反应堆本体结构

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UO2陶瓷型芯块:
o主要优点:熔点高(--2800℃),具有良好的中子
辐照稳定性和高温下的化学稳定性,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,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,特别是在堆内燃烧到后期, 核燃料过分膨胀会挤压包壳管。
上管座孔板、顶板、弹簧等
组成,刚离开燃料组件的冷却 剂在那里进行混合,然后再向 上通过堆芯上栅板的流水孔。
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两个对角支撑脚上的销孔与下栅板上的两个定位销相配合,使燃料 组件定位。冷却剂通过肋板向上流入燃料组件内部。
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(c) 控制棒导向管
导向管:是燃料组件的结构部件,可为中子吸收剂棒、
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堆芯的反应性控制
1、控制棒调节: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 快速的反应性变化。(即调节快反应)
2、硼浓度调节: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 较缓慢的反应性变化。 (即调节慢反应)
注:在新的堆芯中,还用可燃毒物棒补偿堆芯寿命初期的 剩余反应性。
(e)上端塞上的进气孔
用于制造时往包壳内充氮加压至3.1MPa,用
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)
(f)压紧弹簧
限制燃料元件的运输和操作过程中,芯块的
轴向串动。
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(2)核燃料组件的“骨架”结构
在一个燃料组件的全长上,有6-8个
弹性定位格架。组装时,由24根控 制棒导向管,1根测量仪表套管把弹 性定位格架与上、下管座连接成一 体构成燃料组件“骨架”, 以支撑 燃料元件棒并保持 燃料元件棒之间的 间距。使264根细长的燃料元件棒形成 一个整体,承受整个组件的重量和控 制棒下落时的冲击力,并保证 控制棒 运动的通畅。
-
-
-
-
89
Kr 89 Rb 89 Sr 89 Y
-

n 235 U 236 U* 140 Xe 94 Sr 2n
140
Xe 140 Cs 140 Ba 140 La 140 Ce
-
94
Sr 94 Y 94 Zr
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现代压水堆的堆芯是由上百个横截面呈正方
通量的探测器导向并提供了一个通道。
控制棒导向管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。
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从结构上看,
核燃料组件是由 燃料元件棒和组 件的“骨架结构” 两部分组成。
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(1)燃料元件棒
燃料元件是产生核裂变
并释放热量的部件。
它是由燃料芯块、燃料
包壳管、压紧弹簧和上、下 端塞组成。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。
可燃毒物棒、中子源棒或其它组件提供插入通道。
控制棒导向管:它和格架固定在一起构成燃料组件
的支撑骨架,并提供了插入控制棒组件、可燃毒物组件、
中子源组件和阻力塞组件的通道。
每个导向管都是由上下直径不同的Zr-4合金管组成,上 部大直径起导向作用并和控制棒间保持1mm左右的间隙,
冷却剂可以通过该间隙冷却控制棒。
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燃料芯块
燃料组件与燃料元件
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AFA2G燃料组件
标准的17×17型组件:燃料棒径为9.5mm,棒间距
12.6mm,横截面尺寸214×214mm2,总高为4058mm。
每个这样的组件共有264根燃料元件棒,24根控制棒
导向管和1根堆内测量导管,共计289个栅元格。
测量导管位于组件中央位臵,为插入堆芯内测量中子
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“内-外”式换料策略
CPR1000压水堆(岭澳二期核电厂)采用合理的“内-外” 式换料策略。使得岭澳二期核电厂反应堆在总体性能上比 未采用改进项的岭澳一期核电厂有明显提高。 采用内→外装料方式,通过加大堆芯中235U的装入量,中子 价值高的新燃料组件臵于堆芯内区,把内区辐照深度大的燃 料组件移到堆芯的最外层,并改为18个月换料,从而实现低
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: Zr-4包壳与水相容温度不超过350℃ ,与二氧化铀相容温度在 500℃以下,包壳熔点为1250℃,包壳温度达到820℃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。
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对包壳材料的要求:
具有良好的核性能,即中子吸
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(a)燃料芯块
芯块是由富集度为2-3%的UO2 粉末(陶瓷型芯
块)冷压成形再烧结成所需密度的圆柱体,直径 为8-9毫米,直径与高度之比为1:1.5。
(大亚湾采用直径8.192mm,高度13.5mm)
每一片芯块的两面呈浅碟形,以减小燃料芯块
因热膨胀和辐照肿胀引起的变形。
一根燃料棒内装有271个燃料芯块。
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堆芯组件
1、核燃料组件
现代压水堆普遍采用了无盒、带棒束型核燃料组件。
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17 17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17 17型燃料组件的总体图。
有良好的抗蚀性能和力学性能。
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(c)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
(0.64mm),其作用有两个:一是补偿包壳和芯 块不同的热膨胀;二是容纳从芯块中放出的裂变 气体。
(d)上、下端塞
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。
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导向管。
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左图是有控制 棒组件的燃料组件。 控制棒束顶端固定 在一个枝状星形架 上,控制棒与枝状 接头相连。
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(a) 结构
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。
(4)降低放射性废物产生量和人员受照量。
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为了满足电网要求,避免在每年6—9月份用电高峰 期进行大修,18个月的换料方式实际上采取的是长/ 短 循环交替进行的换料方式。即更换72个新组件后,运行 一个长燃料循环(19个月);下次换料则更换68个新组 件,再运行一个短燃料循环(17个月)。 岭澳核电站则从第二循环开始进入混合堆芯阶段; 从第三循环开始富集度提高到3.7%。循环周期暂维持12 个月。
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(b)包壳
作用:防止裂变产物沾污回路水并防止核燃料与冷却剂相接触。
直径为9-10毫米,壁厚0.5 -0.7毫米)。
目前压水堆燃料元件包壳几乎都是Zr-4合金冷拉而成(长3-4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。熔点高(1800℃)。
包壳内装有UO2芯块。上下两端设有氧化铝隔热块,顶部有弹
形的无盒燃料组件构成; 燃料组件按一定间距垂直坐放在堆芯下栅格
板上(板上有能定位和定向的对中销),使组成
的堆芯近似于圆柱状;

堆芯的重量通过堆芯下栅格板及吊兰传给压
力壳支持。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。
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大亚湾 900 MW 级压水堆第一个堆芯的布置共有 157个横截面呈正方形的无盒燃料组件。
占导向管全长约1/7的下部小直径段,在紧急停堆控制棒 快速下插时,起水力缓冲作用。
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(d)中子注量率测量导向管
测量导管:位于上下管座上的通孔之间,是
一根上下直径相同的Zr-4合金管,它用和控制 棒导管一样的方法固定到定位格架上。
为堆芯中子通量密度测量元件提供通道。
40பைடு நூலகம்
2、控制棒组件
控制棒组件提供了一种正常
第三讲 反应堆本体结构
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(一)反应堆堆芯
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反应堆在核电站的作用就象是火电站的锅炉,它
是整个核电站的心脏。它以核燃料在其中发生特
殊形式的“燃烧”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
材料所在部分称为反应堆堆芯。
堆芯结构由核燃料组件、控制棒组件、可燃毒物
泄露燃料管理。
内→外装料方式可以减少中子的径向泄露,增加堆芯的 反应性,提高燃料的卸料燃耗。但该装料方式会使堆芯功 率分布不平坦性增加,功率峰因子增大,因此,需采用 203Gd作可燃毒物来抑制功率峰。
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对于18个月换料低泄露燃料管理策略,与常规的年换料方
式相比,能够:
(1)降低压力容器中子注量率,有利于延长压力容器的寿 命; (2)减少换料大修次数,降低大修成本; (3)增加年发电量,提高电站利用率;
组件,堆芯四周有52个铀-235富集度为3.1%的 燃料组件组成,内区则混合交错布臵52个富集 度为2.4%和53个富集度为1.8%的燃料组件。
换料时将外区的燃料组件向内区倒换,富集度为
3.25%的新燃料组件则加在外区。经过一个运行周 期后,三区装载的压水堆中,大约有1/3的燃料组件 需要更换,而每个燃料组件在反应堆堆芯内的时间一
沿燃料元件全程有8个定位格架。合理的定位格架设
计除了起到对燃料元件的夹持定位作用外,还要强化流 体的扰动并使流动阻力尽可能小。
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(b) 上管座和下管座
上管座和下管座是燃料组件
“骨架”结构的头部和底部的 连接构件,它们都是箱形结构。
下管座由四个支撑脚和一块
方形多孔的肋板组成,是燃料 组件底座,可引导冷却剂流入 燃料组件,并进行流量分配;
收截面要小,感生放射性要弱;
具有良好的导热性能;
与核燃料的相容性要好; 具有良好的机械性能; 有良好的抗腐蚀能力; 具有良好的辐照稳定性;
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燃料包壳的选择
(1)不锈钢:高温强度好; 热中子吸收截面大(a:3.0巴); 快堆用做燃料包壳。 (2)Zr合金:显著改善中子经济性(a;0.22巴~0.24巴) Zr-2 (Sn Zr-4 (Sn Fe Cr Fe Cr Ni ) Ni ) (%) 1.5 0.12 0.1 0.05 (%) 1.5 0.15 0.1 0.0 去掉了镍,抑制吸氢,防止脆化。 (3)M5:锆铌合金,对300~400℃高温高压水和蒸汽具
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中间搅混格架放置在高热流密度区域,以利于混流。
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(a) 定位格架
是夹持燃料元件棒,确保燃料元件径向定位以及加强
元件棒弹性的一种弹性构件。
17 17型燃料组件定位格架是一种有许多上面带有弹
簧片、支撑陷窝(横向支撑作用)和混流翼片的条带 (搅混和导向作用,促进冷却剂交混)相瓦插后经钎焊而成 的蜂窝状结构。
般是三个运行周期。
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由外向内倒料方式的优缺点
优点:
可以展平堆芯功率,获得较高的燃耗深度,提高核燃料的 利用率。从第二循环开始,新装入的燃料组件的富集度为 3.25%,高于首次装料。 因为经过一段时间的运行,堆芯内积累了会吸收中子的裂 变产物,需要增加后备正反应性。
缺点:
中子注量率的泄漏率较高,导致压力容器中子注量率大, 中子利用率较低低,导致换料周期较短,燃料循环成本较 高。
组件、中子源组件和阻力塞组件等组成。
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堆芯布置
堆芯又称活性区,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。
n 235 U 236 U* 144 Ba 89 Kr 3n
144
Ba 144 La 144 Ce 144 Pr 144 Nd
-
53个插有控制棒组件 157个无盒燃料组件 66个装有可燃毒物组件 4个插有中子源组件 34个装有阻力塞组件
大亚湾准圆柱状核反应区高3.65m,等效直径3.04m。 热功率1800MW,堆芯直径约2.5m;3800MW,3.9m。 高度为核燃料的高度,3.6~4.3m.
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堆芯布置换料策略
该堆芯首次装料时,由三种不同富集度的燃料
运行和事故工况下快速控制 反应性的手段。下面看一下 17 17型燃料组件的棒束型 控制棒组件的结构图。
大约1/3的燃料组件的控制棒
导向管是为控制棒组件占据的。
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2、控制棒组件
控制棒:由星型支架和吸收剂棒组成。
以连接饼为中心呈辐射状有16根连接
翼片,每个翼片上装有一个或两个指 状物,每个指状物带有一根吸收棒。 通过螺纹固定,然后用销钉紧固,这 些吸收剂棒可插入对应燃料组件24根
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