反應堆壓力容器與堆內構件接管的熱態間隙計算

于雷 關欣

摘 要：文章以RV接管與CB接管的熱態間隙計算為例，對其熱態間隙進行計算。計算結果經與上游總體設計單位確認，能夠保證堆內構件的總體旁漏流量，符合總體工藝設計要求。

關鍵詞：核電；接管；熱態間隙

堆內構件安裝在反應堆壓力容器內，起著精確定位、支承堆芯燃料組件、引導堆內冷卻劑流向、將反應堆內核裂變產生的熱量輸出等功能。運行期間承受高溫、高中子注量的輻照和冷卻劑的腐蝕，運行條件十分苛刻，是國際上公認的核電站關鍵設備之一。

由于堆內構件（RVI）和反應堆壓力容器（RV）之間存在諸如RV接管與吊蘭筒體（CB）接管；燃料組件（CS）與堆芯上板；RV底封頭與二次支承（SCSS）基礎板；堆芯上板與堆芯圍筒等眾多安裝接口，其接口熱態間隙對后續動態系統模型以及不同的結構判定有著重要意義。本文以某堆型RV接管與CB接管的熱態間隙計算為例（見圖1），對在高溫、高壓環境下堆內構件、反應堆壓力容器間的熱態間隙進行計算。

文中計算出了反應堆內構件在正常穩定工況（或者最佳評估狀態）時兩部位的熱態間隙。間隙值基于名義尺寸計算。然而，對于有些部位的間隙，在正常工況下，最大或最小冷態間隙也被考慮（例如溫度，壓力等）。冷態間隙根據壓力的影響和液體以及金屬溫度進行校正。

計算工況中所需的溫度取決于分析的位置。反應堆壓力容器出口接管和堆內構件出口接管受容器出口溫度的影響。如果壓力的影響很顯著時，計算熱態間隙時應該包括壓力的影響。壓力影響主要局限于CB或者CS壓力的增長；由于CS結構的復雜性，壓力從詳細的有限元分析中獲得；對于CB而言，壓力的增長近似地取下述方程式的值。反應堆壓力容器與反應堆內構件結構多樣，在壓力作用下類如球形封頭、開口圓柱容器、閉口圓柱容器等結構的變形在《羅氏應力應變公式手冊》中均有對應的定義表達。

由圖1可見，由于安裝需要堆內構件出口接管外半徑和反應堆壓力容器進口接管內側臺肩必須留有一定的間隙，這個間隙的存在會使得流經堆芯加熱的冷卻劑返回到反應堆壓力容器內，而無法將堆芯的熱量帶出去形成有效流量。從眾多間隙流出的熱態冷卻劑被稱為旁漏流量，總體設計規定整個堆芯的旁漏流量小于全部流量的5.9%。較大的間隙將會使反應堆在運行時產生過大的旁漏流量；而過小的冷態間隙會使得堆內構件在反應堆運行瞬態情況下發生顯著的永久變形。因此，熱態間隙計算是必須而且重要的。

假設RVI不產生變形的情況下，反應堆壓力容器在壓力和溫度的影響下會產生徑向膨脹，使得間隙變大；對于RV接管而言，壓力和溫度的影響使其沿自身徑向膨脹，該形變對間隙沒有影響。而高溫工況會使RV接管的臺肩向RV中心產生形變，間隙變小。假設RV不產生變形的情況下，CB由于冷卻劑流動會產生外壓，使得間隙變大；而高溫工況使得CB及CB接管產生徑向形變，使得間隙變小。因此，在溫度、壓力載荷下RV的變形趨勢使得間隙變大，而RV接管臺肩、CB接管的變形趨勢使得間隙變小，而CB在承受外壓及高溫的工況下即存在使間隙變小的趨勢，又存在使間隙變大的趨勢，計算時根據不同工況須區別對待。文中符號規定：間隙增加時為正，間隙減小時為負。所用設計輸入（見表1）及計算方法如下。

反應堆壓力容器筒體內壁與堆內構件吊籃筒體外壁間形成的下降環腔在反應堆運行期間充滿由入口接管進入的冷卻劑，而冷卻劑是在反應堆運行前逐步的由室溫加熱到功率運行時的入口溫度。因此下降環腔區域內的溫差是冷卻劑功率運行時入口溫度與室溫之差；L為RV的平均半徑（R），即RV中心到RV筒體壁厚中心的徑向尺寸。

（1）溫度引起RV的形變[1]：

（2）壓力引起RV的形變[2]：

根據RV結構，本部分計算采用承壓閉口圓柱容器的徑向變形公式。

（3）溫度引起RV接管臺肩的形變[1]：

其中L為RV接管臺肩內端面到RV筒體壁厚中心的徑向尺寸。

（4）溫度引起CB接管的形變[1]

（5）外壓引起CB的形變[2]

熱態間隙=2.2+7.2+1.2-0.79-9.3+0.12=0.63mm

反應堆壓力容器出口接管與吊蘭筒體接管熱態間隙的存在，避免了由于壓力和溫度引起設備膨脹而導致兩設備的擠壓變形，同時經過與上游總體設計單位確認，該間隙能夠保證堆內構件的總體旁漏流量，符合總體工藝設計要求。

參考文獻

[1]鄭國楨，林苗華.金屬材料熱膨脹系數經驗公式的探討[J].廣東工業大學學報，1999，16（3）：16.

[2]W.楊，R.布迪納斯，等.羅氏應力應變公式手冊[M].北京：科學出版社，2005，8.

作者簡介：于雷（1981-），男，黑龍江省伊春市，大學本科，工程師，主攻核電機械產品設計。

關欣（1980-），女，遼寧省沈陽市，大學本科，工程師，主攻機械工藝。