堆內輻照考驗回路穩壓器的設計

汪海，孫勝，戴鈺冰，吳紅偉

（中國核動力研究設計院一所，成都 610005）

0 引言

反應堆輻照考驗回路用于對新型燃料元件進行最終試驗驗證，模擬燃料元件實際運行的中子場、溫度、壓力、流量、水質等環境條件，對燃料元件進行堆內輻照試驗，以驗證燃料元件在預期燃耗深度下的物理熱工特性、結構的完整性以及制造工藝的合理性。目前由于我國的燃料元件研發多是基于壓水堆模型，因此燃料元件的運行溫度一般為310 ℃，運行壓力一般為15.5 MPa，高溫高壓工況下如何對考驗回路冷卻劑介質進行穩壓，控制壓力波動范圍就成了回路設計的一項關鍵技術難點。本穩壓器專門用于反應堆輻照考驗回路，能將回路的壓力波動控制在基準值-0.17～0.52 MPa之間，能通過穩壓器內部液位監測回路冷卻劑是否出現泄漏，以便及時向系統補水，同時該穩壓器還具有高壓停堆保護和低壓停堆保護的功能。

1 穩壓器設計原理

1.1 壓力控制原理

穩壓器壓力控制系統由電加熱元件、噴淋閥、安全閥組成一個單參數多通道的調節系統。主通道控制器是一個比例積分微分控制器（PID），由壓力變送器得到的穩壓器壓力P與整定值Pref相比較[2]，輸出比較信號P-Pref對噴淋閥和調節電加熱器進行連續控制，對備用組電加熱器進行斷續控制。

當比較信號小于-0.17 MPa時，備用組電加熱器啟動，比較信號回升至-0.1 MPa時，備用組電加熱器啟動關閉；當比較信號處于-0.1～0.1 MPa時，對應調節組電加熱器100%～0功率，根據比較信號的大小，按比例控制調節組電加熱器的功率；當比較信號處于0.17～0.52 MPa時，對應噴淋閥的0～100%開度，根據比較信號的大小，按比例控制噴淋閥的開度；當比較信號大于1.1 MPa時，開啟安全閥，排出多余的蒸汽，防止系統超壓。穩壓器壓力調節原理圖如圖1所示。

圖1 穩壓器壓力調節原理圖

穩壓器在壓力升高時的壓力控制程序：壓力升高至15.67 MPa時，噴淋閥開啟，壓力升至16.02 MPa時，噴淋閥達到滿開度；壓力升至16.55 MPa，實行高壓停堆保護；壓力升至16.6 MPa時，第一個安全閥開啟，若開啟后壓力降至16.0 MPa，關閉安全閥升至17.2 Pa時，第二個安全閥開啟，若開啟后壓力降至16.6 Pa，關閉安全閥。穩壓器在壓力升高時的壓力控制程序如圖2所示。

穩壓器在壓力降低時的壓力控制程序：壓力降低至15.33 MPa時，備用組電加熱器啟動，若啟動后壓力回升至15.4 MPa，備用組電加熱器關閉；若壓力降至15.2 MPa時，發出低壓報警；當壓力降至13.1 MPa時，實行低壓停堆保護；當壓力降至11.9 MPa時，高壓安注系統投入。穩壓器在壓力降低時的壓力控制程序如圖3所示。

1.2 水位控制原理

水位控制系統由液位監測儀表和補水系統組成，當液位低于設定值時開啟補水泵，向回路補水，當液位達到定值時關閉補水泵[4]。系統壓力降低和系統出現泄漏均可能造成穩壓器液位降低，而正常壓力波動范圍內的壓力降低是不需要對回路進行補水的，只有在系統出現泄漏時才需要對系統進行補水[6]。本文對上述兩種情況均建立了壓力與液位的關系函數，從而分析出正確的補水信號。

1.2.1 正常壓力波動時，壓力與液位的關系函數

在電加熱器的作用下，由ΔV體積的飽和水變成飽和蒸汽，由于在15.5 MPa的運行壓力下，水的密度大約是蒸汽密度的5.8倍[5]，若假定壓力不變，15.5 MPa下ΔV體積的飽和水則變成15.5 MPa下5.8倍ΔV體積的飽和蒸汽，而在穩壓器內部容器一定的情況下，氣腔體積只能變化為V1+ΔV，而運行壓力會由初始壓力P1變化為額定壓力P2。那么針對上部氣腔空間，如下等式成立：

當P1在15.5～13.1 MPa之間變化時，k值在1～1.183之間變化。那么，x在0～0.183之間變化。

1.2.3 水位控制點的設置

從上述分析可知，在正常壓力波動下，若壓力降低，則液位將隨之在0～0.00229h1的范圍內變化；若壓力升高，則液位將隨之在0～-0.0068h1之間變化。當回路出現泄漏的情況下，低壓停堆之前液位在0～0.183h1的范圍內變化。那么可將水位控制點作如下設置：1）當液位比整定值h1低5%時，發出水位低報警信號；2）當液位比整定值h1低10%時，發出補水信號；3）當液位回升至整定值h1，解除補水信號。

為保護穩壓器內部的電加熱元件不燒毀，要求在電加熱元件的高度不得超過低壓停堆時的液位高度0.183h1，同時將電加熱元件與低壓停堆信號聯鎖，當系統低壓停堆時同時關閉電加熱元件。

圖4 穩壓器內部體積變化示意圖

2 穩壓器設計

2.1 總體描述

穩壓器是一個直立的塔形容器，在其頂部有噴淋頭組件，在其中部設有波動管組件，在其底部設有電加熱元件，此外，在穩壓器內部還設置有電加熱元件導向格架板與保護穩壓器內壁的內筒。正常工作時，容器內上部的蒸汽約占總容積的40%，下部的飽和水腔約占總容積的60%。噴淋頭通過噴淋管和噴淋閥與主泵出口相接，波動管連接到考驗裝置出口，用以實時跟蹤回路溫度的變化。穩壓器的結構如圖5所示。

圖5 穩壓器結構圖

2.2 設計參數

設計壓力為17.2 MPa；設計溫度為360℃；內部凈容積為0.35 m3；蒸汽體積為0.14 m3；飽和水體積為0.21 m3；工作介質為去離子飽和水、飽和蒸汽。

2.3 穩壓器本體

穩壓器本體由筒體、上封頭、下封頭和頂蓋組成。上封頭為球形封頭，與筒體采用直徑等壁厚連接，上封頭開有1個噴淋頭拆換孔，3個安全閥連接孔，4個儀表管連接孔。下封頭也為球形封頭，與筒體采用直徑等壁厚連接，下封頭開有9個電加熱元件套管孔，1個排空管連接孔，4個儀表管連接孔。頂蓋開有1個噴淋管連接孔、8個主螺栓連接孔。筒體與上、下封頭采用對接焊縫焊接，筒體與頂蓋通過主螺栓壓緊石墨纏繞不銹鋼墊片連接在一起。筒體、上封頭、下封頭和頂蓋均由不銹鋼鍛件制成。

2.4 波動管

波動管從筒體的側下部引入容器內，而不是從下封頭底部引入。這樣避免了在開孔較多的下封頭開大孔，同時避免了波動管與電加熱元件和底座的相互干涉，還有利于波動水在容器內的均勻傳播。

波動管由不銹鋼管彎制90°而成，波動管焊接在接管頭上，接管頭與來自考驗裝置出口的管道焊接在一起。

2.5 噴淋頭

噴淋頭由噴淋接管、鐵芯、管嘴、墊片與環組成。噴淋頭安裝在頂蓋上，便于檢修和拆換。噴淋水是通過噴淋接管而來的主泵出口水。其溫度低于穩壓器內水、氣飽和溫度。通過噴淋來凝結穩壓器內蒸汽，限制回路系統的超壓，維持回路的正常工作壓力。

2.6 電加熱元件

穩壓器下封頭設置有單端插入式電加熱元件，共9根。電加熱元件套管與下封頭冷裝后焊接在一起，元件插入套管后通過螺母壓緊密封材料實現與穩壓器的密封[7]。

在運行時，電加熱元件分為3組，啟動組、調節組、備用組各3根。其中啟動組與備用組具備通斷開閉的功能，調解組具備按比例投入的功能。

2.7 穩壓器內部構件

穩壓器內部構件有電加熱元件導向格架板、保護內壁的內筒等。在穩壓器內部共設有兩組格架板，格架板通過螺釘與焊接在穩壓器內部的支撐板相連接。內筒為不銹鋼圓筒，內筒通過支撐塊、螺紋塊與穩壓器連接在一起。

2.8 支撐部件

穩壓器支撐部件包含支撐筒、支腿、基座3個部分。

支撐筒為不銹鋼圓筒，支撐筒一端與穩壓器下封頭焊接，另一端與支腿焊接；支腿由不銹鋼槽鋼加工預制而成，支腿一端與支撐筒焊接，一端與基座焊接；基座與支腿焊接在一起后通過地腳螺栓安裝在設備基礎上。

2.9 安裝部件

穩壓器安裝部件由安裝預埋板與地腳螺栓組成，安裝預埋板為碳鋼圓環，地腳螺栓與安裝預埋板焊接在一起后澆筑在設備基礎之中。

3 穩壓器抗震計算與應力分析

穩壓器屬于RCC-M規范的SC-2級設備，需通過進一步的抗震計算與應力分析來驗證結構的力學性能，以滿足RCC-M規范的要求。

3.1 載荷與工況

穩壓器的工況分類分為設計工況、正常工況、異常工況、試驗工況等4種，涉及到的載荷有自重、設計壓力、操作壓力、試驗壓力、設計溫度、操作溫度、OBE載荷、SSE載荷、靜液壓力、液體擾動熱膨脹等11種[1]，各種工況下所涵蓋的載荷種類如表1所示。

表1 各種工況下的載荷組合表

3.2 應力評定準則

依據《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》的規定，各種工況下遵守的準則級別及應力限值應該滿足表1規定。

3.3 計算模型

穩壓器主體由上封頭、筒體和下封頭組成，采用Solid185單元對其進行網格劃分，計算模型共由36 080個單元組成，上封頭、下封頭以及筒體通過節點耦合法進行裝配。內部構件有電加熱元件導向格架板、保護內壁的內筒等，采用Solid185單元對其進行網格劃分，內筒由22 614 個單元組成，電加熱元件導向格板由12 366個單元組成。支撐部件包含支撐筒、支腿、基座3個部分，支撐筒、基座采用Solid185單元對其進行網格劃分，支腿采用Beam189單元進行網格劃分，支撐筒、基座與支腿采用Surface-Based Constraints方法進行裝配，支撐部件計算模型共由13 794個單元組成。頂蓋采用Solid185單元對其進行網格劃分，其計算模型由8620個單元組成。主螺栓、螺母采用Solid185單元對其進行網格劃分，其計算模型由1032個單元組成。

表2 穩壓器的應力分析工況分類與評價準則表[3]

圖6 穩壓器在設計工況下的應力分布圖

3.4 分析結果及評定

在設計工況下，穩壓器的最大應力強度為94.1 MPa。穩壓器主體的最大應力強度為93.7 MPa，主螺栓的最大應力強度為17.4 MPa，頂蓋在的最大應力強度為19.2 MPa。

在正常工況下，穩壓器的最大應力強度為84.9 MPa。穩壓器主體的最大應力強度為74.0 MPa，主螺栓的最大應力強度為16.3 MPa，頂蓋的最大應力強度為20.1 MPa。

在異常工況下，穩壓器的最大應力強度為93.7 MPa。穩壓器主體的最大應力強度為93.7 MPa，主螺栓的最大應力強度為17.4 MPa，頂蓋的最大應力強度為19.2 MPa。

在試驗工況下，穩壓器的最大應力強度為127 MPa。穩壓器主體的最大應力強度為127 MPa，主螺栓的最大應力強度為24.3 MPa，頂蓋的最大應力強度為30.1 MPa。

穩壓器在設計工況、正常工況、異常工況及試驗工況下的各部件的薄膜應力σm、薄膜應力加彎曲應力σm+σb如表3所示。

表3 穩壓器在各工況下的應力分類及其對應準則的應力限值對照表

4 結論

穩壓器是反應堆輻照考驗回路的關鍵設備之一，用于控制冷卻劑的壓力波動，防止系統超壓。本文設計了由電加熱元件、噴淋閥、安全閥組成的壓力控制系統，并規定了壓差信號在-0.17～0.52 MPa范圍內變化時各個調節單元的工作流程，達到了壓力控制的目的。本文還設計了由液位監測儀表和補水系統組成的液位控制系統，并通過建立穩壓器氣腔的平衡方程得到在正常波動和泄漏工況下液位高度與壓力的關系式，并根據該關系式規定了穩壓器的液位控制流程。在壓力控制系統與液位控制系統建立的基礎上，進一步開展了穩壓器本體、波動管、噴淋頭、電加熱元件、內部構件、支撐部件、安裝部件的結構設計。為驗證穩壓器的結構滿足RCC-M規范的要求，對穩壓器在設計工況、正常工況、異常工況、試驗工況下的受力特性展開了分析，分析結果證明穩壓器各個部位的應力均小于設計限值，滿足規定要求。

綜上，穩壓器的結構設計合理、力學性能滿足規范要求，能在反應堆輻照考驗回路中實現控制系統壓力波動、監測回路冷卻劑是否出現泄漏、高壓停堆保護和低壓停堆保護的功能。