压水堆反应堆堆芯解读.ppt

第三讲 一回路主系统 之 压水堆堆芯 反应堆本体结构 压水堆的本体由压力容器（包括压力容 器筒体及顶盖）、下部堆内构件、反应堆堆 芯、上部堆内构件、控制棒组件及其驱动机 构等组成 （一）压水堆本体概述 o 使反应堆的核燃料在堆芯中能按照反应堆的设计要求来 实现自持链式裂变反应； o 核裂变释放出来的热量应按照反应堆热工设计的要求有 效地导出； o 反应堆内全部结构部件在核电站满功率工作寿期内应保 持良好的性能，即使在事故情况下仍能保证反应堆结构的 完整性和安全性 Ø 可见，核电站的满功率安全运行主要取决于反应堆 本体结构的设计和加工制造的质量 反应堆本体结构的功用是： Ø本章主要讨论压水反应堆本体各构件的结构、功能、 工作原理、工作条件及性能要求等 Ø反应堆的结构形式通常是与堆型、燃料种类、慢化剂 和冷却剂的性质等许多因素有关 Ø压水反应堆是五十年代美国发展核潜艇时，开始研究 和建造起来的1957年世界第一座压水堆试验电站在 美国希平港建成 Ø经过多年的发展，本体结构上经历了多次的改进，现 已基本定型，其主要部件均已标准化和系列化 p人类首次实现核发电：1951年8月，美国爱达荷 州的阿科（Arco）试验基地建成的钠冷快中子增殖 试验反应堆。

12月20日，首次核能发电试验，发电 功率100 W，点亮了4只电灯泡 Ø 反应堆在核电站的作用就象是火电站的锅炉，它 是整个核电站的心脏它以核燃料在其中发生特 殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽 Ø 反应堆通常是个圆柱体的压力容器，其中裂变 材料所在部分称为反应堆堆芯 Ø 堆芯结构由核燃料组件、控制棒组件、可燃毒物 组件、中子源组件和阻力塞组件等组成 Ø 堆芯又称活性区，是压水堆的心脏，可控的链式 裂变反应在这里进行，同时它也是个强放射源 （二）堆芯布置 或 现代压水堆的堆芯是由上百个横截面呈正方 形的无盒燃料组件构成，燃料组件按一定间距垂 直坐放在堆芯下栅格板上（板上有能定位和定向 的对中销），使组成的堆芯近似于圆柱状，堆芯 的重量通过堆芯下栅格板及吊兰传给压力壳支持 堆芯的尺寸根据压水堆的功率水平和燃料组件 装载数而定 大亚湾 900 MW 级压水堆第一个堆芯的布置如 上页图该堆芯共有157个横截面呈正方形的无盒燃 料组件，其中53个核燃料组件中插有控制棒组件， 66个核燃料组件中装有可燃毒物组件，4个燃料组件 中插有中子源组件，其余34个则都装有阻力塞组件 准圆柱状核反应区高约4m，等效直径3.04m。

Ø 为了提高堆芯功率密度和充分利用核 燃料，现在大型压水堆堆芯一般都采 用按铀-235富集度不同分区装料及局 部倒料的燃料循环方式 Ø 该堆芯首次装料时，由三种不同富集度的燃料 组件，堆芯四周有52个铀-235富集度为3.1%的 燃料组件组成，内区则混合交错布置52个富集 度为2.4%和53个富集度为1.8%的燃料组件 Ø 换料时将外区的燃料组件向内区倒换，富集度为 3.2%的新燃料组件则加在外区这样可以展平堆 芯功率，并可获得较高的燃耗深度，提高燃料的 利用率通常每年进行一次换料，每次换料更换 1/3 燃料组件） 图 （三）堆芯的反应性控制 可用以下两个方法： 1、控制棒调节：依靠棒束型控制棒组件的提升或插 入，来实现电厂启动、停闭、负荷改变等情况下比较 快速的反应性变化即调节快反应） 2、硼浓度调节：调整溶解于冷却剂中硼的浓度来补 偿因燃耗、氙、钐毒素、冷却剂温度改变等引起的比 较缓慢的反应性变化 （即调节慢反应） 注：在新的堆芯中，还用可燃毒物棒补偿堆芯寿命初期的 剩余反应性 （四）堆芯组件 1、 核燃料组件 现代压水堆普遍采用了无盒、带棒束型核燃料组件 组件内的燃料元件棒按正方形排列。

常用的有14  14 ，15  15，16  16和17  17排列等几种栅格型式 优点：减少了堆芯内的结构材料； 冷却剂可充分交混，改善了燃料棒表面的冷却 下面看一下17  17型燃料组件的总体图 燃料芯块 Ø 标准的17×17型组件：燃料棒径为9.5mm，棒间距 12.6mm，横截面尺寸214×214mm2，总高为4058mm Ø 每个这样的组件共有264根燃料元件棒，24根控制棒导 向管和1根堆内测量导管，共计289个栅元格 Ø 测量导管位于组件中央位置，为插入堆芯内测量中子 通量的探测器导向并提供了一个通道 Ø 控制棒导向管为插入控制棒组件或中子源组件或可燃 毒物组件或阻力塞组件提供了通道 Ø从结构上看， 核燃料组件是由 燃料元件棒和组 件的“骨架结构” 两部分组成 Ø 燃料元件是产生核裂变并释放热量的部件 Ø 它是由燃料芯块、燃料包壳管、压紧弹簧和 上、下端塞组成燃料芯块在包壳内叠装到 所需要的高度，然后将一个压紧弹簧和三氧 化铝隔热块放在芯块上部，用端塞压紧，再 把端塞焊到包壳端部 （1） 燃料元件棒 (a) 燃料芯块 Ø芯块是由富集度为2-3%的UO2 粉末（陶瓷型芯 块）冷压成形再烧结成所需密度的圆柱体，直 径为8-9毫米，直径与高度之比为1：1.5。

Ø每一片芯块的两面呈浅碟形，以减小燃料芯块 因热膨胀和辐照肿胀引起的变形 Ø一根燃料棒内装有275个燃料芯块 UO2陶瓷型芯块： o主要优点：熔点高（--2800℃），具有良好的中子 辐照稳定性和高温下的化学稳定性，与包壳不发生 化学反应，即使包壳破裂与冷却剂（水）也不太会 发生化学反应 o主要缺点：热导率低，以致燃料的中心温度高达 2000℃左右，中心与表面温差达1000℃以上因此 ，燃料芯块的热应力很大，特别是在堆内燃烧到后 期，核燃料过分膨胀会挤压包壳管 (b) 包壳 Ø 作用：防止裂变产物沾污回路水并防止核燃料与冷却剂 相接触 Ø 目前压水堆燃料元件包壳几乎都是Zr-4合金冷拉而成（ 长3-4米，直径为9-10毫米，壁厚0.5-0.7毫米） Ø Zr-4合金的中子吸收截面小，在高温下有较高的机械强 度和抗腐蚀性能 Ø 包壳内装有UO2芯块上下两端设有氧化铝隔热块，顶 部有弹簧压紧，两端用锆合金端塞封堵，并与包壳管焊 接密封在一起 注意： Zr-4包壳与水相容温度不超过350℃ ，与二氧化铀相容温度在 500℃以下，包壳熔点为1250℃，包壳温度达到830℃后锆与水反应产 生氢气，在运行中应使燃料元件保持在可接受的温度之下。

(c) 芯块和包壳间的间隙 Ø 芯块和包壳间留有足够的轴向空腔和径向间隙 ，其作用有两个：一是补偿包壳和芯块不同的热 膨胀；二是容纳从芯块中放出的裂变气体 (d) 上、下端塞 Ø 燃料元件棒上、下端塞的作用是用来把燃料芯 块封装在包壳内并起吊耳和支撑作用 (e) 上端塞上的进气孔 Ø 用于制造时往包壳内充氮加压至3.1MPa，用 来改善间隙的传热性能和降低包壳管内外压差 ，以免包壳被外压压塌预充压技术） (f) 压紧弹簧 Ø 限制燃料元件的运输和操作过程中，芯块的轴 向串动 Ø 在一个燃料组件的全长上，有6-8 个弹性定位格架组装时，由24 根控制棒导向管，1根测量仪表 套管把弹性定位格架与上、下管 座连接成一体构成燃料组件“骨 架”，以支撑燃料元件棒并保持燃 料元件棒之间的间距使264根细 长的燃料元件棒形成一个整体，承 受整个组件的重量和控制棒下落时 的冲击力，并保证控制棒运动的通 畅 （2）核燃料组件的“骨架”结构 Ø 是夹持燃料元件棒，确保燃料元件径向定位 以及加强元件棒刚性的一种弹性构件 Ø 17  17型燃料组件定位格架是一种有许多上 面带有弹簧片、支撑陷窝（横向支撑作用）和 混流翼片（搅混和导向作用）的条带相瓦插后 经钎焊而成的蜂窝状结构。

(a) 定位格架 Ø 上管座和下管座是燃料组件“骨架”结构的头部 和底部的连接构件，它们都是箱形结构 Ø 下管座同时还控制着通过各燃料组件的冷却剂的 流量分配； Ø 上管座中部有一空间，刚离开燃料组件的冷却剂 在那里进行混合，然后再向上通过堆芯上板的流水 孔 (b) 上管座和下管座 Ø 控制棒导向管：它和格架固定在一起构成燃料组件的 支撑骨架，并提供了插入控制棒组件、可燃毒物组件、中 子源组件和阻力塞组件的通道 Ø 每个导向管都是由上下直径不同的Zr-4合金管组成，上 面大直径起导向作用并和控制棒间保持1mm左右的间隙， 冷却剂可以通过该间隙冷却控制棒占导向管全长约1/7的 下部小直径段，在紧急停堆控制棒快速下插时，起水力缓 冲作用 (c) 控制棒导向管 （d）测量导管 Ø 测量导管：是一根上下直径相同的Zr-4合金 管，它用和控制棒导管一样的方法固定到定 位格架上 Ø 为堆芯中子通量密度测量元件提供通道 Ø 控制棒组件提供了一种正常 运行和事故工况下快速控制 反应性的手段下面看一下 17  17型燃料组件的棒束型 控制棒组件的结构图 Ø 大约1/3的燃料组件的控制棒 导向管是为控制棒组件占据的。

2、控制棒组件 (a) 结构 Ø 控制棒组件是由连接柄和控制棒组成，24根控制棒分别 用导向螺母固定在连接柄的径向翼板上 Ø 连接柄：不锈钢制成，它的中央是一圆筒，圆筒内部上 端用丝扣与控制棒驱动机构的驱动轴上的可拆结构相连接 圆筒内的螺旋形弹簧，当控制棒快速下插时起缓冲作用 ，以减少控制棒组件对燃料组件上管座的撞击 Ø 控制棒：将80%Ag-15%In-5%Cd合金制成的芯块装入 不锈钢包壳管中，芯体和包壳之间有径向和轴向间隙，并 在轴向加上压紧弹簧，然后两端再焊上端塞密封 (b) 分类 Ø 从运行要求上可把控制棒组件分成三类：控制 组、停堆组和短棒组 o 控制组：在反应堆运行时可以插入或抽出，用以 补偿各种反应性变化，并可提供停堆能力，以实现 事故保护停堆 o 停堆组：只用于停堆，当反应堆处于临界时总是全 部从堆芯抽出，仅仅在事故保护停堆时才插入 o 短棒组：调节轴向功率分布、抑制氙振荡现象 一般用于功率较大的动力堆，目前压水堆已不用 (a) 作用 Ø用来补偿初始堆芯因全部装入新的核燃 料而比后继循环有更大的剩余反应性 3、可燃毒物组件(仅在初次装料时使用） (b) 结构 Ø可燃毒物组件的毒物棒悬挂在一块方形的 连接板上，按核设计要求插入选定的核燃 料组件的控制棒导向管内。

Ø毒物棒用不锈钢为包壳，硼硅酸盐玻璃管 （成分为B2O3+SiO2）为芯体 (a) 作用 Ø在反应堆初始运行之前和长期停堆之后，堆芯 中子可能太少为了缩短反应堆启动时间和确 保启动安全，反应堆中采用中子源组件点火 4、中子源组件 (b) 分类 在压水堆中使用了两种类型的中子源组件： 初级中子源组件和次级中子源组件 Ø 初级中子源组件：产生新堆初次启动时，用于指示 的中子常用Po-Be源，Po放出 粒子打击Be核 近年来锎-252被广泛使用 大亚湾核电厂首次装料有2个初级中子源棒组 件，每个组件所含的24根棒中，有1根初级中子源 棒，1根次级中子源棒，16根可燃毒物棒和6个阻力 塞 Ø 次级中子源组件：用于反应堆满功率运行两个月后 的反应堆停堆后再启动常用锑-铍（Sb-Be）源 大亚湾核电厂首次装料中有2个次级中子源组件， 它们各有4根次级中子源棒和20个阻力塞，加上2个初级 中子源棒组件中的2根次级中子源棒，共有10根次级中 子源棒次级中子源棒在换料时保留在堆芯中 Ø 为了限制通过 未装控制棒、中 子源或可燃毒物 棒的燃料组件中 的控制棒导向管 的堆芯旁流量 5、阻力塞组件 Ø 阻力塞形式为实心的不锈钢杆。

为了减少结构 材料对中子的有害吸收，阻力塞棒一般做得粗短 ，插入堆芯的高度较少 Ø可燃毒物组件和中子源组件都包含有阻力塞， 而阻力塞组件中全部24根棒位都是阻力塞 Ø大亚湾核电厂首次装料含有38个阻力塞组件 大亚湾核电厂首次装料堆芯的相关组件 种类及数量 组件名称 组件的部件 组件数 量 可燃毒 物棒 初级中子 源棒 次级中子 源棒 阻力塞 16根可。