乏燃料相关组件水下缩容技术研究

丁 明，刘 攀，龚雪琼，张 斌

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉 430223）

0 引言

随着核电站的持续运行，国内运行周期较长的核电机组产生了大量废乏燃料相关组件，存放在乏燃料水池中，占用大量的乏燃料贮存格架[1]。同时，核电站的运行会不断产生乏燃料组件需存放在乏燃料水池格架内，由于目前国内乏燃料后处理能力有限，难以及时外运，导致乏燃料存放格架存储能力不足。

随着乏燃料水池可用格架数量的逐年减少，在新燃料接收、RCCA 检查及大修卸料水池定位时，这些废弃的相关组件被频繁挪位，大大影响核电站检修的工期和安全性。目前，国内针对废弃乏燃料组件尚无相应的处理措施，部分核电厂以机组间乏燃料转运的方法，来保证运行时间较长的机组能够正常运行。基于乏燃料后处理运输及乏水池格架优化利用的考虑，需减小乏燃料相关组件存储空间，以便存储更多的乏燃料组件，并解决退役组件解体处置问题。

1 研究对象

燃料相关组件包括可燃毒物组件、中子源组件、阻力塞组件和控制棒组件，其中可燃毒物组件、中子源组件、阻力塞组件都包括一个压紧组件形成的支承结构和相应的功能棒组件，压紧组件的结构均相同，放置在燃料组件上管座的支承板上；控制棒组件主要由星形柄和吸收棒组件组成（图1）。

图1 控制棒组件

可燃毒物棒是两层不锈钢管中间夹着一层硼玻璃管，外径9.7 mm，上、下两端用端塞焊接密封，上端塞光段长度约40 mm，其包壳管材料为AISI 304 不锈钢，端塞材料为AISI 308 不锈钢。中子源棒结构与可燃毒物棒基本类似，包壳管材料为AISI 304 不锈钢，端塞材料为AISI 308 不锈钢，控制棒是不锈钢管中间夹着吸收剂，外径9.7 mm，星型架材料为AISI 304 不锈钢，包壳管材料为渗氮AISI 316L 不锈钢，端塞为AISI 308 不锈钢。阻力塞棒是不锈钢圆棒，外径最大尺寸11 mm，端部过渡段直径4.85 mm。

2 方案设计

2.1 总体思路

根据相关组件的结构特点，在满足现场使用要求的前提下，制定乏燃料相关组件缩容总体思路：①将可燃毒物组件、中子源组件、阻力塞组件、控制棒组件的功能棒和连接柄解体分离；②将分离下来的连接柄和单棒分类存放在专用的贮存容器中；③将贮存容器存放在乏燃料水池格架内。缩小相关组件存储过程中各棒束之间的距离，最大限度缩小存储空间，达到减少占用乏燃料水池格架的目的，见图2。

图2 燃料相关组件缩容示意

按照上述思路进行缩容处理需满足如下要求：

（1）缩容操作流程必须合理可行，不得影响机组正常运行，保证乏燃料水池格架中的燃料组件和相关组件的安全。

（2）缩容处置过程中必须确保足够的水屏蔽层，相关组件始终在水面3 m 以下，防止放射性风险。

（3）为了避免解体操作过程中有碎屑和其他异物落入水池，解体操作必须采用无屑剪切。

（4）为防止放射性物质的泄漏，剪切切口应尽量靠近连接板，使剪切分离后的功能棒仍然有上端塞保护，便于存储。

（5）为了保证剪切后仍然有端塞保护，对于可燃毒物组件、中子源组件，可供剪切的部分为单棒上端塞靠近连接板40 mm区域，考虑到剪切刃口的定位误差，剪切位应尽量控制在离连接板25 mm 范围内；阻力塞棒是一根不锈钢棒，其可剪切范围可以适当放大，为保持一致性，实际操作时应与可燃毒物棒、中子源棒剪切位置一致；控制棒组件的可剪切区域为吸收棒的上端塞部分，其可剪切范围适当放大（约82 mm），但为了保持一致性，剪切切口位置与可燃毒物组件、中子源组件一致。

2.2 工作流程设计

乏燃料相关组件缩容需充分考虑现场环境，要求缩容操作流程科学、合理，不得影响机组的正常运行。

（1）为了保证缩容操作不影响乏燃料水池和整个机组的正常运行和操作安全性（3 m 以上水屏蔽），缩容操作需与乏燃料水池隔离。考虑燃料厂房布置，缩容操作选择在装罐池内进行，故缩容操作的第一步是将相关组件从乏燃料水池转移至装罐池。

（2）为了便于解体后连接柄和单棒的转移和最终存储，且减少水下运动机械结构，对相关组件的剪切采取横向卧式剪切的方式，因而缩容操作的第二步是将相关组件从竖直状态翻转至水平状态。

（3）为了对相关组件进行准确定位，相关组件剪切解体分离前需进行装夹固定，故缩容操作的第三步是将相关组件装夹固定。

（4）缩容操作的第四步是对相关组件进行水下无屑剪切，分离相关组件单棒和连接柄。

（5）将剪切分离后的单棒和连接柄分别存放在指定的贮存容器中，最终将装满的贮存容器存放在乏燃料水池格架上，完成整个缩容操作。

2.3 缩容设备

缩容流程所需设备主要包括组件转移设备、组件翻转设备、组件装夹设备、剪切分离设备以及组件存储设备，各设备具体功能见表1，在装罐池内的布置如图3 所示。

图3 缩容设备装罐水池内布局

缩容设备应具备以下技术特性：

（1）整套缩容设备在使用过程中，始终保持相关组件在水面以下3 m，避免对操作人员外照射。

（2）整套剪切装置通过夹紧固定机构夹持在乏水池池壁的水泥台上，不需要改造电站原有结构且装拆方便。

（3）在组件转移以及分离后单棒、连接柄转移过程中，相关转移工具均能实现锁紧，避免转移过程中发生坠落。

（4）组件翻转过程中，翻转装置与剪切平台之间设有软限位和硬限位，避免翻转装置翻转角度过大，组件从翻转装置上溜出。

（5）剪切刀具是剪切解体的执行元件，为了避免污染乏水池水质，剪切装置采用冷挤压断裂的方式实现相关组件单棒和连接柄的分离；剪切装置通过液压系统传递动力，并采用去离子水作为液压工作介质。

（6）剪切过程中，剪切定刀片宽度设计合理，剪切时定刀片贴近连接柄端面，控制剪切断口在上端塞范围内，不会破坏相关组件单棒的结构完整性，不会造成放射性气体泄漏。

（7）十字滑台用于调整剪切刀具与相关组件之间的相对位置，实现剪切刀具X、Y、Z 三个方向的位置调整，其控制采用自动程序定位，并配合手动调整，既保证了设备操作便捷性，又具备一定的精确性。

（8）组件翻转机构一方面作为夹具固定相关组件，另一方面携带相关组件旋转，每次旋转90°后自动锁死，使剪切装置每次只需剪切靠近刀具侧的两排相关组件单棒，通过4 次旋转完成24 根单棒剪切，减小对刀行程和剪切刀具结构尺寸。

（9）为了确保剪切过程的安全性，实时检测液压系统压力，当系统压力超过安全阀值后，终止剪切程序，并提示对剪切装置进行检查或更换刀具。

2.4 控制系统

控制系统主要由工控机、PLC 以及视频监视系统组成（图5）。工控机作为人机交互接口，主要完成操作指令的输入、设备状态的监控、视频信号的显示和储存，并辅以作业管理等功能；PLC 控制系统实现对各个执行元器件的直接控制。PLC 的控制对象有3 个部分：剪切装置X、Y、Z 方向的移动、液压剪切操作以及卷扬机的启停。

图4 乏燃料相关组件缩容设备控制系统

乏燃料相关组件缩容设备控制系统具备以下技术特性：

（1）为了保护电机、防止烧毁，在电机选型上使用防烧电机或者增加空气开关和热继电器，进行电流保护和过载保护。

（2）为了防止X、Y 和Z 向的滑块脱离轨道，设备安装完成后进入调试模式，调整3 个方向的限制范围，确认后退出调试模式。手动和自动模式下不能调整限位。

（3）水液压剪切装置压力限定、剪切缸行程限定、水位和水温超限报警，当测量值超过阈值时，将弹出报警信号窗口。

（4）为防止误操作，水液压剪切装置和十字滑台间有互锁功能，无论是手动还是自动模式，只有确认进刀对刀完成，十字滑台锁定，方可启动水液压剪切装置；只有确认剪切完成，锁定水液压剪切装置后，十字滑台方可进行下一步动作。

3 应用案例

目前，该燃料相关组件水下缩容技术已成功运用于某核电站1、2、3、4 号机组的废弃相关组件缩容作业，对每个机组都实现了66 组可燃毒物组件和2 组中子源组件的解体分离，安全有效地将896 根可燃毒物棒束、4 根中子源棒束和732 根阻力塞棒束从68 个“之”字形连接柄上解体。

整套缩容设备具备安全、高效和高维护性。在水下摄像头的监视下，配合十字滑台微调功能，对刀位置精确，所有断口都在相关组件的安全剪切区域内。可在40 min 内完成一组组件剪切，刀具在剪切10 组组件后可在30 min 内完成更换。整个缩容作业中没有放射性物质泄漏，也没有产生任何碎屑对乏水池水质造成污染。

每个机组被解体下来的连接柄和单棒分别存放在7 个外形尺寸与燃料组件相同的贮存容器中，最终仅占用7 个乏燃料贮存格架。为4 个机组乏燃料水池优化出500 多个有效可用格架，提高了约10%的存储能力。

通过在现场的成功应用，乏燃料水下缩容技术各项功能均得到有效验证，满足乏燃料相关组件的缩容要求。

4 结语

乏燃料相关组件水下缩容技术通过自动定位和水液压无屑剪切实现单棒与连接板的分离，不仅保证分离后单棒的结构完整性，避免放射性气体泄漏，还避免水池内进入新的异物。该技术能够以近10∶1 的比例进行固态废料优化贮存，为机组乏燃料水池优化出大量可用格架，解决了核电站格架存储能力不足的问题，提高了格架的利用率，对保证核电站正常运行具有重要意义，产生了显著的经济和社会效益，具备一定推广和借鉴价值。