淺談AP1000一體化堆頂組件的先進(jìn)性

章增糧 楊付德（山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265118）

淺談AP1000一體化堆頂組件的先進(jìn)性

章增糧 楊付德
（山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265118）

摘 要：一體化堆頂組件是AP1000核電站反應(yīng)堆壓力容器中燃料組件的關(guān)鍵控制機(jī)構(gòu)，是非能動核電技術(shù)的重要創(chuàng)新之一。本文通過AP1000與CPR1000兩種堆型的比較，對頂蓋組件中采用不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相同功能的部件進(jìn)行介紹。比較說明一體化堆頂組件從人員安全、人力需求、換料周期、操作簡化等方面的先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：AP100；一體化堆頂；堆芯儀表結(jié)構(gòu)；圍筒組件；通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

核電是安全、清潔高效的能源，已成為目前世界上僅次于火電的第二大能源。核電站是利用在動力反應(yīng)堆中進(jìn)行的核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能來發(fā)電或發(fā)電兼供熱的動力設(shè)施。目前世界上核電站采用的反應(yīng)堆有壓水堆、沸水堆、重水堆、快堆以及高溫氣冷堆等，但比較廣泛使用的是壓水堆反應(yīng)堆。壓水反應(yīng)堆是以普通水作冷卻劑和慢化劑。它是從軍用堆基礎(chǔ)上發(fā)展起來的最成熟、最成功的動力堆堆型。

核燃料采用235U制成的UO2富集度約為2%～3%（陶瓷型芯塊），核燃料裂變產(chǎn)生的快中子慢化成一定能級的熱中子才能被235U吸收，維持堆芯的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)：″“n+235U→236U*→144Ba+ 89Kr+3n″｜″n+235U｜236U*→140Xe+94Sr+2n”，通過控制棒提升和 水中硼濃度調(diào)節(jié)來控制堆芯反應(yīng)性，以保持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)可控。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點(diǎn)為100℃，為了提高水的冷卻效率，要求在300℃～350℃范圍內(nèi)不沸騰，就需使水保持120～160個(gè)大氣壓的高壓，正是由于反應(yīng)堆內(nèi)的水處于高壓下工作，因此這種類型的反應(yīng)堆被稱作壓水堆。

1 AP1000簡介

AP1000是美國西屋電氣公司利用AP600的非能動安全設(shè)計(jì)概念，加上系統(tǒng)80+雙環(huán)路的設(shè)計(jì)思想，以降低容量成本為目標(biāo)，使AP1000 的安全性和經(jīng)濟(jì)性同時(shí)都大為提高。AP1000設(shè)計(jì)采用了非能動安全系統(tǒng)（PSS）的概念來改進(jìn)電廠的安全，并且大范圍的簡化電站設(shè)計(jì)來提高電站的安全、建造、運(yùn)行和維護(hù)。AP1000設(shè)計(jì)取得高的安全性和可用性，保留了原有的壓水堆技術(shù)，但是更強(qiáng)調(diào)依靠自然力量的安全特性。安全系統(tǒng)采用自然力如壓縮空氣、重力流動，氣流的自然循環(huán)和對流。安全系統(tǒng)盡量少用泵、風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)、冷水機(jī)或別的能動機(jī)械并且無須安全級別支持系統(tǒng)，如交流電，元件冷卻水，設(shè)施用水和通風(fēng)等。

AP1000一體化堆頂（以下簡稱IHP）是非能動核電技術(shù)的重要創(chuàng)新之一，為簡化反應(yīng)堆換料操作、減少換料時(shí)間，將堆頂屏蔽、防飛射物裝置和反應(yīng)堆壓力容器頂蓋（上封頭）起吊裝置設(shè)計(jì)成不需拆散的一體化結(jié)構(gòu)。在更換燃料時(shí)，可以作為一個(gè)單個(gè)的結(jié)構(gòu)被拆除和移動到儲存架上，可以縮短停堆周期、優(yōu)化占用空間、便于電纜斷開和連接、提高操作人員的安全性、減少人力要求。

2 IHP的組成

IHP由控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)（CRDM）、堆芯儀表結(jié)構(gòu)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、圍筒組件、提升系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)以及電氣儀表等部件和系統(tǒng)組成。將這些分開的部件與反應(yīng)堆壓力容器頂蓋一起組成一體化頂蓋。通過AP1000與CPR1000堆頂結(jié)構(gòu)的比較，從認(rèn)知、學(xué)習(xí)的角度考慮，本文主要從設(shè)計(jì)改變明顯的堆芯儀表結(jié)構(gòu)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，圍筒組件、提升系統(tǒng)等方面進(jìn)行闡述。

2.1 堆芯儀表結(jié)構(gòu)

堆芯儀表主要用于堆芯溫度測量、堆芯中子注量率測量和壓力容器內(nèi)水位測量等。AP1000的堆芯儀表從反應(yīng)堆壓力容器上部插入，反應(yīng)堆壓力容器下封頭無貫穿件。采用快速接頭式儀表導(dǎo)管，在壓力容器堆內(nèi)構(gòu)件中增加一個(gè)儀表格架，在此格架上同樣有8個(gè)儀表導(dǎo)管，此8個(gè)儀表導(dǎo)管從堆芯內(nèi)引出的42根儀表，分組包裝成8個(gè)，與一體化頂蓋上的8個(gè)儀表貫穿件快速接頭連接。

堆芯儀表貫穿件設(shè)計(jì)到頂部排除了反應(yīng)堆壓力器失水事故的風(fēng)險(xiǎn)，CPR1000儀表管貫穿件數(shù)量50個(gè)，外徑1英寸，AP1000儀表管貫穿件數(shù)量減少到8個(gè)，外徑增大到5.75英寸，數(shù)量減少和尺寸增大，降低了設(shè)備制造難度，縮短了工期，提高了壓力容器的安全性。減少了輻射劑量的泄露，由于CPR1000儀表導(dǎo)管在裝換料等維修的時(shí)候需要從反應(yīng)堆底部抽出，而該儀表導(dǎo)管帶有很大的放射性。AP1000設(shè)計(jì)在堆內(nèi)構(gòu)件上增加儀表格架設(shè)計(jì)在裝換料和維修的時(shí)候不在需要拆儀表導(dǎo)管，使得反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的檢查和維護(hù)更加方便，減少了職業(yè)防護(hù)難度和維修時(shí)間。

2.2 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

IHP的通風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、風(fēng)管、風(fēng)管配件、風(fēng)管支撐、通風(fēng)圍板、儀表及電氣部分等組成，主要為控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)磁軛線圈部件提供強(qiáng)迫冷卻空氣，保持控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)線圈組件在允許溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。

IHP通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有4臺風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)啟動后外部冷卻空氣從下圍筒上的風(fēng)門吸入，通過安裝于圍筒內(nèi)側(cè)風(fēng)門上方的通風(fēng)圍板，在控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)周圍形成間隙一致的通道，以提供均勻冷卻的空氣。風(fēng)管為空氣提供從通風(fēng)圍板上方流出的通道，通過頂部風(fēng)機(jī)排出。

目前我國在役壓水堆核電站CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)設(shè)置在遠(yuǎn)離反應(yīng)堆區(qū)域，僅在頂蓋上裝有風(fēng)管、風(fēng)管配件、通風(fēng)罩等部件。停堆換料期間，需要人工進(jìn)行風(fēng)管拆裝和單獨(dú)存、放操作，屬于壓力容器頂蓋開、合蓋操作中的一部分，是核電廠換料大修活動工時(shí)中需評估項(xiàng)。IHP通風(fēng)冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)安裝在安全殼內(nèi)反應(yīng)堆上方，換料操作時(shí)無須拆除，可與反應(yīng)堆壓力容器頂蓋等堆頂其他設(shè)備一同吊裝和存放，且冷卻后的空氣直接排放在安全殼內(nèi)部，免除了意外的輻射劑量通過堆頂冷卻系統(tǒng)泄露到安全殼外部的可能性。

2.3 圍筒組件

一體化堆頂圍筒組件是IHP的一個(gè)重要組成部分，安裝在反應(yīng)堆頂蓋上包圍環(huán)繞著控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的圓筒裝置，屬AP1000堆型特有的部件。圍筒組件由上、中、下三段筒體組成，三段圍筒之間通過螺栓連接。在上圍筒上邊通過螺釘連接將內(nèi)部操作平臺固定在圍筒內(nèi)壁。中圍筒上的出風(fēng)口通過風(fēng)管與風(fēng)機(jī)連接。下圍筒下部法蘭與反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的支承凸臺通過螺栓固定在一起以實(shí)現(xiàn)換料期間的整體操作，從而極大地減少了換料操作所需的時(shí)間和人員操作，提高了電廠的經(jīng)濟(jì)性和可操作性。

圍筒是IHP的主要承力抗震部件，屬抗震Ⅰ類部件。采用圍筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既提高了總體剛度，又為其他結(jié)構(gòu)部件的安裝提供支撐。如圍筒和安裝在上段圍筒內(nèi)部的抗震支撐組件一起組成IHP的抗震支撐系統(tǒng)，能夠滿足在假設(shè)的地震工況下，限制CRDM的過度變形以維持其正常功能，保證CRDM在事故工況下的功能完整性。與CPR1000的CRDM抗震支撐裝置不同的是，取消了與反應(yīng)堆水池墻壁相連的5個(gè)抗震拉桿和抗震拉桿預(yù)埋件，在裝、換料時(shí)，無須連接、斷開抗震拉桿步驟，簡化了反應(yīng)堆換料的工序，節(jié)省了換料時(shí)間。

在停堆換料期間，圍筒組件可以作為永久性輻射防護(hù)結(jié)構(gòu)為人員屏蔽來自控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)和快拆裝密封儀表接管的輻照，并且可以提供通往快拆裝密封儀表接管和堆芯儀表套管組件電纜連接器的人員操作通道，優(yōu)化占用空間、便于電纜斷開和連接、提高操作人員的安全性、減少人力要求。在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，圍筒組件還提供了控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)冷卻空氣的邊界。

2.4 提升系統(tǒng)

IHP提升系統(tǒng)由3根互成120度的提升桿、三角架 、巢臺組件、橋架絞車等部件組成，用以實(shí)現(xiàn)一體化頂蓋在裝換料和維修期間的整體吊裝工作。三角架通過提升桿與壓力容器頂蓋連接組成IHP組件的起吊支桿系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)減少了頂蓋在吊裝過程中的操作步驟，只需通過連接器將吊車與三腳架連接即可。固定在三角架上的巢臺組件為人員進(jìn)行上部作業(yè)提供操作空間。安裝在巢臺下方的橋架絞車通過三角架上部的滑輪對電纜橋架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，最終使電纜橋架從水平翻轉(zhuǎn)成垂直狀態(tài)，避免吊裝過程發(fā)生干涉。

在停堆換料期間，CPR1000堆型中的電纜橋架翻轉(zhuǎn)需要借助安全殼頂部的環(huán)形吊車進(jìn)行，電纜橋架翻轉(zhuǎn)角度大于90°，翻轉(zhuǎn)操作工序相對比較復(fù)雜，人力需求也大大增加。橋架翻轉(zhuǎn)后，還需將頂蓋吊裝專用吊具與頂蓋組件相連，由于吊具安裝時(shí)需要穿過不垂直的橋架組件，容易發(fā)生干涉情況。而IHP提升系統(tǒng)不須另外安裝專用吊具，電纜橋架翻轉(zhuǎn)更不用借助環(huán)吊，使用橋架絞車+滑輪即可完成，大大簡化了反應(yīng)堆換料操作、減少換料時(shí)間；提高操作人員的安全性、減少人力要求。

結(jié)語

綜上所述，通過對AP1000和CPR1000堆頂部件的比較，充分說明一體化堆頂結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性，可以大大縮短停堆周期、優(yōu)化占用空間、提高操作人員的安全性、減少人力要求。對IHP作為非能動核電技術(shù)的一種重要創(chuàng)新有了更深一步的認(rèn)知，對IHP各部件的結(jié)構(gòu)和功能有了更進(jìn)一步的了解。一體化頂蓋結(jié)構(gòu)涉及的部件多，涵蓋的專業(yè)廣，本文僅對設(shè)計(jì)變化顯著的部件的先進(jìn)性從換料檢修的角度進(jìn)行簡單的比較，而對部件設(shè)計(jì)特點(diǎn)和性能參數(shù)等方面有待進(jìn)一步的研究。

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