核反应堆总论 第八章 压水堆本体结构

但镍基合金的最大缺点是中子吸收截面大，造成较多的 无益的中子损失。 锆合金格架又分为两种：
– 一种是全锆格架，其主要优点是节省燃料循环费用； – 另一种是锆合金框架中含镍基合金支撑的双金属格架，它 综合了镍基合金格架和全锆合金格架的优点。
– 近年来在工程中已开始使用锆合金。

控制棒导向管
材料：不锈钢或锆—4合金制成 作用：它对控制棒在堆芯上下移动起导向作用。 控制棒与导向管之间留有一定的间隙的用途：

对反应堆本体设计的要求
1、遵循国家相关规定（国家核安全局颁发的《核电质量 保证安全规定》）； 2、遵循相关设计准则（压水堆核电厂结构总体设计准则、

堆内构件设计准则、压力容器设计准则、燃料相关组件设计准则 等）；
3、满足强度、刚度、和抗腐蚀性能； 4、满足核性能和耐辐照的要求； 5、对堆内主要构件从造型、选材加工到组装 必须做大量试验研究工作； 6、对重要部件尤其是堆芯部件需要在其他反 应内进行验证。

8.1.1燃料组件

燃料组件的工作环境：
–处在高温、高压、含硼水、强中子辐照、腐
蚀、冲刷和水力振动等恶劣条件下长期工作， 因此核燃料组件的性能直接关系到反应堆的 安全可靠性。
8.1.1燃料组件





新型压水堆燃料组件按17×17排列成 正方形栅格； 在每一组件的289个可利用的空位中， 燃料棒占据264个，其余的空位装有控 制棒导向管，最中心的管供中子注量 率测量用。 组件中的燃料棒沿长度方向设有8层弹 簧定位格架，将元件棒按一定间距定 位并夹紧，但允许元件棒能沿轴向自 由膨胀，以防止由于热膨胀引起元件 棒的弯曲。 控制棒导向管、中子注量率测量管和 弹簧定位格架一起构成一个刚性的组 件骨架。 元件棒按空位插于骨架内。骨架的上、 下端是上、下管座。

使用固体可燃毒物的必要性：
1. 压水堆中采用硼溶液化学控制可减少控制棒的数 量，降低反应堆的功率峰值因子，加深卸料燃耗。 2. 但当慢化剂温度升高时，液体毒物硼将随水的体 积膨胀而被排出堆芯，如果硼浓度超过一定的数值， 将使反应堆出现正的慢化剂温度系数，影响反应堆自 稳调节性能。 3. 为使反应堆保持有负温度系数，在运行时通常将 硼浓度限制在＜1200ppm。因此在采用硼溶液化学控制 的同时，还必须使用一定数量的固体可燃毒物。
控制棒组件分类

根据运行要求，控制棒组件分为：
– 调节棒组件主要用来调节负荷，抵消部分剩余反应性，补偿
运行时各种因素引起的反应性波动。 – 安全捧组件在正常运行工况下提到堆芯之外，当发生紧急事 故时，要求在短时间(约为2s)内迅速插入堆芯而停堆。此外，
控制棒组件应能抑制反应堆可能出现的氙振荡。
8.1.3可燃毒物组件
燃料芯块

材料：二氧化铀； 核燃料富集度： 2％~4%铀-235； 芯块的直径：约为8mm， 高度与直径比：一般为1～1.5。 蝶形端面加倒角：燃料芯块一般都做成 如图2-(c)那样的蝶形端面加倒角，从而 减小芯块与包壳的相互作用。
– 砂漏：由于U02的热导率小，所以在反应堆
每个陶瓷芯块为直径1cm 高度1cm的圆柱体

作用：

反应堆初次启动和再次启动都需要有起“点火” 作用的中子源。人工中子源设置在堆芯或堆芯邻 近区域，每秒钟放出107～l08个中子。依靠这些 中子在堆芯内引起核裂变反应，从而提高堆芯内 中子注量率，克服核测仪器的盲区，使反应堆能 安全、迅速地启动。

组成：

中子源组件由钋－铍源棒、锑－铍源棒、阻力塞 棒及连接柄等组成。
8.2.1吊篮部件
吊篮部件又称堆芯下支承构件。 吊篮部件的结构包括：





吊篮筒体、 下栅格板部件、 围板幅板组件、 热屏蔽组件、 吊篮防断支承组件
1.上部吊篮 2.热屏蔽 3.围板幅板 4.堆芯围板 5.燃料组件 6.支撑接头 7.防断支撑 8.通量测量管 9.连接板 10.吊篮底板 11.定位块 12.堆芯下栅板 13.支撑柱 14.辐照样品管 15.出口法兰
第八章 压水堆本体结构
上海交通大学核能与系统工程系 2004年7月
目录
反应堆本体结构设计的任务 8.1 堆芯结构 8.2 堆内构件 8.3 反应堆压力容器

反应堆本体结构设计的任务
1.保证堆芯中燃料能按核设计要求进行自 持链式裂变反应； 2.核裂变所释放的能量按热工设计要求有 效地导出； 3.对内全部构件在反应堆满功率运行期间 应保持良好性能，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。

包壳壁厚：

包壳管（2）

燃料芯块与包壳管之间间隙的作用：

装配 补偿燃料芯块和包壳之间温差热膨胀的需要， 反应堆运行后芯块的肿胀 芯块与包壳之间的间隙及元件上端安置压紧弹簧处的空腔 还可以容纳裂变过程中从燃料内释放出来的裂变气体。 在间隙处通常充以2～3MPa压力的氦气以改善元件棒的导 热性能和包壳的应力状态。

间隙充氦气的作用：

组件骨架


作用：确保燃料组件的刚度和强度。承受整个组件的 重量、流体力产生的振动和压力波动，承受控制棒下 插时的冲击力，并准确为控制棒导向，保证燃料装卸 和运输的安全。 组件骨架由弹簧定位格架、控制棒导向管、上、下管 座等部件组成。
弹簧定位格架

图示出弹簧定位格架： 弹簧定位格架的构成：
第一道屏障，也是最重要的一道屏障，它的作用是包 容裂变产物并持核燃料和冷却剂分隔开。

材料：目前压水堆中采用的包壳材料都是Zr—4 合金

因为Zr-4不仅有较高的高温机械强度和耐高温水腐蚀的性能， 而且中子吸收截面小，用它作包壳可使用较低富集度的核燃 料，提高卸料燃耗。 一般为0.55～0.65mm。
特点：
– 它是燃料组件的底部构件。下管座与控制棒导向管
采用螺纹连接并点焊，水冷却剂通过下孔板流入燃 料棒间的冷却剂通道。 – 下框架和下孔板焊成一体，并在底部角上开有定位 销孔，用它与堆芯下栅板定位。 – 燃料元件棒直立在下孔板上方，作用在组件上的轴 向载荷和组件的重量通过下管座传给下栅板。
8.1.2控制棒组件
8.1.4阻力塞组件

作用：
– 主要用来阻止控制棒导向管内
冷却剂的漏流，使冷却剂更有 效地冷却燃料元件。

结构组成：
– 它由阻力塞棒、连接板和压紧
弹簧等组成。

特点：
– 为减少结构材料的中子有害吸
收，阻力塞棒制成短粗的实心 棒状。在无控制棒及无可燃毒 物棒的导向管内均插入阻力塞 棒。
8.1.5中子源组件
– 它是由冲压成型的带有刚性支承、弹
性支承及混合翼条带和带导向翼的围 板经组装并焊接而成的弹性组件，

条带上的混合翼的作用：
– 起搅混冷却剂作用，使传热效率提高，
围板上的导向翼除了起搅混冷却剂作 用外，还可以在燃料组件装卸时起导 向作用。
弹簧定位格架

定位格架的材材料：
– 多为具有良好高温弹性的镍基合金。
的水冷却剂从上孔板流出，并在箱型空腔内混合后 流向堆芯上栅板。 – 与上管座相连接的压紧弹簧其所具有的压紧力能克 服组件的水力提升力，防止组件的水力振动，并补 偿燃料组件和堆内构件之间的轴向膨胀差。 – 上管座的角上开有定位销孔，以便和上栅板的销钉 对应定位。
下管座


组成：
– 下孔板和下框架组成。
8.2堆内构件

构成：

堆内构件包括吊篮部件、压紧部件、堆内测量装置等
主要作用：


承受燃料ห้องสมุดไป่ตู้件的重量和压紧力，保证燃料组件的位置和方 向的准确性； 保证控制棒组件的位置和方向，以便在控制棒抽插时导向； 进行压力壳内冷却剂流量分配，导出堆芯热量，冷却堆内 部件； 堆内测量装置的布置和导向； 减弱中子和射线对压力容器的辐照，延长压力容器的使用 寿命。


使少量冷却剂流通以冷却控制棒。

特点：
– 导向管下段的内径比上段略小，以便当反应堆紧急
停堆控制棒快速下插时起缓冲作用。 – 在没有控制棒的燃料组件导向管内，相应地布置有 固体可燃毒物棒或阻力塞。
上管座

组成：
– 上孔板、上框架和压紧弹簧组成。
特点：
– 是燃料组件的上部构件，并形成一个箱形空腔。 – 上孔板和控制棒导向管焊接在一起，来自燃料棒间

作用：
– 控制棒组件是核反应堆控制部件； – 在正常运行情况下用它启动、停堆、
调节反应堆的功率； – 在事故情况下依靠它快速下插，致使 反应堆在极短的时间内紧急停堆，从 而保证反应堆的安全。

材料：
– 银—铟—镉(80％Ag—15％In—5％cd)合金
8.1.2控制棒组件

特点：
– 束棒型控制棒组件；
运行时芯块中心部分比周边部分的温度要高 得多，从而使芯块形成图 (a)砂漏状。 – “竹节状”：由于端部效应，芯块端面部分 的径向变形比芯块中部的径向变形要严重得 多，并由于芯块和包壳的相互作用于是产生 了如图 (b)所示的“竹节状”，燃料元件包壳 最易在这一部位发生破损。
包壳管（1）

作用：
– 燃料元件的包壳是反应堆内防止强放射性物质外泄的

堆本体的构成
1.堆芯
阻力塞 组件 控制棒 组件 可燃毒 物组件 中子源 组件 燃料组 件
堆芯
2.堆内构件
压
紧部件
吊 篮部件
8.1堆芯结构

堆芯的功能及作用：
–堆芯是反应堆的核心部
分，核燃料在这里实现 链式裂变反应，并将核 能转化为热能，此外， 堆芯又是强放射源。 反应堆
8.1堆芯结构的组成
压水堆堆芯由核燃料组件、控制棒组件、 固体可燃毒物组件、阻力塞组件以及中 子源组件等组成， 由上、下栅格板及堆芯围板包围起来， 依靠吊篮定位于反应堆压力容器的冷却 剂进出口管的下方。
8.1.1燃料元件棒


燃料元件棒是反应堆运行时产生核裂变 并释放热量的部件。 图示出了压水堆燃料元件，它的长度一 般为3～4m，外径约为9.5mm。设计要 求将一定数量的二氧化铀燃料芯块装入 锆—4合金管内。上、下两端都设有三 氧化二铝的陶瓷隔热片，以减小芯块的 轴向传热。 为防止运输过程中棒内芯块发生窜动， 顶部设有螺旋形压紧弹簧。 锆—4合金管的两端用锆合金端塞堵封 并焊接。
8.1.2控制棒组件

束棒型控制棒的优点是：
– 棒径细，数量多、吸收材料均匀分布在堆芯中，使堆芯内中
子注量率及功率分布更为均匀； – 由于单根控制棒细而长，增大了绕性，在保证控制棒导向管 对中的前提下，可相对放宽装配工艺要求，而不致引起卡棒， 而且由于提高了单位重量和单位体积内控制棒材料的吸收率， 大大减少了控制棒的总重量。 – 由于棒径小，所以控制棒提升时所留下的水隙对功率分布畸 变影响小。不需另设挤水棒，从而简化堆内结构，降低了反 应堆压力容器的高度。
8.1.3可燃毒物组件

材料要求：
– 固体可燃毒物采用吸收中子能力较强，又能随
着反应堆运行与核燃料一起消耗的核素。 – 常用的有硼玻璃，三氧化二钆等。

特点：
– 棒状或管状，外面再加包壳。
– 固体可燃毒物棒一般设置在燃料组件的导向管
内，每个燃料组件内插入可燃毒物棒的数目和 布置形式，由堆物理设计确定。 – 固体可燃毒物的合理布置，将进一步改善堆芯 的功率分布。并且适当缩短可燃毒物棒的轴向 尺寸，非对称地布置偏于下半堆芯，从而展平 轴向功率分布。 – 它由可燃毒物棒、连接板和压紧弹簧等组成。 而且它与控制棒组件不同，装入堆芯后不作上 下移动。
– 以银—铟—镉合金作为吸收体，做成细棒状，
并用不锈钢作为包壳， – 每个控制棒组件带有20～24根控制棒，每根 控制棒插在燃料组件的导向管内，依靠星形 架连接成一束，由一台控制棒驱动机构传动， 使控制棒在导向管内上下移动。 – 连接柄的终端有丝扣以便与控制棒传动杆的 可拆接头远距离连接或脱扣，连接柄的下端 设有弹簧。当控制棒快速下插时起缓冲作用。
吊篮筒体





吊篮筒体是由不锈钢做成的圆筒形部件， 包括筒身、上法兰、出口水密封法兰四个部分。 吊篮筒身采用悬挂式结构，依靠上法兰悬挂并压 紧在压力容器的内壁支撑凸缘上，这样，当筒体 受热后可以向下自由膨胀。 吊篮上法兰周边开有四个均匀布置的方框形槽孔， 借助四个方形键将整个吊篮部件和压紧部件一起 与压力容器定位，从而保证燃料组件和控制棒驱 动机构对中，限制吊篮部件周向转动。 吊篮筒体的上段与冷却剂出口密封法篮焊在一起， 以便将进出口冷却剂分隔。吊篮筒体下端底板的 外表面周向均匀布置有四个定位键，它与固定在 压力容器内壁的四个凸缘槽相配作为辅助定位支 承，以防止吊篮下部因水力冲击等原因所造成的 摆动。