核电站乏燃料装卸相关设备研制

2015-05-05董岱林瓮松峰杨灵均李海博

机械与电子 2015年5期

董岱林，瓮松峰，杨灵均，李海博

（中国核动力研究设计院，四川成都610213）

0 引言

核电站乏燃料是经反应堆使用过的旧燃料，具有高放射性和较大余热释出的特点。核电站乏燃料在乏燃料水池储存到一定数量后，需将乏燃料运出乏燃料水池以留出空间来容纳后续的乏燃料。

通常采用乏燃料运输容器对乏燃料进行运输，在此过程中，需要将乏燃料装入运输容器以及将乏燃料从运输容器中卸出。在装载和卸载乏燃料时，要满足乏燃料运输容器的一些特殊要求，如温度要求、空气充填及排出、放射型物质收集及屏蔽等［1］，要完成这些特殊要求，需要研制出相应的配套设备。

1 乏燃料特点及装卸流程

1.1 乏燃料特点

a.放射性大，经过核反应，燃料组件具有极强的放射性。

b.热功率大，经计算，乏燃料运输容器装满后（NAC-STC型容器装载26组乏燃料）热功率约为22.1kW，容器内温度为284℃［2－3］。

c.燃料组件表面容易剥落一些放射性物质，这些放射性物质比较细小，容易进入环境造成人员辐射及环境污染。

1.2 装卸流程

乏燃料装入乏燃料运输容器及从中卸载需要满足以下流程要求。

1.2.1 装入流程及要求

a.向乏燃料运输容器中充满冷却水，排出容器中的空气。

b.将乏燃料装入乏燃料运输容器。

c.向乏燃料运输容器中充入空气，排出运输容器中的水，并检测水是否排尽。

d.持续向乏燃料运输容器中充入空气，风干乏燃料运输容器内部。

e.将容器中排出的气水混合物进行气水分离并分别排放。

f.空气排放前需要过滤，并对过滤下来的放射性物质进行屏蔽。

g.对容器中排出的水进行温度监测。

h.排气时整个系统保持负压，防止放射性物质外泄。

1.2.2 卸出流程及要求

a.向容器中充入冷却水排出容器中的空气，并检测空气是否排尽。

b.持续充入冷却水将容器内温度降低到25℃以下。

c.容器中排出的高温空气需要进行冷却处理。

d.容器中排出的水和空气需要进行放射性物质过滤及屏蔽。

e.将容器中排出的气水混合物进行气水分离并分别排放。

f.对容器中排出的水和空气进行温度监测。

g.排气时整个系统保持负压，防止放射性物质外泄。

2 技术方案

分析乏燃料特点及装卸流程要求可知，乏燃料装卸要求涉及的相关设备的功能较多，如果将所有功能集成到一台设备，会造成设备庞大且复杂，不便于设计、制造、运输、维修及现场布置。因此，采用模块化的设计思想，可以化繁为简，降低设计难度，提高设计及制造效率。设备划分为台架模块、冷却模块、屏蔽过滤模块和控制模块，每个模块具有特定功能。

台架模块集成向容器中充入空气排出水、向容器中充入冷却水排出空气、持续向容器中充入冷却水、温度监测和气水分离功能。

冷却模块集成对高温空气进行冷却以及温度监测的功能。

屏蔽过滤模块集成对容器中排出的水和空气进行放射性物质过滤、屏蔽以及温度监测功能。

控制模块用来对台架模块、冷却模块和屏蔽过滤模块进行集中控制，台架模块、冷却模块和屏蔽过滤模块之间通过电缆及流体输送管连接，系统框架图如图1所示。

图1 乏燃料装卸设备系统框架

3 结构组成及工作程序

3.1 模块的结构组成

根据技术方案，对功能模块进行如下设计。

3.1.1 台架模块

根据台架模块的功能，台架模块的组成包括潜水泵、温度计、减压阀、流量计、三通球阀、气水分离器、液位计、空气过滤器、压力表、电磁阀和连接管路。气水分离器的结构如图2所示，主体材料为奥氏体不锈钢。气水混合物从气水混合物进管进来后，经过滤网，使水中含有的空气与水充分分离，空气经过滤芯从气体出管中排出（滤芯可以阻挡水通过），水则从下端的水出管排出，挡水罩防止水直接冲刷到滤芯，液位计防止液位过高淹没滤芯。

图2 气水分离器结构

空气过滤器为一焊制的奥氏体不锈钢双层外壳结构，两层不锈钢外壳之间填充有铅（铅层厚度为30mm），用来对过滤下来的放射性物质进行屏蔽，防止辐射［4］，空气过滤器设计有进气管和出气管，双层外壳内部设计有可更换滤芯，对空气的过滤效率为99.9%。

连接管路部分非金属软管耐温为150℃。

3.1.2 冷却模块

根据冷却模块的功能，冷却模块的组成包括三通球阀、气动球阀、压力表、热电阻、冷却器和连接管路。冷却器为一热交换器，传热管为若干组弯折的不锈钢管，冷源为进入乏燃料运输容器之前的冷却水，对乏燃料运输容器中排出的高温空气进行冷却。

3.1.3 屏蔽过滤模块

根据屏蔽过滤模块的功能，屏蔽过滤模块的组成包括液位计、空气过滤器、水过滤器、三通球阀、热电阻和连接管路。

空气过滤器与台架模块的空气过滤器一致。水过滤器为一焊制的奥氏体不锈钢双层外壳结构，两层不锈钢外壳之间填充有铅（铅层厚度为30mm），用来对过滤下来的放射性物质进行屏蔽，防止辐射［4］，水过滤器设计有进水管和出水管，双层外壳内部设计有可更换滤网，滤网网孔直径为150μm。

连接管路部分非金属软管耐温为150℃。

3.1.4 控制模块

控制模块采用PLC对整个设备进行集中控制，PLC型号为西门子CPU 224CN（14个输入／10个输出），还包括1个EM223数字量扩展模块（16个输入／16个输出）、1个EM231模拟量扩展模块（4个输入）和1个EM231（4个输入）热电阻扩展模块，并采用TP177触摸屏作为人机交互界面。

控制模块采集系统的液位信号、温度信号、流量信号和压力信号，并对电磁阀、气动球阀、风机和潜水泵进行开关控制。控制系统架构如图3所示。

图3 控制系统架构

整个控制程序由1个主程序和2个子程序构成，2个子程序分别控制乏燃料装入操作和卸出操作。程序中设计有报警功能，对应于误操作、元器件故障以及需要人为干预的地方。

3.2 工作程序

使用时各功能模块连接如图4所示，装载乏燃料时，设备只使用台架模块即可，不需要连接冷却模块和屏蔽过滤模块。

3.2.1 装载操作程序

a.向乏燃料运输容器中充入水排出空气的路线为（如图4所示）：潜水泵将装灌池中的水泵出，沿流量计1、减压阀1、三通球阀1、三通球阀7和三通球阀8到达运输容器，排出的水及空气经过三通球阀5、三通球阀6、液位计1和三通球阀4到达汽水分离器，空气经过空气过滤器1和风机排到DVK通风系统，水则经液位计3到达装灌池。

图4 乏燃料装卸设备模块连接

液位计1监测运输容器中是否充满水，风机使整个系统保持负压，压力表1监测充水压力，流量计1监测瞬时流量和累计流量。

b.向乏燃料运输容器中充入空气排出水的路线为（如图4所示）：现场气源经空气过滤器2、压力表2、减压阀2、电磁阀、三通球阀4、液位计1、三通球阀6和三通球阀5到达运输容器，运输容器中排出的水和空气经三通球阀8、三通球阀7、三通球阀1和流量计2到达气水分离器，空气经过空气过滤器1和风机排到DVK通风系统，水则经液位计3到达装灌池。

液位计3监测运输容器中水是否排尽，风机使整个系统保持负压。

3.2.2 卸出操作程序

a.向乏燃料运输容器中充入水排出空气的路线为（如图4所示）：潜水泵将装灌池中的水泵出，经过流量计1、减压阀1、三通球阀1、三通球阀7、冷却器、热电阻1、压力表1和三通球阀8到达运输容器，运输容器中排出的高温空气经三通球阀5、液位计4、热电阻3、三通球阀3、空气过滤器3、气动球阀、冷却器、热电阻2、三通球阀6、液位计1和三通球阀4到达气水分离器，然后经过空气过滤器1和风机到达DVK排风系统。液位计4判断运输容器中的空气是否排尽，热电阻1和热电阻2分别检测高温空气冷却前后的温度，冷却水进入运输容器前在冷却器中对运输容器中排出的高温空气进行冷却，空气过滤器3将放射性杂质过滤掉，并对过滤下来的放射性杂质进行放射性屏蔽，风机使整个系统保持负压。

b.向乏燃料运输容器中充入水进行循环冷却的路线为（如图4所示）：潜水泵将装灌池中的水泵出，经过流量计1、减压阀1、三通球阀1、三通球阀7、冷却器、热电阻1、压力表1和三通球阀8到达运输容器，运输容器中排出的水经三通球阀5、液位计4、热电阻3、三通球阀3、水过滤器到达装灌池。

热电阻1和热电阻3分别检测冷却水进入运输容器前后的温度，水冷却器将冷却水中的放射性杂质过滤掉，并对过滤下来的放射性杂质进行放射性屏蔽。