AP1000堆腔通风预运行试验研究

AP1000堆腔通风预运行试验研究

程昭

（山东核电有限公司265116）

摘要：AP1000压力容器保温层不仅为了减少压力容器热损失，还为实现IVR和堆腔通风提供流道。热试期间对堆腔冷却性能进行了试验，根据测量结果进行了改进和验证，堆腔周围的混凝土温度满足ACI349的要求，对后续机组的设计给出了建议。

关键词：保温层；堆腔通风

1.前言

AP100核电机组是当前世界上最先进的第三代核电技术，它的反应堆压力容器保温采用了先进的金属反射型保温层系统，并且创新的将保温层与中子屏蔽盒作为一个整体设计。

AP1000压力容器保温层的作用不仅是减少压力容器热损失、降低反应堆周围环境温度，还提供流道实现堆腔和压力容器支撑通风冷却、严重事故缓解的熔融物堆内滞留（IVR）措施。热试期间对堆腔通风冷却性能进行了测试，基于测试结果进行了改进和验证，对于后续项目的改进设计提供了经验和指导。

2.保温层系统设计

2.1保温板

保温板是保温层系统的主要部件，AP1000保温板壳体由0.8mm厚不锈钢板点焊制成，钢板双面抛光至镜面，壳内放置若干层压制成一定形状的0.05mm不锈钢箔片，利用金属箔的反射作用，将来自热源的辐射热进行多次反射，减少热辐射传热；箔片将内部空腔分隔成多个空腔，抑制夹层中的对流换热，从而减少对流换热。并通过减少热桥面积，增大热桥长度以增加传导热阻，使总热阻增大，从而达到良好的隔热效果[1][2]。

2.2RVIS布置

AP1000压力容器保温层系整个保温系统由金属反射型保温板、导流板、上、下中子屏蔽层及支撑结构组成，总体可以分为接管嘴区保温层、筒体保温层、底封头保温层。AP1000创新的将压力容器中子屏蔽盒与保温层一体设计，在保温层中设置了两圈中子屏蔽盒，减少压力容器的中子漏束及活化，控制进入安全壳工作人员的辐照剂量。

图1.保温板图2.保温层

筒体段保温层由多层牛腿、环形支架、保温板及导流板组成。保温板固定在多层环形支架上围绕压力容器布置，并上下被支架限位。环形支架安装于堆腔结构模块（CA04）内壁上，保温层及环形支架的载荷，通过钢牛腿传递到结构模块墙体上。钢牛腿沿钢结构模块墙体布置，并牢牢焊在墙体上。

管嘴区域保温层的支架支撑于6个接管嘴上，底封头的保温层支架安装在堆腔地面。

2.3中子屏蔽盒

为了减少压力容器中子泄漏，减少进入安全壳内维护人员的辐照剂量，压力容器的主要泄漏位置上设置了中子屏蔽盒。AP1000创新的将保温层和中子屏蔽盒一体设计，98英尺、78英尺高度分别设置了上部、下部中子屏蔽盒中子屏蔽盒，数量112个，屏蔽盒由22GA（0.76mm）的不锈钢板点焊制成，屏蔽盒内靠近压力容器侧设置了9毫米厚微孔保温层，其余部分填充硼硅材料T-262。保温层和硼硅被32GA厚的不锈钢箔片包裹和密封

LNS屏蔽盒分上、下两层，上层一圈88块，下层两圈176块，呈“品”字型布置。屏蔽盒由0.76mm不锈钢板点焊制成，屏蔽盒内靠近压力容器侧设置了9毫米厚微孔保温层，盒子的下部设置了γ屏蔽铅板，其余部分填充硼硅材料T-262。保温层、硼硅材料和铅板被32GA厚的不锈钢箔片包裹和密封。

保温层上部CA31模块和CA31中子屏蔽盒。

2.4堆腔通风

安全壳循环冷却系统由4台50%容量的循环冷却机组和一根公用的环形集管和分配系统组成，系统无回风管。4台机组分为两组，分别位于蒸汽发生器隔间外侧的操作层上部。正常运行期间，VCS系统维持安全壳环境温度低于49摄氏度。VCS系统还为堆腔、支撑、接管区域提供冷却气流，维持周围的混凝土温度在验收准则内。

系统通过风管将冷空气送到堆腔底部，通过保温层与堆腔之间的间隙向上经过压力容器支撑、压力容器接管环腔、主管道贯穿孔进入安全壳空间，以确保堆腔混凝土温度满足规范要求。

2.5IVR功能设计

实现外部冷却堆内熔融物滞留（IVR）措施的严重事故缓解策略，是AP1000的设计特色之一。保温层CA04法兰面以下部分导流板与压力容器之间形成一个环腔，为堆腔淹没后压力容器外部冷却实现IVR功能提供流道，称为蒸汽排放腔。进水门设置在保温层的底部，由不锈钢板包裹的微孔保温层制成，其上部设有轴销与保温层基体连接，与地面呈45度，正常工况重力作用下可靠关闭，抑制蒸汽排放腔空气对流减少热量热损失。严重事故工况下，IRWST的水通过再循环管线淹没堆腔，进水门在浮力作用下打开，使得冷却水进人蒸汽排放腔冷却压力容器外表面，实现堆芯熔融物压力容器内滞留（IVR）策略。

排汽口位于上部屏蔽盒上部CA04法兰高度，由保温板制成，有良好的保温效果，其上部设有轴销与保温层基体连接，正常工况时重力作用下关闭以抑制空气对流减少压力容器热损失。事故工况压力容器淹没外部冷却时在事故工况下，在保温层和压力容器间隙内蒸汽压力的作用下开启并且开启后无法自持关闭，使得高压蒸汽能够顺利排出。

3.试验

3.1测量仪表

堆腔内有唯一永久的温度测量仪表，安装在接管腔室南侧靠近L002B冷腿贯穿件的墙上，见图3，高于腔室地面20厘米，用于腔式环境温度报警。温度高报警表示接管堆腔释热量高，或者通风量小，堆腔周围的混凝土有超温的风险。

热试期间在堆腔安装了临时温度表：

CA04法兰下0.5米堆腔CA04壁面，图3中蓝色位置，标记为CA04-TE**；

压力容器支撑位置地面，图3中绿色位置，标记为PH01-TE**；

主管道贯穿件壁面，图3中红色位置，标记为L00**-TE**。

图3.温度表位置示意图

另外，通往堆腔风管的仪表测量进入堆腔的风量和温度。

3.2验收准则

堆腔周围的混凝土要满足安全相关的混凝土规范ACI349-01的温度要求，堆腔和主管道贯穿件附近的混凝土平均温度低于65.6摄氏度，局部最高温度低于93.3摄氏度。

接管腔室的空气温度低于57.2摄氏度。

3.3试验过程

三门与海阳设计相同，按照顺序先后开展了热态功能试验。热态功能期间未完成和失败的项目，两厂址开展了补充热态试验。两机组试验过程中的经验相互反馈，在堆腔通风系统的设计改进中提供了很好的借鉴和验证作用。

4.试验及改进

4.1保温层封堵

三门1号机组是AP1000机组，HFT堆腔通风试验期间9210CFM的空气送至堆腔底部，而压力容器支撑出口空气为3093CFM，仅有34%的空气经过压力容器支撑进入接管环腔。

AP1000设计9000CFM的VCS风量通往堆腔底部，没有考虑泄漏旁通。保温层为块状保温板及内部导流板拼装结构，设计上允许最大间隙3.2毫米，旁通的气流通过保温层泄漏至压力容器和保温层之间的蒸汽排放环腔。压力容器热试期间温度292摄氏度左右，进入排放腔的气体被加热。无论通过压力容器支撑的空气还是泄漏至蒸汽排放腔的空气都将进入接管环腔，泄漏的气体过多导致接管区域环境温度高，可能导致堆腔混凝土温度超过验收准则。

保温层的结构分析，底封头与直筒段连接部分是重要的泄漏位置，随后开展的海阳1号机组NOP/NOT前对保温层采取临时措施对可达区域底封头保温层进行了封堵。封堵后测量约有88%的空气流经压力容器支撑，支撑区域的混凝土温度有3摄氏度的降低，见图4，但仍然不满足验收准则的要求。

图4.采取封堵前后支撑区域温度对比

实践证明封堵有效的提高了通过压力容器支撑的风量，HST开始前，对可达的接管区域的保温层也采取了封堵措施，HST期间测量流经压力容器支撑的风量达到91%。

4.2增加风管

单纯的封堵减少VCS向蒸汽排放间隙的泄漏不能满足验收准则要求，HFT后增加临时通风管（见图5）冷却压力容器接管区域，HST期间进行了验证。

图5.增加风管布置图

安装风管前后温度测量值对比见图6，CA04温度表的温度上升，但仍然低于49摄氏度，支撑区域的混凝土温度降低明显，冷腿区域的贯穿件温度上升，热腿贯穿件的温度下降。分析认为增加堆腔通风后，堆腔温度显著下降，冷腿贯穿件开口面积大受安全壳环境温度影响大，增加接管腔通风量后，温度反而上升。

图6.增加风管前后温度对比

4.3接管温度表

表一是HFT/HST期间TE060的测量值。测量结果显示采用临时封堵后温度反而升高，即使接管区域通过临时风管增加VCS风量后温度仍然高于未采取封堵措施的测量温度，明显与常识违背。

堆腔接管区域有来自压力容器支撑、蒸汽排放腔、风管等不同温度、流量的空气，气流复杂，TE060温度表单一测点位于墙角，不能真实测量接管区域的环境温度，不具代表性。因此，后续机组设计中应研究更具代表性的位置安装TE060，或者增加温度表的数量。

表一.TE060测量结果

注：温度单位摄氏度

4.4支撑封堵措施

三门和海阳热试后，更换了CA31中子屏蔽盒。补充热试期间，在屏蔽盒和CA31模块安装了临时仪表进行测量验证。测量发现冷腿上方的温度表温度异常高。经现场查看，压力容器管嘴MK11支撑处缺少保温块，经分析认为压力容器的热辐射影响，是导致该位置温度的高的原因之一。热成像仪显示MK11及其周围温度高，是堆腔接管区域温度高的贡献因素。设计方发布变更对支撑与管嘴之间的空隙进行了封堵。

图7.MK11区域热成像图

5.小结

堆腔区域的混凝土环境条件恶劣，控制混凝土的温度对于机组的运行寿命有重要影响。AP1000首批机组的调试试验表明，经过保温层和通风改善后，堆腔混凝土的温度满足了验收准则要求。热态功能试验压力容器的温度291.7摄氏度，正常运行期间压力容器接近一回路冷腿的温度280摄氏度，试验结果具有保守性。

对于后续机组设计建议在如下方面进行改进：

1.筒身段保温层在压力容器吊装前安装就位，无法对其采取封堵措施，建议后续机组保温层设计中考虑保温层和导流板的间隙和支撑空洞，减小VCS的泄漏旁通风量，减小辐射和导热的散热量；

2.接管区域流场复杂，TE060单一温度表位置不合适不能准确测量接管腔的环境温度，后续机组设计中应研究改进温度表的安装位置，或者增加温度表的数量，以准确的测量接管腔的环境温度；

3.接管腔的风量和热量主要来源之一是压力容器支撑的VCS风量，热试期间将临时仪表安装在支撑出风口处。