第三章 核反应堆结构与材料 复件
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α相铀的物理和力学性能都具有各向异性，在辐照作用下， 金属铀棒会变细、变长；
另一方面， α相铀中裂变气体（氙和氪）的溶解度很低， 随着燃耗的增加，气体会在铀中形成气泡，导致铀棒的肿胀。
在铀中添加少量合金元素（钼、铬、铝、锆、铌、硅等）， 能使铀稳定在β和γ相，从而改善某些机械性能；
核动力反应堆通常使用的燃料分为三种类型： 金属型、陶瓷型和弥散体型。
2010.07 16
3.2 核反应堆材料
3.2.1.1 金属型燃料 金属型核燃料包括金属铀和铀合金两种。
金属铀的优点： 密度高、导热性好、单位体积内含易裂变 核素多、易加工。
缺点： 燃料可使用的温度低，一般在350~450 ℃ ； 化学活性强，在常温下也会与水发生剧烈 反应而产生氢气；在空气中会氧化，粉末 状态的铀易着火；在高温下只能与少数冷 却剂（二氧化碳和氦）相容。
同同位素原子(或由其组成的分子)在吸收光谱上的微小差别 (称为同位素位移)，用线宽极窄即单色性极好的激光，选择 性地将某一种原子(或分子)激发到特定的激发态，再用物理 或化学方法使之与未激发的原子(或分子)相分离。
目前对于铀同位素最具有实用价值的激光法： 原子蒸汽激光分离法(atomic vapor laser isotope separation) 分子激光分离法(molecule laser isotope separation)
2010.07 17
3.2 核反应堆材料
金属铀有三种不同的结晶构造： <665 ℃，菱形晶格的α相，铀的强度很高； 665~770 ℃，正方晶格的β相，铀变脆； >770 ℃，体心立方晶格的γ相，铀变得很柔软不坚固。
金属铀的熔点为1130 ℃，沸点约3600 ℃。
2010.07 18
3.2 核反应堆材料
3.1 压水堆结构
反应堆压力容器的组成
2010.07 6
3.1 压水堆结构
3.1.3 反应堆堆内构件
? 堆内下部构件
1.堆芯吊篮和堆芯支撑板 吊篮的筒体是圆筒形的不锈
钢构件，悬挂在压力容器上； 堆芯支撑板被焊接在吊篮下部， 堆芯的重量由支撑柱传递到支 撑板上。
2.堆芯下栅格板 下栅格板使用定位鞘固定燃
堆内下部构件
2010.07 8
3.1 压水堆结构
? 堆内上部构件
1.堆芯上栅格板 上栅格板用于固定堆芯组
件，带有和下栅板一样的流 水孔。
2.导向管支撑板 支撑板通过压力容器顶盖
和压紧弹簧来固定。它对堆 芯吊篮起到固定作用。
堆内上部构件
2010.07 9
3.1 压水堆结构
3.控制棒导向管 导向管内装有导向活塞，
3.2.1 核燃料
铀-235是三种易裂变核素(235U，239Pu，233U)中惟一天然存在 的一种，它在天然铀中的丰度为0.71％
铀浓缩的工艺
气体扩散法：
气体扩散法的原理是基 于两种不同分子量的气体 混合物在热运动平衡时， 具有相同的平均动能，但 速度不同。较轻分子的平 均速度大，较重分子的平 均速度小。
2.保证燃料组件和控制棒组件对中，对控制棒的运动起导向作用；
3.分隔堆内冷却剂，使冷却剂按一定方向流动；
4.固定和引导堆芯温度和中子通量测量装置，补偿堆芯和支撑部 件的膨胀空间；
5.减弱中子和伽玛射线对压力容器的辐照，保护压力容器，延长 压力容器的使用寿命。
2010.07 11
3.2 核反应堆材料
第三章 核反应堆结构与材料
3.1 压水堆结构
3.1.1 概述
堆芯支撑 结构
控制棒驱动机构
堆芯
压力容器
压水堆的纵剖面
2010.07 2
3.1 压水堆结构
堆芯和压力容器的断面
2010.07 3
3.1 压水堆结构
3.1.2 反应堆压力容器
三门核电站AP1000 的压力容器
一座100万千瓦压水堆核电 站的压力壳，高12~13 m，直 径5~6 m，壁厚250 mm，总重 量达400~500 t。
2010.07 15
3.2 核反应堆材料
核燃料在反应堆内长期工作，应满足： 1.热导率高，以承受高的功率密度和高的比功率，而不产生过高 的燃料温度梯度； 2.耐辐照能力强，以达到高的燃耗； 3.燃料的化学稳定性好，与包壳相容性好，对冷却剂具有抗腐蚀 能力； 4.熔点高，且低于熔点时不发生有害的相变； 5.机械性能好，易于加工。
料组件。相对于每个燃料组件， 栅格板上钻有冷却剂通道孔。
堆内下部构件
2010.07 7
3.1 压水Fra Baidu bibliotek结构
3.堆芯围板 围板是一组垂直平板，用于
包围堆芯，减小冷却剂旁流量。
4.热屏 热屏是具有一定厚度的不锈
钢钢筒，用于防止堆芯对压力 容器的直接辐射。
5.二次支撑组件 二次支撑组件由二次支撑板
和悬挂在堆芯支撑板下的支撑 柱组成。用于吊篮断裂时，缓 冲堆芯下落，保护压力容器。
一座110万千瓦沸水堆核电 站的压力壳，高约22 m，直径 6.4 m，壁厚约160 mm。
压力容器的制造材料要求 强度高、韧性好、耐高温腐蚀、 耐辐照，并且导热性能好，易 于加工和焊接。
2010.07 4
反应堆 容器顶 盖
压力 容器 筒体
3.1 压水堆结构
反应堆压力容器本体结构
2010.07 5
核反应堆内使用的材料处于高温、高压、高中子通量和射线 辐照下，因此对核反应堆内的材料有一些特殊要求。
合理地选择反应堆材料是保证反应堆安全性、可靠性、经济 性的关键。
反应堆内的材料大致可分为： 1.核燃料； 2.结构材料； 3.慢化剂材料和冷却剂材料； 4.控制材料。
2010.07 12
3.2 核反应堆材料
当控制棒组件在上下抽插时 导向筒起导向作用。
4.支撑柱 支撑柱是支撑板和上栅格
板之间的连接件。它的作用 是使两板保持一定距离，并 传递机械载荷。
堆内上部构件
2010.07 10
3.1 压水堆结构
堆内构件的作用： 1.使堆芯燃料棒组件、控制棒组件、可燃毒物组件等定位及压紧， 防止这些组件在运行过程中移动；
气体扩散法示意图
2010.07 13
3.2 核反应堆材料
离心机法：
在高速旋转的离心机中，由于很 强的离心力场的作用，较重的分子 靠近外周浓缩，较轻的分子靠近轴 线浓缩，从而可以实现轻、重同位 素的分离。
离心机法示意图
2010.07 14
3.2 核反应堆材料
激光法： 激光法是利用同位素质量差所引起的激发能差别，根据不
另一方面， α相铀中裂变气体（氙和氪）的溶解度很低， 随着燃耗的增加，气体会在铀中形成气泡，导致铀棒的肿胀。
在铀中添加少量合金元素（钼、铬、铝、锆、铌、硅等）， 能使铀稳定在β和γ相，从而改善某些机械性能；
核动力反应堆通常使用的燃料分为三种类型： 金属型、陶瓷型和弥散体型。
2010.07 16
3.2 核反应堆材料
3.2.1.1 金属型燃料 金属型核燃料包括金属铀和铀合金两种。
金属铀的优点： 密度高、导热性好、单位体积内含易裂变 核素多、易加工。
缺点： 燃料可使用的温度低，一般在350~450 ℃ ； 化学活性强，在常温下也会与水发生剧烈 反应而产生氢气；在空气中会氧化，粉末 状态的铀易着火；在高温下只能与少数冷 却剂（二氧化碳和氦）相容。
同同位素原子(或由其组成的分子)在吸收光谱上的微小差别 (称为同位素位移)，用线宽极窄即单色性极好的激光，选择 性地将某一种原子(或分子)激发到特定的激发态，再用物理 或化学方法使之与未激发的原子(或分子)相分离。
目前对于铀同位素最具有实用价值的激光法： 原子蒸汽激光分离法(atomic vapor laser isotope separation) 分子激光分离法(molecule laser isotope separation)
2010.07 17
3.2 核反应堆材料
金属铀有三种不同的结晶构造： <665 ℃，菱形晶格的α相，铀的强度很高； 665~770 ℃，正方晶格的β相，铀变脆； >770 ℃，体心立方晶格的γ相，铀变得很柔软不坚固。
金属铀的熔点为1130 ℃，沸点约3600 ℃。
2010.07 18
3.2 核反应堆材料
3.1 压水堆结构
反应堆压力容器的组成
2010.07 6
3.1 压水堆结构
3.1.3 反应堆堆内构件
? 堆内下部构件
1.堆芯吊篮和堆芯支撑板 吊篮的筒体是圆筒形的不锈
钢构件，悬挂在压力容器上； 堆芯支撑板被焊接在吊篮下部， 堆芯的重量由支撑柱传递到支 撑板上。
2.堆芯下栅格板 下栅格板使用定位鞘固定燃
堆内下部构件
2010.07 8
3.1 压水堆结构
? 堆内上部构件
1.堆芯上栅格板 上栅格板用于固定堆芯组
件，带有和下栅板一样的流 水孔。
2.导向管支撑板 支撑板通过压力容器顶盖
和压紧弹簧来固定。它对堆 芯吊篮起到固定作用。
堆内上部构件
2010.07 9
3.1 压水堆结构
3.控制棒导向管 导向管内装有导向活塞，
3.2.1 核燃料
铀-235是三种易裂变核素(235U，239Pu，233U)中惟一天然存在 的一种，它在天然铀中的丰度为0.71％
铀浓缩的工艺
气体扩散法：
气体扩散法的原理是基 于两种不同分子量的气体 混合物在热运动平衡时， 具有相同的平均动能，但 速度不同。较轻分子的平 均速度大，较重分子的平 均速度小。
2.保证燃料组件和控制棒组件对中，对控制棒的运动起导向作用；
3.分隔堆内冷却剂，使冷却剂按一定方向流动；
4.固定和引导堆芯温度和中子通量测量装置，补偿堆芯和支撑部 件的膨胀空间；
5.减弱中子和伽玛射线对压力容器的辐照，保护压力容器，延长 压力容器的使用寿命。
2010.07 11
3.2 核反应堆材料
第三章 核反应堆结构与材料
3.1 压水堆结构
3.1.1 概述
堆芯支撑 结构
控制棒驱动机构
堆芯
压力容器
压水堆的纵剖面
2010.07 2
3.1 压水堆结构
堆芯和压力容器的断面
2010.07 3
3.1 压水堆结构
3.1.2 反应堆压力容器
三门核电站AP1000 的压力容器
一座100万千瓦压水堆核电 站的压力壳，高12~13 m，直 径5~6 m，壁厚250 mm，总重 量达400~500 t。
2010.07 15
3.2 核反应堆材料
核燃料在反应堆内长期工作，应满足： 1.热导率高，以承受高的功率密度和高的比功率，而不产生过高 的燃料温度梯度； 2.耐辐照能力强，以达到高的燃耗； 3.燃料的化学稳定性好，与包壳相容性好，对冷却剂具有抗腐蚀 能力； 4.熔点高，且低于熔点时不发生有害的相变； 5.机械性能好，易于加工。
料组件。相对于每个燃料组件， 栅格板上钻有冷却剂通道孔。
堆内下部构件
2010.07 7
3.1 压水Fra Baidu bibliotek结构
3.堆芯围板 围板是一组垂直平板，用于
包围堆芯，减小冷却剂旁流量。
4.热屏 热屏是具有一定厚度的不锈
钢钢筒，用于防止堆芯对压力 容器的直接辐射。
5.二次支撑组件 二次支撑组件由二次支撑板
和悬挂在堆芯支撑板下的支撑 柱组成。用于吊篮断裂时，缓 冲堆芯下落，保护压力容器。
一座110万千瓦沸水堆核电 站的压力壳，高约22 m，直径 6.4 m，壁厚约160 mm。
压力容器的制造材料要求 强度高、韧性好、耐高温腐蚀、 耐辐照，并且导热性能好，易 于加工和焊接。
2010.07 4
反应堆 容器顶 盖
压力 容器 筒体
3.1 压水堆结构
反应堆压力容器本体结构
2010.07 5
核反应堆内使用的材料处于高温、高压、高中子通量和射线 辐照下，因此对核反应堆内的材料有一些特殊要求。
合理地选择反应堆材料是保证反应堆安全性、可靠性、经济 性的关键。
反应堆内的材料大致可分为： 1.核燃料； 2.结构材料； 3.慢化剂材料和冷却剂材料； 4.控制材料。
2010.07 12
3.2 核反应堆材料
当控制棒组件在上下抽插时 导向筒起导向作用。
4.支撑柱 支撑柱是支撑板和上栅格
板之间的连接件。它的作用 是使两板保持一定距离，并 传递机械载荷。
堆内上部构件
2010.07 10
3.1 压水堆结构
堆内构件的作用： 1.使堆芯燃料棒组件、控制棒组件、可燃毒物组件等定位及压紧， 防止这些组件在运行过程中移动；
气体扩散法示意图
2010.07 13
3.2 核反应堆材料
离心机法：
在高速旋转的离心机中，由于很 强的离心力场的作用，较重的分子 靠近外周浓缩，较轻的分子靠近轴 线浓缩，从而可以实现轻、重同位 素的分离。
离心机法示意图
2010.07 14
3.2 核反应堆材料
激光法： 激光法是利用同位素质量差所引起的激发能差别，根据不