宋良軍　 張黎　張?jiān)啤埍搿⊥醪『纬『翁脤?/p>

摘? ?要：在壓水堆核電站中，穩(wěn)壓器通過電加熱元件控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力的變化。電加熱元件絕緣電阻降低，存在安全隱患。本次試驗(yàn)選取試驗(yàn)件的絕緣材料為耐高溫、抗熱氧老化作用的交聯(lián)聚乙烯。將試驗(yàn)件在放置于屏蔽水池內(nèi)的輻照沉箱裝置中進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明γ射線累積劑量達(dá)975kGy±10%后，室溫絕緣電阻值、室溫絕緣強(qiáng)度、室溫電功率和線電阻仍然絕緣滿足;試驗(yàn)件三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分子鏈鍵穩(wěn)定，絕緣性良好。

關(guān)鍵詞：壓水堆核電站? γ射線? 交聯(lián)聚乙烯

中圖分類號(hào)：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（c）-0125-06

Abstract： In PWR nuclear power plant， the voltage stabilizer controls and regulates the pressure change of the reactor coolant system through the electric heating elements. The insulation resistance of electric heating elements is reduced， which is a potential safety hazard. The insulation material selected in this test is cross-linked polyethylene with high temperature resistance and thermal oxygen aging resistance. The test piece is irradiated in an irradiated caisson device placed in a shielding tank. The results showed that the insulation resistance value， insulation strength， power and line resistance at room temperature still satisfied when the accumulated gamma ray dose reached 975kGy±10%. The three-dimensional network structure of the test piece has stable molecular chain bonds and good insulation.

Key Words： PWR nuclear power plant; Gamma rays; Crosslinked polyethylene

在壓水堆核電站中，穩(wěn)壓器通過電加熱元件控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力的變化。電加熱元件絕緣電阻降低，存在安全隱患[1]。電加熱元件垂直安裝在位于穩(wěn)壓器下封頭的套管中，構(gòu)成一回路壓力邊界的一部分，電加熱元件壓力邊界部分浸沒在反應(yīng)堆冷卻劑中加熱介質(zhì)。穩(wěn)壓器電加熱器（或簡稱電加熱元件）在正常運(yùn)行期間和事故期間可能會(huì)受到α射線、β射線、γ射線等的輻照考驗(yàn)。由于γ射線的穿透力最強(qiáng)，我們對(duì)γ射線對(duì)穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

絕緣材料溫度高，可能會(huì)加速斷裂老化的進(jìn)程;光對(duì)塑料和橡膠等高分子材料會(huì)產(chǎn)生老化破壞作用。因此研究γ射線對(duì)穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響，需要規(guī)避光和熱對(duì)穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響。為了模擬核電站實(shí)際工況，實(shí)驗(yàn)過程中需要保持連續(xù)換氣通風(fēng)。為了規(guī)避光對(duì)穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響，實(shí)驗(yàn)過程中需要屏蔽光。為了規(guī)避熱對(duì)穩(wěn)壓器電加熱元件絕緣性的影響，實(shí)驗(yàn)過程中需要對(duì)溫度進(jìn)行控制。

核級(jí)設(shè)備鑒定中心輻照實(shí)驗(yàn)室有井式輻照裝置和沉箱式輻照裝置。井式輻照裝置可以在固定高度通過增減放射源調(diào)節(jié)輻照空間劑量場的分布。井式輻照裝置空間小，劑量高，可以進(jìn)行400℃的高溫試驗(yàn)。沉箱式輻照裝置的放射源可以增減，也可以上下移動(dòng)，因此通過調(diào)節(jié)可以使輻照空間劑量場分布更為均勻。沉箱式輻照裝置放置于屏蔽水池內(nèi)，并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)換氣通風(fēng)、保持溫度恒定。本次試驗(yàn)?zāi)M核電廠實(shí)際工況，要求連續(xù)換氣，溫度保持70℃。因此我們選擇在沉箱式輻照裝置上進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。

本次試驗(yàn)，先將穩(wěn)壓器電加熱元件在空間劑量率均為0.226Gy/s～0.295Gy/s（814Gy/h～1062Gy/h）的沉箱式輻照裝置中，持續(xù)輻照1095.5h，累積劑量達(dá)到1046.5kGy后取出，再將穩(wěn)壓器電加熱元件置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件中保持足夠的時(shí)間，使之達(dá)到熱平衡，對(duì)電加熱元件進(jìn)行表面沾污測量，然后作輻照后外觀檢查及輻照后性能檢測。結(jié)果表明γ射線累積劑量達(dá)975kGy±10%后，室溫絕緣電阻值、室溫絕緣強(qiáng)度、室溫電功率和線電阻仍然絕緣滿足，這表明試驗(yàn)件三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分子鏈鍵穩(wěn)定，絕緣性良好。

1? 試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

穩(wěn)壓器電加熱元件輻照敏感典型段所處輻射場空間的劑量率均在0.14Gy/s～0.42Gy/s（0.5kGy/h～1.5kGy/h）范圍之內(nèi)。輻照老化試驗(yàn)累積劑量375kGy±10%;事故輻照試驗(yàn)累積劑量600 kGy±10% 。

1.1.1 試驗(yàn)件

電加熱元件由機(jī)械部件和電氣部件構(gòu)成。機(jī)械部件包括外包殼和端塞及連接焊縫，是穩(wěn)壓器設(shè)備承壓邊界的一部分，為承壓部件。電氣部件主要包括發(fā)熱體、密封接線端、導(dǎo)體和絕緣材料，發(fā)熱體置于外包殼內(nèi)。穩(wěn)壓器電加熱元件結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

本研究選取三件穩(wěn)壓器電加熱元件進(jìn)行試驗(yàn)，編號(hào)分別為：001、002、003。規(guī)格參數(shù)見表1。電加熱元件的最小壽命為：在額定功率下工作10000h;在1/2額定功率下工作20000h。電氣性能參數(shù)為：

（1）在室溫1000V（DC）下，電加熱元件電阻絲與外包殼間的絕緣電阻：≥2000MΩ;

（2）正常工況下的電壓：（AC 50Hz）;

（3）異常工況下的電壓：（AC 50Hz）;

（4）單根電加熱元件的額定功率：24kW±6%（380V AC）;

（5）電加熱元件管外包殼單位面積上的最大功率（功率密度）：32W/cm2;

（6）2000V（50Hz AC）電壓下，最大允許漏電電流：10mA。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

沉箱式輻照裝置是專用于核級(jí)設(shè)備輻照鑒定試驗(yàn)的裝置，由主工藝系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、過程測量系統(tǒng)和參數(shù)顯示系統(tǒng)等組成。輻照沉箱（容器）是本裝置的重要設(shè)備，放置于屏蔽水池內(nèi)，是一密閉的并具有一定絕熱效果的輻照空間，其構(gòu)成的并可確定的有效輻照空間約為1200mm×1200mm×1300mm，可以滿足電加熱元件敏感典型段對(duì)輻照空間的要求。

根據(jù)裝載設(shè)計(jì)，在輻照沉箱周圍布置22根棒狀鈷源，上下錯(cuò)位安裝，在箱內(nèi)構(gòu)成均勻并對(duì)稱的輻照?qǐng)?，輻照沉箱示意結(jié)構(gòu)如圖2所示。具備輻照空間的恒溫控制、連續(xù)更新?lián)Q氣功能和適用的劑量率分布。

采用重鉻酸鉀（銀）工作劑量計(jì)作為輻照劑量測量器具，經(jīng)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定合格，其量值可溯源到國家基準(zhǔn)。采用紫外可見分光光度計(jì)，測量輻照前后重鉻酸鉀（銀）工作劑量計(jì)溶液吸光度的變化值，進(jìn)而求得各測量點(diǎn)劑量率的值。儀器型號(hào)為DR5000型，經(jīng)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定合格，并在有效期內(nèi)。測量支架放置在輻照?qǐng)鰞?nèi)，用于輻射場測量時(shí)測點(diǎn)定位和劑量計(jì)放置，測量支架共8層，第1層距底面為345mm，第1層到第6層，每層間距200mm;第6層到第8層，每層間距135mm。同層相鄰定位孔間距均為200mm，測量支架見圖3。輻照沉箱溫度測量采用三支一體K型熱電偶溫度計(jì)，在沉箱內(nèi)按A、B兩組對(duì)邊設(shè)置，每組按500mm間距三測點(diǎn)分布，共計(jì)6個(gè)溫度測點(diǎn)。換氣流量測點(diǎn)設(shè)置在出口管段，采用LWGQ-C-25S/S/S/N氣體渦輪流量計(jì)。用于參數(shù)測量的一、二次儀表均經(jīng)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定合格，并在有效期內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)要求

將電加熱元件置于70℃±3℃溫度下的試驗(yàn)箱內(nèi)，試驗(yàn)箱最少保持每小時(shí)3倍容積的空氣循環(huán)。當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境和設(shè)備均穩(wěn)定在70℃時(shí)開始照射。試驗(yàn)期間樣機(jī)不通電。試驗(yàn)參數(shù)為：

（1）電加熱元件處的劑量率：（1±0.5）kGy/h;

（2）累積輻照劑量為：975kGy±10%;

（3）輻照時(shí)間：≥250h。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 輻照?qǐng)鰷y量

根據(jù)電加熱元敏感段尺寸及劑量率分布計(jì)算結(jié)果，在輻照?qǐng)鰞?nèi)擬定包容電加熱元件敏感段的合理空間，并采用化學(xué)劑量計(jì)布點(diǎn)測量，以劑量率測量結(jié)果加以最終確定。

選取測量支架2-6層中心400mm×400mm空間進(jìn)行輻照?qǐng)鰷y量，每層9個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)示意圖見圖4。其測量結(jié)果可反映電加熱元件敏感段所處輻照空間的劑量率分布情況。測量結(jié)果見表2。

1.3.2 試驗(yàn)件安裝

電加熱元件不通電，吊裝在輻照沉箱（容器）內(nèi)。為保證所處空間溫度均勻性，將電加熱元件及熱電偶裝入Ф200mm的鋁筒內(nèi)，鋁筒底部有空氣分流板，使熱空氣均勻流過電加熱元件，增加溫度控制的精確性，鋁筒部外壁鉆有Ф20mm的孔洞，以便于電加熱元件電纜引出，保證電纜彎曲半徑大于最小彎曲半徑40d（440mm），電加熱元件安裝方式見附錄A圖A1、A2所示，電加熱元件敏感段可全部落入經(jīng)測量驗(yàn)證的有效輻照空間內(nèi)。

1.3.3 輻照方法

（1）將輻照沉箱放置于屏蔽水池內(nèi)安裝就位，輻照試驗(yàn)在干燥空氣中進(jìn)行。在達(dá)到熱平衡后，并且輻照沉箱內(nèi)溫度、換氣量等參數(shù)滿足要求，裝載鈷靶，輻照過程開始;

（2）合并為一個(gè)階段連續(xù)進(jìn)行電加熱元件輻照，模擬其安裝壽期內(nèi)正常運(yùn)行環(huán)境下累積劑量和事故環(huán)境下累積劑量;

（3）試驗(yàn)結(jié)束后，將電加熱元件置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件中保持足夠的時(shí)間，使之達(dá)到熱平衡，作輻照后外觀檢查及輻照后性能檢測。

1.4 試驗(yàn)過程

1.4.1 溫度

在整個(gè)輻照試驗(yàn)運(yùn)行過程中溫度條件穩(wěn)定，輻照沉箱內(nèi)6個(gè)測點(diǎn)的溫度分布在69℃～71℃范圍內(nèi)，滿足溫度試驗(yàn)條件要求，典型值見表3。

1.4.2 換氣量

在整個(gè)輻照試驗(yàn)運(yùn)行過程中換氣量保持在約2.0m3/h，滿足以每小時(shí)3倍容積的最低速度更新沉箱內(nèi)空氣的試驗(yàn)條件要求。

1.4.3 劑量率

電加熱元件敏感段位于測量支架2～5層，該輻照空間劑量率均在0.23Gy/s～0.30Gy/s（828Gy/h～1080Gy/h）范圍內(nèi)，滿足輻照鑒定試驗(yàn)劑量率嚴(yán)酷程度要求。測量結(jié)果見測字第2017-D013號(hào)《檢測報(bào)告》，不確定度為8%。

由于輻照試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間較長，因此鈷源放射性活度衰變對(duì)輻照?qǐng)龅挠绊懯遣豢珊鲆暤囊蛩?。輻照空間劑量率可由下式確定：

式中：D0—初始劑量率;t—距初始時(shí)刻的時(shí)間;λ—衰變常數(shù)，等于ln2/T1/2。

取《檢測報(bào)告》的結(jié)果為初始劑量率，60Co輻射源半衰期T1/2為5.27年，于2017年12月8日輻照過程結(jié)束。按（1）式計(jì)算，所在空間劑量率均在0.226Gy/s～0.295Gy/s（814Gy/h～1062Gy/h）范圍內(nèi)。因此在輻照試驗(yàn)的全過程中，輻照空間劑量率始終滿足輻照試驗(yàn)嚴(yán)酷程度要求。

1.4.4 累積劑量

確定輻照時(shí)間的劑量率按電加熱元件所處空間的平均值計(jì)，同時(shí)考慮了會(huì)引起偏差的放射性活度衰變和劑量率測量結(jié)果不確定度等因素，實(shí)際輻照時(shí)間為45d15h29min。

電加熱元件累積劑量按下式確定：

（2）

式中：t1—開始輻照時(shí)刻;t2—輻照結(jié)束時(shí)刻;—t1時(shí)刻對(duì)應(yīng)劑量率平均值;λ—衰變常數(shù)。

根據(jù)輻照時(shí)間按式（2）計(jì)算累積劑量為：1046.5kGy。輻照鑒定試驗(yàn)實(shí)際累積劑量在975kGy±10%范圍內(nèi)。因此，輻照時(shí)間足以保證輻照鑒定試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度要求。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

輻照老化試驗(yàn)后，對(duì)電加熱元件進(jìn)行外觀檢查，檢查結(jié)果為：電加熱元件外部結(jié)構(gòu)的完整性，外觀的完好。其外觀的完好性和裝配的完整性符合設(shè)計(jì)圖要求。電加熱元件外包殼、端塞及其焊縫在外部水壓試驗(yàn)工況下沒有發(fā)生變形或泄漏。

室溫絕緣電阻值測量、室溫絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)、室溫電功率和線電阻測量試驗(yàn)結(jié)果見表4。其中：室溫絕緣電阻值測量，驗(yàn)收準(zhǔn)則為絕緣電阻值應(yīng)≥2000MΩ。室溫絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)，驗(yàn)收準(zhǔn)則為試驗(yàn)期間不應(yīng)有放電、閃絡(luò)和擊穿現(xiàn)象，泄漏電流≤10mA。室溫電功率和線電阻測量，測量的直流電阻值應(yīng)滿足：5.5Ω≤R≤6.2Ω;

冷態(tài)直流電阻值：5.831Ω≤R≤5.884Ω;

絕緣強(qiáng)度：泄漏電流≤1.371mA。試驗(yàn)期間無放電、閃絡(luò)和擊穿現(xiàn)象;

絕緣電阻值：>2000 MΩ。

2.1 熱氧老化作用

交聯(lián)聚乙烯絕緣是使聚乙烯分子由線性分子結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由熱塑性材料變成熱固性材料，使材料的耐熱溫度從70℃提高到100℃。網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚乙烯具有十分優(yōu)異的耐熱性能。在200℃以下不會(huì)分解及碳化，熱壽命可達(dá)40年[2]。王柏東等在《ACOME電纜的老化分析》中業(yè)提到，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以選取耐溫等級(jí)更好的電纜料來進(jìn)行生產(chǎn)。

絕緣材料溫度高，可能會(huì)加速斷裂老化的進(jìn)程該反應(yīng)被稱為熱氧老化作用。聚乙烯（交聯(lián)聚乙烯）在內(nèi)的聚烯短類材料，在隔絕氧氣條件下受熱是穩(wěn)定的，本次試驗(yàn)電加熱元件置于試驗(yàn)箱內(nèi)，試驗(yàn)箱最少保持每小時(shí)3倍容積的空氣循環(huán)。電加熱元件所處的試驗(yàn)箱內(nèi)溫度控制在70℃±3℃溫度。

本次試驗(yàn)選用的電纜為耐高溫的材料，環(huán)境溫度控制在70±3℃，因此本次試驗(yàn)中熱氧老化作用基本可以忽略。

2.2 光氧老化作用

光對(duì)塑料和橡膠等高分子材料會(huì)產(chǎn)生老化破壞作用，該反應(yīng)被稱為光氧老化作用[3]。對(duì)于大多數(shù)塑料來說，最易造成破壞的敏感波長（塑料對(duì)其吸收最大）都在90～400nm之間。聚乙烯的光老化是紫外光和氧參與下的一系列復(fù)雜反應(yīng)的結(jié)果[4]?，F(xiàn)以P-H代表聚合物，破壞機(jī)理大致如下：

引發(fā)反應(yīng)

P-H→P·+H·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

P-H→P-H·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

P·+O2→POO·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

P-H·++O2→POOH→（POO·+H.或PO·+HO·）? ? ?（6）

增長反應(yīng)

POO·+ P-H→POOH+P·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

POOH→PO·+HO·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

PO·+P-H→POH+P·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

HO·+P-H→HOH+P·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

終止反應(yīng)

P·+P·→P-P? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

2POO·→POOP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

POO·+PO·→POP+O2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

本次試驗(yàn)的重要設(shè)備輻照沉箱（容器）是放置于屏蔽水池內(nèi)，密閉的輻照空間，因此可見光導(dǎo)致的光老化作用可忽略。

2.3 輻照老化作用

本次試驗(yàn)主要考驗(yàn)γ射線對(duì)絕緣材料的老化作用。焦耳數(shù)等效的理念是增加老化測試中的輻照度就可以相應(yīng)地縮短測試時(shí)間并得到相同的結(jié)果。例如在γ射線劑量率0.23Gy/s的的環(huán)境中輻照2小時(shí)的結(jié)果，與在γ射線劑量率0.46Gy/s的的環(huán)境中輻照1小時(shí)的結(jié)果相同。

結(jié)果表明本次試驗(yàn)件材料在γ射線累積劑量達(dá)975kGy±10%后，室溫絕緣電阻值、室溫絕緣強(qiáng)度、室溫電功率和線電阻仍然絕緣滿足。γ射線累積劑量不高于975kGy時(shí)，γ射線輻照并沒有破壞電加熱元件絕緣性。

3? 結(jié)論

1）輻照試驗(yàn)過程質(zhì)量控制有效，試驗(yàn)工況穩(wěn)定，監(jiān)視和測量設(shè)備的技術(shù)性能滿足試驗(yàn)要求;

2）γ射線累積劑量達(dá)975kGy±10%后，電加熱元件外包殼、端塞及其焊縫在外部水壓試驗(yàn)工況下沒有發(fā)生變形或泄漏;

3）γ射線累積劑量達(dá)975kGy±10%后，室溫絕緣電阻值、室溫絕緣強(qiáng)度、室溫電功率和線電阻仍然絕緣滿足;

4）γ射線累積劑量不高于975kGy時(shí)，試驗(yàn)件三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分子鏈鍵穩(wěn)定，絕緣性良好。

參考文獻(xiàn)

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