核设施退役技术分析

张元平

核设施退役过程中的重难点技术工作是反应堆及一回路内的涉核物项拆除及处置，其中反应堆压力容器与支撑结构切割分离和反应堆屏蔽结构的切割拆除又是其中极为重要的一项工作。反应堆支撑结构是反应堆压力容器的重要支撑结构件，其已被活化，表面辐射剂量率水平较高，属于中高剂量放射性废物，其上端与压力容器焊接为一体，下端与附属支撑结构焊接相连。在压力容器拆除时，需要将支撑结构与压力容器切割分离，压力容器拆吊后，在空气中对支撑结构中水上部分进行切割解体，然后在拆除纵向固定机构后，对支撑结构下半部分进行水下切割解体。由于反应堆屏蔽结构采用夹铅的特殊结构，所以在退役拆解过程中不能使用热切割(基于铅低沸点的物理特性，热切割时会产生铅蒸汽造成污染，容易引起工作人员铅中毒)，故只能采用冷切割的方式进行拆除，同时目标产品核安全等级高、拆除难度大、切割工艺要求严。

为了完成上述核设施退役过程中反应堆压力容器与支撑结构切割分离和反应堆屏蔽结构的切割拆除任务，本文提出了一种能够实现远距离操作和现场控制操作相结合的切割拆除技术，选用等离子切割技术实现反应堆支撑结构水下和水上部位的切割拆除，选用叠加超高压水射流切割技术进行反应堆屏蔽结构切割拆除,实现夹铅屏蔽结构的冷态切割，同时根据核设施退役现场空间接口尺寸灵活配备各切割设备安装基架平台，然后再通过电气控制系统对上述各设备进行系统集成与功能控制，进而解决反应堆压力容器与支撑结构切割分离和反应堆屏蔽结构的切割拆除问题。

一、核设施退役切割技术论证分析

核设施退役切割技术实施主要流程为：由电气控制系统通过程序操控设备安装基架平台的机械运动系统，确保各类割炬按规定的切割工艺要求进行切割轨迹运行，完成对所设定位置或部位的切割，实体设备部分主要由机械运动系统、等离子切割系统、超高压水射流切割系统、电气控制系统四部分组成。

（一）机械运动系统

机械运动系统主要由基架、下车、上车、割炬升降与回转机构等组成，底部为带有支腿的矩形基架。基架的一对横梁上载有一个下车，可实现Y 轴方向的直线运动；下车横梁上载有一个上车，可实现x 轴方向的直线运动；上车载有升降管支架，安装其内的升降管可实现Z 轴方向的直线运动；安装于上车车盘上的水平旋转齿轮，通过上车的驱动装置，可带动安放其上的升降管支架等部件实现绕Z 轴(铅直方向)的水平旋转运动，构成旋转C 轴。

在上述四个轴的运动中，由X、Y、Z 三个轴合成的直线运动，可使装于升降管下端的割炬沿要求的平面或空间任意轨迹到达基架所围成筒体空间的各点，再通过与C 轴的旋转联动，可在切割平面或曲面时，调整割炬始终能保持与切割工件曲面切线的垂直，即切割点轨迹可以是平面内也可以是空间内的直线、曲线，因此可满足不同的使用要求，其主要切割组合方式如下：

1.水平直线：X.Y 轴合成实现；

2.水平圆环：X.Y.C 轴合成实现；

3.垂直直线：Z 轴实现；

4.垂直圆环：Z，C 轴合成实现。

（二）等离子切割系统

数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源于一体的高新技术[1]，等离子切割系统主要由主电源箱、切割控制器、汇流气排、冷却水增压器、传输线缆和接线板、高频引弧箱、割炬七部分组成。选用等离子切割方式进行反应堆压力容器支撑结构切割拆除时，将等离子切割割炬依附安装在机械运行系统的Z 轴下端位置的割炬夹持机构上，结合数控系统的程序操作可顺利执行反应堆压力容器支撑结构的切割实施，等离子切割系统配设时主要选型特点如下：

1.尽量选择目前国内可靠性较高的大电流等离子弧切割机，以增加切割厚度；

2.主电源箱、气源、水源等与割炬之间的传输距离应满足现场距离要求；

3.切割时应能实时反馈切割电流、电压等设备主要运行参数。

为满足现场切割要求，等离子切割系统控制分就地控制和集中控制两种方式，两种方式均设有断弧报警、断弧坐标记忆功能，具体控制方式如下。

1.就地控制：通过等离子切割设备自身开关进行控制，步骤如下。

打开等离子电源开关→开启水循环系统一开启工作气并形成水幕→等离子切割机控制器起弧→等离子切割机控制器熄弧。

2.集中控制：通过控制柜集中控制等离子设备的起弧、灭弧，步骤如下。

打开等离子电源开关→开启水循环系统→按下控制面板自定义键选择进入等离子界面→选择等离子模式后，便可通过控制面板上起弧、断弧自定义键对等离子设备进行控制。

（三）超高压水射流切割系统

超高压水射流切割是通过高压发生器将水增压后，利用虹吸抽取砂管中的石榴砂来提高切割物体效率，又被称做水刀，属于冷切割工艺，切割后材料的机械与物理性能以及材质的晶间结构均不会遭到破坏[2]。超高压水射流切割系统主要由高压发生器、切割枪、供砂系统、循环水泵、水箱、水刀持臂组件等组成。将超高压水射流切割割炬依附安装在机械运行系统的Z 轴下端位置的割炬夹持机构上，结合数控系统的程序操作可顺利执行反应堆压力容器夹铅屏蔽结构的切割实施。超高压水射流切割系统配设时应满足以下要求：

1.增压器系统和切割系统应保证在超高工作压力下设备运行的稳定性；

2.设备输出压力持续稳定，达到物项切割要求；

3.油泵电机功率符合要求，能够确保压力稳定，确保切割效率优良；

4.切割头应能够360°旋转，可以切割任意角度位置的物体。

为满足现场切割要求，高压水切割系统的控制与等离子控制系统控制方式一样，分就地控制和集中控制，具体控制方式如下。

1.就地控制：通过超高压水射流切割设备开关进行控制，步骤如下。

确保设备水、电、气、砂都准备好后，打开自动供砂系统气源开关，由储砂罐向自动供沙阀内供砂→开启高压发生器油泵开关，直至油泵运转平稳→开启高压发生器高压运行开关，超高压水射流切割系统开始工作→关闭停止切割时，则关闭高压发生器高压运行开关→关闭高压发生器油泵开关→切断供电开关，切割结束。

2.集中控制：通过控制柜集中控制超高压水射流切割系统的油泵开/关、高压开/关，步骤如下。

确保各设备水、电、气、砂准备就绪后→开启自动供砂系统气源，往自动供沙阀内供砂→按下控制柜控制面板自定义键，选择水刀手动模式，选择水刀切割模式→开启按下油泵开，高压开，水刀系统开始工作→关闭按下高压关，油泵关，水刀系统停止工作，紧急情况下可按下水刀急停键。

（四）电气控制系统

电气控制系统主要由数控系统、全数字化驱动系统、自动补偿装置、专业手持终端、伺服电机、编码器、位置开关等组成，数控系统通过与驱动系统的集成，配合自动化系统构成完整的数字化系统。由于机械运动系统的主要运动轨迹是由X,Y,Z 轴三个直线运动与C 轴旋转运动合成的，所以需要精确地控制各轴的位置。因此，在这四个运动轴上均装有高精度光电编码器，以便能够及时记忆和反馈各轴的实时位置信息，实现闭环控制。其主要控制系统功能包括下述内容：

1.设置切割起点、终点的坐标数据，切割长度、角度等参数设置功能；

2.切割过程规划和编程；

3.零点跟踪返回；

4.程序控制切割实施；

5.现场操作和遥控操作；

6.切割路径及实时工作状态显示。

二、核设施退役切割技术影响评价

核设施退役切割专用技术的设计开发，解决了我国核设施退役反应堆放射性物项安全切割拆除的重大难题，提升了核退役保障系统专用设备及技术的质量和效率，极大地降低了核设施退役为国家带来的核安全管控风险，增强了我国在核设施退役领域的技术实力，使我国形成了从核设施设计开发、制造运行到退役拆除完整闭环的全流程技术管理能力。

三、结语

核设施退役既是一项大型复杂的技术工作，更是一件影响深远的政治工作，因为它涉及到环境保护、公众利益和国土安全[3]。随着核设施退役任务的常态化开展，核设施退役保障要求的不断提高，我们只有通过不断学习和总结核设施退役活动中的各类经验反馈，不断研制和开发各类新装备新技术，才能将核设施退役任务开展过程中的各类风险有效降低,才能顺利开展核设施退役工作,才能切实做到核设施退役实施过程的合理可控。中国军转民