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1、2020/7/10,第二章 压水堆本体结构设计及其重型构件的制造,2020/7/10,返回,结束放映,第一节 压水堆本体结构简介 第二节 堆芯 第三节 堆内构件 第四节 堆内构件设计准则 第五节 反应堆压力容器及控制棒驱动机构 第六节 防止堆内构件振动的可靠性措施 第七节 压力容器与堆内重型构件的制造工艺,2020/7/10,第一节 压水堆本体结构简介,本章主要阐述压水堆本体的结构、功能、工作原理、工作条件及设计要求。 压水堆本体简化结构如图所示，它是由堆芯、堆内构件、反应堆压力容器、控制棒驱动机构等组成的。它座落在核岛安全壳大厅的下部中央。,返回,2020/7/10,下一页,压水堆本体结构图
2、,2020/7/10,结构图说明,(续上页）下栅格板及吊篮由反应堆压力容器支持。堆芯的尺寸可根据压水堆的功率水平和燃料组件装载数而定。热功率为3800的压水堆堆芯直径可达3.6 。堆芯的活性段高度通常在3.6 4.3 左右。 轻水冷却剂从反应堆压力容器上部的进口接管进入，先沿着堆芯吊篮与反应堆压力容器内壁之间的环状间隙向下流，在这过程中冷却吊篮、热屏蔽层和反应堆压力容器壁，到达反应堆压力容器底部后，改变方向向上流经堆芯时，带走核裂变反应产生的热量。高温冷却剂从反应堆压力容器的出口接管流出堆外，在蒸汽发生器里把二回路给水加热成蒸汽，去推动汽轮机运转，进而带动发电机发电。 下面从堆芯开始，由里向外
3、，对压水堆本体结构逐层进行研究。,上一页,返回,2020/7/10,第二节 堆芯,压水堆堆芯由燃料组件、控制棒组件和堆芯相关组件等组成。这些堆芯组件由上、下栅格板和堆芯围板包围起来后，放在吊篮筒体的下部，吊篮筒体吊挂在堆的冷却剂进、出口接管上方压力容器的凸肩上（见图2）。 堆芯设计的好坏对核岛的安全性、经济性和先进性有很大的影响。一般来说，它要满足下述基本要求： 一、燃料棒和燃料组件：燃料棒 燃料组件 二、控 制 棒 组 件： 控制棒的形状 控制棒组件的结构与特点 三、堆芯相关组件：中子源组件 可燃毒物组件 阻力塞组件 堆芯各组件的布置方案如图 所示。,返回,2020/7/10,结构图,返回,
4、2020/7/10,堆芯设计基本要求,返回,1.堆芯功率分布应尽量均匀,以便使堆芯有最大的功率输出; 2.尽量减少堆内不必要的中子吸收材料,以提高中子经济性; 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,以适当减少换料操作次数; 5.堆芯结构紧凑,换料操作很简易方便.,2020/7/10,燃料棒,目前，压水堆和重水堆都采用棒束型燃料元件。采用2 芯块和锆合金包壳的燃料棒，按一定间隔组成棒束组件，但压水堆采用富集铀，重水堆采用天然铀。 压水堆所用的燃料棒结构如图 所示。它由燃料芯块、燃料包壳、压紧弹簧、隔热片和端塞等组成。 在设计燃料棒时，芯块与包壳之间应留有径向和轴向间
5、隙。径向间隙用来补偿燃料芯块的辐照肿胀和芯块与包壳间由于温差而引起的膨胀。轴向间隙除了起补偿作用外，还用来贮存燃料释放出来的裂变气体，如氪和氙。 此外，为了降低运行过程中包壳的内外压差，防止包壳的蠕变塌陷和改善燃料元件的传热性能，现代的燃料棒设计都采用了预充压技术，即在在包壳内腔预先充有3.5 a 的惰性气体氦。当燃料棒工作到接近寿期终了时，包壳管内氦气加上裂变气体的总压力应同包壳管外压力（冷却剂工作压力15.5MPa以及停堆换料时的一个大气压力）相匹配，防止包壳破损。,返回,2020/7/10,燃料棒示图,返回,2020/7/10,燃料芯块,核电厂反应堆几乎都以2 陶瓷体为燃料，其235的富
6、集度为24，陶瓷芯块的直径一般在6 10mm范围内。燃料芯块的高度不宜过大，高度直径一般在1.5 范围内为宜。这样可以限制芯块过大而引起的收缩变形。芯块两端做成凹碟形，以便补偿中心部位较大的热膨胀，减少包壳可能产生的轴向变形。,返回,2020/7/10,包壳,包壳用锆合金冷轧而成。为防止高燃耗下管子的蠕变塌陷，包壳的壁厚比过去的略有增加，以提高包壳的强度。,返回,隔热片,燃料组合体两端装的l23 陶瓷材料片，称为隔热片，用来减少芯块的轴向传热，从而减少端塞的热应力。,2020/7/10,压紧弹簧,端部的压紧弹簧用来防止燃料棒在运输、吊装和运行过程中芯块的移动，一般用nconel合金制造。,返回
7、,端塞,燃料棒上、下两端有锆合金制作的端塞，用来密封元件并起吊耳和支承作用。,2020/7/10,燃料组件,燃料组件由燃料棒、下管座、上管座、控制棒 导向管、定位格架、压紧弹簧等几个部件组成。如图 所示。 上述各部分分别组装好后，将24根控制棒导向管和1根堆内测量导管、上管座和定位格架组合成一个整体的燃料组件骨架，再把264 根燃料棒逐个地从骨架下端插入，最后将下管座装在导向管下端，用螺纹连接并点焊牢。这就是燃料组件的组装工艺过程。 目前，大型压水堆正方形栅格的燃料组件，主要采用1717的排列方式。每个这样的燃料组件，共有264 根燃料棒，24根控制棒导向管和一根堆内测量导管，共计289 个栅
8、位。其排列方式如图 所示。,返回,2020/7/10,燃料组件组成,下管座,导向管,定位格架,上管座,2020/7/10,返回,2020/7/10,下管座,是用304型不锈钢制成的箱式结构，用来支承元件棒和分配冷却剂流量。它由带圆形流水孔的下孔板和具有四条脚的下框架组成。,返回,上管座,也采用箱式结构。它由带槽形孔的上孔板、侧板、框架、压紧弹簧、夹持器衬垫等所组成。,2020/7/10,导向管,导向管内插有控制棒或可燃毒物棒、中子源棒或阻力塞。 所有燃料组件的中心导向管的内径都相同，它们是堆内测量导管，可用来引进测量装置。,返回,定位格架,定位格架是燃料棒径向定位件，用来夹持燃料棒和加强燃料棒
9、刚性。其结构对燃料棒周围的水力和热工性能有显著影响。合理的结构形式应通过实验来确定。 1717型燃料组件的定位格架是一种由许多conel-718条带材料焊接而成的蜂窝状结构。燃料棒沿长度方向按一定间隔布设8排定位格架。,2020/7/10,大型压水堆正方形栅格,返回,2020/7/10,控制棒的形状,控制棒的形状有棒状、板形。其横截面有十字形、Y型、H型等多种结构形式。 压水堆核电厂广泛采用棒束型控制棒。,返回,2020/7/10,控制棒组件的结构与特点,图2给出了1717型燃料组件中控制棒组件的典型结构。24根控制棒分别固定在蜘蛛状连接柄的星形接头上，便构成了棒束控制组件。连接柄内有压缩弹簧
10、，以便自由落棒时起缓冲和制动作用。连接柄端部用螺纹与驱动机构传动轴上的可拆接头连接。 这种控制棒组件有如下特点： （1）棒径细、数量多，有利于堆芯中子能量及功率分布的均匀； （2）由于棒径小，控制棒提升时的空腔效应小； （3）由于单根控制棒细而长，增大了挠性，因而保证控制棒与导向管对中的前提下，可相对放宽装配工艺要求，而不致引起卡棒现象。,返回,2020/7/10,控制棒组件的典型结构,返回,2020/7/10,中子源组件,凡包含有中子源的堆芯相关组件称为中子源组件。为了保证反应堆在任何情况下都能安全启动，在堆芯整个寿期内要有足够强度的中子源。压水堆中常用两种形式的中子源： （）锎（f ）源或
11、钋铍（o -e）源 这种中子源常用于堆的初次启动，也称为一次源。 （）锑铍（b -e ）源 这种中子源用于堆运行过程中的再次启动，亦称为二次中子源。 一般中子源做成棒状，固定在连接板上，与可燃毒物棒、阻力塞（或只与阻力塞一起）构成堆芯相关组件，如图 所示。这种组件装在堆芯边缘区。中子源插入空着的导向管内并悬吊在堆芯半高处。,返回,2020/7/10,堆芯相关组件,中子源,可燃毒物棒,阻力塞,返回,2020/7/10,可燃毒物组件,含有可燃毒物棒和阻力塞的固定式堆芯相关组件称为可燃毒物组件。 见图 中的。,返回,阻力塞组件,只含有阻力塞的堆芯相关组件称为阻力塞组件。 见图 中的。,2020/7/
12、10,堆芯各组件的布置方案,法国压水堆核电厂的堆芯各组件的布置方案,2020/7/10,堆芯各组件的布置方案,秦山二期核电站堆芯装载图,2020/7/10,堆芯各组件的布置方案,返回,2020/7/10,第三节 堆内构件,反应堆压力容器内除燃料组件和堆芯相关组件以外的所有其它结构件叫堆内构件。包括堆芯上部支承构件、堆芯下部支承构件、堆芯测量支承构件及辐照监督装置等。 压水堆核电厂对堆内构件有特殊的功能要求，它们必须能可靠地支承、压紧和精确定位燃料组件及其相关组件；为控制棒组件提升和下降提供导向，在事故工况下保证控制棒组件快速插入堆芯；提供冷却剂流道，引导进入反应堆的冷却剂通过堆芯，限制旁通流量
13、与减少泄漏量；合理地分配进入堆芯冷剂流量；降低反应堆压力容器内表面所遭受的快中子注量；为堆芯测量部件提供支承和导向等等。 一、堆芯上部支承构件 二、堆芯下部支承构件,返回,2020/7/10,一、堆芯上部支承构件,堆芯上部支承构件的主要功能是压紧堆芯部件，在装料后为燃料组件提供上部定位，为控制棒运动导向和为堆芯测量部件提供导向与固定。 堆芯上部支承构件由导向管支承板、堆芯上栅格板、压紧弹簧、堆芯上部支承柱和控制棒导向组件等组成。如图所示。,返回,2020/7/10,堆芯上部支承构件图,导向管支承板； 压紧弹簧； 驱动轴； 堆芯上栅格板； 控制棒导向组件； 堆芯上部支承柱； 定位销。,返回,20
14、20/7/10,导向管支承板,导向管支承板是一个焊接构件，由一块厚钢板、一个法兰和一个圆筒组成。在厚板上固定着控制棒导向组件的一端、热电偶导向管和热电偶管座。圆筒焊在厚板上，而厚板与法兰焊接在一起。该法兰与吊篮筒体上法兰间放置着压紧弹簧，且一起被固定在反应堆压力容器和压力容器顶盖之间。所有堆芯测温热电偶导管集装到几个热电偶管座上，管座固定在导向管支承板上，并通过压力容器顶盖上的管座及管座顶端的密封机构穿出压力容器。,返回,2020/7/10,堆芯上栅格板,堆芯上栅格板直接压在燃料组件上，使燃料组件对中并压紧定位，与堆芯下部支承构件的流量分配孔板、堆芯下栅格板相配合，分配反应堆冷却剂，固定堆芯上
15、部支承柱，固定导向管等。堆芯上栅格板的直径与其厚度相比相差很大，属薄板结构。600 级压水堆核电厂所用的上栅格板见图 。它的厚度为40mm，直径为3.07。板上有许多圆形孔、方形孔、螺纹孔和畸形通孔，各孔的位置公差和加工精度要求很高，所以工艺性较差，必须按照有关设计、制造准则，严格控制设计与制造质量。,返回,2020/7/10,上栅格板图,返回,2020/7/10,堆芯上部支承柱,堆芯上部支承柱的作用是承受轴向力，连接导向管支承板与堆芯上栅格板、保证两者间的空间距离和整体刚性，并在堆芯出口处为反应堆冷却剂提供流道，还可作热电偶导向管的支承等。这些支承柱是用钢管制作的，加工时要严格保证其长度精度
16、。,返回,2020/7/10,控制棒导向组件,控制棒导向组件是一个比较精密的构件，结构形式比较复杂，尺寸精度要求也高，左图就是一个控制棒导向组件。,返回,2020/7/10,二、堆芯下部支承构件,堆芯下部支承构件紧靠堆芯，工作条件十分恶劣，尺寸大，制造难度大，是堆内最重要的受力构件。它的主要功能是承受堆芯部件重量，为燃料组件定位和分配流量。堆芯下部支承构件由吊篮筒体（含堆芯支承板）、热屏蔽、围板组件、下栅格板、流量分配孔板和堆芯二次支承组件等组件组成。如图 所示。堆芯下部支承构件在首炉堆芯装料前被装入反应堆压力容器内，如需要可将其吊出，以便进行压力容器的在役检查。,返回,2020/7/10,堆芯下部支承构件图,吊篮筒体热屏蔽 围板组件下栅格板流量分配孔板二次支承组件和堆内测量导管,下一页,2020/7/10,堆芯下部支承构件图2,返回,上一页,2020/7/10,吊篮筒体,在大多数压水堆中，吊篮筒体的结构采用吊挂式的带法兰的薄壁圆筒。吊篮筒体的法兰吊挂在反应堆压力容器内壁的支承凸肩上。,返回,2020/7/1
