核科学概论-反应堆3.ppt

核科学概论 东华理工大学 核工系 本堂课主要内容 压水堆核电站 概述 压水堆的结构形式多种多样，其结构特性要满足物理设计和热工设计的基本要求，既要保证可控的裂变链式反应可靠地进行，又要把裂变产生的热量及时带出。一般来说压水堆主要是由反应堆压力容器、堆芯、堆芯支撑结构、控制棒驱动机构等组成。 概述 反应堆堆芯是释放能量的关键部分，因此反应堆堆芯结构性能的好坏对核动力的安全性、经济性和先进性有很大的影响。一般说来，它应满足下述基本要求： （1）堆芯功率分布应尽量均匀； （2）尽量减小堆芯内不必要的中子吸收材料； （3）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； （5）堆芯结构紧凑，换料操作简便。 概述 目前大型压水堆的燃料组件都不设组件盒，冷却剂可以产生横向搅混。堆芯周围有围板包围，围板固定在吊篮上，吊篮外侧固定着热屏蔽，用以减少压力容器可能遭受的中子辐照。 反应堆压力容器 反应堆压力容器是用来固定和包容堆芯、堆内构件，使核燃料的裂变链式反应限制在一个密封的金属壳内进行。一般把燃料元件包壳称为防止放射性物质外逸的第一道屏蔽，把包容整个堆芯的压力容器及一回路管路系统称为第二道屏蔽。 压力容器外形尺寸大、质量大，加工制造技术难度大，特别是随着核电站单堆容量增大，压力容器的尺寸也越来越大。 反应堆压力容器 压力容器的核安全设计标准中是安全一级的设备，它在事故状态下的可靠性和完整性是核反应堆安全的重要保证。正确选材是保证反应堆压力容器安全的关键，其选材的原则： （1）要保证材料的纯度； （2）材料应有适当的强度和足够的韧性； （3）材料应具有低的辐照敏感性； （4）导热性好，在温度变化时热应力较小； （5）便于加工制造，成本低廉。 反应堆堆内构件 反应堆堆内构件包括吊篮部件、压紧部件、堆内温度测量系统和中子通量测量管等。其作用是： （1）使堆芯燃料组件、控制棒组件、可燃毒物组件、中子源组件和阻力塞组件定位及压紧； （2）保证燃料组件和控制棒组件对中，对控制棒组件的运动起导向作用； （3）分隔堆内冷却剂，使冷却剂按一定方向流动； （4）固定和引导堆芯温度和中子通量测量装置，补偿堆芯和支撑部件的膨胀空间； （5）减弱中子和γ射线对压力容器的辐照。 燃料组件 把若干个燃料元件棒组装成为便于装卸、搬运及更换的棒束组合体称为燃料组件，燃料组件在往堆内装载和从堆内卸出的过程中是不拆开的一个整体。 压水堆的燃料组件在堆芯中处在高温、高压、强中子辐照、冲刷和水力振动等恶劣条件下长期工作，因此燃料组件性能的好坏直接关系到反应堆的安全可靠性、经济性和先进性。 压水反应堆普遍采用低浓缩铀燃料、弹簧定位格架、无盒的棒束燃料组件。燃料组件由燃料元件棒、定位格架、组件骨架等部件所组成。 燃料组件 目前电站压水堆普遍采用17×17排列的燃料组件，每个组件由289个栅元，设有24根控制棒导向管和一根堆内中子通量测量管，其余264个栅元装有燃料棒。整个棒束沿高度方向设有8~10层弹簧定位格架，将元件棒按一定间距定位并构成一束。 燃料组件 燃料元件棒 压水堆燃料元件由燃料芯块、燃料包壳管、压紧弹簧、上下端塞等组成。 燃料组件 燃料元件棒是堆芯的核心构件，是核裂变链式反应的发生地，也是核动力的热源。为了确保燃料元件棒在整个寿期内的完整性，必须限制燃料和包壳的使用温度。 UO2芯块放置在锆-4合金包壳管中，装上端塞，把燃料芯块封焊在里面，从而构成燃料元件棒。 燃料元件棒内有足够的预留空间和间隙，可以容纳燃料裂变时释放出的裂变气体，允许包壳和燃料有不同的热膨胀，保证包壳和端塞焊缝都不会超过允许应力。 燃料组件 燃料芯块 燃料芯块设计要综合考虑物理、热工、结构等方面的因素，燃料芯块由低富集度的UO2粉末经冷压后烧结而成，经滚磨成一定尺寸的圆柱体。由于芯块在高温和辐照作用下会发生不均匀肿胀，使燃料芯块形成沙漏形，从而使燃料元件变成竹节状。 燃料组件 燃料元件包壳 目前压水堆燃料元件包壳管几乎都是用锆-4合金冷拉而成的。燃料元件包壳的外径一般是根据设计要求定出的，同时还要考虑水铀比等各种因素。压水堆燃料元件包壳本身的壁厚主要是从结构强度和腐蚀两方面考虑。 另外还要注意一下两方面：燃料包壳到燃料寿期末的吸氢量不得超过容许值；包壳的腐蚀量不得大到破坏材料完整性程度。 包壳管内壁和燃料芯块的径向间隙的大小与导热系数有关，所以它是影响芯块温度的重要因素。 燃料组件 控制棒导向管 控制棒导向管由锆-4合金管制成，其下段在第一和第二格架之间处直径缩小。在紧急停堆时，当控制棒在导向管内接近行程底部时，缩径将起缓冲作用，缓冲段的过度区呈锥形，以避免管径过快变化。 中子通量测量管 放在燃料组件中心位置的中子通量测量管是用来