几种压水堆反应堆压力容器结构的比较与研究

丛高伟 张忠海

摘 要：文章对几种典型压水堆反应堆压力容器的结构进行比较，对其特点和优点进行了分析和研究。

关键词：反应堆压力容器；结构；比较；分析

1 概述

压水堆核电厂反应堆压力容器是反应堆冷却剂压力边界屏障中的一个重要设备，在核电厂服役期内不可更换，其寿期决定了整个电厂的服役年限。主要用来装载反应堆堆芯[1]，包容高温、高压、含放射性的冷却剂。属于核安全一级设备，要求在各种正常运行工况、试验工况条件下，结构均能保持完整，不发生容器的无延性断裂破坏和放射性物质的泄露。

目前，我国国内运行和正在建造的压水堆核电站反应堆压力容器堆型主要有CPR1000堆型 （二代改进型）、某三代堆型、CAP1400堆型（三代堆型）、ACP1000堆型（三代堆型）等。文章通过对这几种堆型反应堆压力容器的比较，对其特点和优点进行了分析。

2 比较与分析

2.1 结构的大型化

从CPR1000堆型、某三代堆型、ACP1000堆型的发电功率约1000MWe到CAP1400堆型的发电功率约1400MWe，发电功率越来越大。随着发电功率的增加，就要求反应堆内部放置更多的燃料组件，这就要求反应堆压力容器的尺寸随之增加。由于反应堆压力容器基本采用锻焊结构，这使得锻件的大型化成为一个发展趋势。以法兰接管段为例，其法兰外径由CPR1000的φ4684mm达到了CAP1400的φ5300mm，这对锻件材料的制造提出了更高的要求。

2.2 零部件的一体化

（1）底封头整体化。CPR1000堆型、ACP1000堆型和某三代堆型的反应堆压力容器的下封头和过渡段采用分体焊接的结构，详见图1；而CAP1400反应堆压力容器则采用整体底封头，即将下封头和过渡段合并成为一个锻件，取消下封头和过渡段之间的焊缝。（2）顶盖整体化。CPR1000堆型、ACP1000堆型反应堆压力容器采用分体顶盖，即采用上封头和顶盖法兰分体焊接的结构，详见图2；而某三代堆型反应堆压力容器和CAP1400反应堆压力容器则采用整体顶盖[2]，取消了上封头和顶盖法兰之间的焊缝。（3）堆测接管整体化。某三代堆型堆测接管下段采用堆焊的方式进行制造，CAP1400反应堆压力容器采用相同的堆测接管结构，但是堆测接管下段与整体顶盖采用一体化锻件，详见附图3。

图1 图2 图3

采用一体化锻件具有以下优点：（1）在设备制造过程中，减少了焊缝或堆焊部位的机加工、焊接、热处理及无损检测，有效缩短设备的制造周期。（2）在设备的运行过程中，减少了焊缝或堆焊部位，增加了设备的安全性。（3）在设备的维护过程中，减少了对该焊缝或堆焊部位在役检查。

2.3 堆内测量系统的布置

CPR1000反应堆压力容器在下封头上共布置了50个中子测量管座，作为堆芯中子辐照测量仪器的通道，详见图4；某三代堆型和CAP1400堆型在下封头没有设置中子测量管座，即下封头是一体结构，无需开任何孔，而把堆芯测量通道布置到了顶盖，在顶盖上增加了8个堆测接管，与堆测接管下段采用对接焊结构，让所有的堆芯测量装置从顶盖向下伸入到堆芯，堆测接管的结构详见图5；ACP1000堆型反应堆压力容器也取消了底封头的中子测量管座，并在顶盖上设置12个堆芯测量管座，与顶盖采用J坡口焊接的形式进行连接，用于堆芯测量装置的通道，详见图6。

将底封头上的堆芯测量装置转移到顶盖上有以下优点：将底封头上的堆芯测量装置转移到顶盖上，减少了底封头上堆芯测量装置泄露的风险，增加了整个设备的安全性，为反应堆压力容器在60年寿期的安全運行提供了保障。

2.4 导向栓的安装位置

CPR1000堆型和ACP1000堆型的反应堆压力容器在安装顶盖时，导向栓占用三个主螺栓孔，在顶盖顺利安装到容器组件上后将导向栓拆下，再安装主螺栓。

某三代堆型及CAP1400堆型的反应堆压力容器在安装顶盖时，导向栓不占用主螺栓孔，这两种堆型反应堆压力容器的接管段法兰外侧焊接有两个导向栓支撑块，导向栓支撑块上设置专门用于安装导向栓的螺孔；在整体顶盖的法兰外侧焊接有两个导向栓支架，用于引导顶盖顺利安装。且这两种堆型的导向栓在设备运行期间不拆除。

导向栓占用单独的螺孔且在运行期间不拆除具有以下优点：（1）导向栓不占用主螺栓孔，可以有效保护主螺栓孔螺纹，避免主螺栓孔螺纹在安装顶盖时被导向栓损伤。（2）导向栓在运行期间不拆除，可以在每次换料或检修时减少一次导向栓的安装和拆卸时间。

2.5 主螺栓孔上部光孔及换料密封环上端面的状态

CPR1000堆型反应堆压力容器主螺栓孔上部光孔为低合金钢表面，详见图7；而ACP1000、某三代堆型及CAP1400反应堆压力容器的主螺栓孔的上部光孔进行了不锈钢堆焊，详见图8。CPR1000堆型反应堆压力容器上端面及换料密封环上面为低合金钢表面，详见图7；而ACP1000、某三代堆型及CAP1400反应堆压力容器的上端面及换料密封环上表面进行了不锈钢堆焊，详见图8。主螺栓孔上部光孔及换料密封环上端面进行不锈钢堆焊，有以下优点：在换料及检修期间反应堆压力容器筒体上表面被硼水淹没时，有效保护主螺栓孔和容器法兰上表面和换料密封环上表面避免腐蚀，为反应堆压力容器60年的安全运行保驾护航。

图7 图8

3 结束语

通过对几种反应堆压力容器结构的比较和分析，可以看出反应堆压力容器的发展有以下趋势：（1）随着发电功率的增加，反应堆压力容器有大型化的趋势；（2）零部件的一体化是反应堆压力容器的一个方向发展；（3）堆内测量系统由反应堆压力容器底封头移到反应堆压力容器顶盖；（4）结构设计向更加便于安装和维护的方向发展。

参考文献

[1]林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008，8.

[2]李承亮，张明乾.压水堆核电站反应堆压力容器材料概述[J].材料导报，2008（22）：9.