“华龙一号”燃料操作与贮存系统关键设备设计

2018-01-19唐兴贵李建奇刘慧芳叶阳春

中国核电 2017年4期

唐兴贵,李建奇,李均,袁巍,刘慧芳,张鑫,叶阳春

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

燃料操作与贮存系统 (RFH系统)的主要功能是转运、检查、贮存和操作新、乏燃料组件,完成反应堆换料操作。系统涉及的设备较多,按设备类型可分为操作类设备、格架及存放架类设备、操作工具类和燃料检查类设备等共计20多种设备。RFH系统虽然不直接参与反应堆安全运行方面的任务,但它在保护现场工作人员免受过量的放射性辐照、防止燃料组件的意外临界和防止放射性物质不可接受的释放等方面起着极为重要的作用。

“华龙一号”堆型推出后,由于其在厂房布置、换料水池深度及宽度、安全壳尺寸、转运通道长度、乏燃料水池大小与换料制度、抗震计算加速度等方面较二代改进型核电站均存在较大差异,且在安全性、可靠性上对设备有了更高的要求,因此对于 “华龙一号”RFH系统的主要设备均有针对性地开展了新设计、新研究,主要包括装卸料机、转运装置、乏燃料贮存格架、新燃料升降机等。

1 装卸料机设计研究

1.1 堆型变化对装卸料机的主要影响

“华龙一号”堆型换料水池及堆内构件存放池深度、尺寸及燃料组件操作标高发生较大变化,对装卸料机的结构,尤其是主起升机构和内外套筒的设计产生了较大影响[1]。主要影响包括:

1)压力容器下堆芯板深度较以往工程增加1.17 m,这就意味着装卸料机抓具抓取深度增加,而换料水池深度只增加了270 mm,所以堆芯区与转运区的相对标高加大了900 mm,这种变化是由于厂房布置时抬高了转运区的水池底板标高所导致。如图1所示,若要保证伸缩套筒在固定套筒内留有足够的导向长度,则要对伸缩套筒和固定套筒同时加长,并对两个套筒的长度进行合理配比。加长套筒后还需要对导向精度能否达到要求进行分析。

图1 “华龙一号”堆型标高变化及装卸料机套筒加长示意图Fig.1 The change of ref ueling elevation and extension of ref ueling machine sleeve

2)装卸料机起升高度变化后,重新设计了固定套筒和伸缩套筒的结构,保证了在堆芯深度增加的情况下,能够在设计、制造和安装上实现装卸料机的定位精度要求。

3)设计地震峰值加速度由0.2g提高到0.3g。峰值加速度的变化对设备抗震计算影响很大。尤其是大车门架属于钢结构件,在0.3g地震加速度下钢结构连接处成为力学计算中的薄弱环节,经过反复计算和结构修改后,门架最终满足了抗震评定要求。如图2所示,异常工况下的大车支腿当量应力。

图2 异常工况下的大车支腿当量应力Fig.2 Equivalent stress of gantr y legs at abnor mal condition

目前,“华龙一号”示范工程的首台装卸料机已经制造调试完成,并完成了厂内试验验收,如图3所示。

图3 “华龙一号”示范工程首台装卸料机Fig.3 The first ref ueling machine of HPR1000

1.2 主起升机构的单一故障保护设计

起升系统分析考虑了所有可能的失效模式,并针对其失效模式设计出可靠的安全保护装置。为保证在燃料移动时发生设备单一故障或单一人因差错不会导致燃料破损,根据单一故障保护要求设计足够的保护措施,尤其是在超载、超速、超程、断绳,以及断电事故下的保护。设计中必须考虑到不安全的故障模式,预期可能发生的故障并采取措施,把组件安放到安全位置,这也是本设备研究重点考虑的问题之一。图4分析了围绕单一故障保护准则所作的安全设计。

图4 单一故障保护设计Fig.4 Single failure protection design

1.3 装卸料机辅助单轨吊研发

辅助单轨吊是核电站反应堆停堆换料过程中升降专用操作工具完成相关工艺操作的关键设备,安装在装卸料机大车门架的工字钢轨道上。

辅助单轨吊作为燃料操作核心设备-装卸料机的配套部件,满足 “华龙一号”三代核电技术燃料操作与贮存系统的相关技术指标,与普通的单轨吊相比具有更高的设计基准和更多的附加要求。因此依托中核集团 “龙腾2020”科研项目,开展了辅助单轨吊国产化研发,研制出了满足核安全法规要求、设备功能要求的专用单轨吊设备。该设备具有完全的自主知识产权,解决了出口受限的问题[2]。图5所示为辅助单轨吊科研样机。

图5 装卸料机辅助单轨吊Fig.5 Auxiliar y monorail hoist

2 双安全壳燃料转运装置设计研究

“华龙一号”反应堆厂房采用双层安全壳结构,与燃料厂房之间的运输距离较二代改进型电站增加了4.160 m,且设置外安全壳后,转运通道长度由5.540 m增加到9.570 m。由此也带来原燃料转运装置不满足功能要求等问题。依托中核集团ACP1000重点科技专项203课题 “双安全壳燃料转运装置研制”,开展了燃料转运装置科研样机的开发设计和试验验证工作。2015年年底,科研样机通过了中国核工业集团公司组织的科技成果鉴定[3]。

2.1 关键技术成果

“华龙一号”燃料转运装置采用接力驱动技术,由两套小车驱动机构接力驱动小车运动,达到长距离驱动小车往返运行的目的,满足燃料转运装置功能要求。

本设备有两套小车驱动机构。反应堆厂房小车驱动机构与燃料厂房的相似,通过电动机、减速器、驱动轴将动力从水上传递到水下,再通过水下传动机构驱动小车运动。接力驱动充分利用了已经掌握的设计经验和成熟技术,图6为科研样机试验场景。目前该成果已申报了多项专利。

图6 “华龙一号”燃料转运装置科研样机Fig.6 Pr ototype of HPR1000 f uel transfer facility

2.2 核心部件研发

(1)特性离合器

特性离合器是接力驱动的核心功能部件。在反应堆厂房和燃料厂房各设一套,如图7所示。特性离合器分别安装在反应堆厂房和燃料厂房的下部传动机构上。特性离合器具有超越功能,实现了由两套下部传动机构接力驱动小车运动的功能。

(2)防撞齿机构

特性离合器齿轮的轮齿处于特定位置时,小车齿条作用于齿轮的力指向齿轮中心,齿条不能拨动齿轮转动,即处于 “卡住区域”。轮齿处在卡住区域时,无法完成接力运动。防撞齿机构就是为解决这一问题而研发的。

图7 特性离合器Fig.7 Special clutch

防撞齿机构主要由固定轴、推动臂、压簧和小滚轮等组成,如图8所示。在非卡住区域,防撞齿机构正常推动齿轮转动完成接力。在卡住区域,在防撞齿机构小滚轮的作用下,防撞齿机构压簧产生压缩变形,推动臂绕着固定轴抬起,小滚轮越过干涉的轮齿后再落下。推动臂推动齿轮的下一个轮齿,使齿轮转动完成接力。

图8 防撞齿机构Fig.8 Anti-collision gear mechanis m

(3)轮齿位置水上检测系统

轮齿位置水上检测系统的功能是:齿条与特性离合器齿轮脱离后,通过控制系统使特性离合器齿轮的轮齿停止在非卡住区域。轮齿位置水上检测系统能够避免出现卡住区域,与防撞齿机构一起构成齿条与齿轮接合的100%冗余保护。

轮齿位置水上检测系统如图9所示,通过安装在小车电动驱动机构低速轴上的配对齿轮,1∶1模拟下部传动机构特性离合器的齿轮转速。在与特性离合器齿轮转速相同的齿轮上面设置了一个齿轮模拟盘。齿轮模拟盘的开槽角度与特性离合器齿轮的轮齿是相对应的;在小车电动驱动机构支架上设置了一个光电传感器,可以探测到齿轮模拟盘的开槽信号,借此探测特性离合器齿轮的轮齿位置。光电传感器将即时探测信号送达控制系统,通过控制系统达到使特性离合器齿轮的轮齿停止在非卡住区域的目的。

图9 轮齿位置水上检测系统Fig.9 Above-water gear tooth location detection system

3 乏燃料贮存格架设计研究

“华龙一号”项目中乏燃料贮存格架所涉及的燃耗、换料制度、乏燃料水池参数、抗震要求等设计输入条件均发生变化,尤其是 “乏燃料贮存水池不宜同时采用燃耗信任制和硼置信方式进行设计”和 “设计地震峰值加速度由0.2g提高到0.3g”这两项变化对乏燃料贮存格架的设计和计算产生重要影响。为满足这些设计变化要求以及“十二五期间新建核电厂安全要求”,依托中核集团 “龙腾2020”科研项目,开展了乏燃料贮存格架专项科研设计及样机研制,确保实现其 “能够安全的贮存乏燃料组件”的设计要求[4]。

3.1 乏燃料贮存格架的结构

乏燃料贮存格架分为I区和II区两个贮存区设计,共形成贮存小室1 173个,按18个月换料考虑,大约可以贮存反应堆运行18年乏燃料的卸料量。

II区乏燃料贮存格架共11台,分别为8×10型,7×10型和7×11型,共形成791个贮存小室。每台II区乏燃料贮存格架的不锈钢骨架贮腔结构以及支腿支撑结构与I区格架基本相同,见图11。在每个方形贮腔内布置有两面设置的2.5 mm厚的硼不锈钢板、L形支撑板、导向板等。贮腔顶部设置两面L型带锥度的导向段,为燃料组件的操作提供导向。

图10 I区格架Fig.10 Spent f uel storage rack in region I

图11 II区格架Fig.11 Spent f uel storage rack in region II

3.2 主要设计参数

•贮存小室栅距280 mm(I区);255 mm(II区);

• 贮存小室内径22 mm×222 mm;

•贮腔高度4 265 mm;

•硼不锈钢板厚度2.5 mm;

• 硼不锈钢板高度3 800 mm。

经临界分析计算,可贮存于II区的燃料组件初始富集度和燃耗限值之间的对应关系如表1所示。

表1 燃料组件初始富集度和燃耗限值之间的对应关系Table 1 Corresponding relations bet ween initial enrich ment and bur n-up li mit of f uel assembly

3.3 乏燃料贮存格架的设计特点

(1)用于吸收中子的功能性材料均采用硼不锈钢

对拉杆进行静态强度有限元分析。对拉杆施加相应的边界条件，边界条件如前面所述的拉杆受力分析。得到拉杆的应力云图和变形云图(图6)。

I、II区的格架均采用了具有良好工程应用经验的硼不锈钢作为中子吸收材料。这种材料在乏燃料水池的辐照、腐蚀的综合环境下的抗腐蚀性能和稳定性较好,可以避免以往工程中的镉乏燃料贮存格架在包镉不锈钢密封性失效的情况下可能导致中子吸收能力降低的潜在危险。

(2)I、II区乏燃料贮存格架采用了相似的承载骨架

在满足乏燃料贮存格架分区贮存的功能要求前提下,I、II区乏燃料贮存格架采用了相似的不锈钢承载骨架,简化了临界、力学、热工水力的分析计算工作。在制造方面,简化了制造过程,可大大缩短制造周期。

(3)I区中子吸收材料采用了全新的支撑方式

根据I区乏燃料贮存格架的安全功能要求,结合以往工程的设计经验,设计了全新的中子吸收材料支撑方式,保证中子吸收材料的可靠定位,并实现载荷传递。

(4)抗震计算按三代核电站要求

三代核电站极限安全地震动SL-2地面峰值加速度由0.2g增加到0.3g。乏燃料贮存格架的抗震设计按照三代核电站的抗震要求,采用了华龙标准化设计的包络反应谱进行计算,满足乏燃料贮存格架在SL-2地震工况下保证完整性的功能要求。

(5)临界安全要求满足 “十二五期间新建核电厂安全要求”

在临界控制方面,两个区的格架在正常工况下和假想的事故工况下,均能由格架本身的结构以及所带的固定中子吸收体维持次临界安全,不再置信乏燃料水池里的可溶硼,具有更好的临界安全裕度。

4 新燃料升降机设计研究

新燃料升降机作为RFH系统的一项重要设备,其起升机构长期以来依赖国外进口,对 “华龙一号”设备国产化及走出国门带来了负面影响。因此,依托中核集团 “龙腾2020”科研项目,开展了新燃料升降机起升机构自主设计及样机研制,以掌握其设计和制造技术,解决出口受限问题[5]。

4.1 起升机构设计研究

新燃料升降机起升机构采用电机与卷筒平行布置的设计,以缩小安装空间。电机与卷筒之间的扭矩传递通过减速器实现。起升机构通过两个轴承座固定在上部构件上。减速器的重量由卷筒轴承担,并在减速器一侧设置防扭转的扭力臂。安全制动器安装在卷筒轴的一端,并与轴承座固定,如图12所示。

图12 新燃料升降机样机Fig.12 New f uel elevator

起升机构设置有载荷测量装置和位置检测装置。载荷测量装置安装在减速器的扭力臂上。位置检测装置由编码器和凸轮限位开关组成,安装在卷筒轴上。

起升机构控制系统的整体构架由驱动和测量部件与控制柜组成。根据起升机构的不同功能,通过PLC编程预设定了三种运行模式:正常模式、修复模式、检查模式。可以通过操作台上的三档位转换开关切换不同运行模式。

4.2 起升机构设计特点

1)采用扭力臂式载荷测量结构,扭力臂既可以作为减速箱的固定端,又可以进行载荷测量。如图13所示。

图13 扭力臂结构Fig.13 Torque ar m str ucture

2)起升机构设置多重保护。双钢丝绳起升系统,双重制动系统,在控制上采用的监测模式包括编码器控制、凸轮限位开关和高度位置的监测。正常模式操作时,高低速运行切换和停止是通过编码器控制的。在编码器控制失效或故障时,凸轮限位开关可以完成区域速度切换和定点停止的功能,起到了冗余保护的作用。

3)起升机构控制系统的多模式与多区域混合控制能够确保减少误操作,提高升降燃料组件的安全性。

5 结束语

随着 “华龙一号”全球首堆示范工程福清核电站5号机组反应堆厂房穹顶吊装圆满完成,标志着 “华龙一号”由土建阶段全面转向安装阶段。作为燃料操作与贮存系统的重要设备,文中所述的各项设备有的已经完成设备验收,科研的设备也已全部完成科研项目验收,科研成果也即将应用到华龙首堆工程项目中。对于在后续现场安装和调试阶段可能出现的问题,我们也将随时跟踪处理,确保RFH系统设备安全、可靠地服务于 “华龙一号”工程。