核电厂变形相关组件安全贮存工器具研发及应用

石中华，邓志新，张旭辉，王玲彬

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐　314300）

核电厂变形相关组件安全贮存工器具研发及应用

石中华，邓志新，张旭辉，王玲彬

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐314300）

由于变形相关组件形状发生变化，无法配插到燃料组件或存放架内进行贮存，一般是将其临时放入乏燃料水池贮存格架中的空贮存小室内，这种状态下的变形相关组件失去支撑，变形相关组件棒体会在自身重量作用下发生弯曲，长时间处于此状态下可能导致棒体破损，致使里面的物质泄漏而污染乏燃料水池。文章中工器具的整个研发是以秦山第二核电厂作为试验场所，以其乏燃料水池内的3组变形相关组件作为研制对象，最终研发出一套适用于变形相关组件安全贮存的工器具，本套工器具保证了变形相关组件的完整性。

变形相关组件；安全贮存工器具；研发；安全贮存

燃料相关组件在乏燃料水池内通常有两种贮存方式，一种是配插在燃料组件［2］中（见图1），另一种是存放在相关组件存放架［5］内（见图2）。但对于发生了变形的相关组件来说，由于其结构形状发生了改变而导致无法将其在上述两种贮存方式中安全配插贮存，只能将其临时性地放入乏燃料水池贮存格架中的空贮存小室内（见图3），棒体在自身重量作用下进一步发生变形，长时间存放变形棒体有可能发生棒体包壳破裂导致内部物质泄漏到乏燃料水池内，从而影响乏燃料水池内的乏燃料组件、已辐照燃料组件、新燃料组件的贮存环境，并且在大修换料时，泄漏物质将随着燃料组件的输运过程进一步进入堆芯，污染反应堆一回路水质，影响燃料组件在堆内的运行环境。因此，有必要研发一套工器具，来确保变形相关组件能够长期处于安全贮存的状态。

图1　相关组件配插燃料组件示意图Fig.1　Schematic of safe storage of associated core components in fuel assembly

图2　相关组件配插存放架示意图Fig.2　Schematic of safe storage of associated core components in rack

图3　变形相关组件临时贮存示意图Fig.3　Schematic of temporary storage of deformation associated core components

1　变形相关组件介绍

秦山第二核电厂目前有3组变形相关组件（一组一次中子源组件［3］、一组可燃毒物组件［4］、一组控制棒组件［1］），一次中子源组件和可燃毒物组件主要是棒体发生弯曲变形（图4是一次中子源组件变形示意图，可燃毒物组件变形与其基本相同），控制棒组件棒体和翼板均弯曲变形（见图5），这三组变形的相关组件无法配插到燃料组件或相关组件存放架内。目前乏燃料水池池内的专用抓取工具（可燃毒物组件抓具、控制棒电动工具）由于其结构设计的局限性和复杂性，只能抓取配插在燃料组件和相关组件存放架内的无变形相关组件，否则，专用抓取工具的抓爪无法与相关组件联扣，并且变形的相关组件棒体也无法进入专用抓取工具的棒体导向装置。所以，要实现对变形相关组件的抓取和安全贮存，必须研发一套新的工器具。

图4　变形一次中子源组件Fig.4　Deformation primary neutron source assembly

图5　变形控制棒组件Fig.5　Deformation control rod assembly

2　变形相关组件安全贮存工器具研发

2.1工器具研发设计要求和准则

核电厂对安全要求等级极高，特别是乏燃料水池重要部位，里面贮存大量的乏燃料组件、已辐照燃料组件以及新燃料组件，并且对乏燃料水池不锈钢覆面保护要求严格，不允许砸、碰等可能导致不锈钢覆面损伤的情况发生。所以，工器具的研发必须以安全为首位。其设计要求如下。

1）实现对变形相关组件的准确抓取

由于目前贮存于乏燃料水池中的变形相关组件是失去定位支撑的，因此无法利用现有的核燃料装卸转运和贮存系统（PMC系统）中的抓具对其进行抓取，所以必须设计一种新的抓具。由于现场的特殊性，变形相关组件在乏燃料水池贮存格架空的贮存小室内（标高：+7.45 m），乏燃料水池内充满含硼水（水位大于+19.3 m），而操作必须站在人桥吊车上，标高+23 m，因此操作位置距变形相关组件上部结构有10 m左右的距离。

2）实现变形相关组件的安全存放

实现抓取后，由于变形相关组件部分棒体发生变形，需要设计一种专用适配器，即不受变形相关组件棒体变形的影响，又能很好地配合PMC系统进行操作，贮存后不影响周围贮存小室的正常使用，更重要的是能够安全地支撑变形相关组件。因此设计结构尺寸受到了限制，由于3组变形相关组件上部结构不一样，需分别考虑，被抓起的变形相关组件棒体很难进行约束，4 m左右长的棒体会来回摇摆，给贮存带来了困难。

3）实现对变形相关组件的棒体导向

针对变形相关组件棒体来回摇摆问题，本套工器具还必须具备导向作用，能够对变形的棒体进行有效导向，特别对棒体变形较大的导向也必须有效可靠。

4）本套工器具必须满足安全、简易、经济、方便现场操作的设计要求，即必须以安全为首位，设计的工器具易加工，造价低，并且需要与现场PMC系统相互融合，以方便现场的操作。

2.2工器具研发

根据设计要求和准则，通过几种设计方案的对比和抉择，最终确定用吊钩实现对变形相关组件的抓取，用专用适配器实现对变形相关组件的安全存放，在安全存放过程中，用导向工具对变形相关组件棒体进行导向。

2.2.1吊钩

该吊钩最大特点：采用3 mm厚的不锈钢板，通过增加不锈钢板的宽度来实现其强度，而不采用不锈钢棒，最大原因是采用不锈钢板制作的吊钩在抓取变形相关组件时是面接触，增大了接触面，能够更牢靠地抓取变形相关组件，被抓住的变形相关组件不会轻易滑动或晃动，增加了稳定性，而采用不锈钢棒制作的吊钩在抓取变形相关组件时是线接触，不稳定。除此之外，采用不锈钢板制作的吊钩可以在相关组件支撑板和翼板之间有更多的操作空间，能够准确地抓取变形相关组件，其强度可以通过向bd方向增加宽度即可，而不锈钢棒则需要向abcd 4个方向增加尺寸才能实现，除此之外，吊钩分别设计成窄口和宽口两种，用2只窄口吊钩抓取变形一次中子源组件、变形可燃毒物组件，用2只宽口吊钩抓取变形控制棒组件。保证了安全性，而且结构简单、易于加工，经济性和现场操作性都非常好（见图6）。

图6　吊钩Fig.6　Hook

图7　专用适配器Fig.7　Proprietary adapter

2.2.2专用适配器

此专用适配器，可与PMC系统中的新燃料升降机、乏燃料组件抓具、贮存格架中的贮存小室很好的融合，即可利用新燃料升降机把其放到乏燃料水池内，也可利用乏燃料组件抓具对其进行抓取和存放，并且能够支撑在贮存格架中的贮存小室上方，不影响周围小室的正常使用，如图7所示。带凹槽的专用适配器用于贮存变形一次中子源组件、变形可燃毒物组件，其原理是利用这两组变形相关组件顶部的“Z”形板（压紧杆）作为支撑点，把“Z”形板两端约束在专用适配器的凹槽内。中间有两个支撑条板的专用适配器用于贮存变形控制棒组件，其原理是利用两个支撑条板来支撑变形控制棒组件的翼板部位，从而实现对其安全贮存。该专用适配器基本不受变形相关组件棒体变形限制，实现了变形相关组件的悬挂贮存，保证了棒体不再受外力作用，避免了棒体发生破损；安全可靠，结构简易，便于加工，经济性和现场操作性都非常好。

2.2.3导向工具

导向工具有两种功能（见图8），结构一用于对变形相关组件棒体进行导向，使其顺利进入专用适配器内，结构二用于把变形控制棒组件的棒体平均分散在专用适配器两支撑条板两侧，在变形相关组件棒体变形较大的情况下，必须利用此导向工具，将变形较大的棒体收拢到一个较小的范围内，以便棒体顺利进入专用适配器内。

图8　导向工具Fig.8　Oriented tool

3　工器具应用

经过工器具图纸设计，工器具加工，工器具验证，证明安全可靠，于2009年7月，利用研发的变形相关组件安全贮存工器具，成功将秦山第二核电厂3组变形相关组件（一组一次中子源组件、一组可燃毒物组件、一组控制棒组件）进行了安全贮存，实施过程安全顺利。

贮存操作主要步骤：利用新燃料升降机、乏燃料组件抓具、人桥吊车把专用适配器放入乏燃料贮存格架空的贮存小室上→用2只吊钩钩取变形相关组件→借助人桥吊车提起变形相关组件→导向工具对变形相关组件棒体导向→变形相关组件慢慢进入专用适配器内→确认变形相关组件已安全贮存→脱去吊钩→完成安全贮存。

4　结束语

变形相关组件安全贮存工器具（抓取工具、专用适配器、导向工具）的成功研发，解决了秦山第二核电厂3组变形相关组件的安全贮存问题。该套工器具结构简单易于加工，在操作使用上安全可靠，现场操作简便易行。在此次秦山第二核电厂3组变形相关组件安全贮存过程中，发现这3组变形相关组件棒体变形已较大，通过此次安全贮存，使棒体处于自由悬挂状态，避免了棒体变形的进一步加深。

此套工器具的研发，弥补了压水堆核电厂在处理变形相关组件方面的空白，可推广使用，也可作为经验借鉴。

［1］ 于小焱. 控制棒组件总图［M］. 宜宾：中核建中核燃料元件有限公司，1998.（YU Xiao-yan. Assembly drawing of Rod Cluster Control Assembly［M］. Yinbin： CNNP Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd ，1998 .）

［2］ 王鼎桦. 燃料组件总图［M］. 宜宾：中核建中核燃料元件有限公司，1999. （WANG Ding-hua. Assembly drawing of Fuel Assembly［M］. Yinbin： CNNP Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd ，1999 .）

［3］ 文洁. 中子源组件总图［M］. 宜宾：中核建中核燃料元件有限公司，2009. （WEN Jie. Assembly drawing of Primary Neutron source Assembly［M］. Yinbin：CNNP Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd ，2009 .）

［4］ 文洁. 可燃毒物组件总图［M］. 宜宾：中核建中核燃料元件有限公司，2009. （WEN Jie. Assembly drawing of Burnable Poison Assembly［M］. Yinbin： CNNP Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd，2009 .）

［5］ 宫民选. 可燃毒物存放架技术改进［J］.中国核电青年技术与管理创新论文专刊，2013，5（增刊）：250-253.（GONG Min-xuan . Technical improvements of Burnable Poison Assembly storage rack［J］. Special paper of CNNP Youth technology and management innovation ，2013，5（supplement）：250-253.）

Safe Storage Tools Designed and Applied for Deformation Associated Core Components

SHI Zhong-hua，DENG Zhi-xin，ZHANG Xu-hui，WANG Ling-bin
（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.， Ltd.， Haiyan of Zhejiang Prov. 314300， China）

Due to the shape of the deformation associated core components is changed， it can't be inserted to fuel assembly or storage rack， and it can only be stored in spent fuel storage cell. Deformation associated core components in this state will lose support. Rods of deformation associated core components become bend under the weight of its own， which may be damaged for a long time in this state， thus the material inside leaked and the spent fuel pool is contaminated. Therefore， we must design a tool， which can safely store the deformation associated core components.Qinshan Phase II is selected as the test site for the whole development process，with three groups of deformation associated core components （a group of primary neutron source assembly， a group of burnable poison assembly， a group of rod cluster control assembly） in the spent fuel pool as development objects. Ultimately a set of tools suitable for the safe storage of deformation associated core components are developed， which ensure the integrity of the deformation associated core components.

deformation associated core components；safe storage tools；development；safe storage

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0249-06

TM623

A

1674-1617（2015）03-0249-06

2015-04-28

石中华（1982—），男，宁夏中卫人，工程师，学士，从事核燃料性能分析工作。