在壓水堆的核反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)核島主設(shè)備中，核反應(yīng)堆主冷卻劑泵（下稱主泵）在ASME、ANSI、和RCC-M等各種核設(shè)施的安全等級分類標(biāo)準(zhǔn)中，均屬于核安全一級設(shè)備。其可靠性直接影響到核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。

一、主泵的功能

由壓水堆核電站工作原理可知，主泵屬于核反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)核島主設(shè)備中的壓力邊界，并是唯一的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，如同核反應(yīng)堆的“心臟”一樣。其功能主要是：

(1)在主系統(tǒng)充水時(shí)，利用主泵趕氣；

(2)在由冷停堆向熱停堆過渡期間，利用主泵使一回路的介質(zhì)循環(huán)升溫，達(dá)到啟動(dòng)核反應(yīng)堆條件；

(3)在核反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，冷卻劑由核反應(yīng)堆流出經(jīng)主管道流進(jìn)蒸發(fā)器，把熱量傳給二回路側(cè)給水，然后再由主泵送回反應(yīng)堆進(jìn)行循環(huán)。

(4)主泵轉(zhuǎn)子部件配置的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪來增加惰轉(zhuǎn)時(shí)間，為確保全廠斷電事故時(shí)堆芯燃料元件安全冷卻提供短時(shí)間內(nèi)的冷卻劑循環(huán)流量，使其不至燒毀，并為建立反應(yīng)堆冷卻劑的自然循環(huán)創(chuàng)造條件。圖2為典型的全廠斷電后反應(yīng)堆功率衰減與主泵流量衰減曲線，為了在主泵斷電后有足夠的流量帶出反應(yīng)堆因功率滯后衰減繼續(xù)產(chǎn)生的巨大熱量，要求主泵具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以便失電后，主泵惰轉(zhuǎn)流量可以帶出反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量，保證DNBR始終大于安全定值。

圖1 壓水堆核電站工作原理

圖2 全廠斷電后反應(yīng)堆功率衰減與主泵流量衰減曲線

二、主泵技術(shù)的發(fā)展歷程

圖3 反應(yīng)堆的發(fā)展歷程

核反應(yīng)堆的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下階段：第一代核反應(yīng)堆主要是1970年前投運(yùn)的各種原形堆（UNGG、Shippingport、Magnox、Fermi-I）。第二代包括1970年至1995年投運(yùn)的各類商用反應(yīng)堆（PWR、BWR、VVER、CANDU）。第三代核反應(yīng)堆主要指ABWR、AP600、AP1000、EPR等先進(jìn)反應(yīng)堆，預(yù)計(jì)會(huì)在2015年投運(yùn)。未來的第四代核反應(yīng)堆主要關(guān)注燃料循環(huán)方面的創(chuàng)新，預(yù)計(jì)2030年開始開發(fā)工作。

壓水堆主泵作為核島的關(guān)鍵設(shè)備，深受壓水堆技術(shù)發(fā)展的影響，不同代的核反應(yīng)堆的不同的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的要求，產(chǎn)生了與之相適應(yīng)的主泵技術(shù)。主泵的技術(shù)也大致經(jīng)歷了從第一代的無密封泵（屏蔽電機(jī)主泵）到第二代的軸封式主泵，又到第三代的無密封泵（屏蔽電機(jī)泵和濕定子電機(jī)泵）的發(fā)展歷程。下面分別作以介紹。

1、第一代早期試驗(yàn)堆時(shí)期的屏蔽電機(jī)泵（見圖4及圖5）

圖4 1954年下水的美國核潛艇Nautilus（鸚鵡螺號）開啟了壓水堆的歷史

圖5 1957年美國Shippingport（希平港）壓水堆核電站60MW商用試驗(yàn)堆建成

主泵在壓水堆軍堆和壓水堆商用堆問世之初，即得到了極大地重視。由于主泵是輸送高溫、高壓、帶放射性的介質(zhì)，起源于軍堆的無密封式的屏蔽電機(jī)主泵（見圖6）也被商用堆優(yōu)先采用。美國西屋電氣公司的電氣機(jī)械分部（EMD）是當(dāng)時(shí)唯一的屏蔽電機(jī)主泵供方。

由于采用了屏蔽套來隔離定子和轉(zhuǎn)子，屏蔽套中產(chǎn)生的渦流損失使得屏蔽電機(jī)泵組的效率比較低，一般為40%～50%。

圖6 屏蔽電機(jī)泵結(jié)構(gòu)

2、第二代商用堆時(shí)期的軸封式泵

1955～1965 壓水堆機(jī)組容量為200～300MW等級，隨著機(jī)組容量的擴(kuò)充，主泵的功率也在提高，屏蔽電機(jī)主泵的極低的效率，是由屏蔽電機(jī)泵向軸封式主泵發(fā)展過渡的重要原因，美國甚至成立了一個(gè)公用事業(yè)顧問委員會(huì)，專門致力于評估和改進(jìn)軸封式主泵的設(shè)計(jì)。

1965-1970 壓水堆機(jī)組容量為400～650MW等級，主泵功率約為4000kW，更由于眾多專業(yè)泵供應(yīng)商（如德國KSB公司）的加入，軸封式主泵得到了發(fā)展和完善。

1970-1980 壓水堆機(jī)組容量為900～1000MW等級，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)有了三環(huán)路的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單個(gè)環(huán)路功率為300～330MW，主泵的各項(xiàng)性能參數(shù)也得到了一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化處理，軸封式主泵技術(shù)完全成熟。

由于不同的主泵供應(yīng)商基于各自的技術(shù)背景及專業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，采用不同的制造工藝和生產(chǎn)加工設(shè)備，形成了不同的技術(shù)方案。軸封式主泵可分為三軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)和四軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)兩種。

(1)三軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)主泵

在為西平港（Shipping Port）商用試驗(yàn)堆提供了屏蔽電機(jī)主泵后，西屋電氣公司開發(fā)了為單環(huán)路功率為150-170MW的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)配套的軸封式主泵，1963年首先安裝在揚(yáng)基（Yankee）300MW核電機(jī)組。1965年用于南加州（South California）圣奧諾弗來（San.Onofre）450MW核電機(jī)組，對軸封系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和完善，完成了定型設(shè)計(jì)。

其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即是所謂的三軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)核電站中，如大亞灣、嶺澳、秦山二期等都是采用此結(jié)構(gòu)的主泵，見圖7。

圖7 三軸承支撐軸系主泵結(jié)構(gòu)

其特點(diǎn)為：

電機(jī)軸與泵軸由剛性聯(lián)軸器直聯(lián)，雙向推力軸承布置在電機(jī)內(nèi)部，與電機(jī)兩個(gè)油潤滑導(dǎo)軸承中的一個(gè)組成一體式結(jié)構(gòu)。在泵部分的第三個(gè)導(dǎo)軸承是介質(zhì)潤滑軸承。

軸密封系統(tǒng)由三級密封組成：第一級是流體靜壓的可控泄漏密封；第二級是特殊設(shè)計(jì)的（在第一級失效時(shí)，在全系統(tǒng)壓力作用下，通過密封端面與支座的變形而成為流體靜壓密封）端面機(jī)械密封；第三級是有背壓可防止干摩和汽化的雙端面機(jī)械密封，見圖8。

圖8 西屋公司軸封式主泵軸密封系統(tǒng)

泵組的結(jié)構(gòu)剛度、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性以及電機(jī)與泵的對中是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和制造、安裝的關(guān)鍵點(diǎn)。

在以后的十幾年，西屋一直基于這種結(jié)構(gòu)，對主泵進(jìn)行改進(jìn)和完善。其主要型號列于表1中。

表1 西屋電氣公司軸封式主泵型號

并且，作為壓水堆技術(shù)的領(lǐng)跑者和技術(shù)的許可轉(zhuǎn)讓方，西屋電氣公司成為了多個(gè)國家核電技術(shù)受讓方的仿效對象，甚至于效仿具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)體系，主泵尤其為甚。

法國阿?，m公司旗下的日蒙公司、日本三菱重工旗下高砂制作所和比利時(shí)的ACEC公司均先后受讓了西屋電氣公司的主泵技術(shù)。且他們與EMD一起至少為全球一半以上的壓水堆核電站提供了這種三軸承支撐軸系的主泵。

(2)四軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)主泵

1 9 6 6 年德國K S B公司為德國的第一臺商用試驗(yàn)堆，KWU公司設(shè)計(jì)的奧布里海姆（Obrigheim）350MW壓水堆核電機(jī)組，提供了首次研發(fā)的RER 700 型軸封式主泵。

其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即是所謂的四軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)。在在國內(nèi)承建的核電站中，秦山一期和C1工程（由中方承建的巴基斯坦恰?，敽穗娬荆┘词遣捎么诵吞柕闹鞅茫瑓⒁妶D9。

圖9 四軸承支撐軸系主泵結(jié)構(gòu)

其特點(diǎn)為：

泵與電機(jī)由特殊球頂結(jié)構(gòu)的，端面齒（Hirth型）（見圖10）半剛性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，使得泵可與不同供方的電機(jī)匹配。

圖10 端面齒（Hirth型）原理

端面齒（Hirth型）具有結(jié)構(gòu)緊湊，高度地轉(zhuǎn)子對中及動(dòng)平衡的重復(fù)性，與錐度及鍵連接的比較見表2。

增加的雙向主推力軸承加上一體化的油潤滑導(dǎo)軸承布置在泵的上部，加上使用半剛性聯(lián)軸器，除了使泵和電機(jī)軸的對中便利之外，機(jī)組的抗震設(shè)計(jì)和波動(dòng)分析較易處理，且由國內(nèi)的運(yùn)行實(shí)踐表明，雖然其泵組高度比三軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)主泵高約0.7m左右，但振動(dòng)值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對方。

表2 端面齒（Hirth型）、錐度連接和鍵連接的比較

軸密封系統(tǒng)由三級密封組成：每一級均設(shè)計(jì)為可承受全系統(tǒng)壓力的流體動(dòng)壓密封，見圖11。

圖11 KSB公司軸封式主泵軸密封系統(tǒng)

就設(shè)計(jì)理論而言，可控泄漏密封是利用推力軸承的原理來形成密封面間的液膜的。其中，流體靜壓密封是固定油楔面的油囊式靜壓軸承在機(jī)械密封技術(shù)中的運(yùn)用；流體動(dòng)壓密封則是可傾瓦塊式動(dòng)壓軸承在機(jī)械密封技術(shù)中的運(yùn)用。1960年代，KSB公司對兩種設(shè)計(jì)的主泵軸密封系統(tǒng)進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，在系統(tǒng)壓力為15MPa、軸徑200mm、轉(zhuǎn)速1470r/min的條件下，得到了表3中的技術(shù)數(shù)據(jù)。

表3 流體動(dòng)壓、靜壓密封比較

3、第三代先進(jìn)堆主泵

隨著壓水堆技術(shù)的發(fā)展，阿?，m公司選擇了在其二代壓水堆N4的技術(shù)基礎(chǔ)上，主要靠增加專設(shè)安全設(shè)施的冗余量來達(dá)到更高的安全性、經(jīng)濟(jì)性的要求（滿足歐洲用戶要求文件EUR）的三代壓水堆EPR。

EPR繼續(xù)使用軸封式泵（日蒙公司和或KSB公司）作為其主泵，只是提出增加用于全廠停電事故時(shí)的氮?dú)馔＼嚸芊庖笠妶D12。（日蒙公司受讓與西屋公司的三軸承支撐軸系的主泵需添加，而KSB公司的軸封式主泵本來即配有氮?dú)馔＼嚸芊猓?/p>

西屋電氣公司選擇了在其AP600的技術(shù)基礎(chǔ)上，采用非能動(dòng)的安全技術(shù)來滿足更高的安全性、經(jīng)濟(jì)性的要求（滿足美州用戶要求文件UUR）的三代壓水堆AP1000。

2002年3 月西屋電氣公司向美國NRC提交了AP1000的設(shè)計(jì)認(rèn)證申請，其中針對主泵提出了繼續(xù)采用已用于海軍和西屋在運(yùn)商用堆的大型無密封（Sealless）電動(dòng)泵，來防止軸封冷卻劑喪失事故（LOCA）。并將主泵直接焊接在蒸汽發(fā)生器底部，取消了主泵與蒸汽發(fā)生器之間的管道。并分別安排美國EMD公司研發(fā)了屏蔽電機(jī)泵，德國KSB公司研發(fā)了濕定子電機(jī)泵。

圖12 EPR主泵軸封系統(tǒng)

(1)AP1000 EMD屏蔽電機(jī)泵

圖13 EMD公司AP1000屏蔽電機(jī)泵結(jié)構(gòu)

其特點(diǎn)為：

電動(dòng)機(jī)的定子密封在銦科鎳合金制成的薄的屏蔽套內(nèi)，屏蔽套可承受全系統(tǒng)的壓力。

在定子屏蔽套失效時(shí)，電機(jī)端蓋可構(gòu)成壓力邊界的一部分。

高密度材料的上下雙飛輪結(jié)構(gòu)。

介質(zhì)潤滑的推力軸承。

(2)2AP1000 KSB濕定子電機(jī)泵RUV

2002年西屋電氣公司與德國KSB公司達(dá)成研發(fā)AP1000 所需的無密封泵的意向，經(jīng)過長達(dá)兩年的溝通談判，KSB基于自身的技術(shù)背景，于2004年與西屋公司簽訂了濕定子電機(jī)主泵RUV（見圖14）研發(fā)協(xié)議。于2008年完成了模型泵的各項(xiàng)分析計(jì)算和運(yùn)行試驗(yàn)，得到了西屋電氣公司的設(shè)計(jì)批準(zhǔn)認(rèn)證及后續(xù)合同的承諾。

圖14 KSB 公司AP1000濕定子電機(jī)主泵結(jié)構(gòu)

其特點(diǎn)為：

無屏蔽套，定子繞組直接浸泡于介質(zhì)中，避免了屏蔽套引起的渦流損失，提高了泵組效率約8到10個(gè)百分點(diǎn)。

鍛造的電機(jī)殼與鍛造的泵殼（ASME Code Case）一起構(gòu)成壓力邊界的一部分。

介質(zhì)潤滑的三組徑向軸承加上介質(zhì)潤滑的雙向推力軸承組成軸系支撐。

高密度材料的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的單飛輪結(jié)構(gòu)。

三、結(jié)論

不同代的壓水堆技術(shù)對主泵提出了不同的安全的、技術(shù)的和經(jīng)濟(jì)的要求，主泵技術(shù)也大致經(jīng)歷了從無密封泵（屏蔽電機(jī)泵）到軸封式主泵，再回到無密封泵（屏蔽電機(jī)泵/濕定子電機(jī)泵）的演化歷程。

不同的主泵供方在滿足高的可靠性和安全性的同時(shí)，堅(jiān)持采用各自獨(dú)特的Know-how和專利技術(shù)，形成了風(fēng)格各異、極具特色的不同的主泵技術(shù)流派。