防止压水堆核电站堆内构件振动的可靠性措施

刘兴园

摘要：压水堆核电站已经成为世界范围内，使用最为广泛的商用核电堆型。压水堆核电站的成本投入低，功率大，生产技术相对成熟，具备可靠的安全性能。但压水堆核电站堆内构件由于外力作用会出现振动问题，持续振动将会扩大已有破损部位的破损面积，进而导致一回路主设备及管系破损，严重影响核电站的安全性能。

关键词：压水堆核电站；堆内构件；振动；措施

前言

核电站反应堆由于堆芯内部的核燃料发生裂变，产生巨大热能，将堆芯内通过主泵进入的水加热到300多度、气压达到150多个大气压，形成高温高压水，高温高压水在经过蒸汽发生器的时候，通过传热U型管，使管外的二回路冷却水受热，然后高温高压水又中心回到堆芯，如此往复循环，就叫做一回路。压水堆核电站中一回路的安全性能决定着核电站整体的安全性，所以一回路主设备及管系一旦由于堆内构件振动而破损，后果将不堪设想。

通过核安全法规，我们可以清晰地知道，一回路中主设备及管系都属于抗地震1类，安全等级也都是核安全1级。一回路中的堆内构件就是指反应堆压力容器的各个组成部分，反应堆内部测量部分以及堆芯的支承部分，都是堆内构件的关键部分。核电站在正常使用的状态下，反应堆内部环境十分复杂，对堆内构件形成高腐蚀和高辐射，同时还伴随着高温高压。反应堆中蒸汽的压力和温度都很高，这是因为只有在高温高压下，热能才能被汽轮机转化为机械能。

1.压水堆核电站堆内构件振动的危害性

有关于核电站的安全隐患，主要来源于辐射，核辐射不论对核电站设备，还是对人体都存在极大伤害，并且无法挽回。核电站中产生辐射，是由于反应堆一回路中主设备及管系出现破损而导致泄露造成的，一旦发生泄露，安全区域内的设备和空气就会被污染，在安全区域内进行维修的工作人员就将受到辐射，对人体造成不可逆的伤害[1]。

2.压水堆核电站堆内构件振动的原因

造成压水堆核电站堆内构建发生振动的原因有很多，其中包括核电站在设计阶段对于机械设备的選材和制造方面，机械设备在安装调试过程中的不合理操作，以及核反应性和地震等非正常因素的影响。堆内构件振动也是一回路主体设备和管系发生破损，从而导致泄漏的主要原因。降低做好堆内构件发生振动的频率将是保证压水堆核电站安全性的重要途径。

3.防止压水堆核电站堆内构件振动的可靠性措施

可靠性措施，就是指系统在已知的规则范围内，使系统整体功能得到有效发挥[2]。而广义上的可靠性，用于核电站上可以理解为，在核电站使用年限内，以保证核电站正常运作并能实现其商业价值为基础，尽可能地降低核电站辐射以及放射性物质的排放对人类和环境造成的危害。要想符合核电站广义上的可靠性，就必须建立起相应的核电站可靠性标准，标准中必须要有核电站主设备的使用年限，维修间隔的时间等一系列的标准，使其在实施过程中有据可依。

3.1设计阶段。压水堆核电站的主设备从设计阶段就要将可靠性措施考虑进去，热工水力，堆芯核物理以及力学等设计标准都对堆内构件的设计有一定的要求。在安装过程中，筒体法兰上面悬挂着吊篮筒体，吊篮筒体内安装着堆芯组件，而堆内上部支承构件要安装在堆芯组件的上面，吊篮筒体属于下部支承构件。在这些上下部的支承构件共同作用下，堆内构件的整体功能才能够得到发挥。堆内构件可以实现对燃料装置及其相关装置的支承，也能够实现对棒组件的控制，从而控制帮组件能够在事故工况下迅速插入堆芯，为冷却剂提供流通渠道。堆内构件要从整体上确保符合刚性结构的要求，可以降低在水体冲击和沸腾时振动的发生频率。堆内构件在安装中遵循对称原则，所以要将质心和形心重合在一起，也可以避免振动的发生。另外，在设计过程中，要利用弹簧，实现对位燃料装置的有效支撑和压紧，固定各个组件，配合弹簧来减弱振动所产生的不利影响。为保证各组件间的紧密性，必须在确保各个组件质量的同时，对组件连接点进行多点焊接，增强整体抗震能力。

3.2制造阶段。核电站堆内构件大多是精密部件，因此，构件的设计和制造都是一个复杂的过程，精密构件要通过大型精密仪器才能制造出来。以秦山核电站的吊篮筒体为例，其加工难度巨大，总体高6m，厚度50mm，筒体表面还有多个空洞。当时国内没有这种制造能力，所以，从日本进口了其半成品，并修建了专门的厂房供制造使用，通过厂方的努力，解决了冷却剂在经过堆芯时的流量分配问题，从而杜绝了因制造工艺而产生的振动[3]。

3.3选材阶段。通过以上对于压水堆核电站堆内构件的基本了解，我们知道，堆内构件所处环境十分复杂，高压高温，并具有极强的腐蚀性和辐射性，因此，堆内构件的制造要选用特殊的材料，特种钢材具有较强的抗腐蚀和抗辐射性，不会在强辐射喜爱发生变形，所以特种钢材是堆内构件最佳的制造材料。另外，特种钢材还能够抗高温，在一定程度上避免了堆芯构件的振动。

3.4运行阶段。为了在反应堆的正常活动下控制振动，就必须在核电站运行过程中，向反应堆中添加能够实现反应堆内可控的裂变反应的物质，或者通过设置棒驱动机构，对核反应性和热功率进行调节。

4.结论

防止压水堆核电站堆内构件的振动，必须要从设计，制造，选材和运行的各个阶段做好避振措施。另外，计算机技术的应用也可以在一定程度上消除堆内构件振动的根源，但毕竟计算机是受人脑支配的，应变能力是有限的，短期内还不足以替代人工的管理和操作。

参考文献：

[1]朱齐荣.防止压水堆核电站堆内构件振动的可靠性措施[J].核动力工程，1998，（1）：93-96.

[2]朱齐荣，傅戈雁.核电站堆内构件振动可靠性的模糊因素分析及防振措施[J].中国核科技报告，1998，（56）：141.

[3]贺友光，姚伟达.堆内构件设计与研制[J].中国核科技报告，1997，（3）：72-75.