CN102623071B - 球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置及方法，涉及核反应堆技术领域，所述装置包括：第一计数传感器、机械检测单元、第二计数传感器、以及控制单元，所述第一计数传感器、机械检测单元、以及第二计数传感器沿球床高温堆的过球管段的入口至出口方向依次设置、且分别与所述控制单元连接，所述球床高温堆的过球管段为竖直设置。本发明通过结构设计，实现了在不增加复杂度的情况下，提高对燃料元件的识别精度。

Description

球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置及方法

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，特别涉及一种球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置及方法。

背景技术

为了不同目的，球床高温气冷堆可能采用不同尺寸的燃料元件和石墨元件，如公开号为：CN1159726C，专利名称为：球床型高温气冷堆双区堆芯交界面的测定方法及装置的中国发明专利中采用了两种直径的元件(即φ60燃料元件和φ35石墨元件)。在多次过堆芯循环中，在堆内不同位置滞留和流动路径上的元件，因承受不同剂量的中子辐照，收缩量不同而导致尺寸差异。此外，由于多次过堆芯循环中，元件之间以及元件与管道和设备之间的磨损也会导致元件尺寸差异。在初始的过渡循环运行阶段，低富集度燃料元件与高富集度燃料元件的识别是一个尚待接解决的技术难点，将两种元件制造为不同尺寸的球形元件，利用尺寸差异进行识别是一种备选技术方案。

球床高温堆的燃料装卸系统是一个具有高运行可靠性要求的安全相关系统，是一个庞大复杂的机械系统和压力管网系统，设备运行环境苛刻。为保证系统的可靠性，需要尽可能减少动设备和简化管路系统；尤其是在反应堆压力边界处，应尽可能减少管路接口及承压设备部件，简化堆芯卸料至燃耗测量管段之间的管路及设备。因此，不同尺寸的元件通常在碎球分选后由卸料装置的公用接管排出，而在燃耗测量前后需要对不同尺寸的燃料元件进行识别和分拣，以便进一步执行燃料管理和相关工艺控制。

在公开号为：CN1439162A，专利名称为：卵石床式核反应堆的中国发明专利公开了一种层析X射线摄像扫描仪扫描球以核实燃料球的方法，但是燃料元件自身的强γ辐射场也导致X射线设备难以接近而无法实施。在公开号为：CN1327453C，专利名称为：球床高温气冷堆双径球碎球分选装置的中国发明专利的中国发明专利公开了一种利用卸料装置进行双径球的机械分选方法，该装置对于专利所述的φ60和φ35两种直径相差较大的球形元件的分选是可靠地，但对于球形元件直径相差不大的情况，如φ60的高富集度燃料元件和φ58的低富集度元件，因小球分检测间隙增大，且接近于大球直径，在小球分检处发生大球卡球的概率大；另一方面，采用公开号为CN1327453C所公开的装置，两种尺寸的燃料元件在分选后由两路卸出，需要增加了多套压力边界安全设备和相应的管路附件，导致球流管路系统复杂，使设备和管路安装空间突破舱室空间尺寸限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在不增加复杂度的情况下，提高对燃料元件的识别精度。

(二)技术方案

为解决上述技术方案，本发明提供了一种球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置，所述装置包括：第一计数传感器、机械检测单元、第二计数传感器、以及控制单元，所述第一计数传感器、机械检测单元、以及第二计数传感器沿球床高温堆的过球管段的入口至出口方向依次设置、且分别与所述控制单元连接，所述球床高温堆的过球管段为竖直设置。

优选地，所述机械检测单元包括：执行部件、驱动部件、联轴器、进球管、出球管、以及箱体，所述进球管设于所述箱体的上表面，所述出球管设于所述箱体的下表面，所述执行部件设于所述进球管和出球管之间、且位于所述箱体内，所述驱动部件通过所述联轴器与所述执行部件连接，所述驱动部件与所述控制单元连接。

优选地，所述执行部件为一圆柱形转子、且包括：相互连通的检测通道、进球通道、以及至少一个大球通道，所述进球通道与所述进球管连通，所述检测通道与所述出球管连通。

优选地，所述执行部件包括一个大球通道，所述检测通道、进球通道、以及大球通道的轴线共面、且两两之间分别呈120度的夹角。

优选地，所述进球通道与所述进球管同轴，所述检测通道与所述出球管同轴。

优选地，所述进球管与出球管同轴，所述检测通道与所述出球管同轴，所述进球管和所述进球通道之间通过导流槽连通。

优选地，所述箱体上设有定位销，所述执行部件上设有与所述定位销相适应的限位槽，所述限位槽的圆心角为120度，以使得所述执行部件能逆时针旋转120度。

优选地，所述箱体上与所述大球通道相对处设有顶杆，所述执行部件上设有与所述顶杆相适应的顶杆导向槽。

优选地，所述检测通道的横截面为矩形，当所述矩形为正方形时，其边长大于小球直径、且小于大球直径；当所述矩形为长方形时，其短边大于小球直径、且小于大球直径。

本发明还公开了一种基于所述的识别装置的识别方法，所述方法包括以下步骤：

S1：当燃料元件通过球床高温堆的过球管段时，第一计数传感器获取所述燃料元件的进入时间；

S2：机械检测单元根据燃料元件的尺寸进行选择，若为小球则直接通过，否则进行预设时间的延迟；

S3：第二计数传感器获取所述燃料元件的离开时间；

S4：控制单元根据所述燃料元件的进入时间和离开时间判断所述燃料元件的尺寸。

(三)有益效果

本发明通过结构设计，实现了在不增加复杂度的情况下，提高对燃料元件的识别精度。

附图说明

图1是按照本发明一种实施方式的球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置的结构示意图；

图2是图1所示的识别装置中的机械检测单元的侧视图；

图3是按照本发明一种实施例的球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置中机械检测单元的截面图；

图4是按照本发明另一种实施例的球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置中机械检测单元的截面图；

图5是图4所示的机械检测单元逆时针旋转120度后的截面图；

图6是图4所示的机械检测单元逆时针旋转60度后的截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是按照本发明一种实施方式的球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置的结构示意图；参照图1，所述装置包括：第一计数传感器1、机械检测单元2、第二计数传感器3、以及控制单元，所述第一计数传感器1、机械检测单元2、以及第二计数传感器3沿球床高温堆的过球管段的入口至出口方向依次设置、且分别与所述控制单元连接，所述球床高温堆的过球管段为竖直设置。优选地，所述第一计数传感器1和第二计数传感器3均采用管道外装式计数器，外装式计数器无压力边界承压件、无电气贯穿件，安装维修方便，可以根据管路布局情况灵活安装第一计数传感器1和第二计数传感器3。

优选地，所述机械检测单元2包括：执行部件4、驱动部件5、联轴器6、进球管7、出球管8、以及箱体9，所述进球管7设于所述箱体9的上表面，所述出球管8设于所述箱体9的下表面，所述执行部件4设于所述进球管7和出球管8之间、且位于所述箱体9内，所述驱动部件5通过所述联轴器6与所述执行部件4连接，所述驱动部件5与所述控制单元连接。本实施方式中，所述联轴器6选用磁耦合联轴器，磁耦合联轴器具有密封隔离罩和内磁组件及外磁组件，通过紧固件和密封件与箱体连接，可将驱动部件与执行部件之间的动密封变为静密封传动，实现从隔离罩外向罩内的无接触运动传递，保证检测管段内的高温高压放射性氦气不外泄。参照图2，本实施方式中，所述箱体9上设置有一组安装孔10，用于所述识别装置本体的安装与定位。本实施方式中，所述驱动部件4采用交流伺服系统，与普通电机和直流伺服电机相比，交流伺服系统能够在低转速下平稳启停，可靠地连续短时工作，并能精确控制转速和转角，从而能够精确、平稳地驱动执行部件4可靠地运转，保证大球延迟通过所述机械检测单元2。

本实施方式中，优选地，所述控制单元包括：驱动部件控制器11、计数器仪表柜12、现场控制站13、以及控制平台14，所述计数器仪表柜12包括：第一计数器二次仪表15、以及第二计数器二次仪表16，所述现场控制站13包括：计数器接口板卡17、以及驱动器控制板卡18，所述第一计数器二次仪表15、以及第二计数器二次仪表16的一端分别与所述第一计数传感器1、以及第二计数传感器3对应连接，所述第一计数器二次仪表15、以及第二计数器二次仪表16的另一端均与所述计数器接口板卡17连接，所述驱动器控制板卡18通过所述驱动部件控制器11与所述驱动部件5连接，所述现场控制站13与所述控制平台14连接。

实施例1

参照图3，本实施例中，所述执行部件4为一圆柱形转子、且包括：相互连通的检测通道20、进球通道21、以及一个大球通道22，所述进球通道21与所述进球管7连通，所述检测通道20与所述出球管8连通，所述检测通道20、进球通道21、以及大球通道22的轴线共面、且两两之间分别呈120度的夹角，所述进球通道21与所述进球管7同轴，所述检测通道20与所述出球管8同轴。

实施例2

参照图4，本实施例中，所述执行部件4的结构与实施例1的结构基本相同，不同之处在于，所述进球管7与出球管8同轴，所述检测通道20与所述出球管7同轴，所述进球管7和所述进球通道21之间通过导流槽23连通。

在实施例1和2的基础上，优选地，所述箱体9上设有定位销24，所述执行部件4上设有与所述定位销24相适应的限位槽25，所述限位槽25的圆心角为120度，以使得所述执行部件4能逆时针旋转120度(参照图5，即逆时针旋转120度后的状态)，利用其机械限位，可以保证在断电情况下，驱动部件5仍能可靠回零点，保证运行可靠性。

优选地，所述箱体9上与所述大球通道22相对处设有顶杆26，所述执行部件4上设有与所述顶杆26相适应的顶杆导向槽27。由于大小球尺寸接近，大球被检测通道20的入口拦截时，有相当一部分球冠落入检测通道20中，在执行单元4逆时针旋转120度时，大球仍可能被检测通道20卡住而不会自由下落，此时通过设置的顶杆26和顶杆导向槽27，将被卡住的大球通过顶杆26顶出所述检测通道20，从而保证大球正常流出。

优选地，所述检测通道20的横截面为矩形，当所述矩形为正方形时，其边长大于小球(低富集度燃料元件)直径、且小于大球(高富集度燃料元件与石墨球)直径；当所述矩形为长方形时，其短边大于小球直径、且小于大球直径，较好的方案为所述矩形为长方形，当燃料元件中小球的形状不规则时，采用正方形可能会出现卡住的情况，但若选择长方形，则可避免形状不规则的小球被卡住。

所述执行部件4可设计为只有进球通道和检测通道的二通道结构，虽然也能满足本发明燃料元件识别与检测目的，但是正常运行期间，转子不能锁死，仍需按照检测流程执行动作，则反应堆40年寿命期内，该机械检测单元2的旋转次数多达3750多万次；而采用本实施方式中的三通道结构后，动作次数仅为过渡循环阶段的250多万次，设备可靠性大大提高。

如图6所示，采用三通道结构的另一个优点是能够执行下游管道断裂事故下阻断气流的功能，避免反应堆内冷却剂从燃料装卸系统循环管路大量外泄而导致进一步的安全事故。

本发明中还公开了一种基于所述的识别装置的识别方法，所述方法包括以下步骤：

S1：当燃料元件通过球床高温堆的过球管段时，第一计数传感器获取所述燃料元件的进入时间；

S2：机械检测单元根据燃料元件的尺寸进行选择，若为小球则直接通过，否则进行预设时间的延迟；

S3：第二计数传感器获取所述燃料元件的离开时间；

S4：控制单元根据所述燃料元件的进入时间和离开时间判断所述燃料元件的尺寸。

其中，所述机械检测单元的工作原理为：当执行部件处于在初始位置时，不需要动作，小球即可在重力作用下，经由进球管、以及进球通道后到达检测通道，因检测通道的入口的设置，故小球能顺利通过检测通道至出口管，而大球则被检测通道的入口拦截。在该识别方法下，低富集度燃料元件(小球)未受到阻碍，能够快速通过所述第一计数传感器、机械检测单元和第二计数传感器，在计数器接口板卡和控制平台的扫描过程中顺利识别出来。大球则被所述机械检测单元的检测通道的入口拦截，需在驱动部件作用下带动执行部件进行逆时针旋转后延迟通过，通过与第一计数传感器、以及第二计数传感器配合，在计数器接口模块和控制平台的扫描过程中顺利识别出大球。

其中，具体识别原理如下：现场控制站的计数器接口板卡以扫描周期t_c检测并接受第一计数传感器和第二计数传感器所发送的进球入间C_1t和离开时间C_2t，并将两个计数传感器对应的过球序号N1和N2与进球入间C_1t和离开时间C_2t放于对应的缓存区进行暂存。机械检测单元上有一个检测通道，所述检测通道的入口的检测间隙(即入口为长方形的短边长度，入口为正方形的边长)为S_pc，且S_p2＜S_pc＜S_p1，S_p1为大球直径，S_p2为小球直径，小球能够快速通过机械检测单元，通过检测管段的时间为D_t1＝C_2t-C_1t，且t_c＜D_t1＜t_p，t_p为控制平台的扫描周期；而大球则被检测口拦截，必须在机械检测单元逆时针旋转后延迟通过，通过检测管段的时间为D_t2＝C_2t-C_1t，且D_t2＞C_t＞t_p，其中，C_t为大球和小球的过球时间差的临界判别时长。

控制平台的扫描周期t_p＞t_c，如果在扫描时刻t_S0扫描现场控制站的过球信息，且比较两计数传感器器过球时刻，如果D_t＝C_2t-C_1t＜0，表明有球通过第一计数传感器。在随后继续扫描中，如果某时刻扫描时刻t_S1两计数器缓存中过球时间差0＜D_t＝C_2t-C_1t＜C_t，其中，C_t为使大球通过的机械检测装置动作时间，且C_t＞t_p＞t_c，则判别为小球通过。并在两个计数传感器对应的历史数据库Tb1和Tb2中追加一条新的过球记录，包括记录序号R、过球序号N、过球时刻t、过球类型F(小球)和扫描时刻t_S0等。

如果在连续几个扫描周期内扫描时刻t_S1对应的扫描时间差D_St＝t_S1-t_S0＞C_t，则向驱动器控制板卡发送指令，驱动机械检测单元动作，在继续扫描过程中，如果D_St＞0，则判别大球通过，并将包含过球序号N、过球时刻t和过球种类F(大球)等的过球信息存入两个计数传感器的历史数据库Tb1和Tb2中。

若采用低富集度小球方案，在反应堆正常运行期间，堆芯内只有高富集度燃料元件(大球)，而无低富集度小球。对于执行低富集度与高富集度燃料元件识别的机械检测单元而言，此种工况下，机械检测单元的执行部件可以锁死，与图5处于同一位置，而图5对应于过渡循环工况，转子未锁死，需要频繁往复转动以分检出大球(高富集度燃料元件与石墨球)和小球(低富集度燃料元件)。正常运行工况下，采用三通道结构并在图5位置锁死，所述进球管和出球管分别于箱体的大球通道与进球通道直通，能保证大球无阻碍通过，且执行部件被锁死，驱动部件和联轴器静止不动，能够保证反应堆服役期内燃料装卸系统管的可靠运行。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种球床高温堆不同尺寸燃料元件的识别装置，其特征在于，所述装置包括：第一计数传感器、机械检测单元、第二计数传感器、以及控制单元，所述第一计数传感器、机械检测单元、以及第二计数传感器沿球床高温堆的过球管段的入口至出口方向依次设置、且分别与所述控制单元连接，所述球床高温堆的过球管段为竖直设置；

其中，所述机械检测单元包括：执行部件、驱动部件、联轴器、进球管、出球管、以及箱体，所述进球管设于所述箱体的上表面，所述出球管设于所述箱体的下表面，所述执行部件设于所述进球管和出球管之间、且位于所述箱体内，所述驱动部件通过所述联轴器与所述执行部件连接，所述驱动部件与所述控制单元连接；

其中，所述执行部件为一圆柱形转子、且包括：相互连通的检测通道、进球通道、以及至少一个大球通道，所述进球通道与所述进球管连通，所述检测通道与所述出球管连通；

其中，所述执行部件包括一个大球通道，所述检测通道、进球通道、以及大球通道的轴线共面、且两两之间分别呈120度的夹角。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进球通道与所述进球管同轴，所述检测通道与所述出球管同轴。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进球管与出球管同轴，所述检测通道与所述出球管同轴，所述进球管和所述进球通道之间通过导流槽连通。

4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述箱体上设有定位销，所述执行部件上设有与所述定位销相适应的限位槽，所述限位槽的圆心角为120度，以使得所述执行部件能逆时针旋转120度。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述箱体上与所述大球通道相对处设有顶杆，所述执行部件上设有与所述顶杆相适应的顶杆导向槽。

6.如权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述检测通道的横截面为矩形，当所述矩形为正方形时，其边长大于小球直径、且小于大球直径；当所述矩形为长方形时，其短边大于小球直径、且小于大球直径。

7.一种基于权利要求1～6中任一项所述的识别装置的识别方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：当燃料元件通过球床高温堆的过球管段时，第一计数传感器获取所述燃料元件的进入时间；

S2：机械检测单元根据燃料元件的尺寸进行选择，若为小球则直接通过，否则进行预设时间的延迟；

S3：第二计数传感器获取所述燃料元件的离开时间；

S4：控制单元根据所述燃料元件的进入时间和离开时间判断所述燃料元件的尺寸。