浅谈AP1000一体化堆顶组件的先进性

章增粮 杨付德（山东核电设备制造有限公司，山东 海阳 265118）

浅谈AP1000一体化堆顶组件的先进性

章增粮 杨付德
（山东核电设备制造有限公司，山东 海阳 265118）

摘 要：一体化堆顶组件是AP1000核电站反应堆压力容器中燃料组件的关键控制机构，是非能动核电技术的重要创新之一。本文通过AP1000与CPR1000两种堆型的比较，对顶盖组件中采用不同设计结构实现相同功能的部件进行介绍。比较说明一体化堆顶组件从人员安全、人力需求、换料周期、操作简化等方面的先进性。

关键词：AP100；一体化堆顶；堆芯仪表结构；围筒组件；通风冷却系统

核电是安全、清洁高效的能源，已成为目前世界上仅次于火电的第二大能源。核电站是利用在动力反应堆中进行的核裂变反应所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。目前世界上核电站采用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆、快堆以及高温气冷堆等，但比较广泛使用的是压水堆反应堆。压水反应堆是以普通水作冷却剂和慢化剂。它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆堆型。

核燃料采用235U制成的UO2富集度约为2%～3%（陶瓷型芯块），核燃料裂变产生的快中子慢化成一定能级的热中子才能被235U吸收，维持堆芯的链式裂变反应：″“n+235U→236U*→144Ba+ 89Kr+3n″｜″n+235U｜236U*→140Xe+94Sr+2n”，通过控制棒提升和 水中硼浓度调节来控制堆芯反应性，以保持链式裂变反应可控。在标准大气压下水的沸点为100℃，为了提高水的冷却效率，要求在300℃～350℃范围内不沸腾，就需使水保持120～160个大气压的高压，正是由于反应堆内的水处于高压下工作，因此这种类型的反应堆被称作压水堆。

1 AP1000简介

AP1000是美国西屋电气公司利用AP600的非能动安全设计概念，加上系统80+双环路的设计思想，以降低容量成本为目标，使AP1000 的安全性和经济性同时都大为提高。AP1000设计采用了非能动安全系统（PSS）的概念来改进电厂的安全，并且大范围的简化电站设计来提高电站的安全、建造、运行和维护。AP1000设计取得高的安全性和可用性，保留了原有的压水堆技术，但是更强调依靠自然力量的安全特性。安全系统采用自然力如压缩空气、重力流动，气流的自然循环和对流。安全系统尽量少用泵、风机、柴油机、冷水机或别的能动机械并且无须安全级别支持系统，如交流电，元件冷却水，设施用水和通风等。

AP1000一体化堆顶（以下简称IHP）是非能动核电技术的重要创新之一，为简化反应堆换料操作、减少换料时间，将堆顶屏蔽、防飞射物装置和反应堆压力容器顶盖（上封头）起吊装置设计成不需拆散的一体化结构。在更换燃料时，可以作为一个单个的结构被拆除和移动到储存架上，可以缩短停堆周期、优化占用空间、便于电缆断开和连接、提高操作人员的安全性、减少人力要求。

2 IHP的组成

IHP由控制棒驱动机构系统（CRDM）、堆芯仪表结构、通风冷却系统、围筒组件、提升系统、支撑结构以及电气仪表等部件和系统组成。将这些分开的部件与反应堆压力容器顶盖一起组成一体化顶盖。通过AP1000与CPR1000堆顶结构的比较，从认知、学习的角度考虑，本文主要从设计改变明显的堆芯仪表结构、通风冷却系统，围筒组件、提升系统等方面进行阐述。

2.1 堆芯仪表结构

堆芯仪表主要用于堆芯温度测量、堆芯中子注量率测量和压力容器内水位测量等。AP1000的堆芯仪表从反应堆压力容器上部插入，反应堆压力容器下封头无贯穿件。采用快速接头式仪表导管，在压力容器堆内构件中增加一个仪表格架，在此格架上同样有8个仪表导管，此8个仪表导管从堆芯内引出的42根仪表，分组包装成8个，与一体化顶盖上的8个仪表贯穿件快速接头连接。

堆芯仪表贯穿件设计到顶部排除了反应堆压力器失水事故的风险，CPR1000仪表管贯穿件数量50个，外径1英寸，AP1000仪表管贯穿件数量减少到8个，外径增大到5.75英寸，数量减少和尺寸增大，降低了设备制造难度，缩短了工期，提高了压力容器的安全性。减少了辐射剂量的泄露，由于CPR1000仪表导管在装换料等维修的时候需要从反应堆底部抽出，而该仪表导管带有很大的放射性。AP1000设计在堆内构件上增加仪表格架设计在装换料和维修的时候不在需要拆仪表导管，使得反应堆压力容器顶盖的检查和维护更加方便，减少了职业防护难度和维修时间。

2.2 通风冷却系统

IHP的通风系统由风机、风阀、风管、风管配件、风管支撑、通风围板、仪表及电气部分等组成，主要为控制棒驱动机构磁轭线圈部件提供强迫冷却空气，保持控制棒驱动机构线圈组件在允许温度范围内正常运行。

IHP通风系统设计有4台风机，风机启动后外部冷却空气从下围筒上的风门吸入，通过安装于围筒内侧风门上方的通风围板，在控制棒驱动机构周围形成间隙一致的通道，以提供均匀冷却的空气。风管为空气提供从通风围板上方流出的通道，通过顶部风机排出。

目前我国在役压水堆核电站CRDM冷却系统风机设置在远离反应堆区域，仅在顶盖上装有风管、风管配件、通风罩等部件。停堆换料期间，需要人工进行风管拆装和单独存、放操作，属于压力容器顶盖开、合盖操作中的一部分，是核电厂换料大修活动工时中需评估项。IHP通风冷却系统风机安装在安全壳内反应堆上方，换料操作时无须拆除，可与反应堆压力容器顶盖等堆顶其他设备一同吊装和存放，且冷却后的空气直接排放在安全壳内部，免除了意外的辐射剂量通过堆顶冷却系统泄露到安全壳外部的可能性。

2.3 围筒组件

一体化堆顶围筒组件是IHP的一个重要组成部分，安装在反应堆顶盖上包围环绕着控制棒驱动机构的圆筒装置，属AP1000堆型特有的部件。围筒组件由上、中、下三段筒体组成，三段围筒之间通过螺栓连接。在上围筒上边通过螺钉连接将内部操作平台固定在围筒内壁。中围筒上的出风口通过风管与风机连接。下围筒下部法兰与反应堆压力容器顶盖的支承凸台通过螺栓固定在一起以实现换料期间的整体操作，从而极大地减少了换料操作所需的时间和人员操作，提高了电厂的经济性和可操作性。

围筒是IHP的主要承力抗震部件，属抗震Ⅰ类部件。采用围筒结构设计，既提高了总体刚度，又为其他结构部件的安装提供支撑。如围筒和安装在上段围筒内部的抗震支撑组件一起组成IHP的抗震支撑系统，能够满足在假设的地震工况下，限制CRDM的过度变形以维持其正常功能，保证CRDM在事故工况下的功能完整性。与CPR1000的CRDM抗震支撑装置不同的是，取消了与反应堆水池墙壁相连的5个抗震拉杆和抗震拉杆预埋件，在装、换料时，无须连接、断开抗震拉杆步骤，简化了反应堆换料的工序，节省了换料时间。

在停堆换料期间，围筒组件可以作为永久性辐射防护结构为人员屏蔽来自控制棒驱动机构和快拆装密封仪表接管的辐照，并且可以提供通往快拆装密封仪表接管和堆芯仪表套管组件电缆连接器的人员操作通道，优化占用空间、便于电缆断开和连接、提高操作人员的安全性、减少人力要求。在反应堆运行期间，围筒组件还提供了控制棒驱动机构冷却空气的边界。

2.4 提升系统

IHP提升系统由3根互成120度的提升杆、三角架 、巢台组件、桥架绞车等部件组成，用以实现一体化顶盖在装换料和维修期间的整体吊装工作。三角架通过提升杆与压力容器顶盖连接组成IHP组件的起吊支杆系统，这种设计减少了顶盖在吊装过程中的操作步骤，只需通过连接器将吊车与三脚架连接即可。固定在三角架上的巢台组件为人员进行上部作业提供操作空间。安装在巢台下方的桥架绞车通过三角架上部的滑轮对电缆桥架进行翻转，最终使电缆桥架从水平翻转成垂直状态，避免吊装过程发生干涉。

在停堆换料期间，CPR1000堆型中的电缆桥架翻转需要借助安全壳顶部的环形吊车进行，电缆桥架翻转角度大于90°，翻转操作工序相对比较复杂，人力需求也大大增加。桥架翻转后，还需将顶盖吊装专用吊具与顶盖组件相连，由于吊具安装时需要穿过不垂直的桥架组件，容易发生干涉情况。而IHP提升系统不须另外安装专用吊具，电缆桥架翻转更不用借助环吊，使用桥架绞车+滑轮即可完成，大大简化了反应堆换料操作、减少换料时间；提高操作人员的安全性、减少人力要求。

结语

综上所述，通过对AP1000和CPR1000堆顶部件的比较，充分说明一体化堆顶结构的先进性，可以大大缩短停堆周期、优化占用空间、提高操作人员的安全性、减少人力要求。对IHP作为非能动核电技术的一种重要创新有了更深一步的认知，对IHP各部件的结构和功能有了更进一步的了解。一体化顶盖结构涉及的部件多，涵盖的专业广，本文仅对设计变化显著的部件的先进性从换料检修的角度进行简单的比较，而对部件设计特点和性能参数等方面有待进一步的研究。

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中图分类号：TM623

文献标识码：A