堆芯儀表系統用礦物絕緣電纜組件的研制

呂茂盛,應珠微,吳方亮,薛泓元,許孟軒,魏朝陽

(1.浙江倫特機電有限公司,浙江 溫州 325600;2.上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233;3.山西蘭花科技創業股份有限公司,山西 晉城 048000)

0 引言

堆芯儀表系統成套設備(包含礦物絕緣電纜組件)是國內核電關鍵系統“卡脖子”問題之一,屬于國家“1025專項”研發任務。礦物絕緣電纜組件的研制契合國家核電發展的需求,可保障國家戰略利益,有利于打破發達國家的壟斷,以形成充分競爭,從而大幅降低采購成本、方便供貨及維護。

現階段,國際核電建設進入第三代發展時期。目前,具有代表性的第三代核電技術有非能動先進壓水堆 (AP1000)、歐洲先進壓水堆(evolutionary power reactors,EPR)、韓國先進壓水堆(APR1400)、先進沸水堆(advanced boiling water reactor,ABWR)等[1-2]。第三代核電技術充分利用幾十年來的科研成果,按照當前新的核安全法規設計,以防范嚴重事故作為設計基準,考慮了安全殼在嚴重事故下的負載情況。第三代核電技術的安全性有很大的提高[3]。

雖然我國已全面引進AP1000核電技術[3],并且浙江三門、山東海陽這2個自主化依托項目已并網發電[4],但是該技術仍屬于國外專利。相關國產化單位在境外采購時無法規避知識產權條款,難以采購到滿意的礦物絕緣電纜組件。礦物絕緣電纜組件現由個別發達國家壟斷,存在價格昂貴、供貨周期長的問題,且受發達國家政府嚴格限制和監控。一旦國際關系僵化會直接導致現有核電設備無法正常運轉,嚴重侵害國家利益。在消化、吸收、全面掌握AP1000非能動技術的基礎上,我國通過自主創新,開發出具有我國自主知識產權、功率更大的非能動大型CAP1400型先進壓水堆核電機組。其中,以堆芯儀表套管組件以及礦物絕緣電纜組件為代表的核心儀表亟需實現國產化研制。因此,國家科技重大專項在“十三五”期間提出支持研發堆芯儀表套管組件(包含配套的礦物絕緣電纜組件)。

本文研制了堆芯儀表系統用礦物絕緣電纜組件。該組件根據CAP1400型先進壓水堆核電機組的要求進行了設計和樣機生產,并通過了鑒定試驗。研究結果表明,我國已經掌握了礦物絕緣電纜組件制造和鑒定技術,具備礦物絕緣電纜組件制造和鑒定能力,為重大專項的自主研發奠定了堅實的基礎。該研究實現了礦物絕緣電纜組件的國產化,擺脫了依賴進口的困境,為CAP1400型先進壓水堆提供了有利保障。

1 國產化難點

礦物絕緣電纜組件用量小、功能特殊、運行環境嚴苛、研制難度大,國內缺乏相關研究、生產能力。上述問題嚴重制約礦物絕緣電纜組件的國產化。

1.1 材料受限

由于我國核電事業起步晚、市場小,導致國內核電相關材料、元件生產加工等基礎行業比較滯后,生產力得不到有效保證。這加大了礦物絕緣電纜組件研發的難度。

1.2 設備研發投入高、周期長

對于礦物絕緣電纜組件,國內缺乏相關研究,造成研發和試驗費用投入大、研發周期長的問題。整個研發制造過程需要投入大量的資源,并且需要使用大量高精尖的檢測和生產設備。

礦物絕緣電纜組件需適應輻照、高溫高壓、長期化學水淹等特殊環境,性能指標要求遠高于市面上同類產品,并且現有的核級電纜都是有機電纜,無可參照借鑒的案例。因此,礦物絕緣電纜組件的設計及制造存在較大難度,并且有一定技術風險。

2 產品設計方案及結構特點

堆芯儀表系統用礦物絕緣電纜組件將堆芯儀表組件內的熱電偶及自給能中子探測器安全、可靠地傳輸到儀器設備,用于傳輸反應堆堆芯中子的軸向和徑向分布、監測堆芯功率畸變、積累燃耗數據、傳輸堆芯出口的熱電偶信號和反饋堆芯出口溫度。其為核電站安全、可靠的啟動、運行設備。

堆芯儀表系統用礦物絕緣電纜組件是一種可傳輸堆芯儀表組件毫伏、納安級弱電壓信號的鎧裝電纜,需具備高保真性能。該電纜組件位于安全殼內的壓力容器頂部,處于高溫、高輻照的嚴酷環境條件,需具有極高的密封和絕緣性能。依據CAP1400電纜組件規格書,每種礦物絕緣電纜組件設計要求為:壽命長(60年);輻照劑量高(6.47×105Gy);絕緣電阻高(常溫下大于等于1×1011Ω,200℃下大于等于1×109Ω);承受10 s的1 000 V直流電(direct current,DC)不擊穿;所有礦物絕緣電纜組件組合后耐常溫絕緣電阻需大于等于1×108Ω,要耐高溫高壓、酸堿噴淋等特殊環境;發生事故期間可傳輸信號。

2.1 設計方案

為滿足研制要求,礦物絕緣電纜組件采用以下設計方案。

①為達到絕緣電阻要求,礦物絕緣電纜絕緣層采用經過特殊工藝加工的高純度二氧化硅材料。該材料不但具有高絕緣性,還具有耐輻照、不易老化的特點。

②為了能承受嚴酷的使用環境,礦物絕緣電纜外殼需滿足渦流探傷要求,以保證電纜外殼的完整性,從而隔絕外界環境對內部結構的損壞。

③為了保證絕緣層壓實度能滿足介電和絕緣要求,礦物絕緣電纜采用一體拉制退火工藝。

④礦物絕緣電纜組件冷端采用軸向密封連接器與不銹鋼后殼焊接進行密封,可實現全方位組裝密封,使用時不懼酸堿、輻照,能有效阻止因潮氣進入電纜而導致的絕緣電阻下降。

⑤每種礦物絕緣電纜組件之間采用連接器連接。連接器與連接器之間采用三道周向密封和一道界面密封設計,能有效保證連接器之間的絕緣性能不受外界環境影響。

2.2 結構特點

礦物絕緣電纜組件有5種結構。每種結構可單獨使用或者多種連接使用。

礦物絕緣電纜組件1由1根熱電偶電纜以及2根中子探測器電纜組成,用于傳輸熱電偶以及中子探測器信號。礦物絕緣電纜組件2由1根熱電偶電纜以及2根中子探測器電纜組成,一端為一體結構,另一端為一分二結構,分別傳輸熱電偶和中子探測器信號。礦物絕緣電纜組件3由1根熱電偶電纜組成,用于傳輸熱電偶信號。礦物絕緣電纜組件4由7根熱電偶電纜組成,一端為一體結構,另一端為一分七結構,用于傳輸熱電偶信號。礦物絕緣電纜組件5由7根熱電偶電纜組成,用于傳輸熱電偶信號。

礦物絕緣電纜組件結構如圖1所示。

圖1 礦物絕緣電纜組件結構示意圖

自主化設計的堆芯儀表系統用礦物絕緣電纜組件整體結構由防塵罩、連接器、后殼、釬焊塊、波紋管、熱電偶偶絲材料(NiCr-NiAl[5])電纜、中子探測器電纜組成。礦物絕緣電纜組件內部結構為:多支中子探測器礦物絕緣電纜或多支熱電偶礦物絕緣電纜通過釬焊塊釬焊固定在一起;熱電偶電纜引線及中子探測器電纜引線與連接器端子連接,通過外殼焊接密封將電纜引線與連接器端子連接部分與外界隔離。

堆芯儀表系統用礦物絕緣電纜組件具有結構簡單、抗彎能力好、重量輕、耐腐蝕、使用壽命長的特點。該組件具體結構特點如下。

①完全密封。各電纜組件靠連接器連接,可以確保在事故環境下的正常運行。

②整個電纜組件結構基本由無機材料構成,可長時間耐輻照而不出現劣化。

③熱電偶電纜及中子探測器電纜與連接器連接,并采用外殼接地形式降低環境輻射對電纜的電磁干擾,以提高傳輸的準確性和可靠性。

④不易老化。高溫絕緣電阻的阻值高,對信號傳輸影響小,能有效提高信號傳輸精度。

⑤結構簡單、堅固,能長時間地適應安全殼內復雜環境[6]。

3 組件性能

礦物絕緣電纜組件為K1類電纜,與普通核電站用1E級電纜[7]相比,具有以下性能優點。

①礦物絕緣電纜組件外殼整體采用無機物設計,阻燃性更好,老化不明顯。

②礦物絕緣電纜組件輻照劑量更高。礦物絕緣電纜組件輻照劑量為6.47×105Gy。普通核電站用1E級電纜輻照劑量為2.5×105Gy[8]。

③礦物絕緣電纜組件電阻率更高。礦物絕緣電纜組件電阻率大于等于1×1014Ω·cm。普通核電站用1E級電纜電阻率大于等于1×1013Ω·cm[9]。

④礦物絕緣電纜組件可用于200 ℃環境。普通核電站用1E級電纜可用環境溫度最高為90 ℃[8]。

4 組件試驗及分析

4.1 出廠試驗

礦物絕緣電纜組件滿足設備規范書對絕緣電阻、介電強度、密封性的要求。參數對比如表1所示。

表1 參數對比

4.2 鑒定試驗

試驗結果表明,礦物絕緣電纜組件滿足在核電站運行60年,以及承受CAP1400型先進壓水堆設計基準事故的要求。

4.3 嚴重事故可用性驗證試驗

礦物絕緣電纜組件適應CAP1400嚴重事故下可用性驗證試驗第一類和第二類環境條件。

第一類環境條件考慮非能動安全殼冷卻系統(passive containment cooling system,PCS)有效及點火器有效的工況,有3個或2個氫氣燃燒尖峰。

第二類環境條件對應PCS有效及點火器失效工況,有1個氫氣燃燒尖峰。

整個氫爆過程中最高溫度達到了800 ℃以上。堆芯儀表套管組件以及礦物絕緣電纜組件在試驗過程能夠保持正常工作。試驗后,絕緣電阻等電氣性能檢測均滿足規范書要求。

試驗結果表明:礦物絕緣電纜組件可滿足承受CAP1400型先進壓水堆嚴重事故的要求。

5 結論

為實現礦物絕緣電纜組件國產化、打破國外壟斷,本文研制了滿足CAP1400型先進壓水堆要求的礦物絕緣電纜組件。通過原材料的選擇、結構的設計、集成工藝的控制等方面的研究,本文成功研制出滿足要求的礦物絕緣電纜組件,并通過鑒定試驗以及嚴重事故可用性驗證試驗,證明其滿足“國和一號”示范工程應用需求。該組件將安全殼內熱電偶及自給能中子探測器的信號安全、可靠地傳輸到儀器設備,是保證核電站安全的重要設備。

本文研制的礦物絕緣電纜組件不僅可以應用于 CAP1400 ,也可推廣應用到 CAP1000 核電機組中[15]。本文研究成果將有助于我國核電廠堆芯儀表用礦物絕緣電纜組件設備擺脫依賴進口的困境,推動核電項目CAP型系列核電站儀控設備全面國產化。核電設備國產化成功可促進國內核電事業的快速發展,有利于“碳達峰”“碳中和”目標的實現,為國內環保事業提供助力。