唐興貴,李建奇,李 均,袁 巍,劉慧芳,張 鑫,葉陽(yáng)春

(中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

燃料操作與貯存系統(tǒng) (RFH系統(tǒng))的主要功能是轉(zhuǎn)運(yùn)、檢查、貯存和操作新、乏燃料組件,完成反應(yīng)堆換料操作。系統(tǒng)涉及的設(shè)備較多,按設(shè)備類型可分為操作類設(shè)備、格架及存放架類設(shè)備、操作工具類和燃料檢查類設(shè)備等共計(jì)20多種設(shè)備。RFH系統(tǒng)雖然不直接參與反應(yīng)堆安全運(yùn)行方面的任務(wù),但它在保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員免受過(guò)量的放射性輻照、防止燃料組件的意外臨界和防止放射性物質(zhì)不可接受的釋放等方面起著極為重要的作用。

“華龍一號(hào)”堆型推出后,由于其在廠房布置、換料水池深度及寬度、安全殼尺寸、轉(zhuǎn)運(yùn)通道長(zhǎng)度、乏燃料水池大小與換料制度、抗震計(jì)算加速度等方面較二代改進(jìn)型核電站均存在較大差異,且在安全性、可靠性上對(duì)設(shè)備有了更高的要求,因此對(duì)于 “華龍一號(hào)”RFH系統(tǒng)的主要設(shè)備均有針對(duì)性地開(kāi)展了新設(shè)計(jì)、新研究,主要包括裝卸料機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、乏燃料貯存格架、新燃料升降機(jī)等。

1 裝卸料機(jī)設(shè)計(jì)研究

1.1 堆型變化對(duì)裝卸料機(jī)的主要影響

“華龍一號(hào)”堆型換料水池及堆內(nèi)構(gòu)件存放池深度、尺寸及燃料組件操作標(biāo)高發(fā)生較大變化,對(duì)裝卸料機(jī)的結(jié)構(gòu),尤其是主起升機(jī)構(gòu)和內(nèi)外套筒的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了較大影響[1]。主要影響包括:

1)壓力容器下堆芯板深度較以往工程增加1.17 m,這就意味著裝卸料機(jī)抓具抓取深度增加,而換料水池深度只增加了270 mm,所以堆芯區(qū)與轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)的相對(duì)標(biāo)高加大了900 mm,這種變化是由于廠房布置時(shí)抬高了轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)的水池底板標(biāo)高所導(dǎo)致。如圖1所示,若要保證伸縮套筒在固定套筒內(nèi)留有足夠的導(dǎo)向長(zhǎng)度,則要對(duì)伸縮套筒和固定套筒同時(shí)加長(zhǎng),并對(duì)兩個(gè)套筒的長(zhǎng)度進(jìn)行合理配比。加長(zhǎng)套筒后還需要對(duì)導(dǎo)向精度能否達(dá)到要求進(jìn)行分析。

圖1 “華龍一號(hào)”堆型標(biāo)高變化及裝卸料機(jī)套筒加長(zhǎng)示意圖Fig.1 The change of ref ueling elevation and extension of ref ueling machine sleeve

2)裝卸料機(jī)起升高度變化后,重新設(shè)計(jì)了固定套筒和伸縮套筒的結(jié)構(gòu),保證了在堆芯深度增加的情況下,能夠在設(shè)計(jì)、制造和安裝上實(shí)現(xiàn)裝卸料機(jī)的定位精度要求。

3)設(shè)計(jì)地震峰值加速度由0.2g提高到0.3g。峰值加速度的變化對(duì)設(shè)備抗震計(jì)算影響很大。尤其是大車(chē)門(mén)架屬于鋼結(jié)構(gòu)件,在0.3g地震加速度下鋼結(jié)構(gòu)連接處成為力學(xué)計(jì)算中的薄弱環(huán)節(jié),經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)修改后,門(mén)架最終滿足了抗震評(píng)定要求。如圖2所示,異常工況下的大車(chē)支腿當(dāng)量應(yīng)力。

圖2 異常工況下的大車(chē)支腿當(dāng)量應(yīng)力Fig.2 Equivalent stress of gantr y legs at abnor mal condition

目前,“華龍一號(hào)”示范工程的首臺(tái)裝卸料機(jī)已經(jīng)制造調(diào)試完成,并完成了廠內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)收,如圖3所示。

圖3 “華龍一號(hào)”示范工程首臺(tái)裝卸料機(jī)Fig.3 The first ref ueling machine of HPR1000

1.2 主起升機(jī)構(gòu)的單一故障保護(hù)設(shè)計(jì)

起升系統(tǒng)分析考慮了所有可能的失效模式,并針對(duì)其失效模式設(shè)計(jì)出可靠的安全保護(hù)裝置。為保證在燃料移動(dòng)時(shí)發(fā)生設(shè)備單一故障或單一人因差錯(cuò)不會(huì)導(dǎo)致燃料破損,根據(jù)單一故障保護(hù)要求設(shè)計(jì)足夠的保護(hù)措施,尤其是在超載、超速、超程、斷繩,以及斷電事故下的保護(hù)。設(shè)計(jì)中必須考慮到不安全的故障模式,預(yù)期可能發(fā)生的故障并采取措施,把組件安放到安全位置,這也是本設(shè)備研究重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。圖4分析了圍繞單一故障保護(hù)準(zhǔn)則所作的安全設(shè)計(jì)。

圖4 單一故障保護(hù)設(shè)計(jì)Fig.4 Single failure protection design

1.3 裝卸料機(jī)輔助單軌吊研發(fā)

輔助單軌吊是核電站反應(yīng)堆停堆換料過(guò)程中升降專用操作工具完成相關(guān)工藝操作的關(guān)鍵設(shè)備,安裝在裝卸料機(jī)大車(chē)門(mén)架的工字鋼軌道上。

輔助單軌吊作為燃料操作核心設(shè)備-裝卸料機(jī)的配套部件,滿足 “華龍一號(hào)”三代核電技術(shù)燃料操作與貯存系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo),與普通的單軌吊相比具有更高的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和更多的附加要求。因此依托中核集團(tuán) “龍騰2020”科研項(xiàng)目,開(kāi)展了輔助單軌吊國(guó)產(chǎn)化研發(fā),研制出了滿足核安全法規(guī)要求、設(shè)備功能要求的專用單軌吊設(shè)備。該設(shè)備具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),解決了出口受限的問(wèn)題[2]。圖5所示為輔助單軌吊科研樣機(jī)。

圖5 裝卸料機(jī)輔助單軌吊Fig.5 Auxiliar y monorail hoist

2 雙安全殼燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置設(shè)計(jì)研究

“華龍一號(hào)”反應(yīng)堆廠房采用雙層安全殼結(jié)構(gòu),與燃料廠房之間的運(yùn)輸距離較二代改進(jìn)型電站增加了4.160 m,且設(shè)置外安全殼后,轉(zhuǎn)運(yùn)通道長(zhǎng)度由5.540 m增加到9.570 m。由此也帶來(lái)原燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置不滿足功能要求等問(wèn)題。依托中核集團(tuán)ACP1000重點(diǎn)科技專項(xiàng)203課題 “雙安全殼燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置研制”,開(kāi)展了燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置科研樣機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。2015年年底,科研樣機(jī)通過(guò)了中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司組織的科技成果鑒定[3]。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)成果

“華龍一號(hào)”燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置采用接力驅(qū)動(dòng)技術(shù),由兩套小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接力驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng),達(dá)到長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)小車(chē)往返運(yùn)行的目的,滿足燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置功能要求。

本設(shè)備有兩套小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。反應(yīng)堆廠房小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與燃料廠房的相似,通過(guò)電動(dòng)機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)軸將動(dòng)力從水上傳遞到水下,再通過(guò)水下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)。接力驅(qū)動(dòng)充分利用了已經(jīng)掌握的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和成熟技術(shù),圖6為科研樣機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)景。目前該成果已申報(bào)了多項(xiàng)專利。

圖6 “華龍一號(hào)”燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置科研樣機(jī)Fig.6 Pr ototype of HPR1000 f uel transfer facility

2.2 核心部件研發(fā)

(1)特性離合器

特性離合器是接力驅(qū)動(dòng)的核心功能部件。在反應(yīng)堆廠房和燃料廠房各設(shè)一套,如圖7所示。特性離合器分別安裝在反應(yīng)堆廠房和燃料廠房的下部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。特性離合器具有超越功能,實(shí)現(xiàn)了由兩套下部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)接力驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的功能。

(2)防撞齒機(jī)構(gòu)

特性離合器齒輪的輪齒處于特定位置時(shí),小車(chē)齒條作用于齒輪的力指向齒輪中心,齒條不能撥動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),即處于 “卡住區(qū)域”。輪齒處在卡住區(qū)域時(shí),無(wú)法完成接力運(yùn)動(dòng)。防撞齒機(jī)構(gòu)就是為解決這一問(wèn)題而研發(fā)的。

圖7 特性離合器Fig.7 Special clutch

防撞齒機(jī)構(gòu)主要由固定軸、推動(dòng)臂、壓簧和小滾輪等組成,如圖8所示。在非卡住區(qū)域,防撞齒機(jī)構(gòu)正常推動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成接力。在卡住區(qū)域,在防撞齒機(jī)構(gòu)小滾輪的作用下,防撞齒機(jī)構(gòu)壓簧產(chǎn)生壓縮變形,推動(dòng)臂繞著固定軸抬起,小滾輪越過(guò)干涉的輪齒后再落下。推動(dòng)臂推動(dòng)齒輪的下一個(gè)輪齒,使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成接力。

圖8 防撞齒機(jī)構(gòu)Fig.8 Anti-collision gear mechanis m

(3)輪齒位置水上檢測(cè)系統(tǒng)

輪齒位置水上檢測(cè)系統(tǒng)的功能是:齒條與特性離合器齒輪脫離后,通過(guò)控制系統(tǒng)使特性離合器齒輪的輪齒停止在非卡住區(qū)域。輪齒位置水上檢測(cè)系統(tǒng)能夠避免出現(xiàn)卡住區(qū)域,與防撞齒機(jī)構(gòu)一起構(gòu)成齒條與齒輪接合的100%冗余保護(hù)。

輪齒位置水上檢測(cè)系統(tǒng)如圖9所示,通過(guò)安裝在小車(chē)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)低速軸上的配對(duì)齒輪,1∶1模擬下部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特性離合器的齒輪轉(zhuǎn)速。在與特性離合器齒輪轉(zhuǎn)速相同的齒輪上面設(shè)置了一個(gè)齒輪模擬盤(pán)。齒輪模擬盤(pán)的開(kāi)槽角度與特性離合器齒輪的輪齒是相對(duì)應(yīng)的;在小車(chē)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架上設(shè)置了一個(gè)光電傳感器,可以探測(cè)到齒輪模擬盤(pán)的開(kāi)槽信號(hào),借此探測(cè)特性離合器齒輪的輪齒位置。光電傳感器將即時(shí)探測(cè)信號(hào)送達(dá)控制系統(tǒng),通過(guò)控制系統(tǒng)達(dá)到使特性離合器齒輪的輪齒停止在非卡住區(qū)域的目的。

圖9 輪齒位置水上檢測(cè)系統(tǒng)Fig.9 Above-water gear tooth location detection system

3 乏燃料貯存格架設(shè)計(jì)研究

“華龍一號(hào)”項(xiàng)目中乏燃料貯存格架所涉及的燃耗、換料制度、乏燃料水池參數(shù)、抗震要求等設(shè)計(jì)輸入條件均發(fā)生變化,尤其是 “乏燃料貯存水池不宜同時(shí)采用燃耗信任制和硼置信方式進(jìn)行設(shè)計(jì)”和 “設(shè)計(jì)地震峰值加速度由0.2g提高到0.3g”這兩項(xiàng)變化對(duì)乏燃料貯存格架的設(shè)計(jì)和計(jì)算產(chǎn)生重要影響。為滿足這些設(shè)計(jì)變化要求以及“十二五期間新建核電廠安全要求”,依托中核集團(tuán) “龍騰2020”科研項(xiàng)目,開(kāi)展了乏燃料貯存格架專項(xiàng)科研設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制,確保實(shí)現(xiàn)其 “能夠安全的貯存乏燃料組件”的設(shè)計(jì)要求[4]。

3.1 乏燃料貯存格架的結(jié)構(gòu)

乏燃料貯存格架分為I區(qū)和II區(qū)兩個(gè)貯存區(qū)設(shè)計(jì),共形成貯存小室1 173個(gè),按18個(gè)月?lián)Q料考慮,大約可以貯存反應(yīng)堆運(yùn)行18年乏燃料的卸料量。

II區(qū)乏燃料貯存格架共11臺(tái),分別為8×10型,7×10型和7×11型,共形成791個(gè)貯存小室。每臺(tái)II區(qū)乏燃料貯存格架的不銹鋼骨架貯腔結(jié)構(gòu)以及支腿支撐結(jié)構(gòu)與I區(qū)格架基本相同,見(jiàn)圖11。在每個(gè)方形貯腔內(nèi)布置有兩面設(shè)置的2.5 mm厚的硼不銹鋼板、L形支撐板、導(dǎo)向板等。貯腔頂部設(shè)置兩面L型帶錐度的導(dǎo)向段,為燃料組件的操作提供導(dǎo)向。

圖10 I區(qū)格架Fig.10 Spent f uel storage rack in region I

圖11 II區(qū)格架Fig.11 Spent f uel storage rack in region II

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

?貯存小室柵距280 mm(I區(qū));255 mm(II區(qū));

? 貯存小室內(nèi)徑22 mm×222 mm;

?貯腔高度4 265 mm;

?硼不銹鋼板厚度2.5 mm;

? 硼不銹鋼板高度3 800 mm。

經(jīng)臨界分析計(jì)算,可貯存于II區(qū)的燃料組件初始富集度和燃耗限值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 燃料組件初始富集度和燃耗限值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relations bet ween initial enrich ment and bur n-up li mit of f uel assembly

3.3 乏燃料貯存格架的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)用于吸收中子的功能性材料均采用硼不銹鋼

對(duì)拉桿進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度有限元分析。對(duì)拉桿施加相應(yīng)的邊界條件，邊界條件如前面所述的拉桿受力分析。得到拉桿的應(yīng)力云圖和變形云圖(圖6)。

I、II區(qū)的格架均采用了具有良好工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的硼不銹鋼作為中子吸收材料。這種材料在乏燃料水池的輻照、腐蝕的綜合環(huán)境下的抗腐蝕性能和穩(wěn)定性較好,可以避免以往工程中的鎘乏燃料貯存格架在包鎘不銹鋼密封性失效的情況下可能導(dǎo)致中子吸收能力降低的潛在危險(xiǎn)。

(2)I、II區(qū)乏燃料貯存格架采用了相似的承載骨架

在滿足乏燃料貯存格架分區(qū)貯存的功能要求前提下,I、II區(qū)乏燃料貯存格架采用了相似的不銹鋼承載骨架,簡(jiǎn)化了臨界、力學(xué)、熱工水力的分析計(jì)算工作。在制造方面,簡(jiǎn)化了制造過(guò)程,可大大縮短制造周期。

(3)I區(qū)中子吸收材料采用了全新的支撐方式

根據(jù)I區(qū)乏燃料貯存格架的安全功能要求,結(jié)合以往工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了全新的中子吸收材料支撐方式,保證中子吸收材料的可靠定位,并實(shí)現(xiàn)載荷傳遞。

(4)抗震計(jì)算按三代核電站要求

三代核電站極限安全地震動(dòng)SL-2地面峰值加速度由0.2g增加到0.3g。乏燃料貯存格架的抗震設(shè)計(jì)按照三代核電站的抗震要求,采用了華龍標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的包絡(luò)反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算,滿足乏燃料貯存格架在SL-2地震工況下保證完整性的功能要求。

(5)臨界安全要求滿足 “十二五期間新建核電廠安全要求”

在臨界控制方面,兩個(gè)區(qū)的格架在正常工況下和假想的事故工況下,均能由格架本身的結(jié)構(gòu)以及所帶的固定中子吸收體維持次臨界安全,不再置信乏燃料水池里的可溶硼,具有更好的臨界安全裕度。

4 新燃料升降機(jī)設(shè)計(jì)研究

新燃料升降機(jī)作為RFH系統(tǒng)的一項(xiàng)重要設(shè)備,其起升機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)依賴國(guó)外進(jìn)口,對(duì) “華龍一號(hào)”設(shè)備國(guó)產(chǎn)化及走出國(guó)門(mén)帶來(lái)了負(fù)面影響。因此,依托中核集團(tuán) “龍騰2020”科研項(xiàng)目,開(kāi)展了新燃料升降機(jī)起升機(jī)構(gòu)自主設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制,以掌握其設(shè)計(jì)和制造技術(shù),解決出口受限問(wèn)題[5]。

4.1 起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

新燃料升降機(jī)起升機(jī)構(gòu)采用電機(jī)與卷筒平行布置的設(shè)計(jì),以縮小安裝空間。電機(jī)與卷筒之間的扭矩傳遞通過(guò)減速器實(shí)現(xiàn)。起升機(jī)構(gòu)通過(guò)兩個(gè)軸承座固定在上部構(gòu)件上。減速器的重量由卷筒軸承擔(dān),并在減速器一側(cè)設(shè)置防扭轉(zhuǎn)的扭力臂。安全制動(dòng)器安裝在卷筒軸的一端,并與軸承座固定,如圖12所示。

圖12 新燃料升降機(jī)樣機(jī)Fig.12 New f uel elevator

起升機(jī)構(gòu)設(shè)置有載荷測(cè)量裝置和位置檢測(cè)裝置。載荷測(cè)量裝置安裝在減速器的扭力臂上。位置檢測(cè)裝置由編碼器和凸輪限位開(kāi)關(guān)組成,安裝在卷筒軸上。

起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的整體構(gòu)架由驅(qū)動(dòng)和測(cè)量部件與控制柜組成。根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的不同功能,通過(guò)PLC編程預(yù)設(shè)定了三種運(yùn)行模式:正常模式、修復(fù)模式、檢查模式?？梢酝ㄟ^(guò)操作臺(tái)上的三檔位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換不同運(yùn)行模式。

4.2 起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1)采用扭力臂式載荷測(cè)量結(jié)構(gòu),扭力臂既可以作為減速箱的固定端,又可以進(jìn)行載荷測(cè)量。如圖13所示。

圖13 扭力臂結(jié)構(gòu)Fig.13 Torque ar m str ucture

2)起升機(jī)構(gòu)設(shè)置多重保護(hù)。雙鋼絲繩起升系統(tǒng),雙重制動(dòng)系統(tǒng),在控制上采用的監(jiān)測(cè)模式包括編碼器控制、凸輪限位開(kāi)關(guān)和高度位置的監(jiān)測(cè)。正常模式操作時(shí),高低速運(yùn)行切換和停止是通過(guò)編碼器控制的。在編碼器控制失效或故障時(shí),凸輪限位開(kāi)關(guān)可以完成區(qū)域速度切換和定點(diǎn)停止的功能,起到了冗余保護(hù)的作用。

3)起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的多模式與多區(qū)域混合控制能夠確保減少誤操作,提高升降燃料組件的安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著 “華龍一號(hào)”全球首堆示范工程福清核電站5號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆廠房穹頂?shù)跹b圓滿完成,標(biāo)志著 “華龍一號(hào)”由土建階段全面轉(zhuǎn)向安裝階段。作為燃料操作與貯存系統(tǒng)的重要設(shè)備,文中所述的各項(xiàng)設(shè)備有的已經(jīng)完成設(shè)備驗(yàn)收,科研的設(shè)備也已全部完成科研項(xiàng)目驗(yàn)收,科研成果也即將應(yīng)用到華龍首堆工程項(xiàng)目中。對(duì)于在后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試階段可能出現(xiàn)的問(wèn)題,我們也將隨時(shí)跟蹤處理,確保RFH系統(tǒng)設(shè)備安全、可靠地服務(wù)于 “華龍一號(hào)”工程。

致謝

文中所述工作得到了中國(guó)核電工程有限公司各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)及同事的大力支持和幫助,更離不開(kāi)相關(guān)設(shè)計(jì)者的辛勤付出,在此鄭重致謝。

[1]袁巍.ACP1000裝卸料機(jī)主提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 [R]．北京:中國(guó)核電工程有限公司,2014．

[2]葉陽(yáng)春.專用單軌吊研制報(bào)告 [R]．北京:中國(guó)核電工程有限公司,2016．

[3]李建奇,張?chǎng)?等.雙安全殼燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置研制總結(jié)報(bào)告 [R]．北京:中國(guó)核電工程有限公司,2016．

[4]劉慧芳．ACP1000乏燃料貯存格架研制總結(jié)報(bào)告 [R]．北京:中國(guó)核電工程有限公司,2016．

[5]李均．ACP1000新燃料升降機(jī)起升機(jī)構(gòu)研制總結(jié)報(bào)告[R]．北京:中國(guó)核電工程有限公司,2017．