HTR-PM控制棒驱动机构维修技术研究

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(1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223;2.华能山东石岛湾核电有限公司，山东荣成 264312)

HTR-PM控制棒系统是高温气冷堆核电站反应性调节和控制的重要核安全设备，具有控制棒运行行程长、吸收体质量重、采用链条驱动等与压水堆控制棒显著不同的特点。一方面控制棒驱动机构工况严苛、结构复杂，操作频繁，发生故障的概率较大；另一方面控制棒驱动机构部分电气元器件的设计寿命也仅十年，如步进驱动电机和棒位指示器等，需进行定期更换[1-2]。为保证HTR-PM正常有序的运行，有必要对控制棒驱动机构进行定期的维修维护电气元器件的更换。目前针对高温气冷堆维修技术的研究各国均在进行，但还没有相对成熟的技术，本文针对HTR-PM控制棒驱动机构提出一种维修技术。

1 HTP-PM控制棒驱动机构

1.1 结构

HTR-PM共有24套控制棒驱动机构，每套控制棒驱动机构通过4个M56的双头螺柱连接在压力容器顶盖上。受顶盖空间限制，控制棒驱动机构分外置式和直通式，并以2套外置式和2套内置式为一组，外置式和直通式控制棒驱动机构交叉分布在压力容器顶盖上。控制棒驱动机构通过环链与控制棒连接，其中控制棒驱动机构与环链之间通过快速接头连接。驱动机构通过收放环链实现控制棒在孔道内上下移动或移动保持在指定的位置，实现反应堆启停、功率调节、功率补偿和停堆[3]。

图1 HTR-PM控制棒系统结构Fig.1 Structure of HTR-PM control rod system

1.2 控制棒系统维修方案

受高温气冷堆固有特性和控制棒驱动机构复杂空间结构的限制，HTR-PM控制棒驱动机构维修过程中存在以下难点：

1)维修过程中需保持一回路气氛。HTR-PM控制棒驱动机构安装在反应堆压力容器上方，与反应堆一回路系统共同构成反应堆的压力边界，保证堆芯气氛与外界的隔离，防止放射性物质外泄。控制棒驱动机构维修过程中，若直接拆除将会导致一回路的氦气气氛被破坏，内部放射性物质外泄造成人员、设备和厂房环境沾污。

2)维修过程中气氛隔离密封面难建立。控制棒驱动机构结构复杂，压力容器顶盖体积庞大，气氛隔离过程中需在现有主设备的基础上以合理基准构建密封面。

3)维修过程中有较高的放射性风险。控制棒驱动机构位于反应堆舱室内，控制棒驱动维修需方便快捷，减少施工人员接受的放射性剂量。

针对上述难点，为了减少施工人员在线操作接受的放射性剂量，同时保持一回路气氛，最方便有效的维修方式是通过气氛隔离的方法，将控制棒提升至压力容器顶盖管口，快速分离环链与控制棒之间的连接，再将控制棒驱动机构转移至维修厂房进行离线维修。

2 现有高温气冷堆维修工艺

针对高温气冷堆的维修，清华大学针对HTR-10 MW主氦风机维修提出了一种维修工艺，具体如下[4]：

1)用第一隔离膜将主氦风机压力壳和蒸汽发生器压力壳围住，并密封第一隔离膜，如图2所示；

图2 HTR-10 主氦风机维修方案示意图Fig.2 Schematic of maintenance of helium circulator in HTR-10

2)分离第一隔离膜，将主氦风机与蒸汽发生器分离，且使第一隔离膜和蒸汽发生器压力壳形成一密封的空间，将主氦风机移至维修位；

3)将一气囊放置在蒸汽发生器压力壳法兰开口处的第一隔离膜上，气囊将蒸汽发生器法兰开口密封；

4)用第二隔离膜将主氦风机压力壳和蒸汽发生器压力壳围住，密封第二隔离膜；卸下气囊和第一隔离膜，回装所述氦气循环风机。

该维修工艺作为国内首次引入气氛隔离措施的高温气冷堆维修工艺，于2012年在HTR-10 MW机组实施。但该维修工艺贴膜工艺复杂，因隔离膜尺寸过大操作困难，存在隔离膜破损后会造成氦气泄漏和放射性粉尘释放的风险。

3 控制棒驱动机构维修方案

针对HTR-PM的结构和现有高温气冷堆维修工艺的特点，本文提出一种刚性连接的HTR-PM控制棒系统维修工艺和维修设备。通过类似手套箱操作的方式，施工人员在气氛隔离装置外在线依次对控制棒驱动机构与顶盖法兰面、控制棒与环链之间进行分离，并将分离后的控制棒驱动机构转移至一回路环境以外，进行维修和更换。

3.1 维修设备

该HTR-PM控制棒驱动机构维修设备具体包括支撑部件、气氛隔离主舱室、隔离门组件、转运舱、气氛控制系统、环链提升机构和控制棒固定装置等组成，整体布置如图3所示。各组成部分的主要功能和结构特点如下：

图3 HTR-PM控制棒驱动机构维修设备布置示意图Fig.3 Arrangement of maintenance equipment for the HTR-PM control rod drive mechanism

1)支撑部件是由型钢拼装的框架结构，将整个维修设备支撑在压力容器顶盖上，并可以将主舱室调平。支撑部件共设有6个支撑腿，其中3个支撑在顶盖主法兰上端面，3个支撑在顶盖封头上。

2)气氛隔离主舱室由壳体、支撑骨架、密封板组件、手套和观察窗等组成，其构建了密封舱室，为控制棒驱动机构拆卸提供了密封环境。气氛隔离主舱室通过密封垫与顶盖控制棒管嘴上端面和外侧圆弧面实现密封。

3)隔离门组件由壳体、支撑骨架、自动门组件等组成，隔离门组件用于远程打开或关闭主舱室，以便控制棒驱动组件转运进、出气氛隔离主舱室。隔离门组件通过卡扣的形式快速固定在主舱室上方。

4)转运舱由壳体、支撑骨架、电动葫芦、手套和观察窗等组成，其中电动葫芦用于提升控制棒驱动机构。转运舱一方面为控制棒驱动机构的装入和拆出提供一个过渡空间，即将转运舱内的气氛置换为氦气环境再接入主舱室；另一方面作为将拆卸后的控制棒驱动机构转移至维修厂房的容器。转运舱通过卡扣的形式快速固定在隔离门组件上方。

5)气氛控制系统包括置换模块和净化模块，置换模块用于将隔离舱室的气体初步置换为一回路气体或空气；净化模块通过内部循环的方式净化维修舱室内的气体，过滤掉气氛中混合的颗粒物、水和氧。气氛控制系统原理图如图4所示。

图4 气氛控制系统原理Fig.4 Principle of atmosphere control system

6)环链提升机构由驱动电机、链轮和导轨等组成，用于在相邻直通式驱动机构不拆卸的前提下外置式驱动机构仅能提升200 mm的空间内，对约11 m长的环链进行提升，使控制棒提升至压力容器顶盖；环链提升机构通过导轨安装在气氛隔离主舱室的密封板组件上。

7)环链固定装置用于在没有环链连接情况下将控制棒临时固定在压力容器顶盖上。

3.2 维修工艺

针对上述维修设备，HTR-PM具体维修工艺流程如下：

图5 HTR-PM控制棒驱动机构维修工艺流程Fig.5 Maintenance process of HTR-PM control rod drive mechanism

3.3 试验

目前本方案已经通过了相关专家的技术评审，完成了加工制造，并开展了以下试验：

1)控制棒驱动机构模拟体与主舱室、隔离门之间的功能测试和密封性测试；

2)隔离门与转运舱之间的功能测试和密封性测试；以及转运舱的承载试验；

3)环链提升机构的功能试验和承载试验；

4)以99.99%的氮气作为介质的气体置换试验。

试验结果表面控制棒驱动机构维修设备和维修方案具备以下特性:

1)该控制棒驱动机构具有良好的密封性，各密封空间的泄漏率在0.1vol%/h以内，在维修过程中能有效防止一回路氦气的泄漏及放射性石墨粉尘等物质的扩散，同时能阻挡杂质气体和异物进入一回路，最大程度地保持一回路氦气的纯度；

2)施工人员通过主舱室和转运舱上手套和观察窗，并在转运舱电动葫芦的配合下，能实现驱动机构与顶盖法兰面之间、环链与控制棒之间的快速分离；

3)该维修工艺能安全有效维修24套控制棒驱动系统中的任意1套，而且维修设备结构紧凑，减少气体置换过程中的氦气用量。

图6 HTR-PM控制棒驱动机构维修设备功能试验Fig.6 Functional test of maintenance equipment for HTR-PM control rod drive mechanism

4)环链提升机构能有效提升环链，提升载荷大于300 kg，提升过程中有效避免环链在控制棒中心孔道内摩擦。

5)经过气氛控制系统的置换和内部循环净化，维修舱室内气氛的水分控制在100 ppm以下，氧气控制在200 ppm以下。

4 结束语

所提出的HTR-PM控制棒驱动机构维修设备和维修工艺技术，能在维修过程中有效防止一回路氦气的泄漏及放射性石墨粉尘等物质的扩散，同时能阻挡杂质气体和异物进入一回路；并在气氛隔离的环境下，维修人员通过手套箱快速实现控制棒驱动机构与压力容器顶盖之间、控制棒与环链之间快速分离，并将分离后的驱动机构转运至维修厂房进行离线维修。整个维修过程施工人员无需进入氦气环境下，在线接受放射性剂量小。该维修设备和维修工艺具备一定的推广和借鉴价值。