壓水堆堆芯講稿

1、關(guān)于壓水堆堆芯第一張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 壓水堆的本體由壓力容器（包括壓力容器筒體及頂蓋）、下部堆內(nèi)構(gòu)件、反應(yīng)堆堆芯、上部堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒組件及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)等組成。（一）壓水堆本體概述第二張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 使反應(yīng)堆的核燃料在堆芯中能按照反應(yīng)堆的設(shè)計要求來實現(xiàn)自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)； 核裂變釋放出來的熱量應(yīng)按照反應(yīng)堆熱工設(shè)計的要求有效地導(dǎo)出； 反應(yīng)堆內(nèi)全部結(jié)構(gòu)部件在核電站滿功率工作壽期內(nèi)應(yīng)保持良好的性能，即使在事故情況下仍能保證反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的完整性和安全性。 可見，核電站的滿功率安全運行主要取決于反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和加工制造的質(zhì)量。反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)的功用是：第

2、三張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月本章主要討論壓水反應(yīng)堆本體各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理、工作條件及性能要求等。反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式通常是與堆型、燃料種類、慢化劑和冷卻劑的性質(zhì)等許多因素有關(guān)。壓水反應(yīng)堆是五十年代美國發(fā)展核潛艇時，開始研究和建造起來的。1957年世界第一座壓水堆試驗電站在美國希平港建成。經(jīng)過多年的發(fā)展，本體結(jié)構(gòu)上經(jīng)歷了多次的改進(jìn)，現(xiàn)已基本定型，其主要部件均已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。人類首次實現(xiàn)核發(fā)電：1951年8月，美國愛達(dá)荷州的阿科（Arco）試驗基地建成的鈉冷快中子增殖試驗反應(yīng)堆。12月20日，首次核能發(fā)電試驗，發(fā)電功率100 W，點亮了4只電燈泡。第四張，PPT共四十三頁，

3、創(chuàng)作于2022年6月 反應(yīng)堆在核電站的作用就象是火電站的鍋爐，它 是整個核電站的心臟。它以核燃料在其中發(fā)生特 殊形式的“燃燒”產(chǎn)生熱量，來加熱水使之變成蒸汽。 反應(yīng)堆通常是個圓柱體的壓力容器，其中裂變 材料所在部分稱為反應(yīng)堆堆芯。 堆芯結(jié)構(gòu)由核燃料組件、控制棒組件、可燃毒物 組件、中子源組件和阻力塞組件等組成。第五張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 堆芯又稱活性區(qū)，是壓水堆的心臟，可控的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)在這里進(jìn)行，同時它也是個強(qiáng)放射源。（二）堆芯布置或第六張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 現(xiàn)代壓水堆的堆芯是由上百個橫截面呈正方形的無盒燃料組件構(gòu)成，燃料組件按一定間距垂直坐放在堆芯

4、下柵格板上（板上有能定位和定向的對中銷），使組成的堆芯近似于圓柱狀，堆芯的重量通過堆芯下柵格板及吊蘭傳給壓力殼支持。堆芯的尺寸根據(jù)壓水堆的功率水平和燃料組件裝載數(shù)而定。第七張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第八張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 大亞灣 900 MW 級壓水堆第一個堆芯的布置如上頁圖。該堆芯共有157個橫截面呈正方形的無盒燃料組件，其中53個核燃料組件中插有控制棒組件，66個核燃料組件中裝有可燃毒物組件，4個燃料組件中插有中子源組件，其余34個則都裝有阻力塞組件。 準(zhǔn)圓柱狀核反應(yīng)區(qū)高3.65m，等效直徑3.04m。第九張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月

5、為了提高堆芯功率密度和充分利用核 燃料，現(xiàn)在大型壓水堆堆芯一般都采 用按鈾-235富集度不同分區(qū)裝料及局 部倒料的燃料循環(huán)方式。第十張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 該堆芯首次裝料時，由三種不同富集度的燃料 組件，堆芯四周有52個鈾-235富集度為3.1%的 燃料組件組成，內(nèi)區(qū)則混合交錯布置52個富集 度為2.4%和53個富集度為1.8%的燃料組件。 換料時將外區(qū)的燃料組件向內(nèi)區(qū)倒換，富集度為 3.2%的新燃料組件則加在外區(qū)。這樣可以展平堆 芯功率，并可獲得較高的燃耗深度，提高燃料的 利用率。（通常每年進(jìn)行一次換料，每次換料更換 1/3 燃料組件）圖第十一張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于

6、2022年6月（三）堆芯的反應(yīng)性控制可用以下兩個方法：1、控制棒調(diào)節(jié)：依靠棒束型控制棒組件的提升或插入，來實現(xiàn)電廠啟動、停閉、負(fù)荷改變等情況下比較快速的反應(yīng)性變化。（即調(diào)節(jié)快反應(yīng)）2、硼濃度調(diào)節(jié)：調(diào)整溶解于冷卻劑中硼的濃度來補償因燃耗、氙、釤毒素、冷卻劑溫度改變等引起的比較緩慢的反應(yīng)性變化。 （即調(diào)節(jié)慢反應(yīng)）注：在新的堆芯中，還用可燃毒物棒補償堆芯壽命初期的剩余反應(yīng)性。第十二張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）堆芯組件1、 核燃料組件 現(xiàn)代壓水堆普遍采用了無盒、帶棒束型核燃料組件。組件內(nèi)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排列等幾種柵格型

7、式。 優(yōu)點：減少了堆芯內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料； 冷卻劑可充分交混，改善了燃料棒表面的冷卻。下面看一下17 17型燃料組件的總體圖。第十三張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 燃料芯塊第十四張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 標(biāo)準(zhǔn)的1717型組件：燃料棒徑為9.5mm，棒間距12.6mm，橫截面尺寸214214mm2，總高為4058mm。 每個這樣的組件共有264根燃料元件棒，24根控制棒導(dǎo)向管和1根堆內(nèi)測量導(dǎo)管，共計289個柵元格。 測量導(dǎo)管位于組件中央位置，為插入堆芯內(nèi)測量中子通量的探測器導(dǎo)向并提供了一個通道。 控制棒導(dǎo)向管為插入控制棒組件或中子源組件或可燃毒物組件或阻力塞組件提供了通道

8、。第十五張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月從結(jié)構(gòu)上看，核燃料組件是由燃料元件棒和組件的“骨架結(jié)構(gòu)”兩部分組成。第十六張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 燃料元件是產(chǎn)生核裂變并釋放熱量的部件。 它是由燃料芯塊、燃料包殼管、壓緊彈簧和 上、下端塞組成。燃料芯塊在包殼內(nèi)疊裝到 所需要的高度，然后將一個壓緊彈簧和三氧 化鋁隔熱塊放在芯塊上部，用端塞壓緊，再 把端塞焊到包殼端部。（1） 燃料元件棒第十七張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(a) 燃料芯塊芯塊是由富集度為2-3%的UO2 粉末（陶瓷型芯塊）冷壓成形再燒結(jié)成所需密度的圓柱體，直徑為8-9毫米，直徑與高度之比為1：1.5

9、。（大亞灣采用直徑8.192mm，高度13.5mm）每一片芯塊的兩面呈淺碟形，以減小燃料芯塊因熱膨脹和輻照腫脹引起的變形。一根燃料棒內(nèi)裝有275個燃料芯塊。第十八張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月UO2陶瓷型芯塊：主要優(yōu)點：熔點高（-2800），具有良好的中子輻照穩(wěn)定性和高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性，與包殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即使包殼破裂與冷卻劑（水）也不太會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要缺點：熱導(dǎo)率低，以致燃料的中心溫度高達(dá)2000左右，中心與表面溫差達(dá)1000以上。因此，燃料芯塊的熱應(yīng)力很大，特別是在堆內(nèi)燃燒到后期，核燃料過分膨脹會擠壓包殼管。 第十九張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(b) 包殼

10、作用：防止裂變產(chǎn)物沾污回路水并防止核燃料與冷卻劑相接觸。 目前壓水堆燃料元件包殼幾乎都是Zr-4合金冷拉而成（長3-4米，直徑為9-10毫米，壁厚0.5-0.7毫米）。 Zr-4合金的中子吸收截面小，在高溫下有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性能。 包殼內(nèi)裝有UO2芯塊。上下兩端設(shè)有氧化鋁隔熱塊，頂部有彈簧壓緊，兩端用鋯合金端塞封堵，并與包殼管焊接密封在一起。注意： Zr-4包殼與水相容溫度不超過350 ，與二氧化鈾相容溫度在500以下，包殼熔點為1250，包殼溫度達(dá)到830后鋯與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，在運行中應(yīng)使燃料元件保持在可接受的溫度之下。第二十張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月燃料包殼的選擇（

11、1）不銹鋼：高溫強(qiáng)度好； 熱中子吸收截面大(a：3.0巴)； 快堆用做燃料包殼。（2）Zr合金：顯著改善中子經(jīng)濟(jì)性(a；0.22巴0.24巴) Zr-2 (Sn Fe Cr Ni ) (%) 1.5 0.12 0.1 0.05 Zr-4 (Sn Fe Cr Ni ) (%) 1.5 0.15 0.1 0.0 去掉了鎳，抑制吸氫，防止脆化。第二十一張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(c) 芯塊和包殼間的間隙 芯塊和包殼間留有足夠的軸向空腔和徑向間隙（0.64mm），其作用有兩個：一是補償包殼和芯塊不同的熱膨脹；二是容納從芯塊中放出的裂變氣體。(d) 上、下端塞 燃料元件棒上、下端塞的作用

12、是用來把燃料芯塊封裝在包殼內(nèi)并起吊耳和支撐作用。第二十二張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(e) 上端塞上的進(jìn)氣孔 用于制造時往包殼內(nèi)充氮加壓至3.1MPa，用來改善間隙的傳熱性能和降低包殼管內(nèi)外壓差，以免包殼被外壓壓塌。（預(yù)充壓技術(shù)）(f) 壓緊彈簧 限制燃料元件的運輸和操作過程中，芯塊的軸向串動。第二十三張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 在一個燃料組件的全長上，有6-8個 彈性定位格架。組裝時，由24根控 制棒導(dǎo)向管，1根測量儀表套管把彈 性定位格架與上、下管座連接成一 體構(gòu)成燃料組件“骨架”，以支撐燃 料元件棒并保持燃料元件棒之間的 間距。使264根細(xì)長的燃料元件棒形

13、成一個整體，承受整個組件的重量 和控制棒下落時的沖擊力，并保證 控制棒運動的通暢。（2）核燃料組件的“骨架”結(jié)構(gòu)第二十四張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十五張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 是夾持燃料元件棒，確保燃料元件徑向定位以及加強(qiáng)元件棒剛性的一種彈性構(gòu)件。 17 17型燃料組件定位格架是一種有許多上面帶有彈簧片、支撐陷窩（橫向支撐作用）和混流翼片（攪混和導(dǎo)向作用）的條帶相瓦插后經(jīng)釬焊而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。 沿燃料元件全程有8個定位格架。合理的定位格架設(shè)計除了起到對燃料元件的夾持定位作用外，還要強(qiáng)化流體的擾動并使流動阻力盡可能小。(a) 定位格架第二十六張，PPT共四十

14、三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十七張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 上管座和下管座是燃料組件“骨架”結(jié)構(gòu)的頭部和底部的連接構(gòu)件，它們都是箱形結(jié)構(gòu)。 下管座同時還控制著通過各燃料組件的冷卻劑的流量分配； 上管座中部有一空間，剛離開燃料組件的冷卻劑在那里進(jìn)行混合，然后再向上通過堆芯上板的流水孔。(b) 上管座和下管座第二十八張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 控制棒導(dǎo)向管：它和格架固定在一起構(gòu)成燃料組件的支撐骨架，并提供了插入控制棒組件、可燃毒物組件、中子源組件和阻力塞組件的通道。 每個導(dǎo)向管都是由上下直徑不同的Zr-4合金管組成，上面大直徑起導(dǎo)向作用并和控制棒間保持1mm左右的

15、間隙，冷卻劑可以通過該間隙冷卻控制棒。占導(dǎo)向管全長約1/7的下部小直徑段，在緊急停堆控制棒快速下插時，起水力緩沖作用。(c) 控制棒導(dǎo)向管第二十九張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（d）測量導(dǎo)管 測量導(dǎo)管：是一根上下直徑相同的Zr-4合金管，它用和控制棒導(dǎo)管一樣的方法固定到定位格架上。 為堆芯中子通量密度測量元件提供通道。第三十張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 控制棒組件提供了一種正常 運行和事故工況下快速控制 反應(yīng)性的手段。下面看一下 17 17型燃料組件的棒束型 控制棒組件的結(jié)構(gòu)圖。 大約1/3的燃料組件的控制棒 導(dǎo)向管是為控制棒組件占據(jù)的。2、控制棒組件第三十一張，PP

16、T共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 左圖是有控制棒組件的燃料組件。控制棒束頂端固定在一個枝狀星形架上，控制棒與枝狀接頭相連。第三十二張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 (a) 結(jié)構(gòu) 控制棒組件是由連接柄和控制棒組成，24根控制棒分別用導(dǎo)向螺母固定在連接柄的徑向翼板上。 連接柄：不銹鋼制成，它的中央是一圓筒，圓筒內(nèi)部上端用絲扣與控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動軸上的可拆結(jié)構(gòu)相連接。圓筒內(nèi)的螺旋形彈簧，當(dāng)控制棒快速下插時起緩沖作用，以減少控制棒組件對燃料組件上管座的撞擊。 控制棒：將80%Ag-15%In-5%Cd合金制成的芯塊裝入不銹鋼包殼管中，芯體和包殼之間有徑向和軸向間隙，并在軸向加上壓緊彈簧，

17、然后兩端再焊上端塞密封。第三十三張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 (b) 分類 從運行要求上可把控制棒組件分成三類：控制組、停堆組和短棒組。 控制組：在反應(yīng)堆運行時可以插入或抽出，用以補償各種反應(yīng)性變化，并可提供停堆能力，以實現(xiàn)事故保護(hù)停堆。 停堆組：只用于停堆，當(dāng)反應(yīng)堆處于臨界時總是全部從堆芯抽出，僅僅在事故保護(hù)停堆時才插入。 短棒組：調(diào)節(jié)軸向功率分布、抑制氙振蕩現(xiàn)象。一般用于功率較大的動力堆，目前壓水堆已不用。第三十四張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(a) 作用用來補償初始堆芯因全部裝入新的核燃料而比后繼循環(huán)有更大的剩余反應(yīng)性。3、可燃毒物組件(僅在初次裝料時使用）(b

18、) 結(jié)構(gòu)可燃毒物組件的毒物棒懸掛在一塊方形的連接板上，按核設(shè)計要求插入選定的核燃料組件的控制棒導(dǎo)向管內(nèi)。毒物棒用不銹鋼為包殼，硼硅酸鹽玻璃管（成分為B2O3+SiO2）為芯體。第三十五張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(a) 作用在反應(yīng)堆初始運行之前和長期停堆之后，堆芯中子可能太少。為了縮短反應(yīng)堆啟動時間和確保啟動安全，反應(yīng)堆中采用中子源組件點火。4、中子源組件(b) 分類 在壓水堆中使用了兩種類型的中子源組件：初級中子源組件和次級中子源組件。第三十六張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 初級中子源組件：產(chǎn)生新堆初次啟動時，用于指示的中子。常用Po-Be源，Po放出 粒子打擊Be核 近年來锎-252被廣泛使用。 大亞灣核電廠首次裝料有2個初級中子源棒組件，每個組件所含的24根棒中，有1根初級中子源棒，1根次級中子源棒，16根可燃毒物棒和6個阻力塞。第三十七張，PPT共四十三頁，創(chuàng)作于202