1、第二章 反应堆系统2.1 概述主要介绍AP1000 反应堆系统的堆芯(包括燃料组件、控制棒等)组成。核电厂工况分为以下四类:工况I 正常运行工况II 中等频率事件 工况III 稀有事故工况IV极限事故2.2 反应堆堆芯反应堆的堆芯(Reactor Core)的组成l 燃料组件(Fuel Assemblies)l 反应性控制棒束组件l (Reactivity Control Cluster Assemblies , RCCAs) l 灰棒控制组件(Gray Rod Cluster Assemblies， GRCAs)l 中子源组件(Neutron Source Rods)l 可燃毒物组件(Bur
2、nable Absorber Assemblies) 2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 1 燃料芯块(Fuel Pellet) 形状：圆柱状，两端均为浅碟形，两端的外圆柱面上留有倒角。 材料：稍加富集的 UO2 加工工艺： UO2粉末经冷压后烧结而成。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 1 燃料芯块(Fuel Pellet) 形状l 圆柱状，两端均为浅碟形，两端的外圆柱面上留有倒角。l 两端浅碟形允许芯块中心线位置有较大的轴向膨胀，也增大了容纳裂变气体释放的空腔体积；倒角方便加工制造，同时降低了燃料棒制造时芯块破损的概率。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 1
3、燃料芯块2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 2 燃料棒(Fuel Rod) 把UO2陶瓷芯块顺序放入ZIRLO(错铝合金)包壳管内，充氮密封成外径0.95 cm 的单根燃料棒。充氮使燃料棒内部保证一定的初始压力，可使包壳受压应力最小化和阻止在反应堆冷却剂运行压力下的包壳饵塌。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 2 燃料棒(Fuel Rod) 2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 2 燃料棒(Fuel Rod) 锆铌合金(ZIRLO)l比锆-4合金反应堆运行性能更好；l具备良好的中子经济性(低吸收截面)；l较高的抗冷却剂、燃料和裂变产物腐蚀能力；l以及在运行温度下的高
4、机械强度和延展性。以上特性有利于加深燃料的燃耗。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 2 燃料棒(Fuel Rod) 包壳管两端用端塞塞住并进行密封焊接。下端寨的长度超过底部格架的高度，以防止燃料棒的包壳受到截留在底部格架位置的异物的磨损。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 2 燃料棒(Fuel Rod) 为了延长运行循环和加深燃耗的需要，燃料棒有上、下两个空腔。上空腔体积由燃料芯块压紧弹簧维持，下空腔体积由支撑管提供。燃料棒内的空腔体积和间隙能纳燃料中释放的裂变气体、包壳与芯块间的热膨胀差异以及辐照后芯块密度的改变。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 2 燃料棒(
5、Fuel Rod) 轴向再生区（Axial Blanket)l轴向再生区位于燃料棒芯块柱的两端，由一些更低富集度的燃料芯块组成。l轴向再生区能减少中子的轴向泄漏，提高燃料的利用率。l轴向再生区使用倒角芯块，长度上比其他正常富集度的芯块要长，以防止在制造中发生意外混淆。l轴向再生区不会对源量程探测器响应产生影响。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 2 燃料棒(Fuel Rod) 一体化可燃吸收体l在燃料芯块表面覆盖一层棚化物，其厚度小于0.0025mm。l含棚化物覆层的燃料芯块与不含覆层的UO2芯块是相同的。含覆层的芯块位于燃料棒的中部位置。l带有一体化可燃吸收体的燃料棒在燃料组件内的
6、数量和布置方式因用途各异而不同。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3 燃料棒(Fuel Rod) 随燃耗变化的效应l燃料密度改变l裂变气体释放l包壳蠕变l芯块包壳相互作用(Pellet-Cladding Interaction , PCI) l其他物理性能。燃料棒的完整性设计能适应高的燃料温度、由裂变气体释放引起的高内压以及高包壳应力、应变、应变疲劳和磨蚀。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3 燃料棒(Fuel Rod) 随燃耗变化的效应l燃料密度改变l裂变气体释放l包壳蠕变l芯块包壳相互作用(Pellet-Cladding Interaction , PCI) l其他
7、物理性能。燃料棒的完整性设计能适应高的燃料温度、由裂变气体释放引起的高内压以及高包壳应力、应变、应变疲劳和磨蚀。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)排列及组成l17X17 方阵l264 根燃料棒l24 根控制棒导管l1根中央测量管l14 层结构格架2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)2.2.1 反应堆燃料组件
8、2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)格架功能：l燃料棒在其长度方向上间隔地被格架支撑，以保持在燃料组件设计寿期内燃料棒之间的横向间距。l在格架与燃料棒接触点上不超过包壳过载应力的情况下，作用在燃料棒上的格架限制力要足够大，以使可能的磨蚀最小化。l格架不会在燃料棒上施加过大的约束，使燃料棒在轴向上可以自由热膨胀，从而燃料棒不会被锁住或产生扭曲。l格架条带使得防异物下管座上的流水孔更加细分，以进一步减少可进入燃料棒束的异物数量。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)格架功能：l格架条带使得防异物下管座上的流水孔更加细分，
9、以进一步减少可进入燃料棒束的异物数量。l中间格架上的搅混翼既可在燃料组件内不同的通道间也可在相邻的燃料组件间引起附加的流体混合。这种附加的流体混合可以提高热工性能。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)格架l结构格架（ 14 层） 顶部格架 底部格架 中间格架（ 8 层）中间搅混格架（ 4 层）l保护格架2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)顶部格架： 由 Ni-Cr-Fe 合金或ZIRLO 制成。 底部格架： 常由防腐蚀、高强度的 Ni-Cr-Fe 合金制成。中间搅混格架：架放置在高热流密
10、度区域雪以利于混流，由ZIRLO 制成。中间格架： 由ZIRLO 制成。保护格架： 又叫P格架，主要起到阻止异物进入的作用。常由防腐蚀、高强度的 Ni-Cr-Fe 合金制成。注： 选用ZIRLO材料是考虑到其固有的低低中子俘获截面。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)上管座(Top Nozzle)功能：为控制棒组件、离散型可燃毒物组件(Discrete Burnable Absorber Assemblies)或其他堆内部件提供部分保护空间。可拆式：上接头板(上管座的底部)与导向管护套相连接，二者通过锁紧管锁定。去掉锁紧管，即可从燃料组件中
11、拆除上管座，直接取出燃料。材料 ： 4 组Inconel-718板弹簧，除此之外其他的部件材料为304 不锈钢。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)上管座2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)下管座(Bottom Nozzle)功能： 引导冷却剂流入燃料组件并进行流量分配。管座上流水孔的尺寸，可以使有害异物碎片进入堆芯活性区通道的可能性降至最小，同时保持水力上和结构上足够的裕量。可拆式：上接头板(上管座的底部)与导向管护套相连接，二者通过锁紧管锁定。去掉锁紧管，即可从燃料组件中拆除上管座，
12、直接取出燃料。材料 ： 304 不锈钢。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)下管座2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)导向管导向管是燃料组件的结构部件，可为中子吸收棒、可燃毒物棒、中子源棒或其他组件提供插入通道。材料：ZIRLO，其外径和内径均在全长上保持不变。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)导向管独立缩颈管： ZIRLO 制成的被安装在导向管内的下端。上端的大管径可提供相对较大的环向面积，以允许在反应堆停止时控制棒的快速插入，同
13、时在正常运行工况下调节冷却剂的流动。在导向管缩颈段的上端开有流水孔，可减少控制棒的落棒时间。导向管下端的缩颈管可在控制棒下落末期提供缓冲作用，保证控制棒的冲击速度在接受范围内。缓冲作用在下端塞处结束，而在下端塞上开有一个小的流水孔，可避免在正常运行工况下缓冲段空间内的流体滞留现象。2.2.1 反应堆燃料组件 2. 2. 1. 3燃料组件 ( Fuel Assembly)仪表管在每个燃料组件中心位置，落在位于上下管座上的通孔之间，仪表管的直径在全长上一致。 为从上管座进入燃料组件内的堆芯中子探测器提供无约束的通道 。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Ro
14、d)吸收体吸收体材料为封在不锈钢管内的银-锢-铺合金。银一锢一铺合金因具有共振吸收而显著地增加中子吸收价值管内的径向和端部间隙可容纳不同部件间的相对热膨胀。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Rod)吸收体吸收体具有弹头状的下端塞，以减小在反应堆停堆落棒时的水力阻力，并在控制棒进入燃料组件导向管缓冲段时起平滑导向作用。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Rod)简介每束控制棒组件由固定在一个共用的中心筒或连接柄上的24 根控制棒组成。控制棒被可靠地固定在连接柄上。控制棒旋入连接柄指状管，然后被销住以保持连接紧密。2
15、.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Rod)按功能分类停堆棒(SD 棒，Shutdown Rods) 共有四组，每组有8 束控制棒组件，用于快速停堆。轴向偏移控制棒(AO 棒，Axial Offset Rods)只有一组，由9 束控制棒组件组成，用于轴向功率分布控制。补偿棒(M棒，Shim Rod)共有六组，用于补偿由于温度、功率、和瞬时值毒变化所引起的反应性变。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Rod)2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Rod)API000控制棒布置按吸收
16、体组成分类灰棒(SD 棒，Shutdown Rods) 。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Rod)按吸收体组成分类灰棒(SD 棒，Shutdown Rods) 吸收体中12 根由不锈钢制成，另外 12 根的吸收体材料是 (Inconel)端头，包壳材料为不锈钢。对比M310型反应堆灰棒组件灰棒组件由 8 根黑棒和16 根灰棒组成；黑棒2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Rod)灰棒功能灰棒(Gray Rod) 吸收中子的能力低于黑控制棒，用于在 30%额定功率以上的负荷跟踪。灰棒由驱动机构传动，进出堆芯来改变功
17、率，以适应电网负荷变化。他代替过去用改变冷却水的棚浓度来跟踪负荷的方法。改变砌浓度会产生废水，采用灰棒可减少废水量。灰棒棒束采用吸收性能较弱的吸收体，以满足机械补偿(Mechanical Shim , MSHIM)的理想控制模式所要求的反应性价值。在反应堆运行期间灰棒代替化学补偿(调节棚浓度)来跟踪负荷。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 1 控制棒组件(Control Rod)功能API000 初始堆芯启动时，中子源组件提供足够的中子水平以确保堆芯在次临界时堆外源量程探测器能一直监测到足够的中子增殖信号。分类分为初级和次级中子源组件初级中子源棒包含有锎源材料以及定位锎源材料在包壳内位
18、置用的氧化铝隔片。初级中子源在首循环寿期末将从堆芯卸出。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 3 中子源组件(Neutron Source Assembly)2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 3 中子源组件(Neutron Source Assembly)2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 3 中子源组件(Neutron Source Assembly)分类分为初级和次级中子源组件次级中子源棒内包含有高度约224 cm的锑-铍芯块柱。在首循环运行前，次级中子源就被装入堆芯，运行时其锑源被中子活化后产生高能量的射线，轰击铍发射出中子。这个过程在运行中不断重复，产生的次级中
19、子供反应堆后续启动时使用。配置2 组初级中子源组件和2组次级中子源组件。每组初级中子源组件包含一根初级中子源棒和一定数量的可燃毒物棒。每组次级中子源组件包含一组对称分布的次级中源棒。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 3 中子源组件(Neutron Source Assembly)通水环状可燃毒物组件(Wet Annular Burnable Absorber , WABA)由离散型可燃毒物棒连接在一个压紧组件上构成。离散型可燃毒物棒由环状的、薄壁的氧化铝(Al2O3)芯块组成，芯块内包含有以碳化棚(B4C)形式存在的10B 材料。环状芯块放入两根同心的锆合金管内，两端用两个锆合金端塞寨住并与管子进行焊接。在端塞上开有通水孔，允许冷却剂从内管中流过。在内管与外管之间的环状空间内预充有一定压力的氮气。吸收柱在可燃毒物棒内的轴向位置通过一个支撑管来定位。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 4 可燃毒物组件2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 4 可燃毒物组件2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 4 可燃毒物组件功能通水环状可燃毒物在寿期初用于降低反应性温度系数。2.2.2 堆芯功能组件 2. 2. 2. 4 可燃毒物组件
