第三章_压水堆核电厂

1、 1 压水堆核电厂压水堆核电厂 2 3 1 1压水堆以轻水作慢化剂及冷却剂，反应堆体积小，建设压水堆以轻水作慢化剂及冷却剂，反应堆体积小，建设 周期短造价较低。周期短造价较低。 2 2压水堆采用低富集度铀作燃料，铀的浓缩技术已经过关。压水堆采用低富集度铀作燃料，铀的浓缩技术已经过关。 3 3压水堆核电厂有放射性的一回路系统与二回路系统相分压水堆核电厂有放射性的一回路系统与二回路系统相分 开，放射性冷却剂不会进入回路而污染汽轮机，运行、开，放射性冷却剂不会进入回路而污染汽轮机，运行、 维护方便，需要处理的放射惮废气、废水、废物量较少。维护方便，需要处理的放射惮废气、废水、废物量较少。 我国正在运

2、行的核电机组（除秦山三期）全部为压水堆堆型，我国正在运行的核电机组（除秦山三期）全部为压水堆堆型， 作为一种技术相当成熟的堆型，具有以下特点：作为一种技术相当成熟的堆型，具有以下特点： 4 5 本章将以大亚湾核电厂为例，详细介绍本章将以大亚湾核电厂为例，详细介绍 压水反应堆本体结构：压水反应堆本体结构： 堆芯组件：核燃料组件控制棒组件堆芯功能组件；堆芯组件：核燃料组件控制棒组件堆芯功能组件； 堆内构件及其作用：上下支承组件，压紧弹簧组件，导向管堆内构件及其作用：上下支承组件，压紧弹簧组件，导向管 反应堆压力容器的结构、选材和运行特点反应堆压力容器的结构、选材和运行特点 控制棒驱动机构的结构和工

3、作原理；控制棒驱动机构的结构和工作原理； 堆内测量支承结构堆内测量支承结构 安全壳结构及系统功能安全壳结构及系统功能 6 7 堆芯设计满足的一般要求：堆芯设计满足的一般要求： 1 1 堆芯功率分布尽量均匀，以便堆芯有最大的功率输出堆芯功率分布尽量均匀，以便堆芯有最大的功率输出 2 2 尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料，提高中子经济尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料，提高中子经济 性性 3 3 要有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力要有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力 4 4 有较长的堆芯寿命，适当的减少换料操作次数有较长的堆芯寿命，适当的减少换料操作次数 5 5 堆芯结构紧凑，换料要简

4、易方便。堆芯结构紧凑，换料要简易方便。 8 9 10 11 12 13 核燃料组件核燃料组件 棒束控制棒组件棒束控制棒组件 可燃毒物组件可燃毒物组件 中子源组件中子源组件 阻力塞组件阻力塞组件 14 采用无盒、带指形控制组件的采用无盒、带指形控制组件的 棒束型燃料组件。棒束型燃料组件。 主要结构：燃料棒骨架主要结构：燃料棒骨架 骨架（书）：上下管座，骨架（书）：上下管座，8 8 层定位格架，导向管层定位格架，导向管 采用采用171717=289=264+24+1 17=289=264+24+1 正正 方形排列。方形排列。 15 16 结构组成结构组成 选材原则：限制燃料和包壳选材原则：限制燃料

5、和包壳 的使用温度的使用温度 包壳的作用以及选材特点包壳的作用以及选材特点 机械强度；第一道屏障机械强度；第一道屏障 燃料芯块结构特点燃料芯块结构特点 锆氢反应？任何防止？锆氢反应？任何防止？1 21 2 集气空腔盒充填气体作用：集气空腔盒充填气体作用： 轴向空腔和径向间隙作用，轴向空腔和径向间隙作用， 预冲压氦气技术作用预冲压氦气技术作用 17 结构尺寸：圆柱体形结构尺寸：圆柱体形 何谓何谓“环脊环脊” 现象现象 为何采用碟形加倒角的为何采用碟形加倒角的 结构形式结构形式 如何防止辐照肿胀的破如何防止辐照肿胀的破 坏：坏： 1 1碟形加倒角碟形加倒角 2 2制孔剂制孔剂 芯块密度的选择芯块密

6、度的选择 18 19 材料：材料： 锆锆4 4 合金合金 燃料元件包壳壁厚的选择燃料元件包壳壁厚的选择 结构强度结构强度 化学，腐蚀化学，腐蚀 一定的安全裕度一定的安全裕度 20 定位格架定位格架 控制棒导管控制棒导管 中子通量测量导管中子通量测量导管 上管座上管座 下管座下管座 21 8 8 层定位格架的作用层定位格架的作用 材料及结构特点材料及结构特点 混流翼混流翼 22 23 材料：锆材料：锆4 4合金合金 作用：为控制棒插入抽出提供导向通道作用：为控制棒插入抽出提供导向通道 结构特点：结构特点： 锥形缓冲段，锥形缓冲段， 流水孔流水孔 材料：锆材料：锆4 4合金合金 作用：作用： 24

7、 25 26 结构组成：结构组成：2424跟吸收剂棒星形架跟吸收剂棒星形架 组件数目保证：组件数目保证： 卡棒准则，功率卡棒准则，功率 分布，弹棒事故分布，弹棒事故 27 28 结构特点：毂环，翼片，指形连接柄结构特点：毂环，翼片，指形连接柄 29 黑棒黑棒 灰棒灰棒 材料材料 银铟镉银铟镉 不锈钢不锈钢 结构：结构： 二者相似二者相似 黑棒束控制组件：黑棒束控制组件：2424根黑棒根黑棒 灰棒束控制组件：灰棒束控制组件：8 8根黑棒根黑棒1616根灰棒根灰棒 30 可燃毒物组件，初级中子源组件，次级中子源组件，可燃毒物组件，初级中子源组件，次级中子源组件， 阻力塞组件阻力塞组件 结构上的共同

8、点：结构上的共同点： 支承结构：一个压紧组件形成的支承结构支承结构：一个压紧组件形成的支承结构 24 24 根棒束根棒束 31 轭板、弹簧导向筒、底板、内外两圈螺旋弹簧、轭板、弹簧导向筒、底板、内外两圈螺旋弹簧、 销钉销钉 304 304 不锈钢材料不锈钢材料 32 作用：用于第一燃料循环，降低硼浓度，作用：用于第一燃料循环，降低硼浓度， 半尺慢化剂的半尺慢化剂的负温度系数负温度系数 可燃毒物材料：硼玻璃管（可燃毒物材料：硼玻璃管（B B2 2O O3 3+SiO+SiO2 2） 初装料：初装料：484812(12(棒棒) ) 181816(16(棒棒)+2)+216=89616=896 第一

9、次换料时全部卸出，换阻力塞组件第一次换料时全部卸出，换阻力塞组件 33 作用：作用： 1 1 提高中子通量水平提高中子通量水平 2 2 点火点火 初级中子源初级中子源 结构与材料：锎结构与材料：锎 初装料情况初装料情况 次级中子源次级中子源 结构与材料：锑、铍结构与材料：锑、铍 初装料情况初装料情况 34 作用：作用： 304304不锈钢材料不锈钢材料 初装料情况初装料情况 前述各种堆芯相关组件都含有前述各种堆芯相关组件都含有 中子源组件，只有阻力塞中子源组件，只有阻力塞 组件全部是阻力塞组件组件全部是阻力塞组件 35 核燃料组件控制棒组件堆芯相关组件核燃料组件控制棒组件堆芯相关组件 核燃料组

10、件：燃料元件棒骨架结构核燃料组件：燃料元件棒骨架结构 燃料元件棒：燃料芯块，包壳，端塞，压紧弹簧燃料元件棒：燃料芯块，包壳，端塞，压紧弹簧 骨架：上下管座，定位格架，控制棒导管，中子测量骨架：上下管座，定位格架，控制棒导管，中子测量 控制棒组件控制棒组件：吸收剂棒星形架吸收剂棒星形架 吸收剂棒：黑棒，灰棒，结构材料吸收剂棒：黑棒，灰棒，结构材料 星形架：中心毂环，翼片，夹持指状物星形架：中心毂环，翼片，夹持指状物 36 堆芯相关组件：堆芯相关组件： 可燃毒物棒组件，中子源组件，阻力塞组件 结构：结构： 压紧组件压紧组件2424根棒束根棒束 可燃毒物组件：作用，可燃毒物组件：作用， 材料材料 中

11、子源组件：中子源组件： 初级中子源次级中子源，作用，材料初级中子源次级中子源，作用，材料 阻力塞组件阻力塞组件; ; 作用，材料作用，材料 37 38 reactor vessel reactor vessel core barrelcore barrel fuel assembly/element fuel assembly/element thermal shieldthermal shield bafflebaffle formerformer hold down springhold down spring grid assemblygrid assembly 39 Top/botto

12、m nozzleTop/bottom nozzle control rod guide tubecontrol rod guide tube downcomerdowncomer control rod drive mechanismscontrol rod drive mechanisms burnable/burnout poisonburnable/burnout poison resistance plug resistance plug neutron sourceneutron source fuel cladfuel clad fuel pinfuel pin 40 堆内构件包括

13、：堆芯下部支承结构，堆芯上部支承堆内构件包括：堆芯下部支承结构，堆芯上部支承 结构，控制棒束导向管和压紧弹簧组成。结构，控制棒束导向管和压紧弹簧组成。 功能：功能： 1 1 为冷却剂提供流道为冷却剂提供流道 2 2 为压力容器提供屏蔽为压力容器提供屏蔽 3 3 为燃料组件提供支承和压紧为燃料组件提供支承和压紧 4 4 固定监督用的辐照样品固定监督用的辐照样品 5 5 为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装置提供机械导向为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装置提供机械导向 6 6 平衡机械载荷和水力载荷平衡机械载荷和水力载荷 7 7 确保堆芯容器顶盖内的冷却水循环，以便顶盖保持一定的温度确保

14、堆芯容器顶盖内的冷却水循环，以便顶盖保持一定的温度 41 1 1 吊篮筒体吊篮筒体 2 2 下栅板组件下栅板组件 3 3 围板幅板组件围板幅板组件 4 4 热屏蔽组件热屏蔽组件 5 5 防断支承组件防断支承组件 42 43 堆芯堆芯 上栅格板上栅格板 堆芯上部支承柱堆芯上部支承柱 棒束控制导向筒棒束控制导向筒 上部支承板上部支承板 44 45 控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件，通过它的动作带动控制棒控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件，通过它的动作带动控制棒 组件在堆芯内提升和下降，以实现反应堆的启动，功率调节（调组件在堆芯内提升和下降，以实现反应堆的启动，功率调节（调 节棒），停堆和事故

15、情况下的安全控制（安全棒）。因此，它是节棒），停堆和事故情况下的安全控制（安全棒）。因此，它是 确保反应堆安全可控的重要部件。确保反应堆安全可控的重要部件。 控制棒驱动机构要求：在正常运行工况下要求棒的移动速度缓慢，每控制棒驱动机构要求：在正常运行工况下要求棒的移动速度缓慢，每 秒钟行程约秒钟行程约10mm10mm；在快速停堆或事故工况时要求驱动机构在得到；在快速停堆或事故工况时要求驱动机构在得到 事故停堆信号后，即能自动脱开，控制棒组件靠自重快速插入堆事故停堆信号后，即能自动脱开，控制棒组件靠自重快速插入堆 芯，从得到信号到控制棒完全插入堆芯的紧急停堆时间一般芯，从得到信号到控制棒完全插入堆

16、芯的紧急停堆时间一般2 2秒钟秒钟 左右，以保证反应堆安全。左右，以保证反应堆安全。 46 常用的驱动机构：电磁步进式，齿轮齿条式，水力驱动式常用的驱动机构：电磁步进式，齿轮齿条式，水力驱动式 大亚湾核电厂采用大亚湾核电厂采用 三线圈电磁步进式驱动机构三线圈电磁步进式驱动机构 优点：优点： 提棒精度高，提升力大，不宜失步，结构简单，提棒精度高，提升力大，不宜失步，结构简单， 加工容易，拆装和维修方便等优点。需要紧急停堆时，加工容易，拆装和维修方便等优点。需要紧急停堆时， 只需要切断电源，控制棒便可自由落体。只需要切断电源，控制棒便可自由落体。 47 结构结构 外部线圈装置外部线圈装置 棒位置指

17、示部件棒位置指示部件 承压套承压套 驱动轴（上中下）驱动轴（上中下） 内部部件：内部部件： 提升装置提升装置 传递装置传递装置 夹持装置夹持装置 48 49 初始状态为传递钩爪啮合，夹持钩爪脱开。 1：提升线圈通电，传递钩爪驱动轴提升一个步阶； 2：夹持线圈通电，夹持钩爪夹持驱动轴； 3：传递线圈断电，传递钩爪脱开； 4：提升线圈断电，传递钩爪下降一个步阶； 5：传递线圈通电，传递钩爪啮合驱动轴； 6：夹持线圈断电，夹持钩爪夹脱开，为提升做准备； 7：提升线圈通电，传递钩爪驱动轴提升一个布阶； 如此循环动作，直到达到提升位置为止。 50 初始状态为传递钩爪啮合，夹持钩爪脱开。 1：夹持线圈通电

18、，夹持钩爪夹持驱动轴 2：传递线圈断电，传递钩爪脱开 3：提升线圈通电，仅传递钩爪提升一个步阶 4：传递线圈通电，传递钩爪啮合驱动轴 5：夹持线圈断电，夹持钩爪夹脱开，为轴下降做让步 6：提升线圈断电，传递钩爪驱动轴下降一个步阶 7：夹持线圈通电，夹持钩爪夹持驱动轴 如此循环动作，直到达到下降位置为止。 若要保持控制棒在某一位置时，仅传递线圈通电，传 递钩爪承载。 51 当要实行紧急停堆时，三个线圈当要实行紧急停堆时，三个线圈 都断电，所有钩爪均脱开，都断电，所有钩爪均脱开， 控制棒在重力作用下，快速控制棒在重力作用下，快速 插入堆芯。插入堆芯。 52 反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件，

19、工作在高压反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件，工作在高压(15.5MPa(15.5MPa左右左右) )、 高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条件下，寿命不少于高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条件下，寿命不少于4040年。年。 百万千瓦级核电厂压力容器高约百万千瓦级核电厂压力容器高约13m13m，内径，内径5m,5m,筒体壁厚筒体壁厚200mm,200mm,总重总重 约约330t330t。 作用：作用： 1 1 防止放射性外逸第二道屏障防止放射性外逸第二道屏障 2 2 压力边界压力边界 3 3 支承和固定作用支承和固定作用 选材原则选材原则 1 1 高度的完整性高度的完整性 2 2 适当的强度和足够的韧性适当的强度和足够的韧性 3 3 低的辐照敏感性低的辐照敏感性 4 4 导热性能好导热性能好 5 5 便于加工制造，成本低便于加工制造，成本低 53 当前反应堆压力容器材料普遍选当前反应堆压力容器材料普遍选 用低合金钢，与冷却剂接触用低合金钢，与冷却剂接触 表面堆焊一层表面堆焊一层5mm5mm厚的不锈钢。厚的不锈钢。 低合金钢及其焊缝在快中子积分低合金钢及其焊缝在快中子积分 通量大于通量大于101018 18cm cm2 2后脆性转变后脆性转变 温度明显升高。温度明显升高。 相应措施相应措