反应堆压力容器与堆内构件接管的热态间隙计算

于雷 关欣

摘 要：文章以RV接管与CB接管的热态间隙计算为例，对其热态间隙进行计算。计算结果经与上游总体设计单位确认，能够保证堆内构件的总体旁漏流量，符合总体工艺设计要求。

关键词：核电；接管；热态间隙

堆内构件安装在反应堆压力容器内，起着精确定位、支承堆芯燃料组件、引导堆内冷却剂流向、将反应堆内核裂变产生的热量输出等功能。运行期间承受高温、高中子注量的辐照和冷却剂的腐蚀，运行条件十分苛刻，是國际上公认的核电站关键设备之一。

由于堆内构件（RVI）和反应堆压力容器（RV）之间存在诸如RV接管与吊兰筒体（CB）接管；燃料组件（CS）与堆芯上板；RV底封头与二次支承（SCSS）基础板；堆芯上板与堆芯围筒等众多安装接口，其接口热态间隙对后续动态系统模型以及不同的结构判定有着重要意义。本文以某堆型RV接管与CB接管的热态间隙计算为例（见图1），对在高温、高压环境下堆内构件、反应堆压力容器间的热态间隙进行计算。

文中计算出了反应堆内构件在正常稳定工况（或者最佳评估状态）时两部位的热态间隙。间隙值基于名义尺寸计算。然而，对于有些部位的间隙，在正常工况下，最大或最小冷态间隙也被考虑（例如温度，压力等）。冷态间隙根据压力的影响和液体以及金属温度进行校正。

计算工况中所需的温度取决于分析的位置。反应堆压力容器出口接管和堆内构件出口接管受容器出口温度的影响。如果压力的影响很显著时，计算热态间隙时应该包括压力的影响。压力影响主要局限于CB或者CS压力的增长；由于CS结构的复杂性，压力从详细的有限元分析中获得；对于CB而言，压力的增长近似地取下述方程式的值。反应堆压力容器与反应堆内构件结构多样，在压力作用下类如球形封头、开口圆柱容器、闭口圆柱容器等结构的变形在《罗氏应力应变公式手册》中均有对应的定义表达。

由图1可见，由于安装需要堆内构件出口接管外半径和反应堆压力容器进口接管内侧台肩必须留有一定的间隙，这个间隙的存在会使得流经堆芯加热的冷却剂返回到反应堆压力容器内，而无法将堆芯的热量带出去形成有效流量。从众多间隙流出的热态冷却剂被称为旁漏流量，总体设计规定整个堆芯的旁漏流量小于全部流量的5.9%。较大的间隙将会使反应堆在运行时产生过大的旁漏流量；而过小的冷态间隙会使得堆内构件在反应堆运行瞬态情况下发生显著的永久变形。因此，热态间隙计算是必须而且重要的。

假设RVI不产生变形的情况下，反应堆压力容器在压力和温度的影响下会产生径向膨胀，使得间隙变大；对于RV接管而言，压力和温度的影响使其沿自身径向膨胀，该形变对间隙没有影响。而高温工况会使RV接管的台肩向RV中心产生形变，间隙变小。假设RV不产生变形的情况下，CB由于冷却剂流动会产生外压，使得间隙变大；而高温工况使得CB及CB接管产生径向形变，使得间隙变小。因此，在温度、压力载荷下RV的变形趋势使得间隙变大，而RV接管台肩、CB接管的变形趋势使得间隙变小，而CB在承受外压及高温的工况下即存在使间隙变小的趋势，又存在使间隙变大的趋势，计算时根据不同工况须区别对待。文中符号规定：间隙增加时为正，间隙减小时为负。所用设计输入（见表1）及计算方法如下。

反应堆压力容器筒体内壁与堆内构件吊篮筒体外壁间形成的下降环腔在反应堆运行期间充满由入口接管进入的冷却剂，而冷却剂是在反应堆运行前逐步的由室温加热到功率运行时的入口温度。因此下降环腔区域内的温差是冷却剂功率运行时入口温度与室温之差；L为RV的平均半径（R），即RV中心到RV筒体壁厚中心的径向尺寸。

（1）温度引起RV的形变[1]：

（2）压力引起RV的形变[2]：

根据RV结构，本部分计算采用承压闭口圆柱容器的径向变形公式。

（3）温度引起RV接管台肩的形变[1]：

其中L为RV接管台肩内端面到RV筒体壁厚中心的径向尺寸。

（4）温度引起CB接管的形变[1]

（5）外压引起CB的形变[2]

热态间隙=2.2+7.2+1.2-0.79-9.3+0.12=0.63mm

反应堆压力容器出口接管与吊兰筒体接管热态间隙的存在，避免了由于压力和温度引起设备膨胀而导致两设备的挤压变形，同时经过与上游总体设计单位确认，该间隙能够保证堆内构件的总体旁漏流量，符合总体工艺设计要求。

参考文献

[1]郑国桢，林苗华.金属材料热膨胀系数经验公式的探讨[J].广东工业大学学报，1999，16（3）：16.

[2]W.杨，R.布迪纳斯，等.罗氏应力应变公式手册[M].北京：科学出版社，2005，8.

作者简介：于雷（1981-），男，黑龙江省伊春市，大学本科，工程师，主攻核电机械产品设计。

关欣（1980-），女，辽宁省沈阳市，大学本科，工程师，主攻机械工艺。