核电站320课程第二章

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Y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23U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17X17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U02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1700r高温下烧结成圆柱形陶瓷体，其直 径为8.19mm,高13.5mm。燃料芯块最高工作温度应低于UO2的熔点(2800r，设计中取 2590r)。芯块的密度对导热系数有很大影响。为了使芯块的温度降低，要求密度高；为了减小高 燃耗时燃料的肿胀，又需要预留气孔，即降低密度。综合两者的需求，取理论密度的 95%。 大亚湾核电站的燃料芯块密度为10.04g/cm3,平均燃耗可达33000MWd/tU。燃料芯块经辐照后发生如下变化： 热膨胀在正常运行时，燃料芯块中心温度在热点处可达1670r，芯块中心与外径的温度梯度 大于1000r/cm。在这么大的温度梯度作用下，圆柱形的芯块将出现所谓“扯铃”变形，如 图2.5(a)所示。它导致芯块端部与包壳接触，产生芯块一包壳相互作用(PCI),使包壳的局 部应力增加，从而导致包壳出现裂缝甚至破裂。为了消除这个缺陷，在芯块压制成型时，在芯块端部加工出一个圆形倒角；为了限制燃 料芯块由于轴向膨胀引起的长度增加，将每个芯块的两端加工成蝶形面。如图2.5(b)所示。图 2.5 燃料芯块受辐照后外形的变化 致密化 由于采用粉末压制芯块的制造方法并加入了造孔剂，在芯块中存在很多细孔。在运行时这些细孔逐渐消失，芯块密度增加，称为芯块的致密化。致密化使芯块直径减小，即燃料芯块与包壳之间的间隙增大，在外部压力作用下，可能 使包壳局部压坏而破裂。 肿胀 芯块的肿胀是由于固体和气体裂变产物的滞留引起的。肿胀使得芯块的直径随着辐照量增加而增加，而包壳受外部压力产生蠕变使包壳直径减小，这两种现象使得包壳和芯块之间 的间隙减小，它在燃料寿期末引起燃料-包壳的相互作用，并还可能导致包壳破裂。 裂缝uo2的拉伸性能很差，它在径向温度梯度的影响下，使芯块产生径向裂缝。在功率连续 变化的影响下，这些裂缝将张开或闭合，使得包壳上已经具有很高应力的地方出现材料疲劳 而导致裂开。 释放裂变气体 燃料芯块在裂变反应中产生氪、氙等裂变气体，这些气体的大部分停留在芯块内，一小 部分释放到包壳与芯块之间，引起燃料包壳内压的升高。裂变气体的释放量随温度和燃耗而变大，在寿期末由释放出的裂变气体产生的内压高达 15.0MPa。必须使运行时燃料包壳的内压小于冷却剂的压力，否则将引起包壳向外蠕变导致 包壳损坏。为限制这种现象，要在设计时考虑降低燃料中心温度，所采取的措施是使用直径 小的燃料棒，并在燃料包壳上部预留空间以容纳这些裂变气体。（2）燃料包壳燃料包壳容纳 UO2 燃料芯块，将燃料与环境隔离开，并包容裂变气体。它是防止放射 性外逸的第一道屏障。燃料包壳是Zr-4合金管，其外径9.5mm,厚度0.57mm。Zr-4合金材料成分为1.27 1.7%Sn、0.180.24%Fe、0.070.24%Cr，其优点是：几乎不吸收中子；具有良好的机械性能（抗蠕变性和良好的延展性）；只有很少的氚穿过 Zr 管被扩散出；正常运行时，与水不发生反应；熔点高（1800 C）。但Zr-4合金导热性差，并且在温度达820C后开始发生锆一水反应并产生氢气，其反应 式为：Zr与水在950C时反应显著，以后每升高50C反应热增加一倍，在1200C以上时包壳 会完全烧毁，所以在失水事故时必须保证包壳温度低于1200C，以免第一道防护屏障被破 坏。2定位格架定位格架是支撑燃料元件棒，确保燃料元件径向定位，以及加强元件棒刚性的一种弹性 构件。它由许多Zr-4合金的条带相互插配经钎焊而组成17X17栅格，如图2.6所示。图 2.6 定位格架（部分）条带上做有弹簧片、支承凸台和混流翼片。在定位格架每个栅元中，燃料棒由两边的弹 簧顶在另两边的两个刚性凸台上，其共同作用力使燃料棒保持中心位置。格架对燃料棒的约 束力要足以使其不能窜动，又不能对包壳产生过高的压力。定位格架也允许燃料棒的轴向热 膨胀，其约束力不会大到使燃料棒发生弯曲或变形。有两种类型的定位格架。组件中部的 6个定位格架带有混流翼片，它从条带的边缘伸到 冷却剂通道中，促进冷却剂交混；组件两端的 2 个定位格架内部不带混流翼片。定位格架外 围带有导向叶，在装卸料操作时防止相互钩连。3上、下管座上、下管座是燃料组件骨架结构的顶部和底部连接构件。上管座结构如图 2.7 所示，它由上孔板、侧板、顶板、 4个板式弹簧和相配的零件所组 成。上孔板是一块正方形不锈钢板，上面加工了许多长形流水孔和对应控制棒导向管的圆孔， 控制棒导向管上端就固定在上孔板上。上孔板上的流水孔布置成能防止燃料棒从燃料组件中 向上弹出。顶板是中心带孔的方板，以便控制棒束通过。顶板的两个对角上设有两个定位销 孔，与堆芯上栅格板的定位销相配，以便燃料组件顶部与上栅格板定位和对中。另一个角上 有一个识别孔，以确认燃料组件的方位。四个板式弹簧通过锁紧螺钉固定在顶板上，弹簧的 一端向上突出燃料组件，其下部弯曲朝下，插入顶板的键槽内。在上部构件装入堆内时弹簧 被堆芯上栅格板压下，产生足够的压紧弹力以抵消冷却剂的水流冲力。图 2.7 上管座下管座是一个正方形箱式结构，由四个支撑脚和一块方形多孔的下格板组成。在下格 板钻有一些流水孔，冷却剂从下管座的水腔通过孔板向上流入燃料组件内部。下格板的下侧 装了滤网，防止杂物进入堆芯，损坏燃料组件。下格板与控制棒导向管下端用螺钉连接并焊 接。两个对角支撑脚上的销孔与下栅格板上的两个定位销相配合，使燃料组件定位。4控制棒导向管每个燃料组件有 24 根控制棒导向管，它们为控制棒插入和提出提供了导向通道。导向 管由一根 Zr-4 合金管制成，其下段在第一和第二格架之间直径缩小，在紧急停堆时，当控 制棒在导向管内下落接近其行程底部时，它起缓冲作用。缓冲段的过渡区段呈现锥形，以避 免管径过快地变化。离过渡段以上不远的管壁设有流水孔，以便正常运行时冷却剂流入管内 冷却控制棒，以及控制棒紧急下落时水能够从管内排出。缓冲段下方在底层定位格架的高度 处，管子扩径至正常管径，使管子与定位格架焊接相连。图 2.8 控制棒导向管下部结构2.1.3 控制棒组件1结构控制棒组件是一种快速控制反应性的工具，在正常运行时用于调节反应堆功率，在事故 工况下快速引入负反应性，使反应堆紧急停堆，保证核安全。图 2.9 示出控制棒组件的结构。控制棒组件由星形架和吸收剂棒组成。星形架用不锈钢 制成，它的中央是一个连接柄，其内部通过丝扣与控制棒驱动机构驱动杆上的可拆接头相连 接。连接柄下端装有弹簧组件，当控制棒快速下落时，弹簧可起缓冲作用，减小控制棒组件 对燃料组件的撞击。以连接柄为中心呈辐射状装有16块连接翼片，每个翼片上装有 1或2 个指状物，每个指状物带一根吸收剂棒，通过螺旋固定，然后用销钉紧固。共有 24 根吸收 剂棒，这些吸收剂棒可插入对应燃料组件的 24 根导向管内。吸收剂棒销孔以下的端塞设计 成锥形，使棒能弯曲，以矫正微小的不对中。图 2.9 控制棒组件有两种吸收剂棒。一种是不锈钢棒，称为“灰棒”；另一种称为“黑棒”，由 Ag(80%)-In(5%)-Cd(15%)合金制成的吸收剂芯体装入不锈钢包壳管中构成，包壳材料为 316L 不锈钢表面渗氮。黑棒的包壳和吸收剂之间留有径向、轴向间隙，以允许芯体径向和 轴向热膨胀。在芯体上方装有压紧弹簧，然后两端焊上端塞密封。2吸收剂特性 控制棒材料的选择不仅要考虑物理、机械性能，更重要的还要考虑其核特性。对材料热 特性，要考虑热膨胀、热传导和熔点。要求控制棒在堆芯里受强中子及Y辐照后，能有很高 的稳定性，又必须能耐高温，在高温水中有很好的耐腐蚀性。同时，机械强度及加工性能都 应该满足要求。在核特性上，主要是要有强烈的吸收中子能力。Ag-In-Cd 合金基本上能满足上述要求，尤其它的核特性适合压水堆。压水堆内中子能 谱较硬，即堆内除大部分裂变中子慢化到热能中子外，也有相当部分中子为超热中子。 Cd 的热中子吸收截面大，Ag、In则有较强的超热中子吸收本领，因此Ag-In-Cd合金控制棒在 比较宽的能量范围内是很好的中子吸收体。从图2.10可见，从热能区到50eV的超热能区的 中子几乎全部可被 Ag-In-Cd 控制棒吸收掉。图 2.10 Ag-In-Cd 材料的中子吸收3控制棒的分类控制棒组件按棒束中灰棒和黑棒的数目不同分为两类。一类称为黑棒组，棒束由 24根 黑棒组成；另一类称为灰棒组，棒束由8根黑棒和 16根灰棒组成。采用这两种棒束控制组 件是为了使功率分布均匀，避免局部中子通量畸变过大。按在运行中的用途分类，控制棒组件可分为功率调节棒、温度调节棒和停堆棒三类，每 类又分为若干组，见表 2.1。正常运行时，功率调节棒位于机组功率对应的棒位高度，用于 调节反应堆功率；温度调节棒在堆芯上部一定范围移动，用于控制冷却剂温度的波动；停堆 棒用于事故紧急停堆，正常运行时提出堆外。所有控制棒接到停堆信号后能在很短的时间内 依靠自身重量落入堆芯，使链式裂变反应中止。堆芯在第一次燃料循环中装有37个黑控制棒组件和 12个灰控制棒组件，以后的燃料循 环中装有41个黑控制棒组件(增加4组Sa棒)和12个灰控制棒组件。在第七循环后，由于燃料浓缩度提高到 3.7%，为满足核安全要求，增设8组控制棒， 作为SD组，这样堆内有61组控制棒。表 2.1 控制棒组的种类及数目第一循环后续循环G1灰棒组2.1.4 堆芯相关组件如前所述，堆芯由157个燃料组件组成，其中49（第一循环）或 53（后续循环）个燃 料组件配置了控制棒组件，剩余的燃料组件则配置堆芯相关组件，包括可燃毒物组件、中子 源组件和阻力塞组件。每个堆芯相关组件由一个压紧构件外带 24 根棒组成，其中压紧构件 的结构都是相同的，棒束的构成则各不相同，可能全部是阻力塞，可能是可燃毒物棒与阻力 塞的组合，还可能包含所有三种棒。每根棒的上端塞螺旋拧紧到压紧组件的底板上，然后用 销钉焊接固定。如图 2.11。图 2.11 堆芯相关组件结构堆芯相关组件在堆芯中的放置是这样的：24 根棒插入燃料组件的导向管内，压紧构件 的底板紧贴在燃料组件上管座的孔板上。在安装堆芯上栅格板时，将上栅格板压在压紧构件 的丁字形轭板上，轭板再压紧导向筒的弹簧，使堆芯相关组件固定就位。1可燃毒物组件 大型压水堆控制反应性都是同时使用控制棒组件和改变冷却剂中的硼浓度两种方法。但 新堆第一次装料的后备反应性很大，而为了保证慢化剂温度系数为负值，其硼浓度又不能太 高，所以装有 66 束具有较强吸收中子能力的可燃毒物组件以平衡反应性。之所以称为可燃 毒物，是因为其中的10B吸收中子后转变为7Li,不断被消耗掉。可燃毒物组件在燃料第一 循环后全部取出，换上阻力塞组件。可燃毒物组件的 24根棒中有12根或16根可燃毒物棒，其余为阻力塞棒。在总共 66 个可燃毒物组件中，含有16根可燃毒物棒的组件为18个，含有12根可燃毒物棒组件为48 个。可燃毒物棒用 304型不锈钢管作为包壳，两端用端塞焊接密封。包壳内放置硼玻璃管芯 体，其成分为 SiO2+B2O3 。玻璃管内还装入一根 304 型不锈钢薄管作为内衬，以防止玻璃 管坍塌或蠕变。图2.12 示出可燃毒物棒的结构。图 2.12 可燃毒物棒结构可燃毒物棒内留有足够的空腔以限制内部压力，即使硼玻璃因10B （n。） 7Li反应产生 的所有氦气全部释放出来，内部压力也低于反应堆运行压力。这些氦气由不锈钢内衬管的中 央空腔容纳。采用 18个月换料后，为了展平堆芯中部的中子通量，需加入一些可燃毒物棒，以钆作 吸收材料。2中子源组件反应堆初次运行之前或长期停堆之后，堆芯内中子很少，此时如果启动，堆芯外核仪表 无法探测到堆内的中子通量水平。为了安全启堆，必须随时掌握反应堆次临界程度，以避免 发生意外的超临界。为此，堆芯内装有中子源组件，这些中子源经次临界增殖后产生足够多 的中子数，使源量程核仪表通道能探测到堆内中子水平（要求大于 2计数秒），以克服测 量盲区。中子源组件插在堆芯靠近源量程核仪表探测器的燃料组件内。反应堆堆芯中使用了两种类型的中子源组件，它们是初级中子源组件和次级中子源组 件。（1） 初级中子源组件初级中子源在新堆初次启动时，产生用于指示中子水平的中子。堆内装有两个初级中子 源组件，每个组件有 1根初级源棒和1根次级源棒，还有16根可燃毒物棒和6根阻力塞棒。初级中子源是放在一个双层不锈钢包壳内的 252 Cf （锎）芯块，出厂时放射性强度为 100 98居里，中子发射率为24X108n/s,半衰期为2.54 年,可满足第一燃料循环运行周期的要求。 初级中子源组件用于初次启堆，在第一循环后取出，换入阻力塞组件，以后其功能由次级中 子源组件代替。（2） 次级中子源组件堆芯内装有两个次级中子源组件，每个组件有 4根次级中子源棒，其余为阻力塞棒。次级中子源由叠放在不锈钢包壳内的锑（Sb）（Be）芯块组成。每根次级源棒装 入 530 克锑铍混合物。次级源开始不产生中子，只有在反应堆内受中子照射后才激活成为 中子源。在满功率运行两个月后，其放射性强度可允许停堆12 个月后再启动时使用。换料 时次级中子源组件不更换，连续使用。次级中子源产生中子的反应式如下：123 Sb + n 124 Sb5151124 Sb 60天T 124 Te + 0 + Y51529 Be + Y 8 Be + n443阻力塞组件对于那些既没有布置控制棒束又没有放置可燃毒物棒束或中子源棒束的燃料组件，都放 置了阻力塞组件。每个阻力塞组件有 24 根阻力塞棒，用它们来堵住燃料组件的导向管，以 防止堆芯冷却剂旁路。阻力塞棒是封闭的不锈钢管，其长度较短，约 20cm。控制棒在堆芯内的布置见图 2.13，堆芯内各组件的种类和数目见表 2.2。图 2.13 堆芯内控制棒组件的分布表2.2堆芯内各组件的种类和数目第一循环后续循环控制棒组件4953可燃毒物组件660初级中子源组件20次级中子源组件22阳力塞组件38102堆芯主要技术参数列于表 2.3。表 2.3 堆芯主要技术参数堆芯特性传热面积，m24254活性区咼度，cm366平均热通量，W/m262当量直径，cm304最大热通量，W/m2140水/铀比（体积）3.43燃料特性燃料组件数157燃料组件外型尺寸，mm214X214X4058UQ总重量，t82.2组件质量，kg670U-235富集度每个组件内燃料棒根数264第一循环堆芯定位格架数81区1.80%包壳外径，mm9.52区2.40%包壳厚度，mm0.573区3.10%棒距，mm12.6平衡堆芯3.25%网格17X17平均燃耗，MWD33000UQ芯块密度，g/cm310.4堆芯热功率，MW2895芯块直径，mm8.19功率密度，kW/cm31.022芯块高度，mm13.5堆内冷却剂平均速度，m/s4.8每根棒的芯块数271堆芯压头损失，MPa0.156控制棒束数（后续循环）53燃料平均线功率，w/cm186黑棒束41正常运行时的最大线功率，m2418灰棒束122.2 堆内构件堆内构件在反应堆压力容器内支承和固定堆芯组件，分为堆芯下部支承构件和上部支承 构件两大部分。堆内构件的主要功能是；支承和固定堆芯组件，承受堆芯重量；确保控制棒驱动线的对中，为控制棒运动导向； 构成冷却剂流道，合理分配流量并尽可能减少堆内无效流量；为压力容器提供热屏蔽，减少它受中子和Y射线的辐照； 为堆内测量提供安装和固定措施； 为压力容器的材料辐照监督试验提供存放试样的场所。2.2.1 堆芯下部支承构件堆芯下部支承构件包括吊篮、堆芯支承板、围板和辐板组件、堆芯下栅格板、热屏蔽 辐照样品管以及二次支承组件等。图 2.14 示出堆芯下部支承结构的剖视图。图 2.14 堆芯下部支承结构1吊篮堆芯吊篮是一个高约8.2m的不锈钢圆筒，壁厚51mm。它有三个冷却剂出口管嘴，其 上端带有法兰，下端焊在厚约为500mm的堆芯支承板上。法兰上有24个流水孔、6个辐照 样品孔、3个吊装用的快速连接螺母和4个定位键。堆芯支承板是一块锻制件，堆芯组件的全部重量由它承担。吊篮上部法兰吊挂在压力容 器内壁的凸肩上，因此，堆芯支承板所承受的重量通过吊篮法兰传递给压力容器内壁的凸肩。 为了使冷却剂能够从下部流进堆芯，堆芯支承板上开了许多流水孔。吊篮下端外壁径向焊有四个起导向作用的定位键，它与压力容器内壁上焊接的键槽相配 合，使吊篮径向定位，并允许吊篮的轴向膨胀。吊篮中部内壁上也有4个定位键，为堆芯上 栅格板定位。2围板和辐板组件在堆芯吊篮内，装有轴向围板和固定在吊篮上的辐板，它们包围着堆芯，防止反应堆冷 却剂旁路燃料组件，并提供横向支承。因为燃料组件是方形的而堆芯吊篮是圆的，如果没有 围板组件，堆芯周围就会出现空隙，一部分冷却剂流量将会绕过堆芯而旁路。堆芯围板确定 了堆芯燃料区的边界，它们从下部的堆芯下栅格板一直延伸到刚好高于燃料组件，引导冷却 剂流过堆芯。围板和辐板组件由若干个垂直板（围板）和水平加强板（辐板）组成。围板放置在堆芯 下栅格板上，辐板用螺钉连接堆芯吊篮和围板，以保证围板准直并提供结构刚度。辐板厚约 2030mm,围板厚约2530mm。辐板共8层，上面钻有一些小孔，允许少量冷却剂流过， 以消除压差。3堆芯下栅格板位于堆芯围板下方的堆芯下栅格板是用来放置燃料组件的。它厚约50mm,其上开了 4 X157个流水孔。在下栅格板的板面上对应每个燃料组件位置有2个定位销，以使燃料组件 定位。下栅格板置于吊篮下方内侧的凸环上， 68根支承柱（其中有20根兼作中子通量仪表 的导管）把堆芯下栅格板和吊篮底板连成一个整体，并把堆芯下栅格板所承受的载荷比较均 匀地传递到吊篮支承板上，支撑柱上端有可调螺母用来调整下栅格板的平直度。4热屏蔽热屏蔽是四组厚约 70mm 的不锈钢板，每组由上、下两部分构成，固定在靠近堆芯四 角的吊篮外壁上。热屏蔽的作用是屏蔽由堆芯射出来的中子和Y射线，以减小反应堆压力容 器的辐照损伤。5辐照样品管 为测试压力容器材料受辐射后机械性能的变化，确保容器不会脆性断裂，在其中 3 块热 屏蔽的外侧各装有一个辐照样品架，每个样品架有两个孔道，可放置 2支辐照样品监督管， 管内装有反应堆材料和焊接材料的试样。样品可借助特殊工具通过吊篮法兰上相应的孔道取 出，不需要拆卸下部堆芯支承结构。见图 2.15。图 2.15 辐照样品监督管6二次支承组件二次支承组件由能量吸收器、4根支撑柱（其中2根兼作中子通量仪表导管）和一块轮 廓与压力容器下封头几何形状一致的底板所组成，如图 2.16 所示。它的作用是考虑万一堆芯吊篮法兰断裂时，限制堆内构件向下位移，以防止控制棒束组 件与对应燃料组件中的导向管不对中，这种不对中可能妨碍反应堆紧急停堆。在发生上述假设事故时，热态下堆内构件的自由下落是1.27cm，能量吸收装置的附加 变形位移大约是1.91cm，总计下降距离为3.18cm。控制棒的设计可以保证在此情况下，棒 束顶端不致于从燃料组件导向管中脱出，控制棒仍能插入堆芯。7中子通量仪表导管中子通量仪表导管为测量堆芯内中子通量的仪表导向，测量的目的是建立堆芯中子通量 分布图和校准堆外中子测量仪器。测量方法是将柔性不锈钢指套管通过贯穿压力容器下封头 上的管座，经测量仪表导向管插入到选定的燃料组件中心的中子通量管内，在正常运行时， 根据需要可将探测器通过柔性套管作进出堆芯的移动，以测量不同的燃料组件。因为这些指 套管直径小，结构强度很低，所以从压力容器贯穿处到燃料组件必须始终对它们加以支持和 对中。仪表导管共50根，分三种形式。单纯的仪表导管28根，兼作支撑柱的 20根，兼作二 次支撑柱的 2 根，它们分别与2 层支撑板连接形成刚性结构。图 2.16 二次支承组件和仪表测量导向柱2.2.2 堆芯上部支承构件堆芯上部支承结构示于图 2.17。它包括导向筒支承板、堆芯上栅格板、控制棒导向筒 支承柱、热电偶和压紧弹簧等组成。图 2.17 堆芯上部支承结构1导向筒支承板导向筒支承板如图2.18所示。它是一块带裙式圆筒的多孔板，厚度约为100mm,直径 约为 4m。 支承板法兰上有24 个流水孔，以便部分冷却剂流进压力容器顶盖。上部构件在 换料操作时可作为一个整体拆除，为此支承板法兰面上有 3 个吊装用的快速连接螺母和 4 个定位键槽，通过与吊兰法兰上的定位键配合使上部构件安装时与下部构件径向定位。导向筒支承板是主要承力部件，通过压力容器顶盖和压紧弹簧压紧下部堆内构件，通过 堆芯上栅格板将堆芯部件压紧。图 2.18 导向筒支承板2堆芯上栅格板上栅格板是一块厚度约为 50mm 的圆形板，在它的上表面对应每个控制棒导向筒的位 置开有2个定位销孔，以便与导向筒准确定位。在对应每个燃料组件的位置上有流水孔，下 表面有2个销钉，堆芯安装时，这些定位销插入燃料组件的上管座对角线上的两个孔内，使 燃料组件定位。上栅格板的边缘开有 4个定位键槽，与吊兰内壁对应的定位键配合定位。3支承柱40 根支承柱把导向筒支撑板和堆芯上栅格板连成一个整体，通过这些支承柱把冷却剂 的上冲载荷由堆芯上栅格板传递到导向筒支承板上，然后传递给压力容器法兰。这两块板之 间的空间构成了堆芯出口冷却剂腔室。支承柱为中空结构，周边有流水孔，冷却剂可流通。除了外围的低燃耗燃料组件以外， 在每一个不带控制棒的燃料组件位置上都有一个支承柱，上面没有支承柱的燃料组件则位于 容器出口接管的前面。4压紧弹簧 堆芯吊篮法兰和导向筒支承板之间有一个压紧弹簧，它是一个不锈钢圆环，其作用一是 补偿法兰加工误差，二是为堆内下部构件提供足够的压紧力。5控制棒导向筒 控制棒导向筒共有61个，其结构如图2.19所示。它允许控制棒组件（包括星形架和24 根吸收棒）在其内上下运动，为控制棒组件提供定位和导向。导向筒分上部导向组件和下部导向组件两部分，用螺钉固定在导向筒支承板上，底部两 个定位销插在堆芯上栅格板的对应定位销孔中。上部导向组件是一个圆筒结构，里面有4层导向板，它与下部导向组件是靠法兰连接的。 下部导向组件是一个方筒结构，其上部有一个法兰，内部有6 块导向板，下部是连续导向段。图 2.19 控制棒导向筒6热电偶柱共有 40个由铬镍-铝镍制成的热电偶，固定在上栅格板上选定的燃料组件出口处，用于 测量堆芯出口温度，以监视堆芯冷却剂的饱和裕度和确定最热通道。这些热电偶的导线沿着 支承柱内穿过导向筒支承板，然后分成四组，每组 10 个引到一个热电偶柱。四个热电偶柱 下端固定在导向筒支承板上，上部贯穿压力容器顶盖，将热电偶信号引出。2.3 反应堆压力容器反应堆压力容器固定和包容堆芯及堆内构件，使核燃料的裂变反应限制在一个密封的空 间内进行。它和一回路管道共同组成高压冷却剂的压力边界，是防止放射性物质外逸的第二 道屏障之一。2.3.1 结构反应堆压力容器由筒体和顶盖两部分组成，材料采用 Mn-Ni-Mo 低合金钢，其成份为： CW0.25%, Mn1.5%, Ni0.41.0%, Mo0.6%。容器内壁堆焊一层大于5mm厚度的 不锈钢。1压力容器筒体 筒体由一个带螺栓螺纹孔的法兰、一个焊有6个冷却剂进出口管嘴的环形段、两个环形 段、一个过渡段和一个半球形下封头焊接而成，如图2.20 所示。图 2.20 反应堆压力容器(1) 筒体法兰在筒体法兰上钻有 58 个螺孔，用以安装螺栓与顶盖密封。其中3 个螺孔可安装导向杆， 以便在吊装顶盖时对中。在法兰外侧焊有环形密封台肩，它起着支承密封环的作用，防止在装卸核燃料时反应堆 水池内的水流进反应堆堆腔。在法兰内侧有悬挂吊篮的台肩，上面开有 4个定位键槽。(2) 带管嘴的环形段每一条环路的进、出口管嘴相隔50。夹角，每一对管嘴沿压力容器的周围成120。对称分 布。在出口管嘴的内侧有一凸环，与吊篮的管嘴相接。管嘴的外端焊了一段不锈钢安装端， 这样采用同种材料允许在现场把一回路管道与压力容器焊接成一体。在6只管嘴底部均设有 支撑座，以便把压力容器放在它的支承结构上。(3) 环形段在压力容器带管嘴环形段的下面是对应堆芯高度的环形段，它由两段对接焊接的筒体所 构成。在环形段下方内侧焊有 4个因科镍导向键槽，它与吊篮导向键相配，用来限制吊篮径 向位移。(4) 过渡段过渡段把半球形的下封头和容器的筒体段焊接起来。(5) 下封头它是由热轧钢板压成的半球形封头，下封头上焊有 50 根因科镍套管，堆内中子通量测 量导管通过它们进入压力容器。2压力容器顶盖它由半球形顶盖和上法兰焊接而成。(1) 顶盖由钢板热压成半球形，在顶盖上焊有三只吊耳、一根排气管、61 个控制棒驱动机构管 座、4 个热电偶管座和控制棒驱动机构通风罩法兰。管座下部伸入压力容器的端部装有导向 漏斗，便于驱动杆和热电偶柱导入管座。(2) 上法兰上法兰上钻有58个螺栓孔，下部的支承面上开有2道放置“O”形密封环的沟槽。压力容器顶盖卸/装过程中用液压螺栓拉伸机来松/紧螺栓。主螺栓长1957m m,下端部 螺纹旋在压力容器法兰的螺孔内，中间一段螺纹与主螺母配合，上端部螺纹供螺栓拉伸机螺 母使用。在扣上顶盖的操作中，同时对称地用两台液压螺栓拉伸机抓紧两只螺栓并将它们拉 伸，然后扭紧螺母，再将张力释放给螺栓，以施加正确的力矩。这种分两个阶段扭紧螺栓的 方法能消除翘曲。2.3.2 压力容器筒体与顶盖的密封1. “0”形密封环为保证压力容器筒体法兰与顶盖法兰之间接合处的密封性，在它们之间装有两个因科镍 制造的“O”形密封环。“O”形环结构如图2.21所示。图 2.21 “O ”形密封环结构“O”形环由因科镍-600制成并镀银层，内置一个因科镍-718绕成的弹簧，环外侧沿周 向开有细缝。在连接顶盖与筒体法兰的螺栓拧紧后，“O”形环受压变形，从而达到密封的 目的。银层有较好的弥合作用，弹簧则提供了较好的回弹量。“O”形环用压板固定在顶盖法兰的密封槽中。为了保证良好的密封性，“O ”形环只能 一次性使用，只要打开顶盖就要更换新的“O”形环。2.密封探漏装置 压力容器筒体与顶盖结合面的密封泄漏由引漏接管进行探测。一个引漏接管位于内、外 “O”形环之间，另一个位于外“O”形环的外侧。它们倾斜穿过筒体法兰。位于内、外“O”形环之间的引漏探测管探测内密封环的泄漏。在反应堆额定功率稳态 运行时，内密封环不允许泄漏；在启动和停堆时，内密封环允许最大泄漏量为 20l/h。压力容器密封探漏装置如图 2.22 所示。内密封环的泄漏回收管线上设置一台温度传感 器 RCP001MT 进行检测。该管线与一根透明管子连接，根据管内水位的变化可确定泄漏率。 温度和泄漏率的记录和报警在控制室内显示。若温度70C或泄漏量201/h，就应检查压力 容器。外密封环的泄漏采用目视检查水蒸汽和硼的结晶来检测。图 2.22 压力容器密封探漏系统2.3.3 冷却剂在堆内的流程图2.23 示出一回路冷却剂在压力容器内的流程。冷却剂从三条进口接管流入压力容器，沿压力容器内壁与堆芯吊篮之间的环形空间向下 流动，到压力容器底部后转向，通过堆芯支承板和堆芯下栅格板向上流经堆芯，带出核反应 放出的热量，经过上栅格板后，从三条出口管道排出。冷却剂自上而下又自下而上地流动， 其目的是减少动压头对堆芯所产生的机械应力。一回路水的总流量为71370m3/h，在堆芯中 水的流速为 4.8m/s 。冷却剂在压力容器内流动时，有一部分没有用来冷却燃料元件，称为旁路流量。其中， 从压力容器内壁和吊篮管嘴之间的间隙直接流向压力容器出口接管的流量大约为 1.0%，通 过堆芯辐板的流量约为 0.6%，通过导向筒支承板法兰流水孔进入顶盖空间的泄漏流量为 2.2%，从控制棒导向管旁路的流量为 2.24%，所以总计有 6.04%的总流量旁流了燃料元件。 为安全起见，热工设计时取 6.5%总流量作为旁路流量。图 2.23 冷却剂在反应堆内的流动一回路冷却剂对堆芯的冲力约等于堆芯本身重力的 4/3。水流在流过反应堆堆芯时，会 有压降，可分为两类：(1) 与燃料棒和燃料组件格架摩擦的压头损失；(2) 水流改变流向及 通过堆芯多层格板时产生的局部压头损失。在堆芯内压头损失约为0.156MPa，在压力容器 内的总压头损失为 0.307MPa。表 2.4 压力容器主要参数控制棒导向筒数61尺寸和重量堆内测量管数容器内径，mm3989底封头50法兰外径，mm4674顶盖4进、出口接管之间的最大距离，mm6378法兰螺栓数58法兰到底封头全高，mm10335设计和运行压力容器总高(包括顶盖上部设计压力，MPa.a17.23控制棒驱动机构管座和堆内运行压力，MPa.a15.5测量管座)，mm13208设计温度，343 C压力容器壁厚，mm200试验容器重量，t256.6水压试验压力，MPa.a229容器顶盖重量，t55.5水压试验温度，CT + 30丄 NDT “螺栓和螺母重量，t15.62.4 控制棒驱动机构控制棒驱动机构是一种步进式的提升机构，用来使控制棒组件在堆芯内提起、插入或保 持在适当的位置，以实现反应性的控制。每个控制棒组件都由单独的控制棒驱动机构操作， 因此共有 61 个驱动机构。控制棒驱动机构结构如图 2.24 所示。它由销爪组件、驱动杆、压力外壳、操作线圈和 单棒位置指示线圈组成。控制棒驱动机构全长为5700mm,提升力为163kg，约为控制棒组 件静态载荷的二倍，因而它具有克服活动零件和固定零件之间机械摩擦的额外提升能力。控制棒驱动机构的额定行程是225步，可提升步数为228步，每步15.9mm。控制棒提 出和插入的最高速度为72步/min,即最快能以114.5cm/min的速度提升或插入。在失去电源时（例如紧急停堆），控制棒靠重力落入堆芯。控制棒从最高位置自由下落 到最低位置（包括缓冲段）的时间最长为3.2s，下落至缓冲段允许的最长时间为2.15s。由RRM系统在压力外壳外面进行强制空气冷却。驱动机构是按在343和17.2MPa的 水中动作设计的。实际上驱动机构管座处的温度将远低于343r，因为它处于一个只有有限 的冷却剂从堆芯流入的区域，而该处的压力与压力容器内的压力相同。图 2.24 控制棒驱动机构1压力外壳压力外壳包括压力罩和棒行程罩。它与压力容器顶盖连通，其内充满RCP系统压力下 的反应堆冷却剂。压力罩位于压力外壳的下部，其下端的内螺纹旋入压力容器顶盖上的控制棒驱动机构管 座的外螺纹，并焊接密封。压力罩的上面是棒行程罩，它通过螺纹与压力罩连接并焊接密封 棒行程罩为驱动杆提供了向上运动的空间，其顶部有一排气口，供RCP系统充水排气期间 使用。吊装压力容器顶盖时，压力外壳与它连为一体同时吊装。2操作线圈 围绕在压力罩外的三个操作线圈通/断电时产生感应磁场变化，操纵装在压力罩内的两 组销爪，销爪带动驱动杆提升、下降或保持不动，从而使控制棒组件相应动作。从上到下依 次是提升线圈、传递线圈和夹持线圈。操作线圈装在线圈盒内，线圈盒安装在压力罩外面的法兰上。三个操作线圈都是由双层 玻璃丝绝缘的圆铜线绕制的，设计运行温度是200r，正常工作温度保持在120C左右或更 低。操作线圈由RAM系统的电动发电机供电。该发电机输出电压为交流260V,其上带有 飞轮，在电网瞬时故障时（ 1.2s ）可维持向线圈供电，避免控制棒下落。3销爪组件 销爪组件包括那些在插入、抽出和固定操作时与带齿槽的驱动杆啮合并加以支承的部 件。所有销爪组件都位于压力罩内，如图 2.25 所示。主要部件是两个与驱动杆啮合的销爪：夹持销爪和传递销爪。另外装有若干个磁极环、 弹簧、枢轴和连杆，以便在操作时控制销爪。两组销爪相距 25 个齿槽。当传递线圈通电时，传递销爪与驱动杆齿槽啮合；提升线圈通电时，传递销爪向上移动 一步，即15.9mm。当夹持线圈通电时，夹持销爪与驱动杆齿槽啮合，以便传递销爪复归原 位。在控制棒不运动时，夹持销爪通常是啮合的，由它保持控制棒在某一位置。图 2.25 销爪组件4驱动杆驱动杆的主要功能是把控制棒组件与驱动机构连接起来。驱动杆下端连接到控制棒星形 架的连接柄上，上部由销爪定位。在反应堆运行时（包括掉棒），驱动杆与控制棒组件一直 保持连接，只有在移开压力容器顶盖后才能把驱动杆与控制棒组件连上或拆开。驱动杆全长 7253mm,中间一端的外壁有261个与销爪啮合的齿槽，齿槽间距为15.9mm。如图 2.26 所示，驱动杆为空心结构，内部有一根拆卸杆，下端是一个两半的带环齿的 可拆接头。拆卸杆最上端有一个拆卸按钮，供拆卸工具用，最下端有一个定位塞头。在堆芯 重新装料后，拉起拆卸杆，定位塞头从两半的可拆接头内提出，再将驱动杆插入控制棒组件 连接柄的孔内，然后压下拆卸杆，将定位塞头插入可拆接头，使可拆接头胀开而与连接柄的 内齿槽啮合，这样驱动杆与控制棒组件便可靠地连接在一起。在换料时，将驱动杆与控制棒组件连接柄拆开，并随上部堆内构件一起吊出（驱动杆下 部外壁上有一凸环可悬挂在控制棒导向筒连续段下部的凸肩上），控制棒组件仍留在燃料组 件内。图 2.26 控制棒驱动机构的驱动杆5 单棒位置指示线圈 单棒位置指示线圈围绕在棒行程罩外。当驱动杆在棒行程罩内移动时，改变了位置指示 线圈的磁场，由此产生一个正比于控制棒高度的信号，可指示控制棒当前所在位置。6控制棒提升的工作顺序控制棒每提升一步，需由RGL系统发出一系列指令，使三个操作线圈按固定程序依次 通断电，控制销爪的对应动作，具体步骤如图2.27 所示：（1）夹持线圈通电，夹持销爪与驱动杆上的槽啮合，保持控制棒在一个固定位置；（2）传递线圈通电，传递销爪与驱动杆上的槽啮合；(3) 夹持线圈断电，夹持销爪与驱动杆的槽脱开；(4) 提升线圈通电，传动销爪受电磁铁吸引，带动驱动杆提升一步；(5) 夹持线圈通电，夹持销爪与驱动杆的槽啮合，使控制棒的重量由夹持销爪和传递销 爪共同负担；(6) 传递线圈断电，传递销爪与驱动杆的槽脱开；(7) 提升线圈断电，受弹簧力的作用，传递销爪下降一步。 控制棒插入的工作顺序与上述步骤相逆。图 2.27 驱动机构使控制棒提升一步的工作顺序复习思考题1压水型反应堆由哪几大部分组成？ 2堆芯内有多少燃料组件？试述燃料组件的构成。3第一循环堆芯各区燃料的U-235富集度分别是多少？第二循环新装入燃料的富集度是多少?4第一循环堆芯内有哪些功能组件？5控制棒组件按材料和功能各如何分类？6可燃毒物和中子源组件的功能是什么？7标出反应堆各部件的名称(参见图2.1)。8如何保证压力容器顶盖和本体之间的密封？9压力容器底部和顶盖各有哪些贯穿件？10控制棒驱动机构由哪几部分组成？