壓水堆堆內構件防斷支承部件結構分析

龔宏偉，李延葆

（上海第一機床廠有限公司，上海 201308）

0 引言

壓水堆堆內構件（Reactor Vessel Internals）是指反應堆壓力容器內除燃料組件及其相關組件、堆芯測量儀表和輻照監督管以外所有的堆芯支承結構件（Core Support Structures）和內部結構件（Internal Structures）。用途是為堆芯部件提供支承、對中和導向，引導冷卻劑流入和流出，為堆內測量儀表提供導向和支承，是壓水堆核電站的重要部件之一[1]。

堆內構件按照結構（圖1）分為上部支承部件、下部支承部件、壓緊彈性環、控制棒導向筒、堆內測量裝置及輻照監督管等，下部支承部件由吊籃筒體、堆芯圍筒、堆芯支承板、堆芯二次支承、徑向支承件及相關附屬部件組成，其中，堆芯二次支承部件位于堆芯支承板下部，由渦流抑制板、二次支承柱、能量吸收器等部件組成，可起到導流和分配冷卻劑的功能，在假象極端事故工況堆芯跌落時，使反應堆保持安全功能，故又稱為堆芯防斷支承部件，是堆內構件的重要組成部分和支承結構件[2]。

重點分析不同壓水堆堆型（M310，CAP1000，ACP1000，HL1000）堆芯防斷支承部件結構的異同，分別從各堆型的結構、材料、制造等方面的差異，結合設備制造過程的難易性進行比較說明。

1 結構

1.1 M310堆型

M310堆型的堆芯防斷支承部件由二次支承和儀表套管組件組成。主要功能除了導流和分配冷卻劑和二次防斷支承堆芯，還需進行堆芯中子注量率測量，因此零件種類多，結構復雜，如圖2、圖3所示。二次支承組件由基礎連接板、小格架板、大格架板和4個能量吸收器等組成。基礎連接板的底面外形與壓力容器下封頭底部形狀相似，通過4個能量吸收裝置懸掛在堆芯支承板上，能量吸收器組件主要功能是在發生假想堆芯跌落事故時，通過材料形變能吸收堆芯跌落勢能，將堆芯跌落對壓力容器下封頭產生的沖擊作用控制在允許范圍內[3]。

圖1 堆內構件結構示意圖

中子注量率儀表導管通過壓力容器下封頭引入堆內構件，是測量堆芯內中子注量率的儀表導管，測量的目的是建立堆芯中子注量率分布圖和校準堆外中子測量儀器。儀表導管組件共50個，分3種類型。單純的儀表導管28個，兼作支承柱的20個，兼作二次支承柱的2個，它們分別與大小格架板連接形成剛性結構。測量通道管由二次支承組件的大小格架板定位。帶有移動式堆內通量測量的柔性軸可通過測量套管插入壓力容器，進而穿入燃料組件中心的測量用導向管。

1.2 CAP1000堆型

CAP1000堆型與M310比較，由于中子注量率儀表導管移至壓力容器頂部，使用堆芯測量儀表格架組件進行中子注量率測量，如圖4所示。因此取消了儀表套管組件以及大、小格架板零部件，增加了渦流抑制板及流量分配裙筒，使堆芯支承底板位置下降，保留4個能量吸收器組件及12個支承柱體，安裝位置如圖5所示。二次支承部件結構如圖6所示。流量分配裙筒是CAP1000堆型比M310項目在下部支承結構的重要變化之一，流量分配裙筒組件是一個外徑3403.6 mm開有776個 Φ49.8±0.8 mm 孔的Inconel 690裙式結構筒體（圖7）。焊接固定在壓力容器下封頭內表面的支承凸耳上，位于壓力邊界內。多孔式圓環結構使堆芯流量分配更加均勻。

圖2 M310堆型支承部件安裝位置

圖3 M310堆型支承部件結構

圖4 CAP1000堆芯測量儀表格架組件

圖5 CAP1000堆型支承部件安裝位置

1.3 ACP1000堆型

ACP1000堆型二次支承部件與CAP1000堆型結構類似，冷卻劑導流和分配使用板式流量分配板，通過12個連接柱連接在堆芯支承板上，安裝位置如圖8所示。二次支承部件結構如圖9所示。

圖6 CAP1000堆型二次支承部件

1.4 HL1000堆型

HL1000堆型取消支承柱體及能量吸收器部件，直接采用一件流量分配器通過4個M27螺柱連接在堆芯支承底板下部，即滿足導流和分配冷卻劑又起到防斷支承的功能。流量分配器結構是厚度60 mm ，外徑3620 mm，高度1300 mm的封頭狀容器，分11層，共分布372（Φ100 mm）+60（Φ80 mm）+72（Φ60 mm）個流水孔，如圖10、圖11所示。

圖7 流量分配裙筒

1.5 結構差異比較

根 據 M310，CAP1000，ACP1000，HL1000 堆型防斷支承部件結構差異可知，比較二代加的M310堆型，其他堆型都簡化下部支承結構，取消了下堆芯板，燃料組件直接固定在堆芯支承板上，且堆芯支承板下移，減少壓力容器下腔室高度，有利于發生嚴重事故下，延長堆芯融化物在壓力容器下部停留時間減少中子注入率導管損傷可能[1]。使用堆芯測量儀表格架組件進行中子注量率測量，省去50個儀表導管組件，并避免壓力容器下封頭開孔。CAP1000，ACP1000保留了M310堆型的能量吸收器部件，并增加了流量分配部件，流量分配結構方式不同。其中HL1000創新設計僅利用一件封頭狀流量分配器既滿足防斷支承功能又可導流。

圖8 CAP1000堆型支承部件安裝位置

圖9 CAP1000堆型二次支承部件

圖10 HL1000堆型支承部件位置

2 材料

壓水堆堆內構件材料應具有足夠的強度、韌性以及耐蝕性（耐應力腐蝕、晶間腐蝕及冷卻劑的均勻腐蝕）、耐輻照性能。堆內構件的主要支承件和結構件是奧氏體不銹鋼；壓緊彈性環是馬氏體不銹鋼，堆內構件中的關鍵零件和重要螺釘，銷釘選用鎳基合金或冷作硬化奧氏體不銹鋼。各堆型防斷支承部件的用到的材料主要是奧氏體不銹鋼和高溫鎳基合金。

圖11 流量分配器結構

2.1 M310堆型

M310材料按照RCC-M壓水堆核島機械設備設計和建造規則（2000版+2002補遺）第I卷G冊堆內構件和第II卷 M篇材料要求，堆芯防斷支承部件用到的材料牌號全是Z2CN19-10+N2，材料類型有M3310板材、M3301鍛件、M3306棒材、M3304管材，原材料共計15.8 t。

2.2 CAP1000堆型

CAP1000材料按照ASME美國機械工程師協會鍋爐及壓力容器規范（1998版）第Ⅲ卷的NG分冊堆芯支承和第Ⅱ卷材料要求，堆芯防斷支承部件用材料牌號是304，316以及Inconel 690，材料類型有SA-240板材、SA-479棒材、SA-193冷作硬化棒材、SB-564鍛件，原材料共計10.6 t。

2.3 ACP1000堆型

ACP1000材料按照RCC-M壓水堆核島機械設備設計和建造規則（2007版）第Ⅰ卷G冊堆內構件和第Ⅱ卷 M篇材料要求，堆芯防斷支承部件用材料堆芯防斷支承部件用到的材料牌號全是Z2CN19-10+N2和Z6CND17-12，材料類型有M3310板材、M3301鍛件、M3306棒材、M3308冷作硬化棒材，原材料共計15.8 t。

2.4 HL1000堆型

HL1000材料按照RCC-M壓水堆核島機械設備設計和建造規則（2007版）第Ⅰ卷G冊堆內構件和第Ⅱ卷 M篇材料要求，部分材料參考ASME美國機械工程師協會鍋爐及壓力容器規范（2012版）第Ⅱ卷材料要求，堆芯防斷支承部件用材料牌號有 Z2CN19-10+N2、Z6CND17-12、316。材料類型有 M3301 鍛件、M3308和SA-479冷作硬化棒材，原材料共計13 t。

2.5 材料差異比較

CAP1000堆型材料標準按ASME第Ⅱ卷材料，主要是奧氏體不銹鋼材料，原材料采購用量最少。M310和ACP1000堆型材料標準按RCC-M M篇材料，是奧氏體不銹鋼材料。HL1000堆型材料按RCC-M M篇材料和ASME第Ⅱ卷材料標準執行，是奧氏體不銹鋼材料。

3 制造

壓水堆堆內構件設備結構、制造工藝復雜，質量控制要求高，制造難度大，制造周長，下部堆內構件的制造過程一般是主線路徑。防斷支承部件的制造過程相對比較獨立，并且單獨包裝發運，需要零部件制造完成后和組裝好的下部堆內構件進行預裝配，檢驗后分拆，包裝發運現場后安裝。各堆型的防斷支承部件零部件及制造周期見表1。

表1 防斷支承部件零部件表

根據結構的對比差異可知HL1000堆型結構簡化，制造周期短，且無焊接工序，制造相對比較容易，但整體式的封頭大鍛件材料成本較高。

4 結論

通過對不同堆型壓水堆堆內構件防斷支承部件結構、材料、制造等方面差異性進行比較，結合各設備的材料采購過程、制造過程經驗，可得出3個結論。

（1）相對于二代堆型，第三代核電堆內構件均將中子注量率測量導管移到壓力容器頂部，簡化了下部支承結構，減少承壓邊界中子注量率導管損傷可能性，從結構上提高安全性。

（2）從滿足導流和分配冷卻劑和堆芯防斷支承的功能考慮，第三代核電堆內構件堆芯防斷支承部件結構設計各具特點。

（3）堆芯防斷支承部件的結構差異決定了堆內構件設備的重要原材料、關鍵工藝、制造周期、生產成本的不同。