核設施退役技術分析

【摘要】未來數年，我國陸續有多項核設施將進入退役周期，退役任務將會常態化，核設施退役處置任務的增加，將使得相關核安全管控及環保壓力隨之增大。核設施退役時反應堆壓力容器與支撐結構切割分離和反應堆屏蔽結構的切割拆除，又是其中極為重要的一項涉核活動，這就使得設計開發一種安全高效的退役切割分離和拆除技術，成為一項十分必要的工作，以達到盡量減少退役實施對公眾和環境帶來的輻射傷害和其他危害。

【關鍵詞】核設施退役|機械運動系統|超高壓水射流切割|等離子切割

核設施退役過程中的重難點技術工作是反應堆及一回路內的涉核物項拆除及處置，其中反應堆壓力容器與支撐結構切割分離和反應堆屏蔽結構的切割拆除又是其中極為重要的一項工作。反應堆支撐結構是反應堆壓力容器的重要支撐結構件，其已被活化，表面輻射劑量率水平較高，屬于中高劑量放射性廢物，其上端與壓力容器焊接為一體，下端與附屬支撐結構焊接相連。在壓力容器拆除時，需要將支撐結構與壓力容器切割分離，壓力容器拆吊后，在空氣中對支撐結構中水上部分進行切割解體，然后在拆除縱向固定機構后，對支撐結構下半部分進行水下切割解體。由于反應堆屏蔽結構采用夾鉛的特殊結構，所以在退役拆解過程中不能使用熱切割（基于鉛低沸點的物理特性，熱切割時會產生鉛蒸汽造成污染，容易引起工作人員鉛中毒），故只能采用冷切割的方式進行拆除，同時目標產品核安全等級高、拆除難度大、切割工藝要求嚴。

為了完成上述核設施退役過程中反應堆壓力容器與支撐結構切割分離和反應堆屏蔽結構的切割拆除任務，本文提出了一種能夠實現遠距離操作和現場控制操作相結合的切割拆除技術，選用等離子切割技術實現反應堆支撐結構水下和水上部位的切割拆除，選用疊加超高壓水射流切割技術進行反應堆屏蔽結構切割拆除，實現夾鉛屏蔽結構的冷態切割，同時根據核設施退役現場空間接口尺寸靈活配備各切割設備安裝基架平臺，然后再通過電氣控制系統對上述各設備進行系統集成與功能控制，進而解決反應堆壓力容器與支撐結構切割分離和反應堆屏蔽結構的切割拆除問題。

一、核設施退役切割技術論證分析

核設施退役切割技術實施主要流程為：由電氣控制系統通過程序操控設備安裝基架平臺的機械運動系統，確保各類割炬按規定的切割工藝要求進行切割軌跡運行，完成對所設定位置或部位的切割，實體設備部分主要由機械運動系統、等離子切割系統、超高壓水射流切割系統、電氣控制系統四部分組成。

（一）機械運動系統

機械運動系統主要由基架、下車、上車、割炬升降與回轉機構等組成，底部為帶有支腿的矩形基架。基架的一對橫梁上載有一個下車，可實現Y軸方向的直線運動；下車橫梁上載有一個上車，可實現x軸方向的直線運動；上車載有升降管支架，安裝其內的升降管可實現Z軸方向的直線運動；安裝于上車車盤上的水平旋轉齒輪，通過上車的驅動裝置，可帶動安放其上的升降管支架等部件實現繞Z軸（鉛直方向）的水平旋轉運動，構成旋轉C軸。

在上述四個軸的運動中，由X、Y、Z三個軸合成的直線運動，可使裝于升降管下端的割炬沿要求的平面或空間任意軌跡到達基架所圍成筒體空間的各點，再通過與C軸的旋轉聯動，可在切割平面或曲面時，調整割炬始終能保持與切割工件曲面切線的垂直，即切割點軌跡可以是平面內也可以是空間內的直線、曲線，因此可滿足不同的使用要求，其主要切割組合方式如下：

1.水平直線：X.Y軸合成實現；

2.水平圓環：X.Y.C軸合成實現；

3.垂直直線：Z軸實現；

4.垂直圓環：Z，C軸合成實現。

（二）等離子切割系統

數控等離子切割技術是集數控技術、等離子切割技術、逆變電源于一體的高新技術[1]，等離子切割系統主要由主電源箱、切割控制器、匯流氣排、冷卻水增壓器、傳輸線纜和接線板、高頻引弧箱、割炬七部分組成。選用等離子切割方式進行反應堆壓力容器支撐結構切割拆除時，將等離子切割割炬依附安裝在機械運行系統的Z軸下端位置的割炬夾持機構上，結合數控系統的程序操作可順利執行反應堆壓力容器支撐結構的切割實施，等離子切割系統配設時主要選型特點如下：

1.盡量選擇目前國內可靠性較高的大電流等離子弧切割機，以增加切割厚度；

2.主電源箱、氣源、水源等與割炬之間的傳輸距離應滿足現場距離要求；

3.切割時應能實時反饋切割電流、電壓等設備主要運行參數。

為滿足現場切割要求，等離子切割系統控制分就地控制和集中控制兩種方式，兩種方式均設有斷弧報警、斷弧坐標記憶功能，具體控制方式如下。

1.就地控制：通過等離子切割設備自身開關進行控制，步驟如下。

打開等離子電源開關→開啟水循環系統一開啟工作氣并形成水幕→等離子切割機控制器起弧→等離子切割機控制器熄弧。

2.集中控制：通過控制柜集中控制等離子設備的起弧、滅弧，步驟如下。

打開等離子電源開關→開啟水循環系統→按下控制面板自定義鍵選擇進入等離子界面→選擇等離子模式后，便可通過控制面板上起弧、斷弧自定義鍵對等離子設備進行控制。

（三）超高壓水射流切割系統

超高壓水射流切割是通過高壓發生器將水增壓后，利用虹吸抽取砂管中的石榴砂來提高切割物體效率，又被稱做水刀，屬于冷切割工藝，切割后材料的機械與物理性能以及材質的晶間結構均不會遭到破壞[2]。超高壓水射流切割系統主要由高壓發生器、切割槍、供砂系統、循環水泵、水箱、水刀持臂組件等組成。將超高壓水射流切割割炬依附安裝在機械運行系統的Z軸下端位置的割炬夾持機構上，結合數控系統的程序操作可順利執行反應堆壓力容器夾鉛屏蔽結構的切割實施。超高壓水射流切割系統配設時應滿足以下要求：

1.增壓器系統和切割系統應保證在超高工作壓力下設備運行的穩定性；

2.設備輸出壓力持續穩定，達到物項切割要求；

3.油泵電機功率符合要求，能夠確保壓力穩定，確保切割效率優良；

4.切割頭應能夠360°旋轉，可以切割任意角度位置的物體。

為滿足現場切割要求，高壓水切割系統的控制與等離子控制系統控制方式一樣，分就地控制和集中控制，具體控制方式如下。

1.就地控制：通過超高壓水射流切割設備開關進行控制，步驟如下。

確保設備水、電、氣、砂都準備好后，打開自動供砂系統氣源開關，由儲砂罐向自動供沙閥內供砂→開啟高壓發生器油泵開關，直至油泵運轉平穩→開啟高壓發生器高壓運行開關，超高壓水射流切割系統開始工作→關閉停止切割時，則關閉高壓發生器高壓運行開關→關閉高壓發生器油泵開關→切斷供電開關，切割結束。

2.集中控制：通過控制柜集中控制超高壓水射流切割系統的油泵開/關、高壓開/關，步驟如下。

確保各設備水、電、氣、砂準備就緒后→開啟自動供砂系統氣源，往自動供沙閥內供砂→按下控制柜控制面板自定義鍵，選擇水刀手動模式，選擇水刀切割模式→開啟按下油泵開，高壓開，水刀系統開始工作→關閉按下高壓關，油泵關，水刀系統停止工作，緊急情況下可按下水刀急停鍵。

（四）電氣控制系統

電氣控制系統主要由數控系統、全數字化驅動系統、自動補償裝置、專業手持終端、伺服電機、編碼器、位置開關等組成，數控系統通過與驅動系統的集成，配合自動化系統構成完整的數字化系統。由于機械運動系統的主要運動軌跡是由X，Y，Z軸三個直線運動與C軸旋轉運動合成的，所以需要精確地控制各軸的位置。因此，在這四個運動軸上均裝有高精度光電編碼器，以便能夠及時記憶和反饋各軸的實時位置信息，實現閉環控制。其主要控制系統功能包括下述內容：

1.設置切割起點、終點的坐標數據，切割長度、角度等參數設置功能；

2.切割過程規劃和編程；

3.零點跟蹤返回；

4.程序控制切割實施；

5.現場操作和遙控操作；

6.切割路徑及實時工作狀態顯示。

二、核設施退役切割技術影響評價

核設施退役切割專用技術的設計開發，解決了我國核設施退役反應堆放射性物項安全切割拆除的重大難題，提升了核退役保障系統專用設備及技術的質量和效率，極大地降低了核設施退役為國家帶來的核安全管控風險，增強了我國在核設施退役領域的技術實力，使我國形成了從核設施設計開發、制造運行到退役拆除完整閉環的全流程技術管理能力。

三、結語

核設施退役既是一項大型復雜的技術工作，更是一件影響深遠的政治工作，因為它涉及到環境保護、公眾利益和國土安全[3]。隨著核設施退役任務的常態化開展，核設施退役保障要求的不斷提高，我們只有通過不斷學習和總結核設施退役活動中的各類經驗反饋，不斷研制和開發各類新裝備新技術，才能將核設施退役任務開展過程中的各類風險有效降低，才能順利開展核設施退役工作，才能切實做到核設施退役實施過程的合理可控。中國軍轉民

參考文獻

[1]楊素媛.國內等離子切割技術發展現狀[J].2010.

[2]程效銳.液壓氣動與密封（高壓水射流技術的應用現狀與發展前景）[J].2019.

[3]任憲文，劉文倉.輻射防護通訊（核設施退役廢物管理）[J].2008.

（作者簡介：張元平，中國人民解放軍第四八零八工廠軍械修理廠，工程師，本科，研究方向為機械工程類產品的研究開發及核退役工程項目的管理實施，從事核設施退役工作多年，熟悉掌握核退役工程涉及的相關技術及專用設備）