γ射线对稳压器电加热元件绝缘性影响的实验研究

2019-11-30宋良军张黎张云张彪王博何超何堂将

科技创新导报 2019年18期

关键词：射线

宋良军　张黎　张云　张彪　王博　何超　何堂将

摘要：在压水堆核电站中，稳压器通过电加热元件控制和调节反应堆冷却剂系统压力的变化。电加热元件绝缘电阻降低，存在安全隐患。本次试验选取试验件的绝缘材料为耐高温、抗热氧老化作用的交联聚乙烯。将试验件在放置于屏蔽水池内的辐照沉箱装置中进行辐照实验。结果表明γ射线累积剂量达975kGy±10%后，室温绝缘电阻值、室温绝缘强度、室温电功率和线电阻仍然绝缘满足;试验件三维网状结构分子链键稳定，绝缘性良好。

关键词：压水堆核电站 γ射线交联聚乙烯

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：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

在压水堆核电站中，稳压器通过电加热元件控制和调节反应堆冷却剂系统压力的变化。电加热元件绝缘电阻降低，存在安全隐患[1]。电加热元件垂直安装在位于稳压器下封头的套管中，构成一回路压力边界的一部分，电加热元件压力边界部分浸没在反应堆冷却剂中加热介质。稳压器电加热器（或简称电加热元件）在正常运行期间和事故期间可能会受到α射线、β射线、γ射线等的辐照考验。由于γ射线的穿透力最强，我们对γ射线对稳压器电加热元件绝缘性的影响进行试验研究。

绝缘材料温度高，可能会加速断裂老化的进程;光对塑料和橡胶等高分子材料会产生老化破坏作用。因此研究γ射线对稳压器电加热元件绝缘性的影响，需要规避光和热对稳压器电加热元件绝缘性的影响。为了模拟核电站实际工况，实验过程中需要保持连续换气通风。为了规避光对稳压器电加热元件绝缘性的影响，实验过程中需要屏蔽光。为了规避热对稳压器电加热元件绝缘性的影响，实验过程中需要对温度进行控制。

核级设备鉴定中心辐照实验室有井式辐照装置和沉箱式辐照装置。井式辐照装置可以在固定高度通过增减放射源调节辐照空间剂量场的分布。井式辐照装置空间小，剂量高，可以进行400℃的高温試验。沉箱式辐照装置的放射源可以增减，也可以上下移动，因此通过调节可以使辐照空间剂量场分布更为均匀。沉箱式辐照装置放置于屏蔽水池内，并且可以实现连续换气通风、保持温度恒定。本次试验模拟核电厂实际工况，要求连续换气，温度保持70℃。因此我们选择在沉箱式辐照装置上进行辐照实验。

本次试验，先将稳压器电加热元件在空间剂量率均为0.226Gy/s～0.295Gy/s（814Gy/h～1062Gy/h）的沉箱式辐照装置中，持续辐照1095.5h，累积剂量达到1046.5kGy后取出，再将稳压器电加热元件置于标准大气条件中保持足够的时间，使之达到热平衡，对电加热元件进行表面沾污测量，然后作辐照后外观检查及辐照后性能检测。结果表明γ射线累积剂量达975kGy±10%后，室温绝缘电阻值、室温绝缘强度、室温电功率和线电阻仍然绝缘满足，这表明试验件三维网状结构分子链键稳定，绝缘性良好。

1 试验

1.1 实验装置

稳压器电加热元件辐照敏感典型段所处辐射场空间的剂量率均在0.14Gy/s～0.42Gy/s（0.5kGy/h～1.5kGy/h）范围之内。辐照老化试验累积剂量375kGy±10%;事故辐照试验累积剂量600 kGy±10% 。

1.1.1 试验件

电加热元件由机械部件和电气部件构成。机械部件包括外包壳和端塞及连接焊缝，是稳压器设备承压边界的一部分，为承压部件。电气部件主要包括发热体、密封接线端、导体和绝缘材料，发热体置于外包壳内。稳压器电加热元件结构示意图见图1。

本研究选取三件稳压器电加热元件进行试验，编号分别为：001、002、003。规格参数见表1。电加热元件的最小寿命为：在额定功率下工作10000h;在1/2额定功率下工作20000h。电气性能参数为：

（1）在室温1000V（DC）下，电加热元件电阻丝与外包壳间的绝缘电阻：≥2000MΩ;

（2）正常工况下的电压：（AC 50Hz）;

（3）异常工况下的电压：（AC 50Hz）;

（4）单根电加热元件的额定功率：24kW±6%（380V AC）;

（5）电加热元件管外包壳单位面积上的最大功率（功率密度）：32W/cm2;

（6）2000V（50Hz AC）电压下，最大允许漏电电流：10mA。

1.2.2 试验设备及仪器

沉箱式辐照装置是专用于核级设备辐照鉴定试验的装置，由主工艺系统、电气系统、温控系统、过程测量系统和参数显示系统等组成。辐照沉箱（容器）是本装置的重要设备，放置于屏蔽水池内，是一密闭的并具有一定绝热效果的辐照空间，其构成的并可确定的有效辐照空间约为1200mm×1200mm×1300mm，可以满足电加热元件敏感典型段对辐照空间的要求。

根据装载设计，在辐照沉箱周围布置22根棒状钴源，上下错位安装，在箱内构成均匀并对称的辐照场，辐照沉箱示意结构如图2所示。具备辐照空间的恒温控制、连续更新换气功能和适用的剂量率分布。

采用重铬酸钾（银）工作剂量计作为辐照剂量测量器具，经计量技术机构检定合格，其量值可溯源到国家基准。采用紫外可见分光光度计，测量辐照前后重铬酸钾（银）工作剂量计溶液吸光度的变化值，进而求得各测量点剂量率的值。仪器型号为DR5000型，经计量技术机构检定合格，并在有效期内。测量支架放置在辐照场内，用于辐射场测量时测点定位和剂量计放置，测量支架共8层，第1层距底面为345mm，第1层到第6层，每层间距200mm;第6层到第8层，每层间距135mm。同层相邻定位孔间距均为200mm，测量支架见图3。辐照沉箱温度测量采用三支一体K型热电偶温度计，在沉箱内按A、B两组对边设置，每组按500mm间距三测点分布，共计6个温度测点。换气流量测点设置在出口管段，采用LWGQ-C-25S/S/S/N气体涡轮流量计。用于参数测量的一、二次仪表均经计量技术机构检定合格，并在有效期内。

1.2 试验要求

将电加热元件置于70℃±3℃温度下的试验箱内，试验箱最少保持每小时3倍容积的空气循环。当试验箱内环境和设备均稳定在70℃时开始照射。试验期间样机不通电。试验参数为：

（1）电加热元件处的剂量率：（1±0.5）kGy/h;

（2）累积辐照剂量为：975kGy±10%;

（3）辐照时间：≥250h。

1.3 试验方法

1.3.1 辐照场测量

根据电加热元敏感段尺寸及剂量率分布计算结果，在辐照场内拟定包容电加热元件敏感段的合理空间，并采用化学剂量计布点测量，以剂量率测量结果加以最终确定。

选取测量支架2-6层中心400mm×400mm空间进行辐照场测量，每层9个测点。测点示意图见图4。其测量结果可反映电加热元件敏感段所处辐照空间的剂量率分布情况。测量结果见表2。

1.3.2 试验件安装

电加热元件不通电，吊装在辐照沉箱（容器）内。为保证所处空间温度均匀性，将电加热元件及热电偶装入Ф200mm的铝筒内，铝筒底部有空气分流板，使热空气均匀流过电加热元件，增加温度控制的精确性，铝筒部外壁钻有Ф20mm的孔洞，以便于电加热元件电缆引出，保证电缆弯曲半径大于最小弯曲半径40d（440mm），电加热元件安装方式见附录A图A1、A2所示，电加热元件敏感段可全部落入经测量验证的有效辐照空间内。

1.3.3 辐照方法

（1）将辐照沉箱放置于屏蔽水池内安装就位，辐照试验在干燥空气中进行。在达到热平衡后，并且辐照沉箱内温度、换气量等参数满足要求，装载钴靶，辐照过程开始;

（2）合并为一个阶段连续进行电加热元件辐照，模拟其安装寿期内正常运行环境下累积剂量和事故环境下累积剂量;

（3）试验结束后，将电加热元件置于标准大气条件中保持足够的时间，使之达到热平衡，作辐照后外观检查及辐照后性能检测。

1.4 試验过程

1.4.1 温度

在整个辐照试验运行过程中温度条件稳定，辐照沉箱内6个测点的温度分布在69℃～71℃范围内，满足温度试验条件要求，典型值见表3。

1.4.2 换气量

在整个辐照试验运行过程中换气量保持在约2.0m3/h，满足以每小时3倍容积的最低速度更新沉箱内空气的试验条件要求。

1.4.3 剂量率

电加热元件敏感段位于测量支架2～5层，该辐照空间剂量率均在0.23Gy/s～0.30Gy/s（828Gy/h～1080Gy/h）范围内，满足辐照鉴定试验剂量率严酷程度要求。测量结果见测字第2017-D013号《检测报告》，不确定度为8%。

由于辐照试验运行时间较长，因此钴源放射性活度衰变对辐照场的影响是不可忽视的因素。辐照空间剂量率可由下式确定：

式中：D0—初始剂量率;t—距初始时刻的时间;λ—衰变常数，等于ln2/T1/2。

取《检测报告》的结果为初始剂量率，60Co辐射源半衰期T1/2为5.27年，于2017年12月8日辐照过程结束。按（1）式计算，所在空间剂量率均在0.226Gy/s～0.295Gy/s（814Gy/h～1062Gy/h）范围内。因此在辐照试验的全过程中，辐照空间剂量率始终满足辐照试验严酷程度要求。

1.4.4 累积剂量

确定辐照时间的剂量率按电加热元件所处空间的平均值计，同时考虑了会引起偏差的放射性活度衰变和剂量率测量结果不确定度等因素，实际辐照时间为45d15h29min。

电加热元件累积剂量按下式确定：

（2）

式中：t1—开始辐照时刻;t2—辐照结束时刻;—t1时刻对应剂量率平均值;λ—衰变常数。

根据辐照时间按式（2）计算累积剂量为：1046.5kGy。辐照鉴定试验实际累积剂量在975kGy±10%范围内。因此，辐照时间足以保证辐照鉴定试验的严酷程度要求。

2 试验结果及分析

辐照老化试验后，对电加热元件进行外观检查，检查结果为：電加热元件外部结构的完整性，外观的完好。其外观的完好性和装配的完整性符合设计图要求。电加热元件外包壳、端塞及其焊缝在外部水压试验工况下没有发生变形或泄漏。

室温绝缘电阻值测量、室温绝缘强度试验、室温电功率和线电阻测量试验结果见表4。其中：室温绝缘电阻值测量，验收准则为绝缘电阻值应≥2000MΩ。室温绝缘强度试验，验收准则为试验期间不应有放电、闪络和击穿现象，泄漏电流≤10mA。室温电功率和线电阻测量，测量的直流电阻值应满足：5.5Ω≤R≤6.2Ω;

冷态直流电阻值：5.831Ω≤R≤5.884Ω;

绝缘强度：泄漏电流≤1.371mA。试验期间无放电、闪络和击穿现象;

绝缘电阻值：>2000 MΩ。

2.1 热氧老化作用

交联聚乙烯绝缘是使聚乙烯分子由线性分子结构变为三维网状结构，由热塑性材料变成热固性材料，使材料的耐热温度从70℃提高到100℃。网状立体结构的交联聚乙烯具有十分优异的耐热性能。在200℃以下不会分解及碳化，热寿命可达40年[2]。王柏东等在《ACOME电缆的老化分析》中业提到，在进行产品设计时，可以选取耐温等级更好的电缆料来进行生产。

绝缘材料温度高，可能会加速断裂老化的进程该反应被称为热氧老化作用。聚乙烯（交联聚乙烯）在内的聚烯短类材料，在隔绝氧气条件下受热是稳定的，本次试验电加热元件置于试验箱内，试验箱最少保持每小时3倍容积的空气循环。电加热元件所处的试验箱内温度控制在70℃±3℃温度。

本次试验选用的电缆为耐高温的材料，环境温度控制在70±3℃，因此本次试验中热氧老化作用基本可以忽略。

2.2 光氧老化作用

光对塑料和橡胶等高分子材料会产生老化破坏作用，该反应被称为光氧老化作用[3]。对于大多数塑料来说，最易造成破坏的敏感波长（塑料对其吸收最大）都在90～400nm之间。聚乙烯的光老化是紫外光和氧参与下的一系列复杂反应的结果[4]。现以P-H代表聚合物，破坏机理大致如下：

引发反应

P-H→P·+H· （3）

P-H→P-H· （4）

P·+O2→POO· （5）

P-H·++O2→POOH→（POO·+H.或PO·+HO·）（6）

增长反应

POO·+ P-H→POOH+P· （7）

POOH→PO·+HO· （8）