γ射線對穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性影響的實驗研究

宋良軍　 張黎　張云　張彪　王博　何超　何堂將

摘? ?要：在壓水堆核電站中，穩(wěn)壓器通過電加熱元件控制和調節(jié)反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力的變化。電加熱元件絕緣電阻降低，存在安全隱患。本次試驗選取試驗件的絕緣材料為耐高溫、抗熱氧老化作用的交聯(lián)聚乙烯。將試驗件在放置于屏蔽水池內的輻照沉箱裝置中進行輻照實驗。結果表明γ射線累積劑量達975kGy±10%后，室溫絕緣電阻值、室溫絕緣強度、室溫電功率和線電阻仍然絕緣滿足;試驗件三維網狀結構分子鏈鍵穩(wěn)定，絕緣性良好。

關鍵詞：壓水堆核電站? γ射線? 交聯(lián)聚乙烯

中圖分類號：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0125-06

Abstract： In PWR nuclear power plant， the voltage stabilizer controls and regulates the pressure change of the reactor coolant system through the electric heating elements. The insulation resistance of electric heating elements is reduced， which is a potential safety hazard. The insulation material selected in this test is cross-linked polyethylene with high temperature resistance and thermal oxygen aging resistance. The test piece is irradiated in an irradiated caisson device placed in a shielding tank. The results showed that the insulation resistance value， insulation strength， power and line resistance at room temperature still satisfied when the accumulated gamma ray dose reached 975kGy±10%. The three-dimensional network structure of the test piece has stable molecular chain bonds and good insulation.

Key Words： PWR nuclear power plant; Gamma rays; Crosslinked polyethylene

在壓水堆核電站中，穩(wěn)壓器通過電加熱元件控制和調節(jié)反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力的變化。電加熱元件絕緣電阻降低，存在安全隱患[1]。電加熱元件垂直安裝在位于穩(wěn)壓器下封頭的套管中，構成一回路壓力邊界的一部分，電加熱元件壓力邊界部分浸沒在反應堆冷卻劑中加熱介質。穩(wěn)壓器電加熱器（或簡稱電加熱元件）在正常運行期間和事故期間可能會受到α射線、β射線、γ射線等的輻照考驗。由于γ射線的穿透力最強，我們對γ射線對穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響進行試驗研究。

絕緣材料溫度高，可能會加速斷裂老化的進程;光對塑料和橡膠等高分子材料會產生老化破壞作用。因此研究γ射線對穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響，需要規(guī)避光和熱對穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響。為了模擬核電站實際工況，實驗過程中需要保持連續(xù)換氣通風。為了規(guī)避光對穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響，實驗過程中需要屏蔽光。為了規(guī)避熱對穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響，實驗過程中需要對溫度進行控制。

核級設備鑒定中心輻照實驗室有井式輻照裝置和沉箱式輻照裝置。井式輻照裝置可以在固定高度通過增減放射源調節(jié)輻照空間劑量場的分布。井式輻照裝置空間小，劑量高，可以進行400℃的高溫試驗。沉箱式輻照裝置的放射源可以增減，也可以上下移動，因此通過調節(jié)可以使輻照空間劑量場分布更為均勻。沉箱式輻照裝置放置于屏蔽水池內，并且可以實現(xiàn)連續(xù)換氣通風、保持溫度恒定。本次試驗模擬核電廠實際工況，要求連續(xù)換氣，溫度保持70℃。因此我們選擇在沉箱式輻照裝置上進行輻照實驗。

本次試驗，先將穩(wěn)壓器電加熱元件在空間劑量率均為0.226Gy/s～0.295Gy/s（814Gy/h～1062Gy/h）的沉箱式輻照裝置中，持續(xù)輻照1095.5h，累積劑量達到1046.5kGy后取出，再將穩(wěn)壓器電加熱元件置于標準大氣條件中保持足夠的時間，使之達到熱平衡，對電加熱元件進行表面沾污測量，然后作輻照后外觀檢查及輻照后性能檢測。結果表明γ射線累積劑量達975kGy±10%后，室溫絕緣電阻值、室溫絕緣強度、室溫電功率和線電阻仍然絕緣滿足，這表明試驗件三維網狀結構分子鏈鍵穩(wěn)定，絕緣性良好。

1? 試驗

1.1 實驗裝置

穩(wěn)壓器電加熱元件輻照敏感典型段所處輻射場空間的劑量率均在0.14Gy/s～0.42Gy/s（0.5kGy/h～1.5kGy/h）范圍之內。輻照老化試驗累積劑量375kGy±10%;事故輻照試驗累積劑量600 kGy±10% 。

1.1.1 試驗件

電加熱元件由機械部件和電氣部件構成。機械部件包括外包殼和端塞及連接焊縫，是穩(wěn)壓器設備承壓邊界的一部分，為承壓部件。電氣部件主要包括發(fā)熱體、密封接線端、導體和絕緣材料，發(fā)熱體置于外包殼內。穩(wěn)壓器電加熱元件結構示意圖見圖1。

本研究選取三件穩(wěn)壓器電加熱元件進行試驗，編號分別為：001、002、003。規(guī)格參數(shù)見表1。電加熱元件的最小壽命為：在額定功率下工作10000h;在1/2額定功率下工作20000h。電氣性能參數(shù)為：

（1）在室溫1000V（DC）下，電加熱元件電阻絲與外包殼間的絕緣電阻：≥2000MΩ;

（2）正常工況下的電壓：（AC 50Hz）;

（3）異常工況下的電壓：（AC 50Hz）;

（4）單根電加熱元件的額定功率：24kW±6%（380V AC）;

（5）電加熱元件管外包殼單位面積上的最大功率（功率密度）：32W/cm2;

（6）2000V（50Hz AC）電壓下，最大允許漏電電流：10mA。

1.2.2 試驗設備及儀器

沉箱式輻照裝置是專用于核級設備輻照鑒定試驗的裝置，由主工藝系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、過程測量系統(tǒng)和參數(shù)顯示系統(tǒng)等組成。輻照沉箱（容器）是本裝置的重要設備，放置于屏蔽水池內，是一密閉的并具有一定絕熱效果的輻照空間，其構成的并可確定的有效輻照空間約為1200mm×1200mm×1300mm，可以滿足電加熱元件敏感典型段對輻照空間的要求。

根據(jù)裝載設計，在輻照沉箱周圍布置22根棒狀鈷源，上下錯位安裝，在箱內構成均勻并對稱的輻照場，輻照沉箱示意結構如圖2所示。具備輻照空間的恒溫控制、連續(xù)更新?lián)Q氣功能和適用的劑量率分布。

采用重鉻酸鉀（銀）工作劑量計作為輻照劑量測量器具，經計量技術機構檢定合格，其量值可溯源到國家基準。采用紫外可見分光光度計，測量輻照前后重鉻酸鉀（銀）工作劑量計溶液吸光度的變化值，進而求得各測量點劑量率的值。儀器型號為DR5000型，經計量技術機構檢定合格，并在有效期內。測量支架放置在輻照場內，用于輻射場測量時測點定位和劑量計放置，測量支架共8層，第1層距底面為345mm，第1層到第6層，每層間距200mm;第6層到第8層，每層間距135mm。同層相鄰定位孔間距均為200mm，測量支架見圖3。輻照沉箱溫度測量采用三支一體K型熱電偶溫度計，在沉箱內按A、B兩組對邊設置，每組按500mm間距三測點分布，共計6個溫度測點。換氣流量測點設置在出口管段，采用LWGQ-C-25S/S/S/N氣體渦輪流量計。用于參數(shù)測量的一、二次儀表均經計量技術機構檢定合格，并在有效期內。

1.2 試驗要求

將電加熱元件置于70℃±3℃溫度下的試驗箱內，試驗箱最少保持每小時3倍容積的空氣循環(huán)。當試驗箱內環(huán)境和設備均穩(wěn)定在70℃時開始照射。試驗期間樣機不通電。試驗參數(shù)為：

（1）電加熱元件處的劑量率：（1±0.5）kGy/h;

（2）累積輻照劑量為：975kGy±10%;

（3）輻照時間：≥250h。

1.3 試驗方法

1.3.1 輻照場測量

根據(jù)電加熱元敏感段尺寸及劑量率分布計算結果，在輻照場內擬定包容電加熱元件敏感段的合理空間，并采用化學劑量計布點測量，以劑量率測量結果加以最終確定。

選取測量支架2-6層中心400mm×400mm空間進行輻照場測量，每層9個測點。測點示意圖見圖4。其測量結果可反映電加熱元件敏感段所處輻照空間的劑量率分布情況。測量結果見表2。

1.3.2 試驗件安裝

電加熱元件不通電，吊裝在輻照沉箱（容器）內。為保證所處空間溫度均勻性，將電加熱元件及熱電偶裝入Ф200mm的鋁筒內，鋁筒底部有空氣分流板，使熱空氣均勻流過電加熱元件，增加溫度控制的精確性，鋁筒部外壁鉆有Ф20mm的孔洞，以便于電加熱元件電纜引出，保證電纜彎曲半徑大于最小彎曲半徑40d（440mm），電加熱元件安裝方式見附錄A圖A1、A2所示，電加熱元件敏感段可全部落入經測量驗證的有效輻照空間內。

1.3.3 輻照方法

（1）將輻照沉箱放置于屏蔽水池內安裝就位，輻照試驗在干燥空氣中進行。在達到熱平衡后，并且輻照沉箱內溫度、換氣量等參數(shù)滿足要求，裝載鈷靶，輻照過程開始;

（2）合并為一個階段連續(xù)進行電加熱元件輻照，模擬其安裝壽期內正常運行環(huán)境下累積劑量和事故環(huán)境下累積劑量;

（3）試驗結束后，將電加熱元件置于標準大氣條件中保持足夠的時間，使之達到熱平衡，作輻照后外觀檢查及輻照后性能檢測。

1.4 試驗過程

1.4.1 溫度

在整個輻照試驗運行過程中溫度條件穩(wěn)定，輻照沉箱內6個測點的溫度分布在69℃～71℃范圍內，滿足溫度試驗條件要求，典型值見表3。

1.4.2 換氣量

在整個輻照試驗運行過程中換氣量保持在約2.0m3/h，滿足以每小時3倍容積的最低速度更新沉箱內空氣的試驗條件要求。

1.4.3 劑量率

電加熱元件敏感段位于測量支架2～5層，該輻照空間劑量率均在0.23Gy/s～0.30Gy/s（828Gy/h～1080Gy/h）范圍內，滿足輻照鑒定試驗劑量率嚴酷程度要求。測量結果見測字第2017-D013號《檢測報告》，不確定度為8%。

由于輻照試驗運行時間較長，因此鈷源放射性活度衰變對輻照場的影響是不可忽視的因素。輻照空間劑量率可由下式確定：

式中：D0—初始劑量率;t—距初始時刻的時間;λ—衰變常數(shù)，等于ln2/T1/2。

取《檢測報告》的結果為初始劑量率，60Co輻射源半衰期T1/2為5.27年，于2017年12月8日輻照過程結束。按（1）式計算，所在空間劑量率均在0.226Gy/s～0.295Gy/s（814Gy/h～1062Gy/h）范圍內。因此在輻照試驗的全過程中，輻照空間劑量率始終滿足輻照試驗嚴酷程度要求。

1.4.4 累積劑量

確定輻照時間的劑量率按電加熱元件所處空間的平均值計，同時考慮了會引起偏差的放射性活度衰變和劑量率測量結果不確定度等因素，實際輻照時間為45d15h29min。

電加熱元件累積劑量按下式確定：

（2）

式中：t1—開始輻照時刻;t2—輻照結束時刻;—t1時刻對應劑量率平均值;λ—衰變常數(shù)。

根據(jù)輻照時間按式（2）計算累積劑量為：1046.5kGy。輻照鑒定試驗實際累積劑量在975kGy±10%范圍內。因此，輻照時間足以保證輻照鑒定試驗的嚴酷程度要求。

2? 試驗結果及分析

輻照老化試驗后，對電加熱元件進行外觀檢查，檢查結果為：電加熱元件外部結構的完整性，外觀的完好。其外觀的完好性和裝配的完整性符合設計圖要求。電加熱元件外包殼、端塞及其焊縫在外部水壓試驗工況下沒有發(fā)生變形或泄漏。

室溫絕緣電阻值測量、室溫絕緣強度試驗、室溫電功率和線電阻測量試驗結果見表4。其中：室溫絕緣電阻值測量，驗收準則為絕緣電阻值應≥2000MΩ。室溫絕緣強度試驗，驗收準則為試驗期間不應有放電、閃絡和擊穿現(xiàn)象，泄漏電流≤10mA。室溫電功率和線電阻測量，測量的直流電阻值應滿足：5.5Ω≤R≤6.2Ω;

冷態(tài)直流電阻值：5.831Ω≤R≤5.884Ω;

絕緣強度：泄漏電流≤1.371mA。試驗期間無放電、閃絡和擊穿現(xiàn)象;

絕緣電阻值：>2000 MΩ。

2.1 熱氧老化作用

交聯(lián)聚乙烯絕緣是使聚乙烯分子由線性分子結構變?yōu)槿S網狀結構，由熱塑性材料變成熱固性材料，使材料的耐熱溫度從70℃提高到100℃。網狀立體結構的交聯(lián)聚乙烯具有十分優(yōu)異的耐熱性能。在200℃以下不會分解及碳化，熱壽命可達40年[2]。王柏東等在《ACOME電纜的老化分析》中業(yè)提到，在進行產品設計時，可以選取耐溫等級更好的電纜料來進行生產。

絕緣材料溫度高，可能會加速斷裂老化的進程該反應被稱為熱氧老化作用。聚乙烯（交聯(lián)聚乙烯）在內的聚烯短類材料，在隔絕氧氣條件下受熱是穩(wěn)定的，本次試驗電加熱元件置于試驗箱內，試驗箱最少保持每小時3倍容積的空氣循環(huán)。電加熱元件所處的試驗箱內溫度控制在70℃±3℃溫度。

本次試驗選用的電纜為耐高溫的材料，環(huán)境溫度控制在70±3℃，因此本次試驗中熱氧老化作用基本可以忽略。

2.2 光氧老化作用

光對塑料和橡膠等高分子材料會產生老化破壞作用，該反應被稱為光氧老化作用[3]。對于大多數(shù)塑料來說，最易造成破壞的敏感波長（塑料對其吸收最大）都在90～400nm之間。聚乙烯的光老化是紫外光和氧參與下的一系列復雜反應的結果[4]。現(xiàn)以P-H代表聚合物，破壞機理大致如下：

引發(fā)反應

P-H→P·+H·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

P-H→P-H·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

P·+O2→POO·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

P-H·++O2→POOH→（POO·+H.或PO·+HO·）? ? ?（6）

增長反應

POO·+ P-H→POOH+P·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

POOH→PO·+HO·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

PO·+P-H→POH+P·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

HO·+P-H→HOH+P·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

終止反應

P·+P·→P-P? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

2POO·→POOP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

POO·+PO·→POP+O2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

本次試驗的重要設備輻照沉箱（容器）是放置于屏蔽水池內，密閉的輻照空間，因此可見光導致的光老化作用可忽略。

2.3 輻照老化作用

本次試驗主要考驗γ射線對絕緣材料的老化作用。焦耳數(shù)等效的理念是增加老化測試中的輻照度就可以相應地縮短測試時間并得到相同的結果。例如在γ射線劑量率0.23Gy/s的的環(huán)境中輻照2小時的結果，與在γ射線劑量率0.46Gy/s的的環(huán)境中輻照1小時的結果相同。

結果表明本次試驗件材料在γ射線累積劑量達975kGy±10%后，室溫絕緣電阻值、室溫絕緣強度、室溫電功率和線電阻仍然絕緣滿足。γ射線累積劑量不高于975kGy時，γ射線輻照并沒有破壞電加熱元件絕緣性。

3? 結論

1）輻照試驗過程質量控制有效，試驗工況穩(wěn)定，監(jiān)視和測量設備的技術性能滿足試驗要求;

2）γ射線累積劑量達975kGy±10%后，電加熱元件外包殼、端塞及其焊縫在外部水壓試驗工況下沒有發(fā)生變形或泄漏;

3）γ射線累積劑量達975kGy±10%后，室溫絕緣電阻值、室溫絕緣強度、室溫電功率和線電阻仍然絕緣滿足;

4）γ射線累積劑量不高于975kGy時，試驗件三維網狀結構分子鏈鍵穩(wěn)定，絕緣性良好。

參考文獻

[1] 侯曄，余平，周勇，等.穩(wěn)壓器電加熱元件泄漏分析和檢測方案設計[J].核動力工程，2018.

[2] 王柏東，程仁良，戴忠華等.電纜開裂原因分析[J].核電工程與技術， 2005.

[3] 崔小明. 交聯(lián)聚乙烯的生產及應用[C].中國塑料加工工業(yè)協(xié)會專家委員會一次全體大會暨塑料新技術、新材料、新成果交流大會，2009.

[4] 王柏東，黃衛(wèi)剛，戴忠華，等.ACOME電纜的老化分析[J]. 核科學與工程，2005，25（3）：216-220.