第三章AP1000反应堆冷却剂系统2016

1、第三章 AP1000反应堆冷却剂系统(Reactor Coolant System , RCS)RCS 将反应堆系统中堆芯核裂变放出的热能转化为高温饱和蒸汽，并输送到汽轮发电机组转化为电能(二回路系统)。反应堆冷却剂系统压力边界为堆芯释放的放射性提供了一个包容的屏障，并使电厂在整个运行过程中都保持其高度的完整性。功能冷却剂在冷却剂泵的驱动下流过燃料组件，吸收了核裂变产生的热能以后流出反应堆，进入蒸汽发生器，把热量传给二回路的水，而冷却剂本身的温度降低。从蒸汽发生器出来的冷却剂再由反应堆冷却剂泵送回反应堆去加热，重复这个过程以持续进行能量转换。一回路压力由稳压器来维持和调节。系统示意图3.1 系

2、统概述组成AP1000反应堆冷却剂系统(RCS)由两条环路组成，每条环路包括一台蒸汽发生器、两台反应堆冷却剂泵以及一根冷却剂主管道热管段、两根冷管段，共同组成一条反应堆冷却剂闭式循环回路。组成RCS系统还包括稳压器、相应的连接管道(波动管)、阀门和用于运行控制和安全触发的仪表。所有的RCS设备都位于反应堆安全壳内。组成l 反应堆压力容器(Reactor Pressure Vessel , RPV) 包括控制棒驱动机构安装接管l 反应堆冷却剂泵(Reactor Coolant Pump , RCP) l 蒸汽发生器(Steam Generator , SG) 包括与其相连接通往一条反应堆冷却剂主

3、管道热管段的波动管线l 稳压器(Pressurizer， PRZ)l 安全阀(Safety Valves) 和自动降压系统(Automatic Depressurization System , ADS)的阀门;l 反应堆压力容器顶盖(上封头)上的排气管道(Reactor Vessel Head Vent)和排气管道隔离阀(Head Vent Isolation Valves);l 上述主要部件之间相互连接的管道及其支承;l 与通往辅助系统和支持系统之间相互连接的管道及其支承。AP1000 RCS布置SG 环路及 PRZ 管道连接图3.2 RCS 的功能、设计基准和水化学3.2.1 反应堆冷却

4、剂系统的功能安全相关的功能(1 )保持反应堆冷却剂压力边界(Reactor Coolant Pressure Boundary)的完整性；(2) 保持堆芯冷却和反应性控制(Core Cooling and Reactivity Control)；(3) 提供工艺监测(Process Monitoring)。为保护安全监测系统提供所需信号，在所有电厂运行工况下用以触发反应堆自动停堆和非能动安全系统运行。同时，便于操纵员监视系统运行，并在安全停堆运行和事故运行期间执行必要的手动操作。其他与取得安全许可证(执照)相关的功能(1 ) RCS 排气(ReactorCoolant System Venti

5、ng) RCS系统能够排出稳压器和反应堆压力容器封头中积聚的不可凝气体，以支持事故工况下的堆芯冷却能力。(2)在严重事故条件下堆芯熔融物堆内滞留（In-Vessel Retention in Severe Accident Condition） 在假想的严重事故条件下，当RCS 自动降压系统运行，安全壳处于水淹没状态时，RPV和 RPV绝热层(RPV Insulation)之间排热通道依靠自然循环将RPV 内的热量排出，从而将堆芯熔融物保持在堆内。 非安全相关的纵深防御功能(1 )堆芯冷却(Core Cooling)(2) 反应堆冷却系统压力控制(RCS Pressure Control)(3

6、) 提供工艺监测(Process Monitoring)监测所有运行工况下反应堆冷却剂压力边界内的工艺参数，并为多样性驱动系统(Diverse Actuation System , DAS)提供所需信号，以便多样化触发反应堆停堆和非能动安全系统。同时，为操纵员提供所需信号以便通过多样性驱动系统来手动触发反应堆停堆和非能动安全系统，作为保护和安全监测系统的后备。(4)反应堆冷却剂系统排气(RCS Venting)RCS 能够通过手动有限的卸压以缓解蒸汽发生器传热管破裂事故和协助反应堆冷却剂系统停运后的冷却。这种能力为假想多重失效时的堆芯冷却提供支持。RCS 的手动卸压功能作为自动卸压的备用，可以

7、防止多重失效时的高压熔堆事故。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器在反应堆压力容器内部，放置堆芯、堆芯支承结构、控制棒及直接与堆芯连接的其他部件。压力容器还与一体化堆顶结构、反应堆冷却剂管道相连接。3.3.1 反应堆压力容器3.3.1 反应堆压力容器AP1000 反应堆压力容器是一个由壳体、过渡环、半球形底封头及可拆卸带法兰半球形上封头构成的圆柱形结构。壳体包括两部分：上壳体(接管段)和下壳体(活性段)。下壳体和半球形底封头之间用一个过渡环连接。上壳体、下壳体、过渡段和半球形底封头由低合金钢制造，内部堆焊奥氏体不锈钢。壳体包括两部分：上壳体(接管段)下壳体(活性段)过渡环

8、半球形底封头3.3.1 反应堆压力容器可拆卸带法兰半球形上封头。压力容器封头由顶盖和法兰制成。上封头为控制棒驱动机构、堆内测量提供了安装孔和支承，为 RPV 放气管和一体化堆顶结构提供了支承。压力容器主冷却剂进出管嘴、直接注入管管嘴和堆内构件吊篮支承均位于上壳体(接管段)。针对任何一个图片，如何判断是进口管嘴还是出口管嘴？在设计与制造方面的改进(1) 压力容器的堆芯下壳体(活性段)采用了环型锻件结构，取消了纵向焊缝;(2) 在压力容器的材料中降低了镍和铜的含量，把辐照脆化的影响降到最低;(3) 尽可能地降低初始的“零塑性转变参考温度(RTNDT)”RPV活性区锻件材料(RTNDT为-28.9)

9、，提高压力容器材料的断裂韧性，以延长核电厂的运行寿期;(4) 在RPV顶盖的贯穿件焊缝和接管安全端焊缝采用Inconel 690 合金焊材这是至今为止潜在应力腐蚀裂纹敏感性最低的工业材料;(5) 堆芯仪表通道设在 RPV 顶部取消了堆芯下部，即压力容器底部所有的贯穿件。堆芯仪表通道设在 RPV 顶部消了堆芯下部，即压力容器底部所有的贯穿件压力容器的堆芯下壳体(活性段)采用了环型锻件结构，取消了纵向焊缝3.3.2 一体化堆顶结构一体化堆顶结构(Integrated Head Package , IHP) 由多个独立的设备组成，从而简化了反应堆的换料操作。在停堆换料期间，通过与反应堆压力容器顶盖移

10、动联合操作，减少了停堆时间和个人辐射剂量。另外，一体化堆顶结构减少了其相关部件在安全壳内的搁置空间。堆芯测量仪表系统的测量探头提升绞盘起吊三脚架CRDM风冷通风道螺栓起吊轨道屏蔽罩检查门一体化堆顶结构组成:l 屏蔽罩及检查门;l 堆芯测量探头的提升绞盘;l 起吊三角架;l 电缆托架及其支承结构;l 螺栓起吊轨道;l CRDM抗震支承和堆内测量仪表(ICIS)支承结构;l CRDM 风冷通道(冷却围筒)。堆芯测量仪表系统的测量探头提升绞盘堆芯测量仪表系统的测量探头提升绞盘起吊三脚架起吊三脚架控制棒驱动机构风冷通风道控制棒驱动机构风冷通风道螺栓起吊轨道螺栓起吊轨道屏蔽罩屏蔽罩检查门检查门冷却围筒是

11、位于压力容器顶盖上方围绕在控制棒驱动机构周围的碳钢结构。在核电厂正常运行时，冷却围筒为控制棒驱动机构电磁线圈提供冷却气流通道。3.4 堆内构件(Reactor Internals)3.4.1 堆内构件的组成上部构件l 上部支承板l 上堆芯板l 支承柱l 导向筒上堆芯板3.4 堆内构件(Reactor Internals)3.4.1 堆内构件的组成下部构件l 吊篮筒体l 堆芯下支承板l 堆芯二次支承l 涡流抑制板l 堆芯围筒l 径向支承键l 相关附属部件l 流量分配板堆芯围筒下部构件l 堆芯下支承板堆内构件的功能l 盛装燃料组件与相关组件，并为它们提供定位和预紧力；l 为控制棒组件提供可靠的导向

12、，吸收落棒冲击能；l 为堆芯提供冷却剂流道和合理的流量分配，并减少冷却剂无效泄漏；l 屏蔽中子和 射线，减少压力容器的辐照损伤；l 为堆芯中子注量率测量和温度测量系统提供固定支承和导向；l 为压力容器辐照样品监督管提供固定的位置；l 为堆芯跌落提供二次支承。冷却剂在反应堆压力容器和堆内构件内的流动3.5 蒸汽发生器3. 5. 1 AP1000 蒸汽发生器AP1000蒸汽发生器的主要技术特点l 蒸汽发生器在全挥发处理二次侧水化学条件下运行;l 管板上的传热管采用全深度液压膨胀，最大限度地防止二回路水进入传热管与管板之间的缝隙;l U型传热管采用镍一铬一铁合金 690 热处理管;l 采用一体化的汽

13、水分离器;二回路二回路PH值控制为碱性值控制为碱性控制方法：磷酸盐处理和挥发性处理控制方法：磷酸盐处理和挥发性处理 磷酸盐处理：磷酸盐处理： 能有效控制能有效控制PH值，把炉水中的钙、镁盐变成松软的渣，值，把炉水中的钙、镁盐变成松软的渣，经排污途径释放出去，从而有效防止结垢。运行过程中可经排污途径释放出去，从而有效防止结垢。运行过程中可能产生游离态碱，从而加速结构材料腐蚀。能产生游离态碱，从而加速结构材料腐蚀。 挥发性处理挥发性处理: 即用即用NH3来控制炉水的来控制炉水的PH值值 不能把炉水中的钙、镁盐变成松软的渣，因此要求补给不能把炉水中的钙、镁盐变成松软的渣，因此要求补给水中的杂质含量越

14、少越好。因此，挥发性处理常与零固体水中的杂质含量越少越好。因此，挥发性处理常与零固体处理法并用。处理法并用。AP1000蒸汽发生器的主要技术特点l 蒸汽发生器的U 型传热管采用三角形排列;l 采用椭圆形的一次侧下腔室，便于机器人工具进出和维护保养。l 采用三叶状孔(梅花孔)支承板，改进了防振条工艺;反应堆冷却剂泵直接置于蒸汽发生器下部。质量超过60t的蒸汽发生器下部球形封头的反应堆冷却剂泵接管嘴直接与两台各重为84t的反应堆冷却剂泵吸入口相接。反应堆冷却剂泵的输出口分别与主管道的冷管段相连接。蒸汽发生器下部球形封头隔室的另一侧与热管段相连接。l 蒸汽发生器下封头直接与两台反应堆冷却剂泵的壳体相

15、连接。3.5.2 屏蔽电机泵与蒸汽发生器的支撑蒸汽发生器与反应堆冷却剂泵的组合体的重量由铰型链连接在蒸汽发生器下部球形封头中心的单柱支承件承受，在蒸汽发生器的上部有两组互为90布置的共4 个辅助支承，下部有一个侧向支承。3.6 稳压器3. 6. 2 AP1000 稳压器的结构与特点稳压器上封头为半球形，与筒体等厚。上封头设有一个人孔(安装检修用)、一个喷雾接管、两个安全阀接管; 下封头中央为波动管接管。波动管进口处设置滤网，防止稳压器内杂物进入主系统，同时，可改善由波动管流入水与稳压器水的混合。脉冲管脉冲管线管嘴线管嘴喷淋管嘴喷淋管嘴安全阀组管嘴安全阀组管嘴人孔人孔下封头设置了5组(一个控制、

16、四个后备)直插式电加热器。通常电加热器与其套管之间采用机械密封，便于拆装，有利于实现电加热器元件的单件更换。稳压器下筒体内还设置上下隔板，作为电加热器横向支承。AP1000 稳压器采用了基于成熟技术的传统设计。稳压器容积取值为59.47 m3，比相同容量的核电厂的稳压器容积增大了 40% ，这种大容积稳压器增加了瞬态运行余量，可减少反应堆非计划停堆次数，使核电厂能够更加可靠地运行。3.7 反应堆冷却剂管道反应堆冷却剂管道(Reactor Coolant Piping) ，也称为主管道，它是核电厂冷却剂系统的主动脉，与之相连的还有一个连接到稳压器的重要分支，称为波动管。冷却剂主管道将反应堆、蒸汽

17、发生器和反应堆冷却剂泵连接成一个封闭的环路。AP1000 主管道采用牌号为316LN不锈钢整体锻造加工成形。3.8 反应堆冷却剂管道3.8 反应堆冷却剂泵3. 8. 1 AP1000 屏蔽电机泵结构 屏蔽电机泵(Canned Motor Pump)由水力部件和电机部件两部分组成。 反应堆冷却剂泵的水力部件主要是由泵壳、叶轮和导叶等零部件组成的混流式泵。水力部件和电机之间由热屏隔离堆芯冷却剂的高温。 AP1000 反应堆冷却剂泵屏蔽电机是一种专门设计的单绕组、四极、三相、屏蔽套式感应电机，采用60 Hz 电源，经变频器启动和运行。AP1000 反应堆冷却剂泵屏蔽电机有上下两个飞轮可参考的屏蔽电机

18、均没有飞轮。两个飞轮带来的能量损耗约1000kW，屏蔽电机的损耗较高，冷却措施及温升控制是关键。电机冷却满足设计要求，是实现长期可靠运行的关键。电机绕组的绝缘级别选用“N”级(200) AP1000 屏蔽电机泵装有三个轴承: 两个径向轴承和一个双向推力轴承，都在电机一侧，轴承采用水润滑方式。在转速达到一定值(20 r/min) 时，轴和轴承之间就会形成水膜，由于水膜的存在，轴和轴承不会受到磨损。保证因素：保证因素：石墨硬质合金摩擦石墨硬质合金摩擦（经验证的材料）；（经验证的材料）；水润滑的磨损小于油水润滑的磨损小于油润滑；润滑；从承载条件来看，关键在于推力轴承从承载条件来看，关键在于推力轴承。

19、 AP1000 屏蔽电机泵轴系质量约12 700 kg，静态时轴系质量作用于双向推力轴承的下表面，运行条件下水力作用于轴上的力是向上的，此时，轴系自重成为平衡载荷，通过改变叶轮平衡孔的尺寸还可以调节转子的轴向力。在泵启停过程中和正常运行时，通过冷却系统使轴承冷却剂温度保持在80以下(检测保护温度为 110 ) ，可以保证或延长轴承的寿命。为将电机的定子绕组和转子与一回路冷却剂介质完全隔绝开来，设置两个屏蔽套，即定子屏蔽套和转子屏蔽套。（防止转子铜条与定子绕组与冷却剂发生接触）屏蔽套材料是耐腐蚀、非磁性金属Hastelloy C276 合金。电机组装后定子屏蔽套和转子屏蔽套之间的间隙为4.83

20、mm。定子屏蔽套的直径为559 mm，厚度为0.39 mm，直径的公差控制在0.076 mm;屏蔽套只承担密封功能，屏蔽套的背部支承承担其机械力;屏蔽套的背部支承由三部分组成:中段铁芯(包括槽模)以及两端支承筒。上部飞轮组件采用热套装的预应力方法，用外套环将将 12 块块扇形钨合金扇形钨合金固定在不锈钢内轮毂上，其外部包有屏蔽套以防止应力腐蚀，最后将飞轮固定在屏蔽电机泵的主轴上。（AP600采用贫铀，密度19.3g/cm3;钨合金密度18.5g/cm3，但热导率大，与不锈钢有更好的热膨胀相容性 ）？AP1000 屏蔽泵采用飞轮和双推力轴承结构，效率很低，有大量的热量需要导出。 除由迷宫式密封(

21、在转子与热屏之间的位置)阻隔泵壳腔内的高温冷却剂和电机腔内的低温冷却剂进行热交换外，电机冷却功能由两个冷却回路来实现:1) 外置热交换器冷却回路。外置热交换器的壳侧为屏蔽电机腔内的反应堆冷却剂水，管侧为设备冷却水，以此来冷却屏蔽电机腔内的反应堆冷却剂水。外置热交换器冷却回路的冷却剂由底部进入电机，流动的驱动力来自自然循环和辅助叶轮自然循环和辅助叶轮，冷却剂在辅助叶轮出口分上下两支：向上支流经两屏蔽套之间的间隙，带出屏蔽套内的热量，流经上径向轴承和上飞轮，回到外部热交换器；向下支流经下径向轴承和双向推力轴承/飞轮，回到辅助叶轮入口。冷却分支的流道都是部件间的间隙，流动阻力大，内部循环的各个局部回

22、路以及辅助叶轮采用良好流体动力学设计，保证每个要冷却部分流过足够的冷却剂。2) 通过流经电机定子冷却外套的设备冷却水来冷却电机定子绕组发出的热量。通过冷却回路的有效工作使电机腔内的冷却剂温度保持在 80以下，定子绕组中的最高温度不大于 180 ，以此保证绕组绝缘的性能和寿命。3.8 反应堆冷却剂泵3.8. 2 AP1000 屏蔽电机泵的主要技术特点(1)支承方式独特支承方式独特:每台蒸汽发生器各有 2 台反应堆冷却剂泵，反应堆冷却剂泵直接与蒸汽发生器的下封头连接。这种结构设计取消了反应堆冷却剂泵与蒸汽发生器之间的冷却剂管道，降低了环路的压降，简化了蒸汽发生器、泵和管道的基座与支承系统。(2)

23、无轴封无泄漏无轴封无泄漏:反应堆冷却剂泵没有轴密封装置(特别是高特别是高压动密封结构。整个转子被包容在压力边界内压动密封结构。整个转子被包容在压力边界内)，因而消除了因轴密封失效而导致失水事故的可能性，从而大大提高了安全性，也减少了泵的维修工作量。(3) 转动惯量大:反应堆冷却剂泵电机设置上下两个重钨合金飞轮，以提高泵的转动惯性，延长了惰走时间，从而在失去电源之后能提供足够的情转流量。(4) 高可靠性维护简便(可实现 60 年免维修) :反应堆冷却剂泵装有三个轴承，两个径向轴承和一个双向推力轴承，都在电机一侧轴承采用水润滑方式，且有同类型、多规格的设计、制造和长年运行经验积累。(5) 整体占用

24、空间小:反应堆冷却剂泵启动时采用变频调速控制装置，可减小低工况时的电机功率，从而减小启动电流，最大限度缩小电机尺寸。(6) 水力模型优秀:水泵具有较高的水力效率和较好的抗汽蚀性能，在一定程度上弥补了电机效率偏低的缺陷。(7) 辅助系统简化:无上充、泄漏系统和停车密封系统，连锁保护要求及监测点相对减少;整体结构简单、紧凑，零部件较轴封泵减少。(8) 主要缺点:屏蔽电机效率比普通电机低。摩擦阻力的影响：飞轮的外套浸没在冷却剂中，外套与电机壳体之间的间隙、内外屏蔽套之间的间隙都很小，运行时间隙内冷却剂的速度梯度大。根据牛顿内摩擦定律可知，飞轮的摩擦阻力导致AP1000 屏蔽泵的效率更低。(8) 主要缺点:飞轮转动惯量偏小。直径和摩擦阻力的影响：一方面，飞轮被密封在泵壳内，限制了飞轮的直径；另一方面，飞轮在冷却剂中高速旋转，水摩损耗大，也使飞轮直径不能够太大。在保证机械强度的前提下，为了以较小的尺寸获得较大的转动惯量，对飞轮结构进行了改进，将其质量块由整圆盘叠片改为分瓣扇形块。尽管如此，主泵转动惯量仍然偏小。相关参数：相关参数：AP1000