核电站堆芯中子注量率测量系统辐照后指套管抽拔机设计
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【摘 要】本文叙述了核电站堆芯指套管磨损的原因并针对反应堆堆芯高温、高压和高辐射的特点及安全性的考虑，对从堆芯下部抽取更换指套管的方法进行了设计、根据设计需求，完善了抽拔机的组成和工作原理。最后对目前核电站堆芯指套管两种更换方法进行比较。
【关键词】指套管；抽拔机；设计；比较
0 前言
目前，国内外压水堆核电站更换堆芯中子注量率测量系统指套管的专用设备中，几乎都采用从堆芯上部（在换料水池中）抓取的方法。该方法使用广泛、运用成熟，但也存在更换成本高、技术难度大等缺点。为了克服上述问题，国内也开始进行从堆芯下部抽取指套管工具即辐照后指套管抽拔机（以下简称“抽拔机”）的设计。本文将从抽拔机的设计思路和实现方法进行详细陈述。
1 系统概论
堆芯中子注量率测量系统是核电站重要的监测设备，它主要测量反应堆堆芯的中子注量率分布，监测堆芯功率畸变，积累燃耗数据，对核电站安全可靠的启动、运行不仅是必不可少的，而且对核电站的安全运行及经济性起到重要作用。
堆芯中子注量率测量系统是采用移动式微型裂变室为探测器的测量系统，移动式微型裂变室由驱动装置驱动，通过指套管（为移动式微型裂变室提供导向和通道）由上至下对堆芯内部中子通量进行测量，在一个测量周期内，本系统可得到堆芯轴向及颈项测量数据，以便核电站专业人员进行物理分析。
指套管是长度13-16m、外径7.5mm的不锈钢管，如图1所示，指套管的一端在压力容器内，经仪表导管固定板、堆芯支撑板、堆芯下栅格板最终到达燃料组件顶端；另一端在导向管的引导下通过生物屏蔽墙、手动阀到达密封段出口处通过法兰结构固定并与连接管组件相连，接受来自驱动装置和管路选择器的移动式微型裂变室。由于以下三个原因，指套管易造成磨损、破损进而泄漏：①指套管插入堆芯燃料组件中，长期受到高温、高压、震动、水流冲刷等作用；②在核电站停堆换料期间，处在燃料组件中的指套管需要抽回，核燃料更换完毕后再重新插入燃料组件中，因此在每次换料期间指套管都存在机械磨损；③如果压力容器内存在松脱的部件，松动部件会在冷却剂流动的作用下对指套管进行反复循环撞击，造成大量指套管破损及堆内构件其它设备损坏。指套管的泄漏会造成一回路反应堆冷却剂外泄，造成相应的管路无法正常进行中子通量测量。核电站运行人员定期通过涡流探伤方法测量指套管的壁厚以衡量其磨损程度。根据运行经验，当磨损深度≥40%壁厚时应更换指套管。指套管因长期受辐照照射，带有很强的放射性，参照核安全和放射性防护规则，维修人员无法直接进行更换，需远程遥控操作相关设备进行指套管取出和存放作业。
2 抽拔机设计
由于需要将辐照后的指套管从堆芯底部抽出，因此抽拔机在设计时需要考虑以下基本需求：
①抽拔动力需求：需要有足够大的动力将三维弯曲的指套管从堆芯中安全、平稳的抽出；
②安全需求：由于辐照后的指套管剂量很大，需要操作人员远程、自动操作，并且卷出后的指套管要封存在屏蔽容器内；
③防止冷却剂溢出需求：为使指套管抽出密封段后反应堆一回路冷却剂不立刻喷出，要采取相应措施。
2.1 硬件设计
根据基本需求，抽拔机应由远程控制柜、抽拔机装置、探针、冷冻器、电磁阀和CO2瓶等基本设备组成，如图2所示。
①抽拔装置主要包括抽拔装置本体、卷绕盘、驱动电机和接线箱等，作用是2台互为备用的驱动电机（包括减速器、电磁离合器和传动轴等）将辐照后指套管从堆芯内拔出并卷入卷绕盘中储存，由于辐照后指套管每米γ剂量率可达11SV/h，抽拔装置本体外壳由钢板焊接而成，中间灌铅，将卷绕盘包在中间，以达到有效屏蔽γ射线的目的。
②探测装置包括探杆、弹簧和微动开关等，安装在密封段反压接嘴上，作用是当指套管末端经过探杆后，探杆在弹簧的作用下触发微动开关动作，给出指套管将要抽出密封段的信号。
③冷冻装置包括冷冻器、电磁阀和CO2瓶，作用是当出现指套管将要抽出密封段的信号后，控制电磁阀打开，液态CO2留到冷冻器中，冷冻器固定在导向管下游，将一回路反应堆冷却剂冷冻，以便指套管抽出密封段时，冷却剂不会喷出。
④远程控制柜：安装在远离堆芯仪表室的维修房间内，可远程自动控制驱动电机启停、电磁阀开关并接收微动开关的信号。设置有指示灯，可远程观察抽拔进展情况。也可实现手动操作。
⑤辅助设备包括支架及吊车，可使抽拔机在堆芯仪表室内移动并固定，以满足抽拔分布在不同位置的指套管的需求。
2.2 控制流程
由于指套管长度为13-16m且处在压力容器外面的部分γ剂量很小，为减小抽拔风险，在移除密封段上游设备腾出空间后，先使用抽拔机手动操作将低放射性部分抽出（约8-10m），将此部分切掉后作为低放射性物项废物处理。剩余5-6m高放射性部分采用远程自动操作，整个操作流程分为6个阶段，在远程控制柜上对应有相应的指示灯，以便远程监控。
①阶段：启动驱动电机，抽拔指套管，直到指套管末端到达密封段，探测装置上的微动开关给出信号，停止抽拔；
②阶段：电磁阀打开，液态CO2开始流入冷冻装置；
③阶段：延时3分钟，将一回路反应堆冷却剂冷冻；
④阶段：电磁阀关闭；
⑤阶段：重新启动驱动电机，继续抽拔指套管，直到指套管末端到达抽拔装置本体进口处，微动开关给出信号；
⑥阶段：继续抽拔，延时1分钟，驱动电机停止工作，指套管已进入抽拔装置本体内的卷绕盘中。
至此，整个抽拔流程结束。取出的指套管封存在抽拔机铅屏蔽内，待下个换料大修放射性下降后取出妥善安置。
3 两种取出指套管方法的比较
从堆芯上部（抓取机）和堆芯下部（抽拔机）取出指套管是目前两种可行的操作方法。从堆芯上部抓取指套管是在换料水池中进行的。操作人员远程对指套管进行抓取和切割并使用水下运输小车将切割下的指套管运送至乏燃料池储存。全过程使用水下视频设备进行监控。下面将从成本、使用范围、操作性、运行经验等几个方面对两种方法进行比较。
1）从堆芯上部抓取指套管（抓取机）：
优点：
①在一个换料周期内可更换多根指套管；
②可取出已经断裂的指套管；
③实际应用广泛，例如在秦山一期及巴基斯坦恰希玛核电站1号机组中得到应用，可靠性高。
缺点：
①设备（指套管抓取工具、水下剪切工具、水下运输容器和水下视频等）造价高；
②辅助设备（燃料抓取机、倾翻机和水下照明等）繁杂；
③操作人员技术要求高且人数众多（15人左右）。
2）从堆芯下部抽取指套管（抽拔机）
优点：
①设备组成简单、制造周期短、造价低；
②操作方法简单，操作人员较少（4-6人）。
缺点：
①在一个换料大修周期内只能更换一根指套管；
②无法抽拔已经断裂的指套管；
③仅在巴基斯坦恰希玛核电站2号机组中得到应用，实际应用经验较少，存在未知风险。
由以上比较可以看出，抽拔机适用于在一个换料大修周期内更换一根没有断裂的指套管。在更换成本和操作简便性上具备优势。可与抓取机形成高、低档互补搭配，为核电站业主提供多种选择。
4 结论
由于指套管破损会造成反应堆冷却剂泄漏，影响堆芯中子注量率测量系统的正常使用及核电站安全。因此指套管的更换工作至关重要。本文论述了堆芯中子注量率测量系统辐照后指套管抽拔机的组成和原理。同时对两种指套管更换方法进行了比较分析，确定了抽拔机的使用范围。
【参考文献】
[1]杜晓光.移动式堆芯中子注量率测量系统概述[J].中国核电，2010，03（04）：367-373.
[2]柳正钧.堆芯指套管磨损、堵塞机理与预防维修策略[J].核动力工程，2004，06.