一种乏燃料转运容器屏蔽层浇铸方案

褚长海

(上海阿波罗机械股份有限公司，上海 201499)

乏燃料转运容器用于安全运输乏燃料组件。主要由容器内筒体、外筒体、上法兰、下法兰等组成，主材为奥氏体不锈钢。容器本体通过内筒体、外筒体，底部锻件和顶部锻件，形成一个环形腔体，腔体内浇铸屏蔽材料，以实现对乏燃料的γ射线屏蔽功能。容器简图如图1所示。

图1 容器简图Fig.1 Vessel sketch

在最终确定浇铸工艺方案前，我们试验了多种解决方案，有些方案内筒体和外筒的温度梯度较高，有些方案的屏蔽层缺陷率较高，屏蔽体的补缩效果较差，同时冷却的过程中产生的水汽会影响加热效果，不便于浇铸冒口的操作和观测。为保证产品浇铸一次成功，吸取国内、外成功的经验案例，总结浇铸试验件的经验，通过试验件总结得出对于产品浇铸过程适用的数据，对浇铸方案进行各方综合评估，确定产品的最终浇铸工艺方案，以确保乏燃料转运容器浇铸的一次满足要求。经过反复试验，最终本文方案为较优的解决方案。

1 屏蔽层浇铸

1.1 容器和浇铸层结构1.2 浇铸过程

屏蔽材料介质易氧化，热态和冷态的下的密度差，在浇铸过程中除易产生气孔、浇铸时喷射在内外筒体上的氧化物，还有因冷却收缩产生的空隙。浇铸过程中，熔融状态的屏蔽体从底部锻件向上逐渐填满容器腔体，屏蔽流体需提前加热至熔融状态通过浇铸管道伸进腔体底部。过程通过对温度的精细化控制，降低屏蔽体与容器本体的温度梯度和热冲击，对容器行预热，然后通过逐层冷却的方式来避免屏蔽层出现温度快速变化和屏蔽材料介质特性而产生的气孔、尽量将间隙降低到最小。

2 工艺

2.1 工艺方案

加热系统，实现对内、外筒体及浇铸腔体加热，达到浇铸工艺方案中温度的要求。

冷却系统，实现对容器本体和屏蔽体层的逐层冷却，使下部屏蔽体液逐渐冷却，上部液态屏蔽体液及时向下补缩，保证屏蔽体层的质量。

屏蔽体熔化加热系统是实现对屏蔽体块的熔化和保证工艺要求的灌装温度，吸屏蔽体泵及管道系统是实现屏蔽体液一次性灌入浇铸腔内。

温度测量系统是通过布置在容器各部位的热电偶，实现对加热系统的温度测量、记录和控制，满足浇铸工艺中对温度的要求。

排烟除尘系统是将屏蔽体熔化、加热过程产生的屏蔽体烟及有害气体吸收净化。

辅助系统是保证浇铸系统设备各项功能的实现。布置简图如图2所示。

图2 浇铸布置简图Fig.2 Casting layout Sketch

浇铸采用天然气红外加热熔化屏蔽体，液态屏蔽体由屏蔽体泵从熔屏蔽体炉底部通过进料管道导入浇铸口的浇铸杯中，浇铸口延伸到浇铸腔体底部，距离腔体底面200 mm。外部继续加热保温，浇铸时，加热全部停止。当液位达到300～400 mm时，开启冷却管；冷却系统随着屏蔽体液的升高而逐层开启，保证冷却系统逐层冷却但不超过屏蔽体液高度，从而达到屏蔽体液凝固要求。

2.2 浇铸前的安装准备工作

对屏蔽体的表面逐块检查清洁度，不得有灰尘、泥土、油污等污物。若屏蔽体表面存在污物，应用压缩空气或者氮气进行吹扫。若屏蔽体锭表面存有油污，则用丙酮擦洗。保证屏蔽体锭表面干燥无水汽。安装设备和支撑，安装热电偶固定装置。熔炉装置如图3所示。

图3 屏蔽体熔炉装置图Fig.3 Shield Melting pot

筒体内部采用工装支撑板，对内筒体既起到支撑作用，同时也可以增强冷却效果，减少温度的过快上升产生的热冲击。

内部支撑工装与冷却水管按一定的间距布置，同外部的热电偶形成对应关系，可实现设备长度方向上的温度精准控制。

容器安装就位，安装热电偶，安装加热系统。连接相关的管线及水、电、气管线，并进行相应调试。安装固定热电偶时，在每一路热电偶的两端用金属标牌标记，热电偶的补偿导线两端使用纸质标号牌。标号牌的标号按内外筒体热电偶展开图中的对应标号制作，标号牌应牢固可靠，不允许脱落。每一路热电偶上都多处标记。

安装完成后，统一将热电偶、加热片连接线接入DCS控制柜和电加热片控制柜，接线后对各个线路进行调试，保证每个线路均联通无故障。

浇铸管道上面布置加热装置，能够对浇铸管道单独加热，保证加热温度在，达到温度后，持续保温，待所有设备的温度均达到浇铸要求时，开始浇铸。

在对容器进行加热时，开启通风系统，供氧助燃。

屏蔽体液温度满足要求，容器外壁各点温度满足要求，浇铸管道的温度满足要求。

管路提升系统已经与屏蔽材料液体泵和浇铸口连接完成。

加热系统以及管路提升系统、冷却系统、通风系统、回水系统检查正常。起吊浇铸管道用行车准备就位。

2.3 浇铸

当上述条件均满足时，开始浇铸。

打开管道阀门和吸屏蔽体泵电源，将屏蔽材料液体通过管道导入浇铸杯内，由浇铸杯向浇铸腔体灌入屏蔽材料，记录灌装温度和时间。

管路系统采用不锈钢管和活节连接。行车的吊链套提升装置行架上，待屏蔽体液浇铸量达到浇铸口底端时，行车开始起吊浇铸管道，连同浇铸口一起向上提起。此时，浇铸人员需要注意浇铸口，防止其出现剧烈窜动，提升缓慢而均匀，尽量避免急突然停止、突然启动现象。观察屏蔽体锅内的液面变化和冒口处屏蔽体液升高，等冒口处的屏蔽体接近指定标线时，关闭吸屏蔽体泵电源，关闭阀门。加热器抬升至冒口上端，开启最下面两侧加热模块，对冒口实行保温，使屏蔽体液进一步补缩。

浇铸过程中，浇铸人员在冒口处观察，屏蔽体液高度，确保提升浇铸口时，浇铸口底端在靠近液面或者刚进入液面下。

浇铸完成后，移开浇铸口，拆卸浇铸管道。

浇铸材料保温数小时后，内部加热关闭，外部加热系统提升，并在底部开启冷却，依次类推，由下至上逐渐关闭内部加热，并在外部继续在同等高度位置进行冷却。当接近顶部冒口时外部加热保持继续加热，保证屏蔽层有足够的补缩，整个过程需缓慢进行，温度的变化不应超过设定值，温度的变化应缓慢平稳，避免升温或降温速率过大，整个过程需耗时十几个小时。加热和冷却过程如图4所示。

图4 加热冷却过程图Fig.4 Heating and cooling process

2.4 浇铸后的控制

监控外筒体内、外表面温度，确保外筒体上部温度不得低于下部温度，温差不低于设定值，否则应开启对应区域的外部加热系统。

提升高于冒口高度的外部加热环可逐层向下关闭。随时观察冒口处屏蔽材料的状态，保证其始终处于熔融状态。根据现场温度变化情况，可适当调整冷却水的流量和时间。我们选用特殊的喷头，喷头经过试验，喷射角度和喷射高度均经过试验，符合预设尺寸。全程的冷却水量要求上层冷却水管的流量比下层流量略低，通过流量和时间控制不同高度位置的温度梯度。整个过程通过热电偶反馈的数值进行调整来对实时的温度进行调整和控制。

待容器彻底冷却到室温后，按要求标记位置，测量内外筒体的尺寸、椭圆度并记录。

3 结果与讨论

通过本文的屏蔽材料浇铸方案，在屏蔽检测结果中，在均布在外筒体的150 mm×150 mm的网格，均布在容器上的1314个检测点位上，经过修正计算，其中最大剂量当量率为28.4 μSv/h，最小剂量当量率为12.4 μSv/h。检测结果中仅34个检测点的数据大于标准试块厚度的平均剂量当量率，合格率超过97%。而且屏蔽层的厚度比较均匀，说明工艺方案可行，达到了预期的浇铸效果。数据分析结果如图5所示。

图5 屏蔽检测数据图Fig.5 Shielding detection data

4 结束语

以上浇铸工艺和专用工装可以有效降低浇铸过程中对筒体的热冲击，保障屏蔽体浇铸层的厚度，同时不允许屏蔽材料存在气孔、缩孔、夹杂等缺陷，保证了屏蔽检测的合格率。