什么是反应堆安全壳?

[拼音]：fanyingdui anquanqiao

[外文]：reactor container

为防止核反应堆在运行或发生事故时放射性物质外逸的密闭容器，也称反应堆保护外壳。核电站反应堆发生事故时会大量释放放射性物质，安全壳作为最后一道核安全屏障，能防止放射性物质扩散污染周围环境。同时，也常兼作反应堆厂房的围护结构，保护反应堆设备系统免受外界的不利影响，它是一种体态庞大的特种容器结构。

安全壳按结构分为单层和双层壳。双层壳的内层称为主安全壳，主要承受事故压力，外层称为次级安全壳，起生物屏蔽及保护作用；两层之间留有环形空腔，可保持一定的负压，使核电站内部的放射性物质不易向外界泄漏。安全壳按材料可分成钢、钢筋混凝土及预应力混凝土三种。

世界上第一个安全壳是1953年在美国西米尔顿的诺尔斯核动力试验室建成的。但供工程实用的安全壳则是在50年代后期，世界上第一批核电站投入商业运行而出现的球形及圆筒形钢安全壳，尺寸较小。从60年代开始，随着反应堆功率的提高，出现了内径超过30米的圆筒形安全壳（图1）。70年代，为了适应大功率核电站的工艺布置，出现了球径达60米左右的钢球壳。为了尽量避免焊后热处理，壁厚通常都控制在38毫米以内。钢安全壳一般用作主安全壳，建造在与其相脱离的混凝土次级安全壳里面。沸水堆的钢安全壳尺寸比压水堆的稍小，多为球壳加上一小段筒壳，呈“烧瓶”型。由于工艺比较成熟，目前钢安全壳仍被大量采用。

为了降低钢安全壳的造价，60年代初美国首先采用了带有薄的碳钢衬里的钢筋混凝土单层安全壳，它由内径超过30米的圆筒壳和半球顶组成（图2）。沸水堆核电站的安全壳尺寸较小，形状较为复杂，筒壁多为锥壳与圆筒壳的组合结构。为了能承受事故压力和温度作用，钢筋混凝土安全壳必须采用排列很密的粗钢筋。这种壳的表面虽易开裂，但由于它比较经济，目前仍被采用。

60年代中期首先应用于法国的EL4 核电站，其后在美国、加拿大等国迅速推广并有所发展。大致经历了三个阶段：

（1）第一代预应力混凝土安全壳的特点是采用扁穹顶，筒壁环向预应力钢束由六个扶壁锚固，所用钢束的极限承载力较低，筒壁施加的预压应力较高。

（2）第二代也采用扁穹顶，但筒壁扶壁减少到三个，单根钢束的承载力增大一倍，由于充分发挥普通钢筋的作用，筒壁的预压应力有所降低。

（3）第三代则把扁穹顶改为半球顶，省去了传统的环梁，改善了安全壳结构的受力性能。穹顶的预应力钢束也与筒壁的竖向钢束合而为一，因而比第二代更经济合理。目前有的国家还在探索比第三代预应力安全壳更为先进的结构形式，把环向锚固扶壁减少到两个，以改善受力性能和减少总钢束数。有的国家在加紧研究无衬里的预应力双层安全壳等新形式，以求得更加经济合理的效果。

在预应力安全壳中，事故压力荷载是由大量的双向预应力钢束承受的，因此，安全壳结构不会出现脆性破坏，设计压力也可不受限制，受力比较安全可靠。此外，不少的安全壳还采用不灌浆无粘接的预应力配筋，便于对预应力钢束作定期的检查和补张拉以及作必要的更换。因此自70年代以后，在世界各国的轻水堆和重水堆核电站建设中普遍采用。

安全壳的主要功能是防止和控制放射性物质的泄漏。设计首先应考虑反应堆发生事故时，冷却剂逃逸所造成的内压和温度变化。此外，还应计及恒载、活荷载、雪荷载、施工荷载以及各种外界的不利因素如地震、龙卷风及其他飞射物的冲击、飞机失事冲撞或化工厂爆炸等偶然影响。

由于反应堆冷却剂带有极强的放射性，故对通过安全壳的泄漏率也须严格限制。一般规定24小时内在设计事故压力下的泄漏量不超过安全壳自由容积空气总重的0.1～0.5％。因此，对于安全壳上数以百计的各种贯穿件以及壳体结构的本身，必须有良好的密封措施。对钢筋混凝土或预应力混凝土单层安全壳，均需采用整体性完好的衬里板以保证安全壳的气密性。大多数衬里采用薄的碳钢板。衬里板应可靠地锚固在混凝土壳体壁上，内表面应涂有防腐层。

为了满足放射性屏蔽的要求，安全壳的筒壁较厚，整个反应堆厂房作用在地基上的压力可达0.5兆帕以上，因而必须选择良好的地基。

根据安全要求，在安全壳设计中必须注意壳体结构的完整性和可靠性。除了采用严格可靠的计算手段外，对安全壳的材料、制作和检验等方面也都要有严格的质量控制。

钢安全壳因带有大型闸门和其他数以百计的贯穿件，故施工比一般容器复杂。补强区钢板比较厚，因此焊接和焊后热处理较困难。安全壳总体的密封要求高，探伤和检验的工作量很大。典型的中等功率核电站的圆筒形钢安全壳的用钢量可达3000吨，现场施工期约一年。

预应力混凝土安全壳与钢筋混凝土安全壳的施工有相似之处，前者只增加后张法预应力的工序。筒壁部分的钢衬里目前趋向于用大组件现场拼装，以便混凝土筒壁能单边滑模施工。穹顶部分的钢衬里可用托架支承组装，也可在地面组装后整体吊装。穹顶往往先灌筑厚度约20厘米的混凝土初筑层，然后利用初筑层壳体作为支承，再灌筑其余的混凝土。个别安全壳把穹顶锚固肋加大，使穹顶混凝土可沿环向分圈向中心连续灌筑而不必分层。混凝土凝固后，将预应力钢束穿入壳体中的预设孔道即可张拉；张拉结束后，要及时用防腐油脂或砂浆密封钢束及其锚具。80万千瓦核电站的预应力安全壳约需混凝土14000米3，预应力钢束近1000吨，施工期约需2～3年。