模塊化小堆堆芯測量組件裝卸方法及專用設備研究

李海博+王炳炎

【摘 要】本文介紹了模塊化小堆堆內設備裝卸的總體方案，對堆芯測量組件裝卸的工藝方案，主要工藝參數制定考慮的因素進行了分析。對堆芯測量組件的專用裝卸設備進行了詳細的描述，并結合試驗數據，對專用設備的主要參數及控制邏輯進行了分析。

【關鍵詞】模塊化；堆芯測量；裝卸；專用設備

0 引言

模塊式小型反應堆是一種基于最新的第三代反應堆技術開發(fā)的多功能小型反應堆。模塊化小型堆最大的特點是一體化、模塊化、安全性能高及多用途，實現了全堆系統一體化集成、反應堆模塊廠內加工、現場快速安裝[1]。該反應堆配備了高安全性的非能動安全系統，簡化的系統方案帶來更好的可靠性和安全性，全堆模塊化設計和施工，提供更高效的運行、安裝及檢修維護方式。

鑒于模塊式小堆體積小、占地少，相對于傳統大堆應用更加靈活，能夠滿足區(qū)域性的供熱、供電，艦船反應堆加裝等多樣性的需求，正日益受到全球核電大國的青睞。目前美日俄韓等國都在持續(xù)進行各自的小型堆開發(fā)，如美國西屋公司牽頭開發(fā)的IRIS、俄羅斯OKMB開發(fā)的ABV小型堆、韓國的SMART、日本的MRX等。

由我國自主研發(fā)的ACP100模塊式小堆具有一體化設計特點，采用非能動安全設施，總體技術達到三代核電水平。反應堆結構設計采用一體化堆頂、內置式直流蒸發(fā)器，以及分段式安裝的堆內構件，具有與傳統壓水堆型反應堆不同的結構形式。

1 概述

反應堆堆內設備是支撐燃料組件、控制棒驅動機構、為冷卻劑提供流道的主要設備，在吊裝時應結合現場實際情況進行方案制定，并對起吊設備進行仔細的受力核算[2]。ACP100模塊式小堆的堆內構件包括壓緊彈簧、上部壓緊筒體、下部壓緊組件、吊籃組件，以及堆芯測量組件等。其中堆芯測量組件包含了中子測量裝置、溫度測量熱電偶等，采用分散布置，集束安裝的設計方案，從堆頂貫穿進入反應堆堆芯內部，對反應堆的運行狀況進行監(jiān)測。

從堆內設備的布置形式來考慮，上部壓緊筒體與下部堆內構件具有完全不同的功能結構和裝卸接口，因此上部壓緊筒體與下部壓緊組件、吊籃組件采用不同的吊裝專用設備進行裝卸。堆內設備的裝卸總體上包括以下工藝過程：①反應堆開蓋前對一回路壓力邊界的卸除，包含堆芯測量組件密封結構的解除和壓力容器密封緊固力的去除；②反應堆開蓋后控制棒驅動桿的脫扣及檢查、吊取；③堆芯測量組件的收取、壓緊彈簧組件和上部壓緊筒體的卸除，同時考慮整體貯存、水層屏蔽下的例行檢修工藝需求；④下部壓緊組件的卸除，以及導向管組件的單獨檢修工藝；⑤乏燃料組件的卸除、轉運及貯存；⑥吊籃組件的卸除，水池內臨時貯存、檢修以及復裝工藝。其中堆芯測量組件、上部壓緊筒體的裝卸與傳統壓水反應堆完全不同。

2 堆芯測量組件同步裝卸方法

2.1 實現同步裝卸的工藝方案

近年來國產化的堆芯測量傳感器得到了普遍應用，包括測量燃料中心溫度的套管式高溫熱電偶組件，測量燃料包殼伸長的差動變壓器型位移傳感器以及測量輻照然料元件中子通量和通量分布的自給能探測器和測量燃料包殼溫度和考驗元件出入口冷卻劑溫度的鎧裝熱電偶等[3]。模塊式小堆堆芯測量組件通過8個集束裝置分別插入各自導管內，再深入堆芯。集束裝置安裝在上部壓緊筒體上，反應堆卸料前需要卸除上部壓緊筒體，這樣就不得不先將堆芯測量組件提出堆芯，并且必須將其提升至一個較高的高度，使得堆芯測量組件最下端的核心段進入壓緊筒體上的導管內部，避免在復裝時由于脫離導向而無法再次裝入堆芯。因此堆芯測量組件在換料時就存在一個實現與上部壓緊筒體同步裝卸的問題。

目前AP1000的堆芯測量組件在檢修時采用整體更換的方案，即將其支撐架整體拆除進入專用存放架上后再逐組處理探測器組件。由于模塊式小堆支承堆芯測量組件的集束裝置與上部壓緊筒體采用了一體化設計，沒有單可供獨吊裝的支撐架，因此探測器組件必須先行進行提升卸除操作。為實現與上部壓緊筒體的同步卸除，我們在其專用吊具上加裝了堆芯測量組件的裝拆裝置，在吊取筒體的同時將堆芯測量組件提出堆芯，一起運至存放水池內，并實現探測器的臨時固定功能。其拆卸和復裝的方法如圖1所示。拆卸時，先進行解除密封操作；然后使用專用吊具進行上部壓緊筒體的吊取以及同時實現堆芯測量組件操作段的裝夾；之后將堆芯測量組件提升約3.7米，直至其下端完全脫離堆芯進入上部壓緊筒體導管內；就位后在上位對其進行臨時固定操作；逐組進行提升、固定操作，直至全部組件脫離堆芯；最后使用專用吊具將上部壓緊筒體和堆芯測量組件同時吊運至存放水池進行存放；復裝時則先將兩者同時吊運至堆內，再分別將堆芯測量組件逐組插入堆芯內部，最后進行密封操作。

2.2 工藝參數制定考慮的主要因素

工藝參數的制定和專用設備主要設計參數的確定需要考慮反應堆廠房內與裝卸工藝路徑相關的環(huán)境條件、操作對象的狀態(tài)及其與反應堆結構之間的關系、同時從輻射防護的角度還應將人員安全、輻射屏蔽等因素考慮在內。通過分析，綜合各方面的因素來確定堆芯測量組件的上位標高、裝夾位置標高、專用工具尺寸等詳細參數。

堆芯測量組件解除密封后，提升前頂端接頭位于標高-5.7米處（水池蓋板位置為0米標高），組件總長約8米，在下位時底端置于堆芯內部。專用吊具就位于上部壓緊筒體法蘭上，為保證吊具上部不入水，吊具操作位置應高于堆水池實際水深，其尺寸約8.5米。堆芯測量組件與上部壓緊筒體共同起吊后為保證輻射屏蔽效果，筒體法蘭距離水面至少約2米?？紤]組件長度，實際提升進入筒體內的位置應保證起吊后平移操作開始時，下端頭位于實際標高-6.5米處；而組件抽出和插入操作的裝夾位置則應考慮吊具上的堆芯測量組件輔助操作裝置所能到達的最低位置，使其位于堆芯測量組件頂端向下約0.8米處，起吊前實際標高位置為-6.5米。

3 專用設備研制

3.1 功能及組成

堆芯測量組件操作裝置是上部壓緊筒體吊具的一部分，安裝在吊具的中下部，但該裝置卻是單獨控制的一套完整的自動化操作設備。它完成的主要功能包括：①堆芯測量組件在上下兩個位置的裝夾；②堆芯測量組件的提升操作、插入操作；③堆芯測量組件在上端位置的定位。

該操作裝置共分為三層結構，最上層包含一圈定位夾頭，在堆芯測量組件上位實施臨時固定；中層為提升裝置，拆卸階段在實施夾持后提升堆芯測量組件至上位；下層為復裝機構，在復裝階段通過夾持、插入動作，將組件逐組插入壓緊筒體，使其恢復至下位安裝位置。上層定位夾頭與提升及插入裝置分開布置，操作裝置試驗樣機主體結構如圖2所示。

提升裝置由驅動電機、絲杠、導向桿、提升板、鎖緊裝置組成。電機和絲杠、導向桿等部件組成線性運動機構，鎖緊裝置安裝于提升板上隨其進行直線運動。鎖緊裝置內置凸輪壓緊機構，當操作把手在手動或氣動驅使下進行旋轉時，內置的凸輪壓緊機構將驅動中心的卡套實現伸縮動作，卡套伸出時，堆芯測量裝置端頭將被鎖死，縮回時則釋放。端頭鎖死后再進行提升，反之到達下位后則進行釋放操作。

下層復裝機構由夾持裝置、推送機構、就位滑槽等幾個部分組成。其中就位滑槽是一組可供復裝機構在工作位置和非工作位置之間移動的滑軌機構，需要進行插入操作時則在手動或氣動作用下移動至工作位置。在試驗樣機中，由于只進行了單根堆芯測量組件的插入試驗，因此滑槽設計為直線式，在實際產品中將進行4根堆芯測量組件的操作，因此滑槽形式將根據實際情況更改為均布的環(huán)形滑軌。推送裝置由內置氣缸、固定板和推動板組成，氣缸安裝在固定板上，推動板將在氣動作用下作上下運動。夾持裝置則安裝在推動板的最底端，夾持裝置內置雙層楔形夾緊塊，外形為開放的C形結構，便于堆芯測量組件夾持段進入夾緊機構內，在組件進入夾緊機構后，通過推動裝置的上下運動，即可實現組件的自動夾緊、推送、插入、松弛的動作循環(huán)。

3.2 設計參數及控制邏輯

3.2.1 提升及夾持力

為了明確夾緊機構的實際最大夾持力以及提升組件所需的提升力，我們開展了大量的試驗，通過試驗數據的收集，得出了提升和推送力的最大值，從而得出了所需的夾持力。試驗時考慮了全部集束管的形態(tài)，取其中具有最大彎曲量的2種集束管狀態(tài)，進行了單根堆芯測量組件提升及推送力測試。在堆芯測量組件夾持塊上加裝測力計，人工手動對組件全程進行提升和推送，并記錄每一步操作力的最大測量值，實際試驗數據如表1所示，在具有最大彎曲量的集束狀態(tài)下，全程推送力最大值為550N，提升力最大值為584N。

3.2.2 運行邏輯及控制方案

從提高工作效率方面考慮，堆芯測量組件操作裝置分別設置提升組件和推送組件，兩者分別執(zhí)行不同的操作任務，通過同一套控制器進行控制。

用于操作裝置動作控制的參數來源于裝置上安裝的多個數據采集及行程傳感設備。動作控制點的設置主要包括：①上行程最頂端的上到位行程開關對上到位信號進行判斷；②上部氣動開關進行上端鎖定裝置狀態(tài)判斷；③絲桿驅動電機編碼器對堆芯測量組件的提升位置進行監(jiān)測；④操作裝置下端下到位行程開關對下到位信號進行判斷；⑤推送裝置位置行程開關進行就位狀態(tài)判斷；⑥推送動作丟步判斷；⑦推送力及提升力監(jiān)測。

堆芯測量組件操作裝置控制邏輯如圖3所示。運動動作分為提升和推送兩部分，推送力監(jiān)測及提升力監(jiān)測全程同步進行，一旦檢測量與設定值偏差超過50%，則緊急停機。提升過程中位置信號監(jiān)測全程同步，并在操作界面上進行實時顯示。推送過程中丟步檢測在每一推送步中均要進行，任何時候出現丟步都應停機并重新進行位置數據校準。

4 結論

通過對模塊化小堆堆內構件的結構及布置、裝拆方案分析，形成了堆芯測量組件裝卸的具體工藝方法。通過開展試驗的方式確定了力學參數和設計輸入，最終設計完成的堆芯測量組件操作裝置能夠完全適應組件的安裝和拆卸要求，通過合理的邏輯動作控制達到最優(yōu)的工作效率和良好的可靠性。

【參考文獻】

[1]熊厚華，杜繼富.模塊式小型反應堆研發(fā)現狀及前景分析[J].價值工程，2015（02）.

[2]陳玉祥.核島大型設備及堆內構件的吊裝[J].起重運輸機械，1992（06）.

[3]黃玉才，錢順發(fā).堆芯測量傳感器發(fā)展現狀及其在燃料元件考驗中的應用[R].中國核科技報告，1999（S3）.

[責任編輯：楊玉潔]