哈工大反应堆结构与材料-核反应堆结构-4

➢ 低密度芯块对减小肿胀有利（结构）
➢ 实践中一般认为目前芯块密度是理论密度的92-95％，现代 压水堆都取95％UO2理论密度为芯块的密度。大亚湾核电厂 的UO2芯块密度为重10.4g／cm3。
➢ 在某些因素，如径向温度梯度，辐照的影响下，燃料 芯块出现收缩导致燃料密实化(即热致密化和辐照致 密化)，从而造成燃料包壳的塌陷。一般说来，燃料 密实化的速率取决于燃料的气孔尺寸、密度和晶粒大 小等因素。实验表明，采用大晶粒(大于10μm)并尽量 减少小于2 μm以下的气孔的芯块，可以消除燃料的密 实化。
堆芯具有很高的功率密度，为防止元件过热，必须保证 最热的元件棒也能获得充分的冷却。为此必须限制堆内 燃料元件的最大表面热流密度。实践中通常限定燃料元 件棒单位长度发热率即线功率不超过400W／cm，相应 的最大表面热流密度约为140W／cm2
燃料芯块
➢ 燃料芯块由低富集度的二氧化铀粉末经冷压，烧结 成所要求密度的块，经滚磨成一定尺寸(直径8.19 mm，高度13.5mm)的正圆柱体。
➢ 管座的围板是正方形薄壁管式壳体，它组成了管座 的水腔。
➢ 顶板是正方形中心带孔的方板，以便控制棒束通过 管座插入燃料组件的导向管，并使冷却剂从燃料组 件导入上部堆内构件区域。顶板的对角线上有两个 带有直通孔的凸台，它们使燃料组件顶部定位和对 中。与下管座相似，上管座顶板上的定位孔与堆芯 上栅格板的定位销相配。
➢ 二氧化铀芯块在辐照期间变成砂漏时钟形是形成环 脊变形的重要原因，环脊的产生与以下参数有关： 功率大小，功率增长速率、燃耗、芯块密度、端面 形状及燃料与包壳的间隙等。
➢ 一般烧结后芯块内部存在一些细孔
➢ 容纳绝大部分裂变气体 ➢ 减缓芯块密实化效应
➢ 芯块端面呈浅碟形和芯块内部存在细孔这两项措施， 对于防止燃料芯块的辐照肿胀引起包壳蠕变导致包 壳破损也有明显的良好效果。
测量导管位于组件中央位置，如果燃料组件处于堆 芯需要测量中子通量的位置，测量导管就为插入堆 芯内测量中子通量的探测器导向并提供了一个通道。 根据燃料组件在堆内所处的具体位置，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 或阻塞组件提供了通道。
燃料棒在组件中，其两端分别与上管座、下管座之 间留有间隙，允许燃料棒膨胀，而不会引起棒弯曲。 燃料棒在组件中无结构上的功能，全部结构强度都 由定位格架，上管座、下管座和控制棒导向管提供， 也就是说，从结构上看，核燃料组件是由燃料元件 棒和组的“骨架”结构两个部件所组成。
压水堆堆芯组件
组成：压水堆堆芯由核燃料组件、控制棒组
件、固体可燃毒物组件、中子源组件和阻力 塞组件等组成。
❖ 核燃料组件
把若干个燃料元件棒组装成为便于装卸、搬运及更换的 棒束组合体称为燃料组件。压水堆的燃料组件在堆芯中 处在高温、高压、强中子辐照、冲刷和水力振动等恶劣 条件下长期工作，因此燃料组件性能的好坏直接关系到 反应堆的安全可靠性、经济性和先进性。
➢ 最终成形的弹簧组合件形成两个相背的弹簧分别顶 住相邻栅元的两根燃料棒，这样，弹簧作用在条带 上的力自然抵消了，也就减少了格架的应力
➢ 在导向管栅元里，外条带上只有刚性凸起，不需设 置弹簧。
➢ 安装：定位格架通过条带上的调节片直接点焊在导 向管上与其相连。在格架的四周外条带的上缘设有 导向翼，并按照避免装卸操作时相邻组件的格架相 互干扰的方式布置，在高通量区的六个格架(即从下 至上第2至第7个格架)在内条带上还设置有搅混翼， 以促进冷却流的混合，有利于燃料棒的冷却和传热。
➢ 压水堆燃料包壳管几乎都是锆-4合金冷拉而成的。
➢ 大亚湾核电厂的核燃料元件包壳外径为9.5mm。
➢ 压水堆燃料元件包壳的壁厚设计主要是从结构强度 和腐蚀两方面考虑。
➢ 元件是靠包壳本身的强度抵抗冷却剂的外压，不发生倒 塌而保持其形状．
➢ 随着燃耗的加深，包壳管因燃料肿胀和裂变气体压力而 造成的周向变形，不应超过由经验所确定的极限值(目前 压水堆包壳的最大容许周向变量不应超过1％)。
➢ 承接板呈正方形，上面加工了许多长孔，让冷却剂 流经此板，加工成的圆形孔用于与导向管相连，承 接板起燃料组件上格板的作用，既使燃料保持一定 的栅距又能防止燃料棒从组件中向上弹出。
➢ 导向管的上端有一节锆4合金焊接套管，套管上有 段内螺纹，其外与承接板相配，并用一个不锈钢钉 锁住，用导向管与下管座连接的同样方法，在转动 方向和轴向上得到固定，通过这种连接，作用在燃 料组件上的任何轴向载荷都均匀地分布在导向管上。
燃料元件棒是堆芯的核心构件，是核链式裂变反应的中 心，也是设备的热源。
芯块温度限制：为了确保燃料元件棒在整个寿期内的完 整性，必须限制燃料和包壳的使用温度。用UO2作燃料 芯块，其最高工作温度应低于UO2的熔点(2865土5℃)。 在目前的设计中，一般取2200~2400℃左右。
包壳温度限制：锆合金包壳的工作温度限为350℃以下 (锆-2合金一般取316℃)，为防止元件棒烧毁，还应确保 在超功率运行时最小烧毁比不小于1.3。
➢ 燃料芯块设计要综合考虑物理、热工、结构等方面 的因素
➢ 为了减小芯块的膨胀和肿胀，从而减少芯块与包壳 的相互作用，每个芯块的端面呈浅碟形，芯块形状 目前皆采用碟形加倒角的结构型式
➢ 芯块的两端面做成碟形，以便补偿中心部位较大的热膨 胀和肿胀，减小包壳管可能产生的轴向变形
➢ 但端面只有碟形的芯块比平端芯块有更大“环脊”。所 以普遍采用碟形加倒角芯块。
控制棒导向管 ：
➢ 在标准的17×17燃料组件中，导向管占据24个栅元，它们为 控制棒插入和抽出提供导向的通道，导向管由一整根锆-4合 金管子制成。其下段在第一和第二格架之间直径缩小，在紧 急停堆时，当控制棒在导向管内接近行程底部时，它将起缓 冲作用，缓冲段的过渡区呈锥形，以避免管径过快变化，在 过渡区上方开有流水孔，在正常运行时有一定的冷却水流入 管内进行冷却，而在紧急停堆时水能部分地从管内流出，以 保证控制棒的冲击速度被限制在棒束控制组件最大的容许速 度之内，又使缓冲段内因减速而产生的最大压力引起导向管 的应力不超过最大许用应力。缓冲段以下在第一层格架的高 度处，导向管扩径至正常管径，使这层格架与上面各层格架 以相同的方式与导向管相连。
➢ 此外，为了降低运行过程中包壳管的内外压差，防止包 壳管的蠕变塌陷和改善燃料元件的传热性能，现代压水 堆燃料元件棒设计都采用了预充压技术，即在包壳管内 腔预先充有30bar的惰性气体氦，当燃料元件棒工作到 接近寿期终了时，包壳管内氦气加上裂变气体的总压力 同包壳管外面冷却剂的工作压力值相近。
燃料元件包壳
➢ 为了使导向管端塞定位 和连接锁紧，在导向管 的四周加工了凹口，锆 -4合金制螺纹塞头拧紧 并焊在导向管的底部。
中子通量测量管 ：放在燃料组件中心位置的通量测 量管是用来容纳堆芯通量探测器的钢护套管。通量 测量管由锆-4合金制成，直径上下一致，其在格架 中的固定方法与导向管相同。
下管座 ：
上管座
➢ 作用：上管座是一个箱式结构，它起着燃料组件上 部构件的作用，并构成了一个水腔，加热了的冷却 剂由燃料组件上管座流向堆芯上栅格板的流水孔。 上管座还构成燃料组件相关部件的护罩。
➢ 构成：上管座由承接板、围板、顶板，四个板弹簧 和相配的零件组成。除了板弹簧和它们的压紧螺栓 用因科镍718制造之外，下管座的所有零件都用304 型不锈钢制造。
➢ 导向管与下管座的连接借助其螺纹塞头来实现，螺 纹塞头的端部带有一个卡紧的薄圆环，用胀管工具 使圆环机械地变形并镶入管座内带凹槽的扇形孔中； 螺纹塞头旋紧在合金端塞的螺孔中将导向管锁紧在 下管座中。
➢ 组件重量和施加在组件上的轴向载荷，经导向管传 递，通过下管座分部到堆芯下栅格板上。燃料组件 在堆芯中的正确定位由对角线上两个支撑脚上的孔 来保征，这两个孔和堆芯下栅格板上的两个定位销 相配合，作用在燃料组件上的水平载荷通过定位销 传送到堆芯支承结构上。
集气空腔和充填气体
➢ 芯块和包壳间留有轴向空腔和径向间隙，它们的作用是： 第一，补偿芯块轴向的热膨胀和肿胀；第二，容纳从芯 块中放出的裂变气体，把由于裂变气体造成的内压上升 限制在适当的值，以避免包壳或密封焊接处应力过大， 同时，为了限制芯块在燃料元件的运输和吊装过程中的 轴向撞动，在轴向空腔处装入压紧弹簧，弹簧一般是用 不锈钢制造的。
➢ 结构外形：定位格架由锆-4合金条带制成，呈 17×17正方栅格排列，条带的交叉处用电子束焊双 边点焊连接，外条带比内条带厚，内条带的端部焊 在条带上，外条带端部由三道焊缝连接；使格架能 在运输及装卸操作过程中很好地保护燃料棒。
➢ 具体结构：在格架栅元中，包括有弹簧、刚性凸起 来定位，两者共同作用使棒保持中心位置．
2~3 μm。
➢ 大亚湾核电厂燃料元件包壳管壁厚为0.57mm
➢ 包壳管内壁和燃料芯块的径向间隙的大小与导 热系数有密切关系（传热性能）
❖ 核燃料组件的“骨架”结构
定位格架
➢ 作用：燃料组件中，燃料棒沿长度方向由八层格架 夹住定位，这种定位使棒的间距在组件的设计寿期 内得以保持。格架的夹紧力设计成既使可能发生的 振动减到最小，又允许有不同的热膨胀滑移，也不 致引起包壳的超应力。
➢ 在化学上要注意下面两点 ：
• 燃料包壳到燃料寿期末期的吸氢量不得超过容许值 (有的文献认为，在寿期终了包壳含氢量为250ppm 是可以接受的，但无论如何不应高于600ppm)。
• 包壳的腐蚀量不得大到破坏包壳材料完整性程度。 元件棒寿期末包壳壁最大腐蚀穿透深度应低于其原 来壁厚的10％，或限制氧化层的最大厚度不超过
❖ 燃料元件棒
典型结构：它是由燃料 芯块、燃料包壳管、压 紧弹簧、上端塞、下端 塞等几部分组成。二氧 化铀芯块叠置在锆-4合 金包壳管中，装上端塞， 把芯块燃料封焊在里面， 从而构成燃料棒。包壳 既保证了燃料棒的机械 强度，又将核燃料及其 裂变产物包容住，构成 了强放射性的裂变产物 与外界环境之间的第一 道屏障。
➢ 氢脆效应：在反应堆启动后，燃料吸收的水分将释 放出来，并在辐照作用下分解为氢氧根和氢，其中 氢被锆合金吸收形成氢化锆，使材料性能变脆。
➢ 通常规定每3.66m不得超过60mg的含水量或每块芯块的 含水量不得超过重10ppm。
❖ 芯块密度
➢ 芯块的密度对导热系数、热容量有很大影响（传热）
➢ 为了使芯块的温度下降，密度高是有利因素
❖ 燃料棒Biblioteka Baidu有足够的预留空间和间隙，可以容纳燃料 释放出的裂变气体，允许包壳及燃料的不同热膨胀 和燃料肿胀，使包壳和端塞焊缝都没有超应力的风 险。间隙内充填一定压力的氦气，以改善间隙内的 热传导性能。
❖ 在燃料芯块柱与端塞之间装有一个不锈钢螺旋形压 紧弹簧，以防止运输或操作过程中芯块在包壳管内 窜动。改进型燃料组件燃料棒的端塞设计成便于组 件中燃料单棒的抽换。端塞以有一圈径向槽为特点， 便于专用的抽拔工具夹紧燃料棒。
➢ 所谓“环脊”就是由于燃料的热膨胀分均匀和非均 匀两部分。有温度梯度存在时，有限圆柱体内部的 温度比外部的温度高得多。因而内部伸长也就比外 部大，结果氧化物燃料元件受到辐照时，有时在元 件棒沿轴向每隔一定距离就发生“环脊”现象。这 些环节峰与芯块界面重合，并围绕包壳圆周伸展开 来，使燃料棒的芯块与包壳之间的间隙变得小。
➢ 下管座是一个正方形箱式结构，它起着燃料组件底 部构件的作用，又对流入燃料组件的冷却剂起着流 量分配作用。下管座由四个支撑脚和一块方形孔板 组成，都用304型不锈钢制造。支撑脚焊在方形孔板 上形成一个水腔，以供冷却剂流入燃料组件，方形 孔板上的孔布置成既起冷却剂流量分配的作用，又 使燃料棒不能通过孔板。
现代压水堆普遍采用了无盒、带指形控制组件的棒束型 核燃料组件，组件内的燃料元件按正方形排列。
现代压水堆大多核燃料组件由燃料棒、导向管、定位格 架和上下管座组成，燃料棒呈17×17正方形排列。导向 管与八层格架和上下管座连接，组成基本的燃料组件结 构骨架，而燃料棒被支撑并夹紧在这个结构骨架内，棒 的间距沿组件的全长保持不变，每个组件共有289个栅 元，设有24根导向管和一根堆内通量测量管，其余264 个栅元装有燃料棒。