[科普中国]-反应堆压力容器

设计原则

反应堆压力容器位于反应堆厂房中心，设计时主要考虑一回路冷却剂的高压和高温，主管道断裂事故和地震等作用。由于压力容器所容纳的反应堆本体放射性极强，故在材质要求、制作、检验及在役检查等方面都比常规压力容器要严格得多。

基本分类分为钢和预应力混凝土两类。钢压力容器可用于各种类型的核反应堆。预应力混凝土压力容器已成功地用于气冷堆，并正在探索用于其他类型的核反应堆。

钢压力容器是50年代初随着第一批动力反应堆问世而出现的，轻水堆核电站的钢压力容器均为圆筒形结构。百万千瓦级的大功率压水堆压力容器的内径多在4.4米左右，总高一般在14米左右，壁厚约20厘米，承受15兆帕以上的高压（图1）, 通常用含锰、钼、镍的低合金钢制成。为了抗腐蚀，内壁需堆焊一层不锈钢。上封头用法兰连接，便于反应堆换料，其顶部设有反应堆控制棒驱动机构。容器上还有反应堆一回路的进出口接管段。沸水堆压力容器的外形和材质与压水堆类似,但压力较低，约在7兆帕左右。因为沸水反应堆需要安装设置汽水分离器等主要设备，所以其设计尺寸应大于冷水反应堆，如其在百万千瓦级压力容器设计中，设计直径需要达到6.4m，设计高度需要超过22m，壁厚设计要求在15-17cm1。沸水堆的控制棒则贯通压力容器的底部。

气冷堆的钢压力容器是直径约20米的圆球，顶部设有加料立管、边上有进出口风道。由于容积大、焊接工艺及运输困难，已很少采用。

预应力混凝土压力容器50年代末，法国首先应用于气冷反应堆中。但在总体布置上还未脱离钢容器的格局，即压力容器内只容纳反应堆活性区，而冷却剂的压力回路和蒸气发生器等仍置于压力容器之外，还需另设生物屏蔽，故不经济。60年代末，英国在奥尔德伯里核电站的压力容器设计中提出了一体化设计的概念，即把压力回路和蒸气发生器移至活性区附近，全部置于预应力混凝土压力容器之内，既提高了反应堆的安全性，又充分利用了预应力混凝土容器容积大的特点，因而技术经济效果较高。从此世界各国建造的气冷堆预应力混凝土压力容器也都采用了一体化设计。

预应力混凝土压力容器的几何形状，除早期的几个气冷堆外，一般都采用厚5～6米的平板封头和壁厚4～5米的立式圆筒,直径约25米、高约30米（图2）。按设备处在同一室腔或几个室腔的设置方式，分成单腔及多腔式两种。按预应力钢束配置方式又可分为三种：①纵向钢束沿容器筒壁竖向布置并锚固于筒体的上下端，环向钢束则分段张拉并锚固于容器四周的扶壁上；②沿筒壁配置正反两方向互相交叉的两组螺旋形预应力钢束，并锚固在圆筒体的上下两端；③纵向用粗钢束，环向用钢丝或钢绞线连续缠绕，适用于多腔式容器。

在预应力混凝土压力容器的内侧,需设置钢衬里、绝热层和循环冷却水系统，以保证容器的密闭性，防止混凝土过度受热及混凝土厚壁内外表面间的温差过大。结构受力按三维块单元网格计算。

核电站的预应力压力容器的混凝土用量多达1～2.5×104米3，预应力钢束一般为1～2×103 吨,总施工期大致为 4年左右。施工中须采取措施以防止大体积混凝土的收缩开裂。

在预应力混凝土压力容器中由于采用近千根预应力钢束作为主要承载构件，个别钢束的偶尔破坏并不影响整个容器的受力状态，故比钢压力容器具有更高的安全度。它可在工地现场制造和装配，因此尺寸不受运输条件限制，特别适用于大型核电站。

其它继法国成功地应用了预应力混凝土压力容器于气冷堆之后，用于其他堆型的研制工作也在各国开展。1967年起，瑞典、丹麦、挪威等国对沸水堆预应力混凝土压力容器共同进行了参考设计、模型试验及商用化问题的研究，并取得了不少有益的经验。联邦德国、奥地利等正在研究压水堆预应力混凝土压力容器。美国、英国正在设想把它应用于快中子堆。