核电站320课程第二章.doc

第2章 反应堆结构 反应堆是产生、维持和控制链式核裂变反应的装置，它以一定功率释放出能量，并由冷却剂导出，再通过蒸汽发生器将堆芯产生的热量传给蒸汽发生器二次侧给水，产生蒸汽，驱动汽轮发电机发电。 大亚湾核电站反应堆的堆型是压水堆，用加压轻水作为慢化剂和冷却剂，位于安全壳的中央。图2.1是压水堆的结构简图，它可分为以下四部分： 反应堆堆芯 堆内构件 反应堆压力容器和顶盖 控制棒驱动机构 反应堆结构部件除了在机械强度、刚度、加工精度和耐腐蚀等方面应满足比一般机械设备更高的要求外，还要满足核性能和抗辐照方面的要求。结构材料在反应堆内受到核裂变放出的高能量γ射线和各种能量的中子的轰击后，材料性能发生变化，同时还带有很强的放射性。因此，对反应堆主要部件在设计、制造、安装和在役检查的各阶段都要进行严格的质量控制，以保证反应堆安全可靠地运行。 图2.1 反应堆纵剖面图 2.1 反应堆堆芯 堆芯是反应堆的核心部件，核燃料在堆芯内实现核裂变反应，释放出核能，同时将核能转变成热能，因而它是一个高温热源和强辐射源。 2.1.1 堆芯的组成和布置 如图2.2，堆芯由157个尺寸相同、截面为正方形的燃料组件排列而成，其当量直径为304cm。堆芯首次装料时，有三种不同富集度（即235U在铀中所占的份额，又称浓缩度）的燃料组件，分别是1.8%、2.4%和3.1% 。因为堆芯沿径向中子通量的分布是中间高外侧低，为了提高堆芯平均功率密度和充分利用核燃料，采取按富集度不同分区装料和局部倒料的燃料循环方式，即堆芯的四周由52个富集度为3.1%的燃料组件组成第3区，内区则混合交错布置52个富集度为2.4%和53个富集度为1.8%的燃料组件，组成第2区和第1区。换料时卸出第1区的乏燃料组件，外围的组件向内部区域倒换，新加入的燃料组件放在第3区（最外围）。采用这样的燃料分布方式可以展平堆芯功率，获得较高的燃耗深度，提高核燃料的利用率。目前每年更换约1/3燃料组件（更换组件的具体数目要根据本年度发电计划及上一循环燃耗情况确定），称为一个燃料循环。 图2.2 堆芯燃料组件布置（第一循环） 从第二个循环开始，新装入的燃料组件的富集度为3.25%，高于首次装料，这是因为运行一段时间后堆芯内积累了一些吸收中子的裂变产物，需要增加正反应性储备。 需要指出的是，从第七循环开始，为满足不断增长的发电需求，大亚湾核电站新换燃料的富集度改为3.7% 。按照规划，今后还将采用长燃耗循环，即18个月换料方式，届时新换燃料的富集度将提高到4.45% 。 根据燃料组件在堆芯中的不同位置，在其中分别放置了控制棒组件、可燃毒物组件、中子源组件和阻力塞组件。 2.1.2 燃料组件 大亚湾核电站目前使用AFA-2G型燃料组件。燃料组件由燃料元件棒和组件骨架组成，如图2.3所示。控制棒导向管、中子通量测量管与定位格架焊接在一起，上、下管座用螺钉与控制棒导向管连接起来，构成可拆式骨架。燃料元件棒插入定位格架内，由弹簧片夹持着。 图2.3 燃料组件 每个燃料组件共有264根燃料元件棒、24根控制棒导向管和一根堆内测量导管，它们按17×17排列成正方形栅格，共有289个棒位。整个棒束沿高度方向设有8个定位格架。264根燃料元件棒插入定位格架内，由定位格架支撑，并保持燃料棒的间距。燃料组件的上、下管座均设有定位销孔，燃料组件装入堆芯时用这些定位销孔与堆芯上、下栅格板上的定位销相配合，使组件在堆芯中按一定间距定位。上管座装有压紧弹簧，使燃料组件承受轴向压紧力，防止冷却剂自下向上流动的冲力引起组件窜动，同时可以补偿热态下各种结构材料的热膨胀，并减少在突然的外来载荷（包括地震）作用下燃料组件所承受的冲击载荷。 下面分别介绍燃料组件各部件的结构。 1．燃料元件棒 燃料元件棒由燃料芯块、燃料包壳、压紧弹簧、上端塞和下端塞等几个部分组成，如图2.4所示。 图2.4 燃料元件棒 每根燃料元件棒装有271块UO2燃料芯块，这些芯块叠放在壁厚0.57mm的Zr-4合金管（包壳）中，两端焊封端塞，构成长3852mm、外径9.5mm的燃料元件，其中芯块区（即活性区）长度为3657.6mm。燃料元件包壳的上端塞上有一个气孔，制造时通过它向燃料包壳内充以3.0MPa压力的氦气，然后将这个气孔焊死。充氦气是为了减小燃料元件放入堆芯后冷却剂压力对包壳形成的压应力。 燃料元件内预留有足够容纳燃料释放出的裂变气体的容积。在包壳与燃料芯块之间的间隙为0.17mm，这个间隙允许包壳和燃料芯块的不同热膨胀和辐照肿胀，减少包壳超应力的风险。 在燃料芯块的上部有一个不锈钢压紧弹簧，它防止燃料装卸操作或运输过程中燃料芯块在包壳内窜动，以及允许芯块高温辐照后沿轴向的肿胀。 (1) 燃料芯块 燃料芯块由低富集度的UO2粉末经冷压，在1700℃高温