壓水反應堆結構與材料

壓水反應堆結構與材料第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三

4.1反應堆本體結構概述壓水反應堆的本體結構由堆芯、堆內構件、反應堆壓力殼以及控制棒驅動機構等幾部分組成。

第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三堆芯吊蘭上柵格板下柵格板堆芯支撐部件上封頭下封頭壓力容器控制棒驅動機構圍板第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三4-2反應堆堆芯結構堆芯結構是反應堆的核心構件，在這里實現核裂變反應，核能轉化為熱能；同時它又是強放射源。因此，堆芯結構的設計是反應堆本體結構設計中的重要環(huán)節(jié)之一。堆芯結構由核燃燒組件、控制棒組件、可燃毒物組件、中子源組件和阻力塞組件等組成。壓水反應堆的堆芯結構位于壓力殼的冷卻回路進出口以下，在整個壓力殼中間偏下的位置。第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三4.2.1燃料組件

壓水堆的燃料組件在堆芯中處在高溫、高壓、高硼水、強中子輻照、腐蝕、沖刷和水力振動等惡劣條件下長期工作、因此燃料組件性能的好壞直接關系到反應堆的安全可靠性、經濟性和先進性。第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三壓水反應堆普遍采用低濃鈾燃料，彈簧定位格架，無盒的束棒燃料組件。燃料組件由燃料元件棒、定位格架、組件骨架等部件所組成。元件棒的排列有14×14，15×15，16×16和17×17等多種形式。15×15排列的燃料組件已被廣泛應用。秦山核電廠壓水堆燃料元件棒按15×15排列，大亞灣核電廠壓水堆燃料元件棒則按17×17排列。第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三

一燃料元件燃料元件的結構與燃料的性質和堆型密切相關，因而元件的結構形成式是多種多樣的，但其中以棒狀、板狀，壓力管狀和顆粒狀燃料元件最為常見，這里主要介紹與壓水堆有關的棒狀和板狀元件。第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⒈燃料元件的完整性燃料元件是堆芯的核心構件。為了確保燃料元件在整個壽期內的完整性，壓水堆燃料元件的設計應考慮下述準則：⑴燃料和包殼溫度

用UO2作燃料的元件棒芯塊，其最高工作溫度應低于UO2的熔點（2860±15℃），在目前的設計中，一般取2500℃-2600℃左右。鋯合金包殼的工作溫度限值為350℃以下（鋯-2合金一般取316℃）。第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⑵包殼應變范圍應限定包殼的最大允許應變范圍（彈性的和塑性的）。⑶包殼應力包殼的應力分析與設計應滿足反應堆和壓力容器有關的設計規(guī)范規(guī)定，以保證有足夠的機械強度和剛性。⑷內部氣體壓力包殼管內應有適宜的氣體壓力。在元件臨近壽期未了時，包殼管內部的氣體壓力值應限制在與系統的工作壓力相近的數值上。第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⑸包殼的循環(huán)應變

堆功率的變化（特別是在跟蹤負荷運行時）會引起包殼的循環(huán)應變，從而造成包殼的積累損傷和疲勞破裂。因此需要根據疲勞壽命制定出循環(huán)應變的限制范圍。第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⑹燃料芯塊的穩(wěn)定性在某些因素的影響下，燃料芯塊出現的收縮會導致燃料的密實化，從而造成燃料包殼的塌陷第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⑺燃料芯塊的含水量

許多反應堆內都曾發(fā)生過鋯的氫脆破裂。UO2芯塊容易從它的周圍吸收水分。在反應堆啟動后，燃料吸收的水分將釋放出來，并在輔照作用下分解為氫和氫氧根。其中氫被鋯合金吸收而生成氫化鋯，從而使包殼氫化變脆。這時包殼即使在很低的應力作用下也會發(fā)生破損。因此，應該注意控制燃料棒的含水量，通常規(guī)定每3.66米不得超過60毫克或者每塊燃料芯塊不得超過10ppm。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三

2.棒狀燃料元件

這種元件由燃料芯塊、燃料包殼管、壓緊彈簧、隔熱片（在有些堆中采用）、端塞等幾部分組成。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⑴燃料芯塊目前電站堆幾乎都以UO2陶瓷體為燃料，其濃縮度約為２－４％。陶瓷芯塊的直徑一般在６－１０毫米范圍內。⑵燃料包殼管目前電站壓水堆燃料包殼管幾乎都是鋯－４合金冷拉而成的。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⑶隔熱片燃料組合體兩端裝的三氧化二鋁陶瓷材料片，稱為隔熱片，用來減少芯塊的軸向傳熱，從而減小端塞的熱應力。⑷壓緊彈簧

在元件內腔端部的壓緊彈簧用來防止元件在運輸和吊裝過程中芯塊的串動，一般用不銹剛制造第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⑸包殼的腐蝕

從強度觀點看，元件壽期終了時的包殼最大腐蝕穿透深度應低于其壁厚的10%。⑹包殼的吸氫

，鋯合金包殼在水中腐蝕時要放出氫氣。其中部分氫（約5-20%）通過氧化層擴散到鋯合金中，引起它的脆化。有的文獻認為，在壽期終了時包殼含氫量為250ppm是可以接受的，但無論如何不應高于600ppm。第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三在設計燃料元件時，芯塊與包殼間應留有徑向和軸向間隙。徑向間隙用來補償燃料芯塊的輻照腫脹和芯塊與包殼間由于溫差而引起的熱膨脹。軸向間隙除了也有上述的補償作用而外，還用來貯存燃料釋放出來的裂變氣體（通常氪約占１５％，氙約占８５％）。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三為了降低運行過程中包殼管的內外壓差，防止包殼管的蠕變塌陷和改善燃料元件的傳熱性能，現代的元件設計都采用了預充壓技術，即在元件密封焊接時，在包殼管內腔預先充有1.962-3.436兆帕的惰性氣體氦。當元件工作到接近壽期終了時，包殼管內氦氣加上裂變氣體的總壓力應同包殼管外面冷卻劑的工作壓力值相近。第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三3.板狀燃料元件板狀燃料元件常用于艦艇動力堆。板狀元件通常由鈾-鋯合金或彌散型燃料軋制而成，鈾的濃度為20%-90%。與UO2陶瓷棒狀元件相比，板狀元件有如下一些特點：⑴由于板狀元件所用燃料的濃縮度高和彌散型燃料的穩(wěn)定性好，因而它的燃耗可以很深，一般在10000兆瓦日/噸鈾以上，這就保證了較高的燃燒元件和堆芯的使用壽命。

第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三⑵因為鈾-鋯合金或金屬陶瓷都可軋制成很薄的板材，所以單位堆芯體積中能布置較大的放熱面積，這就有效地提高了反應堆的平均容積比功率。⑶即使采用導熱性能較差的二氧化鈾為燃料的板狀元件，其中心溫度一般也不超過900℃。雖然板狀元件有上述一些重要優(yōu)點,然而濃縮鈾的消耗相當可觀。因此，目前這種類型的板狀元件多半還只能用在要求堆芯體積小、壽命長的艦艇動力堆上。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三二燃料元件棒核燃料元件棒是壓水堆產生核裂變并釋放熱量的部件。它的長度約3-4米，外徑為9-11毫米。鋯合金包殼管壁厚為0.50-0.70毫米，管內裝有二氧化鈾陶瓷型燃料芯塊，并按設計要求將燃料芯塊裝到一定高度。上下兩端設有三氧化二鋁的陶瓷隔熱塊，頂部設有螺旋形壓緊彈簧以防止在運輸過程中棒內芯塊發(fā)生竄動。鋯合金管的兩端用鋯合金端塞堵封，并與包殼管焊接密封在一起。第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三三定位格架定位格架是元件徑向定位件,也是夾持元件和加強元件剛性的一種彈性構件。定位格架的結構形式很多，其結構合理與否對元件周圍的水力和熱工性能會有顯著影響。合理的結構形式一般應通過實驗確定。所有定位格架的外條帶上都有混流翼片。它們除了可起攪混作用而外，允許有軸向熱膨脹，但不允許產生使元件棒彎曲或扭曲的約束力。為了加強元件棒與格架組件接觸部位的冷卻，應使混流翼片從條帶邊緣伸出，以便有效地攪混接觸處的冷卻劑，從而改善其熱工狀態(tài)。第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三4-2-2控制棒組件控制棒組件是核反應堆控制部件，用它控制反應堆的核裂變反應速率，啟動和停堆，調整反應堆的功率，在事故工況下依靠它快速下插使反應堆在極短時間內緊急停堆，以保證反應堆安全。目前，壓水反應堆普遍采用束棒型控制棒組件，即用銀-銦-鎘（80%Ag-15%In-5%Cd）合金制成細棒狀的控制棒吸收體，外加不銹鋼包殼，每根棒正好插在燃料組件的導向管內。第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三控制棒的主要功能是：(1)補償從熱態(tài)零功率至滿功率燃料和慢化劑溫度效應引起的反應性虧損以及由于功率再分布引起的反應性變化；(2)用以實現提高或降低反應堆功率，或者移動控制棒實現快速的負荷跟蹤，使核電廠具有變工況運行能力；(3)在各種運行工況下，用控制棒實現快速或緊急停堆，并保持一定的熱停堆反應性裕度；(4)補償變工況時的瞬態(tài)氙效應所引起的反應性變化，以及借助于控制棒移動來抑制氙振蕩。因此壓水堆內控制棒是按不同功能進行分組，一般分為停堆控制棒組，控制功率分布的控制棒組以及功率調節(jié)控制棒組。第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三為了使控制棒能有效地控制反應性，對于熱中子反應堆，采用吸收中子強的材料做控制棒。壓水堆控制棒一般采用銀-銦-鎘合金，其質量比大致為80%—15%—5%，并且做成束棒式，以減小插入控制棒后所引起的功率畸變。第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三4-2-3可燃毒物組件為降低反應堆運行初期的過剩反應性，節(jié)省控制棒數量以及補償堆壽期末由于燃耗和中毒效應等所引起的過剩反應性下降，一般堆內普遍應用固體可燃毒物?？扇级疚锿ǔ２捎梦罩凶幽芰Ρ容^強，又能隨著反應堆運行與核燃料一起燒掉的同位素（如硼、鉿、釓、及其化合物）作吸收材料，常用的有硼不銹鋼、碳化硼、硼玻璃及硼化鋯等，將這些吸收材料制成棒狀或管狀，然后外面加包殼?？扇级疚锝M件由可燃毒物棒、連接板和彈簧壓緊部件等組成，它與控制棒組件不同，裝入堆內后不上下移動。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三4-2-4中子源組件能發(fā)射中子的裝置或物質稱中子源。中子源大致分成三類，即放射性中子源，反應堆中子源及加速器中子源。為了保證反應堆在任何情況下都能安全啟動，在堆芯整個壽期內要有足夠強度的中子源。壓水堆中常用如下兩種形式的中子源；第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三（1）釙-鈹（Po-Be）源這種中子源常用于堆的初始啟動，也稱為一次源。210Po和9Be這兩種材料的粉末混合裝在不銹鋼包殼管內，管的兩端密封焊接。以鈹（Be）作為靶核。放射性同位素釙（Po）發(fā)射出的α粒子與鈹靶核作用而產生中子。特點是體積小，一般講壽命長（Po-Be源半衰期最短為138.4天），γ射線劑量率低，價格貴。第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三（2）銻-鈹(Sb-Be)源這種中子源用于堆運行過程中的再次啟動，亦稱二次中子源。123Sb和9Be這兩種材料混裝在包殼管中，兩端密封焊接。常以鈹（Be）作為靶核，γ發(fā)射體常用銻(Sb)等。發(fā)射的γ與靶核作用產生中子。一般每種中子源各做兩個，分別固定在連接板上，構成帶中子源的組件。這種組件放在堆芯邊緣區(qū)，中子源插入空著的導向管并懸吊在堆芯半高度處。第31頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三4．3反應堆壓力殼壓力殼是放置堆芯和堆內構件，防止放射性物質外逸的高壓容器。特別是對壓水反應堆來說，要使一回路的冷卻水保持在350℃左右不發(fā)生沸騰，必須使一回路冷卻水的壓力保持在140大氣壓以上。反應堆壓力殼要在這樣的溫度和壓力條件下長期工作，再加上殼體尺寸較大，加工制造精度要求