反應堆壓力容器專利技術分析

石 倩，梁 莉，＊，蘇嘉賡，于溯源

（1.國家知識產權局 專利局，北京 100088；2.清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084；3.清華大學 燃燒能源中心，北京 100084）

反應堆壓力容器是核安全保證的關鍵因素之一，在安全等級上屬于核Ⅰ級設備，對其材質、制造、工藝、檢驗等方面的要求遠高于常規壓力容器。近些年來，隨著技術和工藝的不斷發展以及人們對核安全要求的不斷提高，壓力容器的制造逐步采用更加先進的設計方法、更高性能的材料及工業化的加工工藝，尤其是在日本核事故后，相關技術、材料及加工工藝向提高核反應堆安全性和可靠性方向發展，而技術、材料及加工工藝的發展在各國家的專利中也得到了充分體現。通過對有關反應堆壓力容器的專利進行分析，工程技術人員不但能更好地理解不同設計構思的演變過程，總結其中相關的技術特性，而且可在一定程度上為第3、4代先進反應堆設備的設計提供更科學合理的設計思想。本文基于對中國專利文獻庫和世界其他國家專利文獻庫的檢索，對反應堆壓力容器的相關專利技術作出初步分析。

1 國內壓力容器專利分析

我國的反應堆壓力容器制造技術在持續發展，如上海鍋爐廠為秦山二期提供一臺反應堆壓力容器；東方電氣集團承擔了嶺澳二期的反應堆壓力容器供貨；中國第一重型機械集團公司曾為巴基斯坦恰希瑪核電站一期工程和秦山二期擴建工程提供反應堆壓力容器。尤其是中國第一重型機械集團公司與中國廣核集團有限公司聯手推進百萬千瓦級反應堆壓力容器的國產化，使紅沿河一期工程率先采用了我國自主開發、制造的核反應堆壓力容器，標志著我國百萬千瓦級核島主設備的制造實現國產化［1］。隨著我國反應堆壓力容器技術的發展，相關專利的申請量也穩步增長，通過對2012—2014年在中國公開的有關核壓力容器方面專利的統計，公開的專利和專利申請數量增長迅速，由2012年的84件上升至2013年的156件和2014年1—9月的111件。該數量的增長在一定程度上反映了近年來在世界核能發展低谷時期，我國的核能產業技術仍保持了較快的發展勢頭，申請人數量的增加也體現出越來越多的科研力量正投入到這個領域中。這些專利所涉及的技術更新主要涉及以下3方面。

1.1 結構改進

反應堆壓力容器的結構形式因堆型的不同而存在差異［2］，國內對于壓力容器結構的改進主要是對其各組成部分細部構造上的優化。如專利申請CN103187109 A［3］提出了一種反應堆壓力容器下封頭，如圖1所示。該反應堆壓力容器下封頭為一體式鍛制而成的半球碗狀結構，在反應堆壓力容器下封頭內壁上部對稱設置4個堆芯支承凸臺。由于該設計擴大了下腔室入口流通面積，使得下腔室流道入口流速降低至合理范圍，減小了對吊籃激振振幅的影響。該下封頭采用一體式鍛制而成，較分體式下封頭的設計減少了1條主焊縫，從而降低了反應堆壓力容器在役檢查的難度，應力分析評定下封頭設計裕量增大。

圖1 反應堆壓力容器示意圖Fig.1 Schematic of reactor pressure vessel

1.2 材料改進

反應堆鋼壓力容器通常采用含錳、鉬、鎳的低合金鋼制造［4］，為了抗腐蝕，壓力容器內壁需堆焊一層不銹鋼［5］。壓力容器材料的改進主要涉及整體材料強度的改進及內表面材料質量的改進。如專利申請CN103632735 A［6］提出了一種新型核反應堆壓力容器材料，同時提供了該材料的制備方法。通過該方法將作為基體的低合金鋼材料與耐腐蝕的不銹鋼層結合在一起，制備出可用于反應堆壓力容器制造的新型復合材料，特定的金屬含量及新的制備方法使兩種金屬材料結合強度高，可經受后續鍛造、軋制等機加工工序而不脫離。應用該材料制造壓力容器，可替代堆焊工藝，使抗腐蝕層與基體結合更加緊密，不易發生開裂，內表面平整度好，提高了壓力容器的耐腐蝕性能并降低了造價。

1.3 制造工藝改進

制造工藝改進主要是對加工工藝和加工裝置的改進與開發，如專利申請CN103962692 A［7］提出了一種核電站控制棒驅動機構與壓力容器頂蓋管座的焊接方法，如圖2所示。該方法的步驟為：選用非熔化極惰性氣體保護自動焊對嵌有填充環的控制棒驅動機構與壓力容器頂蓋管座進行焊接，并將焊接過程自起弧開始分為兩段；兩段焊接分別采用不同的焊接工藝參數，且第2段的焊接熱輸入大于第1段的焊接熱輸入。與現有技術［8］相比，本發明采用分段焊接方法對控制棒驅動機構耐壓殼與反應堆壓力容器頂蓋管座進行焊接，由于第2段的焊接熱輸入大于第1段的焊接熱輸入，因此明顯減少了焊縫的起弧與收弧的搭接部位產生部分焊縫寬度變窄的情況，從而有效地保證了焊縫寬度及焊接質量。

圖2 焊接方法示意圖Fig.2 Schematic of welding method

再如，專利申請CN104010761A［9］提出了一種自動焊接裝置，可用于焊接和修復壓力容器等高輻射區域的核反應堆主設備的異質材料部位的某一點，其主體可沿圓環狀導軌旋轉，多個焊接部件可基于3個不同軸中的任意1個軸為中心旋轉或往復運動，從而使自動焊接裝置能在有限的空間內更自如地運行，有效提高了焊接裝置的空間適應性。

2 國外壓力容器專利分析

歐美、日本等國家反應堆壓力容器的生產已較成熟，百萬千瓦級核反應堆壓力容器主要制造商有法國法瑪通核能公司、日本三菱重工業股份有限公司、韓國斗山集團等。通過對2012—2014年涉及核壓力容器方面的公開的外國專利和專利申請的統計，發現近3年來公開的專利和專利申請數量基本保持平穩，具體為2012 年182 件、2013 年225 件 和2014 年1—9月112件。在對申請人所屬國的統計中發現，接近90%的專利和專利申請來自日本和美國，其中日本占52%，美國占38%。究其原因，這與兩國核工業發展應用水平高及日本海嘯帶來的核事故有關。這些專利所涉及的技術更新與國內的側重點明顯不同，主要涉及以下2個方面。

2.1 特殊情況下的核設備安全技術

對于需要將反應堆內部熔化的核物質快速移除，專利申請JP2014070946 A［10］提出了一種核燃料物質的取出方法，即能實現壓力容器內部核燃料物質的快速取出，如圖3所示。該方法包括使用進入裝置來壓碎壓力容器內熔化的核燃料物質，使切割裝置移動入核反應堆內。熔化的核燃料物質被插入切割元件內部空間的用于熔化核燃料物質的壓碎元件切割。核反應堆壓力容器設置在反應堆的密封外殼內的支架上，壓力容器流下的熔化的核燃料物質落入支架的內部空間內。放射性廢料處理房與反應堆房側壁的開口相通，包圍反應堆密封外殼的遮擋部設置有操縱桿驅動機構閘門，該閘門為面向放射體遮擋部的開口通道。多關節進入裝置在該通道內的第2放射線遮擋室內移動，多關節臂頂端的破碎機將熔化的核燃料物質壓碎。破碎片由多關節臂端部的夾具移出反應堆密封外殼。

圖3 核燃料碎片移除結構示意圖Fig.3 Schematic of removing crushed piece of nuclear fuel material

對于突發事故需冷卻反應堆，專利JP2014137237A［11］提出了一種堆芯冷卻裝置，如圖4所示。采用在壓力容器下方設置裝有冷卻水的凹凸冷卻盤來增大冷卻面積，提高冷卻效率，并防止堆芯冷卻時向外擴散放射性物質。

圖4 冷卻裝置示意圖Fig.4 Schematic of cooling apparatus

除上述之外，專利申請JP2014081219 A［12］提出了一種在無交流電力供應時的反應堆冷卻裝置。專利申請JP2014089134A［13］提出了一種在海嘯、空襲甚至暴雨導致洪水泛濫等極端情況下的核電站安全設施。此類專利數量極多，究其原因，與日本之前經歷的核電安全危機有關，使得日本極其重視核電安全方面的技術更新，尤其是突發狀況下的應對措施。

2.2 環保改進

與日本相比，美國的專利則比較側重于環保排放方面。如專利申請 US2014010340 A1［14］提出了一種核反應堆主容器通風系統的過濾器，如圖5所示。該濕式過濾器采用斜向下的支管，支管具有若干個出口，這些出口通過浸沒在壓力容器內水池中的1級金屬纖維過濾器相通。除霧器懸設在水池的頂部，用于在經過連接有第2支管的2級高密度干燥金屬纖維過濾器前，去除過濾后流出物的濕氣。該第2支管連通壓力容器的大氣排放出口，其目的是用于分離容器降壓過程中排放氣體中的放射性物質，使得在嚴重事故中減少容器內氣體排放中的放射性流出物和輻射，且該設備可連接在現有通風系統中，節省空間，能去除被捕捉的裂變產物的衰變熱，提高過濾效率。

圖5 核反應堆主容器通風系統的過濾器示意圖Fig.5 Schematic of filter for nuclear reactor containment ventilation system

3 結論

本文基于對中國專利文獻庫及世界其他國家專利文獻庫的檢索，對反應堆壓力容器的相關專利技術進行了初步分析。通過本文的統計與舉例分析，可看出我國在積極發展核電建設，我國壓力容器的研究方向主要限于對一些現有裝置的優化改進；日本由于核事故的影響，在壓力容器的改進方面更側重于事故排放和緩解；美國則更加注重環保效應。

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