幾種壓水堆反應(yīng)堆壓力容器結(jié)構(gòu)的比較與研究

叢高偉 張忠海

摘 要：文章對(duì)幾種典型壓水堆反應(yīng)堆壓力容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，對(duì)其特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆壓力容器；結(jié)構(gòu)；比較；分析

1 概述

壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器是反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界屏障中的一個(gè)重要設(shè)備，在核電廠服役期內(nèi)不可更換，其壽期決定了整個(gè)電廠的服役年限。主要用來裝載反應(yīng)堆堆芯[1]，包容高溫、高壓、含放射性的冷卻劑。屬于核安全一級(jí)設(shè)備，要求在各種正常運(yùn)行工況、試驗(yàn)工況條件下，結(jié)構(gòu)均能保持完整，不發(fā)生容器的無延性斷裂破壞和放射性物質(zhì)的泄露。

目前，我國國內(nèi)運(yùn)行和正在建造的壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器堆型主要有CPR1000堆型 （二代改進(jìn)型）、某三代堆型、CAP1400堆型（三代堆型）、ACP1000堆型（三代堆型）等。文章通過對(duì)這幾種堆型反應(yīng)堆壓力容器的比較，對(duì)其特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。

2 比較與分析

2.1 結(jié)構(gòu)的大型化

從CPR1000堆型、某三代堆型、ACP1000堆型的發(fā)電功率約1000MWe到CAP1400堆型的發(fā)電功率約1400MWe，發(fā)電功率越來越大。隨著發(fā)電功率的增加，就要求反應(yīng)堆內(nèi)部放置更多的燃料組件，這就要求反應(yīng)堆壓力容器的尺寸隨之增加。由于反應(yīng)堆壓力容器基本采用鍛焊結(jié)構(gòu)，這使得鍛件的大型化成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。以法蘭接管段為例，其法蘭外徑由CPR1000的φ4684mm達(dá)到了CAP1400的φ5300mm，這對(duì)鍛件材料的制造提出了更高的要求。

2.2 零部件的一體化

（1）底封頭整體化。CPR1000堆型、ACP1000堆型和某三代堆型的反應(yīng)堆壓力容器的下封頭和過渡段采用分體焊接的結(jié)構(gòu)，詳見圖1；而CAP1400反應(yīng)堆壓力容器則采用整體底封頭，即將下封頭和過渡段合并成為一個(gè)鍛件，取消下封頭和過渡段之間的焊縫。（2）頂蓋整體化。CPR1000堆型、ACP1000堆型反應(yīng)堆壓力容器采用分體頂蓋，即采用上封頭和頂蓋法蘭分體焊接的結(jié)構(gòu)，詳見圖2；而某三代堆型反應(yīng)堆壓力容器和CAP1400反應(yīng)堆壓力容器則采用整體頂蓋[2]，取消了上封頭和頂蓋法蘭之間的焊縫。（3）堆測(cè)接管整體化。某三代堆型堆測(cè)接管下段采用堆焊的方式進(jìn)行制造，CAP1400反應(yīng)堆壓力容器采用相同的堆測(cè)接管結(jié)構(gòu)，但是堆測(cè)接管下段與整體頂蓋采用一體化鍛件，詳見附圖3。

圖1 圖2 圖3

采用一體化鍛件具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在設(shè)備制造過程中，減少了焊縫或堆焊部位的機(jī)加工、焊接、熱處理及無損檢測(cè)，有效縮短設(shè)備的制造周期。（2）在設(shè)備的運(yùn)行過程中，減少了焊縫或堆焊部位，增加了設(shè)備的安全性。（3）在設(shè)備的維護(hù)過程中，減少了對(duì)該焊縫或堆焊部位在役檢查。

2.3 堆內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)的布置

CPR1000反應(yīng)堆壓力容器在下封頭上共布置了50個(gè)中子測(cè)量管座，作為堆芯中子輻照測(cè)量?jī)x器的通道，詳見圖4；某三代堆型和CAP1400堆型在下封頭沒有設(shè)置中子測(cè)量管座，即下封頭是一體結(jié)構(gòu)，無需開任何孔，而把堆芯測(cè)量通道布置到了頂蓋，在頂蓋上增加了8個(gè)堆測(cè)接管，與堆測(cè)接管下段采用對(duì)接焊結(jié)構(gòu)，讓所有的堆芯測(cè)量裝置從頂蓋向下伸入到堆芯，堆測(cè)接管的結(jié)構(gòu)詳見圖5；ACP1000堆型反應(yīng)堆壓力容器也取消了底封頭的中子測(cè)量管座，并在頂蓋上設(shè)置12個(gè)堆芯測(cè)量管座，與頂蓋采用J坡口焊接的形式進(jìn)行連接，用于堆芯測(cè)量裝置的通道，詳見圖6。

將底封頭上的堆芯測(cè)量裝置轉(zhuǎn)移到頂蓋上有以下優(yōu)點(diǎn)：將底封頭上的堆芯測(cè)量裝置轉(zhuǎn)移到頂蓋上，減少了底封頭上堆芯測(cè)量裝置泄露的風(fēng)險(xiǎn)，增加了整個(gè)設(shè)備的安全性，為反應(yīng)堆壓力容器在60年壽期的安全運(yùn)行提供了保障。

2.4 導(dǎo)向栓的安裝位置

CPR1000堆型和ACP1000堆型的反應(yīng)堆壓力容器在安裝頂蓋時(shí)，導(dǎo)向栓占用三個(gè)主螺栓孔，在頂蓋順利安裝到容器組件上后將導(dǎo)向栓拆下，再安裝主螺栓。

某三代堆型及CAP1400堆型的反應(yīng)堆壓力容器在安裝頂蓋時(shí)，導(dǎo)向栓不占用主螺栓孔，這兩種堆型反應(yīng)堆壓力容器的接管段法蘭外側(cè)焊接有兩個(gè)導(dǎo)向栓支撐塊，導(dǎo)向栓支撐塊上設(shè)置專門用于安裝導(dǎo)向栓的螺孔；在整體頂蓋的法蘭外側(cè)焊接有兩個(gè)導(dǎo)向栓支架，用于引導(dǎo)頂蓋順利安裝。且這兩種堆型的導(dǎo)向栓在設(shè)備運(yùn)行期間不拆除。

導(dǎo)向栓占用單獨(dú)的螺孔且在運(yùn)行期間不拆除具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）導(dǎo)向栓不占用主螺栓孔，可以有效保護(hù)主螺栓孔螺紋，避免主螺栓孔螺紋在安裝頂蓋時(shí)被導(dǎo)向栓損傷。（2）導(dǎo)向栓在運(yùn)行期間不拆除，可以在每次換料或檢修時(shí)減少一次導(dǎo)向栓的安裝和拆卸時(shí)間。

2.5 主螺栓孔上部光孔及換料密封環(huán)上端面的狀態(tài)

CPR1000堆型反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔上部光孔為低合金鋼表面，詳見圖7；而ACP1000、某三代堆型及CAP1400反應(yīng)堆壓力容器的主螺栓孔的上部光孔進(jìn)行了不銹鋼堆焊，詳見圖8。CPR1000堆型反應(yīng)堆壓力容器上端面及換料密封環(huán)上面為低合金鋼表面，詳見圖7；而ACP1000、某三代堆型及CAP1400反應(yīng)堆壓力容器的上端面及換料密封環(huán)上表面進(jìn)行了不銹鋼堆焊，詳見圖8。主螺栓孔上部光孔及換料密封環(huán)上端面進(jìn)行不銹鋼堆焊，有以下優(yōu)點(diǎn)：在換料及檢修期間反應(yīng)堆壓力容器筒體上表面被硼水淹沒時(shí)，有效保護(hù)主螺栓孔和容器法蘭上表面和換料密封環(huán)上表面避免腐蝕，為反應(yīng)堆壓力容器60年的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

圖7 圖8

3 結(jié)束語

通過對(duì)幾種反應(yīng)堆壓力容器結(jié)構(gòu)的比較和分析，可以看出反應(yīng)堆壓力容器的發(fā)展有以下趨勢(shì)：（1）隨著發(fā)電功率的增加，反應(yīng)堆壓力容器有大型化的趨勢(shì)；（2）零部件的一體化是反應(yīng)堆壓力容器的一個(gè)方向發(fā)展；（3）堆內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)由反應(yīng)堆壓力容器底封頭移到反應(yīng)堆壓力容器頂蓋；（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向更加便于安裝和維護(hù)的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]林誠格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008，8.

[2]李承亮，張明乾.壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器材料概述[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008（22）：9.