反应堆本体结构课件.ppt

1、1第三讲第三讲 反应堆本体结构反应堆本体结构234567 （一）反应堆堆芯（一）反应堆堆芯8 反应堆反应堆在核电站的作用就象是火电站的锅炉，它在核电站的作用就象是火电站的锅炉，它 是整个核电站的是整个核电站的心脏心脏。它以核燃料在其中发生特它以核燃料在其中发生特 殊形式的殊形式的“燃烧燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。产生热量，来加热水使之变成蒸汽。 反应堆通常是个圆柱体的压力容器，其中裂变反应堆通常是个圆柱体的压力容器，其中裂变 材料所在部分称为材料所在部分称为反应堆堆芯反应堆堆芯。 堆芯结构由堆芯结构由核燃料组件核燃料组件、控制棒组件控制棒组件、可燃毒物可燃毒物 组件组件、中子源组件中

2、子源组件和和阻力塞组件阻力塞组件等组成。等组成。9 堆芯又称活性区，是压水堆的心脏，可控的链式堆芯又称活性区，是压水堆的心脏，可控的链式裂变反应在这里进行，同时它也是个强放射源。裂变反应在这里进行，同时它也是个强放射源。堆芯布置堆芯布置-14414414414414489898989BaLaCePrNdKrRbSrY235236*14489UUBaKr3nn或或235236*14094UUXeSr2nn-140140140140140949494XeCsBaLaCeSrYZr10F 现代压水堆的堆芯是由上百个横截面呈正方现代压水堆的堆芯是由上百个横截面呈正方形的形的无盒燃料组件无盒燃料组件构成

3、构成;F 燃料组件按一定间距垂直坐放在堆芯燃料组件按一定间距垂直坐放在堆芯下栅格下栅格板板上（板上有能定位和定向的对中销），使组成上（板上有能定位和定向的对中销），使组成的堆芯近似于圆柱状的堆芯近似于圆柱状;F 堆芯的重量堆芯的重量通过堆芯通过堆芯下栅格板下栅格板及及吊兰吊兰传给传给压压力壳力壳支持。支持。堆芯的尺寸堆芯的尺寸根据压水堆的功率水平和根据压水堆的功率水平和燃料组件装载数而定。燃料组件装载数而定。11 大亚湾大亚湾 900 MW 级压水堆第一个堆芯的布置共有级压水堆第一个堆芯的布置共有157个横截面呈正方形的无盒燃料组件。个横截面呈正方形的无盒燃料组件。大亚湾准圆柱状核反应区大亚湾

4、准圆柱状核反应区高高3.65m，等效直径，等效直径3.04m。热功率热功率1800MW，堆芯直径约，堆芯直径约2.5m;3800MW,3.9m。高度为核燃料的高度，高度为核燃料的高度，3.64.3m.157个个无盒燃料组件无盒燃料组件53个个插有控制棒组件插有控制棒组件66个个装有可燃毒物组件装有可燃毒物组件4个个插有中子源组件插有中子源组件34个个装有阻力塞组件装有阻力塞组件12 该堆芯首次装料时，由三种不同富集度的燃料该堆芯首次装料时，由三种不同富集度的燃料 组件，堆芯四周有组件，堆芯四周有52个铀个铀-235富集度为富集度为3.1%的的 燃料组件组成，燃料组件组成，内区则混合交错内区则混

5、合交错布置布置52个富集个富集 度为度为2.4%和和53个富集度为个富集度为1.8%的燃料组件。的燃料组件。换料时换料时将外区的燃料组件向内区倒换将外区的燃料组件向内区倒换，富集度为，富集度为 3.25%的新燃料组件则加在外区。经过一个运行周的新燃料组件则加在外区。经过一个运行周期后，三区装载的压水堆中，大约有期后，三区装载的压水堆中，大约有1/3的燃料组件的燃料组件需要更换，而每个燃料组件在反应堆堆芯内的时间一需要更换，而每个燃料组件在反应堆堆芯内的时间一般是三个运行周期。般是三个运行周期。堆芯布置换料策略堆芯布置换料策略1314由外向内倒料方式的优缺点由外向内倒料方式的优缺点优点：优点：

6、可以展平堆芯功率，获得较高的燃耗深度，提高核燃料的可以展平堆芯功率，获得较高的燃耗深度，提高核燃料的利用率。从第二循环开始，新装入的燃料组件的富集度为利用率。从第二循环开始，新装入的燃料组件的富集度为3.25%，高于首次装料。，高于首次装料。 因为经过一段时间的运行，堆芯内积累了会吸收中子的裂因为经过一段时间的运行，堆芯内积累了会吸收中子的裂变产物，需要增加后备正反应性。变产物，需要增加后备正反应性。缺点缺点： 中子注量率的泄漏率较高，导致压力容器中子注量率大，中子注量率的泄漏率较高，导致压力容器中子注量率大，中子利用率较低低，导致换料周期较短，燃料循环成本较中子利用率较低低，导致换料周期较短

7、，燃料循环成本较高。高。15CPR1000CPR1000压水堆（岭澳二期核电厂）采用合理的压水堆（岭澳二期核电厂）采用合理的“内内- -外外”式换料策略。使得岭澳二期核电厂反应堆在总体性能上比式换料策略。使得岭澳二期核电厂反应堆在总体性能上比未采用改进项的岭澳一期核电厂有明显提高。未采用改进项的岭澳一期核电厂有明显提高。 采用采用内内外装料方式外装料方式，通过加大堆芯中通过加大堆芯中235U的装入量，中子的装入量，中子价值高的新燃料组件置于堆芯内区，价值高的新燃料组件置于堆芯内区，把内区辐照深度大的燃把内区辐照深度大的燃料组件移到堆芯的最外层，料组件移到堆芯的最外层，并改为并改为18个月换料个

8、月换料，从而实现低，从而实现低泄露燃料管理。泄露燃料管理。 内内外装料方式可以外装料方式可以减少中子的径向泄露减少中子的径向泄露，增加堆芯的增加堆芯的反应性，提高燃料的卸料燃耗反应性，提高燃料的卸料燃耗。但该装料方式会使堆芯功。但该装料方式会使堆芯功率分布不平坦性增加，功率峰因子增大，因此，需采用率分布不平坦性增加，功率峰因子增大，因此，需采用203203GdGd作可燃毒物来抑制功率峰作可燃毒物来抑制功率峰。“内内-外外”式换料策略式换料策略16l对于对于18个月换料低泄露燃料管理策略，与常规的年换料方个月换料低泄露燃料管理策略，与常规的年换料方式相比，能够：式相比，能够： （1）降低压力容器

9、中子注量率，有利于延长压力容器的寿）降低压力容器中子注量率，有利于延长压力容器的寿命；命；（2）减少换料大修次数，降低大修成本；）减少换料大修次数，降低大修成本；（3）增加年发电量，提高电站利用率；）增加年发电量，提高电站利用率；（4）降低放射性废物产生量和人员受照量。）降低放射性废物产生量和人员受照量。17 为了满足电网要求，避免在每年为了满足电网要求，避免在每年6 69 9月份用电高峰月份用电高峰期进行大修，期进行大修，1818个月个月的换料方式实际上采取的是的换料方式实际上采取的是长长/ / 短短循环交替循环交替进行的换料方式。即更换进行的换料方式。即更换7272个新个新组件后，运行组件

10、后，运行一个长燃料循环（一个长燃料循环（1919个月个月）；下次换料则）；下次换料则更换更换6868个新组个新组件，再运行一个短燃料循环（件，再运行一个短燃料循环（1717个月个月）。）。 岭澳核电站则从第二循环开始进入混合堆芯阶段；岭澳核电站则从第二循环开始进入混合堆芯阶段；从第三循环开始富集度提高到从第三循环开始富集度提高到3.7%3.7%。循环周期暂维持。循环周期暂维持1212个月个月。18堆芯的反应性控制堆芯的反应性控制1、控制棒调节：、控制棒调节：依靠棒束型控制棒组件的提升或插依靠棒束型控制棒组件的提升或插入，来实现入，来实现电厂启动、停闭、负荷改变电厂启动、停闭、负荷改变等情况下比

11、较等情况下比较快速快速的反应性变化。的反应性变化。（即调节快反应）（即调节快反应）2、硼浓度调节：、硼浓度调节：调整溶解于冷却剂中硼的浓度来补调整溶解于冷却剂中硼的浓度来补偿因偿因燃耗、氙、钐毒素、冷却剂温度改变燃耗、氙、钐毒素、冷却剂温度改变等引起的比等引起的比较较缓慢缓慢的反应性变化。的反应性变化。 （即调节慢反应）（即调节慢反应）注：注：在新的堆芯中，还用在新的堆芯中，还用可燃毒物棒可燃毒物棒补偿堆芯寿命初期的补偿堆芯寿命初期的剩余反应性。剩余反应性。19堆芯组件堆芯组件1 1、核燃料组件、核燃料组件 现代压水堆普遍采用了现代压水堆普遍采用了无盒无盒、带棒束型带棒束型核燃料组件。核燃料组

12、件。组件内的燃料元件棒按正方形排列。常用的有组件内的燃料元件棒按正方形排列。常用的有14 14，15 15，16 16和和17 17排列等几种栅格型式。排列等几种栅格型式。 优点：减少了堆芯内的结构材料；优点：减少了堆芯内的结构材料； 冷却剂可充分交混，改善了燃料棒表面的冷却。冷却剂可充分交混，改善了燃料棒表面的冷却。下面看一下下面看一下17 17型燃料组件的总体图。型燃料组件的总体图。20 燃料芯块燃料芯块燃料组件与燃料元件燃料组件与燃料元件21 标准的标准的1717型型组件：燃料棒径为组件：燃料棒径为9.5mm，棒间距，棒间距12.6mm，横截面尺寸，横截面尺寸214214mm2，总高为，

13、总高为4058mm。 每个这样的组件共有每个这样的组件共有264根燃料元件棒根燃料元件棒，24根控制棒根控制棒导向管导向管和和1根堆内测量导管根堆内测量导管，共计，共计289个栅元格。个栅元格。 测量导管测量导管位于组件中央位置，为插入堆芯内测量中子位于组件中央位置，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。通量的探测器导向并提供了一个通道。 控制棒导向管控制棒导向管为插入控制棒组件或中子源组件或可燃为插入控制棒组件或中子源组件或可燃毒物组件或阻力塞组件提供了通道。毒物组件或阻力塞组件提供了通道。AFA2G燃料组件燃料组件22从结构上看，从结构上看，核燃料组件是由核燃料组件是由燃料

14、元件棒燃料元件棒和组和组件的件的“骨架结构骨架结构”两部分组成。两部分组成。23 燃料元件是产生核裂变燃料元件是产生核裂变并释放热量的部件。并释放热量的部件。 它是由它是由燃料芯块燃料芯块、燃料燃料包壳管包壳管、压紧弹簧压紧弹簧和和上、下上、下端塞端塞组成。燃料芯块在包壳组成。燃料芯块在包壳内叠装到所需要的高度，然内叠装到所需要的高度，然后将一个压紧弹簧和三氧化后将一个压紧弹簧和三氧化铝隔热块放在芯块上部，用铝隔热块放在芯块上部，用端塞压紧，再把端塞焊到包端塞压紧，再把端塞焊到包壳端部。壳端部。（1 1）燃料元件棒）燃料元件棒24(a)(a)燃料芯块燃料芯块芯块是由富集度为芯块是由富集度为2-

15、3%的的UO2 粉末粉末（陶瓷型芯（陶瓷型芯块）冷压成形再烧结成所需密度的圆柱体，直径块）冷压成形再烧结成所需密度的圆柱体，直径为为8-9毫米毫米，直径与高度之比为，直径与高度之比为1：1.5。（大亚湾采用直径（大亚湾采用直径8.192mm，高度，高度13.5mm）每一片芯块的两面呈每一片芯块的两面呈浅碟形浅碟形，以减小燃料芯块，以减小燃料芯块因因热膨胀和辐照肿胀热膨胀和辐照肿胀引起的变形。引起的变形。一根燃料棒内装有一根燃料棒内装有271个燃料芯块。个燃料芯块。25UO2陶瓷型芯块：陶瓷型芯块：o主要优点主要优点：熔点高熔点高（-2800），具有良好的），具有良好的中子中子辐照稳定性辐照稳定

16、性和和高温下的化学稳定性高温下的化学稳定性，与包壳不发生，与包壳不发生化学反应，即使包壳破裂与冷却剂（水）也不太会化学反应，即使包壳破裂与冷却剂（水）也不太会发生化学反应。发生化学反应。o主要缺点主要缺点：热导率低，以致燃料的中心温度高达：热导率低，以致燃料的中心温度高达2000左右，中心与表面温差达左右，中心与表面温差达1000以上。因此，以上。因此，燃料芯块的热应力很大，特别是在堆内燃烧到后期，燃料芯块的热应力很大，特别是在堆内燃烧到后期，核燃料过分膨胀会挤压包壳管。核燃料过分膨胀会挤压包壳管。 26(b)(b)包壳包壳 作用作用：防止裂变产物沾污回路水并防止核燃料与冷却剂相接触。：防止裂

17、变产物沾污回路水并防止核燃料与冷却剂相接触。 目前压水堆燃料元件包壳几乎都是目前压水堆燃料元件包壳几乎都是Zr-4合金合金冷拉而成（长冷拉而成（长3-4米，米，直径为直径为9-10毫米，壁厚毫米，壁厚0.5 -0.7毫米）。毫米）。 Zr-4合金的合金的中子吸收截面小中子吸收截面小，在高温下有较高的，在高温下有较高的机械强度机械强度和和抗抗腐蚀性能腐蚀性能。熔点高（。熔点高（1800）。）。 包壳内装有包壳内装有UO2芯块。上下两端设有芯块。上下两端设有氧化铝隔热块氧化铝隔热块，顶部有，顶部有弹弹簧簧压紧，两端用压紧，两端用锆合金端塞锆合金端塞封堵，并与包壳管焊接密封在一起。封堵，并与包壳管焊

18、接密封在一起。注意：注意： Zr-4包壳与水相容温度不超过包壳与水相容温度不超过350 ，与二氧化铀相容温度在，与二氧化铀相容温度在500以下，包壳熔点为以下，包壳熔点为1250，包壳温度达到，包壳温度达到820后锆与水反应产后锆与水反应产生氢气，在运行中应使燃料元件保持在可接受的温度之下。生氢气，在运行中应使燃料元件保持在可接受的温度之下。27具有良好的具有良好的核性能核性能，即中子吸，即中子吸收截面要小，感生放射性要弱；收截面要小，感生放射性要弱； 具有良好的具有良好的导热性能导热性能； 与核燃料的与核燃料的相容性相容性要好；要好； 具有良好的具有良好的机械性能机械性能； 有良好的有良好的

19、抗腐蚀能力抗腐蚀能力； 具有良好的具有良好的辐照稳定性辐照稳定性；对包壳材料的要求：对包壳材料的要求：28燃料包壳的选择燃料包壳的选择（1）不锈钢：）不锈钢：高温强度好；高温强度好； 热中子吸收截面大热中子吸收截面大( a：3.0巴巴)； 快堆用做燃料包壳。快堆用做燃料包壳。（2）Zr合金：合金：显著改善中子经济性显著改善中子经济性( a；0.22巴巴0.24巴巴) Zr-2 (Sn Fe Cr Ni ) (%) 1.5 0.12 0.1 0.05 Zr-4 (Sn Fe Cr Ni ) (%) 1.5 0.15 0.1 0.0 去掉了镍，抑制吸氢，防止脆化。去掉了镍，抑制吸氢，防止脆化。（3

20、）M5：锆铌合金，对锆铌合金，对300400高温高压水和蒸汽具高温高压水和蒸汽具 有良好的抗蚀性能和力学性能。有良好的抗蚀性能和力学性能。29(c)(c)芯块和包壳间的间隙芯块和包壳间的间隙 芯块和包壳间留有足够的轴向空腔和径向间隙芯块和包壳间留有足够的轴向空腔和径向间隙（0.64mm），其作用有两个：一是），其作用有两个：一是补偿补偿包壳和芯包壳和芯块不同的块不同的热膨胀热膨胀；二是；二是容纳容纳从芯块中放出的从芯块中放出的裂变裂变气体气体。(d)(d)上、下端塞上、下端塞 燃料元件棒上、下端塞的作用是用来把燃料燃料元件棒上、下端塞的作用是用来把燃料芯块封装在包壳内并起吊耳和支撑作用。芯块封

21、装在包壳内并起吊耳和支撑作用。30(e)(e)上端塞上的进气孔上端塞上的进气孔 用于制造时往包壳内用于制造时往包壳内充氮加压充氮加压至至3.1MPa，用，用来来改善改善间隙的间隙的传热性能传热性能和和降低降低包壳管内包壳管内外压差外压差，以免包壳被外压压塌。（预充压技术）以免包壳被外压压塌。（预充压技术）(f)(f)压紧弹簧压紧弹簧 限制燃料元件的运输和操作过程中，芯块的限制燃料元件的运输和操作过程中，芯块的轴向串动。轴向串动。31在一个燃料组件的全长上，有在一个燃料组件的全长上，有6-8个个 弹性定位格架弹性定位格架。组装时，由。组装时，由24根控根控 制棒导向管制棒导向管，1根测量仪表套管

22、根测量仪表套管把弹把弹 性定位格架与性定位格架与上、下管座上、下管座连接成一连接成一 体构成燃料组件体构成燃料组件“骨架骨架”， 以支撑以支撑燃料元件棒并保持燃料元件棒并保持 燃料元件棒之间的燃料元件棒之间的间距间距。使。使264根细长的燃料元件棒形成根细长的燃料元件棒形成 一个整体，承受整个组件的重量和控一个整体，承受整个组件的重量和控制棒下落时的冲击力，并保证制棒下落时的冲击力，并保证 控制棒控制棒运动的通畅。运动的通畅。（2 2）核燃料组件的）核燃料组件的“骨架骨架”结构结构3233中间搅混格架放置在高热流密度区域，以利于混流。中间搅混格架放置在高热流密度区域，以利于混流。34 是夹持燃

23、料元件棒，确保燃料元件径向定位以及加强是夹持燃料元件棒，确保燃料元件径向定位以及加强元件棒弹性的一种弹性构件。元件棒弹性的一种弹性构件。 17 17型燃料组件定位格架是一种有许多上面带有型燃料组件定位格架是一种有许多上面带有弹弹簧片簧片、支撑陷窝支撑陷窝（横向支撑作用）（横向支撑作用）和和混流翼片的条带混流翼片的条带（搅混和导向作用，促进冷却剂交混）（搅混和导向作用，促进冷却剂交混）相瓦插后经钎焊而成相瓦插后经钎焊而成的蜂窝状结构。的蜂窝状结构。 沿燃料元件全程有沿燃料元件全程有8个定位格架。合理的定位格架设计个定位格架。合理的定位格架设计除了起到对燃料元件的夹持定位作用外，还要强化流体除了起

24、到对燃料元件的夹持定位作用外，还要强化流体的扰动并使流动阻力尽可能小。的扰动并使流动阻力尽可能小。(a) (a) 定位格架定位格架3536 上管座和下管座是燃料组件上管座和下管座是燃料组件“骨架骨架”结构的头部和底部的结构的头部和底部的连接构件，它们都是连接构件，它们都是箱形结构箱形结构。 下管座由下管座由四个支撑脚四个支撑脚和一块和一块方形方形多孔的肋板多孔的肋板组成，是燃料组成，是燃料组件底座，可引导冷却剂流入组件底座，可引导冷却剂流入燃料组件，燃料组件，并进行流量分配并进行流量分配； 上管座上管座孔板、顶板、弹簧孔板、顶板、弹簧等等组成，刚离开燃料组件的冷却组成，刚离开燃料组件的冷却剂在

25、那里进行混合，然后再向剂在那里进行混合，然后再向上通过堆芯上栅板的流水孔。上通过堆芯上栅板的流水孔。(b) (b) 上管座和下管座上管座和下管座37两个对角支撑脚上的销孔与下栅板上的两个定位销相配合，使燃料两个对角支撑脚上的销孔与下栅板上的两个定位销相配合，使燃料组件定位。冷却剂通过肋板向上流入燃料组件内部。组件定位。冷却剂通过肋板向上流入燃料组件内部。3839导向管：导向管：是燃料组件的结构部件，可为中子吸收剂棒、是燃料组件的结构部件，可为中子吸收剂棒、可燃毒物棒、中子源棒或其它组件提供插入通道。可燃毒物棒、中子源棒或其它组件提供插入通道。 控制棒导向管控制棒导向管：它和格架固定在一起构成燃

26、料组件它和格架固定在一起构成燃料组件的支撑骨架，并提供了插入的支撑骨架，并提供了插入控制棒组件控制棒组件、可燃毒物组件可燃毒物组件、中子源组件中子源组件和和阻力塞组件阻力塞组件的通道。的通道。 每个导向管都是由上下直径不同的每个导向管都是由上下直径不同的Zr-4合金管合金管组成，组成，上上部大直径部大直径起起导向作用导向作用并和控制棒间保持并和控制棒间保持1mm左右的间隙左右的间隙，冷却剂可以通过该间隙冷却控制棒。冷却剂可以通过该间隙冷却控制棒。占导向管全长约占导向管全长约1/7的的下部小直径段下部小直径段，在紧急停堆控制棒，在紧急停堆控制棒快速下插时，快速下插时，起水力缓冲作用起水力缓冲作用

27、。(c) (c) 控制棒导向管控制棒导向管40（d d）中子注量率测量导向管）中子注量率测量导向管 测量导管测量导管：位于上下管座上的通孔之间，是位于上下管座上的通孔之间，是一根上下直径相同的一根上下直径相同的Zr-4合金管，它用和控制合金管，它用和控制棒导管一样的方法固定到定位格架上。棒导管一样的方法固定到定位格架上。 为堆芯中子通量密度测量元件提供通道为堆芯中子通量密度测量元件提供通道。41 控制棒组件提供了一种正常控制棒组件提供了一种正常 运行和事故工况下快速控制运行和事故工况下快速控制 反应性的手段。下面看一下反应性的手段。下面看一下 17 17型燃料组件的型燃料组件的棒束型棒束型 控

28、制棒组件控制棒组件的结构图。的结构图。 大约大约1/3的燃料组件的控制棒的燃料组件的控制棒 导向管是为控制棒组件占据的。导向管是为控制棒组件占据的。2 2、控制棒组件、控制棒组件42控制棒：由控制棒：由星型支架星型支架和和吸收剂棒吸收剂棒组成。组成。以连接饼为中心呈辐射状有以连接饼为中心呈辐射状有16根连接根连接翼片翼片，每个翼片上装有，每个翼片上装有一个或两个指一个或两个指状物状物，每个指状物带有，每个指状物带有一根吸收棒一根吸收棒。通过螺纹固定，然后用销钉紧固，这通过螺纹固定，然后用销钉紧固，这些吸收剂棒可插入对应燃料组件些吸收剂棒可插入对应燃料组件24根根导向管。导向管。2 2、控制棒组

29、件、控制棒组件43 左图是有控制左图是有控制棒组件的燃料组件。棒组件的燃料组件。控制棒束顶端固定控制棒束顶端固定在一个枝状星形架在一个枝状星形架上，控制棒与枝状上，控制棒与枝状接头相连。接头相连。44 (a) (a) 结构结构 连接柄连接柄：不锈钢制成，它的不锈钢制成，它的中央是一圆筒中央是一圆筒，圆筒内部，圆筒内部上端用丝扣与控制棒驱动机构的驱动轴上的可拆结构相连上端用丝扣与控制棒驱动机构的驱动轴上的可拆结构相连接。接。圆筒内的螺旋形弹簧圆筒内的螺旋形弹簧，当控制棒快速下插时，当控制棒快速下插时起缓冲作起缓冲作用用，以减少控制棒组件对燃料组件上管座的撞击。，以减少控制棒组件对燃料组件上管座的

30、撞击。 控制棒控制棒：将将80%Ag-15%In-5%Cd合金合金制成的芯块装入制成的芯块装入不锈钢包壳管中，芯体和包壳之间有径向和轴向间隙，并不锈钢包壳管中，芯体和包壳之间有径向和轴向间隙，并在轴向加上压紧弹簧，然后两端再焊上端塞密封。在轴向加上压紧弹簧，然后两端再焊上端塞密封。 还有少量控制棒是不锈钢棒，他们吸收中子的能力较弱，称为“灰棒”。相应地，Ag-In-Cd 棒称为“黑棒”。45 黑棒：黑棒：Ag-In-Gd棒，棒，80%Ag-15%In-5%Cd合金合金。 灰棒：灰棒：不锈钢棒不锈钢棒，吸收中子能力较弱。，吸收中子能力较弱。 黑棒组：黑棒组：由由24根根黑棒组成。黑棒组成。 灰棒

31、组灰棒组：由：由8根根黑棒，黑棒，16根根灰棒组成。灰棒组成。 控制棒材料控制棒材料:需考虑物理、机械性能，更重要还要考虑核特性。需考虑物理、机械性能，更重要还要考虑核特性。 要求：要求：在堆芯内受中子和在堆芯内受中子和辐照后，能有很高的稳定性，还要辐照后，能有很高的稳定性，还要 耐高温，耐腐蚀。耐高温，耐腐蚀。 核特性：核特性：主要是强烈的吸收中子的能力。主要是强烈的吸收中子的能力。46 (b) (b) 分类分类 从运行要求上可把控制棒组件分成三类：从运行要求上可把控制棒组件分成三类：控控制组制组、停堆组停堆组和和温度调节组温度调节组。o 控制组控制组：在反应堆运行时可以插入或抽出，用以在反

32、应堆运行时可以插入或抽出，用以补偿各种反应性变化，并可提供停堆能力，以实现补偿各种反应性变化，并可提供停堆能力，以实现事故保护停堆。事故保护停堆。o 停堆组停堆组：只用于停堆，当反应堆处于临界时总是只用于停堆，当反应堆处于临界时总是全部从堆芯抽出，仅仅在事故保护停堆时才插入。全部从堆芯抽出，仅仅在事故保护停堆时才插入。o 温度调节组温度调节组：在堆芯上部一定范围移动，用于控在堆芯上部一定范围移动，用于控制冷却剂温度的波动。制冷却剂温度的波动。47(a)(a)作用作用用来用来补偿补偿初始堆芯因全部装入新的核燃初始堆芯因全部装入新的核燃料而比后继循环有更大的料而比后继循环有更大的剩余反应性剩余反应

33、性。3 3、可燃毒物组件、可燃毒物组件( (仅在初次装料时使用）仅在初次装料时使用）(b)(b)结构结构可燃毒物组件的毒物棒悬挂在一块方形可燃毒物组件的毒物棒悬挂在一块方形的连接板上，按核设计要求插入选定的核的连接板上，按核设计要求插入选定的核燃料组件的燃料组件的控制棒导向管控制棒导向管内。内。毒物棒用毒物棒用304型不锈钢型不锈钢为包壳，为包壳，硼硅酸盐硼硅酸盐玻璃管玻璃管（成分为（成分为B2O3+SiO2）为芯体。为芯体。48之所以称为之所以称为“可燃毒物可燃毒物”，是因为其中，是因为其中的的10B吸收中子后衰变为吸收中子后衰变为7Li，不断被消，不断被消耗掉。耗掉。可燃毒物组件在燃料第一

34、循环后全部取可燃毒物组件在燃料第一循环后全部取出，换上阻力塞组件。出，换上阻力塞组件。（大亚湾）（大亚湾）66个个可燃毒物组件中，可燃毒物组件中，含有含有16跟可燃毒物棒的组件为跟可燃毒物棒的组件为18个个，含有含有12跟可燃毒物棒的组件为跟可燃毒物棒的组件为48个。个。硼玻璃管内装有硼玻璃管内装有304型不锈钢薄管作为型不锈钢薄管作为内衬，以防玻璃管坍塌或蠕变。棒内有内衬，以防玻璃管坍塌或蠕变。棒内有足够空腔容纳足够空腔容纳10B(n, )7Li反应产生的氦反应产生的氦气。气。49(a)(a)作用作用在反应堆在反应堆初始运行之前初始运行之前和和长期停堆之后长期停堆之后，堆芯，堆芯中子可能太少

35、。为了缩短反应堆启动时间和中子可能太少。为了缩短反应堆启动时间和确确保启动安全保启动安全，反应堆中采用，反应堆中采用中子源组件点火中子源组件点火。4 4、中子源组件、中子源组件(b)(b)分类分类 在压水堆中使用了两种类型的中子源组件：在压水堆中使用了两种类型的中子源组件：初级中子源组件初级中子源组件和和次级中子源组件次级中子源组件。50 初级中子源组件初级中子源组件：新堆初次启动时新堆初次启动时，产生用于，产生用于指示指示的中子的中子。常用。常用Po-BePo-Be源源，PoPo放出放出 粒子打击粒子打击BeBe核核 近年来锎近年来锎-252-252（T T1/2 1/2 = 2.54= 2

36、.54年）被广泛使用。年）被广泛使用。91246BeCn2个初级中子源组件个初级中子源组件 （每个组件（每个组件24跟棒）跟棒）1根初级中子源棒根初级中子源棒1根次级中子源棒根次级中子源棒16根次可燃毒物棒根次可燃毒物棒6个阻力塞个阻力塞大亚湾核电厂首次装料大亚湾核电厂首次装料51123124515194422SbnSbBeHen 次级中子源组件次级中子源组件：用于反应堆：用于反应堆满功率运行两个月后满功率运行两个月后的反应堆停堆后再启动。常用的反应堆停堆后再启动。常用锑锑-铍（铍（Sb-Be）源）源。 大亚湾核电厂首次装料中有大亚湾核电厂首次装料中有2个个次级中子源组件，次级中子源组件，它们

37、各有它们各有4根次级中子源棒根次级中子源棒和和20个阻力塞个阻力塞，加上，加上2个初级个初级中子源棒组件中的中子源棒组件中的2根次级中子源棒，共有根次级中子源棒，共有10根根次级中次级中子源棒。子源棒。次级中子源棒在换料时保留在堆芯中。次级中子源棒在换料时保留在堆芯中。52 为了为了限制限制通过通过未装控制棒、中未装控制棒、中子源或可燃毒物子源或可燃毒物棒的燃料组件中棒的燃料组件中的控制棒导向管的控制棒导向管的的堆芯旁流量堆芯旁流量。 5 5、阻力塞组件、阻力塞组件对于那些既没有布置对于那些既没有布置控制棒又没有放置可燃毒控制棒又没有放置可燃毒物棒束或中子源棒束的燃物棒束或中子源棒束的燃料组件

38、都放置阻力塞组件。料组件都放置阻力塞组件。53 阻力塞形式为阻力塞形式为实心的不锈钢杆实心的不锈钢杆，长约，长约20cm。为了减少结构材料对中子的有害吸收为了减少结构材料对中子的有害吸收，阻力塞棒，阻力塞棒一般做得粗短，插入堆芯的高度较少。一般做得粗短，插入堆芯的高度较少。可燃毒物组件和中子源组件都包含有阻力塞，可燃毒物组件和中子源组件都包含有阻力塞，而阻力塞组件中全部而阻力塞组件中全部24根根棒位都是阻力塞。棒位都是阻力塞。大亚湾核电厂首次装料含有大亚湾核电厂首次装料含有38个阻力塞组件个阻力塞组件。54大亚湾核电厂首次装料堆芯的相关组件种类及数量大亚湾核电厂首次装料堆芯的相关组件种类及数量

39、组件名称组件名称组件的部件组件的部件组件数组件数量量可燃毒可燃毒物棒物棒初级中子初级中子源棒源棒次级中子次级中子源棒源棒阻力塞阻力塞16根可燃毒物棒组件根可燃毒物棒组件160081812根可燃毒物棒组件根可燃毒物棒组件12001248初级中子源组件初级中子源组件161162次级中子源组件次级中子源组件004202阻力塞组件阻力塞组件0002438首次装料堆芯的相关组件总数量首次装料堆芯的相关组件总数量10855（二）下部堆内构件（二）下部堆内构件56堆内构件在反应堆压力容器内支撑和固定堆芯堆内构件在反应堆压力容器内支撑和固定堆芯组件，分为堆芯下部支撑构件和上部支撑构件。组件，分为堆芯下部支撑构

40、件和上部支撑构件。堆内构件功能：堆内构件功能： 57下部堆内构件下部堆内构件（1 1）基本功能）基本功能把堆芯重量传递给压力容把堆芯重量传递给压力容器；器； 固定燃料棒、控制棒和堆固定燃料棒、控制棒和堆内测量仪表装置；内测量仪表装置； 疏散和分配冷却剂流量；疏散和分配冷却剂流量； 减少减少 和中子对压力容器和中子对压力容器的辐射。的辐射。58 堆芯堆芯吊兰吊兰和堆芯和堆芯下支承板下支承板。 这部分统称堆芯支撑吊兰，是高约这部分统称堆芯支撑吊兰，是高约8.2m壁厚壁厚51mm的的不锈钢圆筒，用来不锈钢圆筒，用来把堆芯重量传递给压力壳把堆芯重量传递给压力壳；它有三个冷却；它有三个冷却剂出口管嘴；剂

41、出口管嘴；堆芯支撑板所承受的重量通过吊篮法兰传递给堆芯支撑板所承受的重量通过吊篮法兰传递给压力容器内壁的凸肩。压力容器内壁的凸肩。 为了使冷却剂能够从下部流进堆芯，为了使冷却剂能够从下部流进堆芯，堆芯支撑板上开了许多堆芯支撑板上开了许多的流水孔的流水孔；下部有四个径向导向装置与压力容器上的相对应。；下部有四个径向导向装置与压力容器上的相对应。（2 2）具体描述）具体描述59 堆芯下栅格板：堆芯下栅格板：厚约厚约50mm，为燃料组件提供，为燃料组件提供精确定位和流量分配，燃料组件定位销就固定在精确定位和流量分配，燃料组件定位销就固定在下栅板上。下栅板上。 流量分配板：流量分配板：使进入各燃料组件

42、的冷却剂流量使进入各燃料组件的冷却剂流量均匀。均匀。（每个燃料组件有（每个燃料组件有4个大小相同的流量分配孔）个大小相同的流量分配孔）堆芯围板：堆芯围板：减少冷却剂旁流量，使冷却剂更有减少冷却剂旁流量，使冷却剂更有效地将热量带出堆外。厚约效地将热量带出堆外。厚约25-30mm。60 热屏：热屏：不锈钢圆筒，位于压力容器与吊兰之间，可设置不锈钢圆筒，位于压力容器与吊兰之间，可设置一层或两层，能防止堆芯对压力容器的直接辐射一层或两层，能防止堆芯对压力容器的直接辐射(主要防主要防n， )。 目前的设计改为对着燃料最接近反应堆压力容器壁的堆目前的设计改为对着燃料最接近反应堆压力容器壁的堆芯四角在吊兰筒

43、体外侧连接了芯四角在吊兰筒体外侧连接了4块柱面（厚约块柱面（厚约70mm）钢屏蔽）钢屏蔽。这样使吊兰和压力容器间下降段流通截面加大，减少了流动这样使吊兰和压力容器间下降段流通截面加大，减少了流动阻力。在热屏外侧，含有辐照样品导管，为压力容器材料样阻力。在热屏外侧，含有辐照样品导管，为压力容器材料样品提供辐照监测。品提供辐照监测。二次支承组件二次支承组件：由二次支承板和悬挂在堆芯支承板下由二次支承板和悬挂在堆芯支承板下面的支柱组成，一旦堆芯吊兰破裂时，能够面的支柱组成，一旦堆芯吊兰破裂时，能够限制堆芯移限制堆芯移位位，使安全棒能够插入使安全棒能够插入。61（三）上部堆内构件（三）上部堆内构件62

44、上上部部堆堆内内构构件件63641)1)作用作用 固定燃料组件上端的位置；固定燃料组件上端的位置； 当控制棒组件被提起时，承受因冷却剂横向流动当控制棒组件被提起时，承受因冷却剂横向流动而引起的力；而引起的力； 保证控制棒组件能顺利在燃料组件内上下移动。保证控制棒组件能顺利在燃料组件内上下移动。2)2)几个主要构件几个主要构件 导向管支承板（堆芯上支承板）导向管支承板（堆芯上支承板） 堆芯上栅格板堆芯上栅格板 控制棒导向管控制棒导向管 支承柱支承柱图65 导向管支承板（堆芯上支承板）导向管支承板（堆芯上支承板） 多孔板，厚约多孔板，厚约100mm100mm，直径，直径约约4m4m。支承板法兰面上

45、有。支承板法兰面上有4 4个定个定位键槽。位键槽。 导向管支承板是导向管支承板是主要承力主要承力部件部件，通过压力容器顶盖和压，通过压力容器顶盖和压紧弹簧压紧下部堆内构件，通紧弹簧压紧下部堆内构件，通过堆芯上栅格板将堆芯部件压过堆芯上栅格板将堆芯部件压紧。紧。66堆芯上栅格板堆芯上栅格板是薄的圆板，厚约是薄的圆板，厚约50mm50mm。板上设有定位销以。板上设有定位销以定位导向管和燃料组件。和下栅格板一样设有流水孔。定位导向管和燃料组件。和下栅格板一样设有流水孔。支承柱支承柱是导向管支承板和堆芯上栅格板之间的连接件，是导向管支承板和堆芯上栅格板之间的连接件，4040根根。其作用是使两板保持一定

46、距离，并传递机械载荷。其作用是使两板保持一定距离，并传递机械载荷。控制棒导向管：控制棒导向管：6161个，为控制棒组件提供定位和导向。个，为控制棒组件提供定位和导向。热电偶柱：热电偶柱：共有共有4040个有铬镍个有铬镍- -铝镍热电偶，固定在上栅格铝镍热电偶，固定在上栅格板上选定的燃料组件出口处，用于板上选定的燃料组件出口处，用于测量堆芯出口温度测量堆芯出口温度，以，以监视堆芯冷却剂的饱和裕度和确定最热通道。监视堆芯冷却剂的饱和裕度和确定最热通道。4 4个热电偶柱个热电偶柱下端固定在导向筒支承板上，上部贯穿压力容器顶盖，将下端固定在导向筒支承板上，上部贯穿压力容器顶盖，将热电偶信号引出。热电偶

47、信号引出。67（四）压力容器（四）压力容器68 反应堆压力容器是一个底部为焊死的半球反应堆压力容器是一个底部为焊死的半球形封头，上部为法兰连接的半球形封头的圆柱形封头，上部为法兰连接的半球形封头的圆柱形容器。对于三环路设计，容器上有形容器。对于三环路设计，容器上有3个进口个进口管嘴和管嘴和3个出口管嘴，与各冷却剂环路的冷热个出口管嘴，与各冷却剂环路的冷热管段相接。这些进管段相接。这些进出口管嘴位于高出堆芯上平出口管嘴位于高出堆芯上平面约面约1.4 m 的同一个水平面上的同一个水平面上。69功 能70结构材料容器材料必容器材料必须遵循原则须遵循原则2 2、容器材料应具有、容器材料应具有适当的强度

48、、适当的强度、足够高的塑韧性足够高的塑韧性，尤其对脆性断，尤其对脆性断裂问题要重点加以考虑裂问题要重点加以考虑1 1、容器材料应具有、容器材料应具有优良的冶金优良的冶金质质量量，即要求材料具有足够高的纯净，即要求材料具有足够高的纯净度、致密性及均匀性。选材时应考度、致密性及均匀性。选材时应考虑材料对大型化生产的适应性。虑材料对大型化生产的适应性。4 4、容器材料应具有、容器材料应具有低的低的时效脆化敏感性时效脆化敏感性6 6、选用焊接材料应使焊接熔敷、选用焊接材料应使焊接熔敷金属与母材的强度和塑韧性相适金属与母材的强度和塑韧性相适应应3 3、容器材料应具有、容器材料应具有低的中子辐照脆化敏低的

49、中子辐照脆化敏感性感性5 5、容器材料应具有、容器材料应具有优良的冷热优良的冷热加工性能与焊接性能加工性能与焊接性能71 为了满足反应堆压力壳在为了满足反应堆压力壳在高压、高温、受辐照高压、高温、受辐照的条件的条件下工作的特殊要求，并保证核电站的安全使用和压力容器下工作的特殊要求，并保证核电站的安全使用和压力容器加工制造的经济性，要求压力容器材料有较高的加工制造的经济性，要求压力容器材料有较高的机械性能、机械性能、抗辐照性能抗辐照性能及及热稳定性热稳定性。 此外，对于断面收缩率、冲击韧性及脆性转变温度等此外，对于断面收缩率、冲击韧性及脆性转变温度等指标，都有较高的要求。目前广泛采用含指标，都有

50、较高的要求。目前广泛采用含锰钼镍的低合金锰钼镍的低合金钢钢（成分：（成分：C0.25%，Mn-1.5%，Ni-0.4%1.0%，Mo-0.6%，其余为，其余为Fe）做压力容器的材料。做压力容器的材料。 压力容器工作在高压（压力容器工作在高压（15.5 MPa15.5 MPa左右，设计压力左右，设计压力须达须达17.2 MPa17.2 MPa）、高温含硼酸水介质环境和放射性辐）、高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条件下，寿命照的条件下，寿命3060年。年。72为了防止高温含硼水对压为了防止高温含硼水对压力容器材料的腐蚀，压力容力容器材料的腐蚀，压力容器的内表面堆焊一层大于器的内表面堆焊一层大于5