陈书华 黄新东 安彦波 任 荷 瓮松峰
（中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室，四川 成都 610041）
【摘 要】已辐照燃料组件由于辐射剂量大而导致其转运过程复杂，空中转运可以通过换料机铅屏屏蔽辐射，水下转运则通过水层屏蔽，而从空中转移到水下的过程需要专用的接收装置来完成，给出了已辐照燃料接收装置的设计思路，介绍了其结构，并对相关零件进行了计算校核。
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关键词 已辐照燃料；辐射；接收装置
【Abstract】The transport of spent fuel is very complex because of huge radiation. The radiation is shielded by refueling machine in the air, and by water layer in the underwater. The receiving device is needed when the spent fuel is tansported between the air and water. This paper gives the design scheme, structure and strength checking of the receiving device.
【Key words】Spent Fuel；Radiation；Receiving Device
作者简介：陈书华（1984—），男，学士，工程师，2005年毕业于上海交通大学机械工程及自动化专业，从事核反应堆换料工艺及专用设备设计及研究工作。
黄新东（1971—），男，学士，研究员级高级工程师，1995年毕业于衡阳工学院机械工艺专业，从事核反应堆换料工艺及专用设备设计及研究工作。
安彦波（1985—），男，硕士，工程师，2010年毕业于哈尔滨工业大学机械设计专业，从事核反应堆换料工艺及专用设备设计及研究工作。
0 引言
已辐照燃料接收装置（以下简称接收装置）是某型核反应堆换料检修需要使用的专用设备之一，其功能是完成已辐照燃料组件在空气中与水下之间的转运，空中转运通过换料机进行，水下转运通过长杆操作工具完成[1]。接收装置的设计要在满足其功能的同时保护操作人员免受过量辐照剂量。
1 设计思路
核反应堆装卸检修工具的设计应在满足防止燃料组件跌落的同时保证操作人员免受超限剂量辐射[2]，因此设计时应满足以下要求：
（1）接收装置必须具有辐射安全防护功能，对操作人员起到辐射防护作用；
（2）接收装置在使用过程中应保证燃料组件的安全；
（3）接收筒在上接收位置时，应能与屏蔽筒组件的内方孔对准以便燃组件能顺畅地通过，并且保证接收筒中的燃料组件在换料机的抓取范围内；
（4）装有燃料组件的接收筒在接收位置时不会意外跌落；
（5）燃料组件的接收筒在抓取位置时，操作人员使用燃料组件长杆工具应能方便地转运燃料组件。
2 结构介绍
根据接收装置的各部分结构功能进行划分，其主要由铸钢平台、套环、铅屏、导轨组件、池壁支撑组件、接收筒、电机传动装置及其他部分组成，见图1。
2.1 铸钢平台、套环和铅屏
铸钢平台用于整个接收装置在水池面上的支撑，同时也是支承换料机的刚性平台，套环安装于铸钢平台上，其直接与换料机接触并为换料机提供定位，保证换料机抓具能够顺利进入铅屏的中心方孔；铅屏中心方孔是燃料组件从换料机进入接收筒的通道，铅屏的径向有180mm厚的铅层和40mm厚的钢板作为生物屏蔽层，顶部有235mm厚的钢板（其上部的套环厚度为165mm）作为生物屏蔽层。见图2。
2.2 导轨组件
导轨组件为接收筒的运动提供限制，接收筒沿导轨运动，导轨为曲线导轨，上段竖直，下段向平台外平滑弯曲，当接收筒运行到上接收位置时与铅屏对接，此时换料机可以抓取或者释放燃料组件。当接收筒向下运行时就会沿着导轨到达铸钢平台外侧的抓取位置，此时可以使用燃料组件长杆抓具抓取或者释放燃料组件。导轨组件包括左导轨和右导轨两部分，都为U型槽导轨，U型槽能够对在其中行走的接收筒滚轮进行限制，防止滚轮脱离轨道。导轨组件的下部有导轨正支撑、导轨背支撑及导轨斜支撑等支撑，这些支撑保证导轨刚度。保证装置经长期运行或存放后不发生位移和变形。
2.3 池壁支撑组件
池壁支撑组件由钢板焊接而成，其一端通过螺栓与导轨组件背面相连接固定，另一端上面焊接有调节装置，调节装置的调节螺杆通过支撑盘与水池壁相顶，在现场安装时，根据水池壁上预留的焊接板位置调整池壁支撑组件的位置，对齐后调节顶紧再将支撑盘与焊接板焊接固定。
2.4 接收筒
接收筒组件主要包括接收筒、滚轮、滚轮轴、拉轴、侧架及底轮等组成，接收筒承接并包容已辐照燃料组件，上边沿有一段喇叭导向段方便燃料组件进入。在滚轮轴的两端安装有两个滚轮，两个滚轮沿着导轨组件上下运行，而接收筒仅与上面的滚轮轴连接，接收筒底部有底轮，当接收筒组件处于导轨组件下部的倾斜段向下运动时，底轮沿着斜槽滑动防止接收筒组件的倾斜。
2.5 电机传动装置
电机传动装置主要由电机、减速器、卷盘、钢丝绳、轴承以及卷盘支架组件等组成。钢丝绳连接卷盘和接收筒，电机带动卷盘转动实现接收筒的升降运动。电机选用速度控制性能较好且自带编码器的伺服电机，其自带的旋转编码器可以间接地给出接收筒位置信息，减速器则采用蜗轮蜗杆结构型减速器。
2.6 其他
其他部分主要有转向滑轮组件、载荷传感用定滑轮及限位装置等。转向滑轮组件主要用于改变钢丝绳的走向。载荷传感用定滑轮中装有载荷传感器，用来监测钢丝绳的拉力，为过载保护和失重保护提供信号。限位装置用来检测接收筒组件是否到位，为控制系统对电机的控制提供信号输入，分为上限位装置、下限位装置和换料机联锁限位。
3 计算校核
3.1 计算输入设定
（1）设满载情况下接收筒总重2637N；
（2）接收筒运行速度为1m/min，最大速度4.5m/min）；
（3）卷盘直径为320mm~412mm；
（4）接收筒侧架尺寸见图3。
3.2 运动过程中受力分析
将运动分成三部分：上部竖直段、中间圆弧过渡段及下部倾斜段。对接收筒的侧架进行分析，简化后力学分析模型如下：
得出：
钢丝绳拉力F=2637N；
θ=0°（上部竖直段）接收筒侧架对轨道压力N1=N2=1.5G=3956N；
θ=30°（中间圆弧过渡段）接收筒侧架对轨道压力达到最大N1=N2=1.732G=4567N；
θ=45°（下部倾斜段）接收筒侧架对轨道压力N1=N2=1.673G=4412N；
3.3 电机、减速器选型
3.3.1 选择交流伺服电机：
F：钢丝绳拉力为2637N；
v：设计最大速度为4.5m/min；
η：传动效率，这里取35%。
根据实际经验，电机在拖动负载起动的暂态过程中，其暂态输出功率为平稳状态下功率的1.5~2倍，所以选择额定功率0.9kW的松下全数字式交流伺服电机MGMA900W，主要参数如下：
3.3.2 选择减速机
拟选择三联传动SLS系列蜗轮蜗杆减速机。由输出最大速度v出=4.5r/min、卷盘直径320mm~412mm和电机额定转速n额定=1000rpm得出减速比i=n额定/v出=222.2
由钢丝绳拉力F=2637N、卷盘最大直径D=412mm，得出驱动卷盘需要转矩：
T工作=F·D/2=543.2Nm，减速机许用转矩：
TN≥T工作f1 f2 f3=814.8Nm
f1、f2、f3分别为工作机系数、原动机系数、起动系数。根据接收装置使用情况查询三联传动选型手册得出f1=1.5，f2=1.0，f3=1.0。选择三联SLSAF87R57减速机，其主要参数如下：
3.4 钢丝绳
F0≥F·n=26.37kN
F0：钢丝绳破断拉力；
n：安全系数，考虑到水下工作及不可更换性，该处n取10；
F：钢丝绳最大工作静拉力，为2637N。
由于在水下工作，因此选择不锈钢丝绳6.00NAT1×19+IWSGB/T 9944，其最小破断拉力为30.4kN。
4 结束语
通过结构设计和计算分析，确定接收装置的设计是合理的，目前该设备已经在实际工程中得到应用，且效果良好。
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参考文献
［1］黄新东,洪龙.核电换料检修[M].成都:西南交通大学出版社,2013.
［2］中广核工程有限公司.压水堆核电厂核岛设计·核岛工艺系统和布置设计[M].北京:原子能出版社,2010.
［责任编辑：刘展］