第四章 压水反应堆结构与材料说课讲解

第四章 压水反应堆结构与材料
• 4.1反应堆本体结构概述
• 压水反应堆的本体结构由堆芯、堆 内构件、反应堆压力壳以及控制棒驱动 机构等几部分组成。
上封头
控制棒驱动机 构
堆芯吊兰
上栅格板
围板 下栅格板 堆芯支撑部件
下封头
压力容 器
• 4.2.1 燃料组件
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压水堆的燃料组件在堆芯中处在高温、
高压、高硼水、强中子辐照、腐蚀、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。
• 压水反应堆普遍采用低浓铀燃料，弹 簧定位格架，无盒的束棒燃料组件。燃料
组件由燃料元件棒、定位格架、组件骨架 等部件所组成。元件棒的排列有14×14， 15×15， 16×16和17×17等多种形式。 15×15排列的燃料组件已被广泛应用。秦 山核电厂压水堆燃料元件棒按15×15排列， 大亚湾核电厂压水堆燃料元件棒则按 17×17排列。
• ⑶包壳应力 包壳的应力分析与设计应满足 反应堆和压力容器有关的设计规范规定，以 保证有足够的机械强度和刚性。
• ⑷内部气体压力 包壳管内应有适宜的气体 压力。在元件临近寿期未了时，包壳管内部 的气体压力值应限制在与系统的工作压力相 近的数值上。
• ⑸包壳的循环应变 堆功率的变化（特别是 在跟踪负荷运行时）会引起包壳的循环应变， 从而造成包壳的积累损伤和疲劳破裂。因此 需要根据疲劳寿命制定出循环应变的限制范 围。
• 板状燃料元件常用于舰艇动力堆。板状元 件通常由铀-锆合金或弥散型燃料轧制而成， 铀的浓度为20%-90%。与UO2陶瓷棒状元件 相比，板状元件有如下一些特点：
• ⑴由于板状元件所用燃料的浓缩度高和弥散 型燃料的稳定性好，因而它的燃耗可以很深， 一般在10000兆瓦日/吨铀以上，这就保证了较 高的燃烧元件和堆芯的使用寿命。
• ⑹燃料芯块的稳定性 在某些因素的影响下， 燃料芯块出现的收缩会导致燃料的密实化， 从而造成燃料包壳的塌陷
• ⑺燃料芯块的含水量 许多反应堆内都曾发生 过锆的氢脆破裂。UO2芯块容易从它的周围 吸收水分。在反应堆启动后，燃料吸收的水分 将释放出来，并在辅照作用下分解为氢和氢氧 根。其中氢被锆合金吸收而生成氢化锆，从而 使包壳氢化变脆。这时包壳即使在很低的应力 作用下也会发生破损。因此，应该注意控制燃 料棒的含水量，通常规定每3.66米不得超过60 毫克或者每块燃料芯块不得超过10ppm。
• 三 定位格架
• 定位格架是元件径向定位件,也是夹持元件 和加强元件刚性的一种弹性构件。定位格架的 结构形式很多，其结构合理与否对元件周围的 水力和热工性能会有显著影响。合理的结构形 式一般应通过实验确定。所有定位格架的外条 带上都有混流翼片。它们除了可起搅混作用而 外，允许有轴向热膨胀，但不允许产生使元件 棒弯曲或扭曲的约束力。为了加强元件棒与格 架组件接触部位的冷却，应使混流翼片从条带 边缘伸出，以便有效地搅混接触处的冷却剂， 从而改善其热工状态。
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• ⑵因为铀-锆合金或金属陶瓷都可轧制成 很薄的板材，所以单位堆芯体积中能布
置较大的放热面积，这就有效地提高了 反应堆的平均容积比功率。
• ⑶即使采用导热性能较差的二氧化铀为 燃料的板状元件，其中心温度一般也不
超过900℃。
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虽然板状元件有上述一些重要优点,
然而浓缩铀的消耗相当可观。因此，目
前这种百度文库型的板状元件多半还只能用在
要求堆芯体积小、寿命长的舰艇动力堆
上。
• 二 燃料元件棒
• 核燃料元件棒是压水堆产生核裂变并释放 热量的部件。它的长度约3-4米，外径为9-11 毫米。锆合金包壳管壁厚为0.50-0.70毫米， 管内装有二氧化铀陶瓷型燃料芯块，并按设计 要求将燃料芯块装到一定高度。上下两端设有 三氧化二铝的陶瓷隔热块，顶部设有螺旋形压 紧弹簧以防止在运输过程中棒内芯块发生窜动。 锆合金管的两端用锆合金端塞堵封，并与包壳 管焊接密封在一起。
•
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，现代的元件设计都采用了
预充压技术，即在元件密封焊接时，在包
壳管内腔预先充有1.962-3.436兆帕的惰性
气体氦。当元件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应同
包壳管外面冷却剂的工作压力值相近。
• 3.板状燃料元件
• 2. 棒状燃料元件
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• 这种元件由燃料芯块、燃料包壳管、 压紧弹簧、隔热片（在有些堆中采用）、 端塞等几部分组成。
• ⑴燃料芯块 目前电站堆几乎都以 UO2陶瓷体为燃料，其浓缩度约为２－ ４％。陶瓷芯块的直径一般在６－１０ 毫米范围内。
• ⑵燃料包壳管 目前电站压水堆燃料 包壳管几乎都是锆－４合金冷拉而成的。
• ⑶隔热片 燃料组合体两端装的三氧化 二铝陶瓷材料片，称为隔热片，用来减 少芯块的轴向传热，从而减小端塞的热 应力。
• ⑷压紧弹簧 在元件内腔端部的压紧弹 簧用来防止元件在运输和吊装过程中芯 块的串动，一般用不锈刚制造
• ⑸包壳的腐蚀 从强度观点看，元件寿期终 了时的包壳最大腐蚀穿透深度应低于其壁 厚的10%。
• 一 燃料元件
•
燃料元件的结构与燃料的性质和堆型密
切相关，因而元件的结构形成式是多种多样
的，但其中以棒状、板状，压力管状和颗粒
状燃料元件最为常见，这里主要介绍与压水
堆有关的棒状和板状元件。
• ⒈燃料元件的完整性
• 燃料元件是堆芯的核心构件。为了确保燃 料元件在整个寿期内的完整性，压水堆燃料元 件的设计应考虑下述准则：
• ⑹包壳的吸氢 ，锆合金包壳在水中腐蚀时 要放出氢气。其中部分氢（约5-20%）通过 氧化层扩散到锆合金中，引起它的脆化。 有的文献认为，在寿期终了时包壳含氢量 为250ppm是可以接受的，但无论如何不应 高于600ppm。
• 在设计燃料元件时，芯块与包壳间 应留有径向和轴向间隙。径向间隙用来 补偿燃料芯块的辐照肿胀和芯块与包壳 间由于温差而引起的热膨胀。轴向间隙 除了也有上述的补偿作用而外，还用来 贮存燃料释放出来的裂变气体（通常氪 约占１５％，氙约占８５％）。
• ⑴燃料和包壳温度 用UO2作燃料的元件棒芯 块，其最高工作温度应低于UO2的熔点 （2860±15℃），在目前的设计中，一般取 2500℃-2600℃左右。锆合金包壳的工作温度 限值为350℃以下（锆 -2合金一般取316℃）。
• ⑵包壳应变范围 应限定包壳的最大允许应 变范围（弹性的和塑性的）。