压水堆之谜

压水堆核电厂因其功率密度高、结构紧凑、安全易控、技术成熟、造价和发电成本相对较低等特点，成为目前国际上最广泛采用的商用核电堆型。下面以戴维斯-贝斯反应器为例展开介绍。...

压水堆之谜

1 压水堆

压水式反应器(PWR)是西方核反应堆中最大的一种。截至2010年，69个PWR反应堆在美国，56个在法国，22个在日本，13个在韩国和德国，还有25个在世界其他地区。压水堆在主水回路中循环高压水的同时去除反应堆堆芯产生的热能。在14.86MPa或者2155Psi的操作条件下，316℃的主水回路依然可以保持在液态。主水回路通过蒸汽发生器循环，在蒸汽发生器中产生热量使二次水回路产生蒸汽。蒸汽用于汽轮机发电。戴维斯-贝斯反应器置于美国俄亥俄州奥克港，隶属美国第一能源公司，正式开工于1978年。该反应设备见图1.设计及制造工作由Babcock & Wilcox完成。

图1 戴维斯-贝斯核反应器及服务平台

（美国核管理委员会拍摄）

反应器顶盖是一个巨大的螺栓法兰结构，需要每隔18个月到24个月定期更换燃料棒。戴维斯-贝斯反应器顶盖由内径为4.42m，公称厚度为16.84cm的碳钢组成，并配有60根螺栓。螺栓公称直径为15.24cm，见图2.图2还显示了锈蚀的硼酸沉淀物。

图2 2000年锈蚀的硼酸沉淀物从检查口流出换料停堆图

控制棒是用来控制反应堆中的裂变率。控制棒使用硼来吸收中子，并根据需要提高或降低。核反应随着控制棒的完全插入而关闭。戴维斯-贝斯反应器顶盖有69个管口用于控制棒。每个管口外径约为10.2cm，壁厚1.65cm。

PWR反应堆设计的独特之处在于硼酸溶解在冷却水中控制核反应。硼酸在某些情况下具有很强的腐蚀性。基于此原因，通常在碳钢反应器内部堆焊3/16英寸不锈钢堆焊层。

控制棒管口采用600合金制作而成（含72%Ni，15.5%Cr，8%Fe）。Babcock & Wilcox 反应器设计的独特之处在于，控制机构用法兰螺栓与控制棒管口连接。这些法兰已经泄露了含有溶解硼酸的初级水。这些水将在318℃的反应器顶部蒸发，留下硼酸盐沉淀物。固体硼酸盐不会造成腐蚀。

控制棒管口处的应力腐蚀开裂最终导致泄露，在16.84cm厚碳钢反应器顶盖产生2050cm3，质量约为15.9kg的腐蚀坑。

2 戴维斯-贝斯反应器顶盖制造

反应器顶盖的加工制造如下：穿过堆焊层焊接69个管口。在每个管口处切割出J型槽至反应器内部用于后续焊接合金600的管嘴。J型槽的表面用合金182焊接金属涂覆。整个顶盖在607℃下进行热处理。合金600管嘴机加工至0.033到0.038mm进行过盈配合。将管嘴在液氮中冷却至约-195℃，然后插入反应器顶部。在升温至室温后，管嘴经13次焊接以局部渗透的方式填充J型坡口。管嘴细节详见图3.

该反应器以1.25倍设计压力即21.54MPa进行水压试验。腐蚀后，用非线性有限元分析（包括焊缝收缩）对上述残余应力和应力腐蚀裂纹敏感性进行了研究。

目视检查的困难性是导致这个事件的重要因素。反应器顶盖完全被钢结构结构覆盖——高5.5米，直径3米，稳定了69根控制棒管嘴。使用的结构中有18个孔洞。该结构下方有5cm厚的平面绝缘层处于反应器顶部。为直观检查反应器顶盖，摄像头需要被插到孔洞中这些可伸缩塑性管道内部。之后，我们发现硼酸沉淀物阻碍了摄像机的移动，不利于视觉检查。反应器顶盖，钢结构，控制棒管嘴以及孔洞详见图4.

图3 反应器顶盖及控制棒管嘴

图4 反应器顶盖，钢结构，控制棒管嘴以及孔洞剖视图

从图5看出管嘴分布比较密集。管嘴泄露导致孔被腐蚀，管嘴3位于最靠近反应器顶盖的位置能见度受限。

图5 移除顶部保温及管口3后示意图

其他工厂已经修改了原始结构希望有所改善。1990年3月提出检查形式的修改，但在1992年被取消。1994年，一位工程师质疑为什么没有要求对反应堆顶部进行完全的目视检查。其他工程师坚持认为，在美国没有发现管嘴开裂的情况。同年5月，再次建议修改原有结构，因为检查和硼酸的清除不能涵盖100%顶部结构。该建议与于同年7月获得批准，1998年11月提上计划，2002年中断。

3 总结

安全可靠是核电站发展的基石，中国也始终把核电安全放在第一位。我们有理由相信，随着经验的积累以及技术的进步，核电站的安全性能将逐步得到进一步提高，将要发展的第三代反应堆和未来的第四代反应堆会为我们安全利用核能营造新的环境。

参考文献

[1] Henry, T. (2006a) ‘Davis-Besse ex-workers barred from nuke jobs; NRC says 4 misled agency on problems’, The Blade, 6 January 2006.

[2] Henry, T. (2006b) ‘FirstEnergy to pay $28M fine for lying’, The Blade, 21 January 2006.

[3] IAEA (2007) Assessment and Management of Ageing of Major Power Plant Components Important to Safety: PWR Pressure Vessels, International Atomic Energy Agency, June 2007.

[4] NRC (2002) NRC’s regulation of Davis-Besse regarding damage to the reactor vessel head, Case No. 02-03S, Nuclear Regulatory Commission, 30 December 2002.

[5] FirstEnergy (2002) Root Cause Analysis Report: Significant Degradation of the Reactor Pressure Vessel Head, FirstEnergy, Davis-Besse Nuclear Power Station, CR 2002-0891, 15 April 2002.