防止壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)的可靠性措施

劉興園

摘要：壓水堆核電站已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)，使用最為廣泛的商用核電堆型。壓水堆核電站的成本投入低，功率大，生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)成熟，具備可靠的安全性能。但壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件由于外力作用會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，持續(xù)振動(dòng)將會(huì)擴(kuò)大已有破損部位的破損面積，進(jìn)而導(dǎo)致一回路主設(shè)備及管系破損，嚴(yán)重影響核電站的安全性能。

關(guān)鍵詞：壓水堆核電站；堆內(nèi)構(gòu)件；振動(dòng)；措施

前言

核電站反應(yīng)堆由于堆芯內(nèi)部的核燃料發(fā)生裂變，產(chǎn)生巨大熱能，將堆芯內(nèi)通過(guò)主泵進(jìn)入的水加熱到300多度、氣壓達(dá)到150多個(gè)大氣壓，形成高溫高壓水，高溫高壓水在經(jīng)過(guò)蒸汽發(fā)生器的時(shí)候，通過(guò)傳熱U型管，使管外的二回路冷卻水受熱，然后高溫高壓水又中心回到堆芯，如此往復(fù)循環(huán)，就叫做一回路。壓水堆核電站中一回路的安全性能決定著核電站整體的安全性，所以一回路主設(shè)備及管系一旦由于堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)而破損，后果將不堪設(shè)想。

通過(guò)核安全法規(guī)，我們可以清晰地知道，一回路中主設(shè)備及管系都屬于抗地震1類，安全等級(jí)也都是核安全1級(jí)。一回路中的堆內(nèi)構(gòu)件就是指反應(yīng)堆壓力容器的各個(gè)組成部分，反應(yīng)堆內(nèi)部測(cè)量部分以及堆芯的支承部分，都是堆內(nèi)構(gòu)件的關(guān)鍵部分。核電站在正常使用的狀態(tài)下，反應(yīng)堆內(nèi)部環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件形成高腐蝕和高輻射，同時(shí)還伴隨著高溫高壓。反應(yīng)堆中蒸汽的壓力和溫度都很高，這是因?yàn)橹挥性诟邷馗邏合拢瑹崮懿拍鼙黄啓C(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

1.壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)的危害性

有關(guān)于核電站的安全隱患，主要來(lái)源于輻射，核輻射不論對(duì)核電站設(shè)備，還是對(duì)人體都存在極大傷害，并且無(wú)法挽回。核電站中產(chǎn)生輻射，是由于反應(yīng)堆一回路中主設(shè)備及管系出現(xiàn)破損而導(dǎo)致泄露造成的，一旦發(fā)生泄露，安全區(qū)域內(nèi)的設(shè)備和空氣就會(huì)被污染，在安全區(qū)域內(nèi)進(jìn)行維修的工作人員就將受到輻射，對(duì)人體造成不可逆的傷害[1]。

2.壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)的原因

造成壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)建發(fā)生振動(dòng)的原因有很多，其中包括核電站在設(shè)計(jì)階段對(duì)于機(jī)械設(shè)備的選材和制造方面，機(jī)械設(shè)備在安裝調(diào)試過(guò)程中的不合理操作，以及核反應(yīng)性和地震等非正常因素的影響。堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)也是一回路主體設(shè)備和管系發(fā)生破損，從而導(dǎo)致泄漏的主要原因。降低做好堆內(nèi)構(gòu)件發(fā)生振動(dòng)的頻率將是保證壓水堆核電站安全性的重要途徑。

3.防止壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)的可靠性措施

可靠性措施，就是指系統(tǒng)在已知的規(guī)則范圍內(nèi)，使系統(tǒng)整體功能得到有效發(fā)揮[2]。而廣義上的可靠性，用于核電站上可以理解為，在核電站使用年限內(nèi)，以保證核電站正常運(yùn)作并能實(shí)現(xiàn)其商業(yè)價(jià)值為基礎(chǔ)，盡可能地降低核電站輻射以及放射性物質(zhì)的排放對(duì)人類和環(huán)境造成的危害。要想符合核電站廣義上的可靠性，就必須建立起相應(yīng)的核電站可靠性標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中必須要有核電站主設(shè)備的使用年限，維修間隔的時(shí)間等一系列的標(biāo)準(zhǔn)，使其在實(shí)施過(guò)程中有據(jù)可依。

3.1設(shè)計(jì)階段。壓水堆核電站的主設(shè)備從設(shè)計(jì)階段就要將可靠性措施考慮進(jìn)去，熱工水力，堆芯核物理以及力學(xué)等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)有一定的要求。在安裝過(guò)程中，筒體法蘭上面懸掛著吊籃筒體，吊籃筒體內(nèi)安裝著堆芯組件，而堆內(nèi)上部支承構(gòu)件要安裝在堆芯組件的上面，吊籃筒體屬于下部支承構(gòu)件。在這些上下部的支承構(gòu)件共同作用下，堆內(nèi)構(gòu)件的整體功能才能夠得到發(fā)揮。堆內(nèi)構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料裝置及其相關(guān)裝置的支承，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)棒組件的控制，從而控制幫組件能夠在事故工況下迅速插入堆芯，為冷卻劑提供流通渠道。堆內(nèi)構(gòu)件要從整體上確保符合剛性結(jié)構(gòu)的要求，可以降低在水體沖擊和沸騰時(shí)振動(dòng)的發(fā)生頻率。堆內(nèi)構(gòu)件在安裝中遵循對(duì)稱原則，所以要將質(zhì)心和形心重合在一起，也可以避免振動(dòng)的發(fā)生。另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要利用彈簧，實(shí)現(xiàn)對(duì)位燃料裝置的有效支撐和壓緊，固定各個(gè)組件，配合彈簧來(lái)減弱振動(dòng)所產(chǎn)生的不利影響。為保證各組件間的緊密性，必須在確保各個(gè)組件質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)組件連接點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)焊接，增強(qiáng)整體抗震能力。

3.2制造階段。核電站堆內(nèi)構(gòu)件大多是精密部件，因此，構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造都是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，精密構(gòu)件要通過(guò)大型精密儀器才能制造出來(lái)。以秦山核電站的吊籃筒體為例，其加工難度巨大，總體高6m，厚度50mm，筒體表面還有多個(gè)空洞。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有這種制造能力，所以，從日本進(jìn)口了其半成品，并修建了專門的廠房供制造使用，通過(guò)廠方的努力，解決了冷卻劑在經(jīng)過(guò)堆芯時(shí)的流量分配問(wèn)題，從而杜絕了因制造工藝而產(chǎn)生的振動(dòng)[3]。

3.3選材階段。通過(guò)以上對(duì)于壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件的基本了解，我們知道，堆內(nèi)構(gòu)件所處環(huán)境十分復(fù)雜，高壓高溫，并具有極強(qiáng)的腐蝕性和輻射性，因此，堆內(nèi)構(gòu)件的制造要選用特殊的材料，特種鋼材具有較強(qiáng)的抗腐蝕和抗輻射性，不會(huì)在強(qiáng)輻射喜愛(ài)發(fā)生變形，所以特種鋼材是堆內(nèi)構(gòu)件最佳的制造材料。另外，特種鋼材還能夠抗高溫，在一定程度上避免了堆芯構(gòu)件的振動(dòng)。

3.4運(yùn)行階段。為了在反應(yīng)堆的正常活動(dòng)下控制振動(dòng)，就必須在核電站運(yùn)行過(guò)程中，向反應(yīng)堆中添加能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)堆內(nèi)可控的裂變反應(yīng)的物質(zhì)，或者通過(guò)設(shè)置棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)核反應(yīng)性和熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.結(jié)論

防止壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件的振動(dòng)，必須要從設(shè)計(jì)，制造，選材和運(yùn)行的各個(gè)階段做好避振措施。另外，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也可以在一定程度上消除堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)的根源，但畢竟計(jì)算機(jī)是受人腦支配的，應(yīng)變能力是有限的，短期內(nèi)還不足以替代人工的管理和操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱齊榮.防止壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)的可靠性措施[J].核動(dòng)力工程，1998，（1）：93-96.

[2]朱齊榮，傅戈雁.核電站堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)可靠性的模糊因素分析及防振措施[J].中國(guó)核科技報(bào)告，1998，（56）：141.

[3]賀友光，姚偉達(dá).堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)與研制[J].中國(guó)核科技報(bào)告，1997，（3）：72-75.