CAP系列核電用電纜β輻照試驗(yàn)技術(shù)研究

鄒穎男，嚴(yán)振杰

(國核工程有限公司，上海 200233)

CAP系列核電用電纜β輻照試驗(yàn)技術(shù)研究

鄒穎男，嚴(yán)振杰

(國核工程有限公司，上海 200233)

區(qū)別于中國二代+壓水堆電站(CPR)、法國新型三代壓水堆核電站(EPR)及美國以往典型壓水堆核電站，CAP系列核電用電纜鑒定試驗(yàn)首次增加了貝塔(β)輻照的要求。針對β射線的本質(zhì)是散射的電子束或電子云，鑒定試驗(yàn)無法對其進(jìn)行考核的問題，對β射線的特性進(jìn)行了研究，提出了β輻照試驗(yàn)的鑒定方法。本文重點(diǎn)研究了β射線的破壞機(jī)理，通過對比γ射線和β射線的損傷影響，提出了β輻照的試驗(yàn)方案，重點(diǎn)討論了γ射線和β射線轉(zhuǎn)換方案，通過輻照劑量與斷裂伸長率的關(guān)系曲線，確定β射線和γ射線的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為后續(xù)電纜開展鑒定試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

CAP系列核電站；電纜；β輻照；轉(zhuǎn)換方案；鑒定試驗(yàn)

由于核電廠內(nèi)工作環(huán)境十分復(fù)雜，核安全級設(shè)備鑒定的要求也不斷提高。環(huán)境鑒定是設(shè)備鑒定的重要內(nèi)容，三代核電用電纜首次提出了β輻照要求[1]。本文著重介紹了CAP系列核級電纜主要鑒定參數(shù)[2]，并對比了二代加以及EPR機(jī)型的鑒定要求的差異。β射線[3]的本質(zhì)是散射的電子束或電子云，自然界中無天然的β源，鑒定試驗(yàn)無法對其進(jìn)行考核。試驗(yàn)室中可利用電子加速器發(fā)射電子束來模擬β輻照，但由于試驗(yàn)裝置的限制，僅可用來進(jìn)行小尺寸試樣的試驗(yàn)，無法對電纜進(jìn)行鑒定試驗(yàn)?；讦律渚€無法直接用于電纜的輻照老化試驗(yàn)，本文介紹了核電廠內(nèi)的輻照環(huán)境級核輻射的損傷機(jī)理，針對CAP系列核電站用電纜的鑒定要求，提出了β輻照的試驗(yàn)方案，重點(diǎn)討論了γ射線和β射線轉(zhuǎn)換方案。此方案已在在建的AP1000電纜鑒定試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，并為后續(xù)開展鑒定試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

1 β射線損傷機(jī)理分析與對比

核電廠內(nèi)的輻照環(huán)境中包括α、β、γ和中子四種輻照射線類型[4]。γ和β射線都是重要的核輻射類型，由于其本身構(gòu)成不同，對材料的損傷影響通常也需要獨(dú)立進(jìn)行評價(jià)。γ射線作為電離輻射的一種，能量在幾十keV到幾個(gè)MeV，穿透力強(qiáng)，如常用的60Co放射源衰變放出γ射線。與材料相互作用主要通過光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)進(jìn)行。

β輻照由高能電子構(gòu)成，β粒子的穿透能力取決于β粒子的能量和吸收材料的密度。β粒子不會(huì)很深地穿透材料，β輻照的影響僅限于表面。能量主要通過電離傳播，但一小部分作為由吸收材料電子減速產(chǎn)生的軔致輻射傳播。因?yàn)榻饘偈铅螺椪盏姆浅Ｓ行У钠帘?，如果設(shè)備被密封的金屬罩所屏蔽，β影響就不重要。然而，因?yàn)棣螺椛湓词亲鳛闅怏w或顆粒存在于殼內(nèi)事故環(huán)境中，當(dāng)通過空氣傳播的β輻射源傳播到未密封的設(shè)備里面，設(shè)備內(nèi)部可能被減弱的劑量影響。電纜護(hù)套通常被認(rèn)為是電纜導(dǎo)體絕緣的β屏蔽。β輻照也在空氣中衰減，并且在空氣中僅是短程的。另外，由于與吸收體原子碰撞導(dǎo)致分散，所以β粒子的路徑是不確定的路線(不是直線)(見圖1)。

圖1 輻射穿透能力對比Fig.1 Contrast of Radiation Penetration Ability

電纜材料在β輻照環(huán)境下，連接原子的化學(xué)鍵發(fā)生變化[3]。這種現(xiàn)象既可發(fā)生在大分子主鏈，也可發(fā)生在支鏈。結(jié)果大分子中產(chǎn)生活性自由基并引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，其中影響材料性質(zhì)最基本的反應(yīng)是交聯(lián)反應(yīng)和降解反應(yīng)。交聯(lián)指分子間重新形成新的化學(xué)鍵，降解指聚合物分子鏈發(fā)生斷裂。實(shí)際上，降解反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)在輻照過程中經(jīng)常同時(shí)存在，最終結(jié)果取決于哪一種反應(yīng)占優(yōu)。電纜材料在β輻照下，降解起主導(dǎo)作用，并且與輻照能級有關(guān)。當(dāng)電子能量高時(shí)，材料的力學(xué)性能退化最終趨近100%，完全喪失。當(dāng)電子能量在一定的范圍內(nèi)時(shí)，材料的表面力學(xué)性能受到損傷，但整體性能不會(huì)完全喪失。

2 CAP系列核電用電纜主要鑒定要求

由于CAP系列核電站的高能管線(一回路冷、熱段，二回路主管道)處于或接近的安全殼廠房、主蒸汽隔離閥隔間(輔助廠房)和閥門/管道貫穿件室(輔助廠房)三個(gè)區(qū)域，這三個(gè)區(qū)域?qū)儆贑AP系列核電站的嚴(yán)酷環(huán)境區(qū)，需考慮高能管線破裂(HELB)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(DBA)[5]。CAP系列核電站的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故及事故后的周期超過了二代及二代+的事故周期，被定為1年，部分安全級相關(guān)的電纜在1年事故周期內(nèi)仍需執(zhí)行其安全功能，不能失效。

此外，CAP系列核電站還考慮了事故中的β輻照問題，暴露在事故輻照中的殼內(nèi)電纜需能承受高劑量/低劑量率的β輻照。而就全球已建電站來看，安全殼內(nèi)電纜的輻照老化均只考慮采用γ輻照進(jìn)行試驗(yàn)，尚未考慮β老化的影響。

表1 CAP系列核電用電纜鑒定要求以及與其他機(jī)型的差異對比表[6]

3 β輻照試驗(yàn)方案探究

基于兩者不同的機(jī)制和與物質(zhì)之間不同的相互作用，而且如果等效γ劑量對電纜沒有損壞，這一結(jié)果對于β劑量來說是保守的，即等劑量β射線的損傷更小，因此可以用γ劑量來代替進(jìn)行測試、檢查和形成文檔報(bào)告。

3.1 常規(guī)試驗(yàn)方案

目前試驗(yàn)室中通用的做法是以下兩種[7]：

(1) 等效模擬法。對于絕大多數(shù)的有機(jī)材料而言，最常用的輻照老化模型是“等劑量/等破壞效應(yīng)”模型。這一模型的假設(shè)基礎(chǔ)是，材料的輻照效應(yīng)取決于所吸收的劑量，而與輻射源的類型或輻照劑量率無關(guān)。若根據(jù)這一模型，將β輻照劑量按照1∶1轉(zhuǎn)換為γ累積輻照劑量，再加上事故輻照劑量+10%的裕量。

(2) 電子加速器模擬。試驗(yàn)室中可利用電子加速器發(fā)射電子束來模擬β輻照，但由于試驗(yàn)裝置的限制，僅可用來進(jìn)行小尺寸試樣的試驗(yàn)。

若利用上述方法(1)，γ累積輻照劑量將達(dá)到一個(gè)很高的數(shù)值，若按此方法試驗(yàn)，較為苛刻，將存在巨大的不可預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)。若利用上述方法(2)，又無法模擬大尺寸成纜的β輻照試驗(yàn)。

因此，探究材料在一定β輻照劑量和不同γ輻照劑量下的性能變化，得到與該β輻照總劑量造成的等效損傷的γ輻照總劑量是一個(gè)比較實(shí)際的試驗(yàn)方案。

3.2 β與γ等效替代方案

基于兩者不同的機(jī)制和與物質(zhì)之間不同的相互作用。而且如果等效γ劑量對電纜沒有損壞，這一結(jié)果對于β劑量來說是保守的，即等劑量β射線的損傷更小，因此可以用γ劑量來代替進(jìn)行測試、檢查和形成文檔報(bào)告。

對護(hù)套材料而言[8]，護(hù)套需保持機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)完整性，無需承擔(dān)任何電氣性能，可利用斷裂伸長率的保留率作為護(hù)套的輻照老化的表征參數(shù)。因此，可利用不同劑量的β輻照和γ輻照[9]進(jìn)行試驗(yàn)對比，以斷裂伸長率的保留率作為材料失效的表征參數(shù)，尋求兩種輻照損傷對于這種特定護(hù)套材料的傷害等效關(guān)系。

基于此方法，可以將大劑量的β輻照損傷轉(zhuǎn)化為一定劑量的γ輻照。

大學(xué)既是科學(xué)與技術(shù)結(jié)合的熔爐，又是人生觀、價(jià)值觀、世界觀養(yǎng)成的思想森林，大學(xué)之大在于精神，而大學(xué)校園文化景觀正是這種精神的現(xiàn)實(shí)載體。我國的高等教育伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展高速前行，但由于很長時(shí)間內(nèi)我們進(jìn)行的為經(jīng)濟(jì)和行業(yè)發(fā)展量身打造的專才教育模式，只強(qiáng)調(diào)其學(xué)識(shí)水平、技能技術(shù)的培養(yǎng)，從而忽略了對其三觀等綜合能力素質(zhì)的培養(yǎng)。由于需要的人才眾多，所以大學(xué)只強(qiáng)調(diào)“高、大”而不強(qiáng)調(diào)“尚”，導(dǎo)致目前吉林省的大學(xué)校園文化景觀尤顯缺失，生態(tài)綠色自然景觀、人文民族景觀完全沒有得到充分的發(fā)掘與利用。

3.2.1 樣品初始測試

本試驗(yàn)選用電纜材料研制成板材或直接從電纜護(hù)套上取樣，制成厚度1.5～2.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)啞鈴片，尺寸如圖2所示。

在輻照試驗(yàn)開始前，對每種材料和厚度的樣品，取7個(gè)作為一組進(jìn)行機(jī)械性能測試，得到其初始斷裂伸長率。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)啞鈴試片形狀Fig.2 Standard Dumbbell Test Shape

3.2.2 γ射線輻照試驗(yàn)

每種材料和厚度的樣品，取7個(gè)作為一組，進(jìn)行累積劑量為3025kGy的γ射線輻照，劑量率不超過10kGy/h。從447kGy開始，到3025kGy結(jié)束(或者斷裂伸長率為0結(jié)束，可參考表2)；對輻照后的樣品進(jìn)行拉伸測試，得到其γ射線輻照后的斷裂伸長率。

表2 β射線與γ射線輻照劑量參考取值點(diǎn)

3.2.3 β射線輻照試驗(yàn)

對每種材料和厚度的樣品，取7個(gè)作為一組，進(jìn)行累積劑量為3025kGy的β射線輻照，劑量率不超過20kGy/h。從447kGy開始，到3025kGy結(jié)束(可參照表2)；對輻照后的樣品進(jìn)行拉伸測試，得到其β射線輻照后的斷裂伸長率。

3.2.4 等效計(jì)算

針對每一組樣品，計(jì)算其斷裂伸長率[10，11]，繪制輻照劑量-斷裂伸長率關(guān)系曲線，預(yù)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果趨勢如圖3所示。然后在曲線上取點(diǎn)進(jìn)行等效計(jì)算，每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算出γ射線劑量與β射線劑量的等效關(guān)系。最終等效關(guān)系取值方案：(1) 以取值點(diǎn)的平均值作為出γ射線劑量與β射線劑量的等效關(guān)系；(2) 以3025kGy β射線輻照時(shí)的斷裂伸長率對應(yīng)點(diǎn)為等效關(guān)系；(3) 以各輻照劑量的等效關(guān)系的最大值作為等效關(guān)系；(4) 在各個(gè)取值點(diǎn)等效值相差較大時(shí)，可以取不同點(diǎn)的等效值，最終試驗(yàn)可以分段按照等效關(guān)系進(jìn)行輻照。最終取值由制造方、工程公司和設(shè)計(jì)院以及相關(guān)單位討論處理。

圖3 輻照劑量-斷裂伸長率保留率關(guān)系曲線(模擬)Fig.3 Irradiation Dose-Breaking Elongation Retention Relationship Curve(Hypothesized)注：由于試驗(yàn)的復(fù)雜性，實(shí)際趨勢未必如上圖理想，將基于實(shí)際數(shù)據(jù)，由試驗(yàn)方、樣品供應(yīng)商和設(shè)計(jì)院討論數(shù)據(jù)處理的具體方式；最終以試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)處理為準(zhǔn)。

表3 β射線與γ射線輻照劑量等效計(jì)算

4 結(jié)論

目前核電站所用的電纜鑒定標(biāo)準(zhǔn)對β輻照的劑量和方法沒有提出具體的建議，基于在AP1000項(xiàng)目中的工程經(jīng)驗(yàn)[12-15]，總結(jié)了β與γ等效轉(zhuǎn)換方案，此方案已在AP1000項(xiàng)目中得以驗(yàn)證，并得到各方認(rèn)可。CAP系列核電站用電纜的極高的技術(shù)要求，使得電纜用高分子材料的部分性能已接近或達(dá)到極限，因此，上述鑒定試驗(yàn)要求的明確，也將從側(cè)面加快新的高性能電纜用高分子材料的研發(fā)。

與此同時(shí)，AP1000殼內(nèi)電纜在各項(xiàng)鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目上的重大技術(shù)突破，還能為航空、冶金、特種制造、醫(yī)療器具等行業(yè)用電纜的研發(fā)帶來了新的啟迪。

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ResearchonβRadiationTestProposalofCAPSeriesNuclearPowerPlant’sCables

ZOUYing-nan，YANZhen-jie

(State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai 200233，China)

Comparison to China Second Generation plus PWR Nuclear Power Plant(NPP)CPR，F(xiàn)rance Third Generation of PWR NPP EPR and American used typical PWR NPPs，Beta radiation requirement is firstly required in CAP series NPP for cable qualification. Due to the nature of the β ray is the scattering of the electron beam or electron cloud which is hard to evaluate during the qualification testing，this paper did the research on the characteristics of β ray and proposed a qualification method about β radiation test. This paper mainly studied the damage mechanism of β ray and compared damage impacts between γ ray and β ray. Eventually，β radiation test plan was introduced in this paper. It mainly discussed how to convert β radiation to γ radiation by using the curve of dose and elongation. It will provide a theoretical basis for the following cable qualification tests.

CAP Series Nuclear Power Plant；Cable；β Radiation；Convert Proposal；Qualification Test

2017-09-11

鄒穎男(1968—)，女，吉林人，高級工程師，本科，現(xiàn)主要從事第三代核電AP1000項(xiàng)目技術(shù)管理與采購管理工作

TM247.1

A

0258-0918(2017)06-0908-05