CN115376713A - 一种一体化反应堆装换料装置、系统与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化反应堆换料装置、系统与工艺，所述装置包括安全壳、反应堆压力容器、一体化上部吊装结构、堆芯吊装结构、堆芯吊具、堆芯导向装置等，通过将上部安全壳和上部反应堆压力容器构成一体化上部吊装结构进行一体式开盖，采用基于堆芯整体吊装进行堆外换料。采用具有两级导向结构的堆芯导向装置实现一体化反应堆压力容器底部位于狭窄空间内的堆芯换料操作，简化了反应堆换料工艺，缩短了换料关键路径，提供了优选的可实施的换料方法，同时，本发明也有益于核电厂运维厂房高度的缩减，有益于核电厂采用多堆模块化布局。

Description

一种一体化反应堆装换料装置、系统与工艺

技术领域

本发明属于核电厂运行与维护技术领域，具体涉及一种一体化反应堆装换料装置、系统与工艺。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

反应堆装换料系统是系统性解决反应堆本体拆解、堆芯燃料更换和燃料转运及贮存的系统。

现有技术中，包括一体化堆在内的紧凑型压水堆装换料系统通常采用依次开盖后进行堆内换料的方式，也即依次移除安全壳顶盖和反应堆压力容器顶盖，再依次吊出控制棒驱动机构、上部堆内构件和堆内测量格架，然后在反应堆内依次进行单个燃料组件的更换操作。主要通过如下方式，首先，使用采用门式起重机结构的装卸料机运行到反应堆上方，下降燃料抓具到燃料组件的顶部，在抓具上通过设置的抓具机构和燃料组件上管座的结构对接抓取并锁定，之后提升抓具并携带燃料组件移除出堆芯并进行燃料组件到乏池的转运，从而完成一个燃料组件的移除操作，并按此流程循环进行下一个燃料组件的移除直到堆芯全部移除完成。堆芯的装料与之工艺相同，次序相反。

现有的换料技术，存在的不足主要有：

第一方面，由于采用依次开盖后进行堆内换料的方式，先后进行的反应堆拆解和换料的各步骤不能并行开展，换料关键路径较长；

第二方面，对于一体化反应堆，由于高度紧凑的全内置布局，安全壳和反应堆压力容器都有复杂的堆顶贯穿件，反应堆内部有紧凑的内置控制棒驱动机构和换热组件，极大地制约了采用传统换料技术时装卸料机套筒在堆内的移动和伸缩空间，给堆芯内组件可达性带来很大难度；

第三方面，对于一体化反应堆，其换料开盖后的堆内空间紧凑狭窄，进一步的，基于建立自然循环的需求，其堆芯深度相对于强迫循环压水堆有大幅度增加，其更换堆芯操作将面临“深井式”超深堆芯操作，极大地制约了传统换料技术对堆芯内燃料进行操作所必须的堆内观测和抓取；

第四方面，一体化反应堆具有高度的小型化和紧凑化的特点，便于在电厂布置中灵活的采用模块化布局，采用现有换料技术需要较多的拆解存放位置和工艺空间，限制了一体化反应堆在反应堆模块化布局方面的优势发挥。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种一体化反应堆装换料装置、系统与工艺，通过采用一体化开盖、堆芯整体吊装和堆外换料方式，克服采用高度集成结构的一体化反应堆采用传统装换料工艺在反应堆开盖和深堆芯燃料操作方面的难度和复杂度，提供合理简化的换料工艺实现可行的换料实施，缩短大修关键路径，并有益于采用一体化反应堆的核电厂进行模块化布置。

为了解决以上技术问题，是通过如下技术方案实现的：

在本发明的第一方面，提供了一体化反应堆装换料装置，包括：

安全壳，所述安全壳上设有换料法兰，换料法兰将安全壳分为上部安全壳和下部安全壳，上部安全壳的顶部设置有检修法兰；

反应堆压力容器，所述反应堆压力容器上设有换料法兰，换料法兰将反应堆压力容器分为上部反应堆压力容器和下部反应堆压力容器；

上部安全壳和上部压力容器为一体结构，组成一体化上部吊装结构。

在本发明的一些实施方式中，所述换料法兰和检修法兰组成两级开顶结构。

在本发明的一些实施方式中，上部反应堆压力容器内设置控制棒驱动机构、上部堆内构件和堆内测量格架，构成一体化的上部反应堆压力容器。

在本发明的一些实施方式中，所述下部反应堆压力容器的内部设置有堆芯吊装结构、堆芯吊具和堆芯导向装置，堆芯吊具的下端部连接堆芯吊装结构。

在本发明的一些实施方式中，所述堆芯导向装置包括堆外导向装置和堆内导向装置。

在本发明的第二方面，提供了一种一体化反应堆装换料系统，包括所述的一体化反应堆装换料，还包括：一体式换料机、堆腔水闸门、乏池水闸门、一体化上部吊装结构存放架、堆芯吊装结构存放架、乏燃料贮存格架和换料操作大厅桥吊。

在本发明的一些实施方式中，所述一体式换料机为带有伸缩套筒和燃料组件及内插件专用操作抓具的桥式起重机，用于在堆外和乏池区域对燃料组件和内插件进行更换。

在本发明的一些实施方式中，所述堆腔水闸门为带有重启密封圈并具有移动式开关执行机构的自动水闸门，用于隔离堆腔和换料水池。

在本发明的一些实施方式中，所述乏池水闸门为带有重启密封圈并具有平开式开关执行机构的自动水闸门，用于隔离换料水池和乏燃料水池。

在本发明的第三方面，提供了一种一体化反应堆装换料工艺，采用所述的一体化反应堆装换料系统来实现，包括以下步骤：

对一体化反应堆装换料装置进行两级开顶，实现一体化开盖，将一体化上部吊装结构进行整体移除，放置在一体化上部吊装结构存放架上；

使用堆芯吊具对堆芯吊装结构整体吊装，放置在堆芯吊装结构存放架上；

使用一体式换料机对反应堆进行堆外换料；

将换料完成的反应堆按照上述步骤的逆步骤进行回装。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

1、通过采用堆芯整体吊装和堆外换料方式，相较于现有压水堆换料技术可以将燃料组件操作从换料关键路径中分解，和反应堆进一步拆解同步进行，缩短大修路径，提升电厂运维经济性。

2、由于采用了一体化上部吊装结构和两级开顶实施，可以实现一体化开盖，从而大幅度简化一体化反应堆堆顶复杂的贯穿件拆装和繁琐的反应堆部件拆解工艺，降低换料难度，并缩短换料大修关键路径，提升电厂运维经济性。

3、通过采用具有两级导向结构的堆芯导向装置，可以避免一体化反应堆的“深井式”超深堆芯燃料组件操作和观测的困难，解决一体化反应堆深堆芯操作的对中问题。

4、由于采用一体化开盖、堆芯整体吊装和堆外换料方式带来的系统结构简化优化，有益于一体化反应堆等紧凑型反应堆进行模块化布置，方便实现单堆、双堆或多堆的总体布置，提升一体化反应堆在厂址应用方面的技术灵活性。

5、由于采用堆芯整体吊装方式和具有两级导向结构的堆芯导向装置的配合，堆芯吊具下方时伴随堆腔水位下降，堆芯吊具的设计高度可以大幅缩短，从而大幅降低运维厂房工艺高度，提升压水反应堆建造经济性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1中的一体化反应堆装换料装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1中的一体化反应堆装换料装置的拆分结构示意图；

图3为本发明实施例2中的一体化反应堆装换料系统的俯视图；

图4为本发明实施例2中的一体化反应堆装换料系统的剖视图；

图5-图12为本发明实施例3中的一体化反应堆装换料工艺中各个过程中的状态示意图。

图中，1、安全壳；2、反应堆压力容器；3、一体化上部吊装结构；4、堆芯吊装结构；5、堆芯吊具；6、堆芯导向装置；7、一体式换料机；8、堆腔水闸门；9、乏池水闸门；10、一体化上部吊装结构存放架；11、堆芯吊装结构存放架；12、下部堆内构件存放架；13、乏燃料贮存格架；14、换料操作大厅桥吊。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1和图2所示，提供了一种一体化反应堆装换料装置，包括，安全壳1，反应堆压力容器2，一体化上部吊装结构3，堆芯吊装结构4，堆芯吊具5，堆芯导向装置6。

安全壳1为一个具有两级法兰的钢制容器，也即顶部的检修法兰和中部的换料法兰，换料法兰将安全壳1分为上部安全壳和下部安全壳，上部安全壳的顶部设置有检修法兰，换料法兰和检修法兰组成两级开顶结构，当进行换料时，先拆解安全壳1顶部的检修法兰实现安全壳第一级开顶，再拆解安全壳换料法兰实现安全壳第二级开顶。

反应堆压力容器2为一个具有换料法兰以及内部构件连接的压力容器，换料法兰将反应堆压力容器分为上部反应堆压力容器和下部反应堆压力容器；上部反应堆压力容器内设置控制棒驱动机构、上部堆内构件和堆内测量格架，构成一体化的上部反应堆压力容器。

上部安全壳和上部压力容器通过预先固定的内部连接杆结构构成一体结构，组成一体化上部吊装结构3，在换料时可以实现一体化开盖，也即对安全壳和反应堆压力容器的拆解后，通过一体化上部吊装结构进行一次吊装。

下部反应堆压力容器的内部设置有堆芯吊装结构4、堆芯吊具5和堆芯导向装置6：

堆芯吊装结构4，包含用于支承堆芯组件和进行整体吊装的结构，其吊装接口法兰处于反应堆压力容器法兰面以下13m的深堆芯位置。堆芯吊装结构在换料时可和下部堆内构件分离，可承载全部堆芯组件用于整体吊装，实现整体吊装和整体存放。

堆芯吊具5为一个具有整体框架的包含操作平台和吊装工具的吊具结构体，用于实现堆芯整体吊装，其下端部可连接堆芯吊装结构进行堆芯整体吊装；

堆芯吊装结构4和堆芯吊具5的连接采用以下方式：堆芯吊具上具有3套提升柱，全堆芯结构上具有3套吊装块，在操作平台上对3套提升柱通过操作工具进行操作，使其分别与对应的吊装块啮合。

所述堆芯导向装置6包括堆外导向装置和堆内导向装置两部分组成的两级导向，用于堆芯吊具与堆芯吊装结构的对中导向。堆外导向装置，其导向配对为反应堆压力容器外的两根堆外导向柱和堆芯吊具上端的两个导向套筒，堆内导向装置，其导向配对为下部堆内构件堆芯吊篮内壁的两个导向槽和堆芯吊具下端的两个导向块。

实施例2

如图3和图4所示，提供了一种一体化反应堆装换料系统，包括实施例1的一体化反应堆装换料装置，还包括一体式换料机7、堆腔水闸门8、乏池水闸门9、一体化上部吊装结构存放架10、堆芯吊装结构存放架11、下部堆内构件存放架12、乏燃料贮存格架13、换料操作大厅桥吊14。

一体式换料机7为带有伸缩套筒和燃料组件及内插件专用操作抓具的桥式起重机，用于在堆外和乏池区域对燃料组件和内插件进行更换。

堆腔水闸门8为带有重启密封圈并具有移动式开关执行机构的自动水闸门，用于隔离堆腔和换料水池。

乏池水闸门9为带有重启密封圈并具有平开式开关执行机构的自动水闸门，用于隔离换料水池和用于乏燃料贮存和内插件倒换的乏燃料水池.

一体化上部吊装结构存放架10为带有支撑环和导向销的专用存放架结构，用于在换料水池存放已开盖的一体化上部吊装结构。

一体化上部吊装结构存放架10，其在本实施例中为一个带有支撑环和导向销的专用存放架结构，用于在换料水池存放已开盖的一体化上部吊装结构。

堆芯吊装结构存放架11，为带有支撑环和导向销的专用存放架结构，用于在换料水池存放已卸出反应堆的堆芯吊装结构，并支持一体式换料机7在此进行单个燃料组件的操作。

下部堆内构件存放架12，为带有支撑环和导向销的专用存放架结构，用于在换料水池存放已卸出堆芯吊装结构后的下部堆内构件。

乏燃料贮存格架13，为一个由多行列专用的燃料组件贮腔组成的框架结构，用于存放从堆芯卸出的燃料组件以及准备装入堆芯的燃料组件。

换料操作大厅桥吊14，为具有较高定位精度的重载双梁桥式起重机，用于在反应堆装换料期间通过专用吊具对重载物项进行吊装。

实施例3

如图5-图12所示，提供了一体化反应堆装换料工艺，采用实施例2的一体化反应堆装换料系统来实现，包括以下步骤：

(1)对一体化反应堆装换料装置进行两级开顶，实现一体化开盖，将一体化上部吊装结构进行整体移除，放置在一体化上部吊装结构存放架上；

两级开顶的具体过程为：先进行开顶前准备，将堆顶贯穿件移除；然后进行安全壳第一级开顶，也即安全壳维修法兰拆解，完成后的状态如图5所示；然后再进行反应堆压力容器换料法兰拆解，通过专用工具在安全壳内部进行控制棒驱动机构脱扣，通过专用工具在安全壳内部进行堆内测量格栅提升，通过螺栓拉伸机在安全壳内部进行反应堆压力容器法兰拆解，具备安全壳换料法兰开启和一体化上部吊装结构整体移除的条件；最后，进行安全壳第二级开顶，也即安全壳换料法兰拆解，实现了一体化开盖，如图6所示。

利用换料操作大厅桥吊将一体化上部吊装结构从反应堆内进行整体移除，放置在一体化上部吊装结构存放架上，同步的可以后续进行相应的解体检查等就地作业，如图7所示。

(2)使用堆芯吊具对堆芯吊装结构整体吊装，放置在堆芯吊装结构存放架上；

对堆芯吊装结构整体吊装的具体过程为：如8和图9所示，进行堆芯整体吊装前的吊具下降对中，先进行一级导向阶段，也即堆外导向阶段，在堆外导向过程中，堆芯吊具下降的同时，换料水位同步降低，直到接近反应堆压力容器法兰面，过程中始终保持水位略低于堆芯吊具操作平台，一级导向阶段结束前，二级导向阶段的导向配对已经在过渡段实现衔接；继续进行堆芯整体吊装前的吊具对中，进行二级导向阶段，也即堆内导向阶段，在第二级导向，也即堆内导向过程中，换料水位始终维持在反应堆压力容器法兰面以上略高，但低于堆芯吊具操作平台。

如图10所示，完成对中后由操作人员在操作平台上通过远程连杆操作对，实现吊具和堆芯吊装结构接口的啮合，并开始带载提升，进行堆芯整体吊装的对接和移除，吊装放置到堆芯存放架上。

进一步的，堆芯吊装结构的吊装接口法兰处于反应堆压力容器法兰面以下的深堆芯位置。

进一步的，完成全部两级堆芯导向将堆芯整体结构提出反应堆，并吊装至堆芯存放架位置，此时换料水位也恢复到高位的正常水位，如图11所示。

(3)使用一体式换料机对反应堆进行堆外换料；

对外换料的具体过程为：使用一体式换料机对堆芯内燃料组件进行操作，直至完成全部堆芯内全部燃料组件的更换，堆外换料期间单个燃料组件的更换中转和内插件倒换等操作，可以通过位于乏燃料水池内的乏燃料贮存格架进行贮存，如图12所示。

(4)将换料完成的反应堆按照上述步骤的逆步骤进行回装。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体化反应堆装换料装置，其特征在于，包括：

安全壳，所述安全壳上设有换料法兰，换料法兰将安全壳分为上部安全壳和下部安全壳，上部安全壳的顶部设置有检修法兰；

反应堆压力容器，所述反应堆压力容器上设有换料法兰，换料法兰将反应堆压力容器分为上部反应堆压力容器和下部反应堆压力容器；

上部安全壳和上部压力容器为一体结构，组成一体化上部吊装结构。

2.如权利要求1所述的一体化反应堆装换料装置，其特征在于，所述换料法兰和检修法兰组成两级开顶结构。

3.如权利要求1所述的一体化反应堆装换料装置，其特征在于，上部反应堆压力容器内设置控制棒驱动机构、上部堆内构件和堆内测量格架，构成一体化的上部反应堆压力容器。

4.如权利要求1所述的一体化反应堆装换料装置，其特征在于，所述下部反应堆压力容器的内部设置有堆芯吊装结构、堆芯吊具和堆芯导向装置，堆芯吊具的下端部连接堆芯吊装结构。

5.如权利要求4所述的一体化反应堆装换料装置，其特征在于，所述堆芯导向装置包括堆外导向装置和堆内导向装置。

6.一种一体化反应堆装换料系统，包括如权利要求1-5任一项所述的一体化反应堆装换料，其特征在于，还包括：一体式换料机、堆腔水闸门、乏池水闸门、一体化上部吊装结构存放架、堆芯吊装结构存放架、乏燃料贮存格架和换料操作大厅桥吊。

7.如权利要求6所述的一体化反应堆装换料系统，其特征在于：所述一体式换料机为带有伸缩套筒和燃料组件及内插件专用操作抓具的桥式起重机，用于在堆外和乏池区域对燃料组件和内插件进行更换。

8.如权利要求6所述的一体化反应堆装换料系统，其特征在于：所述堆腔水闸门为带有重启密封圈并具有移动式开关执行机构的自动水闸门，用于隔离堆腔和换料水池。

9.如权利要求6所述的一体化反应堆装换料系统，其特征在于：所述乏池水闸门为带有重启密封圈并具有平开式开关执行机构的自动水闸门，用于隔离换料水池和乏燃料水池。

10.一体化反应堆装换料工艺，采用如权利要求6-9任一项所述的一体化反应堆装换料系统来实现，其特征在于，包括以下步骤：

对一体化反应堆装换料装置进行两级开顶，实现一体化开盖，将一体化上部吊装结构进行整体移除，放置在一体化上部吊装结构存放架上；

使用堆芯吊具对堆芯吊装结构整体吊装，放置在堆芯吊装结构存放架上；

使用一体式换料机对反应堆进行堆外换料；

将换料完成的反应堆按照上述步骤的逆步骤进行回装。

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