幾種壓水堆反應堆壓力容器結構的比較與研究

叢高偉 張忠海

摘 要：文章對幾種典型壓水堆反應堆壓力容器的結構進行比較，對其特點和優點進行了分析和研究。

關鍵詞：反應堆壓力容器；結構；比較；分析

1 概述

壓水堆核電廠反應堆壓力容器是反應堆冷卻劑壓力邊界屏障中的一個重要設備，在核電廠服役期內不可更換，其壽期決定了整個電廠的服役年限。主要用來裝載反應堆堆芯[1]，包容高溫、高壓、含放射性的冷卻劑。屬于核安全一級設備，要求在各種正常運行工況、試驗工況條件下，結構均能保持完整，不發生容器的無延性斷裂破壞和放射性物質的泄露。

目前，我國國內運行和正在建造的壓水堆核電站反應堆壓力容器堆型主要有CPR1000堆型 （二代改進型）、某三代堆型、CAP1400堆型（三代堆型）、ACP1000堆型（三代堆型）等。文章通過對這幾種堆型反應堆壓力容器的比較，對其特點和優點進行了分析。

2 比較與分析

2.1 結構的大型化

從CPR1000堆型、某三代堆型、ACP1000堆型的發電功率約1000MWe到CAP1400堆型的發電功率約1400MWe，發電功率越來越大。隨著發電功率的增加，就要求反應堆內部放置更多的燃料組件，這就要求反應堆壓力容器的尺寸隨之增加。由于反應堆壓力容器基本采用鍛焊結構，這使得鍛件的大型化成為一個發展趨勢。以法蘭接管段為例，其法蘭外徑由CPR1000的φ4684mm達到了CAP1400的φ5300mm，這對鍛件材料的制造提出了更高的要求。

2.2 零部件的一體化

（1）底封頭整體化。CPR1000堆型、ACP1000堆型和某三代堆型的反應堆壓力容器的下封頭和過渡段采用分體焊接的結構，詳見圖1；而CAP1400反應堆壓力容器則采用整體底封頭，即將下封頭和過渡段合并成為一個鍛件，取消下封頭和過渡段之間的焊縫。（2）頂蓋整體化。CPR1000堆型、ACP1000堆型反應堆壓力容器采用分體頂蓋，即采用上封頭和頂蓋法蘭分體焊接的結構，詳見圖2；而某三代堆型反應堆壓力容器和CAP1400反應堆壓力容器則采用整體頂蓋[2]，取消了上封頭和頂蓋法蘭之間的焊縫。（3）堆測接管整體化。某三代堆型堆測接管下段采用堆焊的方式進行制造，CAP1400反應堆壓力容器采用相同的堆測接管結構，但是堆測接管下段與整體頂蓋采用一體化鍛件，詳見附圖3。

圖1 圖2 圖3

采用一體化鍛件具有以下優點：（1）在設備制造過程中，減少了焊縫或堆焊部位的機加工、焊接、熱處理及無損檢測，有效縮短設備的制造周期。（2）在設備的運行過程中，減少了焊縫或堆焊部位，增加了設備的安全性。（3）在設備的維護過程中，減少了對該焊縫或堆焊部位在役檢查。

2.3 堆內測量系統的布置

CPR1000反應堆壓力容器在下封頭上共布置了50個中子測量管座，作為堆芯中子輻照測量儀器的通道，詳見圖4；某三代堆型和CAP1400堆型在下封頭沒有設置中子測量管座，即下封頭是一體結構，無需開任何孔，而把堆芯測量通道布置到了頂蓋，在頂蓋上增加了8個堆測接管，與堆測接管下段采用對接焊結構，讓所有的堆芯測量裝置從頂蓋向下伸入到堆芯，堆測接管的結構詳見圖5；ACP1000堆型反應堆壓力容器也取消了底封頭的中子測量管座，并在頂蓋上設置12個堆芯測量管座，與頂蓋采用J坡口焊接的形式進行連接，用于堆芯測量裝置的通道，詳見圖6。

將底封頭上的堆芯測量裝置轉移到頂蓋上有以下優點：將底封頭上的堆芯測量裝置轉移到頂蓋上，減少了底封頭上堆芯測量裝置泄露的風險，增加了整個設備的安全性，為反應堆壓力容器在60年壽期的安全運行提供了保障。

2.4 導向栓的安裝位置

CPR1000堆型和ACP1000堆型的反應堆壓力容器在安裝頂蓋時，導向栓占用三個主螺栓孔，在頂蓋順利安裝到容器組件上后將導向栓拆下，再安裝主螺栓。

某三代堆型及CAP1400堆型的反應堆壓力容器在安裝頂蓋時，導向栓不占用主螺栓孔，這兩種堆型反應堆壓力容器的接管段法蘭外側焊接有兩個導向栓支撐塊，導向栓支撐塊上設置專門用于安裝導向栓的螺孔；在整體頂蓋的法蘭外側焊接有兩個導向栓支架，用于引導頂蓋順利安裝。且這兩種堆型的導向栓在設備運行期間不拆除。

導向栓占用單獨的螺孔且在運行期間不拆除具有以下優點：（1）導向栓不占用主螺栓孔，可以有效保護主螺栓孔螺紋，避免主螺栓孔螺紋在安裝頂蓋時被導向栓損傷。（2）導向栓在運行期間不拆除，可以在每次換料或檢修時減少一次導向栓的安裝和拆卸時間。

2.5 主螺栓孔上部光孔及換料密封環上端面的狀態

CPR1000堆型反應堆壓力容器主螺栓孔上部光孔為低合金鋼表面，詳見圖7；而ACP1000、某三代堆型及CAP1400反應堆壓力容器的主螺栓孔的上部光孔進行了不銹鋼堆焊，詳見圖8。CPR1000堆型反應堆壓力容器上端面及換料密封環上面為低合金鋼表面，詳見圖7；而ACP1000、某三代堆型及CAP1400反應堆壓力容器的上端面及換料密封環上表面進行了不銹鋼堆焊，詳見圖8。主螺栓孔上部光孔及換料密封環上端面進行不銹鋼堆焊，有以下優點：在換料及檢修期間反應堆壓力容器筒體上表面被硼水淹沒時，有效保護主螺栓孔和容器法蘭上表面和換料密封環上表面避免腐蝕，為反應堆壓力容器60年的安全運行保駕護航。

圖7 圖8

3 結束語

通過對幾種反應堆壓力容器結構的比較和分析，可以看出反應堆壓力容器的發展有以下趨勢：（1）隨著發電功率的增加，反應堆壓力容器有大型化的趨勢；（2）零部件的一體化是反應堆壓力容器的一個方向發展；（3）堆內測量系統由反應堆壓力容器底封頭移到反應堆壓力容器頂蓋；（4）結構設計向更加便于安裝和維護的方向發展。

參考文獻

[1]林誠格.非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008，8.

[2]李承亮，張明乾.壓水堆核電站反應堆壓力容器材料概述[J].材料導報，2008（22）：9.