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专利名称：一种核电站核燃料组件打捞装置和方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410108951.4

专利申请（专利权）人：中核四0四有限公司
权利人地址：甘肃省嘉峪关市和诚西路88号

专利发明（设计）人：褚宇,刘莺,魏勇,陈勤,杨鸿杰,张建德,李经海,易手凯,徐钢,李国生,马田,聂文权,何甚峰

专利摘要：本发明提供了一种核电站核燃料组件打捞装置和方法。本发明的核电站核燃料组件打捞装置包括抓取单元、连接单元和可视化单元；抓取单元包括抓取机构和控制机构，抓取机构包括工作臂和安装在工作臂上的抓板，抓板能够自核燃料组件端头内凹槽自由进出并通过旋转卡设在核燃料组件端头内凹槽的下端面上，控制机构用于控制抓板旋转并调节工作臂的角度；连接单元包括长度可调的连接机构，连接机构与工作臂连接；可视化单元包括摄像头和可视化界面，摄像头设置在抓取机构上，摄像头与可视化界面连接以将拍摄画面显示于可视化界面上。本发明的核电站核燃料组件打捞装置和方法能够快速有效地完成对跌落核燃料组件的打捞作业。

主权利要求：
1.一种核电站核燃料组件打捞装置，其特征在于，包括抓取单元、连接单元和可视化单元；抓取单元包括抓取机构和控制机构，抓取机构包括工作臂和安装在工作臂上的抓板，抓板能够自核燃料组件端头内凹槽自由进出并通过旋转卡设在核燃料组件端头内凹槽的下端面上，控制机构用于控制抓板旋转并调节工作臂的角度；连接单元包括长度可调的连接机构，连接机构与工作臂连接；可视化单元包括摄像头和可视化界面，摄像头设置在抓取机构上，摄像头与可视化界面连接以将拍摄画面显示于可视化界面上；抓板在非抓取状态下能够自核燃料组件端头内凹槽自由进出，抓板在抓取状态下能够通过旋转卡设在核燃料组件端头内凹槽的下端面上，在抓板上设有定位孔，定位孔包括与非抓取状态对应的起始定位孔和与抓取状态对应的终端定位孔；抓取机构还包括设置在抓板上方的定位板，定位板与抓取板间隔设置，定位板能够抵止在核燃料组件端头内凹槽的上端面上，在定位板上设有气缸和定位销，气缸能够带动定位销插设在定位孔中或者从定位孔中脱离；抓板和核燃料组件端头内凹槽的形状均为正方形，起始定位孔与终端定位孔位于同一圆周上，终端定位孔设置在起始定位孔的逆时针45°位置；控制机构包括抓板控制机构和工作臂控制机构，抓板控制机构包括圆周调整电机、圆周调整齿轮和中心轴，圆周调整电机安装在工作臂上并与圆周调整齿轮连接，抓板通过中心轴与圆周调整齿轮连接，圆周调整电机通过圆周调整齿轮和中心轴带动抓板沿顺时针和逆时针方向旋转，工作臂控制机构包括俯仰调整电机和角度调整齿轮，角度调整齿轮分别与俯仰调整电机和工作臂连接，俯仰调整电机通过角度调整齿轮传动以对工作臂的角度进行调节，工作臂在俯仰调整电机断电状态下处于自由旋转状态。
2.根据权利要求1所述的核电站核燃料组件打捞装置，其特征在于，连接机构包括多个连杆，多个连杆依次套接并通过销轴固定。
3.根据权利要求2所述的核电站核燃料组件打捞装置，其特征在于，在部分连杆上设有双耳板，在双耳板上对称设有用于将抓取单元存放在支架上的横板。
4.根据权利要求2所述的核电站核燃料组件打捞装置，其特征在于，连接单元还包括用于收纳多个连杆的收纳箱，在收纳箱的面板上设有辐射屏蔽板，在收纳箱的底部设有万向轮。
5.一种核电站核燃料组件打捞方法，其特征在于，采用权利要求1?4任一所述的核电站核燃料组件打捞装置对核燃料组件进行打捞。 说明书 : 一种核电站核燃料组件打捞装置和方法技术领域[0001] 本发明涉及乏燃料后处理技术领域，尤其是涉及一种核电站核燃料组件打捞装置和方法。背景技术[0002] 乏燃料又称辐照核燃料，是经受过辐射照射、使用过的核燃料，通常是由核电站的核反应堆产生。核燃料在堆内经中子轰击发生核反应，经一定时间从堆内卸出，含有大量未用完的可增殖材料铀?238或钍?232，未烧完的和新生成的易裂变材料钚?239、铀?235或铀?233以及核燃料在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素，另外还有裂变元素锶?90、铯?137、锝?99等，这种燃料的铀含量降低，无法继续维持核反应，因此称为乏燃料。乏燃料中包含有大量的放射性元素，如果不加以妥善处理，将会严重影响环境与人类的健康。[0003] 核燃料组件贮存及转运工作是乏燃料后处理厂的重要工作，在作业过程中存在核燃料组件跌落水池的风险。针对可能发生的核燃料组件跌落事故，目前尚没有配备的专用装置对跌落的压水堆核电站核燃料组件进行打捞处理，从而存在较大的安全风险隐患。因此，现需设计一种用于核电站压水堆核燃料组件跌落的打捞装置，使核燃料后处理厂具备对核燃料组件跌落事故的应急处置能力。[0004] 鉴于此，特提出本发明。发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种核电站核燃料组件打捞装置和方法，能够快速有效地完成对跌落核燃料组件的打捞作业。[0006] 本发明提供一种核电站核燃料组件打捞装置，包括抓取单元、连接单元和可视化单元；抓取单元包括抓取机构和控制机构，抓取机构包括工作臂和安装在工作臂上的抓板，抓板能够自核燃料组件端头内凹槽自由进出并通过旋转卡设在核燃料组件端头内凹槽的下端面上，控制机构用于控制抓板旋转并调节工作臂的角度；连接单元包括长度可调的连接机构，连接机构与工作臂连接；可视化单元包括摄像头和可视化界面，摄像头设置在抓取机构上，摄像头与可视化界面连接以将拍摄画面显示于可视化界面上。[0007] 进一步地，抓板在非抓取状态下能够自核燃料组件端头内凹槽自由进出，抓板在抓取状态下能够通过旋转卡设在核燃料组件端头内凹槽的下端面上，在抓板上设有定位孔，定位孔包括与非抓取状态对应的起始定位孔和与抓取状态对应的终端定位孔。[0008] 进一步地，抓取机构还包括设置在抓板上方的定位板，定位板与抓取板间隔设置，定位板能够抵止在核燃料组件端头内凹槽的上端面上，在定位板上设有气缸和定位销，气缸能够带动定位销插设在定位孔中或者从定位孔中脱离。[0009] 进一步地，抓板和核燃料组件端头内凹槽的形状均为正方形，起始定位孔与终端定位孔位于同一圆周上，终端定位孔设置在起始定位孔的逆时针45°位置。[0010] 进一步地，控制机构包括抓板控制机构，抓板控制机构包括圆周调整电机、圆周调整齿轮和中心轴，圆周调整电机安装在工作臂上并与圆周调整齿轮连接，抓板通过中心轴与圆周调整齿轮连接，圆周调整电机通过圆周调整齿轮和中心轴带动抓板沿顺时针和逆时针方向旋转。[0011] 进一步地，控制机构包括工作臂控制机构，工作臂控制机构包括俯仰调整电机和角度调整齿轮，角度调整齿轮分别与俯仰调整电机和工作臂连接，俯仰调整电机通过角度调整齿轮传动以对工作臂的角度进行调节，工作臂在俯仰调整电机断电状态下处于自由旋转状态。[0012] 进一步地，连接机构包括多个连杆，多个连杆依次套接并通过销轴固定。[0013] 进一步地，在部分连杆上设有双耳板，在双耳板上对称设有用于将抓取单元存放在支架上的横板。[0014] 进一步地，连接单元还包括用于收纳多个连杆的收纳箱，在收纳箱的面板上设有辐射屏蔽板，在收纳箱的底部设有万向轮。[0015] 本发明还提供一种核电站核燃料组件打捞方法，采用上述核电站核燃料组件打捞装置对核燃料组件进行打捞。[0016] 本发明的实施，至少具有以下优势：[0017] 1)实用性强[0018] 本发明的核电站核燃料组件打捞装置可用于核电站压水堆核燃料组件跌落事故中对跌落核燃料组件的打捞工作，填补了国内针对核电站压水堆核燃料组件跌落事故的事故应急处置设备的缺失，使核电站及核燃料后处理厂具备对核电站压水堆核燃料组件跌落事故的应急处理能力。[0019] 2)远程监控及控制[0020] 本发明的核电站核燃料组件打捞装置在使用过程中可通过设置在抓取机构上的摄像头进行水下环境远程监控，操作人员在水上可通过可视化界面远程控制装置以实现跌落核燃料组件的打捞工作，减少了对操作人员的辐照伤害，保障了打捞工作的安全性和可靠性。[0021] 3)应用范围广[0022] 本发明的核电站核燃料组件打捞装置通过抓取单元、连接单元和可视化单元这三个单元的相互配合控制装置抓板的朝向及角度，可完成对不同跌落状态的核燃料组件的打捞作业；同时，该装置除可应用于核燃料后处理厂之外，也可应用于核电等领域的压水堆核燃料组件跌落事故。附图说明[0023] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0024] 图1为核电站核燃料组件打捞装置的结构示意图；[0025] 图2为抓板在非抓取状态下的结构示意图；[0026] 图3为抓板在抓取状态下的结构示意图；[0027] 图4为抓板定位孔的位置示意图；[0028] 图5为抓板控制机构的结构示意图；[0029] 图6为抓取单元的俯视结构示意图；[0030] 图7为抓取单元的侧视结构示意图；[0031] 图8为连接机构的结构示意图。[0032] 附图标记说明：[0033] 1：工作臂；2：抓板；3：定位板；4：圆周调整电机；5：圆周调整齿轮；6：俯仰调整电机；7：角度调整齿轮；8：气缸；9：定位销；10：连杆；11：锥形内齿轮条；12：锥形外齿轮柱；13：导轨环轨道；14：防咬死铜套；15：起始定位孔；16：终端定位孔；17：核燃料组件端头；18：核燃料组件端头内边缘线；19：销轴孔；20：连杆端面；21：吊装孔。具体实施方式[0034] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。[0035] 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，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“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。[0036] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0037] 实施例1[0038] 结合图1至图8所示，本实施例的核电站核燃料组件打捞装置包括抓取单元、连接单元和可视化单元；抓取单元包括抓取机构和控制机构，抓取机构包括工作臂1和安装在工作臂1上的抓板2，抓板2能够自核燃料组件端头17内凹槽自由进出并通过旋转卡设在核燃料组件端头17内凹槽的下端面上，控制机构用于控制抓板2旋转并调节工作臂1的角度；连接单元包括长度可调的连接机构，连接机构与工作臂1连接；可视化单元包括摄像头和可视化界面，摄像头设置在抓取机构上，摄像头与可视化界面连接以将拍摄画面显示于可视化界面上。[0039] 抓取单元主要用于对跌落的核燃料组件进行抓。饕勺ト』购涂刂苹棺槌。如图1所示，抓取机构主要包括工作臂1和抓板2，抓板2在插入核燃料组件端头17的内凹槽后通过旋转卡设在核燃料组件端头17内凹槽的下端面上，从而实现与核燃料组件的旋卡式连接；可以理解，抓板2应当与核燃料组件端头17内凹槽的形状正匹配，以便能够通过内凹槽插入核燃料组件端头17中，核燃料组件端头17内凹槽的形状为正方形，因此抓板2的形状也为正方形，抓板2的尺寸可以略小于内凹槽以使自由出入内凹槽，抓板2可以采用正方形不锈钢板；同时，抓板2在旋转后应当无法从内凹槽脱出，此时抓板2卡设在核燃料组件端头17内凹槽的下端面上。在需要脱离核燃料组件时，可以通过旋转抓板2使其与内凹槽匹配，此时抓板2能够从内凹槽脱出。[0040] 如图2所示，抓板2在非抓取状态下能够自核燃料组件端头17内凹槽自由进出，该非抓取状态为抓板2旋转至与内凹槽匹配的状态；如图3所示，抓板2在抓取状态下能够通过旋转卡设在核燃料组件端头17内凹槽的下端面上，该抓取状态为抓板2旋转至与内凹槽交错的状态。此外，在抓板2与定位板3之间可以设置防咬死铜套14。[0041] 为了保证抓板2的准确定位，可以在抓板2上设置定位孔；如图4所示，定位孔包括与非抓取状态对应的起始定位孔15和与抓取状态对应的终端定位孔16。可以理解，起始定位孔15与终端定位孔16位于同一圆周上，从而便于通过旋转使抓板2在非抓取状态与抓取状态之间进行切换；此外，终端定位孔16可以设置在起始定位孔15的逆时针45°位置，此时抓板2与内凹槽交错面积最大，有利于抓板2与核燃料组件连接的稳固性。[0042] 此外，抓取机构还包括设置在抓板2上方的定位板3，定位板3与抓板2间隔设置，定位板3与抓板2之间隔有一定的距离，同时定位板3的尺寸应当略大于核燃料组件端头17内凹槽，此时定位板3能够抵止在核燃料组件端头17内凹槽的上端面上。在定位板3上设有气缸8和定位销9，气缸8能够带动定位销9插设在定位孔中或者从定位孔中脱离。可以理解，在非抓取状态下需要对抓板2进行固定时，可以通过气缸8带动定位销9插设在起始定位孔15中；在抓取状态下需要对抓板2进行固定时，可以通过气缸8带动定位销9插设在终端定位孔16中。定位销9与起始定位孔15与终端定位孔16配合使用，能够良好地实现抓板2往复旋转45°定位后的安全锁定。[0043] 控制机构包括用于控制抓板2旋转的抓板控制机构，抓板控制机构包括圆周调整电机4、圆周调整齿轮5和中心轴，圆周调整电机4安装在工作臂1上并与圆周调整齿轮5连接，抓板2通过中心轴与圆周调整齿轮5连接，圆周调整电机4通过圆周调整齿轮5和中心轴带动抓板2沿顺时针和逆时针方向旋转。更具体地，如图5所示，在工作臂1上设有导轨环轨道13，圆周调整电机4可以滑设在导轨环轨道13上，进而沿着工作臂1的周向运动，圆周调整电机4可以采用伺服电机；同时，抓板2通过中心轴与圆周调整齿轮5连接，圆周调整电机4通过圆周调整齿轮5和中心轴带动抓板2进行顺时针360°或逆时针45°圆周旋转运动，将抓板2在核燃料组件端头17内45°圆周正向旋转与核燃料组件端头17内凹槽的下端面卡住或45°圆周反向旋转与核燃料组件端头17脱离抓取状态。[0044] 控制机构还包括调节工作臂1角度的工作臂控制机构；结合图6、图7所示，工作臂控制机构包括俯仰调整电机6和角度调整齿轮7，角度调整齿轮7分别与俯仰调整电机6和工作臂1连接，俯仰调整电机6通过角度调整齿轮7传动以对工作臂1的角度进行调节，工作臂1在俯仰调整电机6断电状态下处于自由旋转状态。具体地，俯仰调整电机6可以采用防水伺服电机，角度调整齿轮7包括相互啮合的锥形内齿轮条11和锥形外齿轮柱12，俯仰调整电机6通过锥形内齿轮条11和锥形外齿轮柱12进行传动，进而控制工作臂1进行俯、仰等不同的动作，应对跌落的核燃料组件端头17的不同状态；此外，俯仰调整电机6的刹车系统断电后不对工作臂1的控制产生约束和影响，工作臂1在俯仰调整电机6断电状态下处于自由旋转状态。[0045] 连接单元主要用于对抓取单元的抓取长度进行调整。结合图8所示，连接单元包括长度可调的连接机构，连接机构包括多个连杆10，在连杆10上设有销轴孔19，多个连杆10依次套接并通过销轴固定，可以根据核燃料组件跌落所处位置的深度安装不同数量的连杆10以进行相应的连杆10长度的调整。此外，在连杆10的上端可以设置吊装孔21。[0046] 进一步地，在部分连杆10上设有双耳板，在双耳板上对称设有用于将抓取单元存放在支架上的横板。此外，连接单元还包括用于收纳多个连杆10的收纳箱，在收纳箱的面板上设有辐射屏蔽板，在收纳箱的底部设有万向轮。[0047] 可视化单元主要用于在核电站核燃料组件打捞过程中观察水下抓取情况。在核燃料组件跌落打捞作业过程中，需要在水下进行远程精细化操作，因此在抓取机构位置安装摄像头，与水下观察镜配合使用，建立可视化界面，对核电站核燃料组件打捞装置工作臂1的横向、纵向实施调整，满足操作人员远程操控功能，确保打捞作业的安全要求。[0048] 本实施例的核电站核燃料组件打捞装置可用于核电站压水堆核燃料组件跌落事故中对跌落核燃料组件的打捞工作，填补了国内针对核电站压水堆核燃料组件跌落事故的事故应急处置设备的缺失，使核电站及核燃料后处理厂具备对核电站压水堆核燃料组件跌落事故的应急处理能力；该核电站核燃料组件打捞装置在使用过程中可通过设置在抓取机构上的摄像头进行水下环境远程监控，操作人员在水上可通过可视化界面远程控制装置以实现跌落核燃料组件的打捞工作，减少了对操作人员的辐照伤害，保障了打捞工作的安全性和可靠性；该核电站核燃料组件打捞装置通过抓取单元、连接单元和可视化单元这三个单元的相互配合控制装置抓板的朝向及角度，可完成对不同跌落状态的核燃料组件的打捞作业；同时，该装置除可应用于核燃料后处理厂之外，也可应用于核电等领域的压水堆核燃料组件跌落事故。[0049] 实施例2[0050] 本实施例提供一种核电站核燃料组件打捞方法，采用实施例1的核电站核燃料组件打捞装置对核燃料组件进行打捞。[0051] 具体地，先通过水下观察镜判断跌落核燃料组件的深度及角度，将核电站核燃料组件打捞装置上端的吊装孔21与吊车的吊钩连接，并根据跌落核燃料组件的深度选择连杆10的长度，完成核电站核燃料组件打捞装置的组装。[0052] 组装完成后，利用水下观察镜以及摄像头观察核燃料组件不同的跌落状态，控制工作臂控制机构的防水伺服电机调节工作臂1与连杆10的俯仰角度，使工作臂1上的抓板2与跌落的核燃料组件端头17调整在一条直线上；随后，控制抓板控制机构的伺服电机，将抓板2顺时针旋转至与跌落的核燃料组件端头17对正，使抓板2能够完全进入核燃料组件端头17的内凹槽内。[0053] 关闭用于控制定位销9的气缸8，使定位销9从起始定位孔15中弹出，解除抓板2和定位板3的锁定。控制抓板控制机构的伺服电机，使抓板2逆时针旋转45°与核燃料组件端头17内凹槽的下端面贴紧并卡接，开启气缸8，推进定位销9插入抓板2的终端定位孔16内，完成抓取动作的锁定。[0054] 对两台伺服电机断电，使工作臂1处于“无约束”的自由旋转状态，不对下一步吊装工作产生影响。操作门桥吊车缓慢起升核电站核燃料组件打捞装置，起升跌落的核燃料组件并调整至垂直状态，并将跌落的核燃料组件吊运至指定位置存放。[0055] 关闭气缸8，定位销9退出终端定位孔16，解除抓板2和定位板3的锁定，控制抓板控制机构的伺服电机，使抓板2反向旋转45°，使抓板2与定位板3平齐，完全脱离抓取状态。开启气缸8，推进定位销9插入抓板2的起始定位孔15内，将抓板2和定位板3锁定。操作门前吊车缓慢起升核电站核燃料组件打捞装置，使抓板2与核燃料组件端头17完成分离。[0056] 作业结束后，操作门桥吊车，通过连杆10上的横板将核电站核燃料组件打捞装置吊至吊具存放支架上停放。[0057] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

专利地区：甘肃

专利申请日期：2024-01-26

专利公开日期：2024-09-17

专利公告号：2024-09-17