pwr系统与设备 第二章 压水堆本体结构

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1、PWR系统与设备上海交通大学机械与动力工程学院核科学与系统工程系中国电力投资集团核电培训班课程第二章压水堆本体结构典型压水反应堆本体结构反应堆本体堆芯（活性区）堆内构件反应堆压力容器（压力壳）控制棒传动机构（控制棒驱动机构）压水堆堆芯部分的横截面堆芯，活性区：core；（注：快堆内还有blanket，再生区）燃料组件：fuelassembly;反应堆堆内构件：reactorvesselinternals;控制棒驱动机构：controlroddrivemechanism;横截面：cross-section;剖面：cutawaysection.1、堆芯结构堆芯是反应堆的

2、核心部分，核燃料在这里实现链式裂变反应，并将核能转化为热能，此外，堆芯又是强放射源。压水堆堆芯由核燃料组件、控制棒组件、固体可燃毒物组件、阻力塞组件以及中子源组件等组成。用作慢化剂兼冷却剂的水，从进口接管流入压力容器，沿吊篮（corebarrel）与压力容器内壁之间的环形通道(也称下行流道)流向堆芯下腔室，然后转而向上流经堆芯，加热后的冷却剂经堆芯上腔室从出口接管流出。压水反应堆内的燃料组件在堆芯中处在高温、高压、含硼水、强中子辐照、腐蚀、冲刷和水力振动等恶劣条件下长期工作，因此核燃料组件的性能直接关系到反应堆的安全可靠性。大多数较新型的压水反应堆的燃料组件内，按1

3、7×17排列成正方形栅格。在每一组件的289个可利用的空位中，燃料棒占据264个，其余空位装有控制棒导向管（controlrodguidetube）（内装控制棒和可燃毒物棒），最中心的管供中子注量率测量用。组件中的燃料棒沿长度方向设有8层弹簧定位格架（springspacergrid），将元件棒按一定间距定位并夹紧，但允许元件棒能沿轴向自由膨胀，以防止由于热膨胀引起元件棒的弯曲。一、燃料组件控制棒导向管、中子注量率(neutronfluencerate)测量管和弹簧定位格架一起构成一个刚性的组件骨架（framework）。元件棒按空位插于骨架内。骨架的上、下端是上、

4、下管座。燃料组件就是由燃料元件棒及组件骨架等所组成。上、下管座均设有定位销孔，燃料组件装入堆芯后依靠这些定位销孔与堆内上、下栅板上的定位销钉相配，从而使燃料组件在堆芯中按一定间距定位。上管座设置有压紧弹簧（hold-downspring），其作用是使燃料组件承受一个轴向压紧力，以防止冷却剂自下而上高速流动时引起燃料组件窜动。同时，可以补偿各种结构材料的热膨胀，减小突然外来载荷(例如地震)对燃料组件的冲击。压水反应堆燃料元件组件(I)燃料元件棒燃料元件棒是反应堆运行时产生核裂变并释放热量的部件。下图示出了压水堆燃料元件，它的长度一般为34m，外径约为9.5mm。按设

5、计要求将一定数量的二氧化铀燃料芯块（陶瓷芯块）装入锆-4合金管（燃料包壳）内。上、下两端都设有三氧化二铝的陶瓷隔热片，以减小芯块的轴向传热。为防止运输过程中棒内芯块发生窜动，顶部设有螺旋形压紧弹簧。锆-4合金管的两端用锆合金端塞堵封并焊接。(1)燃料芯块目前压水堆燃料元件中的芯块都采用二氧化铀做成，核燃料富集度约为2％；芯块直径约为89mm；高度与直径比一般为11.5。由于UO2热导率小，故在反应堆运行时芯块中心部分比周边部分的温度要高得多，从而使芯块形成下图(a)砂漏状；由于端部效应，芯块端面部分的径向变形比芯块中部的径向变形要严重得多，并由于芯块和包壳的相互

6、作用，于是产生了下图(b)所示的“竹节状”，燃料元件包壳最易在这一部位发生破损。因此，燃料芯块一般都做成下图(c)那样的蝶形端面加倒角，从而减小芯块与包壳的相互作用。压水堆燃料芯块(2)包壳管燃料元件的包壳（cladding）是反应堆内防止强放射性物质外泄的第一道屏障，也是最重要的一道屏障，它的作用是包容裂变产物并把核燃料和冷却剂分隔开。目前压水堆中采用的包壳材料都是Zr-4合金（经冷加工与消除应力），因为Zr-4不仅有较高的高温机械强度和耐高温水腐蚀的性能，而且中子吸收截面小，用它作包壳可使用较低富集度的核燃料，提高卸料燃耗。包壳壁厚一般为0.550.65mm。

7、由于装配以及补偿燃料芯块和包壳之间温差热膨胀的需要，并考虑到反应堆运行后芯块的肿胀，因此在燃料芯块与包壳管之间应留有一定间隙。在间隙处通常充以23MPa压力的氦气以改善元件棒的导热性能和包壳的应力状态。芯块与包壳之间的间隙及元件上端安置压紧弹簧处的空腔还可以容纳裂变过程中从燃料内释放出来的裂变气体。组件骨架由弹簧定位格架、控制棒导向管和上、下管座等部件组成。它的功用是确保燃料组件的刚度和强度。承受整个组件的重量；流体力产生的振动和压力波动（流致振荡）；承受控制棒下插时的冲击力；准确为控制棒导向；保证燃料装卸和运输的安全。(II)组件骨架(1)弹性定位格架弹簧定