蒲守林 ,金 珊 ,付明星 ,張立剛 ,張志煥 ,朱 潔 ,夏同方,苑春慧

(1.常州八益電纜股份有限公司,常州 213000;2.中國核電工程有限公司,北京 100840;3.中廣核工程有限公司,深圳 518124)

0 引言

反應堆是核電站的核心裝置,反應堆控制棒的控制與位置監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱為棒控/棒位系統(tǒng))是反應堆功率控制的關(guān)鍵儀表與控制系統(tǒng),堆頂棒控電纜和堆頂棒位電纜是棒控/棒位系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。反應堆需要定期檢查和維護,電纜需要一定的柔軟性。堆頂棒控電纜和堆頂棒位電纜在60 a 壽命期間內(nèi)不得產(chǎn)生碎片脫落。

棒控/棒位系統(tǒng)是核電站反應堆控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)的一種伺服機構(gòu),具體功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒,以完成反應堆啟動、調(diào)節(jié)反應堆功率、維持功率、停止反應堆和事故情況下的快速停堆(又稱為事故快插、事故落棒),它是核反應堆的重要動作部件,也是直接影響核反應堆正常運行和安全可靠的關(guān)鍵設備之一。

中國三代核電對堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜提出了更高的要求,絕緣線芯具有優(yōu)良的介電性能、阻燃性能和抗折彎性能,且滿足低煙無鹵、無毒、彎曲半徑小、耐輻照、耐高溫、60 a(150 ℃)壽命等要求。但從國外核電主流供應商進口的堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜導體最高運行溫度為90 ℃,設計壽命60 a,產(chǎn)品含鹵元素或含氟元素,無法滿足中國三代核電對棒控棒位電纜的所有要求。

為了建成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的大型先進壓水堆核電站示范工程,本工作提出了一種三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜,介紹了三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的技術(shù)要求和設計,以及采用的新材料和新工藝,本工作對堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜進行等效加速60 a 異常工況疊加模擬試驗、60 a 輻照老化模擬試驗和60 a(150 ℃)熱老化模擬試驗的串行試驗,驗證了三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜符合三代核電站的技術(shù)要求。

1 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜

堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜位置示意圖見圖1,其中堆頂棒控電纜為從堆頂棒控驅(qū)動機構(gòu)到堆頂插件板之間的電纜,電壓等級為0.6/1 kV;堆頂棒位電纜為從堆頂棒位探測器到堆頂插件板之間的電纜,電壓等級為300/500 V。

圖1 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜位置示意圖

當核電站在異常工況下運行時,如出現(xiàn)快速異常升溫或其他異?，F(xiàn)象時,棒控棒位系統(tǒng)將控制反應堆控制棒的位置,完成反應堆功率的調(diào)節(jié)、停止反應堆和事故情況下的快速停堆(又稱為事故快插、事故落棒),確保核電站安全運行。

2 電纜設計

核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜數(shù)量少,要求高,且由于反應堆的特殊性,國內(nèi)外沒有相關(guān)堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的標準。

世界上能生產(chǎn)核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的廠家較少。目前,國內(nèi)核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜均為國外進口,進口的核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜導體最高工作溫度90 ℃,60 a 的設計壽命,導體為鍍錫銅,部分產(chǎn)品含鹵。已經(jīng)不能滿足中國三代核電對堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的低煙無鹵阻燃和60 a(150 ℃)使用壽命的要求。

2.1 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜主要技術(shù)指標

①壽命要求:150 ℃,60 a[1]。②耐輻照性:60 a最大累積輻照劑量2.75×105Gy。③鹵酸氣體含量:燃燒時氯化氫不大于5 mg·g-1[2]。④pH 不小于4.3,電導率不大于10 μS·mm-1[3]。⑤透光率不小于60%[4]。⑥絕緣和護套氟含量不大于0.1%。⑦絕緣和護套毒性指數(shù)不大于5。⑧成品通過B 類成束阻燃試驗[5]。⑨20 ℃最小絕緣電阻280 MΩ·km。⑩150 ℃最小絕緣電阻0.28 MΩ·km。? 絕緣吸水試驗:85 ℃,14 d,增值不大于1 mg·cm-2。

2.2 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜結(jié)構(gòu)設計

堆頂棒控電纜是從堆頂棒控驅(qū)動機構(gòu)到堆頂插件板之間的電纜。由于電纜導體最高運行溫度為150 ℃,且堆頂空間有限,所以導體采用5 類鍍銀軟導體,絕緣層材料采用PEEK。其中導體截面積較大的2 芯用于傳輸驅(qū)動機構(gòu)提升線圈電流,其余線芯用于傳輸驅(qū)動機構(gòu)鉤爪線圈電流。電壓等級設計為0.6/1 kV。堆頂棒位電纜是從堆頂棒位探測器到堆頂插件板之間的電纜。由于電纜導體最高運行溫度為150 ℃,且堆頂空間有限,所以導體采用5 類鍍銀軟導體,絕緣采用PEEK。其中導體截面積較大的2 芯用于傳輸棒位探測器所需電流,其余線芯用于傳輸實測棒位信號。電壓等級設計為300/500 V。堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜結(jié)構(gòu)設計示意圖見圖2。

圖2 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜關(guān)鍵材料選擇

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書和工程實際要求,進行三代核電堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜絕緣材料和內(nèi)、外護套材料的選擇。

2.3.1 絕緣材料

絕緣材料選用了具有獨特綜合性能的線性芳香族半結(jié)晶結(jié)構(gòu)聚合材料PEEK,這種材料在高溫和極端條件下具有較好的綜合性能,是世界公認的性能最佳的熱塑性材料。PEEK 絕緣材料的特性有:①耐高溫特性,長期工作溫度260 ℃,在較寬的頻率和溫度范圍內(nèi)保持優(yōu)良的電氣性能,20 ℃最小體積電阻率1×1015Ω·cm;②耐化學腐蝕性、耐水解、耐磨、高強度;③阻燃性和自動熄滅能力;④可以薄壁生產(chǎn);⑤不含氟和鹵素,低煙,低毒。

使用PEEK 作為絕緣材料,一方面保證了電纜的電氣性能和耐高溫性能;另一方面增強了電纜的耐輻照性能,符合電纜在核電站中的運行要求。

2.3.2 電纜內(nèi)護套材料

電纜的內(nèi)護套不但需要耐高溫性能和耐輻照性能,而且還需要具有優(yōu)異的柔軟性和阻燃性能。綜合多年電纜研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗,選用了耐輻照型苯基硅橡膠材料,這種材料由于苯基的存在具有非常好的耐輻照性能,同時硅橡膠的基材又有很好的耐高溫性能。

2.3.3 電纜外護套材料

考慮堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的技術(shù)規(guī)格要求和工程實際使用要求,電纜外護套選用不銹鋼絲編織工藝,編織密度大于等于90%。不銹鋼絲編織外護套具有以下優(yōu)點:①最大限度的保證了電纜的柔軟性;②電纜在燃燒過程中,外層的不銹鋼絲具有良好的隔熱和傳熱性能,有效提高了電纜的阻燃性;③不銹鋼絲能夠吸收和傳遞γ 射線,降低電纜內(nèi)部材料承受的輻照劑量,有效提高電纜的耐輻照性;④不銹鋼絲具有良好的機械性能,提高了電纜的耐磨性能和機械性能。尤其在電纜敷設安裝期間,需要在粗糙的地面拖拽牽拉時,可以很好地保護電纜。

棒控棒位電纜安裝在堆頂,需要滿足在60 a 壽命期內(nèi)不得產(chǎn)生碎片脫落,具有一定的柔軟性方便定期檢查和維護,且電纜在敷設期間,應能承受50 m 長度電纜的重量產(chǎn)生的牽引力和在粗糙地面上拖拽產(chǎn)生的摩擦力,而不降低電纜性能和壽命。

3 制造工藝

3.1 PEEK 擠出設備

PEEK 是具有獨特綜合性能的線性芳香族半結(jié)晶結(jié)構(gòu)聚合材料,PEEK 的熔融溫度在300～450 ℃,擠出時具有高黏度、高強度的特點,使用傳統(tǒng)的塑料擠出機無法加工PEEK,必須采用特殊訂制的高溫擠出機。

PEEK 擠出機的螺筒和螺桿是擠出生產(chǎn)線的關(guān)鍵部件,螺筒和螺桿的優(yōu)劣決定了PEEK 的塑化質(zhì)量。PEEK 加工時容易粘連在螺桿上不能及時擠出,易產(chǎn)生氣泡、焦料,極端時會擠裂機頸,造成設備損壞。建議PEEK 擠出機的螺筒和螺桿選用耐高溫、耐酸、耐腐蝕、高強度的合金材料,并保持表面光滑。螺桿采用等距不等深的螺桿,螺桿長徑比為30 ∶1,壓縮比1.5～5。

3.2 主要制造工藝

PEEK 的結(jié)晶度決定該材料是否能夠充分發(fā)揮其綜合性能。PEEK 的結(jié)晶度是由制造設備和制造工藝決定的。

如果絕緣擠出時PEEK 的結(jié)晶度不夠,當導體或電纜局部區(qū)域溫度大于140 ℃時,PEEK 會繼續(xù)結(jié)晶,結(jié)晶使PEEK 伸長率下降,強度增加;但是,結(jié)晶的不均勻性會產(chǎn)生內(nèi)引力,容易造成絕緣開裂。

為使PEEK 達到良好的結(jié)晶度,擠出時須控制好以下工藝參數(shù)和環(huán)節(jié):①擠出機加料段的溫度不宜過高,溫度過高將致PEEK 分解,螺筒中壓力不足,造成電纜外徑粗細不均的現(xiàn)象,溫度控制在200～300 ℃;②擠出機熔融段溫度控制在250～350 ℃;③擠出機均化段溫度控制在300～400 ℃;④機頭溫度控制在350～450 ℃;⑤由于PEEK 溫度高,離模后立即由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),強度高,黏度大,難清理,故采用免調(diào)高精度模芯模套。

本工作采用特殊訂制的高溫擠出機和免調(diào)高精度模芯模套,按照以上工藝參數(shù),經(jīng)過多次試制,最終按確定的生產(chǎn)工藝對樣品進行結(jié)晶度測試,結(jié)果見圖3。

圖3 PEEK 結(jié)晶度測試結(jié)果

圖3 為測試樣品吸收和放出的熱量變化過程,其中曲線1 表示放熱過程,曲線2 表示材料升溫吸收熱量的過程,曲線2 的峰值是材料熔融時的溫度,曲線3 代表積分基線,是測量熱容的輔助線。曲線2 與曲線3 之間的面積表示的熱容為40 J·g-1,PEEK 完全結(jié)晶需要的熱容為130 J·g-1;經(jīng)計算其結(jié)晶度為31%,當PEEK 的結(jié)晶度為31% 時,其綜合性能最穩(wěn)定、最優(yōu)異。

4 試驗驗證

本工作研制的堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜經(jīng)第三方權(quán)威機構(gòu)進行機械性能試驗、電性能試驗、成品電纜等效加速60 a 異常工況等效疊加模擬試驗、60 a 輻照老化模擬試驗和60 a(150 ℃)熱老化模擬試驗。其中,60 a 等效加速老化試驗后,電纜的20 ℃最小絕緣電阻為66 500 MΩ·km,且電纜通過成束電纜的阻燃試驗(B 類),并在彎曲半徑為165 mm,正反彎曲200 次后,浸水耐受交流3 500 V/5 min 不擊穿。堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜其他主要性能試驗結(jié)果見表1。

表1 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜主要性能試驗結(jié)果

由表1 可知,通過結(jié)構(gòu)設計及新材料和新工藝的應用,本項目研制的堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜不但符合低煙無鹵阻燃和長期運行工作溫度為150 ℃環(huán)境下,使用壽命超過60 a 的要求,而且在等效加速60 a 異常環(huán)境試驗、60 a 輻照老化模擬試驗、60 a(150 ℃)熱老化模擬試驗后20 ℃絕緣電阻值66 500 MΩ·km,優(yōu)于老化前20 ℃絕緣電阻值280 MΩ·km 試驗的要求;在等效加速60 a 異常環(huán)境試驗、60 a 輻照老化模擬試驗、60 a(150 ℃)熱老化模擬試驗后200 次的彎曲試驗,護套表面無裂紋,浸水耐壓試驗通過。

5 結(jié)束語

棒控電纜和棒位電纜的成功研制將有助于實現(xiàn)三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的國產(chǎn)化,設計自主化,形成自己的知識產(chǎn)權(quán),打破外方在此電纜領域?qū)ξ覈笮拖冗M壓水堆核電站研制工作的限制,走出堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜依賴進口的困境,提高專項工程的國產(chǎn)化率,保障我國三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的長期可靠供應,同時為我國第三代核電技術(shù)走出國門提供有力的支持,為后續(xù)更先進的核電技術(shù)研究奠定基礎。