淺談AP1000一體化堆頂組件的先進性

章增糧 楊付德（山東核電設備制造有限公司，山東 海陽 265118）

淺談AP1000一體化堆頂組件的先進性

章增糧 楊付德
（山東核電設備制造有限公司，山東 海陽 265118）

摘 要：一體化堆頂組件是AP1000核電站反應堆壓力容器中燃料組件的關鍵控制機構，是非能動核電技術的重要創新之一。本文通過AP1000與CPR1000兩種堆型的比較，對頂蓋組件中采用不同設計結構實現相同功能的部件進行介紹。比較說明一體化堆頂組件從人員安全、人力需求、換料周期、操作簡化等方面的先進性。

關鍵詞：AP100；一體化堆頂；堆芯儀表結構；圍筒組件；通風冷卻系統

核電是安全、清潔高效的能源，已成為目前世界上僅次于火電的第二大能源。核電站是利用在動力反應堆中進行的核裂變反應所產生的熱能來發電或發電兼供熱的動力設施。目前世界上核電站采用的反應堆有壓水堆、沸水堆、重水堆、快堆以及高溫氣冷堆等，但比較廣泛使用的是壓水堆反應堆。壓水反應堆是以普通水作冷卻劑和慢化劑。它是從軍用堆基礎上發展起來的最成熟、最成功的動力堆堆型。

核燃料采用235U制成的UO2富集度約為2%～3%（陶瓷型芯塊），核燃料裂變產生的快中子慢化成一定能級的熱中子才能被235U吸收，維持堆芯的鏈式裂變反應：″“n+235U→236U*→144Ba+ 89Kr+3n″｜″n+235U｜236U*→140Xe+94Sr+2n”，通過控制棒提升和 水中硼濃度調節來控制堆芯反應性，以保持鏈式裂變反應可控。在標準大氣壓下水的沸點為100℃，為了提高水的冷卻效率，要求在300℃～350℃范圍內不沸騰，就需使水保持120～160個大氣壓的高壓，正是由于反應堆內的水處于高壓下工作，因此這種類型的反應堆被稱作壓水堆。

1 AP1000簡介

AP1000是美國西屋電氣公司利用AP600的非能動安全設計概念，加上系統80+雙環路的設計思想，以降低容量成本為目標，使AP1000 的安全性和經濟性同時都大為提高。AP1000設計采用了非能動安全系統（PSS）的概念來改進電廠的安全，并且大范圍的簡化電站設計來提高電站的安全、建造、運行和維護。AP1000設計取得高的安全性和可用性，保留了原有的壓水堆技術，但是更強調依靠自然力量的安全特性。安全系統采用自然力如壓縮空氣、重力流動，氣流的自然循環和對流。安全系統盡量少用泵、風機、柴油機、冷水機或別的能動機械并且無須安全級別支持系統，如交流電，元件冷卻水，設施用水和通風等。

AP1000一體化堆頂（以下簡稱IHP）是非能動核電技術的重要創新之一，為簡化反應堆換料操作、減少換料時間，將堆頂屏蔽、防飛射物裝置和反應堆壓力容器頂蓋（上封頭）起吊裝置設計成不需拆散的一體化結構。在更換燃料時，可以作為一個單個的結構被拆除和移動到儲存架上，可以縮短停堆周期、優化占用空間、便于電纜斷開和連接、提高操作人員的安全性、減少人力要求。

2 IHP的組成

IHP由控制棒驅動機構系統（CRDM）、堆芯儀表結構、通風冷卻系統、圍筒組件、提升系統、支撐結構以及電氣儀表等部件和系統組成。將這些分開的部件與反應堆壓力容器頂蓋一起組成一體化頂蓋。通過AP1000與CPR1000堆頂結構的比較，從認知、學習的角度考慮，本文主要從設計改變明顯的堆芯儀表結構、通風冷卻系統，圍筒組件、提升系統等方面進行闡述。

2.1 堆芯儀表結構

堆芯儀表主要用于堆芯溫度測量、堆芯中子注量率測量和壓力容器內水位測量等。AP1000的堆芯儀表從反應堆壓力容器上部插入，反應堆壓力容器下封頭無貫穿件。采用快速接頭式儀表導管，在壓力容器堆內構件中增加一個儀表格架，在此格架上同樣有8個儀表導管，此8個儀表導管從堆芯內引出的42根儀表，分組包裝成8個，與一體化頂蓋上的8個儀表貫穿件快速接頭連接。

堆芯儀表貫穿件設計到頂部排除了反應堆壓力器失水事故的風險，CPR1000儀表管貫穿件數量50個，外徑1英寸，AP1000儀表管貫穿件數量減少到8個，外徑增大到5.75英寸，數量減少和尺寸增大，降低了設備制造難度，縮短了工期，提高了壓力容器的安全性。減少了輻射劑量的泄露，由于CPR1000儀表導管在裝換料等維修的時候需要從反應堆底部抽出，而該儀表導管帶有很大的放射性。AP1000設計在堆內構件上增加儀表格架設計在裝換料和維修的時候不在需要拆儀表導管，使得反應堆壓力容器頂蓋的檢查和維護更加方便，減少了職業防護難度和維修時間。

2.2 通風冷卻系統

IHP的通風系統由風機、風閥、風管、風管配件、風管支撐、通風圍板、儀表及電氣部分等組成，主要為控制棒驅動機構磁軛線圈部件提供強迫冷卻空氣，保持控制棒驅動機構線圈組件在允許溫度范圍內正常運行。

IHP通風系統設計有4臺風機，風機啟動后外部冷卻空氣從下圍筒上的風門吸入，通過安裝于圍筒內側風門上方的通風圍板，在控制棒驅動機構周圍形成間隙一致的通道，以提供均勻冷卻的空氣。風管為空氣提供從通風圍板上方流出的通道，通過頂部風機排出。

目前我國在役壓水堆核電站CRDM冷卻系統風機設置在遠離反應堆區域，僅在頂蓋上裝有風管、風管配件、通風罩等部件。停堆換料期間，需要人工進行風管拆裝和單獨存、放操作，屬于壓力容器頂蓋開、合蓋操作中的一部分，是核電廠換料大修活動工時中需評估項。IHP通風冷卻系統風機安裝在安全殼內反應堆上方，換料操作時無須拆除，可與反應堆壓力容器頂蓋等堆頂其他設備一同吊裝和存放，且冷卻后的空氣直接排放在安全殼內部，免除了意外的輻射劑量通過堆頂冷卻系統泄露到安全殼外部的可能性。

2.3 圍筒組件

一體化堆頂圍筒組件是IHP的一個重要組成部分，安裝在反應堆頂蓋上包圍環繞著控制棒驅動機構的圓筒裝置，屬AP1000堆型特有的部件。圍筒組件由上、中、下三段筒體組成，三段圍筒之間通過螺栓連接。在上圍筒上邊通過螺釘連接將內部操作平臺固定在圍筒內壁。中圍筒上的出風口通過風管與風機連接。下圍筒下部法蘭與反應堆壓力容器頂蓋的支承凸臺通過螺栓固定在一起以實現換料期間的整體操作，從而極大地減少了換料操作所需的時間和人員操作，提高了電廠的經濟性和可操作性。

圍筒是IHP的主要承力抗震部件，屬抗震Ⅰ類部件。采用圍筒結構設計，既提高了總體剛度，又為其他結構部件的安裝提供支撐。如圍筒和安裝在上段圍筒內部的抗震支撐組件一起組成IHP的抗震支撐系統，能夠滿足在假設的地震工況下，限制CRDM的過度變形以維持其正常功能，保證CRDM在事故工況下的功能完整性。與CPR1000的CRDM抗震支撐裝置不同的是，取消了與反應堆水池墻壁相連的5個抗震拉桿和抗震拉桿預埋件，在裝、換料時，無須連接、斷開抗震拉桿步驟，簡化了反應堆換料的工序，節省了換料時間。

在停堆換料期間，圍筒組件可以作為永久性輻射防護結構為人員屏蔽來自控制棒驅動機構和快拆裝密封儀表接管的輻照，并且可以提供通往快拆裝密封儀表接管和堆芯儀表套管組件電纜連接器的人員操作通道，優化占用空間、便于電纜斷開和連接、提高操作人員的安全性、減少人力要求。在反應堆運行期間，圍筒組件還提供了控制棒驅動機構冷卻空氣的邊界。

2.4 提升系統

IHP提升系統由3根互成120度的提升桿、三角架 、巢臺組件、橋架絞車等部件組成，用以實現一體化頂蓋在裝換料和維修期間的整體吊裝工作。三角架通過提升桿與壓力容器頂蓋連接組成IHP組件的起吊支桿系統，這種設計減少了頂蓋在吊裝過程中的操作步驟，只需通過連接器將吊車與三腳架連接即可。固定在三角架上的巢臺組件為人員進行上部作業提供操作空間。安裝在巢臺下方的橋架絞車通過三角架上部的滑輪對電纜橋架進行翻轉，最終使電纜橋架從水平翻轉成垂直狀態，避免吊裝過程發生干涉。

在停堆換料期間，CPR1000堆型中的電纜橋架翻轉需要借助安全殼頂部的環形吊車進行，電纜橋架翻轉角度大于90°，翻轉操作工序相對比較復雜，人力需求也大大增加。橋架翻轉后，還需將頂蓋吊裝專用吊具與頂蓋組件相連，由于吊具安裝時需要穿過不垂直的橋架組件，容易發生干涉情況。而IHP提升系統不須另外安裝專用吊具，電纜橋架翻轉更不用借助環吊，使用橋架絞車+滑輪即可完成，大大簡化了反應堆換料操作、減少換料時間；提高操作人員的安全性、減少人力要求。

結語

綜上所述，通過對AP1000和CPR1000堆頂部件的比較，充分說明一體化堆頂結構的先進性，可以大大縮短停堆周期、優化占用空間、提高操作人員的安全性、減少人力要求。對IHP作為非能動核電技術的一種重要創新有了更深一步的認知，對IHP各部件的結構和功能有了更進一步的了解。一體化頂蓋結構涉及的部件多，涵蓋的專業廣，本文僅對設計變化顯著的部件的先進性從換料檢修的角度進行簡單的比較，而對部件設計特點和性能參數等方面有待進一步的研究。

參考文獻

[1]謝仲生，吳宏春，張少泓.核反應堆物理分析[M].北京：西安交通大學出版社，2004.

[2]臧希年，申世飛.核電廠系統及設備[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3]白玉棟，毛昌森，劉軍.AP1000反應堆壓力容器整體頂蓋設計變更及問題處理[J].核電裝備制造.

[4]翁娜，沈秋平，郝國鋒.第三代核電站控制棒驅動機構冷卻系統風機設計[J].電力建設，2014.

[5]郝國鋒，徐峰.基于反應譜法的一體化堆頂圍筒組件抗震性能評定[J].地震工程與工程振動，2012（04）.

[6]王慶田，何培峰，慕殿鵬.控制棒驅動機構抗震支承裝置材料國產化研究[J].中國核電，2011.

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