浙江省台州市三门县三门核电有限公司 317112
摘要：乏燃料格架插件（以下简称插件）是一种放置在乏燃料水池燃料储存格架（以下简称乏池格架）顶部的存储装置，可用来存放可燃毒物组件等燃料组件内插件。按照目前三门核电1、2号机组插件的结构设计，当某一个乏池格架单元中放入插件后其左右相邻的两个格架单元将不能使用，造成资源浪费，而且目前插件在乏池格架中的具体存放位置也无明确说明。为合理的对插件在乏池中的存放位置进行布设并增加乏池格架的利用率，本文对插件今后在乏池中的存放位置进行探讨，并对其结构优化。
关键词：三门核电；乏燃料格架插件；存放位置；结构优化；乏池格架；双偶然事故
1绪论
插件被放置于乏池格架顶部，当没有可用的燃料组件来存放燃料组件内插件时可以使用插件进行存放，包括：可燃毒物组件、棒束控制组件、灰棒控制组件、初/次级中子源组件、阻力塞组件。由于三门核电1、2号机组的乏燃料格架插件外缘尺寸较大，不能相邻放置在乏池格架顶部，致使相邻两个插件存放位置之间必须间隔一个乏池格架贮存单元，并造成了与放置插件的左右两个乏池格架单元均无法放置乏燃料组件，从而大大降低了乏池格架的利用效率。外加国外制造的乏池格架不能满足目前国内核安全法规所制定的双偶然事故要求，导致今后三门核电部分乏池格架将会被专用堵塞工具封堵，永不使用。这样每个乏池格架存放位置都尤为珍贵。基于以上因素，笔者从原设计基础上对插件在乏池中的存放位置进行了分析，并对其结构进行了改进优化，以达到今后可以最大限度提升乏池格架使用率的目的。
2背景介绍
2.1设备结构介绍
2.1.1乏池格架
乏池格架包括若干相对独立的贮存单元，由Ⅰ区、Ⅱ区及专门用来存放破损辐照燃料的贮存格架区域共三个部分组成。其中Ⅰ区乏池格架的结构与新燃料储存井中的格架结构相同，顶部开有喇叭口并通过弧形过渡段相连、每个贮存单元之间有一定间隙，用来存放富集度高的燃料组件，共计243个贮存单元（3个9×9的格架模块）；Ⅱ区乏池格架顶部无喇叭口、每个贮存单元之间相连，用来存放富集度较低的燃料，共计641个贮存单元（4个12×11、1个（12×10-7）的格架模块）；存放破损辐照燃料组件的乏池格架共计5个贮存单元。Ⅰ、Ⅱ区乏池格架结构见下图1。
图1：Ⅰ、Ⅱ区乏池格架结构
2.1.2插件
三门核电每台机组目前配置10个焊接成型的插件，将插件就位到乏池格架上前，先使用燃料抓取机北葫芦吊钩、新燃料组件操作工具将其吊入处在上限位的新燃料升降机的燃料舱内，待新燃料升降机降至下限位，再利用燃料抓取机北葫芦吊钩、乏燃料组件操作工具将插件吊入相应乏池格架单元中即可。就位后的插件可以存放可燃毒物组件、棒束控制组件、灰棒控制组件、初/次级中子源组件、阻力塞组件。
与插件接口的设备有乏池格架、新燃料升降机、新燃料组件操作工具、乏燃料组件操作工具、可燃毒物组件操作工具、控制棒组件操作工具、阻力塞组件操作工具。
插件由顶板、导向支撑板、连接板和角撑四部分构成。插件结构见下图2。
图2：插件结构
顶板是一块长方形、尺寸为304.8mm×223.5mm×9.5mm的不锈钢钢板，中心开有一个172.7mm×172.7mm的方孔（四个角为半径44.5mm的倒圆），用于通过燃料组件内插件和操作工具。在顶板对角方向有两个用于工具导向的导向孔，在另外一个角上还有一个工具定位孔。整个顶板将支撑在乏池格架上端或新燃料升降机燃料舱的喇叭口上。
导向支撑板是一块尺寸为216.1mm×203.2mm×4.8mm的不锈钢钢板。在板上对应于燃料组件内插件棒束的排列位置开有24个孔，用于接收被存放的燃料组件内插件。
两根203.2mm×85.8mm×4.8mm的连接扳，下部与导向支撑板整体连接（半径为6.4mm的倒圆过渡），上部与顶板焊接，构成插件的整体结构，保证结构完整性，具有足够的强度和刚度。
四个角钢加工成角撑，焊接在顶板的下表面上，与操作工具的抓爪配合。
2.2插件存放位置情况
在目前的三门核电设计文件中，对插件在乏池格架中的存放位置无明确要求，只是设计文件中要求其存放位置要便于抓取机葫芦吊钩的抓取操作，在《乏燃料格架插件技术手册》中要求插件不能存放在乏池格架的周边位置。
1）当插件存放在乏池格架的Ⅰ区时：经计算，虽然插件顶板外边缘没有延伸到相邻格架正上方区域，但最终其顶板将有13.6mm超过相邻两个格架中间部分进入到相邻格架的喇叭口上部。这种情况虽然不能阻挡燃料组件和内插件从相邻的乏池格架单元中抽插，但是会造成一定的干扰，存在安全隐患。并且这种情况下相邻的乏池格架也不能够继续放置插件。如下图3所示：
图3：插件存放在Ⅰ区（优化前）
2）当插件存放在乏池格架的Ⅱ区时：经计算，插件顶板外边缘将有40.65mm延伸到邻边的乏池格架上，致使这些乏池格架无法放置插件或燃料组件。如下图4所示：
图4：插件存放在Ⅱ区（优化前）
另外，在《乏燃料格架插件设设计说明书》中也明确说明：当插件就位到乏池格架上后，其顶板结构会有部分遮住相邻的乏池格架，使其不能存放燃料组件或者相应内插件。
2.3目前乏池格架不满足双偶然事故要求
三门核电乏池格架由国外制造厂按照美国标准设计制造，但其所制Ⅱ区乏池格架无法满足我国核安全导则中提出的双偶然事故要求，因此后期149个Ⅱ区乏池格架要被堵塞，且这149个被堵塞的乏池格架后期将永不使用，格架制造厂设计了专用的堵塞工具进行堵塞。
3.优化方案
通过以上分析，三门核电的插件具有存放位置与结构优化的必要性，优化方案如下：
3.1第一方案
插件存放位置优化
目前设计的乏池格架堵塞工具高度低于乏池格架上端面，因此可以考虑将插件存放在乏池格架Ⅱ区中两个被堵塞的格架之间。但是由于Ⅱ区格架用来存放富集度较低的乏燃料组件，今后三门核电每次大修需卸料64组，假设最坏情况下首次卸料后的58组可燃毒物组件全部变形不可用，需贮存在插件中（此时插件数量需额外增加），此时若插件存放在Ⅱ区，则Ⅱ区可用来存放从堆芯卸出的乏燃料的大修数量为：
（492-58）÷64≈6.78；
若插件存放在乏池格架的Ⅰ区，则Ⅱ区可用来存放从堆芯卸出的乏燃料的大修数量为：
492÷64≈7.68。
按照今后的乏池贮存情况来看，若插件存放在Ⅱ区只能分开存储，不能集中存放，不便于管理和操作。
Ⅰ区乏池格架上部为喇叭口结构，便于乏燃料格架插件的就位，而Ⅱ区乏池贮存格架上部无喇叭口结构。
因此后期将乏燃料格架存放在乏池格架Ⅰ区更加合理。
插件结构优化
在被堵塞掉149个乏池格架后，每个乏池贮存单元都尤其珍贵。目前插件结构本身使得其存放位置的左右两个乏池格架贮存单元无法使用。
《乏燃料格架插件设计说明书》中，要求插件结构设计符合以下条件：
外形尺寸应保证其在新燃料升降机的燃料舱和乏池格架中抽插通畅；应符合相关操作工具的操作要求；应保证相关燃料组件内插件能在插件的导向孔中无阻碍的自由抽插；在可能与燃料组件内插件接触的表面上不允许有焊缝突出或其它凸起；表面应平整光滑（表面粗糙度不大于Ra3.2）；所有焊缝应是连续、光滑的；插件上部顶板高出乏池格架上表面的高度不超过25.4mm；应能承受以下轴向力：燃料组件内插件重量＋插件自重＋操作工具重量。
根据上述条件，进行了如下结构优化改进：
将乏燃料格架插件顶板结构尺寸由304.8mm×223.5mm×9.5mm缩减为269.6mm×223.5mm×9.5mm，导向支撑板、连接板和角撑均保持原尺寸不变。
Ⅰ区乏池格架上部为一个有30°倾斜角的喇叭口，喇叭口外边缘到格架内壁的水平距离为27.05mm。喇叭口的设置能够保证插件比较容易的导入到乏池格架内。优化后的插件顶板的外边缘尺寸269.6mm比乏池格架的内径223.5mm大46.1mm，单边超出格架内壁23.05mm，所以插件能够安全的放置在乏池格架上。经过改造后的插件放置在乏池格架上后，与相邻格架中插件的顶板外边缘相距8mm，不会发生干涉现象。此时便可将插件在Ⅰ区格架中集中存放，便于管理和操作。优化后的插件放置情况如下图5所示。
图5：插件放置图（优化后）
另外新燃料升降机燃料篮顶部喇叭口尺寸为266.7mm，经过优化改造后的插件能够支撑在新燃料升降机顶部喇叭口上。
3.2第二方案
插件存放位置优化
插件直接存放在乏池格架Ⅱ区中将来需要被堵塞的位置，且可在数量上增加，达到149个，直接取缔乏池格架堵塞工具。既能满足核安全法规规定的双偶然事故要求，又增加了插件存放的位置。且将乏池格架的利用率提高至最大限度。
插件结构优化
将插件顶板尺寸由304.8mm×223.5mm×9.5mm改为 220mm×220mm×9.5mm，整体结构效仿目前堵塞工具的结构。导向支撑板、连接板和角撑均保持原尺寸不变。但是此方案要求插件的位置今后不能随意变动，因为插件加长了今后无法使用长柄工具水下对其位置进行更改。如下图6所示。
图6：优化后的插件结构
4结束语
通过以上分析，三门核电1、2号机组对于插件的存放位置、结构有优化的必要性。经过优化后，能够提高乏池格架的利用率。
论文作者:王培源
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/18
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