反應(yīng)堆壓力容器輻照監(jiān)督

杜清良

【摘 要】反應(yīng)堆壓力容器使用的鐵素體鋼在快中子輻照下會產(chǎn)生輻照損傷，通過在反應(yīng)堆內(nèi)安裝一定數(shù)量的監(jiān)督管，定期抽取后進(jìn)行輻照監(jiān)督性能試驗(yàn)，以獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)對反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行壽命管理與評估。通過輻照監(jiān)督試驗(yàn)可以獲得表征反應(yīng)堆壓力容器材料脆化程度的評價(jià)參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】反應(yīng)堆壓力容器；輻照損傷；輻照監(jiān)督

中圖分類號： TL413 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0044-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.019

【Abstract】The ferrite steel used in the reactor pressure vessel will produce irradiation damage under fast neutron irradiation. Through installing a certain number of supervision tubes in the reactor，the irradiation supervision performance test is carried out after regular extraction.In order to obtain experimental data，the life management and evaluation of reactor pressure vessels were carried out.The evaluation parameters of brittle degree of reactor pressure vessel can be obtained by irradiation supervision test.

【Key words】Reactor pressure vessel；Irradiation damage；Irradiation surveillance

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器（簡稱“RPV”）在服役壽期內(nèi)的完整性對反應(yīng)堆安全性至關(guān)重要，在反應(yīng)堆壓力邊界完整性研究中，為防止RPV發(fā)生無延性破壞，對其在整個壽期內(nèi)的完整性進(jìn)行評價(jià)是最重要的研究課題。RPV的老化是一個復(fù)雜的過程，包含輻照脆化、熱老化、疲勞、磨損等多種老化機(jī)理。從核安全管理和老化管理的角度考慮，進(jìn)行RPV輻照監(jiān)督的研究工作，具有非常重要的意義。國際上通用的RPV輻照監(jiān)督方法是在堆內(nèi)構(gòu)件吊籃外放置監(jiān)督管，定期抽取后進(jìn)行輻照監(jiān)督性能試驗(yàn)。從而獲得RPV輻照環(huán)境數(shù)據(jù)、材料的力學(xué)性能、脆化程度及發(fā)展趨勢，并利用這些數(shù)據(jù)對其完整性進(jìn)行評價(jià)，確定在役檢查階段一回路水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度、升溫/降溫階段的P-T運(yùn)行限值曲線，修改反應(yīng)堆運(yùn)行參數(shù)，同時為電站壽命管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 輻照損傷機(jī)理

鐵素體鋼在經(jīng)受高能中子輻照后，將會產(chǎn)生輻照缺陷，使金屬材料組織發(fā)生變化；同時，材料的性能會出現(xiàn)輻照硬化、脆化、蠕變和疲勞等現(xiàn)象。輻照硬化通常是指屈服應(yīng)力和拉伸極限的提高，二者都是快中子劑量和溫度的函數(shù)。高能中子輻照除產(chǎn)生缺陷外，會引起核嬗變反應(yīng)，使材料的原子核發(fā)生變化，這些嬗變核的反沖亦造成一定損傷。輻照缺陷經(jīng)過復(fù)合、聚集和演化，形成一些穩(wěn)定的缺陷和一些合金元素的偏析及新相，它們有點(diǎn)缺陷、空位團(tuán)、間隙原子團(tuán)、位錯環(huán)、層錯四面體、空洞、碳化物沉淀物、氦氣泡和一些新相。壓水堆的RPV鋼材一般選用的是鐵素體鋼，該材料具有BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，同樣存在輻照脆性。

載能粒子在固體內(nèi)慢化過程中將部分能量以彈性碰撞的方式傳輸給被擊點(diǎn)陣原子。被擊點(diǎn)陣原子稱為初級碰撞原子，而被入射粒子擊出的點(diǎn)陣原子稱為初級離位原子。初級離位原子可能帶有相當(dāng)大的能量，在固體中經(jīng)歷碰撞過程，并使其他靜止的點(diǎn)陣原子也處于運(yùn)動之中從而激起碰撞級聯(lián)。這些相繼運(yùn)動的原子靜止下來時，在固體內(nèi)形成同等數(shù)目的點(diǎn)陣空位和離位原子，并導(dǎo)致固體的點(diǎn)陣損傷。晶體內(nèi)原子都是規(guī)律、周期性重復(fù)排列的，由此構(gòu)成各種不同的點(diǎn)陣。任何使這種周期性排列發(fā)生破壞的晶體，都稱為晶體內(nèi)存在缺陷。

2 超前因子

超前因子是指輻照監(jiān)督管內(nèi)試樣的中子注量（E>1MeV）與所代表的RPV相應(yīng)部位內(nèi)表面（峰值）中子注量處的中子注量之比。 在ASTM E185-02中對超前因子的定義是：The ratio of the neutron fluence rate at the specimens in a surveillance capsule to the neutron fluence rate at the reactor pressure vessel inside surface peak fluence location。

選擇超前因子應(yīng)以減少將試樣監(jiān)測結(jié)果外推到RPV本體的計(jì)算不確定度為原則，并盡可能擴(kuò)大監(jiān)督大綱對RPV全壽期內(nèi)材料性能變化的監(jiān)測能力。在ASTM E185中，超前因子一般取1～3。影響超前因子的因素很多，主要集中在以下幾個方面：（1）反應(yīng)堆堆型、結(jié)構(gòu)；（2）監(jiān)督管在RPV周向的安裝位置；（3）監(jiān)督管在RPV軸向的安裝位置；（4）燃料管理方案。歸根結(jié)底還是由于反應(yīng)堆堆型、監(jiān)督管安裝位置以及燃料管理方案的不同，造成輻照監(jiān)督管所處的位置受到的輻照量與RPV內(nèi)壁所受到的輻照量的比值不同造成的。

3 RPV輻照監(jiān)督參數(shù)

每根輻照監(jiān)督管內(nèi)裝載的試樣主要有溫度探測器、中子注量探測器以及力學(xué)性能試樣三類。在役核電廠根據(jù)RPV輻照監(jiān)督大綱規(guī)定的時間間隔抽取出輻照監(jiān)督管后，需要進(jìn)行一系列的試驗(yàn)和分析工作。

3.1 溫度監(jiān)測

輻照溫度對鋼材的輻照損傷是有影響的，輻照溫度越高，鋼材的脆化程度越低。為了使輻照監(jiān)督試樣的監(jiān)測結(jié)果能夠更好的代表RPV材料性能的變化，要求溫度探測器監(jiān)測的輻照溫度應(yīng)盡可能的接近RPV的輻照溫度。每根輻照監(jiān)督管內(nèi)均設(shè)置了三組溫度探測器，并與活化劑量探測器一同分布在輻照監(jiān)督管的上部、中部和下部。

輻照監(jiān)督管切割解體后，通過直接目視，掃描電鏡觀察溫敏材料是否發(fā)生熔化從而判斷出RPV所經(jīng)歷最高溫度范圍是否超出溫敏材料的監(jiān)測范圍，達(dá)到監(jiān)測RPV所經(jīng)歷最高溫度范圍的目的。

3.2 中子注量監(jiān)測

中子注量測量參照ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過探測片質(zhì)量稱量、活度測量及中子注量率計(jì)算，獲得輻照監(jiān)督管的快中子注量，驗(yàn)證中子注量理論計(jì)算結(jié)果。中子注量計(jì)算是通過跟蹤每一循環(huán)輻照監(jiān)督管、壓力容器內(nèi)壁和內(nèi)1/4壁厚處的快中子注量和超前因子，計(jì)算壓力容器內(nèi)壁快中子注量周向和軸向分布。

每根輻照監(jiān)督管中均裝載有兩類劑量探測器：裂變劑量探測器和活化劑量探測器。其中，裂變劑量探測器為2個；活化劑量探測器分為三組，分布在輻照監(jiān)督管的上部、中部和下部，用于探測出沿軸向高度的中子通量分布情況。探測器能反映中子的輻照強(qiáng)度，通過用γ譜儀和中子物理方法進(jìn)行分析處理，計(jì)算出輻照監(jiān)督管安裝處的熱中子和快中子注量。

3.3 力學(xué)性能監(jiān)測

輻照監(jiān)督管中的力學(xué)性能試驗(yàn)分為夏比V沖擊試驗(yàn)、落錘沖擊試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、緊湊拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)四類。

3.3.1 沖擊試驗(yàn)

a、冷態(tài)試樣

冷態(tài)試樣進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)包括夏比V沖擊試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)。進(jìn)行冷態(tài)試樣的夏比V沖擊試驗(yàn)是為了確定RPV材料的初始RTNDT，包括堆芯筒體、下封頭過渡段與堆芯筒體間的焊縫熔敷金屬和對應(yīng)的熱影響區(qū)金屬。

b、輻照后試樣

輻照后的試樣需進(jìn)行夏比V沖擊試驗(yàn)，試樣包括母材、焊縫金屬、熱影響區(qū)金屬及參考材料，沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于繪制沖擊韌性曲線、側(cè)膨脹量曲線和韌性斷面曲線。在得到各組試樣的試驗(yàn)參數(shù)后，結(jié)合冷態(tài)試樣試驗(yàn)獲得的無脆性轉(zhuǎn)變溫度（TNDT）和初始參考轉(zhuǎn)變溫度（RTNDTi），按照以下公式計(jì)算出輻照后的RTNDT值：

RTNDT=RTNDTi+△TCV（△TCV取△T56J與△T0.89mm的大值）

母材和焊縫金屬因輻照效應(yīng)所導(dǎo)致的參考韌脆轉(zhuǎn)變溫度變化值（△RTNDT）的預(yù)測值，可參照RCC-M附錄ZG3430公式進(jìn)行計(jì)算：

ΔRTNDT=[22+556 （%Cu-0.08）+2778 （ %P-0.008）] [f/1019]1/2

受監(jiān)測材料的RTNDT實(shí)際值至多等于其理論預(yù)測值。 RTNDT實(shí)際值不致于質(zhì)疑預(yù)計(jì)曲線時，則曲線值可用于確定調(diào)整水壓試驗(yàn)、機(jī)組運(yùn)行等參數(shù)。RTNDT實(shí)際值明顯高于理論預(yù)測值，則視為一個異常。

3.3.2 拉伸試驗(yàn)

冷態(tài)試樣和輻照后試樣的拉伸試驗(yàn)分別在20℃和292℃下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)材料包括母材和焊縫金屬試樣，實(shí)驗(yàn)要求按ASTM E8M（2004）和ASTM E21（2005）執(zhí)行。通過試驗(yàn)獲得材料在對應(yīng)溫度下的抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σ0.2、斷面收縮率ψ、延伸率δ等參數(shù)。

緊湊拉伸試驗(yàn)用于確定材料的動態(tài)臨界應(yīng)力因子KⅠd，冷態(tài)緊湊拉伸試驗(yàn)為輻照后的緊湊拉伸試驗(yàn)提供對比數(shù)據(jù)。緊湊拉伸試驗(yàn)選取的溫度點(diǎn)包括RTNDT和RTNDT+30℃兩個溫度點(diǎn)，還可以選取其他溫度。彎曲試驗(yàn)用于確定材料的靜態(tài)臨界應(yīng)力因子K1C，冷態(tài)彎曲試驗(yàn)為輻照后的彎曲試驗(yàn)提供對比數(shù)據(jù)。

4 輻照監(jiān)督管的數(shù)量

一般，每臺RPV設(shè)置8根輻照監(jiān)督管，在首次裝料前入堆安裝6根，剩余2根作為備用；此外，每臺RPV均設(shè)置有相應(yīng)的冷態(tài)試樣、母材見證件以及能夠加工2根輻照監(jiān)督管所需試樣的檔案材料。首次入堆輻照監(jiān)督管數(shù)量對機(jī)組今后的輻照監(jiān)督計(jì)劃以及老化管理有明顯影響，營運(yùn)單位需根據(jù)燃料管理方案及機(jī)組延壽等因素，決定首次安裝入堆的輻照監(jiān)督管數(shù)量。

5 結(jié)論

通過定期提取輻照監(jiān)督管進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)和分析是RPV壽命管理與評估最重要的手段，輻照監(jiān)督管內(nèi)裝載的試樣經(jīng)過試驗(yàn)后可獲得相關(guān)評價(jià)數(shù)據(jù)。（1）通過比較監(jiān)督試樣輻照前、后力學(xué)性能的變化，確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度增量ΔRTNDT，指導(dǎo)一回路水壓試驗(yàn)中溫度的選擇、修正機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，并決定在運(yùn)行后期是否要進(jìn)行退火處理；（2）將測定的轉(zhuǎn)變溫度增量與預(yù)計(jì)的轉(zhuǎn)變溫度增量進(jìn)行比較，將中子注量監(jiān)測值與設(shè)計(jì)值比較，驗(yàn)證原設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的正確性；（3）確定RPV的輻照脆化趨勢；（4）根據(jù)監(jiān)督結(jié)果對其后的監(jiān)督管抽取時間是否變更提出建議。

【參考文獻(xiàn)】

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