拆除乏燃料水池中子吸收體自動(dòng)化工具研究及應(yīng)用

鄧艷超，沈佳偉，郭 亮，杜 凱，吳小龍

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修支持處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

圖1 燃料格架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Fuel grid structure

秦山核電站是中國(guó)自行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)管理的第一座30萬(wàn)千瓦壓水堆核電站，1984年開工，1991年投運(yùn)，現(xiàn)已經(jīng)運(yùn)行了26年。燃料格架位于乏燃料水池中，用于貯存高放射性的乏燃料組件，是壓水堆核電站的重要設(shè)備之一。2017年根據(jù)延壽技術(shù)需求，確定需要拆除乏燃料貯存池內(nèi)的中子吸收體。本文將介紹一種適用于該核電機(jī)組可水下拆除、更換乏燃料格架中子吸收體的自動(dòng)化工具的研發(fā)和應(yīng)用，利用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備的控制與應(yīng)用，儀器儀表采集高度、定位、載荷、動(dòng)作等信息輸入，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)、輸出等功能，有效地解決了水下觀察困難、水下操作不便、無(wú)預(yù)制吊點(diǎn)、中子吸收體結(jié)構(gòu)空間限制等，此套工藝的設(shè)計(jì)和應(yīng)用順利完成中子吸收體抽取工作。

1 格架結(jié)構(gòu)組成

秦一廠30萬(wàn)千瓦機(jī)組所使用的乏燃料格架由中國(guó)自主設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造，由格架本體、支撐腳、中子吸收體組件、底板、壓緊部件等組成。單個(gè)乏燃料格架的外形尺寸為長(zhǎng)2215mm、寬1965mm、高3677mm[1]。

當(dāng)中子吸收體材料沒有裝入乏燃料格架中，組件貯存可以采用交叉排列，可有效控制增值系數(shù)小于0.90。當(dāng)中子吸收體插入乏燃料格架中，可有效控制增值系數(shù)遠(yuǎn)小于0.90，可以滿足格架內(nèi)所有空腔均能放置乏燃料組件。

乏燃料格架按要求安裝在乏燃料水池池底，格架空腔中心線與底部水平面垂直，并保持格架外形與水池兩側(cè)抓取機(jī)軌道平行。一般可滿足永久貯存要求[2]。

中子吸收體簡(jiǎn)稱硼板，采用B-10塑料板作為中子吸收材料，外表面用不銹鋼包裹，上部斜面形成型腔喇叭口，組件插入時(shí)起到導(dǎo)向作用。B-10塑料板由中國(guó)工程物料研究院化工材料研究所研制，有良好的物理性能、機(jī)械力學(xué)性能，抗輻照性能及抗硼酸水溶液浸泡和屏蔽性能等，在乏燃料貯存格架中插入中子吸收體保證了乏燃料組件在貯存時(shí)一直處于次臨界狀態(tài)[3]。

圖2 中子吸收體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of neutron absorber

2 中子吸收體拆除問(wèn)題分析

乏燃料貯存格架中子吸收體部件在機(jī)組運(yùn)行期間更換則需要面對(duì)以下問(wèn)題：

1）乏燃料貯存格架無(wú)法移動(dòng)：因該機(jī)組已運(yùn)行20余年，乏燃料貯存格架中已經(jīng)存放有核燃料組件，乏燃料貯存格架是無(wú)法再移動(dòng)的。

2）水下操作難度大：乏燃料組件本身存在高放射性，乏燃料組件貯存在乏燃料貯存格架中，需要覆蓋約11m的水作為輻射屏蔽層。拆除工作只能在水下進(jìn)行，操作難度很大。

3）檢修工作空間狹小：格架本身構(gòu)件緊湊（三角導(dǎo)向塊內(nèi)徑高度32mm、壓板高度壓緊部分高度5mm、螺栓頭部高度6mm、三角導(dǎo)向塊內(nèi)徑高度-（壓板高度壓緊部分高度+螺栓頭部高度）=剩余高度21mm，且進(jìn)行近10m的遠(yuǎn)程操作），中子吸收體旁邊即是乏燃料組件，使得檢修工作空間狹小。

4）吊運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)高：乏燃料池中的水是循環(huán)流動(dòng)的，用于帶走乏燃料組件的殘余熱量。水中吊裝（棚板自重約20kg）因缺少有效的固定，可能導(dǎo)致棚板脫落。

5）中子吸收體缺少專用吊點(diǎn)：中子吸收體頂部只有三角導(dǎo)向塊及其壓緊部件，沒有專制吊點(diǎn)。

3 工藝設(shè)計(jì)

由于中子吸收體拆除、更換工作本身存在較高風(fēng)險(xiǎn)，故工藝總體設(shè)計(jì)參照了多種壓水堆水下操作工藝——阻流塞拆裝、輻照樣品取出、燃料組件操作等。而專用工具則根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝細(xì)節(jié)需求進(jìn)行研發(fā)。除機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，重點(diǎn)考慮專用工具的自動(dòng)化程度，引入高度傳感器、載荷傳感器、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、儀控保護(hù)系統(tǒng)等部件，實(shí)現(xiàn)安全、高效、便捷的自動(dòng)化工具。

圖3 工具抓頭示意圖Fig.3 Schematic diagram of tool grab

3.1 工藝要求

根據(jù)中子吸收體結(jié)構(gòu)特征，擬定大致工藝設(shè)計(jì)如下：

1）旋松開中子吸收體三角導(dǎo)向塊十字壓板緊固螺母。

2）旋動(dòng)十字壓板（45°），解放中子吸收體上下自由度。

3）抓取中子吸收體，然后從格架中吊出并放入回收容器中。

4）恢復(fù)中子吸收體十字壓板及緊固螺母。

根據(jù)以往水下檢修工作經(jīng)驗(yàn)，本方案還需投用03廠房燃料抓取機(jī)、乏燃料格架吊車及廠房和乏池照明系統(tǒng)，另為增加水下操作的直觀性需要配備水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)。為保證整體作業(yè)實(shí)施的安全性、準(zhǔn)確性，還需配備高精度載荷傳感器等儀器儀表設(shè)備[4]。

3.2 專用工具設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

專用工具應(yīng)具備滿足相應(yīng)工藝的主要功能：

1）專用工具設(shè)計(jì)為可與現(xiàn)有的鋁制加長(zhǎng)桿連接的接口，可快捷拆裝，同時(shí)由于加長(zhǎng)桿的可擴(kuò)展性，同樣需為本專用工具設(shè)計(jì)、配備加長(zhǎng)桿專用的夾具、吊具等。

2）專用工具應(yīng)操作簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3）專用工具應(yīng)考慮保護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)高度傳感器、載荷傳感器等信號(hào)輸入，制定合理的PLC程序僅允許高度在某一范圍內(nèi)才允許信號(hào)輸出；僅允許載荷在一定范圍內(nèi)才允許執(zhí)行上下運(yùn)動(dòng)。

4）專用工具應(yīng)牢固可靠，具備安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在承載（約50kg）工況下不會(huì)出現(xiàn)與中子吸收體組件意外脫開的狀況。

5）依據(jù)擬定的以上基準(zhǔn)，本工藝的專用工具采用inventor軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。針對(duì)本工藝設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)了3套可分別實(shí)現(xiàn)3種不同功能的工具。

3.3 專用工具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的專用抓頭與鋁制加長(zhǎng)桿連接后可實(shí)現(xiàn)狹小空間內(nèi)中子吸收體自導(dǎo)向和抓取功能；通過(guò)提升、下降加長(zhǎng)桿即可帶動(dòng)工具內(nèi)芯桿的上下移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抓取功能；通過(guò)旋轉(zhuǎn)加長(zhǎng)桿即可帶動(dòng)工具內(nèi)芯桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可鎖定抓取和釋放的狀態(tài)，避免人為勿操作的可能性。專用工具鉤爪頭部設(shè)計(jì)成與三角板鏤空上內(nèi)表面契合的形狀，在吊裝過(guò)程中使中子吸收體處于垂直狀態(tài)。該工具材料選用耐硼酸輻射的不銹鋼、銷軸及各量零部件裝配均焊接牢固[5]。

設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)三維建模軟件將零部件裝配至整體。首先，檢驗(yàn)工具結(jié)構(gòu)是否滿足機(jī)加工要求，結(jié)構(gòu)是否合理，功能是否符合預(yù)期。同時(shí)在模擬裝配、焊接完畢后進(jìn)行力學(xué)分析，承載力達(dá)到100kg，滿足設(shè)計(jì)要求。確保了吊裝中子吸收體時(shí)主要承力零部件的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度都在不銹鋼材質(zhì)許可范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)帶載狀態(tài)下對(duì)專用工具整體的形變位移、變形趨勢(shì)、安全系數(shù)進(jìn)行了校核，確保均可在工藝要求范圍內(nèi)。

另對(duì)水下工作環(huán)境進(jìn)行建模，通過(guò)制作動(dòng)畫驗(yàn)證專用工具的操作空間是否符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。在專用工具加工、安裝、修改完成后，利用配重塊對(duì)抓具可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。加工制作中子吸收體模擬體，對(duì)專用工具的功能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，確保空間、重量、功能、安全性均符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3.4 儀器儀表及控制系統(tǒng)

高度傳感器：采用拉線編碼器，以人員操作的平臺(tái)高度為固定端，實(shí)時(shí)采集工具下降高度。通過(guò)PLC模塊設(shè)置高度編碼器控制值，在預(yù)設(shè)的高度范圍內(nèi)允許執(zhí)行其他動(dòng)作指令。控制精度在1mm[6]。

載荷傳感器：采用高精度、實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)的傳感器元件，以工具自由狀態(tài)的重量為設(shè)定值。通過(guò)PLC模塊處理數(shù)據(jù)，并設(shè)置超載值和欠載值。若出現(xiàn)超載情況，可立即切斷工具的上升動(dòng)作，起到保護(hù)作用。控制精度在0.1kg[7]。

電磁閥控制氣動(dòng)元件：使用兩組三位四通電磁閥控制氣路和氣缸的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)抓頭開合和芯桿升降的功能。通過(guò)PLC模塊處理數(shù)據(jù)，并執(zhí)行電磁閥動(dòng)作。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

專用工具操作，操作人員將中子吸收體專用工具底座三角槽與三角導(dǎo)向板上頂面貼合，工具當(dāng)前鎖定為釋放狀態(tài)。操作人員通過(guò)氣動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作使工具解鎖并提升加長(zhǎng)桿，使工具處于抓取狀態(tài)。使用吊車提升抓具，緩慢將中子吸收體抽出格架，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提升高度和提升重量。在確定中子吸收體無(wú)掛蹭的情況下，根據(jù)輻射防護(hù)監(jiān)測(cè)的劑量水平將中子吸收體吊出并放置于指定容器內(nèi)。

5 優(yōu)化與改進(jìn)

圖4 實(shí)施照片F(xiàn)ig.4 Implementation photos

通過(guò)本次中子吸收體更換作業(yè)，實(shí)地驗(yàn)證了該檢修工藝的可行性。從定位好操作中子吸收體開始，整體拆除工作花費(fèi)了約兩個(gè)小時(shí)，也證明了專用工具設(shè)計(jì)上符合預(yù)期，但由于項(xiàng)目準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)于倉(cāng)促，專用于本工藝的專用工具還有較大的優(yōu)化改進(jìn)空間。

1）增加位置、行程指示功能，使操作人員不依賴水下攝像系統(tǒng)，可減少前期工作的裝備投入。

2）在中子吸收體抓取工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)可增加氣缸和執(zhí)行機(jī)構(gòu)到位時(shí)的監(jiān)控探頭，并增加反饋指示燈。使工具的旋擰-鎖定、提升-抓取的動(dòng)作模式變成全自動(dòng)、全時(shí)監(jiān)控及全面監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化設(shè)備，可減少人力投入。

3）在中子吸收體抓取工具上安裝復(fù)位彈簧或改進(jìn)鎖定方式等。

6 小結(jié)

通過(guò)本工藝設(shè)計(jì)一方面實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行期間更換秦一廠30萬(wàn)千瓦機(jī)組乏池格架中子吸收體的目標(biāo)，其工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工裝加工、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施均自主完成，減少了公司在此項(xiàng)目上的資金投入。同時(shí)，也可用于國(guó)外（巴基斯坦）與秦一廠30萬(wàn)千瓦機(jī)組為同一類型的機(jī)組，以及其他電站需要實(shí)施乏池格架中子吸收體檢修更換的項(xiàng)目。