淺析核電主泵的發展以及各代主泵的特點

摘要：本文簡要介紹了核電站主泵的發展以及各代主泵的優缺點，包括新型三代核電屏蔽式主泵的主要特點。

關鍵詞：核電主泵屏蔽

引言

從1954年前蘇聯成功建成世界第一座5兆瓦的實驗性核電站到現在100萬千瓦的先進壓水堆核電站，民用核電站已經發展了三代。雖然其設計理念和電站結構都有很大的改動，但作為核電站心臟的主泵，其核心設備的地位一直未曾動搖。

1.二代主泵的特點

一代核電站為實驗堆，本文暫且不論。在商用核電站中，從二代到二代加的核電站機組，都是采用帶軸封的單級離心主泵。以秦山二期100D主泵為例，該主泵從西班牙ENSA采購，是一臺立式帶飛輪的單級離心泵。

該主泵的軸封采用串聯的三級密封，第一層密封為可控液膜密封，第二層為壓力平衡摩擦端面型密封，第三層為機械摩擦端面雙效應型密封。該主泵的主要優點是效率高，但同時，其缺點也是顯而易見的。

首先，核島內必須多增兩套管路，一套軸封注水/冷卻水管路和一套軸封泄露水回收管路，他們的泄露或失效都會導致核島內核泄漏。軸封水溫度檢測、壓力檢測、液位檢測和流量檢測系統都是為了軸封專設的監測單元，增加了系統復雜性和操控難度。

其次，不論采用多先進的軸封，其固有的特性決定了存在軸封失效的可能，一旦失效，將會對主泵乃至整個核電站造成嚴重的影響。即使只考慮正常的損耗，在核電站整個壽期內也需要多次更換，不利于核電站的長期穩定運行。而且，由于主泵位于核島內，處于高輻射區，維修人員每次維修所接受到的放射劑量也是一個不容忽視的問題。

2.三代主泵的特點

上世紀80年代的前蘇聯切爾諾貝利和美國三里島核泄漏事故發生后，大眾越來越關注核電站防止核泄漏以及電站安全運行的能力。在核電技術沉寂了近40年后，美國西屋公司研發出了新一代的核電技術--AP1000核電技術。

AP1000核電站采用非能動技術，即其安全系統完全不依賴外部能量，能夠利用自然界的能量如勢能、氣體膨脹和密度差引起的對流、冷凝和蒸發來完成安全功能的技術。AP1000作為第三代核電技術，其經濟性和安全性都在二代加的基礎上有了很大的提高。為了滿足安全性的要求，AP1000核電站采用了屏蔽式主泵。

AP1000屏蔽式主泵也是一臺立式布置的單級離心泵，它的電機和泵處于一個壓力邊界內，沒有軸封，其定子和轉子都帶有屏蔽套，保證其不和腔體內介質相接觸。從下圖1 AP1000主泵結構圖能看出，三代主泵水力部分的結構和二代主泵區別不大，但由于屏蔽套的存在，降低了AP1000主泵的總體效率。

圖1 AP1000主泵結構圖

AP1000主泵有四套軸承，上下徑向軸承和上下推力軸承。四套軸承都采用瓦塊式的水潤滑滑動軸承，運行時在軸瓦和軸套之間產生一層很薄的水膜，保證了軸承的潤滑和冷卻，軸瓦的主要材料是石墨，提供了良好的耐磨性能，軸套的材料是表面鍍司太立合金的600合金鋼，具有很高的硬度，保證了60年的設計壽命。該軸承不需要專設的冷卻系統，減少了整個主泵系統的泄漏點。

AP1000主泵有兩套冷卻系統，一套是包裹在電機定子殼體外側的外置水套，一套是外置熱交換器。外置水套內通設備冷卻水，內部眾多的檔條增加了冷卻水流通面積，增加了冷卻效果。外置熱交換器是一臺安裝在泵殼水平位置的管式熱交換器，他的一次管路和電機殼體相連，承受系統壓力，二次側則連通設備冷卻水。在兩套冷卻系統的共同努力下，能夠保證軸承溫度、繞組溫度在可接受的范圍內，不會影響電機壽命。

AP1000主泵的安全功能由上下兩個飛輪來完成，在主泵失電后，由于飛輪的大慣量產生一定時間的惰轉，帶走堆芯產生的熱量，給其余的應急系統的投用爭取關鍵的時間。上下飛輪結構一樣，包括內輪轂、鎢合金塊、外保持環和包殼。內輪轂固定在轉子上，鎢合金塊提供了惰轉所需的配重，而外保持環固定住所有鎢合金塊，使其即使在超速情況下也不會飛散，包殼的作用是將整個飛輪和一回路介質隔離，防止腐蝕。

結論：

由于AP1000主泵獨特的設計，取消了軸封，增加了屏蔽套，使得其總效率有所降低。但是，如果將取消軸封帶來的支持系統投入成本、維護成本以及由他帶來的安全成本考慮在內，那選用屏蔽式主泵將會大大的優于傳統的軸封式主泵。

目前，首臺AP1000主泵所有的工程試驗和耐久試驗已經結束。從結果來看，完全能夠滿足系統的水里要求以及對于主泵60年設計壽命以及免維護的要求。今年晚些時候，第一批AP1000主泵將運抵AP1000世界首堆的三門現場。相信在AP1000首堆投入運行后，更加能夠顯現屏蔽式主泵的優勢。同時，也希望國內能夠盡快完成AP1000屏蔽式主泵的國產化，帶動整個AP1000核電國產化的進程。

作者簡介：許國泰（1983-，男，工程師，浙江衢州人，從事核電設備監造。