堆芯仪表系统用矿物绝缘电缆组件的研制

吕茂盛,应珠微,吴方亮,薛泓元,许孟轩,魏朝阳

(1.浙江伦特机电有限公司,浙江 温州 325600;2.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233;3.山西兰花科技创业股份有限公司,山西 晋城 048000)

0 引言

堆芯仪表系统成套设备(包含矿物绝缘电缆组件)是国内核电关键系统“卡脖子”问题之一,属于国家“1025专项”研发任务。矿物绝缘电缆组件的研制契合国家核电发展的需求,可保障国家战略利益,有利于打破发达国家的垄断,以形成充分竞争,从而大幅降低采购成本、方便供货及维护。

现阶段,国际核电建设进入第三代发展时期。目前,具有代表性的第三代核电技术有非能动先进压水堆 (AP1000)、欧洲先进压水堆(evolutionary power reactors,EPR)、韩国先进压水堆(APR1400)、先进沸水堆(advanced boiling water reactor,ABWR)等[1-2]。第三代核电技术充分利用几十年来的科研成果,按照当前新的核安全法规设计,以防范严重事故作为设计基准,考虑了安全壳在严重事故下的负载情况。第三代核电技术的安全性有很大的提高[3]。

虽然我国已全面引进AP1000核电技术[3],并且浙江三门、山东海阳这2个自主化依托项目已并网发电[4],但是该技术仍属于国外专利。相关国产化单位在境外采购时无法规避知识产权条款,难以采购到满意的矿物绝缘电缆组件。矿物绝缘电缆组件现由个别发达国家垄断,存在价格昂贵、供货周期长的问题,且受发达国家政府严格限制和监控。一旦国际关系僵化会直接导致现有核电设备无法正常运转,严重侵害国家利益。在消化、吸收、全面掌握AP1000非能动技术的基础上,我国通过自主创新,开发出具有我国自主知识产权、功率更大的非能动大型CAP1400型先进压水堆核电机组。其中,以堆芯仪表套管组件以及矿物绝缘电缆组件为代表的核心仪表亟需实现国产化研制。因此,国家科技重大专项在“十三五”期间提出支持研发堆芯仪表套管组件(包含配套的矿物绝缘电缆组件)。

本文研制了堆芯仪表系统用矿物绝缘电缆组件。该组件根据CAP1400型先进压水堆核电机组的要求进行了设计和样机生产,并通过了鉴定试验。研究结果表明,我国已经掌握了矿物绝缘电缆组件制造和鉴定技术,具备矿物绝缘电缆组件制造和鉴定能力,为重大专项的自主研发奠定了坚实的基础。该研究实现了矿物绝缘电缆组件的国产化,摆脱了依赖进口的困境,为CAP1400型先进压水堆提供了有利保障。

1 国产化难点

矿物绝缘电缆组件用量小、功能特殊、运行环境严苛、研制难度大,国内缺乏相关研究、生产能力。上述问题严重制约矿物绝缘电缆组件的国产化。

1.1 材料受限

由于我国核电事业起步晚、市场小,导致国内核电相关材料、元件生产加工等基础行业比较滞后,生产力得不到有效保证。这加大了矿物绝缘电缆组件研发的难度。

1.2 设备研发投入高、周期长

对于矿物绝缘电缆组件,国内缺乏相关研究,造成研发和试验费用投入大、研发周期长的问题。整个研发制造过程需要投入大量的资源,并且需要使用大量高精尖的检测和生产设备。

矿物绝缘电缆组件需适应辐照、高温高压、长期化学水淹等特殊环境,性能指标要求远高于市面上同类产品,并且现有的核级电缆都是有机电缆,无可参照借鉴的案例。因此,矿物绝缘电缆组件的设计及制造存在较大难度,并且有一定技术风险。

2 产品设计方案及结构特点

堆芯仪表系统用矿物绝缘电缆组件将堆芯仪表组件内的热电偶及自给能中子探测器安全、可靠地传输到仪器设备,用于传输反应堆堆芯中子的轴向和径向分布、监测堆芯功率畸变、积累燃耗数据、传输堆芯出口的热电偶信号和反馈堆芯出口温度。其为核电站安全、可靠的启动、运行设备。

堆芯仪表系统用矿物绝缘电缆组件是一种可传输堆芯仪表组件毫伏、纳安级弱电压信号的铠装电缆,需具备高保真性能。该电缆组件位于安全壳内的压力容器顶部,处于高温、高辐照的严酷环境条件,需具有极高的密封和绝缘性能。依据CAP1400电缆组件规格书,每种矿物绝缘电缆组件设计要求为:寿命长(60年);辐照剂量高(6.47×105Gy);绝缘电阻高(常温下大于等于1×1011Ω,200℃下大于等于1×109Ω);承受10 s的1 000 V直流电(direct current,DC)不击穿;所有矿物绝缘电缆组件组合后耐常温绝缘电阻需大于等于1×108Ω,要耐高温高压、酸碱喷淋等特殊环境;发生事故期间可传输信号。

2.1 设计方案

为满足研制要求,矿物绝缘电缆组件采用以下设计方案。

①为达到绝缘电阻要求,矿物绝缘电缆绝缘层采用经过特殊工艺加工的高纯度二氧化硅材料。该材料不但具有高绝缘性,还具有耐辐照、不易老化的特点。

②为了能承受严酷的使用环境,矿物绝缘电缆外壳需满足涡流探伤要求,以保证电缆外壳的完整性,从而隔绝外界环境对内部结构的损坏。

③为了保证绝缘层压实度能满足介电和绝缘要求,矿物绝缘电缆采用一体拉制退火工艺。

④矿物绝缘电缆组件冷端采用轴向密封连接器与不锈钢后壳焊接进行密封,可实现全方位组装密封,使用时不惧酸碱、辐照,能有效阻止因潮气进入电缆而导致的绝缘电阻下降。

⑤每种矿物绝缘电缆组件之间采用连接器连接。连接器与连接器之间采用三道周向密封和一道界面密封设计,能有效保证连接器之间的绝缘性能不受外界环境影响。

2.2 结构特点

矿物绝缘电缆组件有5种结构。每种结构可单独使用或者多种连接使用。

矿物绝缘电缆组件1由1根热电偶电缆以及2根中子探测器电缆组成,用于传输热电偶以及中子探测器信号。矿物绝缘电缆组件2由1根热电偶电缆以及2根中子探测器电缆组成,一端为一体结构,另一端为一分二结构,分别传输热电偶和中子探测器信号。矿物绝缘电缆组件3由1根热电偶电缆组成,用于传输热电偶信号。矿物绝缘电缆组件4由7根热电偶电缆组成,一端为一体结构,另一端为一分七结构,用于传输热电偶信号。矿物绝缘电缆组件5由7根热电偶电缆组成,用于传输热电偶信号。

矿物绝缘电缆组件结构如图1所示。

图1 矿物绝缘电缆组件结构示意图

自主化设计的堆芯仪表系统用矿物绝缘电缆组件整体结构由防尘罩、连接器、后壳、钎焊块、波纹管、热电偶偶丝材料(NiCr-NiAl[5])电缆、中子探测器电缆组成。矿物绝缘电缆组件内部结构为:多支中子探测器矿物绝缘电缆或多支热电偶矿物绝缘电缆通过钎焊块钎焊固定在一起;热电偶电缆引线及中子探测器电缆引线与连接器端子连接,通过外壳焊接密封将电缆引线与连接器端子连接部分与外界隔离。

堆芯仪表系统用矿物绝缘电缆组件具有结构简单、抗弯能力好、重量轻、耐腐蚀、使用寿命长的特点。该组件具体结构特点如下。

①完全密封。各电缆组件靠连接器连接,可以确保在事故环境下的正常运行。

②整个电缆组件结构基本由无机材料构成,可长时间耐辐照而不出现劣化。

③热电偶电缆及中子探测器电缆与连接器连接,并采用外壳接地形式降低环境辐射对电缆的电磁干扰,以提高传输的准确性和可靠性。

④不易老化。高温绝缘电阻的阻值高,对信号传输影响小,能有效提高信号传输精度。

⑤结构简单、坚固,能长时间地适应安全壳内复杂环境[6]。

3 组件性能

矿物绝缘电缆组件为K1类电缆,与普通核电站用1E级电缆[7]相比,具有以下性能优点。

①矿物绝缘电缆组件外壳整体采用无机物设计,阻燃性更好,老化不明显。

②矿物绝缘电缆组件辐照剂量更高。矿物绝缘电缆组件辐照剂量为6.47×105Gy。普通核电站用1E级电缆辐照剂量为2.5×105Gy[8]。

③矿物绝缘电缆组件电阻率更高。矿物绝缘电缆组件电阻率大于等于1×1014Ω·cm。普通核电站用1E级电缆电阻率大于等于1×1013Ω·cm[9]。

④矿物绝缘电缆组件可用于200 ℃环境。普通核电站用1E级电缆可用环境温度最高为90 ℃[8]。

4 组件试验及分析

4.1 出厂试验

矿物绝缘电缆组件满足设备规范书对绝缘电阻、介电强度、密封性的要求。参数对比如表1所示。

表1 参数对比

4.2 鉴定试验

试验结果表明,矿物绝缘电缆组件满足在核电站运行60年,以及承受CAP1400型先进压水堆设计基准事故的要求。

4.3 严重事故可用性验证试验

矿物绝缘电缆组件适应CAP1400严重事故下可用性验证试验第一类和第二类环境条件。

第一类环境条件考虑非能动安全壳冷却系统(passive containment cooling system,PCS)有效及点火器有效的工况,有3个或2个氢气燃烧尖峰。

第二类环境条件对应PCS有效及点火器失效工况,有1个氢气燃烧尖峰。

整个氢爆过程中最高温度达到了800 ℃以上。堆芯仪表套管组件以及矿物绝缘电缆组件在试验过程能够保持正常工作。试验后,绝缘电阻等电气性能检测均满足规范书要求。

试验结果表明:矿物绝缘电缆组件可满足承受CAP1400型先进压水堆严重事故的要求。

5 结论

为实现矿物绝缘电缆组件国产化、打破国外垄断,本文研制了满足CAP1400型先进压水堆要求的矿物绝缘电缆组件。通过原材料的选择、结构的设计、集成工艺的控制等方面的研究,本文成功研制出满足要求的矿物绝缘电缆组件,并通过鉴定试验以及严重事故可用性验证试验,证明其满足“国和一号”示范工程应用需求。该组件将安全壳内热电偶及自给能中子探测器的信号安全、可靠地传输到仪器设备,是保证核电站安全的重要设备。

本文研制的矿物绝缘电缆组件不仅可以应用于 CAP1400 ,也可推广应用到 CAP1000 核电机组中[15]。本文研究成果将有助于我国核电厂堆芯仪表用矿物绝缘电缆组件设备摆脱依赖进口的困境,推动核电项目CAP型系列核电站仪控设备全面国产化。核电设备国产化成功可促进国内核电事业的快速发展,有利于“碳达峰”“碳中和”目标的实现,为国内环保事业提供助力。