反应堆结构

反应堆结构及几种典型反应堆系统

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。如下图

它可分为反应堆堆芯、堆内构件、反应堆压力容器和顶盖控制棒驱动机构四部分。下面主要介绍反应堆堆心和压力容器。

1、反应堆堆芯：

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。

1.1、燃料组件：

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。如下图

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。

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。

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。

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。

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。

1.2、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。如下图

1.3、控制棒组件：

控制棒组件（RCCA）是反应堆控制部件，由吸收中子能力很强的材料制成，可以控制核裂变的速率。在正常工况下它们用于启动反应堆、调节堆功率和停堆。在事故工况下，控制棒依靠自身重力快速下插，使反应堆在极短时间内紧急停堆，以保证安全。

每个控制棒组件有24根中子，它们顶端固定在一个星形架上。星形架包括一个连接柄和若干带有圆筒形指杆的翼片，吸收棒就悬置在指杆上。在连接柄的上端，有与控制棒驱动机构的驱动杆相连的槽口和供吊运用的凹槽。在连接柄内的底部装有一个弹簧，以便在控制棒紧急下落到终端时吸收冲击能量，起缓冲作用。星形架由304不锈钢制成，而弹簧材料是因科镍-718。

控制棒组件分两类。一类由24根吸收剂棒组成，吸收能力强，称为黑棒组件；另一类由8根吸收剂棒和16根不锈钢棒组成，吸收能力弱，称为灰棒组件。控制棒结果如下页图

2、压力容器：

反应堆压力容器是用来固定和包容堆芯、堆内构件，使核燃料的链式裂变反应限制在一个密封的金属壳内进行。如果说燃料元件包壳是防止放射物质外逸的第一道屏障，则包容整个堆芯的压力容器就是第二道屏障。反应堆压力容器又称为压力壳，是由两个组件即容器本体以及用双头螺栓联接的反应堆容器顶盖组成。反应堆容器是由低合金锻钢单个环形锻件焊接而成。这些无纵焊缝的单个锻制部件，逐一用全焊透的环焊缝连成一体。堆容器包容堆内构件、堆芯以及作为冷却剂、慢化剂和反射层的水，凡是与回路冷却剂接触的容器内表面，都堆焊不锈钢覆面层，其厚度不小于5mm。堆容器本体从上而下由一只上法兰、一个密封台肩、一节接管段、二节堆芯包容环段、一节过渡段、一只半球形下封头组成。下图为反应堆压力容器本体结构。

当前压水堆压力容器普遍选用的是低合金钢；主要是锰—钼系列，这种钢具有良好的导热性(是不锈钢的三倍)，因而在温度变化时热应力较小；很好的可焊性；具有良好的抗辐照脆化能力，便于加工，成本较低。目前，美国广泛采用SA508-Ⅲ合金钢作锻件，SA533B-1合金钢作板材。这些钢是美国反应堆容器所用的主要材料，法国的钢种与美国用的SA508-Ⅲ级相似。大亚湾核电厂反应堆容器材料成分为：碳<0.25％，添加少量的合金元素为锰1.15~1.5％，钼：0.6％，镍：0.4-1.0％。

2.1、上法兰：

在法兰上，为装58只锁紧螺栓钻有58个未穿透的螺纹孔；与反应堆容器顶盖匹配的不锈钢支承面。反应堆容器的密封由两个特殊设计的、连在顶盖法兰上的O形密封环来保证。

2.2、密封台肩：

将锻压的环形密封台肩与反应堆容器上法兰焊接，密封台肩直接与密封环焊接，以防止反应堆容器与反应堆堆腔基板之间的泄漏。

2.3、接管段：

六只接管径向地插入接管段，并用全焊透焊缝加以焊接。每一条传热环路的

进、出口接管相隔成50°夹角，而每一对接管沿反应堆容器圆周成120°对称分布；出口接管的内侧有一节围筒，使出口接管与堆芯吊篮开口之间形成连续过渡。每个接管的外端焊一段不锈钢安全端。这样，采用同种材料就允许在现场把一回路管道与堆容器接管焊接相连。为了把反应堆容器安放在支承结构上，六只接管底部有支撑座，它们放在整体支承环的支承导向板上。

2.4、堆芯包容环段：

在反应堆容器接管段下面，堆芯高度的圆筒形部分是由两段对接焊接的筒体构成，因科镍制的导向键焊在堆芯包容环段的下部，用来给堆内构件导向并限制位移。

2.5、过渡段：

过渡段把半球形的下封头和容器和筒体段联接起来。

2.6、下封头：

由热轧钢板锻压成半球形封头。下封头上装有50根因科镍导向套管，为堆内中子通量测量系统提供导向。利用部分穿透焊工艺将导向套管焊在下封头内。

下表为反应堆压力容器的主要设计参数

以上是对反应堆结构的分析。下面介绍目前几种典型的反应堆系统

3、反应堆系统：