首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 核工业论文 > 热核反应论文 > 基于某反应堆石墨回取工艺设计及工器具研究

基于某反应堆石墨回取工艺设计及工器具研究

2024-06-04 65 上传者：管理员

摘要：根据2006年IAEA-TECDOC-1521《反应堆退役产生放射性石墨的特征、处理与整备》，世界上超过100座核电反应堆，还有许多研究堆、钚生产堆应用石墨作慢化剂、反射层。许多应用石墨作慢化剂的反应堆已很老旧，其中部分已关闭。放射性石墨的拆除和管理已成为一些IAEA成员国日益重要的任务。本研究根据针对处于不同状态的石墨构件，设计了七种不同的工具头进行石墨回取，为后续工程实施提供技术支持。

关键词：
回取
固态慢化剂
工器具
核安全
石墨
加入收藏

石墨是一种综合性能最好的中子固态慢化剂[1]，某堆是以石墨为慢化剂和反射层的生产堆，国家已经批准退役，退役废石墨的处理处置目前还没有成功实施的成熟工艺[2]。根据现有反应堆情况，拆解、回取堆芯石墨要承受较大的辐射危害，面临诸多不确定。石墨回取方法、配套工器具及其安全保障系统是否有效，直接在反应堆上进行检验，除要承受较大辐射危害外，还存在失败会造成难以逆转不良后果的风险。因此，在工程退役实施之前，开展模拟堆芯石墨回取装备的研制，对反应堆堆芯石墨回取的关键技术进行研究和试验验证，对某堆退役至关重要。

1、回取对象概况

石墨在实验反应堆、Pu生产反应堆和核电站动力堆等100多座反应堆中用作中子慢化剂、反射层材料、核燃料套管和其他材料[3]。石墨回取装备用来回取模拟堆芯的石墨构件，根据石墨构件的不同形式和具体情况，更换相应的工器具，针对不同的回取方法，回取设备有不同的回取能力。

石墨回取装备可以实现三类石墨砌体、石墨棒、石墨套管的回取；石墨砌体是反应堆的慢化剂与反射层，由石墨块、石墨套管和石墨棒等构件组成，石墨柱由石墨块堆砌而成，上下石墨块的连接靠端面的凹凸口配合连接。因此，在每根石墨柱上形成垂直孔道，反射层石墨孔道中放石墨棒。石墨块沿卸料方向的接缝是错开的。垂直于卸料方向的平面接缝也是错开的。石墨套管分为开口和不开口两种，在活性区中间部分放置开口套管，在活性区上下，放不开口套管。石墨构件如图1(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示。

石墨构件相关参数如表1所示。

石墨砌体共有数根石墨柱，部分属于活性区，部分属于周围反射层，石墨砌体活性区和反射层大致布局如图2所示。

图1石墨构件

表1石墨构件参数表

图2石墨砌体和反射层布局

2、回取工艺

2.1工艺设计

某堆芯石墨在堆运行期间均出现不同程度辐射损伤，这导致石墨砌体产生形变及孔道表层裂纹，其结构稳定性和抗压能力也会有不同程度的变化。另外长期潮湿环境下保存，可能形成进一步结构混杂粘连，无法保证其完整，对于这类石墨砌体，考虑采取局部破坏性方式进行回取。对于可能存在整体结构已破坏或松脆、污染渗透整块石墨砌体，由于不能保证完整或不可能通过剥离表层减少放射性废石墨量，保持完整已没意义，对于这类石墨砌体可以考虑采取整块破坏性方式进行回取。模拟堆芯的石墨构件按回取时是否破坏石墨构件和石墨构件破坏程度，回取方法分为整块回取方法、局部破坏回取方法、整块破坏回取方法，其回取流程见图3。

图3石墨回取流程图

2.2整块回取方法

变形微小石墨砌体采用机械臂携带顶抵工具顶抵砌体孔道施加上提力量或真空吸附提取工具抽吸砌体暴露的端面、侧面，施加上提力，拔出砌体。

堆芯边区石墨受辐射损伤较小，力学性能较好，预计局部能够承受较大载荷。因此，堆芯边区变形微小石墨棒采用机械臂携带顶抵工具顶抵石墨棒外露侧面部分施加上提力量或真空吸附提取工具抽吸石墨棒外露柱端面积侧面施加上提力，拔出砌体。

整块回取石墨在装入吊篮时，尽量组合装填，增大吊篮的装填率，见图4。

图4整块回取石墨流程图

2.3局部破坏回取方法

图5局部破坏回取石墨流程图

对于辐射损伤严重，严重变形无法保证取出整块的石墨砌体，或者需要局部破坏进行回取的石墨砌体，采用局部破坏性的回取方法，对于不同的石墨构件采用的回取方法如下，见图5:

(1)旋切工具插撬分离砌体间端面连接，配合顶抵工具顶抵砌体孔道上提，或提钳拔出或抱抓工具抓取砌体进行回取；

(2)旋切工具插撬分离砌体间端面连接，配合真空吸附工具吸砌体暴露的端面、侧面，施加上提力，回取砌体；

(3)往复锯及破碎工具头切分或冲击破除砌体四侧约束，配合顶抵工具顶抵砌体孔道上提，或提钳拔出或抱抓工具抓取砌体进行回取；

(4)往复锯及破碎工具头切分或冲击破除砌体四侧约束，配合真空吸附提取工具吸砌体暴露的端面、侧面，依靠抽吸力回取砌体。

2.4整块破坏回取方法

对于变形严重、开裂、已经松脆，无法保证完整性的石墨砌体，采用整块破坏的回取方法，回取方法如下，见图6:

(1)往复锯及破碎工具切割或冲击破碎石墨砌体，对于孔道完整的碎块，使用提钳工具张提回取；

(2)往复锯及破碎工具铰钻粉碎石墨砌体，对于较大的碎块使用抱抓工具抓取，对于较小的碎块使用夹钳工具夹取，抽吸渣末，实现收集回取。

图6整块破坏回取石墨流程图

3、工具头研制

某堆芯石墨在堆运行期间均出现不同程度辐射损伤，有的石墨构件产生形变及孔道表层裂纹，有的石墨构件之间出现结构混杂粘连等现象。有的石墨构件因辐照变形，构件与构件之间产生了挤压力和摩擦力。

工具头是完成石墨构件回取的执行机构，为了便于回取石墨砌体表层除尘以及废石墨的处理整备，尽可能保证所回取石墨砌体的完整性，所以在本方案中尽量考虑采取非破坏性方式回取石墨砌体。

针对以上不同工况开发研制了平开夹钳工具头、顶底摩擦工具头、提钳工具头、真空吸附工具头、旋切工具头、往复锯及破碎工具头、抱爪工具头共计7种。工具头统一放置在搁置架上，针对不同的回取作业需求使用不同类型的工具。

3.1平开夹钳工具头

3.1.1工具头设计

平开夹钳工具头主要用于夹持或其他辅助操作工况，其原理为伺服电机在位置控制模式下，精确调节伸缩螺杆的旋转角，实现对夹钳开度顶杆的伸缩量控制，从而控制夹钳的开度距离。

根据驱动器的绝对位置反馈，以及电机的负载输出转矩，可以实时推算出在当前开度姿态下，施加在夹钳夹持面的等效夹持力的大小，并在上位机上进行显示，实现规格书中对工具实时力学参数显示的要求。夹钳工具产品示意图和内部结构如下图7所示。

图7平开夹钳工具头示意图

3.1.2工具头应用

在实验台架上开平夹钳灵活地对完整和较小不规则石墨体进行了回取，见图8，可夹取处于缝隙之中的石墨棒，也可对常规位置下的石墨块进行稳定的回取。

图8平开夹钳工具头试验

3.2顶抵摩擦工具头

3.2.1工具头设计

顶抵摩擦工具头是一种由内部膨胀器型工具，将主轴插入石墨砖的内孔中，再通过释放装置膨胀顶抵石墨孔壁制造摩擦力，上提回取石墨块。该工具内置1台气缸，气缸伸缩杆顶部安装导向锥头，在伸缩杆上交替贯穿有凸块和摩擦环，通过气缸的伸缩，达到挤压和释放的效果。顶抵工具产品如图9所示。

图9顶抵工具头示意图

3.2.2工具头改造

在实际试验中，操作人员仅依靠实时视频监控画面对工具头的位置进行判定，因架设的摄像头皆为固定机位，且顶抵摩擦工具回取对工具头的定位精确度较高，试验过程中出现多次因定位不准，工具头碰撞石墨块的情况，对工具头造成了一定程度的破坏。为避免上述情况的发生，减少人眼判断定位时间，故对本工具头进行改造，在工具头根部，设计有3组激光发射器，如图10所示，用于插入石墨砌体孔道时的辅助对位。

图1 0激光发射器

3.2.3工具头应用

顶抵摩擦工具头通过顶抵石墨块的孔道施加上提力量，拔出石墨块进行回取，通过激光定位，能够快速高效地对处于常规位置的完整石墨块和石墨套管进行回取，见图11。

图1 1顶抵摩擦工具头试验

3.3提钳工具头

3.3.1工具头设计

图1 2提钳工具头示意图

图1 3提钳工具头内部结构示意图

提钳工具头用于石墨套管的回取工况，其工作原理与顶抵摩擦工具类似，二者都是通过气缸的伸缩触发膨胀变形。不同的是，提钳的结构自带一定的锁紧角，在提起石墨砌体时，石墨体的重力以及与周围石墨体的摩擦和粘连，都会提升提钳工具与石墨砌体内壁的摩擦力。

此外，气动提钳工具的长度更短，主要撑胀在石墨套管的端部，收缩后最小外径为40 mm。提钳工具产品示意和内部结构示意如下图12～13所示。

3.3.2工具头应用

提钳工具前端同夹钳类似，在反复回取石墨体后易残留石墨粉尘，影响摩擦力，可周期性进行酒精擦拭，或更换胶皮套，从而保持夹持摩擦力和回取的稳定性，见图14。

图1 4提钳工具头试验

3.4真空吸附工具头

3.4.1工具头设计

真空吸附提取工具头是通过改变吸盘的真空度来实现回取过程中的“拿”与“放”，采用真空吸盘通过负压吸附的原理施加夹紧力进行固定加工[4]。基于真空吸附的机顶盒壳体夹具优化设计，通过建立真空嘬吸石墨构件的暴露端面、侧面，施加上提力量，拔出构件进行回取，主要用于对变形微小或较明显的石墨构件和石墨棒的提取，见图15，注意使用该工具前应先进行作业面的吸尘。

真空吸附工具头分为两种，分别用于石墨砌体和石墨棒的回取工况。该工具头通过真空发生器的作用，使吸盘末端产生真空吸力，从而达到提取石墨砌体或石墨棒的效果，真空吸附工具头产品示意如下所示(吸附石墨砌体)。

图1 5真空吸附工具头

3.4.2工具头应用

图1 6真空吸附工具头试验

试验过程中单吸头工具可对常规位置的石墨棒回取，双吸头工具可稳定回取处于竖直和水平状态下的石墨块，验证了此工具头可对处于常规位置或跌落位置的完整石墨块进行回取，见图16。

在工程中，如石墨块跌落位置的空间不能满足真空吸附工具进行作业时，可判断情况进行以下操作：

(1)如石墨块孔道上部空间足够，可选择夹钳工具回取，或利用夹钳工具扶正后再配合双吸头工具或顶抵工具头等进行回取；

(2)如石墨块孔道上部空间不足，可使用抱抓工具直接回取或通过抱抓石墨块扶正或调整姿态再进行回取。

3.5旋切工具头

3.5.1工具头设计

旋切工具头用于石墨砌体粘连时的回取工况，内部依次为电机、减速器、电磁铁导杆、切割刀片，位于工具头内部的电机驱动电滑环，滑环带动旋转轴及轴端部的刀具组件。工具头安装有激光位移传感器，通过距离检测定位刀片位置，便于对石墨砌体接缝处进行切割作业。

旋切刀具组件内部为挤压伸出结构，其结构原理与顶抵工具的伸缩原理相同。需要刀具伸出时，操作台通过电滑环，向旋转轴中部的电磁铁导杆供电，导杆向前伸出，从而将4个刀头向外侧挤出。当刀片切入石墨砌体孔道内部后，机械臂施加提升力即可将石墨砌体整体取出。旋切工具内部结构和动作原理示意如下图17所示。

图1 7旋切工具头结构示意图

3.5.2工具头应用

旋切工具插撬分离砌体间端面连接，配合顶抵工具顶抵砌体孔道上提，或提钳拔出或抱抓工具抓取砌体进行回取；旋切工具在实验中可有效切分粘连，并可以切割完整石墨块的环凸，如下图18所示。

图1 8旋切工具头切分试验

3.6往复锯及破碎工具头

3.6.1工具头设计

往复锯及破碎工具头利用往复锯片往复切割或利用凿冲击石墨砌体粘连处，破坏性拆解石墨构件，然后实施回取。切割过程中，吸尘罩接入集气管，建立局部负压收集切割粉尘至粉尘收集装置。

往复锯及破碎工具头选用成熟可靠的工业品进行改造，因此工具头仅需对工业品进行安装固定和供电控制设计，整体结构为“快换盘+紧固外壳+吸尘罩”，工具整体示意如下图19所示。

图1 9往复锯及破碎工具头示意图

3.6.2工具头应用

经试验，往复锯在确保石墨块整体性下分离、松动粘连的石墨块，但操作时间相对平铲破碎工具头较长；平铲破碎工具头能够有效、快速地分离粘连密实的石墨块，但因冲击力度大，相比于往复锯产生的粉尘，其破碎过程可能对于石墨块造成一定的破碎，形成石墨碎块的飞溅。两工具头皆具备分离功能，工程应用时先判断粘连部位和粘连密实度，再选用适宜的工具头，如下图20所示。

图2 0往复锯及破碎工具头试验

3.7抱爪工具头

3.7.1工具头设计

气动抱爪工具头设计最大开口为300 mm，重量42 kg，其主要用于对倾倒、平置于堆底等平面的石墨进行夹持，以及大型石墨碎块(夹钳工具头难以稳定回取时)的回取。抱爪的爪尖设计为尖锐状，以便回取时能便于爪尖插入石墨砌体与底面的缝隙，或者使爪尖略微嵌入石墨砌体的侧面，提高侧面抱、抓的成功率，如图21～22所示。

图2 1抱爪工具头开合示意图

图2 2抱爪工具头结构示意图

3.7.2工具头应用

图2 3抱抓工具头试验

气动抱爪工具头为在原试验设计基础上的新增工具头，主要适用于以下情况的回取，如图23所示：

(1)对于完整石墨块体跌落至石墨堆中，处于非常规位置，孔道上部回取空间受限，顶底摩擦工具头不能移动至石墨孔道上部，真空吸附工具头作业受限时难以有效回取；

(2)对于较大石墨碎块，使用真空吸附工具吸附面积不足以提供足够的抽吸力，因物理外观不规则且重量大夹钳工具亦难以稳定夹取。

4、结论

模拟堆芯的石墨构件按回取时是否破坏石墨构件和石墨构件破坏程度，回取方法分为整块回取方法、局部破坏回取方法、整块破坏回取方法。

针对以上不同类型的石墨构件确定不同的回取方式，根据回取方式的不同开发设计了平开夹钳工具头、顶底摩擦工具头、提钳工具头、真空吸附工具头、旋切工具头、往复锯及破碎工具头、抱爪工具头。并在台架试验室进行了验证。以上工具头的开发为后续石墨堆的退役提供了有效的技术支撑。

参考文献:

[1]邓俊献,赵华松,郝文江,等.大型石墨反应堆退役策略研究[J].核安全,2007,27(3):175.

[3]郑博文,李晓海,周连泉,等.放射性废石墨的处理处置现状[J].辐射防护通讯,2012,32(3):32.

[4]梁柱彬,黄仲庸.基于真空吸附的机顶盒壳体夹具优化设计.金属加工,2023,2(08):35-38.

文章来源:魏峰,陆博迪.基于某反应堆石墨回取工艺设计及工器具研究[J].广东化工,2024,51(10):70-74+20.

网友评论

加载更多

我要评论

期刊名称：广东化工

期刊人气：2822

期刊详情

主管单位：广东省科学院

主办单位：广东省石油化工研究院

出版地方：广东

专业分类：化工

国际刊号：1007-1865

国内刊号：44-1238/TQ

邮发代号：46-211

创刊时间：1974年

发行周期：半月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1-3个月

论文导航

基于某反应堆石墨回取工艺设计及工器具研究

相关论文