一种破损燃料棒水下封装装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核能安全技术领域，具体涉及一种破损燃料棒水下封装装置及方法。
【背景技术】
[0002]核电是一种先进、环保的能源，目前全世界共有400多台核电机组在运行，总装机容量超过370，000兆瓦，在当今社会发挥着非常重要的作用。核电站使用高放射性核燃料，一旦发生安全事故后果将非常严重，因此核电站的安全对其周边大面积区域意义重大。
[0003]作为核电站反应堆的核心部件，燃料元件(也称燃料棒，下同)的完好对于核电站的安全至关重要。燃料棒(以目前最为广泛应用的压水堆为例)是由锆质的包壳管5和上端塞8、下端塞1并配合上端环形焊缝7和下端环形焊缝2以及密封焊点9 一起组成，内部包括若干块U02芯块4、设置在两端的隔热块3以及弹簧6(见图1)，燃料棒外径约10毫米，总体长度接近4米。
[0004]燃料元件在反应堆内服役时长期处于高温高压的水环境中，还要经受核辐射，月艮役条件极为苛刻，对于燃料元件的性能要求极高，个别元件由于材料缺陷、工艺失误、异物磨蚀等原因会产生破损。破损后的燃料棒要尽快从反应堆中取出，进行失效原因分析或者妥善处置。根据IAEA (国际原子能机构)在2009年发布的《MANAGEMENT OF DAMAGED SPENTNUCLEAR FUEL))(破损乏核燃料的管理)，国际上对于破损燃料棒的最终处置还没有确定性指导方案，对于破损燃料棒的中短期处置，一般是将破损棒封装后暂存，或者封装后运到专门做辐照后检验处理的核设施进行处置。
[0005]从核电站反应堆中取出的燃料棒，具有很高的放射性，只能在核电站乏燃料厂房的水池中，在有足够水屏蔽的情况下，通过专用工具对其进行水下封装操作。乏燃料厂房及水池的辐射安全、工业安全、质量控制等要求极为严格，操作空间有限，封装破损燃料棒的设备以及操作工程必须安全、可靠和尽可能简单。
[0006]早期破损棒封运暂存技术，主要是直接将棒放在专用密封屏蔽容器中，比如法国Robatel公司在70年代设计制造的R52容器(该容器及配套设备后来先后被卖给德国和中国，在欧洲和中国有大量的使用经验，至2015年仍然在使用中)。
[0007]后来在监管部门的要求下，安全标准被进一步提高。虽然专用密封屏蔽容器本身具有足够的屏蔽和密封能力，破损燃料棒依然被要求封装后才允许装入容器中运输或暂存，目的是让破损棒受到的保护程度不低于完整棒。
[0008]目前国际上通常采用的破损棒封装技术，是将燃料棒装入金属保护管中，然后用压缩空气将管内的水排出，再将保护管连同破损燃料棒一起放入专用密封屏蔽容器封运或暂存。比如法国Robatel公司的R72容器及配套设备和德国NCS公司的N45容器及配套设备，在封运破损燃料棒之前，都是采用这种技术。
[0009]Robatel公司和NCS公司的技术从专业设计上讲可以完成破损燃料棒的封装，但仍至少有三点值得改进:首先，他们的技术封装燃料棒时是所有破损燃料棒封装在一起，这意味着一旦密封被破坏，所有破损棒都不再受密封保护，严格来讲，这意味着破损棒受到的密封保护比未破损的完整棒要少；其次，他们把燃料棒在水下装入容器后，在容器出水后才对保护套管进行排水，实际上并不是在水下完成全部封装操作，这相当于增加了放射性在空气中暴露量；再次，对于监管部门“如何确保封装破损棒后的保护管中没有水”的疑问，他们的技术没能给出满意答复。
【发明内容】
[0010]针对目前的现有技术所存在的不足，本发明的目的是提供一种破损燃料棒水下封装装置及方法。该装置及方法可以保证每一根破损的燃料棒单独封装，在水下完成封装，并且封装了破损燃料棒的装置内没有残存水分。
[0011 ] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种破损燃料棒水下封装装置，包括能够开启、封装的燃料棒封装体，能够与所述燃料棒封装体连接的封装操作工具，能够与所述封装操作工具连接的压力控制及过滤系统；
[0012]所述燃料棒封装体能够容纳核反应堆的燃料棒；
[0013]所述封装操作工具用于对所述燃料棒封装体进行封装、排水、抽真空操作；
[0014]所述压力控制及过滤系统用于通过所述封装操作工具对所述燃料棒封装体进行排水、抽真空操作，并对所述燃料棒封装体中抽离的气体进行过滤。
[0015]进一步，所述燃料棒封装体包括一根能够容纳燃料棒的不锈钢套管，所述不锈钢套管的上端设置能够拆装的密封塞，所述不锈钢套管的下端设置能够排水排气的下弹簧塞。
[0016]进一步，所述密封塞包括设置在所述密封塞顶部的设有第一密封圈的操作孔，设置在所述密封塞中部空腔中的设有第二密封圈的上弹簧塞，所述上弹簧塞能够密封操作孔，设置在所述密封塞底部的第一通孔，当所述上弹簧塞被向下挤压时，气体可以通过第一通孔，所述密封塞通过底部外围设有第三密封圈的螺纹与所述不锈钢套管连接。
[0017]进一步，所述封装操作工具包括一根中空的工具管，连接在所述工具管的底端开口附近的气管，所述工具管内高于所述气管连接处的位置设置密封隔断，所述工具管的底端低于所述气管连接处的管壁上设置若干第二排气排水孔，所述工具管的底端能够通过插入所述密封塞顶部的所述操作孔与所述密封塞连接并将所述密封塞封装在所述不锈钢套管的上端，所述工具管的底端能够向下挤压所述上弹簧塞。
[0018]更进一步，当所述工具管的底端向下挤压所述上弹簧塞时，所述气管中的气流可以通过所述第二排气排水孔进入并通过所述第一通孔。
[0019]进一步，所述下弹簧塞设置在所述不锈钢套管下端的空腔中，所述空腔顶部的隔断上设置若干与所述不锈钢套管内部空间连通的第一排气排水孔，在所述空腔底部设置第二通孔，所述下弹簧塞上设有第四密封圈，所述下弹簧塞能够密封所述第一排气排水孔，当所述不锈钢套管内部的液体或者气体通过所述第一排气排水孔向下挤压所述下弹簧塞时，所述不锈钢套管内部的液体或者气体能够从所述第二通孔排出所述不锈钢套管之外。
[0020]进一步，所述压力控制及过滤系统包括通过管道依次连接的空气压缩栗、第一阀门、第二阀门、过滤系统、活性炭液氮冷阱、真空栗，所述气管连接在所述第一阀门、第二阀门之间的管道上。
[0021]为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述装置的破损燃料棒水下封装方法，包括以下步骤:
[0022](S1)将开启的燃料棒封装体开口朝上竖直放入乏燃料棒水池中；
[0023](S2)将需要封装的破损燃料棒在水池内吊装放入所述燃料棒封装体中；
[0024](S3)使用封装操作工具对所述燃料棒封装体进行封装；
[0025](S4)使用压力控制及过滤系统，通过所述封装操作工具对所述燃料棒封装体进行排水操作；
[0026](S5)使用压力控制及过滤系统，通过所述封装操作工具对所述燃料棒封装体进行抽真空操作，并对所述燃料棒封装体中抽离的气体进行过滤；
[0027](S6)关闭所述压力控制及过滤系统，解除所述封装操作工具同所述燃料棒封装体的连接。
[0028]进一步，所述燃料棒封装体包括一根不锈钢套管，所述不锈钢套管的上端设置能够拆装的密封塞，所述密封塞顶部设有操作孔，所述密封塞中部空腔中设有上弹簧塞；所述封装操作工具包括一根中空的工具管，所述工具管的底端能够通过插入所述密封塞顶部的操作孔与所述密封塞连接并将所述密封塞封装在所述不锈钢套管的上端，所述工具管的底端能够向下挤压所述上弹簧塞；在步骤(S3)中通过所述工具管将所述密封塞封装在所述不锈钢套管的上端，所述工具管的底端向下挤压所述上弹簧塞。
[0029]进一步，所述封装操作工具包括一根中空的工具管，连接在所述工具管的底端开口附近的气管；所述压力控制及过滤系统包括通过管道依次连接的空气压缩栗、第一阀门、第二阀门、过滤系统、活性炭液氮冷阱、真空栗，所述气管连接在所述第一阀门、第二阀门之间的管道上；
[0030]在步骤(S4)中关闭第二阀门，打开第一阀门，开启空气压缩栗，对所述燃料棒封装体进行排水操作；
[0031]在步骤(S5)中关闭第一阀门，打开第二阀门启动真空栗，对所述燃料棒封装体进行抽真空操作，并对所述燃料棒封装体中抽离的气体进行过滤。
[0032]本发明的有益效果在于:
[0033]1.每根破损燃料棒单独封装，确保每根破损燃料棒受到的保护程度都