第四章 AP1000反应堆结构设计(杜圣华)

图
法 国
－ 3G
4.1.2
AFA
燃 料 组 件
图
4.1.3 P
西 屋 ＋ 燃 料 组 件
（3）上、下管座 上管座：优化上管座弹簧压紧力，改进流水孔孔
型
下管座：过滤异物 上下管座，均为可拆连接件 （4）燃料棒 细棒径9.59mm，大晶粒UO2芯块。
表4.1 国外四种型号高性能燃料组件参数
表4.2 国外四种型号高性能燃料组件参数比较
类型
项目 定位格架 形式 中间格架数 交混格架数 端部格架数 保护格架 上、下管座： 上管座形式 下管座形式 可燃毒物： 材料 形式 燃耗深度： 堆芯平均卸料燃耗 燃料燃耗限值 燃料循环相对成本 核电站使用经验 45000MWd/TU 55000MWd/TU 88% 九十年代末开发， 尚处试用阶段 45000MWd/TU 55000MWd/TU 88% 1989年开发，现 正广泛使用 45000MWd/TU 55000MWd/TU 88% 1992年开发，现 已有8万组件应用 88% Gd2O3 UO2+ Gd2O3芯块 Gd2O3 UO2+ Gd2O3芯块 ZrB2 TFB芯块 Gd2O3 板弹簧可拆结构 方孔形滤网 板弹簧可拆结构 小圆孔形滤网 板弹簧可拆结构 小圆孔形滤网 板弹簧可拆结构 曲板滤网 双金额格架 6-7（14英寸） 3-4 2 双金额格架 6-7（14英寸） 3-4 2 双金额格架 6-7（14英寸） 3-4 2 / 双金额格架 6-7（14英寸） 3-4 2 AFA－3G Vantage+ Performance+ HTP
型锆合金：ZiRLo，M5,ELS-DUPLex锆合金。
（2）非活性段材料
上下管座为304不锈钢，弹簧为低钴因科镍－718
合金。

结构形式 保护格架，中间格架，端部格架，要求吸收中子
（1）定位格 少的锆合金条带，带导向翼，中间格架有搅混冷却功
能，冲制成形，激光焊接。
（2）导向管
带水力缓冲器，上、下可拆结构
杜 圣
华
上海核工程研究设计院 2008年7月
目 录
4.1 堆芯结构设计 4.2 反应堆堆内构件 4.3 反应堆压力容器及一体化顶盖 4.4 反应性控制及控制棒驱动机构
4.5 反应堆本体配套部件
4.1 堆芯结构设计 AP1000堆芯由157个燃料组件，69束控制棒，几 十个可燃毒物和阻力塞组件及4个中子源组件，构成 等效直径为3.04m，活性区高度为4.267m的核裂变反 应区。 图4.1.1 堆芯布臵 功能： 实现核燃料裂变并将核能转化为热能，既是释放 能量，又是强放射性源。 燃料棒包壳是放射性裂变产物的首道屏障。 燃料组件栅格排列保持核设计中堆芯水铀体积比。
AP1000堆芯采用燃料是基于RFA燃料组件（Robust
Fuel Assembly）和RFA-2燃料组件并经改进，它在抗腐蚀、 燃耗性能、抗异物、机械稳定性、热工水力性能和核性能 等方面有所改进。 AP1000燃料组件是17X17加长型（XL）燃料组件（见
图4.1.4）。每个组件有264根包壳材料为ZLROTM的燃料棒，
图
4.1.1
堆 芯 布 置
组件结构可为控制棒、可燃毒物、中子源、阻力塞 和中子探测提供导向，插入和冷却条件。 组件结构为冷却剂流动和带出热量分布均匀。 燃料组件为安全三级，抗震类别为SSE，质量等级 为QA1级。 设计准则： 在冷却剂压力，温度下燃料棒包壳必须自立 设计寿期内，燃料棒不应发生蠕变坍塌 设计寿期内棒内部气体压力低于冷却剂工作压力 最热燃料芯块中心温度低于二氧化铀燃耗相应熔点 包壳有效应力不超过材料辐照后屈服强度
4.1.2 控制棒组件 功能：控制棒组件是用来控制核反应堆核裂变反应， 启动和停堆，调节反应堆的功率，抑制氙振荡。在事故 工况下快速下插，短时期内紧急停堆，以保证反应堆安 全。 设计准则： 中子吸收体最高中心温度低于熔点，棒表面不发生 体积沸腾 棒包壳在压力，高温下必须自立 控制棒包壳长期使用不发生蠕变坍塌 棒内气体压力低于冷却剂工作压力
在限值之内不发生失稳
组件结构设计：
国外压水堆高性能燃料组件的开发按17×17-25
型排列主要有三种结构型式：法国的AFA－3G,西屋
Performavce+和西门子动力公司的HTP。 图4.6.2，4.6.3，4.6.4。

Hale Waihona Puke Baidu
结构材料：
（1）活性段结构材料
包括燃料棒包壳、导向管、通量管和定位格架。
采用吸收中子少，耐腐蚀，低辐照生长和低蠕变的新
15年运行经验，满足24个月的循环换料和高燃耗及铀浓
度高负载的要求。
7）轴向浓度分区 有些燃料棒的顶部和底部设臵铀-235低富集度。两 端区的燃料利用没有中间部分有效，将有更高富集度的 燃料放在利用率高的中间区，提高燃料有效利用。设臵 轴向低富集区与轴向分区可燃毒物的应用相结合，提高 燃料有效利用，并不影响热工裕度。 8）一体化燃料可燃毒物 燃料组件中有些棒的芯块涂有硼化锆可燃吸收体。 用于补偿堆芯循环初期的后备反应性。一体化可燃毒物 （IFBA）与分列式可燃料吸收体相比，优点是：几乎没 有燃料和挤水的中子损失，减少线发热率；更精确的预 计燃耗；增加堆芯燃料装载灵活性和节约成本等。
表4.2 国外四种型号高性能燃料组件参数
表4.1 国外四种型号高性能燃料组件参数比较
类型
项目 几何尺寸： 栅元排列 燃料棒直径mm 燃料棒数 中子测量管数 导向管数 棒栅元距cm 组件间距cm 组件边长cm 芯块直径mm 芯块高度mm 燃料棒长度cm 结构材料： 包壳材料 导向管材料 定位格架材料 搅混格架材料 端部格架材料 上、下管座材料 AFA－3G 17×17 9.5 ×0.57 264 1 24 1.26 21.504 21.402 8.19 13.5 385.15－448.8 M5 Zr-4 Zr-4-Inconel Zr-4-Inconel Inconel 304 Vantage+ 17 ×17 9.5 ×0.57 264 1 24 1.26 21.504 21.402 8.19 13.5 385.15－448.8 ZrRLTM Zr-4 Zr-4 Zr-4 Inconel 304 Performance+ 17×17 9.5 ×0.57 264 1 24 1.26 21.504 21.402 8.19 13.5 385.15－448.8 ZiRLOTM ZiRLOTM Zr-4-Inconel Zr-4-Inconel Inconel 304 HTP 17 ×17 9.5 ×0.57 264 1 24 1.26 21.504 21.402 8.19 13.5 385.15－448.8 ELS-DoPLEX合金 ZiRLOTM Zr-4-Inconel Zr-4-Inconel Inconel 304


控制组件在规定步跃及快插次数下应保持完整性
控制棒及导向管水力缓冲应吸收其能量，减少对导 控制组件必须具有互换性，并在抽插过程中抽插力 在事故工况下控制组件所产生的变形，不影响反应
向管冲击力
在设计限值内 堆的紧急停堆功能
结构设计：
AP1000堆芯内设臵有69束控制棒，分为黑体棒和灰
棒两类黑体棒（碳化硼/银铟镉合金）53束，灰棒（银
的磨蚀裕量。
5）中间搅混格架
AP1000燃料组件上部四个中间定位格架之间增加四
个中间流量搅混（IFM）作用的格架，提供了额外的流
体搅混，增加了燃料的传热能力，改善燃料组件偏离泡 核沸腾热工水力性能。对称布臵，减少扭力，采用 Z1RLO材料。 6）Z1RLO燃料棒包壳
Z1RLO合金的包壳管材料堆内运行性能良好，已有
图
4.1.8
图
4.1.9
西屋公司设计采用湿环形的可燃毒物组件（简称
WABA）组件。
WABA的可燃毒物由AL2O3-B4C环状芯块构成，它被包
在二个同芯，锆管内见图4.1.9。运行时冷却水可以从 棒外和棒内孔流过冷却可燃毒物吸收体，又增加中子慢
3）可拆卸上、下管座
上、下管座设计成可拆卸，上管座通过管状插件胀
入导向管方法与导向管连接，带环形防松帽的套管螺栓
防松帽连接，将下管座与导向管连接固定。 4）Z1RLO材料的定位格架 Z1RLO合金具有中子吸收低，机械程度性能好优点， AP1000燃料的中间定位格架采用第三代搅混翼设计，对
称布臵消除原设计搅混翼存在净力和扭矩，还提供最大
304不锈钢（低钴）
AP1000燃料组件特点： 1）一体化上管座 AP1000燃料采用一体化上管座WIN设计，取消了约束压 紧弹簧的螺栓。避免发生弹簧螺栓断裂的可能性。消除运行 中断裂螺栓进入冷却剂系统成为损坏燃料的异物。 2）带异物过滤的下管座和保护格架 下管座为组件的第一道异物过滤装臵流水孔设计使异物 颗粒通过到燃料棒可能性最小，又不影响燃料组件水力和结 构强度。 保护格架增加一道抗异物屏障，保护格架与搅混格架相 似“蛋篓”状格架但没有搅混翼，高度矮，材料为镍基合金， 由于格架焊接交点与下管座滤网孔中心对准，减小了通过异 物的尺寸。


包壳周向弹性加塑性拉伸应变不超过1%
燃料棒包壳累积应变疲劳因子低于设计应变疲劳 包壳均匀腐蚀深度或磨蚀深度小于包壳壁厚的10% 燃料组件承受I、II类工况下流体引起振动，压力 燃料组件为控制棒提供通道，缓冲和冲击
寿命
波动流动不稳定引起作用


燃料组件为容纳相关组件并提供足够冷却
燃料组件在堆内能承受横向和轴向载荷，其变形
24根控制棒导向管，以及1根仪表测量管。上、下管座是 可拆卸的，可以更换损坏的燃料棒。 上管座使用一体化结构，定位格架是“蛋篓”焊接结 构，搅混格架与定位格架相似结构。未辐照过AP1000燃料
组件结构参数见表4.3。
图4.1.4 AP1000燃料组件
表4.3 未辐照过的AP1000燃料组件结构参数
总高（不包括顶部弹簧） 组件横截面长/宽 燃料长度 燃料棒长度 燃料棒内上空腔长度 燃料棒内下空腔长度 包壳材料 中间格架和搅混格架材料 底部和顶部格架材料 燃料芯块 下管座 材料 上管座 4795.5mm 214.02X214.02mm 4267.2mm 4583.2mm 164.46mm 122.56mm Z1RLO Z1RLO 718因科镍合金（低钴） 二氧化铀
铟镉合金/304ss）16束，每束控制组件的吸收棒数为24 根。 棒价值较低的控制棒（灰棒）在无须改变可溶硼浓 度情况下完成的负荷跟踪，采用自动负荷跟踪控制方法，
防止氙振荡，消除每天数千加仑水处理改变可溶硼浓度
的要求。灰棒组件结构与黑体棒组件相同只是吸收体和
动作要求不同。
控制棒组件：
吸收体采用碳化硼/银铟镉合金(80%Ag-15%In-5%Cd)
制成细棒，外包不锈钢包壳。
每束控制棒组件由24根控制棒和连接柄连接而成。 驱动机构通过连接柄带动组件上、下运动。 连接柄的终端丝扣与驱动轴传动杆可拆接头连接或 脱扣。
连接柄内下端设弹簧，对控制棒快速下插到底时起
缓冲作用。
图4.1.5 控制棒组件
图 4.1.6
图
4.1.7
表4.4控制组件参数：
高性能控制棒组件（EP－RCCA）设计特点：
（1）控制棒包壳表面喷涂0.0127mm的工业硬度的铬，
提高了控制棒耐磨性，延长使用寿命。
（2）提高控制棒材料纯度增加坑腐蚀性能。 （3）增加吸水体与包壳径向间隙由0.08mm提高到 0.21mm，减少棒的辐照变形。
4.1.3 可燃毒物组件 功能： 补偿部分剩余反应性，保持反应堆具有负的温度系数。 利用固体可燃毒物合理布臵，改善反应堆堆芯的功率分布。 设计准则类同控制组件。 结构设计： 可燃毒物组件由可燃毒物棒，连接板和弹簧压紧部件 等组成。 可燃毒物棒： 中子吸收体为随堆运行逐步烧掉的同位素如、硼、钆 及其它化合物，如硼硅玻璃、硼不锈钢、三氧化钆块等外 包不锈钢，两端密封。
黑体棒 灰棒
每束控制棒数 吸收体下部材料 外径
长度 上部材料 外径 长度 包壳材料 包壳厚度 棒外径
24 Ag-In-Cd 8.53mm
1500mm B10（19.9%） 8.53mm 2610mm 304不锈钢 0.47 9.68
24 304不锈钢 8.53
Ag-In-Cd 8.53 304不锈钢 0.47 9.68