安置核反應(yīng)堆并承受其巨大運行壓力的密閉容器,也稱反應(yīng)堆壓力殼。核電站所用的反應(yīng)堆主要有輕水堆(壓水堆及沸水堆)、重水堆、氣冷堆及快堆等。由于壓力容器包容了反應(yīng)堆的活性區(qū)和其他必要設(shè)備,其結(jié)構(gòu)形式隨不同堆型而異。
設(shè)計原則 反應(yīng)堆壓力容器位于反應(yīng)堆廠房中心,設(shè)計時主要考慮一回路冷卻劑的高壓和高溫,主管道斷裂事故和地震等作用。由于壓力容器所容納的反應(yīng)堆本體放射性極強,故在材質(zhì)要求、制作、檢驗及在役檢查等方面都比常規(guī)壓力容器要嚴(yán)格得多。
分類 分為鋼和預(yù)應(yīng)力混凝土兩類。鋼壓力容器可用于各種類型的核反應(yīng)堆。預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器已成功地用于氣冷堆,并正在探索用于其他類型的核反應(yīng)堆。
鋼壓力容器 是50年代初隨著第一批動力反應(yīng)堆問世而出現(xiàn)的,輕水堆核電站的鋼壓力容器均為圓筒形結(jié)構(gòu)。百萬千瓦級的大功率壓水堆壓力容器的內(nèi)徑多在4.4米左右,總高一般在14米左右,壁厚約20厘米,承受15兆帕以上的高壓(圖1), 通常用含錳、鉬、鎳的低合金鋼制成。為了抗腐蝕,內(nèi)壁需堆焊一層不銹鋼。上封頭用法蘭連接,便于反應(yīng)堆換料,其頂部設(shè)有反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)。容器上還有反應(yīng)堆一回路的進出口接管段。沸水堆壓力容器的外形和材質(zhì)與壓水堆類似,但壓力較低,約在7兆帕左右。由于它比壓水堆要多容納汽水分離器等裝置,故一般尺寸更大,百萬千瓦級沸水堆壓力容器的直徑可達6.4米,高度為22米以上,壁厚約17厘米。沸水堆的控制棒則貫通壓力容器的底部。
氣冷堆的鋼壓力容器是直徑約20米的圓球,頂部設(shè)有加料立管、邊上有進出口風(fēng)道。由于容積 大、焊接工藝及運輸困難,已很少采用。
預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器 50年代末,法國首先應(yīng)用于氣冷反應(yīng)堆中。但在總體布置上還未脫離鋼容器的格局,即壓力容器內(nèi)只容納反應(yīng)堆活性區(qū),而冷卻劑的壓力回路和蒸氣發(fā)生器等仍置于壓力容器之外,還需另設(shè)生物屏蔽,故不經(jīng)濟。60年代末,英國在奧爾德伯里核電站的壓力容器設(shè)計中提出了一體化設(shè)計的概念,即把壓力回路和蒸氣發(fā)生器移至活性區(qū)附近,全部置于預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器之內(nèi),既提高了反應(yīng)堆的安全性,又充分利用了預(yù)應(yīng)力混凝土容器容積大的特點,因而技術(shù)經(jīng)濟效果較高。從此世界各國建造的氣冷堆預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器也都采用了一體化設(shè)計。
預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器的幾何形狀,除早期的幾個氣冷堆外,一般都采用厚5~6米的平板封頭和壁厚4~5米的立式圓筒,直徑約25米、高約30米(圖2)。按設(shè)備處在同一室腔或幾個室腔的設(shè)置方式,分成單腔及多腔式兩種。按預(yù)應(yīng)力鋼束配置方式又可分為三種:①縱向鋼束沿容器筒壁豎向布置并錨固于筒體的上下端,環(huán)向鋼束則分段張拉并錨固于容器四周的扶壁上;②沿筒壁配置正反兩方向互相交叉的兩組螺旋形預(yù)應(yīng)力鋼束,并錨固在圓筒體的上下兩端;③縱向用粗鋼束,環(huán)向用鋼絲或鋼絞線連續(xù)纏繞,適用于多腔式容器。
在預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器的內(nèi)側(cè),需設(shè)置鋼襯里、絕熱層和循環(huán)冷卻水系統(tǒng),以保證容器的密閉性,防止混凝土過度受熱及混凝土厚壁內(nèi)外表面間的溫差過大。結(jié)構(gòu)受力按三維塊單元網(wǎng)格計算。
核電站的預(yù)應(yīng)力壓力容器的混凝土用量多達1~2.5×104米3,預(yù)應(yīng)力鋼束一般為1~2×103 噸,總施工期大致為 4年左右。施工中須采取措施以防止大體積混凝土的收縮開裂。
在預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器中由于采用近千根預(yù)應(yīng)力鋼束作為主要承載構(gòu)件,個別鋼束的偶爾破壞并不影響整個容器的受力狀態(tài),故比鋼壓力容器具有更高的安全度。它可在工地現(xiàn)場制造和裝配,因此尺寸不受運輸條件限制,特別適用于大型核電站。
繼法國成功地應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器于氣冷堆之后,用于其他堆型的研制工作也在各國開展。1967年起,瑞典、丹麥、挪威等國對沸水堆預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器共同進行了參考設(shè)計、模型試驗及商用化問題的研究,并取得了不少有益的經(jīng)驗。聯(lián)邦德國、奧地利等正在研究壓水堆預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器。美國、英國正在設(shè)想把它應(yīng)用于快中子堆。