压水堆堆内构件防断支承部件结构分析

龚宏伟，李延葆

（上海第一机床厂有限公司，上海 201308）

0 引言

压水堆堆内构件（Reactor Vessel Internals）是指反应堆压力容器内除燃料组件及其相关组件、堆芯测量仪表和辐照监督管以外所有的堆芯支承结构件（Core Support Structures）和内部结构件（Internal Structures）。用途是为堆芯部件提供支承、对中和导向，引导冷却剂流入和流出，为堆内测量仪表提供导向和支承，是压水堆核电站的重要部件之一[1]。

堆内构件按照结构（图1）分为上部支承部件、下部支承部件、压紧弹性环、控制棒导向筒、堆内测量装置及辐照监督管等，下部支承部件由吊篮筒体、堆芯围筒、堆芯支承板、堆芯二次支承、径向支承件及相关附属部件组成，其中，堆芯二次支承部件位于堆芯支承板下部，由涡流抑制板、二次支承柱、能量吸收器等部件组成，可起到导流和分配冷却剂的功能，在假象极端事故工况堆芯跌落时，使反应堆保持安全功能，故又称为堆芯防断支承部件，是堆内构件的重要组成部分和支承结构件[2]。

重点分析不同压水堆堆型（M310，CAP1000，ACP1000，HL1000）堆芯防断支承部件结构的异同，分别从各堆型的结构、材料、制造等方面的差异，结合设备制造过程的难易性进行比较说明。

1 结构

1.1 M310堆型

M310堆型的堆芯防断支承部件由二次支承和仪表套管组件组成。主要功能除了导流和分配冷却剂和二次防断支承堆芯，还需进行堆芯中子注量率测量，因此零件种类多，结构复杂，如图2、图3所示。二次支承组件由基础连接板、小格架板、大格架板和4个能量吸收器等组成。基础连接板的底面外形与压力容器下封头底部形状相似，通过4个能量吸收装置悬挂在堆芯支承板上，能量吸收器组件主要功能是在发生假想堆芯跌落事故时，通过材料形变能吸收堆芯跌落势能，将堆芯跌落对压力容器下封头产生的冲击作用控制在允许范围内[3]。

图1 堆内构件结构示意图

中子注量率仪表导管通过压力容器下封头引入堆内构件，是测量堆芯内中子注量率的仪表导管，测量的目的是建立堆芯中子注量率分布图和校准堆外中子测量仪器。仪表导管组件共50个，分3种类型。单纯的仪表导管28个，兼作支承柱的20个，兼作二次支承柱的2个，它们分别与大小格架板连接形成刚性结构。测量通道管由二次支承组件的大小格架板定位。带有移动式堆内通量测量的柔性轴可通过测量套管插入压力容器，进而穿入燃料组件中心的测量用导向管。

1.2 CAP1000堆型

CAP1000堆型与M310比较，由于中子注量率仪表导管移至压力容器顶部，使用堆芯测量仪表格架组件进行中子注量率测量，如图4所示。因此取消了仪表套管组件以及大、小格架板零部件，增加了涡流抑制板及流量分配裙筒，使堆芯支承底板位置下降，保留4个能量吸收器组件及12个支承柱体，安装位置如图5所示。二次支承部件结构如图6所示。流量分配裙筒是CAP1000堆型比M310项目在下部支承结构的重要变化之一，流量分配裙筒组件是一个外径3403.6 mm开有776个 Φ49.8±0.8 mm 孔的Inconel 690裙式结构筒体（图7）。焊接固定在压力容器下封头内表面的支承凸耳上，位于压力边界内。多孔式圆环结构使堆芯流量分配更加均匀。

图2 M310堆型支承部件安装位置

图3 M310堆型支承部件结构

图4 CAP1000堆芯测量仪表格架组件

1.3 ACP1000堆型

ACP1000堆型二次支承部件与CAP1000堆型结构类似，冷却剂导流和分配使用板式流量分配板，通过12个连接柱连接在堆芯支承板上，安装位置如图8所示。二次支承部件结构如图9所示。

1.4 HL1000堆型

HL1000堆型取消支承柱体及能量吸收器部件，直接采用一件流量分配器通过4个M27螺柱连接在堆芯支承底板下部，即满足导流和分配冷却剂又起到防断支承的功能。流量分配器结构是厚度60 mm ，外径3620 mm，高度1300 mm的封头状容器，分11层，共分布372（Φ100 mm）+60（Φ80 mm）+72（Φ60 mm）个流水孔，如图10、图11所示。

1.5 结构差异比较

根 据 M310，CAP1000，ACP1000，HL1000 堆型防断支承部件结构差异可知，比较二代加的M310堆型，其他堆型都简化下部支承结构，取消了下堆芯板，燃料组件直接固定在堆芯支承板上，且堆芯支承板下移，减少压力容器下腔室高度，有利于发生严重事故下，延长堆芯融化物在压力容器下部停留时间减少中子注入率导管损伤可能[1]。使用堆芯测量仪表格架组件进行中子注量率测量，省去50个仪表导管组件，并避免压力容器下封头开孔。CAP1000，ACP1000保留了M310堆型的能量吸收器部件，并增加了流量分配部件，流量分配结构方式不同。其中HL1000创新设计仅利用一件封头状流量分配器既满足防断支承功能又可导流。

2 材料

图5 CAP1000堆型支承部件安装位置

图6 CAP1000堆型二次支承部件

图7 流量分配裙筒

图8 CAP1000堆型支承部件安装位置

图9 CAP1000堆型二次支承部件

图10 HL1000堆型支承部件位置

压水堆堆内构件材料应具有足够的强度、韧性以及耐蚀性（耐应力腐蚀、晶间腐蚀及冷却剂的均匀腐蚀）、耐辐照性能。堆内构件的主要支承件和结构件是奥氏体不锈钢；压紧弹性环是马氏体不锈钢，堆内构件中的关键零件和重要螺钉，销钉选用镍基合金或冷作硬化奥氏体不锈钢。各堆型防断支承部件的用到的材料主要是奥氏体不锈钢和高温镍基合金。

图11 流量分配器结构

2.1 M310堆型

M310材料按照RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则（2000版+2002补遗）第I卷G册堆内构件和第II卷 M篇材料要求，堆芯防断支承部件用到的材料牌号全是Z2CN19-10+N2，材料类型有M3310板材、M3301锻件、M3306棒材、M3304管材，原材料共计15.8 t。

2.2 CAP1000堆型

CAP1000材料按照ASME美国机械工程师协会锅炉及压力容器规范（1998版）第Ⅲ卷的NG分册堆芯支承和第Ⅱ卷材料要求，堆芯防断支承部件用材料牌号是304，316以及Inconel 690，材料类型有SA-240板材、SA-479棒材、SA-193冷作硬化棒材、SB-564锻件，原材料共计10.6 t。

2.3 ACP1000堆型

ACP1000材料按照RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则（2007版）第Ⅰ卷G册堆内构件和第Ⅱ卷 M篇材料要求，堆芯防断支承部件用材料堆芯防断支承部件用到的材料牌号全是Z2CN19-10+N2和Z6CND17-12，材料类型有M3310板材、M3301锻件、M3306棒材、M3308冷作硬化棒材，原材料共计15.8 t。

2.4 HL1000堆型

HL1000材料按照RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则（2007版）第Ⅰ卷G册堆内构件和第Ⅱ卷 M篇材料要求，部分材料参考ASME美国机械工程师协会锅炉及压力容器规范（2012版）第Ⅱ卷材料要求，堆芯防断支承部件用材料牌号有 Z2CN19-10+N2、Z6CND17-12、316。材料类型有 M3301 锻件、M3308和SA-479冷作硬化棒材，原材料共计13 t。

2.5 材料差异比较

CAP1000堆型材料标准按ASME第Ⅱ卷材料，主要是奥氏体不锈钢材料，原材料采购用量最少。M310和ACP1000堆型材料标准按RCC-M M篇材料，是奥氏体不锈钢材料。HL1000堆型材料按RCC-M M篇材料和ASME第Ⅱ卷材料标准执行，是奥氏体不锈钢材料。

3 制造

压水堆堆内构件设备结构、制造工艺复杂，质量控制要求高，制造难度大，制造周长，下部堆内构件的制造过程一般是主线路径。防断支承部件的制造过程相对比较独立，并且单独包装发运，需要零部件制造完成后和组装好的下部堆内构件进行预装配，检验后分拆，包装发运现场后安装。各堆型的防断支承部件零部件及制造周期见表1。

表1 防断支承部件零部件表

根据结构的对比差异可知HL1000堆型结构简化，制造周期短，且无焊接工序，制造相对比较容易，但整体式的封头大锻件材料成本较高。

4 结论

通过对不同堆型压水堆堆内构件防断支承部件结构、材料、制造等方面差异性进行比较，结合各设备的材料采购过程、制造过程经验，可得出3个结论。

（1）相对于二代堆型，第三代核电堆内构件均将中子注量率测量导管移到压力容器顶部，简化了下部支承结构，减少承压边界中子注量率导管损伤可能性，从结构上提高安全性。

（2）从满足导流和分配冷却剂和堆芯防断支承的功能考虑，第三代核电堆内构件堆芯防断支承部件结构设计各具特点。

（3）堆芯防断支承部件的结构差异决定了堆内构件设备的重要原材料、关键工艺、制造周期、生产成本的不同。