反應堆安全殼

安全殼按結構分為單層和雙層殼。雙層殼的內層稱為主安全殼，主要承受事故壓力，外層稱為次級安全殼，起生物屏蔽及保護作用；兩層之間留有環形空腔，可保持一定的負壓，使核電站內部的放射性物質不易向外界泄漏。安全殼按材料可分成鋼、鋼筋混凝土及預應力混凝土三種。

世界上第一個安全殼是1953年在美國西米爾頓的諾爾斯核動力試驗室建成的。但供工程實用的安全殼則是在50年代後期，世界上第一批核電站投入商業運行而出現的球形及圓筒形鋼安全殼，尺寸較小。從60年代開始，隨著反應堆功率的提高，出現了內徑超過30米的圓筒形安全殼（圖1）。70年代，為了適應大功率核電站的工藝布置，出現了球徑達60米左右的鋼球殼。為了盡量避免焊后熱處理，壁厚通常都控制在38毫米以內。鋼安全殼一般用作主安全殼，建造在與其相脫離的混凝土次級安全殼裡面。沸水堆的鋼安全殼尺寸比壓水堆的稍小，多為球殼加上一小段筒殼，呈“燒瓶”型。由於工藝比較成熟，目前鋼安全殼仍被大量採用。

為了降低鋼安全殼的造價，60年代初美國首先採用了帶有薄的碳鋼襯裡的鋼筋混凝土單層安全殼，它由內徑超過30米的圓筒殼和半球頂組成（圖2）。沸水堆核電站的安全殼尺寸較小，形狀較為複雜，筒壁多為錐殼與圓筒殼的組合結構。為了能承受事故壓力和溫度作用，鋼筋混凝土安全殼必須採用排列很密的粗鋼筋。這種殼的表面雖易開裂，但由於它比較經濟，目前仍被採用。

60年代中期首先應用於法國的EL4 核電站，其後在美國、加拿大等國迅速推廣並有所發展。大致經歷了三個階段：①第一代預應力混凝土安全殼的特點是採用扁穹頂，筒壁環向預應力鋼束由六個扶壁錨固，所用鋼束的極限承載力較低，筒壁施加的預壓應力較高。②第二代也採用扁穹頂，但筒壁扶壁減少到三個，單根鋼束的承載力增大一倍，由於充分發揮普通鋼筋的作用，筒壁的預壓應力有所降低。③第三代則把扁穹頂改為半球頂，省去了傳統的環梁，改善了安全殼結構的受力性能。穹頂的預應力鋼束也與筒壁的豎向鋼束合而為一，因而比第二代更經濟合理。目前有的國家還在探索比第三代預應力安全殼更為先進的結構形式，把環向錨固扶壁減少到兩個，以改善受力性能和減少總鋼束數。有的國家在加緊研究無襯裡的預應力雙層安全殼等新形式，以求得更加經濟合理的效果。

在預應力安全殼中，事故壓力荷載是由大量的雙向預應力鋼束承受的，因此，安全殼結構不會出現脆性破壞，設計壓力也可不受限制，受力比較安全可靠。此外，不少的安全殼還採用不灌漿無粘接的預應力配筋，便於對預應力鋼束作定期的檢查和補張拉以及作必要的更換。因此自70年代以後，在世界各國的輕水堆和重水堆核電站建設中普遍採用。

安全殼的主要功能是防止和控制放射性物質的泄漏。設計首先應考慮反應堆發生事故時，冷卻劑逃逸所造成的內壓和溫度變化。此外，還應計及恆載、活荷載、雪荷載、施工荷載以及各種外界的不利因素如地震、龍捲風及其他飛射物的衝擊、飛機失事衝撞或化工廠爆炸等偶然影響。

由於反應堆冷卻劑帶有極強的放射性，故對通過安全殼的泄漏率也須嚴格限制。一般規定24小時內在設計事故壓力下的泄漏量不超過安全殼自由容積空氣總重的0.1～0.5％。因此，對於安全殼上數以百計的各種貫穿件以及殼體結構的本身，必須有良好的密封措施。對鋼筋混凝土或預應力混凝土單層安全殼，均需採用整體性完好的襯裡板以保證安全殼的氣密性。大多數襯裡採用薄的碳鋼板。襯裡板應可靠地錨固在混凝土殼體壁上，內表面應塗有防腐層。

為了滿足放射性屏蔽的要求，安全殼的筒壁較厚，整個反應堆廠房作用在地基上的壓力可達0.5兆帕以上，因而必須選擇良好的地基。

根據安全要求，在安全殼設計中必須注意殼體結構的完整性和可靠性。除了採用嚴格可靠的計算手段外，對安全殼的材料、製作和檢驗等方面也都要有嚴格的質量控制。

鋼安全殼因帶有大型閘門和其他數以百計的貫穿件，故施工比一般容器複雜。補強區鋼板比較厚，因此焊接和焊后熱處理較困難。安全殼總體的密封要求高，探傷和檢驗的工作量很大。典型的中等功率核電站的圓筒形鋼安全殼的用鋼量可達3000噸，現場施工期約一年。

預應力混凝土安全殼與鋼筋混凝土安全殼的施工有相似之處，前者只增加后張法預應力的工序。筒壁部分的鋼襯裡目前趨向於用大組件現場拼裝，以便混凝土筒壁能單邊滑模施工。穹頂部分的鋼襯裡可用托架支承組裝，也可在地面組裝后整體吊裝。穹頂往往先灌築厚度約20厘米的混凝土初築層，然後利用初築層殼體作為支承，再灌築其餘的混凝土。個別安全殼把穹頂錨固肋加大，使穹頂混凝土可沿環向分圈向中心連續灌築而不必分層。混凝土凝固后，將預應力鋼束穿入殼體中的預設孔道即可張拉；張拉結束后，要及時用防腐油脂或砂漿密封鋼束及其錨具。80萬千瓦核電站的預應力安全殼約需混凝土14000米3，預應力鋼束近1000噸，施工期約需2～3年。

建於美國芝加哥大學的世界上第一座反應堆於1942年12月2日達到臨界狀況，實現了可控自持的鏈式反應。它由6噸金屬鈾、50噸氧化鈾、400噸石墨（慢化劑）及鎘控制棒組成。由於實現可控的鏈式裂變反應有多種方案，迄今已發展了多種形式、不同用途的反應堆，功率從不到1千瓦到幾吉瓦。利用核裂變能發電，是目前反應堆最重要的用途。已用於核電站的大型反應堆的類型在十種以上，每座反應堆的功率(電)可達1吉瓦。1986年底，全世界功率（電）大於30兆瓦的核電站反應堆正在運行的有377座，在建、已訂貨或建成未運行的有176座，總計553座，總功率（電）超過428吉瓦。

原子核反應堆（反應堆稱原子反應堆或核反應堆）的簡稱。它通常是指使易裂變物質（核燃料）在可控條件下進行自持的核裂變鏈式反應的裝置，即裂變反應堆。此外，人們也把可控核聚變裝置稱為聚變反應堆。易裂變物質的一個核在一個中子轟擊下分裂成兩個不同的核（裂變碎片），放出2～3個中子和約200兆電子伏的能量，這種現象叫裂變。裂變時放出的中子可再引起核裂變，形成鏈式反應。在反應堆中，各種結構的材料的組合，使裂變反應的速率維持在所需的水平並受到精確的控制，同時裂變能以熱能的形式有效地傳出。反應堆還是一個巨大的中子源；又由於裂變時放出γ射線及裂變產物是β、γ放射性核素，它也是一個巨大的輻射源。為了保證安全，反應堆外圍有足夠的屏蔽層，還有其他防止放射性物質泄漏的嚴密設施。

安全殼是電廠壓水堆多道屏障的最後一道安全屏障，因此它的主要功能是：

(1)在核電廠正常運行時對反應堆及冷卻劑系統的放射性輻射提供生物屏障，限制安全殼內放射性流體泄漏到環境。在一迴路、二迴路發生破口泄漏事故時，承受一定的壓力、溫度應力並限制裂變產物等放射性物質的泄漏。即使在預計的地震應力下，安全殼仍能確保其完整性和密封包容放射性物質的安全功能。

(2)防止外部飛射物襲擊，保護安全殼內反應堆和設備。同時也阻止事故時內部碎片飛射出安全殼。