秦三厂全堆芯乏燃料清空方案研究

霍启龙 熊小红 刘学斌

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

秦山第三核电厂（以下简称“秦三厂”）拥有2 台从加拿大引进的CANDU6 型重水堆核电机组，每个CANDU6 重水堆堆芯水平布置380 根压力管。压力管作为堆芯燃料的承载部件，长期处于高辐照、高温、高压的工况，随着电厂的连续运行，压力管将不可避免地发生老化和性能降级现象，最终导致其不满足设计安全要求。因此，为保障机组安全稳定运行，必须对全堆压力管，包括燃料通道部件进行更换（以下简称“换管”）。

在压力管更换工程实施前，需要将堆芯内的所有乏燃料清空，便于压力管更换的实施。本文结合重水堆压力管更换项目和秦山重水堆机组现状，提出秦三厂全堆芯乏燃料清空工艺方案，并对乏燃料清空工具进行剖析和研究，以确保乏燃料清空过程的安全。

1 装换料过程概述

秦三厂重水堆机组采用不停堆换料方式。 其堆芯水平布置380 根压力管，内装12 根燃料棒束，全堆共装载4 560 根燃料棒束。在反应堆堆芯AC 两侧各布置一台由原加拿大原子能公司（现坎杜能源公司)设计制造的核一级设备装卸料机装置，它是重水堆更换核燃料的关键设备。

2 乏燃料清空工艺研究

秦三厂在燃料通道清空操作时，建议采用装卸料机清空工艺。正常燃料通道清空操作主要是利用上、下游装卸料机的相互配合，完成燃料通道的清空操作。

燃料通道清空过程中装卸料机的通常几个操作：

（1）在辅助孔道，将两侧装卸料机里的备用屏蔽塞从装卸料机仓M 管里卸出。

（2）6 个抓取工具延伸件（Fuel Adapter Extension，以下简称“FAE”）分别安装到上游装卸料机仓L、N、B、D、F & M 管里。

注：当只有一个装卸料机可用，则将燃料抓取工具（Fuel Adapter，以下简称“FA”）连接于FAE 前端部，仅用一个装卸料机通过抓取燃料棒束完成通道的清空操作。

（3）用RGA、FAE 工具将反应堆燃料通道里的12根燃料棒束推至下游装卸料机内。

（4）下游装卸料机定位并锁紧于乏燃料孔道，接收卸出的12 根乏燃料棒束。

（5）依次完成各燃料通道的清空操作。工具装入到上游装卸料机上，下游装卸料机准备工作完成后，同时定位到需要清空的燃料通道上。装卸料机进入自动清空模式后根据程序执行燃料清空操作。

（6）上游装卸料机用RGA 和FAE 工具将反应堆燃料通道里的12 根燃料棒束从燃料通道依次推入到下游装卸料机内。下游装卸料机接收卸出的12 根乏燃料棒束并贮存于贮仓内。见图1。

图1 装卸料机12 根贮存仓

3 乏燃料清空工具研究

3.1 压力管蠕变研究

本报告研究的燃料通道清空用工器具及采用的装卸料机清空工艺均是以压力管寿期内正常设计尺寸为前提的。但在反应堆运行过程中，由于压力管中的燃料棒束和冷却剂的重量以及压力管本身重量的作用，再加上热蠕变和辐照蠕变因素，压力管会发生下垂弯曲，参见98-31100-PIP-004《Final Inspection Report》及17YW022-406-BG《秦山三厂压力管与排管接触、排管与LISS 管嘴间隙分析报告》。当压力管更换项目实施时，压力管的蠕变量可能超出正常设计尺寸并影响现有燃料通道清空工器具的使用。

基于秦三厂两台机组历次在役检查中所抽查的压力管最大下垂量，进行归一化拟合，通过95%置信度下垂量下限即可预测236kEFPH 下的保守下垂量不大于75 mm。

根据两台机组在役检查获得的下垂曲线（基于下垂曲率测定）可知，压力管下垂最大量接近轴向长度中点，两端曲率为负、中间段曲率为正，近似于反正态分布曲线，如图2 所示。

图2 压力管下垂量及下垂曲率趋势

3.2 专用工具研究

（1）FAE 工具是用于操作超过推杆范围的棒束，FAE 一端是与RGA 类似的摇杆臂结构，可实现与相邻FAE（或FA）连接固定。FAE 另一端的配合槽用于同相邻FAE 或RGA 摇杆臂锁紧。FAE 内部有延伸套筒，借助于锁紧推杆旋转RGA 内部延伸套筒可实现解锁操作。此时摇杆臂在延伸套筒的推动下抵消了弹簧力并脱开相邻FAE 端部配合槽，完成释放。

单个FAE工具的长度约997mm，压力管任意997mm长度内最大变形量约2.9 mm。FAE 除两端外中间管径为89 mm，压力管内径为103.4 mm，间隙大于压力管变形造成的影响，因此对单个FAE 的使用无影响。

（2）FA 工具主要用于抓取燃料棒束操作。在正常燃料通道清空操作时，依靠上游装卸料机内的FAE 将通道内的燃料棒束逐组（以2 根燃料棒束为一组）推入下游装卸料机贮仓内，此操作中不需使用本工具。但在特殊工况下在仅使用一个装卸料机进行燃料棒束的抓取操作时需使用FA 工具。为了便于贮存和运输，FA 的长度近似于单根燃料棒束的长度。在任何给定方向，FA 端部上的10 个抓头中至少有4 个抓住燃料棒束的端板。FA 的另一端设置有配合槽，可与FAE上摇杆臂相连并自锁。

FA 工具的长度约480 mm，压力管任意480 mm长度内最大变形量约0.7 mm。在FA 能够到达需要操作的燃料棒束位置后，压力管自身的变形对FA 的使用无影响。

压力管更换时，压力管下垂对相连后的FAE 工具影响最大。相邻FAE 的锁紧依靠图3 所示摇杆臂结构。摇杆臂设置在右侧FAE 上，圆周方向均匀布置4个。由于摇杆臂在抓紧状态下与左侧FAE 配合槽存在间隙，因此相邻工具允许发生一定弯角。根据尺寸计算，在66 mm 高度（此时下端摇杆臂距离中心最近）上允许约+1.0 mm 的转动。FAE 长度约997 mm，因此相邻工具的允许偏角为±0.87。连续2 个FAE 工具所在曲线的曲率为2sin（0.5×θ）/L，式中θ=±0.87，L=997 mm，计算得两段FAE 相连后最大高度差约15.1 mm，FAE 前后相连后允许的曲率最大值为±15.2×10/mm。

图3 FAE 连接时允许偏差

FAE 相连后，形成如图4 所示的一组连续线段。

左侧连续3 段的FAE 长度约3 m 与压力管长度基本对应。同时压力管内径约103.4 mm，工具两端外径最大处约102.5 mm，有0.9 mm 间隙，工具可以顺利伸入压力管半管长度（半管预估直线度约11.7 mm）。

如FAE 工具继续在压力管中推进，经过压力管中间段的FAE 将连续逆时针转动并形成如图4 所示半径为R（R=曲率-1，即R=66 m）的圆弧。根据之前计算分析，此时压力管自身在中间段形成的连续圆弧半径约43 m，因此FAE 将无法顺利插入。如使用额外的力强行将FAE 推入，可能将FAE 上摇杆臂与配合槽连接失效并使相邻FAE 断开，存在FAE 卡在压力管中无法卸出的风险。

图4 压力管变形最大时相连FAE 状态

综上所述，得到如下结论。

3.2.1 半管长度影响

两段FAE 工具相连后最大高度差约15.1 mm，考虑工具与压力管在直径方向上约0.9 mm 的间隙，压力管任意2 m 内直线度不超过16 mm 时（实际约为11.7 mm），压力管变形对工具使用无影响。预估的压力管变形能够维持工具的可用性。

3.2.2 全管长度影响

全长直线度即为压力管最大变形量，约75mm。此时，压力管中间位置变形的曲率大于工具允许通过的曲率。如将工具延伸件强行插入压力管中间位置，工具上摇杆臂可能因受力过大而失效。

4 研究结论

综上初步分析，对乏燃料清空工具进行评估，提出工器具优化方案，总结如下。

（1）由于压力管发生下垂弯曲。因此乏燃料清空专用工具需要进行相应的改进，通过对插入头的公差和尺寸改变，可以便于通过下垂的压力管内，将乏燃料卸出堆芯。

（2）由于乏燃料清空专用工具属于多段相连，如果出现分离脱开现象，将增大乏燃料清空工作难度，因此增加卡爪的数量，可以保护操作过程中防止分离。

（3）由于燃料通道内部会附着一些残余碎片（根据单管更换经验反馈），因改变专用工具尺寸，会导致工具借口处存在缝隙，导致残余碎片卡涩，可以对外部套管端头形状进行修改，以防止异物卡涩。

（4）由于乏燃料清空专用工具的相应改进，因此装卸料机配置上需要对相关配件进行改进，便于在乏燃料清空过程中，提升装卸料机保养进度，更加利于维护。