秦山三期CANDU核电厂堆芯结构

秦山三期CANDU核电厂堆芯结构
摘要：详细描述了秦山三期CANDU核电厂的堆芯结构,堆内构件的组成及其功能。

这些堆内构件包括排管容器、堆腔室、燃料通道组件和反应性控制组件。

关键词：坎杜堆，排管容器，堆腔室，燃料通道组件，反应性控制组件
1堆芯结构概述
CANDU26反应堆堆芯的总体布置如图1所示。

反应堆堆芯组件包括:一个水平安置的不锈钢排管容器,排管容器内贯穿排列着380个排管,反应性控制机构在排管之间垂直或水平方向穿过排管容器。

整个反应堆组件安装在混凝土的排管容器室即堆腔室,并且由堆腔室两头的端屏蔽墙支撑。

图1 CANDU26反应堆堆芯总体布置图
1———排管容器;2———排管容器外壳;3———排管容器管;4———嵌入环;5———换料机栅格板;6———端屏蔽延伸管;7———端屏蔽冷却管;8———进出口过滤器;9———钢球屏蔽;10———端部件;11———进水管;12———慢化剂出口;13———慢化剂入口;14———通量探测器和毒物注入;15———电离室;16———抗震阻尼器;17———堆室壁;18———通到顶部水箱的慢化剂膨胀管;19———薄防护屏蔽板;20———泄压管;21———爆破膜;22———反应性控制棒管嘴;23———观察口;24———停堆棒;25———调节棒;26———控制吸收棒;27———区域控制棒;28———垂直通量探测器;29———排管容器管板
2排管容器和堆腔室
图2是排管容器结构简图,排管容器的两头由端屏蔽墙封闭和支撑。

每个端屏蔽包括内管板和外管板,380根排管及内含的燃料通道贯穿通过,排管以中心间
距为28.6cm的正方形栅格排列,管板同周边的壳体联结。

两头的端屏蔽墙一起为排管容器和燃料通道提供支撑,每个端屏蔽的内外管板之间填充有钢球和轻水,为工作人员提供屏蔽。

端屏蔽冷却是堆腔室冷却系统的一部分。

排管容器内充满低温低压的重水慢化剂,重水慢化剂从两边对应且呈扇形分布于壳体侧边的管嘴进入排管容器,从排管容器底部的两个出口排出。

排管容器整个安在衬有钢覆面并充满轻水的预应力混凝土堆腔室之内。

尽管部分慢化剂系统是按照3类要求制造的,而排管容器是严格按照2类要求制造的,其制造标准是根据加拿大标准协会N285.0-95以及“CANDU核电厂承压系统和部件的一般要求”,并且参照ASME有关锅炉和压力容器标准的第三节“核电厂部件建造准则”以及第NC子节“2类部件准则”等的要求进行的。

排管容器用不锈钢制造,其主壳体的直径是7.65m,堆芯内侧长5.94m,壳体壁厚28.6mm。

放置排管容器的堆腔室是一个矩形的钢筋混凝土结构,顶部开口由反应性控制机构平台封闭。

反应性控制机构平台是填充混凝土的钢制箱体结构,设有很多开口,以便反应性控制装置可从中穿过。

该平台起着支承反应性控制机构的上端部、驱动机构、屏蔽、连接管道和电缆的作用。

3燃料通道组件
380个燃料通道构成主热传输系统的堆内部分。

一个燃料通道组件包括锆铌合金压力管、Zr22合金排管、不锈钢端配件(两端部)、屏蔽塞(每端内外夹板之间)、端密封塞(端配件顶部)、以及四个位于压力管和排管之间的环形定位圈。

每个压力管容纳12个燃料棒束,并沿轴向排列于堆内。

压力管和与之共轴的排管之
间的环形空间充满二氧化碳气体,该气体起压力管中高温高压的重水冷却剂与排管外低温低压的慢化剂之间隔热的作用。

Zr22合金排管的每一头与不锈钢端屏蔽开口采用紧压式连接头固定。

排管是排管容器压力边界的组成部分。

每一端的端配件有一个供水管出入口,冷却剂由此进出燃料通道。

加压重水在燃料棒束间隙中流过,将燃料中的热量带走。

相邻通道的冷却剂朝相反的方向流动。

作为主热传输系统的一部分,压力管和端配件的制造是按照ASME有关锅炉和压力容器标准的第三节“核电厂部件建造准则”以及第NB子节“1类部件准则”的要求来进行的。

压力管的内径大约104mm,壁厚大约4mm,长度大约6.3m。

经过了大量的实验验证,压力管的两端采用紧密可靠的滚压方法与各自的端配件连接。

在85%的平均容量因子条件下,压力管的额定寿命为25年,而秦山三期CANDU核电厂的设计寿命是40年。

这个设计寿命是可以达到的,因为燃料通道连同压力管是可更换的。

4反应性控制装置
4.1概述
反应性控制装置构成反应堆功率调节系统和两套停堆系统的堆内测量和执行部分。

按物理结构,这些装置都是反应堆组件的组成部分,在机械设计和动作机制方面有共同的基础。

根据所属的系统性质,每一个反应性控制装置执行下列三个功能之一:①测量裂变功率水平;②调节功率水平;③停堆。

CANDU26反应堆的紧急停堆装置及其系统必须是完全独立的反应堆功率调节系统。

此外,有两套独立和冗余的停堆系统,每套具有完全和相互独立的停堆功能。

表1给出了CAN2DU26反应性控制装置的概要。

4.2停堆棒装置
28个停堆棒装置(图3)构成了1号停堆系统的吸收及执行部分,该系统是主要的快速停堆系统。

当该系统测出反应堆安全关键参数超过设定值时即满足要求的停堆信号时,切断离合器的直流电源,停堆装置的吸收元件部分将被释放,即吸收元件在导向管内穿过燃料通道区域,进入慢化剂区域。

停堆棒装置由以下几部分组成:装有不锈钢套管的镉吸收棒、一个垂直的导向管及导向管延伸段、驱动机构、加速弹簧、套管、屏蔽塞、反应性控制平台的贯穿部件和棒就位指示器。

每个停堆棒是用缠绕在驱动机构滑轮上的不锈钢丝绳悬挂起来的。

驱动机构是一个电动机驱动的绞盘,绞盘的一头是一个电磁离合器,将滑轮轴和齿轮盘耦合在一起。

当直流电磁离合器断电,滑轮在棒的重力作用下可自由转动。

在紧靠反应性控制机构平台的上方,驱动机构用螺钉固定在套管的顶部并且加以密封。

在棒刚开始下落的前0.6m冲程上,设有一个压紧弹簧以提供
小的加速度。

当停堆棒掉到底部时,由驱动机构内的可旋转的液力阻尼器给予缓冲。

当停堆信号解除后,停堆棒在电动机驱动下提起,棒的轴向位置由滑轮轴上的旋转式电位计传感器来测量。

4.3机械吸收棒装置
安装在反应堆堆芯顶部的4个机械吸收控制装置是反应堆功率调节系统的吸收体和执行部件的组成部分。

当离合器通电时,机械吸收棒可以以不同的速度在燃料通道之间插入或抽出堆芯。

当离合器断电后,机械吸收棒在重力作用下落入堆芯。

机械吸收棒装置同停堆棒装置的结构基本一样,不同的是机械吸收棒装置没有加速弹簧和棒就位指示器,并且在吸收棒(底部)有一个节流孔以降低下落速度。

4.4调节棒装置
CANDU26反应堆中有21个垂直安装的调节棒,这些调节棒通常情况下完全插入堆芯的燃料通道之间,构成了反应堆功率调节系统的一部分。

其主要目的是为了调整中子通量的分布和克服反应堆降功率引起的氙毒。

调节棒一般是靠驱动并且以2到5根棒组的形式插入或抽出堆芯的。

每个调节棒装置包括调节棒、垂直导向管及延伸段、套管、屏蔽塞和驱动机构。

调节棒由薄壁不锈钢管和中心的不锈钢补偿棒组成,吸收元件和中心补偿棒中的吸收体含量沿其长度方向是不同的,以满足不同的中子吸收要求。

每个调节棒悬挂在其驱动机构的不锈钢绳上,轴向位置是用耦合在滑轮轴上的电位计传感器来指示的。

4.5液体注入停堆装置
液体注入停堆系统(见图4)是2号停堆系统的堆内部件,这是另外一套独立的快速停堆系统,即通过将毒物(硝酸钆溶液)注入到慢化剂来实现的,毒物由横穿过排管容器燃料通道间隙的锆合金注射管进入堆芯。

在CANDU26反应堆中,有6个毒物注射管。

当2号停堆系统接收到停堆信号时,连接高压氦气箱和毒物箱的快速动作阀门被打开,高压氦气将毒物箱内的液体强制通过注射管注入慢化剂中。

当毒物注射箱中的浮球达到毒物箱底部的特定位置时,毒物停止注入并将排管容器内的慢化剂与氦气隔离开。

每个液体注入停堆装置包括堆内注入喷嘴、注入管、套管以及通过堆腔室壁的组件,每个注入喷嘴上开有定向的一排孔可使液体毒物达到最佳弥散。

4.6电离室组件
在CANDU26反应堆中,共有6个电离室。

每个电离室有3个洞(图5),每个洞中可容纳一个电离单元、开闭器或起动仪表。

反应堆功率调节系统(RRS)配有3个电离室,用于测量中子通量,这些电离室位于堆芯的一侧。

每个电离室除了包含一个用于RRS的电离单元外,还有一个用于SDS1的电离单元和停堆测量管。

还有3个相似结构的电离室是专为2号停堆系统而设立的,位于堆芯的另一侧。

每个电离室组件包括了电离室壳体、通道管、堆腔室壁贯穿组件、端塞、电离室仪表、电缆开闭器组件及其连接件。

电离室的壳体不穿过排管容器壁,其内部同堆腔室外的反应堆厂房大气相通。

壳体和穿过堆腔室壁的通道管是按低压容器设计的,穿过的部分其外表面同堆腔室内的水接触。

为屏蔽掉γ射线,电离室的仪表腔周围装有铅,因而其中的仪表只对中子敏感。

开闭器组件包括一个装在推杆头上的硼圆筒,推杆往后延伸入内屏蔽塞中,到达嵌在外屏蔽塞中的气缸。

4.7自给能堆内通量探测器
反应堆调节系统和1号停堆系统的堆内通量探测器垂直安装在堆芯中,而2号停堆系统中的通量探测器则是水平安装的。

每个通量探测器装置是由通量探头组件、导向管、套管、贯穿反应性控制机构平台或堆腔室墙及其相关的密封件组成。

通量探头组件包括一个在制造厂就已密封的带屏蔽塞并且连接到接线器外壳
的传感器管子,该传感器管子中装有一定数量的分别带套管的探测元件。

在管子中充有一定压力的高纯氦气,并加密封,以使探测器免遭可能的腐蚀,其中的氦气也有助于探头与导管之间的热传导每个通量探头组件的堆内部分由装入导管中的全长传感器管子构成,管内装有一束12个带套管的探测元件,其中11个套管可用来将带不同长度导线的可更换自给能探头元件直插入到堆内指定的位置。

所有通量探头组件装有少于11个探头,其中空的位置用屏蔽塞堵住。

该自给能堆内通量探测器结构见图6。

4.8轻水区域控制组件
对于重水冷却重水慢化的CANDU堆,轻水也是一种中子吸收体(毒物)。

轻水区域控制系统利用了这个事实,提供短期总体和空间分布的反应性控制,构成反应堆功率调节系统的一个组成部分。

位于堆内的轻水区域控制系统由6个位于堆芯中的管状立式区域控制装置组成。

每个区域控制装置包含2个或3个区域控制隔室,共有14个这样的区域控制隔室。

通过区域控制装置的特别布置,将14个区域控制隔室相对均匀地分布于整个堆芯,因而将堆芯划分成14个区域,以达到控制通量分布的目的。

通量控制是通过控制14个区域控制隔室内的水位来实现的。

5结论
排管容器、堆腔室、燃料通道和反应性控制装置构成秦山三期CANDU26反应堆堆芯的完整的组成部分,对总体设计的成功起着重要作用。