邱 陽(yáng) 楊 敏 謝國(guó)福 陳海波 楊立才

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

0 引言

2011年，福島核事故發(fā)生，對(duì)世界核電業(yè)造成了較大影響，我國(guó)對(duì)在建核電項(xiàng)目開(kāi)展安全大檢查，最后一批二代改進(jìn)核電工程田灣5、6號(hào)機(jī)組建設(shè)工作因此暫停。在暫停期間，大量以提升安全性為目標(biāo)的設(shè)計(jì)改進(jìn)開(kāi)始啟動(dòng)，其中最為重要的便是堆腔冷卻劑注入（RCI）系統(tǒng)的引入。

與絕大多數(shù)二代改進(jìn)核電堆型中僅承擔(dān)隔熱功能的反應(yīng)堆壓力容器（RPV）保溫層相比，田灣5、6號(hào)機(jī)組RCI系統(tǒng)的引入，使得RPV保溫層在功能、熱性能、結(jié)構(gòu)等各方面的要求發(fā)生了大幅變化，RPV保溫層需進(jìn)行多項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，其中最重要的便是保溫支承熱橋帶來(lái)的混凝土溫度超限問(wèn)題。

1 帶有RCI系統(tǒng)的RPV保溫層結(jié)構(gòu)描述

田灣5、6號(hào)機(jī)組RCI系統(tǒng)冷卻劑流道與RPV外表面以及堆坑壁之間形成內(nèi)外兩個(gè)環(huán)腔。在堆芯熔融的嚴(yán)重事故工況下，RCI系統(tǒng)啟動(dòng)，向流道中注入堆腔冷卻劑，堆腔冷卻劑從堆坑底部進(jìn)入，一部分沿外環(huán)腔上升淹沒(méi)堆坑；另一部分通過(guò)注水口進(jìn)入內(nèi)環(huán)腔，冷卻RPV，產(chǎn)生的汽水混合物從RPV進(jìn)出口接管保溫層處的汽水排放口排出，排出的部分冷卻水回流外環(huán)腔，使堆坑冷卻水在兩個(gè)環(huán)腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重事故工況下的RPV冷卻，避免RPV熔穿。RCI系統(tǒng)冷卻劑流向示意圖如圖1所示。

圖1 RCI系統(tǒng)冷卻劑流向示意圖

與其他二代改進(jìn)核電相同，田灣5、6號(hào)機(jī)組RPV保溫層采用金屬反射式保溫層，堆坑壁采用混凝土結(jié)構(gòu)。由于金屬保溫層本身的承載能力較弱，無(wú)法承受RCI系統(tǒng)冷卻劑的沖擊，也無(wú)法為冷卻劑提供穩(wěn)定可靠的流道，因此，田灣5、6號(hào)機(jī)組在RPV金屬保溫層內(nèi)側(cè)以及堆坑混凝土壁內(nèi)表面各設(shè)置一層不銹鋼流道襯板，以形成內(nèi)外環(huán)腔的冷卻水流道，而根據(jù)RCI系統(tǒng)要求，該內(nèi)外環(huán)腔流道的間隙要求非常嚴(yán)格。為確保流道強(qiáng)度及穩(wěn)定性，RPV保溫層內(nèi)側(cè)的流道襯板通過(guò)保溫層支承（貫穿通過(guò)RPV保溫層）固定在堆坑壁內(nèi)表面的流道襯板上。

2 RCI系統(tǒng)對(duì)RPV保溫層的影響分析及解決措施

保溫層流道襯板通過(guò)支承固定在堆坑壁上，即保溫層支承一端與襯板相連，一端與堆坑壁相連。由于襯板的溫度較高（保守考慮，假設(shè)與RPV壁溫相等，即為292.2℃），而堆坑壁混凝土溫度限值較低（要求平均溫度不大于65℃，局部最高溫度不大于95℃）。堆坑土建上部的縮頸處區(qū)域空間非常局促，間隙值為40 mm，在堆坑下部區(qū)域?yàn)?51 mm。因此在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)支承熱量的耗散，使其端部溫度降低到混凝土溫度限值以下是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

圖2 支承結(jié)構(gòu)及數(shù)值分析模型

圖3 有限元分析結(jié)果（雙槽鋼支承結(jié)構(gòu)）

在設(shè)計(jì)初，因載荷輸入較大，RPV保溫層支承擬采用雙槽鋼結(jié)構(gòu)，其示意圖見(jiàn)圖2（a）。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于沿水平方向的抗彎性能好，可以在較大的豎直地震載荷作用下滿足強(qiáng)度要求。為精確分析保溫層支承傳熱性能，本文采用ANSYS有限元分析方法，對(duì)支承的傳熱以及堆坑壁的溫度分布進(jìn)行全面的分析，分析模型見(jiàn)圖2（b），支承端部溫度場(chǎng)云圖見(jiàn)圖3，分析條件及結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，在堆坑縮頸及堆坑下部，支承與堆坑壁接觸部位的溫度均超出混凝土的溫度限值，給反應(yīng)堆運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。因此，需對(duì)支承溫度的主要影響因素：堆坑間隙、通風(fēng)條件、支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，使支承與堆坑壁接觸部位的溫度滿足混凝土溫度限值要求。而從前文敘述可知，堆坑間隙已無(wú)法更改，因此，本文從通風(fēng)條件和支承結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。

表1 原堆坑間隙、通風(fēng)條件和支承結(jié)構(gòu)下支承與堆坑壁接觸部位的溫度

表2 通風(fēng)條件優(yōu)化后支承與堆坑壁接觸部位的溫度

圖4 兩種保溫層支承方案

經(jīng)分析，在通風(fēng)溫度一致的前提下，通風(fēng)量越大，通風(fēng)帶走熱量的能力越強(qiáng)，支承的端部溫度也越低。通過(guò)對(duì)堆坑縮頸以下部位保溫層散熱量以及堆坑縮頸處的通風(fēng)溫度的精確計(jì)算，將通風(fēng)風(fēng)量由15 000 m3/h提升至22 000 m3/h，根據(jù)優(yōu)化后的通風(fēng)條件再次對(duì)保溫層支承溫度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

從表2可看出，通風(fēng)條件優(yōu)化后，堆坑縮頸處及堆坑下部區(qū)域支承與堆坑壁接觸部位的溫度均滿足混凝土溫度限值要求，但堆坑縮頸處支承與堆坑壁接觸部位的溫度仍接近混凝土的局部溫度限值。結(jié)合其他工程項(xiàng)目RPV保溫層實(shí)際散熱量超出理論計(jì)算值的經(jīng)驗(yàn)反饋，本文對(duì)雙槽鋼支承結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的分析及優(yōu)化。由于雙槽鋼自身截面存在缺口，且原有的保溫層安裝工藝要求保溫層與支承之間留有一定間隙（最小5 mm），見(jiàn)圖4（a），這將造成額外的對(duì)流熱損失。

遵循降低支承外端溫度和阻斷保溫層內(nèi)外空氣對(duì)流路徑的思路，本文從支承截面本身及消除安裝間隙兩方面入手，對(duì)支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，具體為：選擇抗彎性能不低于雙槽鋼的矩形鋼作為支承，并在支承周圍包裹非金屬保溫套圈，相鄰的保溫板塊直接坐在支承上，并壓實(shí)非金屬保溫套圈，消除其與支承之間的間隙，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)4（b）。此方案中矩形鋼的使用消除了雙槽鋼固有的缺口問(wèn)題，矩形鋼周圍的保溫套圈則消除了安裝所需的間隙問(wèn)題，成功地阻斷了保溫層內(nèi)外空氣的對(duì)流路徑，避免了因?qū)α鲹Q熱帶來(lái)的額外熱損失，為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了較為精確的輸入。

之后，將堆坑縮頸處條件代入，對(duì)矩形鋼支承端部溫度再次進(jìn)行有限元分析計(jì)算，支承端部溫度場(chǎng)云圖見(jiàn)圖5。結(jié)果表明，矩形鋼支承端部與堆坑壁接觸溫度的計(jì)算結(jié)果約為70℃，溫度值低于雙槽鋼方案，且與混凝土局部溫度限值之間具有一定余量。因此，在田灣5、6號(hào)機(jī)組施工設(shè)計(jì)中，最終采用了矩形鋼支承并在周圍包裹非金屬保溫套圈的方案。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于支承端部溫度影響因素（堆坑間隙、通風(fēng)條件和支承結(jié)構(gòu)）的分析，將堆坑通風(fēng)量由15 000 m3/h增大至22 000 m3/h，并采用改進(jìn)后的矩形鋼包裹非金屬保溫套圈的結(jié)構(gòu)代替雙槽鋼支承結(jié)構(gòu)，解決了支承熱橋引發(fā)的熱量耗散問(wèn)題，同時(shí)解決了因?qū)α鲹Q熱帶來(lái)的額外熱損失問(wèn)題。再次基礎(chǔ)上，田灣5、6號(hào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了具備三代核電安全功能特征的RCI系統(tǒng)冷卻劑流道設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升了二代改進(jìn)核電堆型安全性。

圖5 有限元分析結(jié)果（矩形鋼支承結(jié)構(gòu)）