03 第三章压水堆核电厂 先进核反应堆结构原理

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下部支承组件－吊篮组件
吊篮组件 热中子屏蔽 围板幅板组件 堆芯下栅格板 流量分配板 堆芯二次支承和测量通道
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堆芯下部支撑结构
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堆芯上部支撑结构
堆芯上栅格板 支承柱 控制棒束导向筒 上部支承板
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堆芯上部支撑结构
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堆芯上部支撑结构
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压水堆堆芯组件
核燃料组件 棒束控制棒组件 可燃毒物组件 中子源组件 阻力塞组件
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核电厂主回路系统简介
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主、辅助系统
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3.1 压水堆堆芯（reactor core）
堆芯设计满足的一般要求： 1 堆芯功率分布尽量均匀，以便堆芯有最大的功率输出 2 尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料，提高中子经济性 3 要有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力 4 有较长的堆芯寿命，适当的减少换料操作次数 5 堆芯结构紧凑，换料要简易方便。
作用： 1 防止放射性外逸第二道屏障 2 压力边界 3 堆内构件的支承和固定作用 选材原则 1 高度的完整性 (杂质少，纯度高)2 适当的强度和足够的韧性 3 低的辐照敏感性 4 导热性能好：热应力 5 便于加工制造，成本低
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压力容器选材
当前反应堆压力容器材料普遍选 用低合金钢，与冷却剂接触 表面堆焊一层5mm厚的不锈钢。
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初级中子源组件
作用： 1 提高中子通量 2 点火
初级中子源 2个组件：1＋1＋16＋6
材料：锎 结构与位置 1.06×17.7， 堆芯下部 初装料情况
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次级中子源组件
次级中子源 2个组件：4＋20
材料：锑、铍 作用，二次启动
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阻力塞组件
作用： 结构与材料： 304不锈钢，短棒
前述各种堆芯相关组件都含有 中子源组件，只有阻力塞 组件全部是阻力塞组件
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定位格架
8 层定位格架的作用 材料及结构特点 混流翼
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控制棒导向管
材料：锆－4合金 作用：为控制棒插入抽出提供导向通道 结构特点： 锥形缓冲段， 流水孔
中子通量测量管
材料：锆－4合金 作用：
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下管座 上管座
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控制棒组件
结构组成：24跟吸收剂棒＋星形架 组件数目保证： 卡棒准则，功率
若要保持控制棒在某一位置时，仅 传递线圈通电，传递钩爪承载。
初始状态为传递钩爪啮合，夹持钩爪脱开。 1：提升线圈通电，传递钩爪驱动轴提升一个步阶； 2：夹持线圈通电，夹持钩爪夹持驱动轴； 3：传递线圈断电，传递钩爪脱开； 4：提升线圈断电，传递钩爪下降一个步阶； 5：传递线圈通电，传递钩爪啮合驱动轴； 6：夹持线圈断电，夹持钩爪夹脱开，为提升做准备； 7：提升线圈通电，传递钩爪驱动轴提升一个布阶； 如此循环动作，直到达到提升位置为止。
堆芯相关组件：
可燃毒物棒组件，中子源组件，阻力塞组件
结构： 压紧组件＋24根棒 可燃毒物组件：作用， 材料 中子源组件： 初级中子源＋次级中子源，作用，材料 阻力塞组件; 作用，材料
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大亚湾核电厂首次装料堆芯相关组件种类以及数量
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控制棒驱动机构
控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件，通过它的动作带 动控制棒组件在堆芯内提升和下降，以实现反应堆的启动， 功率调节（调节棒），停堆和事故情况下的安全控制（安 全棒）。因此，它是确保反应堆安全可控的重要部件。
第三章
压水堆核电厂
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我国正在运行的核电机组（除秦山三期）全部为压水堆堆型， 作为一种技术相当成熟的堆型，具有以下特点：
1．压水堆以轻水作慢化剂及冷却剂，反应堆体积小，建设 周期短．造价较低。
2．压水堆采用低富集度铀作燃料，铀的浓缩技术已经过关。 3．压水堆核电厂有放射性的一回路系统与二回路系统相分
大亚湾核电厂采用 三线圈电 磁步进式驱动机构
优点： 提棒精度高，提升力 大，不宜失步，结构简单， 加工容易，拆装和维修方 便等优点。
需要紧急停堆时，只需要切 断电源，控制棒便可自由 落体。
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结构
外部线圈装置 棒位置指示部件 承压套 驱动轴 内部部件：
提升装置 传递装置 夹持装置
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控制棒提升动作:
24根控制棒导向 管和1根堆内测 量导管
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棒状燃料元件棒
结构组成: 选材原则：限制燃料和包壳
的使用温度 包壳的作用以及选材特点
机械强度；第一道屏障
锆氢反应？如何何防止？1 内 2 外 集气空腔盒充填气体作用：
轴向空腔和径向间隙作用， 预冲压氦气技术作用
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芯块的结构特点
结构尺寸：圆柱体形 何谓“环脊” 现象 为何采用碟形加倒角的结
外径9.5 mm,壁厚0.57mm,芯块直径8.19mm
包壳内壁与燃料芯块的径向间隙 大小与间隙的导热系数 有密切关系，是影响芯块温度的重要因素，同时芯块的 各种特性如导热系数，裂变气体的释放，蠕变和塑性形 变等也都随温度变化。
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“骨架”结构
定位格架 控制棒导管 中子通量测量导管 上管座 下管座
控制棒驱动机构要求：在正常运行工况下要求棒的移动速度
缓慢，每秒钟行程约10mm；在快速停堆或事故工况时要求 驱动机构在得到事故停堆信号后，即能自动脱开，控制棒 组件靠自重快速插入堆芯，从得到信号到控制棒完全插入 堆芯的紧急停堆时间一般2秒钟左右，以保证反应堆安全。
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控制棒驱动机构
常用的驱动机构：电磁步进 式，齿轮齿条式，水力驱 动式
随着反应堆的 运行，压力容 器限度右移。
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压力容器结构
筒体组合件
法兰环 接管段 筒身 冷却剂进、出口接管
顶盖组合件 底封头 法兰密封件
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压力容器支承结构
接管支撑座 容器支承环 混凝土基座 支承导向板：允许热膨胀，
阻止容器和接管的横向 移动。
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堆内测量支承结构
堆芯冷却剂出口温度测量装置
构形式 如何防止辐照肿胀的破坏：
1碟形加倒角 2制孔剂 芯块密度的选择:
对导热系数有很大影响
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燃料元件包壳
材料： 锆－4 合金
燃料元件包壳壁厚的选择
结构强度 周向变形不超过1%
化学
含氢量低压250ppm,不能高于600ppm
腐蚀 寿期内腐蚀深度应低于原壁厚的10%.
一定的安全裕度 水力振动,热应力
的组合,还可能包含所有四种棒.
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压紧组件
轭板、 弹簧导向筒、 底板 内外两圈螺旋弹簧、 304 不锈钢材料
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可燃毒物组件
作用：用于第一燃料循环， 降低硼浓度，保证慢化 剂的负温度系数
可燃毒物材料：硼玻璃管 （B2O3+SiO2）
初装料：48×12(棒)＋ 18×16(棒)+2×16=896
第一次换料时全部卸出， 换阻力塞组件
目的：绘制堆芯温度分布图和确定 最热通道
布置：
堆芯中子通量分布测量装置
目的：建立中子通量分布图（三 维），确定热点
布置：
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反应堆堆内构件
堆内构件包括：堆芯下部支承结构，堆芯上部支承 结构，控制棒束导向管和压紧弹簧组成。
功能：
1 为冷却剂提供流道 2 为压力容器提供屏蔽 3 为燃料组件提供支承和压紧 4 固定监督用的辐照样品 5 为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装置提供机械导向 6 平衡机械载荷和水力载荷 7 确保堆芯容器顶盖内的冷却水循环，以便顶盖保持一定的温度
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控制棒下降动作:
初始状态为传递钩爪啮合，夹持钩爪脱开。 1：夹持线圈通电，夹持钩爪夹持驱动轴 2：传递线圈断电，传递钩爪脱开 3：提升线圈通电，仅传递钩爪提升一个步阶 4：传递线圈通电，传递钩爪啮合驱动轴 5：夹持线圈断电，夹持钩爪夹脱开，为轴下降做让步 6：提升线圈断电，传递钩爪驱动轴下降一个步阶 7：夹持线圈通电，夹持钩爪夹持驱动轴 如此循环动作，直到达到下降位置为止。
5 安全壳 作用 三个系统
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紧急停堆－控制棒自由落体
当要实行紧急停堆时，三个线圈 都断电，所有钩爪均脱开， 控制棒在重力作用下，快速 插入堆芯。
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安全壳
作用：裂变产物与环境之 间的最后一道屏障
事故承压，外来撞击
切尔诺贝利的教训
大型干式安全壳 欠压安全壳， 冰冷安全壳， 双层球形安全壳
安全壳厂房 安全壳环境控制系统 安全壳贯穿与隔离系统
分布，弹棒事故
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控制棒组件
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星形架
结构特点： 毂环， 翼片， 指形连接柄
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吸收剂棒
黑棒
灰棒
材料 银－铟－镉 不锈钢
结构： 二者相似
黑棒束控制组件：24根黑棒
灰棒束控制组件：8根黑棒＋16根灰棒
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堆芯相关组件
可燃毒物组件，初级中子源组件，次级中子源组件， 阻力塞组件
结构上的共同点： 支承结构：一个压紧组件形成的支承结构 24 根棒束 24根棒可能全部是阻力塞,可能是可燃毒物棒与阻力塞
低合金钢具有：良好的导热性，可焊 性，抗辐照脆化，便于加工
低合金钢及其焊缝在快中子积分 通量大于1018cm2后脆性转变 温度明显升高。
相应措施:严格限制铜和磷这两 种元素的含量，添加少量铝、 钒、铬，铂、镍等元素，尽 量减少钢的辐照损伤：热屏。
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压力容器运行限制
限制因素： 压力容器的强度，韧性转变温度， 主泵的汽蚀，低压蒸发等。
40 60 1
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安全壳环境控制系统
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安全壳贯穿与隔离系统
设备闸门 人员闸门 燃料运输管 管道、电缆贯穿件
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安全壳贯穿与隔离系统
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总结
1 堆内构件 名称 作用
2 控制棒驱动机构 结构 工作原理 提升 下降 停堆
3 反应堆压力容器 结构 作用 选材 运行限制
4 堆内测量支承结构 温度测量 中子通量测量
开，放射性冷却剂不会进入回路而污染汽轮机，运行、 维护方便，需要处理的放射惮废气、废水、废物量较少。
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压水堆主要运行参数
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教学内容
以大亚湾核电厂为例， 压水反应堆本体结构：
堆芯组件：核燃料组件＋控制棒组件＋堆芯功能组件； 堆内构件及其作用：上下支承组件，压紧弹簧组件，导向管 反应堆压力容器的结构、选材和运行特点 控制棒驱动机构的结构和工作原理； 堆内测量支承结构 安全壳结构及系统功能
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典型压水堆压力容器与堆芯结构原理图 9
堆芯横截面图
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压 水 堆 纵 剖 面 图
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压水堆燃料管理 棋盘式布局 分区倒料
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反应堆压力容器
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反应堆压力容器
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反应堆压力容器
反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件，工作在高压(15.5MPa左 右)、高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条件下，寿命不少于40年。 百万千瓦级核电厂压力容器高约13m，内径5m,筒体壁厚200mm,总重约 330t。
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核燃料组件
采用无盒、带指形控制组件的 棒束型燃料组件。 主要结构：燃料棒＋骨架
骨架（书）：上下管座，8 层定位格架，导向管
采用17×17=289=264+24+1 正 方形排列: 264 燃料棒 24 导向管 1 中子测量管
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17×17结构
在每一组件的289 个可利用的空位 中
燃料棒占据264个 其余的空位装有
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堆芯组件小结（1）
核燃料组件＋控制棒组件＋堆芯相关组件
核燃料组件：燃料元件棒＋骨架结构
燃料元件棒：燃料芯块，包壳，端塞，压紧弹簧 骨架：上下管座，定位格架，控制棒导管，中子测量
控制棒组件：吸收剂棒＋星形架
吸收剂棒：黑棒，灰棒，结构材料 星形架：中心毂环，翼片，夹持指状物
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堆芯组件小结（2）