堆芯儀表套管組件的研制

吳方亮,黃 滿,陳 宇,應(yīng)珠微,李 亮

(1.浙江倫特機(jī)電有限公司,浙江 溫州 325600;2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082)

0 引言

現(xiàn)階段,國際核電建設(shè)發(fā)展進(jìn)入第三代。 目前具有代表性的第三代核電技術(shù)有:AP1000 非能動先進(jìn)壓水堆、歐洲EPR 壓水堆、韓國APR1400 先進(jìn)壓水堆、日本三菱APWR 先進(jìn)壓水堆和美國GE ABWR 先進(jìn)沸水堆/GE ESBWR 經(jīng)濟(jì)簡化型沸水堆。 第三代核電技術(shù)充分利用幾十年來的科技成果,按照當(dāng)前新的核安全法規(guī)設(shè)計(jì),把防范嚴(yán)重事故作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn),考慮了安全殼在嚴(yán)重事故情況下的負(fù)載,大大提高了核電的安全性。

我國已全面引進(jìn)AP1000 核電技術(shù)。 其中,浙江三門、山東海陽兩個(gè)自主化依托項(xiàng)目已并網(wǎng)發(fā)電。 在消化、吸收、全面掌握我國引進(jìn)的第三代先進(jìn)核電AP1000 非能動技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過再創(chuàng)新開發(fā)出了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動大型CAP1400 先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組,而以堆芯儀表套管組件為代表的核心儀表亟需實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化研制[1]。

1 關(guān)鍵突破點(diǎn)

“十二五”期間,在國家科技重大專項(xiàng)的支持下,國內(nèi)相關(guān)研究院所和企業(yè)單位開展了大量的核電廠設(shè)備國產(chǎn)化研制工作,取得了很多重要突破,同時(shí)也暴露出不少問題。 對于堆芯儀表套管組件,在引進(jìn)AP1000技術(shù)時(shí)[2],由于涉及第三方知識產(chǎn)權(quán),轉(zhuǎn)讓方不提供相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)讓,相關(guān)國產(chǎn)化單位在境外采購時(shí)難以規(guī)避轉(zhuǎn)讓方嚴(yán)苛的知識產(chǎn)權(quán)條款,從而較難采購到滿足要求的堆芯儀表套管組件。 同時(shí),堆芯儀表套管組件技術(shù)要求高、功能特殊、研制難度大、用量小,國內(nèi)缺乏相應(yīng)的供貨配套能力。 上述局面嚴(yán)重制約堆芯儀表套管組件的國產(chǎn)化。

為了改變以上狀況,在“十三五”期間,通過國家科技重大專項(xiàng)的支持,集中國內(nèi)相關(guān)研制力量開展專項(xiàng)攻關(guān),掌握了核電廠自給能中子探測器的功能要求、設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝、鑒定試驗(yàn)方法等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了堆芯儀表套管組件的國產(chǎn)化,打破了外方在堆芯儀表套管組件方面對我國大型先進(jìn)壓水堆核電站研制工作的限制,走出了堆芯儀表套管組件依賴進(jìn)口的困境,推動了核電廠設(shè)備的國產(chǎn)化,提高了專項(xiàng)工程的國產(chǎn)化率。 通過堆上試驗(yàn),驗(yàn)證了自給能中子探測器的靈敏度、線性度、一致性標(biāo)準(zhǔn)偏差、相干性因子、停堆響應(yīng)時(shí)間基本滿足設(shè)計(jì)要求。

2 國產(chǎn)化難點(diǎn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)受限

由于我國核電產(chǎn)業(yè)相關(guān)材料、元器件生產(chǎn)加工等(如發(fā)射體原材料釩絲、熱電偶原材料NiCr-NiAl[3]、1E 級電氣連接器)基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展滯后,嚴(yán)重制約了核級儀表的國產(chǎn)化腳步。

2.2 設(shè)備研發(fā)投入高、周期長

1E 級儀表的設(shè)備研發(fā)和試驗(yàn)費(fèi)用投入大,研發(fā)周期和試驗(yàn)周期長。 儀表制造商需要投入大量的資源作為保障,需使用大量檢測和生產(chǎn)設(shè)備,以滿足制造和試驗(yàn)需求。

由于設(shè)計(jì)壽命長,2.5×105Gy 高輻照劑量、400 ℃高溫、長時(shí)間化學(xué)水淹等特殊環(huán)境指標(biāo)要求遠(yuǎn)高于現(xiàn)有產(chǎn)品指標(biāo),自給能中子探測器、發(fā)射體與信號線的連接信號線、堆芯儀表套管組件的研制在設(shè)計(jì)及制造方面存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3 戰(zhàn)略意義

堆芯儀表套管組件現(xiàn)為發(fā)達(dá)國家供貨商所壟斷,價(jià)格昂貴、供貨周期長,且其采購及使用受發(fā)達(dá)國家政府嚴(yán)格限制和監(jiān)控,嚴(yán)重掣肘我國核電事業(yè)的自主發(fā)展和“走出去”戰(zhàn)略,也不利于國家的保密安全工作。

自主研發(fā)堆芯儀表套管組件,有利于打破發(fā)達(dá)國家的壟斷,形成充分競爭,能夠大幅降低采購成本,方便供貨及維護(hù),更加契合國家核電發(fā)展的需求,以保障國家戰(zhàn)略利益。

開展核電站配套核級儀表的研究是實(shí)現(xiàn)大型先進(jìn)壓水堆核電站國產(chǎn)化的關(guān)鍵之一,是我國大力發(fā)展核電事業(yè)的需要,是防止國外對我國實(shí)行技術(shù)封鎖的需要,是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的需要。 核電站核級儀表的研究需要多學(xué)科、多領(lǐng)域相互協(xié)作配合,可以帶動相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。 由于核電建設(shè)在政治上具有重要的戰(zhàn)略地位,掌握核電站的核心技術(shù)具有重要戰(zhàn)略意義。

通過研究,掌握堆芯儀表套管組件制造和鑒定技術(shù),具備堆芯儀表套管組件制造和鑒定能力,為國家科技重大專項(xiàng)支持的自主研發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 產(chǎn)品研制

為減少CAP1400 反應(yīng)堆內(nèi)部核測儀表的接口、降低復(fù)雜性并提高可靠性,堆芯儀表套管組件內(nèi)集成了熱電偶及自給能中子探測器。 其主要用于測量反應(yīng)堆堆芯中子的軸向和徑向分布、監(jiān)測堆芯功率畸變、積累燃耗數(shù)據(jù),是核電站安全可靠啟動、運(yùn)行的重要測量手段。

4.1 主要功能

①連續(xù)監(jiān)測堆芯活性區(qū)中子注量的分布和變化,展平中子注量,為實(shí)現(xiàn)功率密度的最佳分布提供依據(jù)。

②積累燃料組件的燃耗深度數(shù)據(jù),指導(dǎo)合理換料。

③參與反應(yīng)堆保護(hù),即參與PP2 (2 類預(yù)保護(hù),禁止提棒)、PP1 (1 類預(yù)保護(hù),快速降功率)和EP (事故停堆)。

④可作為計(jì)算燃料元件線功率和泡核沸騰比(departure from nucleate boiling ratio,DNBR)的依據(jù)之一。

自給能中子探測器是一種在射線作用下通過自身吸收中子后的核衰變產(chǎn)生輸出電流的固體探測器。 它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐高溫高壓、測量范圍寬、不需附加電源、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。

自主化設(shè)計(jì)的堆芯儀表套管組件的整體結(jié)構(gòu)由防塵罩、電氣連接器、延伸段、集管、套管、熱電偶、帶加熱器的熱電偶、中子探測器、子彈頭端塞組成。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由熱電偶與多支中子探測器通過集管釬焊固定在一起:集管與延伸段焊接,熱電偶引線及中子探測器引線與電氣連接器端子連接,延伸段與電氣連接器焊接;集管與套管焊接,套管與子彈頭端塞焊接,套管充氦氣后,子彈頭端塞焊接封頭。 其中:中子探測器有多支,最長探測器的長度對應(yīng)整個(gè)反應(yīng)堆堆芯高度,其余探測器長度從最長探測器開始按等間距遞減,或者探測器長度相同,沿軸向等距分布。

4.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

①由于中子探測器為自給能探測器,不需要外加偏壓電源,僅需皮安計(jì)即可讀出探測器電流。

②自給能中子探測器采用低燃耗材料,大幅提高使用壽命。 自給能中子探測器的發(fā)射體采用熱中子反應(yīng)截面大的金屬材料,可采用釩、銠、鈷等敏感材料。

③套管與子彈頭端塞外徑較小,能耐受堆芯內(nèi)部的高溫、高壓、高腐蝕及強(qiáng)輻射。 集管與套管之間的焊縫、集管與熱電偶及自給能中子探測器的釬焊焊縫、外殼破損后的熱電偶及中子探測器也能耐受堆芯內(nèi)部的高溫、高壓、高腐蝕,起到二次保護(hù)作用。

④熱電偶及自給能中子探測器與電氣連接器電連接,可降低環(huán)境輻射對探測器電氣回路的電磁干擾、提高溫度測量及中子注量率測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

⑤堆芯儀表接管貫穿件路徑不是平直結(jié)構(gòu),而是空間曲線。 因此套管端部采用子彈頭結(jié)構(gòu),起到導(dǎo)引作用,使套管易于穿過堆芯儀表接管貫穿件。

⑥自給能中子探測器信號線采用無機(jī)鎧裝電纜,能耐受堆芯內(nèi)部高溫和高輻照,以避免自給能中子探測器因信號線損壞而失效。

⑦絕緣采用高純度氧化鋁[4],不易吸潮、老化,高溫絕緣電阻高,對中子穿透影響少,能有效提高自給能中子探測器的測量精度。 其本身壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自給能中子探測器的壽命,所以對探測器的壽命沒有負(fù)面影響。

⑧堆芯儀表套管組件內(nèi)先抽除空氣至真空,再充入至少1 個(gè)大氣壓的氦氣,以避免成分復(fù)雜的空氣參與核反應(yīng),對測量產(chǎn)生干擾,從而提高套管組件的穩(wěn)定性。 氦氣導(dǎo)熱率高傳熱快,是一種低密度且安全、穩(wěn)定的惰性氣體。

⑨與信號線相對應(yīng),中子探測器可以同時(shí)設(shè)置一條本底信號線,以抵消信號線自身的噪聲信號、提高探測器的靈敏度。

⑩結(jié)構(gòu)簡單、外殼堅(jiān)固、體積小,能較好地適應(yīng)堆內(nèi)復(fù)雜環(huán)境[5]。

4.3 產(chǎn)品試驗(yàn)

4.3.1 基準(zhǔn)性能試驗(yàn)

熱電偶允差及絕緣性能滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備規(guī)范書要求。 釩自給能中子探測器常溫及高溫絕緣性能滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備規(guī)范書要求。 堆芯儀表套管組件壓力邊界通過無損檢驗(yàn)和水壓檢驗(yàn)[6]。

4.3.2 鑒定試驗(yàn)

按鑒定要求,委托上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測試所有限公司、國核核電設(shè)備與材料鑒定咨詢中心對鑒定樣機(jī)進(jìn)行了K1 類質(zhì)量鑒定[7],完成了基準(zhǔn)性能試驗(yàn)、電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)試驗(yàn)、第一階段熱循環(huán)試驗(yàn)、機(jī)械老化試驗(yàn)、加速熱老化試驗(yàn)、輻照老化試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、第二次熱循環(huán)試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)、安全殼壓力試驗(yàn)及冷卻劑喪失事故(loss of coolant accident,LOCA)試驗(yàn)[8]。 試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)樣機(jī)損壞和故障現(xiàn)象,鑒定樣機(jī)功能、性能指標(biāo)符合設(shè)備規(guī)范書要求。

4.3.3 堆上試驗(yàn)

在中國原子能科學(xué)研究院進(jìn)行堆上試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對CAP1400 自給能中子探測器工程樣機(jī)(釩絲直徑為1.0 mm)中子特性的研究。 通過堆上試驗(yàn),完成了釩自給能中子探測器工程樣機(jī)在不同功率等級下中子特性的測量。 試驗(yàn)過程中,中子通量水平、溫度條件等滿足CAP1400 示范工程的設(shè)計(jì)要求,探測器數(shù)據(jù)穩(wěn)定、有效。 釩自給能中子探測器的中子靈敏度、線性度、一致性偏差、相干性因子均符合設(shè)備規(guī)范書的要求。 一致性標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過±2%,在標(biāo)準(zhǔn)參考值±3%以內(nèi)[9]。

4.3.4 嚴(yán)重事故可用性驗(yàn)證試驗(yàn)

在中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所進(jìn)行嚴(yán)重事故下可用性驗(yàn)證試驗(yàn),堆芯儀表套管組件樣機(jī)熱電偶通道保持正常工作,執(zhí)行安全功能,符合設(shè)備規(guī)范書要求。

5 結(jié)論

本文完成了釩自給能中子探測器、熱電偶等關(guān)鍵性能的測試及集成,并通過鑒定試驗(yàn)、堆上試驗(yàn)及嚴(yán)重事故可用性驗(yàn)證試驗(yàn),使其滿足工程應(yīng)用需求。 通過研發(fā),積累基于自給能中子探測器的堆芯儀表系統(tǒng)的加工制造經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等,將為其他新型堆芯儀表系統(tǒng)在國內(nèi)的長遠(yuǎn)發(fā)展提供重要的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)施基礎(chǔ),從而促進(jìn)國內(nèi)該技術(shù)的良性發(fā)展。 堆芯儀表套管組件的成功研制可用于核電廠中,將打破國外技術(shù)及供貨壟斷,極大地降低核電廠儀表運(yùn)維成本。