二氧化硅(SIO2)电缆在核电的详细应用

核反应堆内专用电缆--二氧化硅（SIO2)电缆在核电的详细应用作者：何涌1.二氧化硅(SiO2)电缆的介绍和历史1.1典型二氧化硅同轴电缆结构：•内导体：高纯无氧铜或其他导体材料•绝缘：高纯度低损耗二氧化硅(SiO2)•外导体：高纯无缝无氧铜管•护套：不锈钢或钛金属1.2其余的结构(多导体电缆,三同轴)1.3二氧化硅(SiO2)电缆的研制背景和实际应用：1947年,美苏的冷战正式开始，从1957年10月4号，苏联正式发射第一颗人造地球卫星“人造地球卫星1号”，到1958年1月31日，美国发射了第一颗人造地球卫星“探险者”一号，从此开始了一系列的导弹，卫星、飞船、飞机、核潜艇等飞速发展的疯狂时期。1957年，因应冷战时期军事产品的狂热需求，美国的WhittakerElectronicResources公司成功地研制出二氧化硅绝缘的信号电缆，因为该电缆有着的极其出色的性能和可靠性，所以后面几乎所有的航空航天、核军事项目中都广泛应用，为这些项目的成功实施作出应有的贡献。因为在下面的情况，信号是必须100%保证不能中断的：A．在核岛开始融化时需要关闭核电站B．发送一个信号到正在着火的石油钻井平台或发电厂C．外太空探测飞船或卫星,要在极恶劣情况下长期确保通信的畅通D.导弹在飞行过程中必须随时能接收控制信号飞向目标等等情况下，而且是信号传输是绝对不容许中断的，这样SiO2电缆就是你的唯一选择！设计高品质的SiO2电缆是用于所有极端环境中的信号传输2.二氧化硅(SiO2)电缆的独特性能2.1无出其右的耐环境和高可靠性。•很宽的温度工作范围：-273℃至+1000℃,特高温结构甚至可以达到+1300℃，短时间内，温度可以承受更高！•最高级别的耐辐射性能，适合于核岛内的核反应堆(1E级K1类）和外太空的强辐射环境.•抗化学腐蚀性，不锈钢护套电缆对于盐雾，液压油，航空煤油，环氧清除剂等有很好的抵抗性。•抗冷流，无真空溢气性。•恶劣环境中的寿命：６０+年(核电站反应堆内）！•无机械和电气老化特性。•工作海拔高度:无限制。2.2卓越的电性能。•特殊工艺生产的高纯度（大于99.97%）二氧化硅绝缘层，使得介质损耗很低：介电常数最低可到1.56!可以减低信号的衰减和损耗，同时也降低了电容，增加了传输速率（达到光速的80%）。•能承受极高的射频传输功率：是同尺寸普通ＰＴＦＥ电缆的5－２０倍，是目前世界上承受功率最高的电缆。•很高的屏蔽性能:屏蔽衰减可以达到120dB以上，抗干扰性能非常优异。•很高的衰减稳定性。•很高的相位稳定性。•宽频带：可从0到40GHz，甚至更高。•低噪音。2.3出色的机械性能指标。•重量轻，比通常的有机塑料电缆节省３０％至８５％的重量。•柔软性好，虽然都是管状半刚电缆，但因为可以采用完全的软化退火，所以柔软性能和半柔电缆相当。•因为使用最简单的结构，所以在同等性能指标下直径更小，而且弯曲半径也更小（1.5D，D为电缆外经),更容易装在狭小的空间。•高抗拉强度：根据不同的直径，可以承受从４５至２２５公斤的拉力。因为二氧化硅(SiO2)电缆组件的连接方式是激光焊接的熔融全密封结构，而且电缆使用金属护套，所以有极高的强度，能长时间承受目前飞行器的所有飞行状态。•可承受20,000磅／平方英寸(138MPa)的压强。•绝缘无温度膨胀特性，无冷变形。•高抗震性，能承受的加速度为：45g(地面)或110g(太空)。•高抗磨性能，不锈钢的外护套能承受更高的摩擦力。•高密封性能，二氧化硅(SiO2)电缆的接头使用玻璃密封接头，接头和电缆是激光焊接的熔融全密封结构，所以该电缆组件也是目前所有电缆中密封性能最好的。2.4电缆规格和连接器有多中选择，满足各种类型的用途。•电缆外径尺寸从1.19mm到15.00mm。特殊的规格能专门定做！•电缆连接器的类型很广泛，目前常用的类型都有。3.二氧化硅(SiO2)电缆和氧化镁(MgO)绝缘电缆的区别共同点：都是无机绝缘电缆，耐高低温，耐辐射。目前无机绝缘电缆中，氧化镁(MgO)绝缘电缆是最常用的一种，二氧化硅(SiO2)电缆和它相比，有什么不一样呢？主要优势在于传输信号的特性，具体如下：3.1有更低的损耗氧化镁(MgO)的纯度一般是97-99%，甚至更低，介电常数大（达到5.43),所以介质损耗就很高，而二氧化硅(SiO2)电缆的纯度可以达到99.97%，而且采用低损耗结构，使介电常数最低可以到1.56，这样信号在绝缘层里面传输时损耗就更低了，下表图是它们同等尺寸电缆（0.142）的插入损耗对比：插入损耗（二氧化硅电缆VS氧化镁电缆），0.142＇同样的样品测试，传输速率结果（SiO2电缆VSMgO电缆＝80%VS43%）3.2特性阻抗的精确度目前的传输信号方向是数字化传输，而且是高速宽带的方向发展，这样电缆里面传输的信号频率越来越高，在高频信号传输中，特性阻抗的匹配就很重要了，特性阻抗的公式如下：因为MgO电缆的生产方式是采用统一拉拔的方法，从上面的公式可以看到，在电缆缩径的生产过程中，决定阻抗的3个变量都一起改变，所以很难精确控制好最终的阻抗数值，而二氧化硅(SiO2)电缆的生产采用微波电缆的生产方法，外导体精确计算测量后再准确拉拔的方法，这样影响阻抗的因素就少了，阻抗数值就可以精确控制了，这一点是做信号电缆必须达到的！也是二氧化硅(SiO2)电缆比MgO电缆优胜的很重要因素！3.3高密封可靠的接头和连接方式二氧化硅(SiO2)电缆采用的是玻璃烧结密封的连接器，这种连接器是在航天领域应用最多的一种连接器，接头的无机绝缘子和金属部分是分子级别的烧结融合在一起，所以有很高的密封性和可靠性，而接头和电缆的连接使用激光焊接的方式，接头的电缆的拉拔力可以达到４５至２２５公斤力（远超出普通塑料电缆接头的连接力），确保了接头和电缆连接的高可靠性，是目前电缆和接头连接的最可靠方式。该方式也确保了电缆的绝缘性能能保证在60+年的使用期内，没有任何的潮湿空气和其他腐蚀性气体进入电缆而造成电缆的降级和报废。结论：从上面3点可以看到，在极端的使用情况下传输微弱信号或者做高速信号传输中，SIO2缆有着其他电缆无可替代的优势，是高可靠高精密信号电缆的唯一选择！同时也完全是长寿命，耐火性能优异的电力电缆。而MgO电缆不适合传输微弱信号和高频高速的数字信号，同时在堆内的高温高湿环境中，通常MgO电缆连接器的密封性和寿命也不适合60+年的考验。4.核电站常用有机塑料电缆存在的问题与SiO2电缆在核电站的应用和优势目前核电站常用有机塑料电缆存在着下面的弱点：A在恶劣环境下的性能劣化问题：在核电厂中，仪控回路使用乙烯基、丙烯基合成的橡胶，玻璃纤维，以及以氯磺化聚乙烯、聚乙亚胺等为绝缘材料的电缆。1.1仪控电缆的工作环境安全壳内部仪控电缆放置在不同的使用环境下，最重要的影响因素是自然环境，主要是有氧气存在时温度、湿度、核辐照的影响，温度、湿度、核辐照的值应从设计文件中取得。在正常运行情况下，安全壳内不会受到湿度的影响。辐照的影响可从相关技术数据中获得，在40年时间内，正常运行情况下，安全壳内辐照的最大累计值为3×10^7rad。安全壳内的仪控电缆一般不会受到震动的影响，除非有特殊要求，否则，不考虑由于震动引起的老化问题。1.2电缆的老化机理：在现场环境下，电缆的绝缘和护套等聚合物材料随着时间的推移会发生各种缓慢的、不可逆的化学变化和物理变化，这些变化就是电缆的老化过程。从宏观上来看，表现为材料的延伸率降低，即材料的抗拉强度减弱；护套材料的硬度或抗压模量增大；材料的密度增加；电气性能改变(如介质损耗增加)。电缆的老化机理可分为影响分子结构的化学老化机理和影响材料混合物成分的物理老化机理。1.3化学老化机理(1)高分子链断裂：一个高分子链断裂为2个或多个新链，一般为烷氧基或过氧化根断链，导致物质性质的改变。（2）交联反应：在2个相邻高分子间共价键的结构发生交联，使原先物质的有效成分减少。（3）氧化反应：这是一种自由基的链式反应，在氧化反应开始阶段，在温度和辐照的影响下，由于共价键的断裂而产生反应性物质，即自由基，氧化反应既导致断链，又生成交联，这取决于氧化链式反应过程中各阶段的分子运动情况，它随着聚合物中添加剂的不同而不同。（4）氧扩散控制过程：聚合材料中自由基的初速率大于溶解氧扩散的速率时，老化快慢由氧扩散来控制。（5）协同效应：当各个环境因素的综合影响大于其各个单一影响之和时，会产生这种效应，如对聚合物而言，既受热，又受到辐照。2.2物理老化机理（1）增塑剂蒸发：材料表面的增塑剂向周围的空气中挥发，其留下的空隙又被由材料的核心向表面扩散的增塑剂所填塞，这2种挥发和填塞的分子运动并存，强弱由温度所决定。（2）增塑剂迁移：在使用增塑材料的多层电缆中，增塑剂在不同材料层间迁移，直到各层材料中的增塑剂达到均衡状态。上面等等的因素，使得有机塑料电缆在整个使用过程中逐渐老化甚至出现脆化开裂等现象，这就使得核电站的安全性能造成巨大的威胁。而怎么去评估这些电缆的状况成了一个艰难的课题，具体可见下面的两篇文章和照片：a。日本原子能安全组织安全标准分部（ＪＮＥＳ－ＳＳ）－核电站电缆老化评估中期方案(2006.12)b．核电厂安全壳内仪表与控制电缆的老化管理ＳＨＰＶＣ绝缘材料在１２０℃下不同时间的变化（热老化实验）ＬＯＣＡ蒸汽暴露实验从上面的报告中可以看出，使用有机塑料电缆的问题是有多么的严重！而美国原子能管理委员会在９３－３３的公告中，具体说明了委托Sandia国家实验室，对各种核电站专用有机塑料电缆的测试结果，结论同样也非常不乐观，特用公告的形式建议各核电站做具体的监控和改进。B•有机塑料电缆的接头连接方式的不可靠。因为有机塑料电缆的耐温通常都比较低，目前在核反应堆里应用的电缆塑料材料普遍的耐温都在２００℃以下，不能使用全密封的接头（因为全密封接头需要用高温的激光焊接），所以容易造成电缆在高温高湿的环境中，水或水蒸汽容易进入到电缆里面，而造成电缆性能的巨大波动甚至失效。美国原子能管理委员会（ＮＲＣ）在９７－４５的公告中，具体列举了一个事例：南加洲的Edison核电站，因为使用了Rockbestos公司的RSS-6-104/LE有机塑料同轴电缆和Amphenol公司的Ｎ型连接器，该电缆组件是用在远程辐射监控（ＨＲＲＭ）的，因为该电缆有水蒸汽侵入，从而使得监控传来的微弱信号受到很大的干扰，从而输出错误的辐射参数！后来改用二氧化硅电缆，该问题彻底解决。另外在（ＮＲＣ）的９７－４５Ｓ１的公告中，对同样使用了Rockbestos公司的RSS-6-104/LE有机塑料同轴电缆和Amphenol公司的Ｎ型连接器的电缆组件，因为存在温度诱导现象，从而在远程辐射监控（ＨＲＲＭ）中产生了错误的信号，这个错误的信号会使操作人员对辐射监控指标产生误导，时间大约有１５分钟，改用二氧化硅电缆后，错误的数值从几千R/hr降到１００R/hr以下，错误大为下降，但仍未完全解决该问题，需要对操作人员进行培训来作为最终解决方案。C•有机塑料电缆的耐温等级、阻燃性能和发烟指标都比二氧化硅电缆差很多.结论:在核电反应堆内的使用场合,SiO2电缆比有机塑料电缆有着巨大的优势,是免维护安全工作60+年的可靠选择!5.二氧化硅(SiO2)电缆在核电反应堆上的应用.5.1二氧化硅电缆在沸水堆（ＢＷＲ）的应用5.2二氧化硅电缆在压水堆（ＰＷＲ）的应用上表中电站的SiO2电缆具体应用备注(表右栏的数字代号）：1.加热交会区域的热电偶系统2.出堆热电偶系统3.堆内仪控系统4.AppendixR耐火电缆5.CRDM电缆组件6.辐射监控电缆组件7.完整参比端电缆组件8.压力传送器电缆组件9.LPRM电缆组件10.核级连接器7.公司简介珠海拓文科技是专业于二氧化硅(SiO2)电缆和其他高温线缆的公司,致力并专注于SiO2特种电缆及其组件相关技术开发的高科技企业，公司自2006年成立起,通过和国外的紧密合作,成功引入SiO2特种电缆,拥有独特和不可替代的技术优势，广泛适用于航空航天、核能、军工等对电缆的可靠性与