堆芯儀表系統(tǒng)用礦物絕緣電纜組件的研制

呂茂盛,應(yīng)珠微,吳方亮,薛泓元,許孟軒,魏朝陽

(1.浙江倫特機(jī)電有限公司,浙江 溫州 325600;2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233;3.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司,山西 晉城 048000)

0 引言

堆芯儀表系統(tǒng)成套設(shè)備(包含礦物絕緣電纜組件)是國內(nèi)核電關(guān)鍵系統(tǒng)“卡脖子”問題之一,屬于國家“1025專項(xiàng)”研發(fā)任務(wù)。礦物絕緣電纜組件的研制契合國家核電發(fā)展的需求,可保障國家戰(zhàn)略利益,有利于打破發(fā)達(dá)國家的壟斷,以形成充分競爭,從而大幅降低采購成本、方便供貨及維護(hù)。

現(xiàn)階段,國際核電建設(shè)進(jìn)入第三代發(fā)展時(shí)期。目前,具有代表性的第三代核電技術(shù)有非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆 (AP1000)、歐洲先進(jìn)壓水堆(evolutionary power reactors,EPR)、韓國先進(jìn)壓水堆(APR1400)、先進(jìn)沸水堆(advanced boiling water reactor,ABWR)等[1-2]。第三代核電技術(shù)充分利用幾十年來的科研成果,按照當(dāng)前新的核安全法規(guī)設(shè)計(jì),以防范嚴(yán)重事故作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn),考慮了安全殼在嚴(yán)重事故下的負(fù)載情況。第三代核電技術(shù)的安全性有很大的提高[3]。

雖然我國已全面引進(jìn)AP1000核電技術(shù)[3],并且浙江三門、山東海陽這2個(gè)自主化依托項(xiàng)目已并網(wǎng)發(fā)電[4],但是該技術(shù)仍屬于國外專利。相關(guān)國產(chǎn)化單位在境外采購時(shí)無法規(guī)避知識產(chǎn)權(quán)條款,難以采購到滿意的礦物絕緣電纜組件。礦物絕緣電纜組件現(xiàn)由個(gè)別發(fā)達(dá)國家壟斷,存在價(jià)格昂貴、供貨周期長的問題,且受發(fā)達(dá)國家政府嚴(yán)格限制和監(jiān)控。一旦國際關(guān)系僵化會(huì)直接導(dǎo)致現(xiàn)有核電設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn),嚴(yán)重侵害國家利益。在消化、吸收、全面掌握AP1000非能動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上,我國通過自主創(chuàng)新,開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動(dòng)大型CAP1400型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組。其中,以堆芯儀表套管組件以及礦物絕緣電纜組件為代表的核心儀表亟需實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化研制。因此,國家科技重大專項(xiàng)在“十三五”期間提出支持研發(fā)堆芯儀表套管組件(包含配套的礦物絕緣電纜組件)。

本文研制了堆芯儀表系統(tǒng)用礦物絕緣電纜組件。該組件根據(jù)CAP1400型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組的要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)和樣機(jī)生產(chǎn),并通過了鑒定試驗(yàn)。研究結(jié)果表明,我國已經(jīng)掌握了礦物絕緣電纜組件制造和鑒定技術(shù),具備礦物絕緣電纜組件制造和鑒定能力,為重大專項(xiàng)的自主研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該研究實(shí)現(xiàn)了礦物絕緣電纜組件的國產(chǎn)化,擺脫了依賴進(jìn)口的困境,為CAP1400型先進(jìn)壓水堆提供了有利保障。

1 國產(chǎn)化難點(diǎn)

礦物絕緣電纜組件用量小、功能特殊、運(yùn)行環(huán)境嚴(yán)苛、研制難度大,國內(nèi)缺乏相關(guān)研究、生產(chǎn)能力。上述問題嚴(yán)重制約礦物絕緣電纜組件的國產(chǎn)化。

1.1 材料受限

由于我國核電事業(yè)起步晚、市場小,導(dǎo)致國內(nèi)核電相關(guān)材料、元件生產(chǎn)加工等基礎(chǔ)行業(yè)比較滯后,生產(chǎn)力得不到有效保證。這加大了礦物絕緣電纜組件研發(fā)的難度。

1.2 設(shè)備研發(fā)投入高、周期長

對于礦物絕緣電纜組件,國內(nèi)缺乏相關(guān)研究,造成研發(fā)和試驗(yàn)費(fèi)用投入大、研發(fā)周期長的問題。整個(gè)研發(fā)制造過程需要投入大量的資源,并且需要使用大量高精尖的檢測和生產(chǎn)設(shè)備。

礦物絕緣電纜組件需適應(yīng)輻照、高溫高壓、長期化學(xué)水淹等特殊環(huán)境,性能指標(biāo)要求遠(yuǎn)高于市面上同類產(chǎn)品,并且現(xiàn)有的核級電纜都是有機(jī)電纜,無可參照借鑒的案例。因此,礦物絕緣電纜組件的設(shè)計(jì)及制造存在較大難度,并且有一定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

堆芯儀表系統(tǒng)用礦物絕緣電纜組件將堆芯儀表組件內(nèi)的熱電偶及自給能中子探測器安全、可靠地傳輸?shù)絻x器設(shè)備,用于傳輸反應(yīng)堆堆芯中子的軸向和徑向分布、監(jiān)測堆芯功率畸變、積累燃耗數(shù)據(jù)、傳輸堆芯出口的熱電偶信號和反饋堆芯出口溫度。其為核電站安全、可靠的啟動(dòng)、運(yùn)行設(shè)備。

堆芯儀表系統(tǒng)用礦物絕緣電纜組件是一種可傳輸堆芯儀表組件毫伏、納安級弱電壓信號的鎧裝電纜,需具備高保真性能。該電纜組件位于安全殼內(nèi)的壓力容器頂部,處于高溫、高輻照的嚴(yán)酷環(huán)境條件,需具有極高的密封和絕緣性能。依據(jù)CAP1400電纜組件規(guī)格書,每種礦物絕緣電纜組件設(shè)計(jì)要求為:壽命長(60年);輻照劑量高(6.47×105Gy);絕緣電阻高(常溫下大于等于1×1011Ω,200℃下大于等于1×109Ω);承受10 s的1 000 V直流電(direct current,DC)不擊穿;所有礦物絕緣電纜組件組合后耐常溫絕緣電阻需大于等于1×108Ω,要耐高溫高壓、酸堿噴淋等特殊環(huán)境;發(fā)生事故期間可傳輸信號。

2.1 設(shè)計(jì)方案

為滿足研制要求,礦物絕緣電纜組件采用以下設(shè)計(jì)方案。

①為達(dá)到絕緣電阻要求,礦物絕緣電纜絕緣層采用經(jīng)過特殊工藝加工的高純度二氧化硅材料。該材料不但具有高絕緣性,還具有耐輻照、不易老化的特點(diǎn)。

②為了能承受嚴(yán)酷的使用環(huán)境,礦物絕緣電纜外殼需滿足渦流探傷要求,以保證電纜外殼的完整性,從而隔絕外界環(huán)境對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞。

③為了保證絕緣層壓實(shí)度能滿足介電和絕緣要求,礦物絕緣電纜采用一體拉制退火工藝。

④礦物絕緣電纜組件冷端采用軸向密封連接器與不銹鋼后殼焊接進(jìn)行密封,可實(shí)現(xiàn)全方位組裝密封,使用時(shí)不懼酸堿、輻照,能有效阻止因潮氣進(jìn)入電纜而導(dǎo)致的絕緣電阻下降。

⑤每種礦物絕緣電纜組件之間采用連接器連接。連接器與連接器之間采用三道周向密封和一道界面密封設(shè)計(jì),能有效保證連接器之間的絕緣性能不受外界環(huán)境影響。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦物絕緣電纜組件有5種結(jié)構(gòu)。每種結(jié)構(gòu)可單獨(dú)使用或者多種連接使用。

礦物絕緣電纜組件1由1根熱電偶電纜以及2根中子探測器電纜組成,用于傳輸熱電偶以及中子探測器信號。礦物絕緣電纜組件2由1根熱電偶電纜以及2根中子探測器電纜組成,一端為一體結(jié)構(gòu),另一端為一分二結(jié)構(gòu),分別傳輸熱電偶和中子探測器信號。礦物絕緣電纜組件3由1根熱電偶電纜組成,用于傳輸熱電偶信號。礦物絕緣電纜組件4由7根熱電偶電纜組成,一端為一體結(jié)構(gòu),另一端為一分七結(jié)構(gòu),用于傳輸熱電偶信號。礦物絕緣電纜組件5由7根熱電偶電纜組成,用于傳輸熱電偶信號。

礦物絕緣電纜組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦物絕緣電纜組件結(jié)構(gòu)示意圖

自主化設(shè)計(jì)的堆芯儀表系統(tǒng)用礦物絕緣電纜組件整體結(jié)構(gòu)由防塵罩、連接器、后殼、釬焊塊、波紋管、熱電偶偶絲材料(NiCr-NiAl[5])電纜、中子探測器電纜組成。礦物絕緣電纜組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)為:多支中子探測器礦物絕緣電纜或多支熱電偶礦物絕緣電纜通過釬焊塊釬焊固定在一起;熱電偶電纜引線及中子探測器電纜引線與連接器端子連接,通過外殼焊接密封將電纜引線與連接器端子連接部分與外界隔離。

堆芯儀表系統(tǒng)用礦物絕緣電纜組件具有結(jié)構(gòu)簡單、抗彎能力好、重量輕、耐腐蝕、使用壽命長的特點(diǎn)。該組件具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

①完全密封。各電纜組件靠連接器連接,可以確保在事故環(huán)境下的正常運(yùn)行。

②整個(gè)電纜組件結(jié)構(gòu)基本由無機(jī)材料構(gòu)成,可長時(shí)間耐輻照而不出現(xiàn)劣化。

③熱電偶電纜及中子探測器電纜與連接器連接,并采用外殼接地形式降低環(huán)境輻射對電纜的電磁干擾,以提高傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。

④不易老化。高溫絕緣電阻的阻值高,對信號傳輸影響小,能有效提高信號傳輸精度。

⑤結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固,能長時(shí)間地適應(yīng)安全殼內(nèi)復(fù)雜環(huán)境[6]。

3 組件性能

礦物絕緣電纜組件為K1類電纜,與普通核電站用1E級電纜[7]相比,具有以下性能優(yōu)點(diǎn)。

①礦物絕緣電纜組件外殼整體采用無機(jī)物設(shè)計(jì),阻燃性更好,老化不明顯。

②礦物絕緣電纜組件輻照劑量更高。礦物絕緣電纜組件輻照劑量為6.47×105Gy。普通核電站用1E級電纜輻照劑量為2.5×105Gy[8]。

③礦物絕緣電纜組件電阻率更高。礦物絕緣電纜組件電阻率大于等于1×1014Ω·cm。普通核電站用1E級電纜電阻率大于等于1×1013Ω·cm[9]。

④礦物絕緣電纜組件可用于200 ℃環(huán)境。普通核電站用1E級電纜可用環(huán)境溫度最高為90 ℃[8]。

4 組件試驗(yàn)及分析

4.1 出廠試驗(yàn)

礦物絕緣電纜組件滿足設(shè)備規(guī)范書對絕緣電阻、介電強(qiáng)度、密封性的要求。參數(shù)對比如表1所示。

表1 參數(shù)對比

4.2 鑒定試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明,礦物絕緣電纜組件滿足在核電站運(yùn)行60年,以及承受CAP1400型先進(jìn)壓水堆設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的要求。

4.3 嚴(yán)重事故可用性驗(yàn)證試驗(yàn)

礦物絕緣電纜組件適應(yīng)CAP1400嚴(yán)重事故下可用性驗(yàn)證試驗(yàn)第一類和第二類環(huán)境條件。

第一類環(huán)境條件考慮非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(passive containment cooling system,PCS)有效及點(diǎn)火器有效的工況,有3個(gè)或2個(gè)氫氣燃燒尖峰。

第二類環(huán)境條件對應(yīng)PCS有效及點(diǎn)火器失效工況,有1個(gè)氫氣燃燒尖峰。

整個(gè)氫爆過程中最高溫度達(dá)到了800 ℃以上。堆芯儀表套管組件以及礦物絕緣電纜組件在試驗(yàn)過程能夠保持正常工作。試驗(yàn)后,絕緣電阻等電氣性能檢測均滿足規(guī)范書要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明:礦物絕緣電纜組件可滿足承受CAP1400型先進(jìn)壓水堆嚴(yán)重事故的要求。

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)礦物絕緣電纜組件國產(chǎn)化、打破國外壟斷,本文研制了滿足CAP1400型先進(jìn)壓水堆要求的礦物絕緣電纜組件。通過原材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、集成工藝的控制等方面的研究,本文成功研制出滿足要求的礦物絕緣電纜組件,并通過鑒定試驗(yàn)以及嚴(yán)重事故可用性驗(yàn)證試驗(yàn),證明其滿足“國和一號”示范工程應(yīng)用需求。該組件將安全殼內(nèi)熱電偶及自給能中子探測器的信號安全、可靠地傳輸?shù)絻x器設(shè)備,是保證核電站安全的重要設(shè)備。

本文研制的礦物絕緣電纜組件不僅可以應(yīng)用于 CAP1400 ,也可推廣應(yīng)用到 CAP1000 核電機(jī)組中[15]。本文研究成果將有助于我國核電廠堆芯儀表用礦物絕緣電纜組件設(shè)備擺脫依賴進(jìn)口的困境,推動(dòng)核電項(xiàng)目CAP型系列核電站儀控設(shè)備全面國產(chǎn)化。核電設(shè)備國產(chǎn)化成功可促進(jìn)國內(nèi)核電事業(yè)的快速發(fā)展,有利于“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),為國內(nèi)環(huán)保事業(yè)提供助力。