CPR1000是我國吸收國外先進技術(shù)之長，積累長期生產(chǎn)制造經(jīng)驗，自主設(shè)計研發(fā)的第二代改進型壓水堆。

我國自從1991年建成第一組核電機組以來，已經(jīng)建立了包括秦山核電板塊、大亞灣核電板塊、江蘇田灣板塊等11座成熟商業(yè)運營的發(fā)電機組，總裝機容量超過910萬kW。

在前期使用發(fā)達國家研發(fā)的堆型之后，推出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPR壓水堆型，標(biāo)志著我國在核電產(chǎn)業(yè)上的技術(shù)進步。

一、核電站發(fā)電原理及動力裝置

核反應(yīng)堆由堆芯（包括燃料組件和控制棒等相關(guān)組件）、堆內(nèi)構(gòu)件、壓力容器和控制棒驅(qū)動機構(gòu)等四個部分組成。

一回路系統(tǒng)由三個環(huán)路組成，每個環(huán)路有一臺蒸汽發(fā)生器和一臺主泵，互相與反應(yīng)堆聯(lián)接，組成密閉環(huán)路。另外還有穩(wěn)壓器及17個工藝輔助系統(tǒng)。

二回路系統(tǒng)由汽輪機、汽水分離再熱器、冷凝器、發(fā)電機及15個輔助系統(tǒng)。

二、堆內(nèi)構(gòu)件主要功能

堆內(nèi)構(gòu)件為堆芯部件提供支承、對中和導(dǎo)向，引導(dǎo)冷卻劑流入和流出，為堆內(nèi)測量儀表提供導(dǎo)向和支承，是壓水堆核電站的重要部件之一。為了使堆內(nèi)構(gòu)件在反應(yīng)堆在整個工作壽命期內(nèi)和高溫高壓含硼水流動沖刷下有良好的抗腐蝕及抗輻照性能，其主體材料采用奧氏體不銹鋼，重要的螺栓、螺釘、定位銷采用鎳基合金。

其主要功能如下：

(1)為反應(yīng)堆冷卻劑提供流道；

(2)為壓力容器提供屏蔽，使其免受或少受堆芯中子輻射的影響；

圖1 核反應(yīng)堆的演化進程

(3)為燃料組件提供支撐和壓緊；

(4)固定監(jiān)督用的輻照樣品；

(5)為控制棒組件和傳動軸以及上下堆內(nèi)測量裝置提供機械導(dǎo)向；

(6)平衡機械載荷和水力載荷；

(7)確保容器頂蓋內(nèi)的冷卻水循環(huán)，以便頂蓋保持一定的溫度。

為了保證核反應(yīng)堆可靠運行，要求堆內(nèi)構(gòu)件在高溫高壓水流沖擊及強輻照條件等苛刻工作條件下，能抗腐蝕并保證尺寸穩(wěn)定不變形，所以堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，加工精度要求高，制造技術(shù)要求很高，質(zhì)量保證嚴格。

堆內(nèi)構(gòu)件按照結(jié)構(gòu)分為上部支承結(jié)構(gòu)、下部支承結(jié)構(gòu)、壓緊彈簧、控制棒導(dǎo)向筒、堆內(nèi)測量裝置及輻照監(jiān)督管等組成。

三、主要零部件構(gòu)成及其作用

1、上部支承結(jié)構(gòu)

堆芯上部支承結(jié)構(gòu)在裝料后為燃料組件提供上部的定位，并為控制棒組件提供導(dǎo)向。主要包括以下幾個零部件：上支承組件、上堆芯板及上支承柱組件等。

圖2 核反應(yīng)堆本體及堆內(nèi)構(gòu)件

(1)上支承組件

上支承組件由上支承法蘭、裙式圓筒、上支承板焊接組成，高度是1 009.32mm，法蘭外徑是3 915.13mm。法蘭上每15°共均布24個流水孔，以便部分冷卻劑流進壓力容器頂蓋。上部堆內(nèi)構(gòu)件在換料操作時可作為一個整體拆除，為此支承板法蘭面上有4個定位鍵槽，通過與吊籃法蘭上的定位鍵配合使上部構(gòu)件安裝時與下部構(gòu)件徑向定位。在上支承板上固定著61組控制棒導(dǎo)向筒、40組熱電偶導(dǎo)管和4個熱電偶管座。所有40組堆芯測溫?zé)犭娕紝?dǎo)管集裝到4個熱電偶管座上，4個管座固定在上支承板上，并通過壓力容器頂蓋上的管座及管座頂端的密封機構(gòu)引出壓力容器。

圖3 上部堆內(nèi)構(gòu)件

(2)上堆芯板

上堆芯板是一塊厚約76.2mm，直徑3 385.06mm的圓形板，在其上表面對應(yīng)每個控制棒導(dǎo)向筒的位置開有2個直徑21.006mm的定位銷孔，以便與導(dǎo)向筒準(zhǔn)確定位，共有122個定位銷孔。在對應(yīng)每個燃料組件的位置上有流水孔，下表面有2個銷釘，堆芯安裝時，這些定位銷插入燃料組件的上管座對角線上的兩個孔內(nèi)，使燃料組件定位，共314個燃料組件定位銷孔。上堆芯板的邊緣開有4個定位鍵槽，與吊籃內(nèi)壁對應(yīng)的定位鍵配合定位。

上堆芯板直接壓在燃料組件上，其作用如下：

① 將燃料組件對中并壓緊定位；

② 與下堆芯板、堆芯下部支承結(jié)構(gòu)相配合，分配反應(yīng)堆冷卻劑；

③ 固定上支承柱組件；

④ 控制棒導(dǎo)向筒組件；

⑤ 固定冷卻劑攪混裝置。

(3)上支承柱組件

上支承柱組件由40根上支承柱組成，它們把上支承板和上堆芯板連成一個整體，通過這些支承柱把冷卻劑的上沖載荷由上堆芯板傳遞到上支承板上，然后傳遞給壓力容器法蘭。這兩塊板之間的空間構(gòu)成了堆芯出口冷卻劑腔室。支承柱為中空結(jié)構(gòu)，周邊有流水孔，冷卻劑可流通。除了外圍的燃料組件以外，在每一個不帶控制棒的燃料組件位置上都有一個支承柱，上面沒有支承柱的燃料組件則位于壓力容器出口接管的前面。

(4)熱電偶組件

共有40個由鉻鎳－鋁鎳制成的熱電偶，固定在上堆芯板上選定的燃料組件出口處，用于測量堆芯出口溫度，以監(jiān)視堆芯冷卻劑的飽和裕度和確定最熱通道。這些熱電偶的導(dǎo)線沿著40根上支承柱內(nèi)的熱電偶導(dǎo)管穿過上支承板，然后分成4組，每組10個引到一個熱電偶柱。4個熱電偶柱下端固定在上支承板上，上部貫穿壓力容器頂蓋，將熱電偶信號引出壓力容器。

2、下部支承結(jié)構(gòu)

堆芯下部支承結(jié)構(gòu)在首爐堆芯裝料前被裝入反應(yīng)堆容器內(nèi)，如需要可將其吊出，以便進行壓力容器的在役檢查。主要包括以下幾個零部件：吊籃組件、堆芯圍板和輻板組件、熱屏蔽組件、輻照樣品監(jiān)督管、下堆芯板、堆芯支承板及堆芯二次支承和測量通道等。

（1)吊籃組件

圖4 下部支承結(jié)構(gòu)示意

圖5 下部支承

吊籃組件是由吊籃法蘭、上部筒體、中部筒體、下部筒體、3個出水口管嘴焊接而成的組件，理論高約7 824.34mm，壁厚51mm。 吊籃法蘭吊掛在壓力容器內(nèi)壁的凸肩上，其作用是將堆芯下部支承結(jié)構(gòu)的重量及其承受的載荷傳遞給壓力容器內(nèi)壁的凸肩上。其上每15°均部有24個流水孔、6個?57.15mm的輻照樣品孔和4個定位鍵孔，該流水孔和上支承法蘭上的24個流水孔相通，以便部分冷卻劑流進壓力容器頂蓋，輻照樣品孔為輻照樣品抓取工具提供通道，定位鍵孔用于和上支承組件及壓力容器裝配。在上部筒體筒壁上每隔120°焊接3個出水口管嘴，最終和壓力容器上的3個出水口相配合。吊籃中部內(nèi)壁上也有4個定位鍵，為上堆芯板定位。吊籃下端外壁徑向焊有四個起導(dǎo)向作用的定位鍵，它與壓力容器內(nèi)壁上焊接的鍵槽相配合，使吊籃徑向定位，并允許吊籃的軸向膨脹。吊籃最下端加工坡口，最終通過熱絲TIG和堆芯支承板焊接。

（2)堆芯圍板和輻板組件

在堆芯外側(cè)，安裝有圍板和固定在吊籃上的輻板。圍板從下堆芯板一直延伸到高于燃料組件的位置將布置燃料組件的區(qū)域剛好圍住，確定了堆芯燃料區(qū)的邊界，從而減少從燃料組件以外流過的冷卻劑。

圍板放置在下堆芯板上，8層輻板用螺釘連接圍板和吊籃筒體，以保證圍板準(zhǔn)直，保證邊緣的燃料組件與圍板有1mm水隙，并提供結(jié)構(gòu)剛度。輻板厚約20～30mm，圍板厚約25～30mm。在輻板上開設(shè)有若干個流水孔，有一股旁通流量進入吊籃筒體與圍板之間，該水層起著反射層作用，同時冷卻吊籃筒體內(nèi)壁和圍板。用來冷卻吊籃筒體和圍板組件間的空間的部分流體是自下向上流動的，這種布置的好處是限制垂直配置的圍板內(nèi)外兩側(cè)的壓力差，從而減少在圍板連接處發(fā)生水平泄漏的可能性。

(3)熱屏蔽組件

(4)下堆芯板

下堆芯板是一塊厚約4 4.8 5 m m，直徑3385.06mm的圓形板，其上有628個流水孔。在下堆芯板的板面上對應(yīng)每個燃料組件位置有2個定位銷孔，共314個定位銷孔，通過使燃料組件下定位銷使其定位。下堆芯板置于吊籃下方內(nèi)側(cè)的扇形支承環(huán)上，68根支承柱（其中有22根兼作中子通量儀表的導(dǎo)管）把下堆芯板和堆芯支承板連成一個整體，并把下堆芯板所承受的載荷比較均勻地傳遞到堆芯支承板，支承柱上端有可調(diào)螺母用來調(diào)整下堆芯板的平直度。作用在下堆芯板上的力通過焊接在吊籃筒體上的扇形支承圓環(huán)，與堆芯支承板相連的支承柱這兩種方式傳遞給吊籃筒體。

(5)堆芯支承板

堆芯支承板是一塊鍛件，鍛件加工前光坯尺寸要求厚度421.4mm，直徑3495±1mm，重量約32.3t，其原材料由上海重型機器廠按照RCC-M M 3301要求提供。加工后的堆芯支承板開有流水孔使冷卻劑能夠從下部流進堆芯，有人孔便于裝配，調(diào)整。通過加工的坡口和吊籃筒體下端焊接，四周通過下部U形嵌入件和壓力容器連接。

(6)二次支承和儀表套管組件

堆芯二次支承由基礎(chǔ)連接板、大小格架板和多個能量吸收裝置等組成?；A(chǔ)連接板的外形與壓力容器下封頭底部形狀相似，通過多個能量吸收裝置懸掛在堆芯支承板的底面上。

中子注量率儀表導(dǎo)管為測量堆芯內(nèi)中子注量率的儀表導(dǎo)管，測量的目的是建立堆芯中子注量率分布圖和校準(zhǔn)堆外中子測量儀器。儀表導(dǎo)管共50根，分三種類型。單純的儀表導(dǎo)管28根，兼作支承柱的20根，兼作二次支承柱的2根，它們分別與大小格架板連接形成剛性結(jié)構(gòu)。

3、壓緊彈簧

吊籃法蘭和上支承法蘭之間是壓緊彈簧，它是一個馬氏體不銹鋼圓環(huán)，材料按照RCC-M M 3205要求提供。其作用一是補償法蘭加工誤差，二是為堆內(nèi)下部構(gòu)件提供足夠的壓緊力。

4、控制棒導(dǎo)向筒

控制棒導(dǎo)向筒共有61個，它允許控制棒組件（包括星形架和24根吸收棒）在其內(nèi)上下運動，為控制棒組件提供定位和導(dǎo)向。 導(dǎo)向筒分上部導(dǎo)向筒和下部導(dǎo)向筒，上部是一個圓筒結(jié)構(gòu)，在上部筒內(nèi)有4層導(dǎo)向板；下部是一個方筒結(jié)構(gòu)，是用彎折后的兩塊半方管通過真空電子束焊接而成，其內(nèi)部上半部分有6塊導(dǎo)向板，下半部分是連續(xù)導(dǎo)向段。上部導(dǎo)向筒和下部導(dǎo)向筒通過上、下法蘭背靠在一起，通過螺釘將它們固定在上部支承板上。導(dǎo)向筒的下端用兩個銷釘將其定位在上堆芯板上的定位銷孔中。

圖6 上部導(dǎo)向筒實物

圖7 下部導(dǎo)向筒實物

5、輻照樣品監(jiān)督管

為測試壓力容器材料受輻照后機械性能的變化，確保壓力容器不會脆性斷裂，在其中3塊熱屏蔽的外側(cè)各裝有一個輻照樣品架，每個樣品架有2個孔道，可放置2支輻照樣品監(jiān)督管，管內(nèi)裝有反應(yīng)堆材料和焊接材料的試樣。樣品可通過輻照樣品抓取工具通過吊籃法蘭上6個對應(yīng)的孔道取出，而不必拆卸下部堆芯支承結(jié)構(gòu)。

四、制造過程

制造過程主要包含：金屬切削加工、成型、焊接、無損檢驗、熱處理、表面處理、清潔、標(biāo)識、裝配、試驗、檢驗等過程。

1、金屬切削加工

由于不銹鋼塑性變形大，且部件大而剛度差,故易產(chǎn)生熱變形,很難控制加工精度,除采用精密數(shù)控機床外，在選用刀具、足夠的冷卻、工藝方法、特殊工裝 (不能采用強制式壓緊)等方面均為重要。

2、下部堆內(nèi)構(gòu)件與下部堆芯支撐板總裝焊接(環(huán)焊)

焊縫深度28mm、直徑3450mm、工件重量65t，焊接速度280mm/min；焊后要求平行度＜0.3mm/8000mm，垂直度＜0.3mm/8000mm，位置度＜0.2mm，焊后不再加工。

3、導(dǎo)向筒制造

(1)要有合理、正確工裝(包括焊接變形修正量),以保證導(dǎo)向筒的組裝和焊接精度；

(2)零件的精密加工采用多次反復(fù)加工法(如6.3mm的槽寬采用多道工序)；

(3)采用數(shù)控真空電子束焊接和氬弧焊接，焊接程序采用漸進式交錯對稱法。

五、小結(jié)

上海第一機床廠有限公司是由原上海第一機床廠核電板塊和上海先鋒電機廠核電、軍工板塊于2004年組建而成，兩廠各自30多年的發(fā)展歷程為公司積累了豐富的制造經(jīng)驗。

表1

從20世紀80年代為秦山一期工程提供主設(shè)備開始，先后為秦山、嶺澳、巴基斯坦恰?，敽穗娬镜忍峁┝水a(chǎn)品，完成了清華大學(xué)高溫氣冷堆、中國實驗快堆、中國先進研究堆等項目。從最初的核電和核能設(shè)備的試制起步，至今已有10余項專有制造技術(shù)，并為核電設(shè)備制造行業(yè)做出了貢獻。該公司作為責(zé)任單位目前還承擔(dān)了國家重大科技專項中“大型先進壓水堆核電站”及“高溫氣冷堆核電站”項目（課題）的實施工作，屆時將形成新的核心技術(shù)，為以后的第三代核電站建設(shè)中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并達到國際先進水平奠定基礎(chǔ)。