压水堆反应堆堆芯

1、第三讲第三讲 一回路主系统一回路主系统之 压水堆堆芯反应堆本体结构反应堆本体结构 压水堆的本体由压水堆的本体由压力容器压力容器（包括压力容（包括压力容器筒体及顶盖）、器筒体及顶盖）、下部堆内构件下部堆内构件、反应堆堆反应堆堆芯芯、上部堆内构件上部堆内构件、控制棒组件及其驱动机控制棒组件及其驱动机构构等组成。等组成。（一）压水堆本体概述（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

2、和安全性。 可见，核电站的满功率安全运行主要取决于反应堆可见，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。本体结构的设计和加工制造的质量。反应堆本体结构的反应堆本体结构的功用功用是：是：本章主要讨论压水反应堆本体各构件的本章主要讨论压水反应堆本体各构件的结构、功能、结构、功能、工作原理、工作条件及性能要求工作原理、工作条件及性能要求等。等。反应堆的结构形式通常是与堆型、燃料种类、慢化剂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。和冷却剂的性质等许多因素有关。压水反应堆是五十年代美国发展核潜艇时，开始研究压水反应堆是五十年代美国发展核潜艇

3、时，开始研究和建造起来的。和建造起来的。1957年年世界第一座压水堆试验电站在世界第一座压水堆试验电站在美国希平港美国希平港建成。建成。经过多年的发展，本体结构上经历了多次的改进，现经过多年的发展，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。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：人类首次实现核发电：1951年年8月，美国爱达荷月，美国爱达荷州的阿科（州的阿科（Arco）试验基地建成的钠冷快中子增）试验基地建成的钠冷快中子增殖试验反应堆。殖试验反应堆。12月月20日，首次核能发电试验，发日，首次核能发电试验，发电功率电功率100 W，点亮了，

4、点亮了4只电灯泡。只电灯泡。 反应堆反应堆在核电站的作用就象是火电站的锅炉，它在核电站的作用就象是火电站的锅炉，它 是整个核电站的是整个核电站的心脏心脏。它以核燃料在其中发生特它以核燃料在其中发生特 殊形式的殊形式的“燃烧燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。产生热量，来加热水使之变成蒸汽。 反应堆通常是个圆柱体的压力容器，其中裂变反应堆通常是个圆柱体的压力容器，其中裂变 材料所在部分称为材料所在部分称为反应堆堆芯反应堆堆芯。 堆芯结构由堆芯结构由核燃料组件核燃料组件、控制棒组件控制棒组件、可燃毒物可燃毒物 组件组件、中子源组件中子源组件和和阻力塞组件阻力塞组件等组成。等组成。 堆芯又称活性区

5、，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（二）堆芯布置-14414414414414489898989BaLaCePrNdKrRbSrY235236*14489UUBaKr3nn或或235236*14094UUXeSr2nn-140140140140140949494XeCsBaLaCeSrYZr 现代压水堆的堆芯是由上百个横截面呈正方现代压水堆的堆芯是由上百个横截面呈正方形的形的无盒燃料组件无盒燃料组件构成，燃料组件按一定间距垂构成，燃料组件按一定间距垂直坐放在堆芯直坐放在堆芯下栅格板下栅格板上（板上有能定位和定向上（板上有能定位和定向的对中销），

6、使组成的堆芯近似于圆柱状，堆芯的对中销），使组成的堆芯近似于圆柱状，堆芯的重量通过堆芯的重量通过堆芯下栅格板下栅格板及及吊兰吊兰传给传给压力壳压力壳支持。支持。堆芯的尺寸根据压水堆的功率水平和燃料组件装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。载数而定。 大亚湾大亚湾 900 MW 级压水堆第一个堆芯的布置如级压水堆第一个堆芯的布置如上页图。该堆芯共有上页图。该堆芯共有157个横截面呈正方形的无盒燃个横截面呈正方形的无盒燃料组件，其中料组件，其中53个核燃料组件中插有个核燃料组件中插有控制棒组件控制棒组件，66个核燃料组件中装有个核燃料组件中装有可燃毒物组件可燃毒物组件，4个燃料组件

7、个燃料组件中插有中插有中子源组件中子源组件，其余，其余34个则都装有个则都装有阻力塞组件阻力塞组件。 准圆柱状核反应区高约准圆柱状核反应区高约4m，等效直径等效直径3.04m。 为了提高堆芯功率密度和充分利用核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燃料，现在大型压水堆堆芯一般都采 用按铀用按铀-235富集度不同富集度不同分区装料分区装料及及局局 部倒料部倒料的燃料循环方式。的燃料循环方式。 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

8、料组件。 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（三）堆芯的反应性控制可用以下两个方法：可用以下两个方法：1、控制棒调节：、控制棒调节：依靠棒束型控制棒组件的提升或插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。快速的反应性变化。（即调节快反应）（即调节快反应）2、硼浓度调节：、硼浓度调节：调整溶解于冷却剂中硼的浓度来

9、补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。较缓慢的反应性变化。 （即调节慢反应）（即调节慢反应）注：注：在新的堆芯中，还用在新的堆芯中，还用可燃毒物棒可燃毒物棒补偿堆芯寿命初期的补偿堆芯寿命初期的剩余反应性。剩余反应性。（四）堆芯组件（四）堆芯组件1、 核燃料组件核燃料组件 现代压水堆普遍采用了现代压水堆普遍采用了无盒无盒、带棒束型带棒束型核燃料组件。核燃料组件。组件内的燃料元件棒按正方形排列。常用的有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和和17 17排列

10、等几种栅格型式。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。下面看一下下面看一下17 17型燃料组件的总体图。型燃料组件的总体图。 燃料芯块燃料芯块 标准的标准的1717型组件：燃料棒径为型组件：燃料棒径为9.5mm，棒间距，棒间距12.6mm，横截面尺寸，横截面尺寸214214mm2，总高为，总高为4058mm。 每个这样的组件共有每个这样的组件共有264根燃料元件棒根燃料元件棒，24根控制棒根控制棒导向管导向管和和1根堆内测量导管根堆内测量导管，共计，共计289个栅元格。个栅元格。 测量导管测量导管位于组件中央位置，为插入堆芯内测量中子位

11、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。通量的探测器导向并提供了一个通道。 控制棒导向管控制棒导向管为插入控制棒组件或中子源组件或可燃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。毒物组件或阻力塞组件提供了通道。从结构上看，从结构上看，核燃料组件是由核燃料组件是由燃料元件棒燃料元件棒和组和组件的件的“骨架结构骨架结构”两部分组成。两部分组成。 燃料元件是产生核裂变并释放热量的部件。燃料元件是产生核裂变并释放热量的部件。 它是由它是由燃料芯块燃料芯块、燃料包壳管燃料包壳管、压紧弹簧压紧弹簧和和 上、下端塞上、下端塞组成。燃料芯块在包壳内叠装到组成

12、。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。把端塞焊到包壳端部。（1） 燃料元件棒燃料元件棒(a) 燃料芯块燃料芯块芯块是由富集度为芯块是由富集度为2-3%的的UO2 粉末粉末（陶瓷型（陶瓷型芯块）冷压成形再烧结成所需密度的圆柱体，芯块）冷压成形再烧结成所需密度的圆柱体，直径为直径为8-9毫米毫米，直径与高度之比为，直径与高度之比为1：1.5。每一片芯块的两面呈每一片芯块的两面呈浅碟形浅碟形，以减小燃料芯，以减小燃料芯块因块因热膨胀和辐照

13、肿胀热膨胀和辐照肿胀引起的变形。引起的变形。一根燃料棒内装有一根燃料棒内装有275个燃料芯块。个燃料芯块。UO2陶瓷型芯块：陶瓷型芯块：o主要优点：熔点高熔点高（-2800），具有良好的中子中子辐照稳定性辐照稳定性和高温下的化学稳定性化学稳定性，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) 包壳包壳 作用作用：防止裂变产物沾污回路水并防止核燃料与冷却：防止裂变产物沾污回路水并防

14、止核燃料与冷却剂相接触。剂相接触。 目前压水堆燃料元件包壳几乎都是目前压水堆燃料元件包壳几乎都是Zr-4合金合金冷拉而成冷拉而成（长（长3-4米，直径为米，直径为9-10毫米，壁厚毫米，壁厚0.5-0.7毫米）。毫米）。 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。 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：注意： Zr-4包壳与水相容温度不超过包壳与水相容温度不超过350 ，与二氧化铀相容温度在，与二氧化铀相容温度在500以下，包壳熔点为以下，包壳熔点为1250，包壳温度达到，包壳温度达到83

15、0后锆与水反应产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。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) c) 芯块和包壳间的间隙芯块和包壳间的间隙 芯块和包壳间留有足够的轴向空腔和径向间隙，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：一是其作用有两个：一是补偿补偿包壳和芯块不同的包壳和芯块不同的热膨热膨胀胀；二是；二是容纳容纳从芯块中放出的从芯块中放出的裂变气体裂变气体。( (d) d) 上、下端塞上、下端塞 燃料元件棒上、下端塞的作用是用来把燃料燃料元件棒上、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。芯块封装在包壳内并起

16、吊耳和支撑作用。(e) 上端塞上的进气孔上端塞上的进气孔 用于制造时往包壳内用于制造时往包壳内充氮加压充氮加压至至3.1MPa，用用来改善间隙的传热性能和降低包壳管内外压差，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）以免包壳被外压压塌。（预充压技术）(f) 压紧弹簧压紧弹簧 限制燃料元件的运输和操作过程中，芯块的限制燃料元件的运输和操作过程中，芯块的轴向串动。轴向串动。 在一个燃料组件的全长上，有在一个燃料组件的全长上，有6-8 个弹性定位格架个弹性定位格架。组装时，由。组装时，由24 根控制棒导向管根控制棒导向管，1根测量仪表根测量仪表 套管套管把弹性定位格

17、架与把弹性定位格架与上、下管上、下管 座座连接成一体构成燃料组件连接成一体构成燃料组件“骨骨 架架”，以支撑燃料元件棒并保持燃，以支撑燃料元件棒并保持燃 料元件棒之间的间距。使料元件棒之间的间距。使264根细根细 长的燃料元件棒形成一个整体，承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的冲击力，并保证控制棒运动的通 畅。畅。（2）核燃料组件的核燃料组件的“骨架骨架”结构结构 是夹持燃料元件棒，确保燃料元件径向定位是夹持燃料元件棒，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。以及加强元件棒刚性的一种弹性构

18、件。 17 17型燃料组件定位格架是一种有许多上型燃料组件定位格架是一种有许多上面带有面带有弹簧片弹簧片、支撑陷窝（横向支撑作用）支撑陷窝（横向支撑作用）和和混流翼片（搅混和导向作用）的条带混流翼片（搅混和导向作用）的条带相瓦插后相瓦插后经钎焊而成的蜂窝状结构。经钎焊而成的蜂窝状结构。(a) 定位格架定位格架 上管座和下管座是燃料组件上管座和下管座是燃料组件“骨架骨架”结构的头部结构的头部和底部的连接构件，它们都是和底部的连接构件，它们都是箱形结构箱形结构。 下管座同时还控制着通过各燃料组件的冷却剂的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；流量分配； 上管座中部有一空间，刚离开燃料

19、组件的冷却剂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在那里进行混合，然后再向上通过堆芯上板的流水孔。孔。(b) 上管座和下管座上管座和下管座 控制棒导向管控制棒导向管：它和格架固定在一起构成燃料组件它和格架固定在一起构成燃料组件的支撑骨架，并提供了插入的支撑骨架，并提供了插入控制棒组件控制棒组件、可燃毒物组件可燃毒物组件、中子源组件中子源组件和和阻力塞组件阻力塞组件的通道。的通道。 每个导向管都是由上下直径不同的每个导向管都是由上下直径不同的Zr-4合金管组成，上合金管组成，上面大直径面大直径起导向作用起导向作用并和控制棒间保持并和控制棒间保持1m

20、m左右的间隙，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的的下部小直径段，在紧急停堆控制棒快速下插时，下部小直径段，在紧急停堆控制棒快速下插时，起水力缓起水力缓冲作用冲作用。(c) 控制棒导向管控制棒导向管（d）测量导管测量导管 测量导管测量导管：是一根上下直径相同的是一根上下直径相同的Zr-4合合金管，它用和控制棒导管一样的方法固定到金管，它用和控制棒导管一样的方法固定到定位格架上。定位格架上。 为堆芯中子通量密度测量元件提供通道。为堆芯中子通量密度测量元件提供通道。 控制棒组件提供了一种正常控制棒组件提供了一种正常 运行和

21、事故工况下快速控制运行和事故工况下快速控制 反应性的手段。下面看一下反应性的手段。下面看一下 17 17型燃料组件的型燃料组件的棒束型棒束型 控制棒组件控制棒组件的结构图。的结构图。 大约大约1/3的燃料组件的控制棒的燃料组件的控制棒 导向管是为控制棒组件占据的。导向管是为控制棒组件占据的。2、控制棒组件、控制棒组件 (a) 结构结构 控制棒组件是由控制棒组件是由连接柄连接柄和和控制棒控制棒组成，组成，24根控制棒分根控制棒分别用导向螺母固定在连接柄的径向翼板上。别用导向螺母固定在连接柄的径向翼板上。 连接柄连接柄：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

22、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。 控制棒控制棒：将80%Ag-15%In-5%Cd合金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) 分类分类 从运行要求上可把控制棒组件分成三类：从运行要求上可把控制棒组件分成三类：控控制组制组、停堆组停堆组和和短棒组短棒组。o 控制组控制组：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

23、堆时才插入。o 短棒组短棒组：调节轴向功率分布轴向功率分布、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) 作用作用用来用来补偿补偿初始堆芯因全部装入新的核燃初始堆芯因全部装入新的核燃料而比后继循环有更大的料而比后继循环有更大的剩余反应性剩余反应性。3、可燃毒物组件、可燃毒物组件(仅在初次装料时使用）仅在初次装料时使用）(b) 结构结构可燃毒物组件的毒物棒悬挂在一块方形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的连接板上，按核设计要求插入选定的核燃料组件的燃料组件的控制棒导向管控制棒导向管内。内。毒物棒用毒物棒用不锈钢不锈钢为包壳，为包壳，硼硅酸

24、盐玻璃硼硅酸盐玻璃管管（成分为（成分为B2O3+SiO2）为芯体。为芯体。(a) 作用作用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、中子源组件(b) 分类分类 在压水堆中使用了两种类型的中子源组件：在压水堆中使用了两种类型的中子源组件：初级中子源组件初级中子源组件和和次级中子源组件次级中子源组件。 初级中子源组件初级中子源组件：产生产生新堆初次启动时新堆初次启动时，用于指示，用于指示的中子。常用的中子。常用Po-BePo-Be源，源，PoPo放出放出 粒子打击粒子打击BeBe核核 近年来锎近年来锎-252-252被广泛使用。被广泛使用。91246BeCn 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，