變形乏燃料組件裝載方法研究

盧 胡 祝 飛 黃 帥

（福建福清核電有限公司，福建 福清350300）

1 概述

燃料組件是由燃料骨架及264 根燃料棒組成，其中燃料骨架由導(dǎo)向管、儀表管、定位格架、上管座和下管座構(gòu)成。燃料棒包殼的材質(zhì)是Zr-4（鋯－錫合金），這種鋯合金包殼管受輻照伸長(zhǎng)隨燃耗增加大致呈線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)為燃耗每增加10000 MWd/tU，燃料棒的軸向長(zhǎng)度增加5 mm。故燃料組件由于材質(zhì)的特性必然存在輻照變形。

2 燃料組件幾種常見(jiàn)的變形及風(fēng)險(xiǎn)分析

燃料組件受中子輻照影響必定會(huì)產(chǎn)生輻照變形，其變形主要有以下幾種典型形狀：C 型、S 型、傾斜、扭轉(zhuǎn)（分別如圖1）。在裝料過(guò)程中，由于缺乏實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)工具，只能通過(guò)載荷的變化，坐標(biāo)的偏差來(lái)觀察及確認(rèn)相關(guān)變形情況，進(jìn)而采取相應(yīng)的裝載方案。變形燃料組件的裝載主要的風(fēng)險(xiǎn)是一致的，如組件之間的刮擦、干涉，組件無(wú)法進(jìn)入相應(yīng)的下部堆內(nèi)構(gòu)件的定位銷等，但不同的變形情況幾種風(fēng)險(xiǎn)比重是不一樣的。

圖1 幾種常見(jiàn)的燃料組件變形

2.1 C 型組件的裝載風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)C 型組件來(lái)說(shuō)，一側(cè)中間突出的位置與已有的燃料組件或者相鄰需要裝載組件有接觸。在燃料組件下插的過(guò)程中，組件的摩擦力將受刮擦的位置及彎曲的大小影響，從而引發(fā)裝卸料機(jī)欠載。在刮擦過(guò)程中若兩個(gè)相鄰組件的導(dǎo)向翼互相刮擦，而導(dǎo)向翼的強(qiáng)度比引發(fā)欠載的載荷要小，裝卸料機(jī)欠載保護(hù)不觸發(fā)，很可能導(dǎo)致導(dǎo)向翼外翻和撕裂，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整個(gè)燃料組件不可用。

2.2 S 型組件的裝載風(fēng)險(xiǎn)

堆芯裝料的過(guò)程中，S 型與C 型一樣，在組件的突出位置與相鄰組件存在刮擦風(fēng)險(xiǎn)。但由于S 型燃料組件的變形補(bǔ)償作用，其變形的影響較C 型較小。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，所有乏燃料都存在相應(yīng)的S 型變形，除極個(gè)別的組件導(dǎo)致裝卸料機(jī)欠載保護(hù)或者無(wú)法裝載到位的情況，大部分都可以通過(guò)偏移、組件之間的擠壓等順利裝載入堆芯。

2.3 傾斜組件的裝載風(fēng)險(xiǎn)

傾斜組件可以看作是彎曲半徑較大的C 型組件，在裝載中最直觀的表象即是下管座到位困難，裝載后燃料組件往一邊傾倒，組件相鄰有明顯的空隙。

傾斜燃料組件最突出的位置是下管座，由于下管座的材質(zhì)與燃料棒不一樣，在下管座下落的過(guò)程中，變形較大組件的下管座可能會(huì)直接沖擊相鄰燃料組件，有造成相鄰燃料組件受損的風(fēng)險(xiǎn)；變形較小的傾斜組件，在進(jìn)入下部堆內(nèi)構(gòu)件的導(dǎo)向銷過(guò)程中，存在無(wú)法完全適配的情況，此時(shí)裝卸料機(jī)會(huì)觸發(fā)欠載，由于高度已接近燃料組件脫扣，且燃料下管座已在壓力容器下部位置，操作人員目視無(wú)法看清，很容易出現(xiàn)人因失誤，導(dǎo)致提前脫扣，燃料組件有傾倒的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 扭轉(zhuǎn)組件的裝載風(fēng)險(xiǎn)

扭轉(zhuǎn)組件與S 型組件類似，輕微的扭轉(zhuǎn)及變形，不會(huì)影響到裝卸料機(jī)的裝載操作，在裝載過(guò)程中，只要不發(fā)生欠載現(xiàn)象，一般意味著組件處于安全受控狀態(tài)。

3 變形組件受力分析

燃料組件在堆芯下降的過(guò)程中，變形組件的突出位置觸碰到相鄰組件或者是堆芯圍板，產(chǎn)生一定的摩擦力，摩擦力超出裝卸料機(jī)設(shè)定的載荷保護(hù)值后（欠載）即停止，而對(duì)于燃料組件，根據(jù)燃料組件技術(shù)規(guī)范，定位格架之間的摩擦力限值為400Kg，導(dǎo)向翼之間的鉤掛作用力限值為200Kg，故只要滿足組件在欠載過(guò)程中組件受力F ＜200 kg，即可認(rèn)為組件刮擦不會(huì)對(duì)燃料組件本身產(chǎn)生影響。

裝卸料機(jī)設(shè)定的欠載值為80Kg，欠載信號(hào)瞬時(shí)傳到PLC 控制系統(tǒng)，同時(shí)電機(jī)逐步減速到0，運(yùn)動(dòng)停止，減速過(guò)程與下插速度及與之相匹配的加速度相關(guān)，為運(yùn)算簡(jiǎn)便，忽略不同加速度對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，取欠載到停止運(yùn)動(dòng)的平均時(shí)間為0.12s，此時(shí)套筒停車行程為：

S=0.12*V

其中裝卸料機(jī)在低速下降的速度V=0.6m/min=10mm/s；

S=1.2mm

該停車行程產(chǎn)生了額外的的作用力Fa，假設(shè)主提升系統(tǒng)總的拉伸彈性系數(shù)以K（kg/mm）表示，則此時(shí)燃料組件的受力為：

F=1.2K+80（Kg）

即F ＜200 kg 時(shí)，可以認(rèn)為對(duì)燃料組件沒(méi)有影響。

通過(guò)對(duì)某核電歷次燃料組件欠載記錄的提取并分析，均在160Kg 以下，說(shuō)明裝卸料機(jī)載荷保護(hù)的可靠性還是非常高的，故在變形燃料組件的裝載過(guò)程中，裝卸料機(jī)的載荷保護(hù)可以作為燃料的保護(hù)手段和方法之一。

4 變形組件裝載方法分析

4.1 偏移法裝料

偏移法裝料主要利用裝卸料機(jī)大車和小車位置偏移運(yùn)動(dòng)來(lái)下降燃料組件。該組件在堆芯上部時(shí)，移動(dòng)大車在X 方向及小車在Y 方向偏離標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)90 mm，下降組件到Z＝8560 mm 高度然后再以橫向最低速度重新調(diào)整組件到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，完成組件插入并就位。

圖2 偏移裝料法示意圖

4.2 旋轉(zhuǎn)180°裝料法

在調(diào)整定位坐標(biāo)后，組件傾斜雖然不影響組件插入，但組件到位后，下管座卻進(jìn)不了定位銷中（如傾斜組件），這種情況發(fā)生時(shí)，如果觀察后確認(rèn)組件傾斜過(guò)大，可利用轉(zhuǎn)動(dòng)裝卸料機(jī)塔架180°來(lái)達(dá)到順利插入。在插入過(guò)程中的某個(gè)時(shí)候，組件之間的摩擦力可能會(huì)達(dá)到最大，因此，必須密切監(jiān)視重量指示器的讀數(shù)。繼續(xù)裝料至該組件的四個(gè)面都有2 個(gè)以上組件支撐時(shí)即可實(shí)施轉(zhuǎn)回180°的操作，使組件回到預(yù)定的正確的方位。

4.3 井字法裝料

在變形組件不能通過(guò)上述方法裝到正確位置時(shí)，可以考慮用假組件或備用的新燃料組件來(lái)代替該變形組件，先填充這個(gè)位置，繼續(xù)按照預(yù)定的步序往下裝料，至該組件的四個(gè)面都有2個(gè)以上組件支撐時(shí)，就可以卸走此位置的假組件或備用的新燃料組件，使該位置形成“井”字形，利用四周組件對(duì)變形組件予以位置校正，順利裝下變形組件。

5 結(jié)論

燃料組件是一項(xiàng)技術(shù)含量極高的產(chǎn)品，體現(xiàn)著核電站安全和經(jīng)濟(jì)兩大特性，其裝載工作也對(duì)核安全有著決定性的影響。通過(guò)研究燃料組件的輻照變形機(jī)理，形成標(biāo)準(zhǔn)的組件變形模型，并總結(jié)出四類特殊的裝載方法。這幾類裝載方法已在同行電廠得到廣泛運(yùn)用，并得到可靠的驗(yàn)證。