核電廠核級電纜輻照老化規(guī)律研究

趙鵬宇　孫黎

【摘 要】核電廠核級電纜與常規(guī)火電廠電纜一大不同之處為其相對惡劣的服役環(huán)境，其中輻照環(huán)境是核電廠所特有，隨著服役時間的增加，電纜護套和絕緣的聚合物材料在強輻照、高溫環(huán)境下會隨著時間的推移發(fā)生各種緩慢的、不可逆的化學(xué)變化和物理變化，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致電纜安全功能的喪失。鑒于我國核設(shè)施電纜輻照老化規(guī)律方面的研究還并不成熟的現(xiàn)狀，開展核電廠核級電纜的輻照老化規(guī)律研究，通過模擬輻照老化試驗及其后續(xù)的性能測試，分析核級電纜輻照老化規(guī)律。通過研究可知，各類核級電纜聚合物材料在輻照環(huán)境下所展現(xiàn)的老化規(guī)律相近，且不同累積輻照劑量區(qū)間下，輻照劑量率對電纜老化狀態(tài)的影響存在差異。

【關(guān)鍵字】核級電纜;輻照老化;輻照劑量率;斷裂伸長率

中圖分類號： TM246;TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）29-0219-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.104

0 概述

在典型的壓水堆核電廠中，電纜通過套管、橋架等支撐結(jié)構(gòu)從電力供應(yīng)區(qū)域引出至主控臺，經(jīng)過控制站，穿過電氣貫穿件進入安全殼，進行電力輸送和各種儀表和控制信號的傳輸。安裝在安全殼內(nèi)或其他存在輻照風(fēng)險的環(huán)境中的核級電纜需要經(jīng)受嚴苛的輻照環(huán)境考驗，保證其功能完整性，確保核設(shè)施的安全穩(wěn)定運行。核級電纜運行時所面臨的主要問題是隨著服役時間的增加，電纜護套和絕緣的聚合物材料在強輻照、高溫環(huán)境下會隨著時間的推移發(fā)生各種緩慢的、不可逆的化學(xué)變化和物理變化，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致電纜安全功能的喪失。為應(yīng)對核級電纜老化問題，世界核電大國，包括國際原子能機構(gòu)（IAEA）、經(jīng)合組織（OECD）在內(nèi)的相關(guān)國際組織都相繼開展了電纜的老化壽命預(yù)測技術(shù)和老化狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)方面的研究工作。而我國核設(shè)施電纜輻照老化規(guī)律方面的研究還并不成熟，為此，本研究通過對對核設(shè)施核級電纜開展一系列輻照老化試驗及性能測試，研究電纜在輻照條件下的老化規(guī)律。

1 試驗設(shè)置

試驗對象為國內(nèi)核電廠常用的2種型號核級電纜。其編號分別為Ⅰ、Ⅱ。進行輻照加速老化試驗時所采用的試驗樣本為完整電纜，即電纜絕緣層被緊密包覆在電纜護套層以下。

輻照老化規(guī)律研究試驗包括實驗室輻照加速老化試驗和電纜老化后的性能測試。輻照加速老化試驗在輻照屏蔽室空氣環(huán)境下開展。在該測試環(huán)節(jié)中分別設(shè)置四種輻照劑量率輻照加速老化劑量率分別為63.7 Gy/h，261Gy/h，1019Gy/h，4219Gy/h。將核級電纜樣本置于不同輻照劑量率下進行加速老化，并在老化后進行電纜老化斷裂伸長率測試。

2 試驗結(jié)果分析

本章將對試驗獲得的各項試驗結(jié)果進行分析，并對各老條件下的測量結(jié)果展現(xiàn)出的規(guī)律性進行分析。樣本電纜全部接受了63.7Gy/h劑量率下的輻照加速老化;其中Ⅱ號還在本實驗的其它輻照劑量率下接受了多種輻照劑量率下的輻照加速老化，用以分析輻照劑量率對老化過程的影響。

針對各樣本電纜的絕緣及護套開展拉伸試驗，Ⅰ號電纜測試結(jié)果如圖1至所示，其余電纜斷裂伸長率變化規(guī)律與之類似，隨著輻照時間延長，斷裂伸長率逐漸降低。以斷裂伸長率表達的老化降質(zhì)趨勢接近于對數(shù)函數(shù)。各護套材料斷裂伸長率-輻照老化時間符合公式fEAB（t）=p+A*exp（t/x0）規(guī)律，各絕緣材料斷裂伸長率-輻照老化時間符合公式f（x）=A2+（A1-A2）/（1+exp（（x-x0）/dx）規(guī)律，公式擬合的可決系數(shù)R2均高于0.9。樣本電纜在本研究輻照累積區(qū)間內(nèi)的輻照老化規(guī)律基本滿足對數(shù)函數(shù)經(jīng)驗公式規(guī)律。

針對Ⅱ號電纜在63.7Gy/h，261Gy/h，1019Gy/h，4219Gy/h四個劑量率下加速老化后樣本的斷裂伸長率測量試驗結(jié)果的分析如下：

不同輻照劑量率下護套材料的斷裂伸長率性能曲線較為分散，而絕緣材料的斷裂伸長率性能曲線在輻照劑量率1000Gy/h及以下時相互接近。不同輻照劑量率對電纜護套老化狀態(tài)的影響比對電纜絕緣材料的影響更為顯著。

在累積劑量取累積劑量60kGy、120kGy、180kGy、240kGy對應(yīng)絕緣和護套材料的斷裂伸長率數(shù)值，如圖3。

在累積劑量相為60kGy時，被測電纜的絕緣/護套材料的斷裂伸長率數(shù)據(jù)值相近，該條件下輻照劑量率對電纜絕緣/護套材料老化程度并無顯著影響。

隨著輻照累積劑量升高（60kGy～240kGy），輻照劑量率開始對電纜輻照老化斷裂伸長率產(chǎn)生影響。當劑量率>1000Gy/h時，劑量率對電纜絕緣材料的斷裂伸長率影響顯著;當劑量率≤1000Gy/h時，各累積劑量下斷裂伸長率隨輻照劑量變化的曲線接近水平，劑量率對電纜絕緣材料輻照機械性能并無顯著影響。

3 結(jié)論

（1）樣本電纜的絕緣和護套在同一輻照老化環(huán)境下的老化規(guī)律都滿足對數(shù)函數(shù)形式。護套材料斷裂伸長率-輻照老化時間符合公式fEAB（t）=p+A*exp（t/x0）規(guī)律，各絕緣材料斷裂伸長率-輻照老化時間符合公式f（x）=A2+（A1-A2）/（1+exp（（x-x0）/dx）規(guī)律。

（2）在累積劑量相為60kGy時，在本研究的劑量率范圍內(nèi)，不論劑量率高低，其對電纜絕緣/護套的機械性能都沒有顯著影響，電纜的絕緣和護套材料的輻照老化斷裂伸長率主要受累積劑量影響。

（3）累積劑量升60kGy～240kGy范圍內(nèi)，輻照劑量率開始對電纜輻照老化斷裂伸長率產(chǎn)生影響，且輻照劑量率對電纜護套老化狀態(tài)的影響比對電纜絕緣材料的影響更為顯著。當劑量率≤1000Gy/h時，輻照劑量率對電纜絕緣材料輻照機械性能無顯著影響;當輻照劑量率>1000Gy/h時，材料的斷裂伸長率反而優(yōu)于低劑量率下的測試結(jié)果。

【參考文件】

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