堆顶棒控电缆和堆顶棒位电缆的研制

蒲守林 ,金 珊 ,付明星 ,张立刚 ,张志焕 ,朱 洁 ,夏同方,苑春慧

(1.常州八益电缆股份有限公司,常州 213000;2.中国核电工程有限公司,北京 100840;3.中广核工程有限公司,深圳 518124)

0 引言

反应堆是核电站的核心装置,反应堆控制棒的控制与位置监测系统(简称为棒控/棒位系统)是反应堆功率控制的关键仪表与控制系统,堆顶棒控电缆和堆顶棒位电缆是棒控/棒位系统的关键部件之一。反应堆需要定期检查和维护,电缆需要一定的柔软性。堆顶棒控电缆和堆顶棒位电缆在60 a 寿命期间内不得产生碎片脱落。

棒控/棒位系统是核电站反应堆控制系统和安全保护系统的一种伺服机构,具体功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒,以完成反应堆启动、调节反应堆功率、维持功率、停止反应堆和事故情况下的快速停堆(又称为事故快插、事故落棒),它是核反应堆的重要动作部件,也是直接影响核反应堆正常运行和安全可靠的关键设备之一。

中国三代核电对堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆提出了更高的要求,绝缘线芯具有优良的介电性能、阻燃性能和抗折弯性能,且满足低烟无卤、无毒、弯曲半径小、耐辐照、耐高温、60 a(150 ℃)寿命等要求。但从国外核电主流供应商进口的堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆导体最高运行温度为90 ℃,设计寿命60 a,产品含卤元素或含氟元素,无法满足中国三代核电对棒控棒位电缆的所有要求。

为了建成具有我国自主知识产权的大型先进压水堆核电站示范工程,本工作提出了一种三代核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆,介绍了三代核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆的技术要求和设计,以及采用的新材料和新工艺,本工作对堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆进行等效加速60 a 异常工况叠加模拟试验、60 a 辐照老化模拟试验和60 a(150 ℃)热老化模拟试验的串行试验,验证了三代核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆符合三代核电站的技术要求。

1 堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆

堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆位置示意图见图1,其中堆顶棒控电缆为从堆顶棒控驱动机构到堆顶插件板之间的电缆,电压等级为0.6/1 kV;堆顶棒位电缆为从堆顶棒位探测器到堆顶插件板之间的电缆,电压等级为300/500 V。

图1 堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆位置示意图

当核电站在异常工况下运行时,如出现快速异常升温或其他异常现象时,棒控棒位系统将控制反应堆控制棒的位置,完成反应堆功率的调节、停止反应堆和事故情况下的快速停堆(又称为事故快插、事故落棒),确保核电站安全运行。

2 电缆设计

核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆数量少,要求高,且由于反应堆的特殊性,国内外没有相关堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆的标准。

世界上能生产核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆的厂家较少。目前,国内核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆均为国外进口,进口的核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆导体最高工作温度90 ℃,60 a 的设计寿命,导体为镀锡铜,部分产品含卤。已经不能满足中国三代核电对堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆的低烟无卤阻燃和60 a(150 ℃)使用寿命的要求。

2.1 堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆主要技术指标

①寿命要求:150 ℃,60 a[1]。②耐辐照性:60 a最大累积辐照剂量2.75×105Gy。③卤酸气体含量:燃烧时氯化氢不大于5 mg·g-1[2]。④pH 不小于4.3,电导率不大于10 μS·mm-1[3]。⑤透光率不小于60%[4]。⑥绝缘和护套氟含量不大于0.1%。⑦绝缘和护套毒性指数不大于5。⑧成品通过B 类成束阻燃试验[5]。⑨20 ℃最小绝缘电阻280 MΩ·km。⑩150 ℃最小绝缘电阻0.28 MΩ·km。⑪ 绝缘吸水试验:85 ℃,14 d,增值不大于1 mg·cm-2。

2.2 堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆结构设计

堆顶棒控电缆是从堆顶棒控驱动机构到堆顶插件板之间的电缆。由于电缆导体最高运行温度为150 ℃,且堆顶空间有限,所以导体采用5 类镀银软导体,绝缘层材料采用PEEK。其中导体截面积较大的2 芯用于传输驱动机构提升线圈电流,其余线芯用于传输驱动机构钩爪线圈电流。电压等级设计为0.6/1 kV。堆顶棒位电缆是从堆顶棒位探测器到堆顶插件板之间的电缆。由于电缆导体最高运行温度为150 ℃,且堆顶空间有限,所以导体采用5 类镀银软导体,绝缘采用PEEK。其中导体截面积较大的2 芯用于传输棒位探测器所需电流,其余线芯用于传输实测棒位信号。电压等级设计为300/500 V。堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆结构设计示意图见图2。

图2 堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆结构示意图

2.3 堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆关键材料选择

根据技术规格书和工程实际要求,进行三代核电堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆绝缘材料和内、外护套材料的选择。

2.3.1 绝缘材料

绝缘材料选用了具有独特综合性能的线性芳香族半结晶结构聚合材料PEEK,这种材料在高温和极端条件下具有较好的综合性能,是世界公认的性能最佳的热塑性材料。PEEK 绝缘材料的特性有:①耐高温特性,长期工作温度260 ℃,在较宽的频率和温度范围内保持优良的电气性能,20 ℃最小体积电阻率1×1015Ω·cm;②耐化学腐蚀性、耐水解、耐磨、高强度;③阻燃性和自动熄灭能力;④可以薄壁生产;⑤不含氟和卤素,低烟,低毒。

使用PEEK 作为绝缘材料,一方面保证了电缆的电气性能和耐高温性能;另一方面增强了电缆的耐辐照性能,符合电缆在核电站中的运行要求。

2.3.2 电缆内护套材料

电缆的内护套不但需要耐高温性能和耐辐照性能,而且还需要具有优异的柔软性和阻燃性能。综合多年电缆研发和生产经验,选用了耐辐照型苯基硅橡胶材料,这种材料由于苯基的存在具有非常好的耐辐照性能,同时硅橡胶的基材又有很好的耐高温性能。

2.3.3 电缆外护套材料

考虑堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆的技术规格要求和工程实际使用要求,电缆外护套选用不锈钢丝编织工艺,编织密度大于等于90%。不锈钢丝编织外护套具有以下优点:①最大限度的保证了电缆的柔软性;②电缆在燃烧过程中,外层的不锈钢丝具有良好的隔热和传热性能,有效提高了电缆的阻燃性;③不锈钢丝能够吸收和传递γ 射线,降低电缆内部材料承受的辐照剂量,有效提高电缆的耐辐照性;④不锈钢丝具有良好的机械性能,提高了电缆的耐磨性能和机械性能。尤其在电缆敷设安装期间,需要在粗糙的地面拖拽牵拉时,可以很好地保护电缆。

棒控棒位电缆安装在堆顶,需要满足在60 a 寿命期内不得产生碎片脱落,具有一定的柔软性方便定期检查和维护,且电缆在敷设期间,应能承受50 m 长度电缆的重量产生的牵引力和在粗糙地面上拖拽产生的摩擦力,而不降低电缆性能和寿命。

3 制造工艺

3.1 PEEK 挤出设备

PEEK 是具有独特综合性能的线性芳香族半结晶结构聚合材料,PEEK 的熔融温度在300～450 ℃,挤出时具有高黏度、高强度的特点,使用传统的塑料挤出机无法加工PEEK,必须采用特殊订制的高温挤出机。

PEEK 挤出机的螺筒和螺杆是挤出生产线的关键部件,螺筒和螺杆的优劣决定了PEEK 的塑化质量。PEEK 加工时容易粘连在螺杆上不能及时挤出,易产生气泡、焦料,极端时会挤裂机颈,造成设备损坏。建议PEEK 挤出机的螺筒和螺杆选用耐高温、耐酸、耐腐蚀、高强度的合金材料,并保持表面光滑。螺杆采用等距不等深的螺杆,螺杆长径比为30 ∶1,压缩比1.5～5。

3.2 主要制造工艺

PEEK 的结晶度决定该材料是否能够充分发挥其综合性能。PEEK 的结晶度是由制造设备和制造工艺决定的。

如果绝缘挤出时PEEK 的结晶度不够,当导体或电缆局部区域温度大于140 ℃时,PEEK 会继续结晶,结晶使PEEK 伸长率下降,强度增加;但是,结晶的不均匀性会产生内引力,容易造成绝缘开裂。

为使PEEK 达到良好的结晶度,挤出时须控制好以下工艺参数和环节:①挤出机加料段的温度不宜过高,温度过高将致PEEK 分解,螺筒中压力不足,造成电缆外径粗细不均的现象,温度控制在200～300 ℃;②挤出机熔融段温度控制在250～350 ℃;③挤出机均化段温度控制在300～400 ℃;④机头温度控制在350～450 ℃;⑤由于PEEK 温度高,离模后立即由液态变为固态,强度高,黏度大,难清理,故采用免调高精度模芯模套。

本工作采用特殊订制的高温挤出机和免调高精度模芯模套,按照以上工艺参数,经过多次试制,最终按确定的生产工艺对样品进行结晶度测试,结果见图3。

图3 PEEK 结晶度测试结果

图3 为测试样品吸收和放出的热量变化过程,其中曲线1 表示放热过程,曲线2 表示材料升温吸收热量的过程,曲线2 的峰值是材料熔融时的温度,曲线3 代表积分基线,是测量热容的辅助线。曲线2 与曲线3 之间的面积表示的热容为40 J·g-1,PEEK 完全结晶需要的热容为130 J·g-1;经计算其结晶度为31%,当PEEK 的结晶度为31% 时,其综合性能最稳定、最优异。

4 试验验证

本工作研制的堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆经第三方权威机构进行机械性能试验、电性能试验、成品电缆等效加速60 a 异常工况等效叠加模拟试验、60 a 辐照老化模拟试验和60 a(150 ℃)热老化模拟试验。其中,60 a 等效加速老化试验后,电缆的20 ℃最小绝缘电阻为66 500 MΩ·km,且电缆通过成束电缆的阻燃试验(B 类),并在弯曲半径为165 mm,正反弯曲200 次后,浸水耐受交流3 500 V/5 min 不击穿。堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆其他主要性能试验结果见表1。

表1 堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆主要性能试验结果

由表1 可知,通过结构设计及新材料和新工艺的应用,本项目研制的堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆不但符合低烟无卤阻燃和长期运行工作温度为150 ℃环境下,使用寿命超过60 a 的要求,而且在等效加速60 a 异常环境试验、60 a 辐照老化模拟试验、60 a(150 ℃)热老化模拟试验后20 ℃绝缘电阻值66 500 MΩ·km,优于老化前20 ℃绝缘电阻值280 MΩ·km 试验的要求;在等效加速60 a 异常环境试验、60 a 辐照老化模拟试验、60 a(150 ℃)热老化模拟试验后200 次的弯曲试验,护套表面无裂纹,浸水耐压试验通过。

5 结束语

棒控电缆和棒位电缆的成功研制将有助于实现三代核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆的国产化,设计自主化,形成自己的知识产权,打破外方在此电缆领域对我国大型先进压水堆核电站研制工作的限制,走出堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆依赖进口的困境,提高专项工程的国产化率,保障我国三代核电站用堆顶棒控电缆、堆顶棒位电缆的长期可靠供应,同时为我国第三代核电技术走出国门提供有力的支持,为后续更先进的核电技术研究奠定基础。