨著乏燃料水池可用格架數量的逐年減少，在新燃料接收、RCCA 檢查及大修卸料水池定位時，這些廢棄的相關組件被頻繁挪位，大大影響核電站檢修的工期和安全性。目前，國內針對廢棄乏燃料組件尚無相應的處理措施，部分核電廠以機組間乏燃料轉運的方法，來保證運行時間較長的機組能夠正常運行。基于乏燃料后處理運輸及乏水池格架優(yōu)化利用的考慮，需減小乏燃料相關組件存儲空間，以便存儲更多的乏燃料組件，并解決退役組件解體處置問題。

1 研究對象

燃料相關組件包括可燃毒物組件、中子源組件、阻力塞組件和控制棒組件，其中可燃毒物組件、中子源組件、阻力塞組件都包括一個壓緊組件形成的支承結構和相應的功能棒組件，壓緊組件的結構均相同，放置在燃料組件上管座的支承板上；控制棒組件主要由星形柄和吸收棒組件組成（圖1）。

圖1 控制棒組件

可燃毒物棒是兩層不銹鋼管中間夾著一層硼玻璃管，外徑9.7 mm，上、下兩端用端塞焊接密封，上端塞光段長度約40 mm，其包殼管材料為AISI 304 不銹鋼，端塞材料為AISI 308 不銹鋼。中子源棒結構與可燃毒物棒基本類似，包殼管材料為AISI 304 不銹鋼，端塞材料為AISI 308 不銹鋼，控制棒是不銹鋼管中間夾著吸收劑，外徑9.7 mm，星型架材料為AISI 304 不銹鋼，包殼管材料為滲氮AISI 316L 不銹鋼，端塞為AISI 308 不銹鋼。阻力塞棒是不銹鋼圓棒，外徑最大尺寸11 mm，端部過渡段直徑4.85 mm。

2 方案設計

2.1 總體思路

根據相關組件的結構特點，在滿足現場使用要求的前提下，制定乏燃料相關組件縮容總體思路：①將可燃毒物組件、中子源組件、阻力塞組件、控制棒組件的功能棒和連接柄解體分離；②將分離下來的連接柄和單棒分類存放在專用的貯存容器中；③將貯存容器存放在乏燃料水池格架內。縮小相關組件存儲過程中各棒束之間的距離，最大限度縮小存儲空間，達到減少占用乏燃料水池格架的目的，見圖2。

圖2 燃料相關組件縮容示意

按照上述思路進行縮容處理需滿足如下要求：

（1）縮容操作流程必須合理可行，不得影響機組正常運行，保證乏燃料水池格架中的燃料組件和相關組件的安全。

（2）縮容處置過程中必須確保足夠的水屏蔽層，相關組件始終在水面3 m 以下，防止放射性風險。

（3）為了避免解體操作過程中有碎屑和其他異物落入水池，解體操作必須采用無屑剪切。

（4）為防止放射性物質的泄漏，剪切切口應盡量靠近連接板，使剪切分離后的功能棒仍然有上端塞保護，便于存儲。

（5）為了保證剪切后仍然有端塞保護，對于可燃毒物組件、中子源組件，可供剪切的部分為單棒上端塞靠近連接板40 mm區(qū)域，考慮到剪切刃口的定位誤差，剪切位應盡量控制在離連接板25 mm 范圍內；阻力塞棒是一根不銹鋼棒，其可剪切范圍可以適當放大，為保持一致性，實際操作時應與可燃毒物棒、中子源棒剪切位置一致；控制棒組件的可剪切區(qū)域為吸收棒的上端塞部分，其可剪切范圍適當放大（約82 mm），但為了保持一致性，剪切切口位置與可燃毒物組件、中子源組件一致。

2.2 工作流程設計

乏燃料相關組件縮容需充分考慮現場環(huán)境，要求縮容操作流程科學、合理，不得影響機組的正常運行。

（1）為了保證縮容操作不影響乏燃料水池和整個機組的正常運行和操作安全性（3 m 以上水屏蔽），縮容操作需與乏燃料水池隔離。考慮燃料廠房布置，縮容操作選擇在裝罐池內進行，故縮容操作的第一步是將相關組件從乏燃料水池轉移至裝罐池。

（2）為了便于解體后連接柄和單棒的轉移和最終存儲，且減少水下運動機械結構，對相關組件的剪切采取橫向臥式剪切的方式，因而縮容操作的第二步是將相關組件從豎直狀態(tài)翻轉至水平狀態(tài)。

（3）為了對相關組件進行準確定位，相關組件剪切解體分離前需進行裝夾固定，故縮容操作的第三步是將相關組件裝夾固定。

（4）縮容操作的第四步是對相關組件進行水下無屑剪切，分離相關組件單棒和連接柄。

（5）將剪切分離后的單棒和連接柄分別存放在指定的貯存容器中，最終將裝滿的貯存容器存放在乏燃料水池格架上，完成整個縮容操作。

2.3 縮容設備

縮容流程所需設備主要包括組件轉移設備、組件翻轉設備、組件裝夾設備、剪切分離設備以及組件存儲設備，各設備具體功能見表1，在裝罐池內的布置如圖3 所示。

圖3 縮容設備裝罐水池內布局

縮容設備應具備以下技術特性：

（1）整套縮容設備在使用過程中，始終保持相關組件在水面以下3 m，避免對操作人員外照射。

（2）整套剪切裝置通過夾緊固定機構夾持在乏水池池壁的水泥臺上，不需要改造電站原有結構且裝拆方便。

（3）在組件轉移以及分離后單棒、連接柄轉移過程中，相關轉移工具均能實現鎖緊，避免轉移過程中發(fā)生墜落。

（4）組件翻轉過程中，翻轉裝置與剪切平臺之間設有軟限位和硬限位，避免翻轉裝置翻轉角度過大，組件從翻轉裝置上溜出。

（5）剪切刀具是剪切解體的執(zhí)行元件，為了避免污染乏水池水質，剪切裝置采用冷擠壓斷裂的方式實現相關組件單棒和連接柄的分離；剪切裝置通過液壓系統(tǒng)傳遞動力，并采用去離子水作為液壓工作介質。

（6）剪切過程中，剪切定刀片寬度設計合理，剪切時定刀片貼近連接柄端面，控制剪切斷口在上端塞范圍內，不會破壞相關組件單棒的結構完整性，不會造成放射性氣體泄漏。

（7）十字滑臺用于調整剪切刀具與相關組件之間的相對位置，實現剪切刀具X、Y、Z 三個方向的位置調整，其控制采用自動程序定位，并配合手動調整，既保證了設備操作便捷性，又具備一定的精確性。

（8）組件翻轉機構一方面作為夾具固定相關組件，另一方面攜帶相關組件旋轉，每次旋轉90°后自動鎖死，使剪切裝置每次只需剪切靠近刀具側的兩排相關組件單棒，通過4 次旋轉完成24 根單棒剪切，減小對刀行程和剪切刀具結構尺寸。

（9）為了確保剪切過程的安全性，實時檢測液壓系統(tǒng)壓力，當系統(tǒng)壓力超過安全閥值后，終止剪切程序，并提示對剪切裝置進行檢查或更換刀具。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由工控機、PLC 以及視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成（圖5）。工控機作為人機交互接口，主要完成操作指令的輸入、設備狀態(tài)的監(jiān)控、視頻信號的顯示和儲存，并輔以作業(yè)管理等功能；PLC 控制系統(tǒng)實現對各個執(zhí)行元器件的直接控制。PLC 的控制對象有3 個部分：剪切裝置X、Y、Z 方向的移動、液壓剪切操作以及卷揚機的啟停。

圖4 乏燃料相關組件縮容設備控制系統(tǒng)

乏燃料相關組件縮容設備控制系統(tǒng)具備以下技術特性：

（1）為了保護電機、防止燒毀，在電機選型上使用防燒電機或者增加空氣開關和熱繼電器，進行電流保護和過載保護。

（2）為了防止X、Y 和Z 向的滑塊脫離軌道，設備安裝完成后進入調試模式，調整3 個方向的限制范圍，確認后退出調試模式。手動和自動模式下不能調整限位。

（3）水液壓剪切裝置壓力限定、剪切缸行程限定、水位和水溫超限報警，當測量值超過閾值時，將彈出報警信號窗口。

（4）為防止誤操作，水液壓剪切裝置和十字滑臺間有互鎖功能，無論是手動還是自動模式，只有確認進刀對刀完成，十字滑臺鎖定，方可啟動水液壓剪切裝置；只有確認剪切完成，鎖定水液壓剪切裝置后，十字滑臺方可進行下一步動作。

3 應用案例

目前，該燃料相關組件水下縮容技術已成功運用于某核電站1、2、3、4 號機組的廢棄相關組件縮容作業(yè)，對每個機組都實現了66 組可燃毒物組件和2 組中子源組件的解體分離，安全有效地將896 根可燃毒物棒束、4 根中子源棒束和732 根阻力塞棒束從68 個“之”字形連接柄上解體。

整套縮容設備具備安全、高效和高維護性。在水下攝像頭的監(jiān)視下，配合十字滑臺微調功能，對刀位置精確，所有斷口都在相關組件的安全剪切區(qū)域內。可在40 min 內完成一組組件剪切，刀具在剪切10 組組件后可在30 min 內完成更換。整個縮容作業(yè)中沒有放射性物質泄漏，也沒有產生任何碎屑對乏水池水質造成污染。

每個機組被解體下來的連接柄和單棒分別存放在7 個外形尺寸與燃料組件相同的貯存容器中，最終僅占用7 個乏燃料貯存格架。為4 個機組乏燃料水池優(yōu)化出500 多個有效可用格架，提高了約10%的存儲能力。

通過在現場的成功應用，乏燃料水下縮容技術各項功能均得到有效驗證，滿足乏燃料相關組件的縮容要求。

4 結語

乏燃料相關組件水下縮容技術通過自動定位和水液壓無屑剪切實現單棒與連接板的分離，不僅保證分離后單棒的結構完整性，避免放射性氣體泄漏，還避免水池內進入新的異物。該技術能夠以近10∶1 的比例進行固態(tài)廢料優(yōu)化貯存，為機組乏燃料水池優(yōu)化出大量可用格架，解決了核電站格架存儲能力不足的問題，提高了格架的利用率，對保證核電站正常運行具有重要意義，產生了顯著的經濟和社會效益，具備一定推廣和借鑒價值。