核电站废树脂自动取样装置系统设计研究

高虎

（南京源自电力自动化设备有限公司，江苏 南京 211800）

1 研究背景

在我国核电站放射性废物处理工艺系统中，湿废物取样分析是不可缺少的工艺环节之一，一般采用取样手套箱或手动阀取进行人工取样，通过控制取样时间、距离、临时屏蔽等手段，减少操作人员在取样过程中辐射照射，取样后屏蔽储存样品并安全转运至实验室同样需要人工进行操作。目前，少部分AP1000 核电站引进了美国成熟技术设备，可以进行远程操作、自动完成取样储存环节，可以将人员辐照风险降至最低。

受中美贸易摩擦影响，我国第三代核电示范项目CAP1400 反应堆中美国独有的核技术、设备受到美国能源部10CFR Part 810 民用核电技术的出口限制，废树脂自动取样装置相关技术存在受限可能。为了填补国内该类设备的空白，避免受到国外进口限制，打破国外技术垄断，废树脂自动取样装置国产化研究势在必行，掌握设计、制造与试验的核心科技，能够为推进CAP1400 示范工程项目提供有力的支撑。

2 废树脂自动取样装置功能要求

废树脂取样装置进行取样的湿废物是由树脂、活性炭、沸石等与水混合的流体介质，具有放射性，可对人体造成伤害，所以，取样过程中应能通过远程控制完成自动取样；取出的样品需要储存到容器中并且能进行屏蔽，这一过程同样需要远程控制完成；当样品进行屏蔽后，即可转运至实验室。综合几方面功能要求，废树脂自动取样装置需具备自动取样、自动储存、屏蔽防护以及转运功能，考虑到转运环节受核电站厂房环境因素影响，可以采用人工转运方式，其他过程均应实现远程控制、自动运行。

3 废树脂自动取样装置系统构成

根据功能需要，如图1 所示，废树脂取样自动取样装置由废树脂取样器、取样瓶、提升系统、屏蔽容器、转运车、定位系统及控制系统构成。

3.1 废树脂取样器

废树脂取样器是整个装置的核心部件，其作用是完成将湿废物样品从管线中取出这一重要环节。

废树脂取样器通过法兰安装在湿废物循环管线上，采用气动方式通过气缸驱动取样头在管线中伸出与复位。取样头上设采集腔，采集腔的容积是单次取出的样品体积。当取样头随气缸动作伸入管线中，湿废物介质进入采集腔并充满；当取样头随气缸复位后，采集腔中的湿废物介质被取出，并通过废树脂取样器出口探针自然排出至取样瓶中。

图1 系统流程图

图2 吹扫单元

考虑到湿废物介质不能全部自然排除，会残留一部分附着在采集腔及管路上，如不处理，可能滴落至厂房内造成辐射污染，所以需要对取样后的采集腔进行冲洗。传统的冲洗方式冲洗压力、冲洗水量均不易控制，所以，针对废树脂取样器采取特殊工艺的吹扫单元，如图2 所示，吹扫单元由两个三通换向阀、减压阀构成，吹扫出口接至采集腔冲洗入口，其工作原理是通过切换两个三通换向阀进、出水方向，在两个换向阀间的管路中留存一定量的除盐水，通过减压阀进行减压的压缩空气推动留存的除盐水对采集腔进行冲洗，当除盐水吹扫完后，持续吹扫一定时间，确保采集腔内无水气残留。

3.2 取样瓶

取样瓶置于屏蔽容器中，用来存放废树脂取样器取出的湿废物样品，它由顶部悬挂组件和样瓶组成。样瓶根据取样量和吹扫水量选定容积，考虑到实验室湿废物样品的取出，样瓶可采用一次性聚丙烯瓶，通过螺纹与顶部悬挂组件连接，每次取样更换新的样瓶；取样瓶悬挂组件与提升系统配合，随提升系统上升和下降，在上升过程中，废树脂取样器探针插入取样瓶样瓶中，废树脂取样器取出的样品通过探针流入样瓶中；取完样，取样瓶随提升系统下降至屏蔽容器中。

3.3 屏蔽容器及转运车

当取样瓶置于屏蔽容器中时，屏蔽容器能够对湿废物样品进行辐射屏蔽。可采用圆桶式结构，顶部、四周及底部均有一定厚度的铅屏蔽层，铅屏蔽层厚度通过辐射计算得出，使容器外表面剂量率水平满足人员近距离操作的要求。屏蔽容器顶部屏蔽能在取样瓶上升和下降过程中自行打开或关闭。

屏蔽容器安装在转运车上，通过人工转运方式来转运至实验室，转运车具备升降及四方位移动功能，适用在狭窄通道内移动。

3.4 提升系统

提升系统通过气动方式带动取样瓶实现上升与下降。提升系统包括导轨和滑块及同时导轨上安装的限位开关，控制取样瓶上升与下降的位置。

3.5 控制系统

控制系统对取样瓶运动定位、取样过程操作及吹扫操作进行集成控制，且具备相应的状态显示及报警功能，可发送取样启动或终止指令，可检测设备运行状态；控制系统采用触摸屏界面直观显示系统工作状态，通过指示颜色变化及可见性直观反映取样系统各动作点及时状态，以及综合故障状态、自动取样结束状态提醒等。

根据不同工作状态，控制系统包括调试模式、自动运行模式及失效模式。

调试模式：针对设备投运前对各部件进行调试，测试动作、状态、信号反馈是否正常。

自动运行模式：设备投入正常运行，在该模式下实现设备自动运行。

失效模式：针对废树脂取样装置正常工作状态下出现突发情况如断电、断水、断气，控制系统进行的自动保护模式。考虑到湿废物介质的放射性，一旦出现突发情况可能会导致湿废物介质滴落至工作环境中造成重大事故，所以在失效模式下，控制系统会自行判断当前设备运行状态并自动执行最安全动作。

4 工作流程

（1）取样瓶更换一次性样瓶后置于屏蔽容器中，通过手动方式推动转运车至正确位置。

（2）取样前，打开屏蔽容器顶部屏蔽盖，取样瓶通过提升系统从屏蔽容器中提升至取样位置，此时，废树脂取样器样品出口探针插入样瓶中。

（3）废树脂取样器进行取样，取出湿废物样品后进行吹扫，样品最终吹扫至取样瓶中。

（4）取样结束后，取样瓶通过提升系统下降至屏蔽容器中，屏蔽容器顶部屏蔽盖关闭，同过手动方式推动转运车至实验室。

5 功能试验平台

废树脂取样装置作为核电站放射性废物处理工艺的重要环节设备，在其应用前，需对设备系统配置功能能否达到设计要求需要进行功能试验验证。

功能试验需搭建试验平台来模拟实际工况运行系统，包括模拟湿废物介质配比、模拟湿废物介质循环工况。试验平台应至少包括螺杆泵、混合箱、储水箱、流量计、压力表等，以满足介质配比、介质输送、流量监测、压力监测等试验条件，同时，试验平台还应能模拟各种突发情况以测试控制系统失效模式的可靠性。

6 结语

本文结合废树脂自动取样装置应用背景，对设备的工作原理、系统构成及控制要求进行了研究分析，确定了技术路线开展废树脂自动取样装置系统设计，涵盖了机械结构、电气仪控两方面，基本上满足了核电站系统对设备的技术要求。除此以外，废树脂取样装置还需要在辐射、抗震、自动转运等相关专业方面进一步研究优化，包括：（1）废树脂自动取样装置在高辐射环境下运行，开展废树脂取样过程的辐射防护分析，确定零部件工作寿命、材料老化等问题；（2）根据CAP1400 示范工程核电项目投资保护加速度要求，采用静态载荷分析法，对废树脂自动取样装置进行抗震分析，确定整个装置的钢结构及支撑的稳定性；（3）开发智能机器人代替人工转运，真正实现全过程自动化。