反应堆结构与核燃料

第四章反应堆结构与核燃料

反应堆是核电站中的热源，其内部装有可以进行可控链式核反应的核燃料，源源不断地释放出能量。核反应产生的热能通过载热剂传给汽轮机作功，汽轮机带动发电机，产生的电能被输送到电网。

反应堆由堆芯、压力容器、上部堆内构件和下部堆内构件等几部分组成。反应堆安置在反应堆厂房（也称为安全壳）的正中，它的六条进出口接管管嘴支撑在作为一次屏蔽的混凝土坑（即堆坑）内，而堆坑位于一个大约10米深的反应堆换料水池的底部。参见图4.1。

图4.1 反应堆位置

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图4.2 反应堆剖面图

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图4.2是压水堆的结构简图，它可分为以下四部分：

● 反应堆堆芯

● 堆内构件

● 反应堆压力容器和顶盖

● 控制棒驱动机构

4.1 反应堆堆芯

4.1.1 堆芯布置

核反应堆的堆芯位于压力容器中心，由157个几何形状及机械结构完全相同的燃料组件构成，核反应区高3.65m ，等效直径3.04m 。燃料核裂变释放出来的核能立即转变成热能，并由冷却剂导出。

在典型的燃料管理方案中，初始堆芯按燃料组件浓缩度分成三个区。所谓燃料浓缩度也称富集度或丰度，是指燃料中235U 同位素在铀的总量中所占比例。在堆芯外区放置浓缩度高的燃料组件，浓缩度较低的燃料组件则以棋盘状排列在堆芯的内区，如图4.3所示。

通常每年进行一次换料，更换约三分之一燃料组件，称为一个燃料循环。换料原则是将燃耗最深的燃料组件取走，在外区加入新燃料组件，而其余组件在堆芯中央重新布置，使功率分布尽可能均匀。在第六循环之前新加入燃料的浓缩度均为3.25％。为满足不断增长的发电需求，从第七循环开始新换燃料的富集度改为3.7% 。按照规划，今后还将采用长燃耗循环，即18个月换料方式，届时新换燃料的富集度将提高到4.45% 。

图4.3 堆芯分区布置（第一循环）

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4.1.2 燃料组件

大亚湾核电站目前所用的AFA-2G 型燃料组件由骨架和燃料棒组成，呈17×17正方形栅格排列，总共有289个栅格，其中264个装有燃料棒。

1．燃料组件骨架结构

燃料组件骨架由8个定位格架、24根控制棒导向管、一根中子通量测量管和上、下管座焊接而成。其功用是确保组件的刚性，承受整个组件的重量和控制棒快速下插的冲击力，并准确引导控制棒束的升降，保证组件在堆内可靠工作和装卸料时的运输安全。

（1）定位格架

沿燃料组件纵向有8个定位格架，它们用以固定、支承燃料棒。格架的夹紧力使燃料棒与格架之间可能发生的振动磨损降到最小，又允许二者有不同的热膨胀，不致引起燃料包壳超过允许应力。

定位格架由锆－4合金条带制成，这些条带装配成17×17的正方形栅格。在格架栅元中，燃料棒由其中两边的弹簧夹顶在另两边的两个刚性凸台上，其共同作用使燃料棒保持中心位置。弹簧夹由因科镍718薄片弯成开口环制成，然后将夹子跨在条带上夹紧定位，并在上下相接面上点焊。这样形成的两个相背的弹簧分别顶住相邻栅元的两根燃料棒，自然抵消了作用在条带上的力。

格架通过条带的调节片与导向管连接，这些调节片直接焊在导向管上。在格架的四周外条带的上缘设有导向翼，在中间的六层格架（位于高中子通量区内）的的内条带上设有交混翼。

图4.4 燃料组件 图4.5 定位格架

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（2）导向管

每个燃料组件带有24个控制棒导向管，由锆－4合金制成，它们为控制棒的插入和提出导向。其下部在第一和第二格架之间直径缩小，形成缓冲段，以便当控制棒紧急下落接近底部时起缓冲作用。在缓冲段上部有流水孔，正常运行时冷却水流入管内，在控制棒下插时水能部分从管内排出。缓冲段下部的管径扩至正常，使底层格架可以按上层格架的相同方式与导向管相连接。

（3）通量测量管

位于组件中心位置的通量测量管为运行中测量堆芯内中子通量的测量元件提供通道，由锆－4合金制成。它与格架固定的方法类似于控制棒导向管。

（4）下管座

下管座是燃料组件的底座，由AISI304不锈钢制成。它包括四个支撑脚和一块正方形多孔板，后者尺寸为21.4cm ×21.4cm ，下侧装了滤网，防止杂物进入堆芯损坏燃料组件。导向管与下管座用螺钉连接并焊接，组件重量和施加在组件上的轴向载荷经导向管传递到下管座上。下管座两个对角支撑脚上有销孔，它们与堆芯下栅格板上的两个定位销相配合，保证了燃料组件在堆芯的定位，作用在燃料组件上的水平载荷同样通过定位销传到堆芯支撑结构上。

（5）上管座

上管座是燃料组件上部构件，冷却剂通过它由燃料组件流向堆芯上栅板的流水孔。 上管座由承接板、围板、顶板、四个片状弹簧

和配件组成。除了弹簧和锁紧螺钉之外，所有零件

由304型不锈钢制成，弹簧和螺钉由因科镍合金718

制成。承接板为正方形，上面加工了许多长孔，允

许冷却剂流出，又能防止燃料棒从组件中向上弹出。

控制棒导向管上端固定在承接板上。围板是正方形

薄壁壳体，它组成了管座的水腔。顶板也是正方形

的，并有一个中心孔，这个孔允许控制棒束通过。

和下管座类似，上管座顶板对角上有两个销孔，供

堆芯上栅板的定位销插入，以定位燃料组件。

顶板上装有四个弹簧片。在安装堆内上部构件

时，弹簧被堆芯上栅格板压迫，每个簧片的自由端

均向下弯曲，扣在顶板的键槽内，产生弹簧力，压

紧燃料组件。

2．燃料棒

燃料棒是压水堆产生核裂变并释放热量的基本

元件。271块二氧化铀燃料芯块叠置在锆－4合金包

壳管中，两端装上端塞，把燃料芯块封焊在里面，

从而构成长3851.5 mm ，外径9.5 mm 的燃料棒。如图

4.4所示。 图4.4 燃料棒