第四章 AP1000反应堆结构设计(杜圣华)

（2）非活性段材料 上下管座为304不锈钢，弹簧为低钴因科镍－
718合金。 结构形式 （1）定位格
保护格架，中间格架，端部格架，要求吸收中子 少的锆合金条带，带导向翼，中间格架有搅混冷却功 能，冲制成形，激光焊接。 （2）导向管
带水力缓冲器，上、下可拆结构
图 法 国 － 燃 料 组 件
4.1.2
图4.1.5 控制棒组件
图
4.1.6
图
4.1.7
表4.4控制组件参数：
每束控制棒数 吸收体下部材料
外径 长度 上部材料 外径 长度 包壳材料 包壳厚度 棒外径
黑体棒 24
Ag-In-Cd 8.53mm 1500mm B10（19.9%） 8.53mm 2610mm 304不锈钢
0.47 9.68
图4.1.4 AP1000燃料组件
表4.3 未辐照过的AP1000燃料组件结构参数
总高（不包括顶部弹簧） 组件横截面长/宽 燃料长度 燃料棒长度 燃料棒内上空腔长度 燃料棒内下空腔长度 包壳材料 中间格架和搅混格架材料 底部和顶部格架材料 燃料芯块 下管座 材料 上管座
4795.5mm 214.02X214.02mm 4267.2mm 4583.2mm 164.46mm 122.56mm Z1RLO Z1RLO 718因科镍合金（低钴） 二氧化铀
55000MWd/TU 88%
九十年代末开发，
Vantage+
双金额格架 6-7（14英寸）
3-4 2
板弹簧可拆结构 小圆孔形滤网
Gd2O3 UO2+ G块d2O3芯
45000MWd/T年开发，
Performance+
双金额格架 6-7（14英寸）
3-4 2 /
Z1RLO合金具有中子吸收低，机械程度性能好优点， AP1000燃料的中间定位格架采用第三代搅混翼设计， 对称布置消除原设计搅混翼存在净力和扭矩，还提供最 大的磨蚀裕量。
5）中间搅混格架 AP1000燃料组件上部四个中间定位格架之间增加
四个中间流量搅混（IFM）作用的格架，提供了额外的 流体搅混，增加了燃料的传热能力，改善燃料组件偏离 泡核沸腾热工水力性能。对称布置，减少扭力，采用 Z1RLO材料。 6）Z1RLO燃料棒包壳
燃料组件中有些棒的芯块涂有硼化锆可燃吸收体。 用于补偿堆芯循环初期的后备反应性。一体化可燃毒物 （IFBA）与分列式可燃料吸收体相比，优点是：几乎没 有燃料和挤水的中子损失，减少线发热率；更精确的预 计燃耗；增加堆芯燃料装载灵活性和节约成本等。
4.1.2 控制棒组件 功能：控制棒组件是用来控制核反应堆核裂变反应，
保护格架增加一道抗异物屏障，保护格架与搅混格架相 似“蛋篓”状格架但没有搅混翼，高度矮，材料为镍基合金， 由于格架焊接交点与下管座滤网孔中心对准，减小了通过异 物的尺寸。
3）可拆卸上、下管座 上、下管座设计成可拆卸，上管座通过管状插件胀
入导向管方法与导向管连接，带环形防松帽的套管螺栓 防松帽连接，将下管座与导向管连接固定。 4）Z1RLO材料的定位格架
组件结构设计： 国外压水堆高性能燃料组件的开发按17×17-25
型排列主要有三种结构型式：法国的AFA－3G,西屋 Performavce+和西门子动力公司的HTP。
图4.6.2，4.6.3，4.6.4。 结构材料： （1）活性段结构材料
包括燃料棒包壳、导向管、通量管和定位格架。 采用吸收中子少，耐腐蚀，低辐照生长和低蠕变的新 型锆合金：ZiRLo，M5,ELS-DUPLex锆合金。
杜圣华
上海核工程研究设计院 2008年7月
目录
4.1 堆芯结构设计 4.2 反应堆堆内构件 4.3 反应堆压力容器及一体化顶盖 4.4 反应性控制及控制棒驱动机构 4.5 反应堆本体配套部件
4.1 堆芯结构设计 AP1000堆芯由157个燃料组件，69束控制棒，
几十个可燃毒物和阻力塞组件及4个中子源组件，构 成等效直径为3.04m，活性区高度为4.267m的核裂 变反应区。
灰棒 24 304不锈钢 8.53
Ag-In-Cd 8.53
304不锈钢 0.47 9.68
高性能控制棒组件（EP－RCCA）设计特点： （1）控制棒包壳表面喷涂0.0127mm的工业硬度的铬， 提高了控制棒耐磨性，延长使用寿命。 （2）提高控制棒材料纯度增加坑腐蚀性能。 （3）增加吸水体与包壳径向间隙由0.08mm提高到 0.21mm，减少棒的辐照变形。
形式 中间格架数 交混格架数 端部格架数 保护格架 上、下管座： 上管座形式 下管座形式 可燃毒物： 材料
形式
燃耗深度：
类型
AFA－3G
双金额格架 6-7（14英寸）
3-4 2
板弹簧可拆结构 方孔形滤网
Gd2O3 UO2+ Gd2O3芯块
堆芯平均卸料燃耗 45000MWd/TU
燃料燃耗限值 燃料循环相对成本 核电站使用经验
板弹簧可拆结构 小圆孔形滤网
ZrB2 TFB芯块
45000MWd/TU 55000MWd/TU
88% 1992年开发，现 已有8万组件应
HTP 双金额格架 6-7（14英寸）
3-4 2
板弹簧可拆结构 曲板滤网 Gd2O3
88%
AP1000堆芯采用燃料是基于RFA燃料组件（Robust Fuel Assembly）和RFA-2燃料组件并经改进，它在抗腐 蚀、燃耗性能、抗异物、机械稳定性、热工水力性能和核 性能等方面有所改进。
另外WABA可燃毒物组件与燃料棒内1FBA带可燃 毒物芯块联合使用具有更好延长换料周期，提高燃料经 济性和更低的峰值因子。
结构设计： AP1000堆芯内设置有69束控制棒，分为黑体棒和
灰棒两类黑体棒（碳化硼/银铟镉合金）53束，灰棒 （银铟镉合金/304ss）16束，每束控制组件的吸收棒 数为24根。
棒价值较低的控制棒（灰棒）在无须改变可溶硼浓 度情况下完成的负荷跟踪，采用自动负荷跟踪控制方法， 防止氙振荡，消除每天数千加仑水处理改变可溶硼浓度 的要求。灰棒组件结构与黑体棒组件相同只是吸收体和 动作要求不同。
HTP
17 ×17 9.5 ×0.57
264 1 24
1.26 21.504 21.402 8.19
13.5 385.15－448.8
ELS-DoPLEX合 金
ZiRLOTM Zr-4-Inconel Zr-4-Inconel
Inconel 304
表4.2 国外四种型号高性能燃料组件参数比较
项目 定位格架
AP1000燃料组件是17X17加长型（XL）燃料组件 （见图4.1.4）。每个组件有264根包壳材料为ZLROTM的 燃料棒，24根控制棒导向管，以及1根仪表测量管。上、 下管座是可拆卸的，可以更换损坏的燃料棒。
上管座使用一体化结构，定位格架是“蛋篓”焊接结 构，搅混格架与定位格架相似结构。未辐照过AP1000燃 料组件结构参数见表4.3。
264 1 24
1.26 21.504 21.402 8.19
13.5 385.15－448.8
M5
Zr-4 Zr-4-Inconel Zr-4-Inconel
Inconel 304
Vantage+
17 ×17 9.5 ×0.57
264 1 24
1.26 21.504 21.402 8.19
13.5 385.15－448.8
Z1RLO合金的包壳管材料堆内运行性能良好，已有 15年运行经验，满足24个月的循环换料和高燃耗及铀 浓度高负载的要求。
7）轴向浓度分区 有些燃料棒的顶部和底部设置铀-235低富集度。两
端区的燃料利用没有中间部分有效，将有更高富集度的 燃料放在利用率高的中间区，提高燃料有效利用。设置 轴向低富集区与轴向分区可燃毒物的应用相结合，提高 燃料有效利用，并不影响热工裕度。 8）一体化燃料可燃毒物
启动和停堆，调节反应堆的功率，抑制氙振荡。在事故 工况下快速下插，短时期内紧急停堆，以保证反应堆安 全。
设计准则： 中子吸收体最高中心温度低于熔点，棒表面不发生 体积沸腾 棒包壳在压力，高温下必须自立 控制棒包壳长期使用不发生蠕变坍塌 棒内气体压力低于冷却剂工作压力
控制组件在规定步跃及快插次数下应保持完整性 控制棒及导向管水力缓冲应吸收其能量，减少对导 向管冲击力 控制组件必须具有互换性，并在抽插过程中抽插力 在设计限值内 在事故工况下控制组件所产生的变形，不影响反应 堆的紧急停堆功能
304不锈钢（低钴）
AP1000燃料组件特点： 1）一体化上管座
AP1000燃料采用一体化上管座WIN设计，取消了约束 压紧弹簧的螺栓。避免发生弹簧螺栓断裂的可能性。消除运 行中断裂螺栓进入冷却剂系统成为损坏燃料的异物。 2）带异物过滤的下管座和保护格架
下管座为组件的第一道异物过滤装置流水孔设计使异物 颗粒通过到燃料棒可能性最小，又不影响燃料组件水力和结 构强度。
4.1.3 可燃毒物组件 功能：
补偿部分剩余反应性，保持反应堆具有负的温度系数。 利用固体可燃毒物合理布置，改善反应堆堆芯的功率分布。
设计准则类同控制组件。 结构设计：
可燃毒物组件由可燃毒物棒，连接板和弹簧压紧部件 等组成。 可燃毒物棒：
中子吸收体为随堆运行逐步烧掉的同位素如、硼、钆 及其它化合物，如硼硅玻璃、硼不锈钢、三氧化钆块等外 包不锈钢，两端密封。
AFA 3G
4.1.3
图
西 屋 ＋ 燃 料 组 件
P
（3）上、下管座 上管座：优化上管座弹簧压紧力，改进流水孔孔
型 下管座：过滤异物 上下管座，均为可拆连接件
（4）燃料棒 细棒径9.59mm，大晶粒UO2芯块。 表4.1 国外四种型号高性能燃料组件参数 表4.2 国外四种型号高性能燃料组件参数
包壳周向弹性加塑性拉伸应变不超过1% 燃料棒包壳累积应变疲劳因子低于设计应变疲劳 寿命 包壳均匀腐蚀深度或磨蚀深度小于包壳壁厚的 10% 燃料组件承受I、II类工况下流体引起振动，压力 波动流动不稳定引起作用 燃料组件为控制棒提供通道，缓冲和冲击 燃料组件为容纳相关组件并提供足够冷却 燃料组件在堆内能承受横向和轴向载荷，其变形 在限值之内不发生失稳
ZrRLTM
Zr-4 Zr-4 Zr-4 Inconel 304
Performance+
17×17 9.5 ×0.57
264 1 24
1.26 21.504 21.402 8.19
13.5 385.15－448.8
ZiRLOTM
ZiRLOTM Zr-4-Inconel Zr-4-Inconel
Inconel 304
ap1000堆内构件主要技术参数下部构件吊篮部件法兰直径391516mm法兰厚度889mm筒体内径339725mm筒体厚度508吊篮支承板厚度381mmap1000堆内构件主要技术参数上部构件压紧部件上法兰外径391516mm上法兰厚度1143mm裙筒直径3402mm上空腔高度98552mm上支承板厚度3048mm堆芯上栅格板厚度762mm导向筒组件数量69上支承柱数量50辐照监督管数量图425上部堆内构件图426上部支承组件图427堆芯上支承板图428导向筒组件controlroddrivelinecrosssectionalview堆内构件初步尺寸和重量堆内构件部件组合件最大直径宽度长度高度重量inchesmminchesmmlbkg下部堆内构件组合件包括csvsp和scs154539243870983018490083870下部堆内构件分部件吊篮筒体和堆芯下支承板154539243349850613180059783堆芯围筒cs组合件13343388188847964625020979下堆芯支承板lcsp137634951604064426020076二次堆芯支承scs组合件880223519349044762030涡流抑制板vsp和二次堆芯支承8802235521132365823108上部堆内构件组合件带有gt和usc导向杯形座154139142317588511868553835上部堆内构件分部件wogtusc导向杯形座15413914137534936293028544上部支承柱每根wo导向杯形座9724610332624220100上部支承柱导向杯形座最小长度275699716181912255上部支承柱导向杯形座最大长度275699966245416474堆内构件初步尺寸和重量堆内构件部件组合件最大直径宽度长度高度重量inchesmminchesmmlbkg13333386307672173276上支承板组合件1545392450812904588020810rcca导向筒组合件每根带紧固件10025416844277716325rcca下部导向筒组合件每根1002549712466325148rcca上部导向筒组件每件1002547091801372169控制棒驱动线1948328697287整个堆内构件1545392444711354303585137705ap1000堆内构件结构特点
图4.1.1 堆芯布置 功能：
实现核燃料裂变并将核能转化为热能，既是释放 能量，又是强放射性源。
燃料棒包壳是放射性裂变产物的首道屏障。 燃料组件栅格排列保持核设计中堆芯水铀体积比。
4.1.1
图 堆 芯 布 置
组件结构可为控制棒、可燃毒物、中子源、阻力塞 和中子探测提供导向，插入和冷却条件。
组件结构为冷却剂流动和带出热量分布均匀。 燃料组件为安全三级，抗震类别为SSE，质量等级 为QA1级。 设计准则： 在冷却剂压力，温度下燃料棒包壳必须自立 设计寿期内，燃料棒不应发生蠕变坍塌 设计寿期内棒内部气体压力低于冷却剂工作压力 最热燃料芯块中心温度低于二氧化铀燃耗相应熔点 包壳有效应力不超过材料辐照后屈服强度
控制棒组件： 吸收体采用碳化硼/银铟镉合金(80%Ag-15%In-
5%Cd)制成细棒，外包不锈钢包壳。 每束控制棒组件由24根控制棒和连接柄连接而成。 驱动机构通过连接柄带动组件上、下运动。 连接柄的终端丝扣与驱动轴传动杆可拆接头连接或
脱扣。 连接柄内下端设弹簧，对控制棒快速下插到底时起
缓冲作用。
图
4.1.8
图
4.1.9
西屋公司设计采用湿环形的可燃毒物组件（简称 WABA）组件。
WABA的可燃毒物由AL2O3-B4C环状芯块构成，它 被包在二个同芯，锆管内见图4.1.9。运行时冷却水可以 从棒外和棒内孔流过冷却可燃毒物吸收体，又增加中子 慢化，使用结果表明WABA型可燃毒物棒化棒束形具有 更好的核性能，WABA型可燃毒物能使燃料循环费用比 硼酸玻璃设计节省1～2%。
表4.1 国外四种型号高性能燃料组件参数比较
项目
类型
几何尺寸：
栅元排列
燃料棒直径mm
燃料棒数
中子测量管数
导向管数
棒栅元距cm
组件间距cm
组件边长cm
芯块直径mm
芯块高度mm
燃料棒长度cm
结构材料：
包壳材料
导向管材料 定位格架材料 搅混格架材料 端部格架材料 上、下管座材料
AFA－3G
17×17 9.5 ×0.57