中國(guó)核電站cpr1000堆型二代改進(jìn)型堆型研究

稱重壓力容器（rcs）是稱重壓力容器系統(tǒng)的重要設(shè)備。它是一個(gè)放置在堆芯上，并承受著巨大的運(yùn)營(yíng)壓力的封閉容器，也被稱為稱重氣的壓力容器。它為堆疊、堆芯和原子能發(fā)生器提供高度完整的壓力極限，以吸收沉積、堆芯和裂紋的產(chǎn)物。RPV是反應(yīng)堆冷卻劑的主要壓力邊界,也是防止放射性裂變產(chǎn)物逸出的第二道屏障。目前,中國(guó)國(guó)內(nèi)運(yùn)行和在建的核電站所采用的反應(yīng)堆堆型有CPR1000堆型(二代改進(jìn)型),AP1000堆型(非能動(dòng))等。廣東大亞灣嶺澳核電站(在運(yùn)行)和遼寧紅沿河、廣東陽(yáng)江、福建福清、福建寧德(在建)等項(xiàng)目都屬于CPR1000堆型,它是法國(guó)成熟的二代改進(jìn)型堆型。浙江三門、山東海陽(yáng)(在建)等核電站屬于AP1000堆型,其中三門1#、2#機(jī)組是美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的第三代核電的典型新堆型。雖然CPR1000堆型(二代改進(jìn)型)在世界范圍內(nèi)運(yùn)行狀況良好,但第三代核電技術(shù)對(duì)可靠性和安全性做了進(jìn)一步的改進(jìn),其安全性和經(jīng)濟(jì)性都得到很大提高。本文將從進(jìn)出口接管位置、下封頭結(jié)構(gòu)、保溫層和堆頂結(jié)構(gòu)等四個(gè)方面對(duì)AP1000與CPR1000RPV進(jìn)行對(duì)比分析:1輸入和輸出連接中心的軸線位置1.1主管道上的管道1.1.1CPR1000RPV是三進(jìn)三出三環(huán)路循環(huán)結(jié)構(gòu)的壓力容器,進(jìn)、出口接管在同一水平面上,接管中心軸線無(wú)軸向偏移;其安注接管設(shè)置在主管道上。1.1.2AP1000RPV是一個(gè)四進(jìn)兩出二環(huán)路循環(huán)結(jié)構(gòu)的壓力容器,進(jìn)、出口接管不在同一水平面上,進(jìn)口接管中心軸線比出口接管中心軸線高出444.5mm,兩個(gè)安注接管設(shè)置在接管段上,詳細(xì)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。1.2采用新的管路維修AP1000RPV進(jìn)口接管中心線高于出口接管中心線的目的在于:系統(tǒng)維修時(shí),如主泵維修,RPV中的水位下降到出口接管(熱管段)中心線以下,與進(jìn)口接管(冷管段)連接的主管道及主泵中就沒(méi)有水了,但堆芯保持被水淹沒(méi)。通過(guò)安注接管向反應(yīng)堆注水,安注接管、堆芯和出口接管組成一個(gè)新的循環(huán)系統(tǒng),此狀態(tài)為“半管運(yùn)行”,此時(shí)不需拆卸堆芯,就可以在余熱未完全排除的情況下維修主泵,節(jié)約了維修時(shí)間。在此狀態(tài)下,安注接管、堆芯和出口接管組成的循環(huán)系統(tǒng),起到了熱交換作用,將堆芯中產(chǎn)生的熱量通過(guò)該系統(tǒng)排出。而CPR1000RPV在諸如主泵等系統(tǒng)維修時(shí),需要完全排除壓力容器中的水,且需要拆卸堆芯,這樣不僅需要耗費(fèi)大量人力、物力,而且耗費(fèi)了大量時(shí)間;AP1000RPV接管位置的設(shè)置,使主泵維修時(shí)間大大降低。維修時(shí)間減少,反應(yīng)堆運(yùn)行的時(shí)間增加,經(jīng)濟(jì)效益提高。URD(美國(guó)核電用戶要求文件)中要求:接管的位置應(yīng)設(shè)置在堆芯以上,并且不應(yīng)影響換料操作、頂蓋區(qū)域的維護(hù)、壓力容器及主管道的在役檢查;接管的位置必須保證在系統(tǒng)維護(hù)時(shí)堆芯保持被水淹沒(méi),并有足夠的空間提供給正常運(yùn)行維護(hù)和檢查。AP1000RPV進(jìn)口接管中心線高于出口接管中心線的設(shè)計(jì)符合了URD的上述要求,主泵維修不需拆卸堆芯就可以進(jìn)行。2無(wú)貫穿孔和頂蓋快速loc儀表連接的設(shè)計(jì)2.1下封頭設(shè)置的種類目前大部分壓水堆的堆芯測(cè)量通道都設(shè)置在下封頭,如CPR1000RPV,也有一部分壓水堆設(shè)置在頂蓋上,如AP1000RPV。2.1.1CRP1000RPV在下封頭上共布置了50個(gè)中子測(cè)量管座,作為堆芯中子輻照測(cè)量?jī)x器的通道,并且在下封頭外壁中子測(cè)量管座孔處,堆焊了直徑100mm,厚度6.5mm的鎳基堆焊層(見(jiàn)圖2),堆焊層的作用是在下封頭出現(xiàn)泄露時(shí),可以通過(guò)該鎳基堆焊層進(jìn)行快速補(bǔ)焊。2.1.2AP1000RPV在下封頭上沒(méi)有設(shè)置中子測(cè)量管座,即下封頭是一體結(jié)構(gòu),無(wú)需開(kāi)任何孔。下封頭上減少了堆芯測(cè)量管座孔,AP1000RPV在設(shè)計(jì)時(shí),把堆芯測(cè)量通道布置到了頂蓋,在頂蓋上增加了8個(gè)Quickloc儀表接管,AP1000RPV的設(shè)計(jì)是讓所有的堆芯測(cè)量裝置從頂蓋向下伸入到堆芯,詳細(xì)的頂蓋Quickloc儀表接管結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。2.2下封頭焊縫增多,加加密制度難度加大,增加了公民URD(美國(guó)核電用戶要求文件)中要求:堆芯測(cè)量貫穿件設(shè)計(jì)時(shí),其位置的設(shè)置、布置和焊縫的數(shù)量應(yīng)盡量減少,且應(yīng)考慮在役檢查的難易性。CRP1000RPV下封頭上50個(gè)管座貫穿件,50道鎳基焊縫,一方面設(shè)置的焊縫增多,一方面下封頭上50個(gè)貫穿件,使核電站現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),RPV底部空間增高,增加了核電站現(xiàn)場(chǎng)安裝的難度。并且,如果出現(xiàn)下封頭泄露情況,盡管在下封頭外壁預(yù)堆了鎳基堆焊層,可以通過(guò)預(yù)堆的鎳基堆焊層進(jìn)行補(bǔ)焊,但由于鎳基堆焊層都位于RPV的底部,修補(bǔ)難度加大。而AP1000RPV在頂蓋上設(shè)置8個(gè)Quickloc儀表接管(除了CRDM驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)管座孔),把堆芯測(cè)量通道從下封頭移至頂蓋,一方面焊縫的數(shù)量減少了,一方面焊縫位于頂蓋上方,便于在役檢查。RPV設(shè)計(jì)時(shí),將堆芯測(cè)量貫穿件設(shè)置在堆芯上方,由于取消了下封頭貫穿件,減少了這些貫穿件泄露的可能性,因此,在實(shí)際應(yīng)用中和人們的感受上該結(jié)構(gòu)的安全性都得到加強(qiáng)。3保溫層結(jié)構(gòu)3.1保溫層的安裝RPV保溫層的作用是減少反應(yīng)堆熱損失,降低環(huán)境溫度。保溫層設(shè)置在RPV的外層,包容了整個(gè)RPV。保溫層為空氣腔金屬反射式的。CPR1000RPV保溫層和AP1000RPV保溫層區(qū)別僅在于筒體保溫層結(jié)構(gòu)上,頂蓋部分的保溫層結(jié)構(gòu)類似。3.1.1CPR1000RPV筒體保溫層設(shè)計(jì)時(shí),僅僅考慮了其保溫的作用,因此,筒體保溫層懸掛在筒體外壁上,保溫層內(nèi)壁與RPV筒體外壁之間的間隙非常小,平均間隙為10~20mm,保溫層和筒體外壁基本貼合在一起。3.1.2AP1000RPV筒體保溫層設(shè)計(jì)時(shí),除了考慮其保溫效果外,還考慮了RPV運(yùn)行期間超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故:堆芯熔融的發(fā)生。因此,保溫層在設(shè)計(jì)時(shí),保溫層的厚度保持了與CPR1000RPV的一致性,但對(duì)保溫層的安裝進(jìn)行了改進(jìn),AP1000RPV保溫層通過(guò)支架安裝在RPV地坑混凝土內(nèi)壁上,RPV筒體外壁和保溫層之間的間距約160mm,這樣就形成一個(gè)密封環(huán)腔。當(dāng)堆芯熔融事故發(fā)生時(shí),可以將冷卻水通過(guò)RPV底部的通道注入密封環(huán)腔,從外壁對(duì)RPV進(jìn)行冷卻,能將堆芯熔融物保持在RPV內(nèi),增加了一道保護(hù)屏障。在后續(xù)的CPR1000RPV項(xiàng)目上,設(shè)計(jì)方對(duì)保溫層的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。3.2rpv堆芯熔融在堆芯熔融的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下,為防止堆芯熔融物熔穿壓力容器和混凝土底板發(fā)生反應(yīng),AP1000RPV采用了將堆芯熔融物保持在壓力容器內(nèi)的設(shè)計(jì),簡(jiǎn)稱IVR(In-VesselRetention)。在發(fā)生堆芯熔融事故時(shí),將冷卻水注入到RPV筒體外璧和其保溫層之間,RPV筒體外壁將被水淹沒(méi),此時(shí),RPV相當(dāng)于一個(gè)熱交換器,與RPV外表面的水進(jìn)行熱交換,可以冷卻掉到RPV下封頭的堆芯熔融物。由于采用了IVR技術(shù),可以保證RPV不被熔穿,從而避免了堆芯熔融物和混凝土底板發(fā)生反應(yīng)。4一體化堆棧結(jié)構(gòu)iph4.1輻照發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)4.1.1CPR1000堆型的堆頂機(jī)構(gòu)包括CRDM通風(fēng)罩組件、CRDM抗震支承組件、頂蓋吊具、電纜托架及電纜橋組件等設(shè)備,上述堆頂機(jī)構(gòu)是非集成化的,拆裝都是分部件進(jìn)行。堆頂機(jī)構(gòu)安裝和拆卸時(shí)間大大增加,特別是換料期間,一拆一裝時(shí)間增加,操作人員受輻照暴露的幾率大大增加,安全性降低;同時(shí)換料時(shí)間增加,運(yùn)行時(shí)間減少,經(jīng)濟(jì)效益降低。4.1.2AP1000堆型的一體化堆頂結(jié)構(gòu)(IntegratedHeadPackage,IHP由多個(gè)獨(dú)立的設(shè)備組成,即把堆芯測(cè)量探頭的提升絞盤、屏蔽罩及檢查門、起吊三角架、電纜托架及其支承結(jié)構(gòu)、螺栓起吊軌道、CRDM抗震支承和堆芯儀表支承結(jié)構(gòu)、CRDM冷風(fēng)通道等設(shè)備集成一體,從而簡(jiǎn)化了反應(yīng)堆的換料操作。在停堆換料期間,它通過(guò)與RPV頂蓋移動(dòng)聯(lián)合操作,減少了停堆時(shí)間和個(gè)人輻照劑量。另外,一體化堆頂結(jié)構(gòu)減少了其相關(guān)部件在安全殼內(nèi)的擱置時(shí)間。4.2棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、保溫層、冷卻傳輸、電纜托架吊裝URD(美國(guó)核電用戶要求文件)中要求:應(yīng)將頂蓋整體可拆卸性作為一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo),即頂蓋包括相關(guān)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、保溫層、冷卻風(fēng)管、電纜托架可以整體吊裝。AP1000RPV一體化堆頂結(jié)構(gòu)(IHP)的設(shè)計(jì)滿足了上述要求,一體化堆頂機(jī)構(gòu)通過(guò)RPV頂蓋上的12個(gè)IHP支承塊與頂蓋連成一體,實(shí)現(xiàn)整體吊裝,