TWI780086B - 用於操縱核子反應爐乾管總成之工具及方法 - Google Patents

Abstract

乾管移除工具(100)可以操縱反應爐中的乾管(10)而不移除乾管(10)旁的所有燃料，節省相當多的停擺時間，並且允許在燃料的整個混排期間安裝新的偵測器和儀器。工具(100)的本體(120)配合穿過頂部導引件(50)並且固定於此，而不完全包圍乾管(10)或需要移除附近所有的燃料。工具(100)包括維持器(125)，其移動以固定於乾管(10)並且垂直和/或水平移動乾管(10)。維持器(125)可以透過此種移動而將乾管(10)釋放或安裝於固定的核心位置。乾管(10)因此可以從反應爐上方的吊橋或起重機而藉由操作工具(100)來安裝和/或移除。維持器(125)的移動可以藉由來自操作者的動力或訊號所達成，而以想要的方式來移動和抓住乾管(10)。

Description

用於操縱核子反應爐乾管總成之工具及方法

本發明是關於用於核子反應爐乾管總成移除和安裝之工具及方法。

商用核子反應爐(尤其是沸水式反應爐)時常在其反應爐壓力容器中使用幾種不同類型的儀管以監視容器內和反應爐核心的狀況。此種儀管可以是全部密封的結構以放置在核子反應爐中，或者可以是永久的結構而在反應爐末端開放以允許插入儀器和其他裝置，而不與反應爐內部交互作用或造成冷媒漏失。一種已知類型的儀管是乾管，其典型而言是中空的密封管而放置在反應爐壓力容器中的核心或其他位置，並且可以從該處完全移除。乾管可以包含感應器和其他儀器，其在維修期間是可取回的以供分析和替換。典型而言，此種乾管駐留於固定的內部位置並且固定於容器內的結構，如此以避免它們移動或干擾到 冷媒流動和其他反應爐操作。

圖1是相關技術的乾管10之頂部的截面示意圖，其安裝於核子反應爐壓力容器的頂板50中。乾管10習用而言包括偏壓柱塞17，其經由末端突齒或突球11而強制座落到頂板50裡。舉例而言，柱塞導引件14中的彈簧16或其他偏壓元件可以將柱塞17垂直驅動到頂板50裡。柱塞導引件14和彈簧16可以結合於乾管10的頂接頭15，其作為彈簧16的基底並且避免柱塞17在導引管14中有進一步的垂直移動。柱塞17上的突出部或轂13典型而言幫助座落和決定柱塞17的垂直擴張。

如圖2所見，乾管10可以座落到頂板50的凹陷51裡而在頂板50的網格交叉點。頂板50典型而言作為反應爐核心之核燃料上方的對齊和支撐結構，並且頂板50之網格的交叉位置經常未被另外占據。乾管10的相對末端(未顯示)可以座落於頂板50和凹陷51垂直下方的夾具、下腔室或其他核心結構。在柱塞17的施力下，乾管10因此垂直固定於核子反應爐容器之頂板50的凹陷51裡。類似的相關乾管描述於同時擁有之2014年1月21日頒發的美國專利第8,631,563號，其整個併於此以為參考。

範例性具體態樣包括工具，其用於在反應爐中移除、安裝和/或移動乾管而不完全移除相鄰於管的燃料。範例性具體態樣包括：本體，其配合至頂部導引開口 裡以固定於有興趣的乾管旁；以及維持器，其可以操縱乾管來做插入、移除、定位……。範例性工具可以包括例如叉、鉤、夾、套索……的維持器，以使維持器固定於乾管，並且此種維持器可以佔據和對角延伸於燃料總成的一象限中，以避開相鄰於乾管的任何其他剩餘燃料總成。維持器可以是可移動的，如此以垂直推或拉乾管或乾管中的柱塞，而將乾管釋放或固定於例如夾具和/或頂部導引件的核心結構。維持器也可以水平移動，如此以從此種垂直移動來清除或插入乾管。

範例性方法包括僅移除直接相鄰於乾管之一次組的燃料總成而安裝和/或移除乾管。範例性具體態樣的移除工具然後可以安裝於乾管旁而不干擾剩餘總成。維持器可以從工具來操作以抓住和操縱乾管，如此則工具和附接的乾管可以在反應爐中一起移動。

10:乾管

11:末端突齒或突球

13:突出部或轂

14:柱塞導引件

15:頂接頭

16:彈簧

17:柱塞

50:頂板、頂部導引件

51:凹陷

100:(乾管移除)工具

110:連接柱

115:翼

120:本體

125:維持器、抓叉

130:致動管、汽缸

131、132:氣動線

133:滾筒致動臂

135:膨脹桿

136:接合致動臂

141:止動件

142:後向止動件

143:前向止動件

144:滑動塊

145:偏壓滾筒

範例性具體態樣將藉由詳述所附圖式而變得明顯，其中相同的元件是由相同的參考數字所代表，其僅以示例的方式而給出，因此不限制它們所顯示的語詞。

圖1是安裝於核子動力容器的相關技術之乾管的示意截面圖。

圖2是相關技術之乾管的立體圖。

圖3是範例性具體態樣之乾管移除工具的示例。

圖4是圖3範例性具體態樣之乾管移除管的輪廓圖。

圖5是範例性具體態樣之工具的示例，其操作和供應動力給第一位置的抓叉。

圖6是範例性具體態樣之工具的示例，其操作和供應動力給第二位置的抓叉。

因為這是專利文獻，所以當閱讀和理解時應適用一般廣泛的建構原則。本文件所述和所示的每一事物是落於所附請求項範圍裡之標的之範例。在此揭示的任何特定結構性和功能性細節僅是為了描述如何做出和使用範例性具體態樣或方法。未在此特定揭示的幾種不同具體態樣則落於申請專利範圍裡；如此，則請求項可以採取許多替代選擇的形式來實現，並且不應解讀成僅限於在此所列的範例性具體態樣。

將了解雖然第一、第二……等詞可以在此用來描述多樣的元件，但是這些元件不應受限於這些語詞。這些語詞僅用來區分某一元件與另一元件。舉例而言，第一元件或可稱為第二元件；並且類似而言，第二元件或可稱為第一元件，而不偏離範例性具體態樣的範圍。如在此所用，「和/或」一詞包括所列關聯項目中之一或更多者的任何和所有組合。

將了解當元件被稱為「連接」、「耦合」、 「匹配」、「附接」或「固定」於另一元件時，它可以直接連接或耦合於另一元件，或者可以存在中介性元件。相對而言，當元件稱為「直接連接」或「直接耦合」於另一元件時，則沒有出現中介性元件。用來描述元件之間關係的其他用語應以類似方式來解讀(譬如「在……之間」對「直接在……之間」、「相鄰於」對「直接相鄰於」……)。類似而言，例如「通訊連接」一詞包括在二個裝置之間的資訊交換路徑的所有變化，包括中間裝置、網路……，其無線連接或非無線連接。

如在此所用，單數形式「一」和「該」打算同時包括單數和複數形式，除非語言另以像是「僅」、「單一」和/或「一個」等詞做明確指示。將進一步了解語詞「包括」、「包含」、「含括」和/或「含有」當用於此時指定存在了所述的特徵、步驟、操作、元件、想法和/或組件，但它們本身不排除存在或添加了一或更多個其他特徵、步驟、操作、元件、組件、想法和/或其群組。

也應注意以下討論的結構和操作可以不依圖中所述和/或所注意的次序來發生。舉例而言，依序顯示的二個操作和/或圖事實上可以同時執行或者有時可以用相反次序來執行，此視所涉及的功能性/動作而定。類似而言，下述範例性方法裡的單獨操作可以重複、單獨或依序的執行，如此以提供除了下述單一操作以外的迴圈或其他系列操作。應推定具有下述特徵和功能性(以任何可實 行的組合)的任何具體態樣落於範例性具體態樣的範圍裡。

如在此所用，「乾管」(dry tube)一詞定義成本體，其經塑形和尺寸做成配合在核子反應爐裡面，而在反應爐外面沒有孔洞或開口。如所定義，本體包括異質內部，其塑形成容納不同的結構，例如容納感應器的內部腔穴。如所定義，「乾管」是本身可以非破壞性的移除和固定在反應爐裡，而可以固定附接於且獨立移除自其他反應爐結構(例如燃料、頂部導引件、核心板、儀管、護套、容器壁……)。如此，則「乾管」包括商用核子動力反應爐中的既有乾管，其用於在核子核心和其他地方容納儀器和感應器。

發明人最近已體認到既有的乾管移除工具和技術典型而言需要移除相鄰於乾管的所有燃料總成，可能要重新定位頂部導引件以存取和移除乾管。因為乾管時常定位在頂板交叉處，所以它們典型而言出現在四個燃料總成交叉處，並且既有的工具需要移除所有這些總成或者總成阻礙了工具。發明人最近已體認到當燃料典型而言必須混排和裝載到核心裡而不移除相鄰於乾管的所有總成時，需要移動燃料以產生用於既有乾管移除工具的開口則在停擺期間是麻煩而又浪費時間。進一步而言，在添加燃料期間應等到產生了所有的燃料開口才替換乾管，因為新的乾管必須在重新裝載期間適當監視臨界度和中子度。下述範例性具體態樣以範例性具體態樣所能做到的獨特方案解決 了發明人所體認的這些和其他問題。

本發明是用於核子反應爐環境中的乾管移除設備和方法。相對於本發明，下面討論的小量範例性具體態樣和範例性方法祇示範一次組的多樣不同組態，其可以使用作為本發明和/或關連於本發明來使用。

圖3是範例性具體態樣之乾管移除工具100的立體示例。如圖3所示，範例性具體態樣的乾管移除工具(以下亦簡稱為「工具」)100是大致垂直的長形結構以浸沒於核子反應爐中。工具100可以包括連接柱110，其建構成連接到在核子反應爐上方操作的吊橋或起重機，而核子反應爐在添加燃料期間可能被淹沒。舉例而言，工具100可以從連接到連接柱110的起重機而垂直降低到反應爐裡所想要的垂直高度。

範例性具體態樣的乾管移除工具100塑形成配合在頂部導引件50之開口的單一象限中。工具100的本體120在垂直方向延伸，其橫向截面則大致塑形成符合頂部導引件50。以此方式，則工具100的本體120可以垂直降低到頂部導引件50的開口裡，並且沿著它通過而無干擾。舉例而言，在如圖3所示之直線頂部導引件50而具有去角邊緣的例子，本體120也可以大大的是直線的而具有去角前緣以匹配頂部導引件50。以此方式，則工具100可以僅佔據乾管10的單一象限，但仍密切配合於乾管10來操縱和移除它。

如圖4的範例性具體態樣之工具100的輪廓圖 所見，一或更多個翼115可以從本體120延伸以相對於頂部導引件50來使工具100固定和定位。翼115可以與本體120充分分開，如此以允許頂部導引部分穩固的座落在翼115和本體120之間。穩固的座落可以僅允許有受限的垂直移動，而維持本體120相對而言與頂部導引件齊平並且在頂部導引件的恆定位置。如圖3所示，二翼115可以從本體120延伸而彼此呈大約90度角，舉例而言以便座落於頂部導引件50之開口的相對側面周圍。因為範例性具體態樣的工具100可以僅在乾管10上方的四分之一個交叉中而固定於頂部導引件50，所以燃料總成可以維持在相鄰於乾管10的對角位置而不干擾工具100。

範例性具體態樣的工具100包括維持器125(即「抓叉」)，其結構上以可移除的方式而固定於乾管10，以在幾個不同的方向上移動乾管10來達成乾管10的移除和/或安裝。舉例而言，當工具100安裝在頂部導引件50上時，維持器125可以定位成相對而言低於翼115和/或頂部導引件50。舉例而言，維持器125可以朝向本體120的底部低幾英吋或英尺，以便與乾管10的墊圈、扣環或轂13(圖1)或乾管10的柱塞17重合。

如圖4所示，維持器125可移動成橫向往外並且在垂直方向往下。維持器125可以往外移動而橫向自本體120，以穩固的抓住定位成相鄰於頂部導引件上所安裝之工具100的乾管。舉例而言，維持器125可以包括偏壓元件或彈簧，其讓它的叉刺包圍乾管並且固定於乾管。或者 抓叉可以機械膨脹於乾管周圍然後夾到乾管上。維持器125然後可以垂直往下移動以壓縮乾管的柱塞並且將它從頂部導引件移除。舉例而言，維持器125可以座落到柱塞17和/或轂13上並且將它往下壓縮到柱塞導引件14裡(圖1)，以從頂部導引件移除乾管。維持器125然後可以隨著乾管而橫向撤回；以及/或者工具100可以垂直舉起頂部導引件(例如藉由起重機來為之)，連同乾管以從核心移除乾管。

如圖3所示，因為範例性具體態樣的工具100可以固定在頂部導引件50之網格交叉的單一象限中，而維持器125從頂部導引件50的該單一象限來延伸和取回乾管10，所以其他相鄰的燃料總成在乾管移除期間可以留在核心中。舉例而言，在與乾管10之工具100對角的燃料總成可以留在核心中而不衝擊工具100移除乾管10。因此，在乾管移除和替換之前，可以需要較少的燃料移動和卸載，整體而言縮短了此過程，並且允許替換的乾管中有新的偵測器和感應器，而起初不用做太多燃料移動。

維持器125或另一維持器可以採取各式各樣的方式而被供應動力。舉例而言，維持器125可以由局部馬達和電池所驅動，其建構成相對於本體120來移動維持器。或者，維持器125可以由儲存於本體120中的局部氣動來源所驅動。再進一步而言，維持器125可以由遠端供應動力，例如透過電線或氣動線，其從反應爐上方的操作吊橋延伸，而可能在連接到連接柱110的同一條線上。

圖5和6是範例性具體態樣之工具的示例，其操作和供應動力給維持器125或另一接合裝置。如圖5所示，局部動力來源的一個範例可以是氣動管130，其固定在本體120裡。氣動管130可以被遙控，例如透過無線訊號來指示接收器和傳感器以致動該管130，或者透過氣動線131和132而上行到吊橋或起重機上方工作的操作者。舉例而言，某一氣動線131可以是致動線，而另一氣動線132可以是解除線。隨著控制或加壓流體選擇性導向往來於來自操作者的線132和131，則氣動管130可以用適當的力來致動，例如使膨脹桿135膨脹或收縮。

於範例性具體態樣的工具，氣動管130在相對末端連接到二致動臂。在頂部，滾筒致動臂133可旋轉的耦合於氣動管130。滾筒致動臂133進一步耦合於滑動塊144和偏壓滾筒145或其他阻擋結構。滾筒致動臂133可以滑動接合於塊體144，後者是在軌道或導引上，如此以隨著滾筒致動臂133旋轉而橫向移動。偏壓滾筒145可以剛性固定於滑動塊144以及/或者以彈簧或其他固定器而偏壓靠著滑動塊144，如此則滾筒145隨著滑動塊144橫向移動。偏壓滾筒145可以固定於塊體144而有允許滾筒145旋轉的自由度，例如透過轉軸來旋轉。前向止動件143和後向止動件142可以保持滑動塊144和滾筒致動臂133在想要的橫向位置裡或者避免不足延伸或過度延伸。

偏壓滾筒145可以垂直定位在翼155的頂部下方，同時隨著翼115而橫向往外延伸。以此方式，則滾筒 可以停留在頂部導引件50(圖3)的頂部上，並且阻擋範例性具體態樣的工具當延伸時有進一步的垂直移動。舉例而言，偏壓滾筒145可以定位在翼115之頂部下方的距離等於從頂部導引件移除乾管所需的壓下距離，例如等於突球11(圖1)之長度的距離，其為從頂部導引件50移除乾管所必須橫越的距離。偏壓滾筒145可以支撐頂部導引件上之範例性具體態樣的工具，而同時接合結構(例如維持器125)可以定位在管10之轂13的高度(圖1~2)。以此方式，由於座落在頂部導引件上之偏壓滾筒145所產生的定位，則維持器125可以起初維持在垂直位置以匹配於轂13。

在底部，接合致動臂136可旋轉的耦合於氣動管130，例如透過膨脹桿135來為之。致動臂136可以相對耦合於維持叉125，後者很像塊體144而在接合致動臂136旋轉之時可以被橫向驅動。止動件141可以避免接合臂136過度旋轉，而允許維持器125僅延伸想要的距離，例如到維持器125所匹配之乾管的距離。

當汽缸130被驅動而膨脹時(例如透過適當致動線132和/或131來為之)，如圖5所示，偏壓滾筒145可以在延伸的橫向位置，而同時撤回了維持器125。當汽缸130被驅動而收縮時，偏壓滾筒145可以如圖6所示滾回來，因為滾筒致動臂133因汽缸130收縮而順時針旋轉。類似而言，維持器125可以被驅動往外，如圖6所示，因為接合致動臂136也被順時針驅動，例如透過膨脹桿135收縮到汽缸130裡來為之。

以此方式，則隨著維持器125往外移動以接合乾管，維持器125和所有範例性具體態樣的工具100可以經由從頂部導引件撤離的偏壓滾筒145而垂直降低。因此，維持器125可以橫向接合於乾管，然後透過操作和供應動力給維持器125的範例性具體態樣之工具的移動來垂直壓下乾管。類似而言，重複或逆轉汽缸130的膨脹可以允許接合於維持維持器125的乾管做橫向撤回和/或安裝。

範例性具體態樣的乾管移除工具100可以由彈性材料所製成，其相容於核子反應爐環境而物理性質無實質改變(例如變成大致放射性、熔化、脆化、或維持/吸附放射性粒子)。舉例而言，可以選擇幾種已知的結構性材料(包括沃斯田不鏽鋼304或316、XM-19、鋯合金、鎳合金、合金600……)以用於範例性具體態樣工具100之組件的任何元件。接合結構和直接觸碰元件可以選擇為不同且相容的材料以避免汙染。

範例性方法可以使用範例性具體態樣的工具以在核子反應爐中操縱乾管，而不須移除相鄰於任何乾管的所有燃料總成。舉例而言，圖3和4所示之範例性具體態樣的工具100可以經由纜線、操縱桿或起重機而從操作吊橋降低到淹沒的反應爐裡，使得工具完全浸沒和下降到頂部導引件中的開放位置。雖然某些燃料可以已經在引入工具之前就先移除，不過有興趣的乾管不須被開放空間所完全包圍。舉例而言，不須移除對角和直接相鄰於乾管的總成。工具可以座落成穿過頂部導引件中的網格而與剩餘的 燃料總成呈對角，例如經由座落在頂部導引件之側面上的翼來為之。一旦固定，則可移動的維持器可以從工具延伸而以範例性方法來接合乾管。如果乾管是像圖1和2的乾管10，則維持器可以壓下柱塞或釋放以從核心位置來移除乾管。工具和被維持器固定於工具的乾管可以移入和/或移出反應爐而做想要的放置或處置。

類似而言，為了安裝乾管，範例性方法可以逆轉，並且新乾管或替換乾管可以附接於範例性具體態樣的工具以及浸沒到其核心位置，而不移除所有相鄰的燃料。藉由使乾管降低到其夾具裡、壓下任何柱塞、將管橫向插入其頂部導引位置裡，則管可以由範例性具體態樣所安裝。當然，以汽缸來操作和供應動力給工具的範例性具體態樣之工具可以用於組合橫向和垂直的移動，以達成安裝和移除所想要的壓下和定位。

因此描述了範例性具體態樣和方法，熟於此技術者將體會範例性具體態樣可以經由常規實驗來做變化和取代，而仍落於以下請求項的範圍裡。舉例而言，接合在一起而成直流組態之各式各樣不同的反應爐結構，其單純透過範例性具體態樣的適當尺寸規劃就相容於範例性具體態樣的工具和密封，並且落於申請專利範圍裡。此種變化不是要視為偏離這些請求項的範圍。

10:乾管

50:頂部導引件

100:(乾管移除)工具

110:連接柱

115:翼

120:本體

125:維持器、抓叉

Claims (8)

1. 一種用於操縱核子反應爐中之乾管(10)的工具(100)，該核子反應爐包括排列在頂部導引件(50)底下的多個燃料總成，該頂部導引件(50)在該核子反應爐裡具有網格，該工具(100)包括：本體(120)，包括：橫向截面，塑形於該頂部導引件(50)，使得該本體(120)配合於該頂部導引件(50)之開口的單一象限中；以及多個翼(115)，附接於該本體(120)，且塑形於位在該頂部導引件(50)的頂端之該網格的二個分開側面周圍；以及可移動的維持器(125)，其塑形成從該開口而選擇性固定於該乾管(10)，如此以移動該乾管(10)而不交叉直接相鄰於該乾管(10)之位在該頂部導引件(50)之其他開口中的該燃料總成之中的一者。
2. 如申請專利範圍第1項的工具(100)，其中該維持器(125)是抓叉，其建構成夾住該乾管(10)周圍，其中該維持器(125)建構成從該本體(120)橫向往外移動並且垂直往下，如此以從該頂部導引件(50)退出該乾管(10)。
3. 如申請專利範圍第1項的工具(100)，其進一步包括： 連接柱(110)，其建構成將該工具(100)連接到該反應爐上方的操作者，其中該工具(100)建構成完全浸沒於反應爐冷媒中。
4. 如申請專利範圍第1項的工具(100)，其進一步包括：驅動器(130)，其建構成延伸和縮回該維持器(125)；以及可移動的塊體(145)，其定位成將該工具(100)停止在該頂部導引件(50)上，其中該塊體(145)與該維持器(125)同時由該驅動器(130)所驅動。
5. 一種操縱核子反應爐中之乾管(10)的方法，該方法包括：步驟1：移除直接相鄰於該乾管(10)的燃料總成，使得至少一總成維持直接相鄰於該乾管(10)；步驟2：將工具(100)插入該核子反應爐中的頂部導引件(50)之開口中，使得該工具(100)相鄰於該乾管(10)並且相對於該至少一剩餘總成，其中位在該開口中的該燃料總成在該工具(100)被插入前被移除；步驟3：將該工具(100)的維持器(125)附接於該乾管(10)；以及步驟4：從相鄰於該至少一剩餘燃料總成的位置來移除該工具(100)和該附接的乾管(10)；其中該工具(100)包括： 本體(120)，包含：橫向截面，塑形於該核子反應爐中之該頂部導引件(50)，使得該本體(120)配合於該頂部導引件(50)之該開口的單一象限中；以及多個翼(115)，附接於該本體(120)，且塑形於位在該頂部導引件(50)的頂端之網格的二個分開側面周圍。
6. 如申請專利範圍第5項的方法，其中該步驟2還包括：從該核子反應爐上方降低該工具(100)，使得該工具完全浸沒於該核子反應爐的冷媒中。
7. 如申請專利範圍第5項的方法，其中該步驟4還包括：垂直壓下該乾管(10)上的柱塞(17)以從該核子反應爐中之該頂部導引件(50)非破壞性的斷開該乾管(10)；且其中該垂直壓下包括：相對於該工具(100)的本體(120)而往下垂直移動該維持器(125)。
8. 如申請專利範圍第5項的方法，其中該步驟3還包括：使維持器(125)橫向延伸於該乾管(10)之可壓下的柱塞(17)周圍，並且垂直降低該維持器(125)以壓下該柱塞(17)；其中在延伸該維持器(125)的同時撤回該工具(100)的塊體(145)，如此則該工具(100)和該維持器(125)垂直移動降低；且其中撤回該塊體(145)和橫向延伸該維持器(125)都 是由移動該塊體和該維持器(125)的氣動汽缸(130)所執行。

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