AP1000與二代半壓水堆RCS系統(tǒng)主設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)比與分析

李剛　孫攀　尹志濤　懷寧

【摘 要】本文簡(jiǎn)要介紹了AP1000 RCS系統(tǒng)組成、主要技術(shù)參數(shù)與典型兩代半壓水堆參數(shù)的差別；并詳細(xì)對(duì)比了反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵等主要的壓力容器結(jié)構(gòu)上與典型兩代半壓水堆的差別與改進(jìn)；以求為設(shè)備采購(gòu)和設(shè)計(jì)管理工作提供較為詳細(xì)的支持材料。

【關(guān)鍵詞】AP1000；主設(shè)備；差別

0 引言

AP1000作為先進(jìn)的三代核電機(jī)組，其主設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造為了滿足“先進(jìn)輕水堆用戶要求文件[1]”的要求，與傳統(tǒng)二代半PWR有較大的差別。為更好指導(dǎo)采購(gòu)和設(shè)計(jì)管理開(kāi)展，需將設(shè)備結(jié)構(gòu)、應(yīng)用新技術(shù)情況、特別是與成熟的設(shè)備的差異性等了然于胸，便于在核電自主化進(jìn)程中掌握關(guān)鍵技術(shù)，順利實(shí)現(xiàn)主設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，本文將對(duì)其差異進(jìn)行對(duì)比分析。

1 RCS系統(tǒng)系統(tǒng)概述及組成

正常工況下，AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）傳輸RPV堆芯產(chǎn)生的熱量，為汽輪發(fā)電機(jī)組供應(yīng)品質(zhì)合格的飽和蒸汽，在電廠冷卻的第二階段、冷停堆、換料和啟動(dòng)初期，與正常余熱排出系統(tǒng)共同導(dǎo)出堆芯衰變熱。RCS由與反應(yīng)堆相配的兩條環(huán)路組成[4]。所有RCS主設(shè)備均置于安全殼內(nèi)，見(jiàn)圖1。

2 反應(yīng)堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）

RPV作為一回路壓力邊界一部分，長(zhǎng)期承受高溫、高壓和強(qiáng)輻照，且尺寸大、加工制造精度要求高，是RCS中的關(guān)鍵設(shè)備。較典型PWR改進(jìn)包括：

1）降低了Ni和Cu含量，把輻照脆化的影響降低；降低初始“零塑性轉(zhuǎn)變溫度”（活性區(qū)鍛件材料RTNDT由-20℃降為-23.3℃），提高材料的斷裂韌性，以延長(zhǎng)核電廠的運(yùn)行壽命。

2）采用整體頂蓋單一鍛件代替了上封頭和頂蓋法蘭組焊的模式，減少了一道焊縫及在役檢查工作量。

3）堆芯測(cè)量通道。典型PWR下封頭有50個(gè)中子測(cè)量管座，為中子輻照測(cè)量?jī)x表導(dǎo)線通道，并在封頭外壁管座孔處堆焊了6.5mm的鎳基堆焊層，一旦出現(xiàn)泄漏時(shí)在其上補(bǔ)焊[6]。AP1000RPV下封頭少了中子測(cè)量管貫穿[5]，而將8個(gè)Quciklock堆芯儀表管座均布在整體頂蓋上，見(jiàn)圖2。

消除了因下封頭與貫穿件焊縫泄漏導(dǎo)致冷卻劑喪失事故和堆芯裸露的可能性。且堆芯測(cè)量管道通道移至頂蓋，一方面焊縫的數(shù)量減少，一方面焊縫位于頂蓋上，便于在役檢查。堆芯固定盡可能低的位置，以便縮短事故工況下冷卻劑再淹沒(méi)堆芯所需時(shí)間。

4）進(jìn)口接管管嘴的水平位置高于出口44.45cm。半管運(yùn)行下，進(jìn)口和主泵連接的主管道無(wú)水，安注、堆芯和出口重新構(gòu)成循環(huán)回路，維修主泵電動(dòng)機(jī)時(shí)不需移出堆芯。較典型PWR需停堆排水拆除堆芯等工作量比，大大減少了維修時(shí)間。

5）保溫層。通常使用金屬保溫層，能有效限制RPV的散熱損失以提高熱能利用率功能。兩種區(qū)別僅在筒體保溫層結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)RPV筒體保溫層懸掛在筒體外壁；而AP1000則通過(guò)支架安裝在地坑混凝土內(nèi)壁上，在RPV外壁面形成一個(gè)特定的環(huán)形流道，在堆腔淹沒(méi)的嚴(yán)重事故工況下，使冷卻水從底部進(jìn)入冷卻下封頭，并將產(chǎn)生的蒸汽從環(huán)形流道的頂部自由排出，避免下封頭被堆芯熔融物熔穿，緩解事故后果，見(jiàn)圖3。

6）一體化堆頂。把多個(gè)獨(dú)立部件組合到一個(gè)整體[7]，與拆裝RPV頂蓋相關(guān)的操作相結(jié)合，較典型PWR堆頂機(jī)構(gòu)非集成化部件比，簡(jiǎn)化了換料操作，縮短了停堆換料周期，減少了個(gè)人輻射劑量，見(jiàn)圖4。

3 堆內(nèi)構(gòu)件和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1）AP1000堆內(nèi)構(gòu)件用堆芯圍筒代替堆芯圍板（見(jiàn)圖5），采用全焊接結(jié)構(gòu)，有效消除了以往設(shè)計(jì)采用的圍板螺栓可能松動(dòng)脫落的危險(xiǎn)，降低了中子泄漏，改善了中子經(jīng)濟(jì)。取消熱屏中子反射層，上部引入中子測(cè)量率測(cè)量導(dǎo)管，吊籃地板下移。

2）AP1000吊籃底板位置下降，下腔室容積減少，為抑制由此帶來(lái)的流量分布惡化，在堆芯底部增設(shè)一個(gè)環(huán)裝多孔的流量分配裙，改善了RPV底部流量分布情況（見(jiàn)圖6），下部支承結(jié)構(gòu)減少為渦流抑制板，并增加二次支撐組件（見(jiàn)圖7）防止吊籃斷裂時(shí)造成的堆芯下落將冷卻劑流道堵死。

3）AP1000CRDM采用雙鉤爪部件，以增加鉤爪部件的耐磨性和步進(jìn)動(dòng)作的可靠性；增加一個(gè)可浮動(dòng)的隔熱套，以降低冷卻劑溫度對(duì)磁軛線圈的影響，加快落棒速度。

圖6 RPV底部流量分布（左無(wú)導(dǎo)流圍板，右為右導(dǎo)流圍板）

圖7 二次支承組件（左）、渦流抑制板和二次支承組件（右）

4 蒸汽發(fā)生器（Steam Generator，SG）

1）AP1000SG采用倒U形管自然循環(huán)立式蒸汽發(fā)生器，傳熱管采用正三角形排列[8]。典型PWR SG管束排列為正方形，流過(guò)的流體接受換熱較為均勻，溫度變化穩(wěn)定，換熱能力較小。AP1000三角形排列（見(jiàn)圖8）產(chǎn)生湍流流動(dòng)，部分邊界層被破壞從而加強(qiáng)換熱，而正方形無(wú)此效果。提高管子與支承板交叉處的流速，減少交叉縫隙處泥渣的沉積。

圖8 三葉狀梅花孔（AP1000）左、四葉狀梅花孔支承板右

2）AP1000SG干燥器采用了效率較高的雙鉤型波形板（見(jiàn)圖9），將原雙層改為單層。減小了汽水分離裝置空間，在SG總體積不變的情況下增加了二次側(cè)裝水量，改善了電廠瞬態(tài)運(yùn)行特性。

圖9 波形板（上為典型PWR，下為AP1000）

3）AP1000SG管束的下部取消了流量分配板。管束的U形段由防振條支撐，以增加傳熱管的防振和磨損余量。

4）AP1000SG下封頭直接與兩臺(tái)冷卻劑主泵殼體焊接相連。典型PWRSG下封頭通過(guò)主管道與主泵相連，而AP1000SG則是在下封頭進(jìn)出口接管管嘴低合金鋼母材上堆焊鎳基預(yù)堆邊，并用Inconel690焊絲組焊SG與主泵泵殼。此結(jié)構(gòu)取消了其間的管道，降低了環(huán)路的壓降，簡(jiǎn)化了支承系統(tǒng)。

5 穩(wěn)壓器（Pressurizer，PRZ）

1）AP1000PRZ采用了基于成熟技術(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。容積為59.47m3，較典型PWR核電廠PRZ的容積增大了40%，增加了瞬態(tài)運(yùn)行余量，可減少反應(yīng)堆非計(jì)劃停堆的次數(shù)，從而提高可靠性。

2）由于采用了自動(dòng)泄壓系統(tǒng)，消除了對(duì)快動(dòng)作電動(dòng)大流量卸壓閥的需要。傳統(tǒng)PWR泄壓通過(guò)上方先導(dǎo)式安全閥。AP1000泄壓增加了自動(dòng)泄壓系統(tǒng)。安全閥為彈簧加載式自動(dòng)啟動(dòng)，自動(dòng)泄壓采用4級(jí)泄壓，可依次根據(jù)RCS系統(tǒng)的壓力大小而順次開(kāi)啟。前3級(jí)泄壓管線安裝在穩(wěn)壓器上方，第4級(jí)泄壓管線安裝在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的熱管段。

6 反應(yīng)堆冷卻劑泵（Reactor Coolant Pump，RCP）

1）典型PWR普遍采用立式單級(jí)三級(jí)軸封混流泵。AP1000屏蔽泵無(wú)軸封、無(wú)泄漏，安全性提高。

2）AP1000RCP上下設(shè)置兩個(gè)重鎢合金飛輪[9]，較典型壓水堆RCP一個(gè)飛輪，提高了泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，延長(zhǎng)了惰轉(zhuǎn)時(shí)間，失去電源時(shí)提供足夠的惰轉(zhuǎn)流量。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)介紹AP1000 RCS系統(tǒng)組成、對(duì)比反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵等主要的壓力容器結(jié)構(gòu)上與典型兩代半壓水堆的差別與改進(jìn)及優(yōu)點(diǎn)；以期為設(shè)備采購(gòu)工作提供較為詳細(xì)的支持材料。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林誠(chéng)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]孫漢虹.第三代核電技術(shù)AP1000[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010（9）.

[3]顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2010（4）.

[4]夏延齡.核電廠蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)[M].北京：原子能出版社，2010（12）.

[5]西屋電氣公司.西屋公司的AP1000先進(jìn)非能動(dòng)型核電廠[J].現(xiàn)代電力，2006，23（5）：55-65.

[6]童雙雙.科技創(chuàng)新與技術(shù).AP1000與CPR1000反應(yīng)堆壓力容器結(jié)構(gòu)對(duì)比與分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（25）：69-70.

[7]章增糧，楊付德.淺談AP1000一體化堆頂組件的先進(jìn)性[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（16）：85-86.

[8]劉亮，周濤，宋明強(qiáng).AP1000與大亞灣核電站蒸汽發(fā)生器的對(duì)比與分析[J].華東電力，2013，41（2）：417-419.

[9]張明乾，劉昱，李承亮.淺談壓水堆核電站AP1000屏蔽式電動(dòng)主泵[J].水泵技術(shù)，2008（4）：1-5.

[10]簡(jiǎn)靖文.AP1000設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程[J].電器工業(yè)，2009（1）：21-27.

[責(zé)任編輯：田吉捷]