第3章 核反应堆结构和材料 核工程概论课件.ppt

第3章 核反应堆结构和材料,3.1 概述,压水堆的结构形式多种多样，其结构特性要满足物理设计和热工设计的基本要求，既要保证可控的裂变链式反应可靠地进行，又要把裂变产生的热量及时带出一般来说压水堆主要是由反应堆压力容器、堆芯、堆芯支撑结构、控制棒驱动机构等组成 反应堆的外壳称为压力容器，运行在很高的压力下，容器内布置着堆芯和若干其他内部构件压力容器上带有若干个接口管嘴，整个容器重量由出口管嘴下部钢衬与混凝土基座支撑3.1 概述,堆芯支撑结构由上部支撑结构和下部支撑结构组成吊篮以悬挂方式吊在压力容器上部的支撑突缘上，吊篮与压力容器之间形成一个环形腔，称为下降段冷却剂从入口管嘴进入反应堆，沿下降段流到压力容器下腔室，然后折返向上通过堆芯，在堆芯内吸收核裂变产生的热量，再经由上栅格板、上腔室，经出口管嘴流出 在反应堆堆芯内，冷却剂流量的主要部分用于冷却燃料元件，其中有一小部分旁通流量用来冷却上腔室、上封头和控制棒导向管，使这些地方的水温接近冷却剂入口温度3.1 概述,反应堆堆芯是释放能量的关键部分，因此反应堆堆芯结构性能的好坏对核动力的安全性、经济性和先进性有很大的影响一般说来，它应满足下述基本要求： （1）堆芯功率分布应尽量均匀； （2）尽量减小堆芯内不必要的中子吸收材料； （3）有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力； （4）有较长的堆芯寿命； （5）堆芯结构紧凑，换料操作简便。

3.1 概述,目前大型压水堆的燃料组件都不设组件盒，冷却剂可以产生横向搅混堆芯周围有围板包围，围板固定在吊篮上，吊篮外侧固定着热屏蔽，用以减少压力容器可能遭受的中子辐照3.1 概述,在压水堆中，所有燃料组件内都设有控制棒导向管，约1/3的燃料组件的控制棒导向管布置有控制棒其它燃料组件的控制棒导向管内布置可燃毒物棒或中子源棒凡不布置控制棒、可燃毒物或中子源棒的导向管，均用节流棒安插在导管内以减少冷却剂旁流，这种棒称为阻力塞控制棒组件从上部插入堆芯实现反应性控制和停堆组件中心的仪表管允许从压力容器底部将堆内中子通量测量探头伸入组件内任意高度3.1 概述,核反应堆运行周期之初，核燃料所具有的产生裂变反应的潜力很大，必须妥善加以控制可通过布置一定数量的控制棒和在冷却剂中加入硼酸的方法来实现对后备反应性的控制 在堆芯内一般还布置一定数量的可燃毒物棒，目的是补偿堆芯的部分后备反应性 为了启动反应堆，在堆芯内必须布置中子源中子源有初级中子源和次级中子源两种3.2 反应堆压力容器,反应堆压力容器是用来固定和包容堆芯、堆内构件，使核燃料的裂变链式反应限制在一个密封的金属壳内进行一般把燃料元件包壳称为防止放射性物质外逸的第一道屏蔽，把包容整个堆芯的压力容器及一回路管路系统称为第二道屏蔽。

压力容器外形尺寸大、质量大，加工制造技术难度大，特别是随着核电站单堆容量增大，压力容器的尺寸也越来越大3.2 反应堆压力容器,压力容器的核安全设计标准中是安全一级的设备，它在事故状态下的可靠性和完整性是核反应堆安全的重要保证正确选材是保证反应堆压力容器安全的关键，其选材的原则： （1）要保证材料的纯度； （2）材料应有适当的强度和足够的韧性； （3）材料应具有低的辐照敏感性； （4）导热性好，在温度变化时热应力较小； （5）便于加工制造，成本低廉3.2 反应堆压力容器,当前压水堆的压力容器材料普遍选用低合金钢低合金钢及其焊缝在快中子积分通量大于1018cm2的辐照后，脆性转变温度明显升高，这是危及反应堆压力容器安全性的重要因素改善低合金钢抗辐照脆化能量的措施有：严格限制铜和磷的含量，添加少量铝、钒、铬、铂、镍等元素 反应堆压力容器是由容器本体以及双头螺栓连接的反应堆容器顶盖组成反应堆容器是由低合金锻钢环形锻件焊接而成反应堆压力容器包容堆内构件、堆芯，以及作为冷却剂和慢化剂的水为防止锈蚀，凡与水接触的容器内表面都堆焊不锈钢覆面层反应堆压力容器顶盖反应堆压力容器顶盖由顶盖法兰和顶盖本体焊接成一个整体。

1）顶盖法兰该法兰上钻有若干个螺栓孔，法兰支撑面上有二道放置密封环用的槽2）顶盖本体压水堆一般都采用半球形顶盖，半球形顶盖用板材热锻成形3.2 反应堆压力容器,压力容器筒体压力容器筒体由以下几个部分组成1）法兰段法兰上钻有若干个未穿透的螺纹孔法兰段上还包括：与反应堆容器顶盖匹配的不锈钢支撑面；一根泄漏探测管；一个支撑台肩2）接管段反应堆的进出水口从这里引出，根据一回路环路数量的不同有不同的接口数3.2 反应堆压力容器,（3）筒身段由上筒体和下筒体组成； （4）过渡段过渡段把半球形的下封头和容器的筒体段连接起来 （5）下封头由热扎钢板锻压成半球形封头装有几十根因科镍导向套管，为堆内中子通量测量系统提供导向3.2 反应堆压力容器,反应堆容器支撑结构根据反应堆压力容器在电站或舰船上所处的位置，各自都采用不同的支撑结构早期的压力容器底部无通量测量装置，在堆的底部设有压力容器支撑裙，将支撑裙焊接在压力容器的下封头或接管段上近代压水堆的压力容器增大，下封头设有中子通量测量管，需要较大的下堆腔因此，在核电站中，利用冷却剂进出口的接管作为压力容器的支撑，整个压力容器依靠接管和与接管相连的钢垫支撑在混凝土的基础上。

3.3 反应堆堆内构件,反应堆堆内构件包括吊篮部件、压紧部件、堆内温度测量系统和中子通量测量管等其作用是： （1）使堆芯燃料组件、控制棒组件、可燃毒物组件、中子源组件和阻力塞组件定位及压紧； （2）保证燃料组件和控制棒组件对中，对控制棒组件的运动起导向作用； （3）分隔堆内冷却剂，使冷却剂按一定方向流动； （4）固定和引导堆芯温度和中子通量测量装置，补偿堆芯和支撑部件的膨胀空间； （5）减弱中子和γ射线对压力容器的辐照3.3 反应堆堆内构件,堆芯下支撑构件堆芯下支撑结构位于反应堆压力容器封头的下端包括吊篮筒体、下栅板组件、围板和幅板组件、热屏蔽组件和吊篮防断支撑3.3 反应堆堆内构件,吊篮筒体吊篮筒体是圆筒形不锈钢构件它由吊篮筒身、吊篮上法兰、出口水密封法兰和吊篮底板等组成吊篮筒体的上法兰悬挂在压力容器的内壁支撑凸缘上，当筒体受热后向下自由膨胀，同时也便于把筒体的法兰压紧在压力容器法兰的支撑台肩上吊篮上法兰周边开有四个均匀布置的方形槽孔，由四个方形键将吊篮部件和压紧部件与压力容器定位这样，可以保证燃料组件和控制棒机构良好的对中，并限制吊篮部件周向转动3.3 反应堆堆内构件,下栅板组件下栅板组件由吊篮底板、流量分配板、堆芯下栅板和可调整的支撑柱组成。

堆芯的燃料组件直立在堆芯下栅板上，每个燃料组件下端的定位销孔与堆芯下栅板上的定位销相配，使燃料组件在堆芯内精确定位下栅板上开有许多流水孔道，以保证水流过燃料元件根据热工水力要求，在堆芯下栅板与吊篮底板之间设有流量分配板，以使冷却剂按一定流量分配要求去冷却燃料元件3.3 反应堆堆内构件,围板、幅板组件围板、幅板组件是指围在堆芯外边缘燃料组件周围的板，围板、幅板组件是由直角曲折形状的围板和沿轴向几块直角曲折形成的幅板组成围板外围的水层起反射层作用 热屏蔽组件热屏蔽组件是具有一定厚度的不锈钢圆筒，它吊挂在吊篮位于堆芯部位的筒体外壁上根据设计需要，可以设置一层或二层，它的作用是与吊篮筒身一起，屏蔽来自堆芯的中子和γ射线，以减少中子和γ射线对压力容器的辐照损伤3.3 反应堆堆内构件,防断支撑组件防断支撑组件是一个安全保护装置，它由支柱、缓冲器、防断中板和防断底板所组成它是防止吊篮断裂事故的保护部件在结构布置上使防断支撑的底板与反应堆压力容器底面之间在热态时仍保持有十几毫米的间隙，一旦吊篮组件发生断裂，堆芯突然垂直下落时，四只缓冲器靠其产生拉伸变形耗去冲击能量，以防压力容器受撞击而损坏3.3 反应堆堆内构件,堆芯上支撑构件堆芯上支撑构件也称压紧部件。

它包括压紧支撑组件、导向筒组件及压紧弹簧等该构件主要用来压住燃料组件，以防止燃料组件因水力冲击发生上下窜动；同时对控制棒起导向作用并引导冷却剂流出堆芯3.3 反应堆堆内构件,压紧支撑组件压紧支撑组件由压紧顶帽、支撑筒、控制棒导向筒和堆芯上栅板等组成压紧支撑组件的上端称为压紧顶帽，压紧顶帽有帽式，也有平板式一般选用帽式较多堆芯上格板是一个较薄的圆板，板上设有导向筒组件的定位销孔支撑筒是压紧顶帽和堆芯上格板之间的连接件它的作用是使两板保持一定距离，并传递机械载荷3.3 反应堆堆内构件,导向筒导向筒内装有导向活塞，当控制棒组件在堆内上下抽插时导向管起导向作用要求导向管有精确的对中尺寸，不允许将控制棒卡住或别弯 压紧弹簧压紧弹簧放置在吊篮筒体上法兰和压紧顶板之间，依靠压力容器顶盖上的主螺栓所产生的压紧力使吊篮和压紧部件轴向固定3.3 反应堆堆内构件,堆芯组装时，先把堆芯下支撑结构吊入压力容器内；同时也把燃料组件装入堆芯，再把压紧弹簧放在吊篮的法兰面上；然后再将堆芯上支撑结构压在环形弹簧上，这时便可盖上堆顶盖压力容器法兰在均匀分布的大螺栓的锁紧力作用下，使吊篮和堆芯上支撑结构轴向固定3.4 燃料组件,把若干个燃料元件棒组装成为便于装卸、搬运及更换的棒束组合体称为燃料组件，燃料组件在往堆内装载和从堆内卸出的过程中是不拆开的一个整体。

压水堆的燃料组件在堆芯中处在高温、高压、强中子辐照、冲刷和水力振动等恶劣条件下长期工作，因此燃料组件性能的好坏直接关系到反应堆的安全可靠性、经济性和先进性 压水反应堆普遍采用低浓缩铀燃料、弹簧定位格架、无盒的棒束燃料组件燃料组件由燃料元件棒、定位格架、组件骨架等部件所组成3.4 燃料组件,目前电站压水堆普遍采用17×17排列的燃料组件，每个组件由289个栅元，设有24根控制棒导向管和一根堆内中子通量测量管，其余264个栅元装有燃料棒整个棒束沿高度方向设有8~10层弹簧定位格架，将元件棒按一定间距定位并构成一束3.4 燃料组件,燃料元件棒压水堆燃料元件由燃料芯块、燃料包壳管、压紧弹簧、上下端塞等组成3.4 燃料组件,燃料元件棒是堆芯的核心构件，是核裂变链式反应的发生地，也是核动力的热源为了确保燃料元件棒在整个寿期内的完整性，必须限制燃料和包壳的使用温度 UO2芯块放置在锆-4合金包壳管中，装上端塞，把燃料芯块封焊在里面，从而构成燃料元件棒 燃料元件棒内有足够的预留空间和间隙，可以容纳燃料裂变时释放出的裂变气体，允许包壳和燃料有不同的热膨胀，保证包壳和端塞焊缝都不会超过允许应力3.4 燃料组件,在燃料芯块柱的两端装有隔热块，以防止燃料产生的热量向两端传出。

在燃料芯块柱与上部端塞之间装有一个不锈钢螺旋形压紧弹簧，以防止运输或操作过程中芯块在包壳管内窜动 堆芯具有很高的功率密度，为防止元件过热，必须保证元件棒能获得充分冷却，同时还必须限制堆内燃料元件的最大表面热流密度，实践中通常限定燃料元件棒单位长度发热率3.4 燃料组件,燃料芯块燃料芯块设计要综合考虑物理、热工、结构等方面的因素，燃料芯块由低富集度的UO2粉末经冷压后烧结而成，经滚磨成一定尺寸的圆柱体由于芯块在高温和辐照作用下会发生不均匀肿胀，使燃料芯块形成沙漏形，从而使燃料元件变成竹节状3.4 燃料组件,芯块密度芯块的密度对导热系数有很大影响所以为了使芯块的温度下降，希望密度高，但是在高燃耗情况下，为了减小肿胀需要有气孔，这种情况下低密度芯块有好处现代压水堆一般取95%UO2理论密度为芯块的密度 集气空腔和充填气体芯块和包壳间留有轴向空腔和径向间隙，它们的作用是：补偿芯块轴向的热膨胀和肿胀；容纳从芯块中放出的裂变气体3.4 燃料组件,燃料元件包壳目前压水堆燃料元件包壳管几乎都是用锆-4合金冷拉而成的燃料元件包壳的外径一般是根据设计要求定出的，同时还要考虑水铀比等各种因素压水堆燃料元件包壳本身的壁厚主要是从结构强度和腐蚀两方面考虑。

另外还要注意一下两方面：燃料包壳到燃料寿期末的吸氢量不得超过容许值；包壳的腐蚀量不得大到破坏材料完整性程度包壳管内壁和燃料芯块的径向间隙的大小与导热系数有关，所以它是影响芯块温度的重要因素。