壓水反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與材.ppt

第四章 壓水反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與材料,4.1反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)概述 壓水反應(yīng)堆的本體結(jié)構(gòu)由堆芯、堆內(nèi)構(gòu)件、反應(yīng)堆壓力殼以及控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)等幾部分組成。,4-2 反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu) 堆芯結(jié)構(gòu)是反應(yīng)堆的核心構(gòu)件，在這里實現(xiàn)核裂變反應(yīng)，核能轉(zhuǎn)化為熱能；同時它又是強(qiáng)放射源。因此，堆芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計是反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)之一。 堆芯結(jié)構(gòu)由核燃燒組件、控制棒組件、可燃毒物組件、中子源組件和阻力塞組件等組成。 壓水反應(yīng)堆的堆芯結(jié)構(gòu)位于壓力殼的冷卻回路進(jìn)出口以下，在整個壓力殼中間偏下的位置。,4.2.1 燃料組件 壓水堆的燃料組件在堆芯中處在高溫、高壓、高硼水、強(qiáng)中子輻照、腐蝕、沖刷和水力振動等惡劣條件下長期工作、因此燃料組件性能的好壞直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性。,壓水反應(yīng)堆普遍采用低濃鈾燃料，彈簧定位格架，無盒的束棒燃料組件。燃料組件由燃料元件棒、定位格架、組件骨架等部件所組成。元件棒的排列有1414，1515， 1616和1717等多種形式。1515排列的燃料組件已被廣泛應(yīng)用。秦山核電廠壓水堆燃料元件棒按1515排列，大亞灣核電廠壓水堆燃料元件棒則按1717排列。,一 燃料元件 燃料元件的結(jié)構(gòu)與燃料的性質(zhì)和堆型密切相關(guān)，因而元件的結(jié)構(gòu)形成式是多種多樣的，但其中以棒狀、板狀，壓力管狀和顆粒狀燃料元件最為常見，這里主要介紹與壓水堆有關(guān)的棒狀和板狀元件。,燃料元件的完整性 燃料元件是堆芯的核心構(gòu)件。為了確保燃料元件在整個壽期內(nèi)的完整性，壓水堆燃料元件的設(shè)計應(yīng)考慮下述準(zhǔn)則： 燃料和包殼溫度 用UO2作燃料的元件棒芯塊，其最高工作溫度應(yīng)低于UO2的熔點(diǎn)（286015），在目前的設(shè)計中，一般取2500-2600左右。鋯合金包殼的工作溫度限值為350以下（鋯 -2合金一般取316）。,包殼應(yīng)變范圍 應(yīng)限定包殼的最大允許應(yīng)變范圍（彈性的和塑性的）。 包殼應(yīng)力 包殼的應(yīng)力分析與設(shè)計應(yīng)滿足反應(yīng)堆和壓力容器有關(guān)的設(shè)計規(guī)范規(guī)定，以保證有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛性。 內(nèi)部氣體壓力 包殼管內(nèi)應(yīng)有適宜的氣體壓力。在元件臨近壽期未了時，包殼管內(nèi)部的氣體壓力值應(yīng)限制在與系統(tǒng)的工作壓力相近的數(shù)值上。,包殼的循環(huán)應(yīng)變 堆功率的變化（特別是在跟蹤負(fù)荷運(yùn)行時）會引起包殼的循環(huán)應(yīng)變，從而造成包殼的積累損傷和疲勞破裂。因此需要根據(jù)疲勞壽命制定出循環(huán)應(yīng)變的限制范圍。,燃料芯塊的穩(wěn)定性 在某些因素的影響下，燃料芯塊出現(xiàn)的收縮會導(dǎo)致燃料的密實化，從而造成燃料包殼的塌陷,燃料芯塊的含水量 許多反應(yīng)堆內(nèi)都曾發(fā)生過鋯的氫脆破裂。UO2芯塊容易從它的周圍吸收水分。在反應(yīng)堆啟動后，燃料吸收的水分將釋放出來，并在輔照作用下分解為氫和氫氧根。其中氫被鋯合金吸收而生成氫化鋯，從而使包殼氫化變脆。這時包殼即使在很低的應(yīng)力作用下也會發(fā)生破損。因此，應(yīng)該注意控制燃料棒的含水量，通常規(guī)定每3.66米不得超過60毫克或者每塊燃料芯塊不得超過10ppm。,2. 棒狀燃料元件 這種元件由燃料芯塊、燃料包殼管、壓緊彈簧、隔熱片（在有些堆中采用）、端塞等幾部分組成。,燃料芯塊 目前電站堆幾乎都以UO2陶瓷體為燃料，其濃縮度約為。陶瓷芯塊的直徑一般在毫米范圍內(nèi)。 燃料包殼管 目前電站壓水堆燃料包殼管幾乎都是鋯合金冷拉而成的。,隔熱片 燃料組合體兩端裝的三氧化二鋁陶瓷材料片，稱為隔熱片，用來減少芯塊的軸向傳熱，從而減小端塞的熱應(yīng)力。 壓緊彈簧 在元件內(nèi)腔端部的壓緊彈簧用來防止元件在運(yùn)輸和吊裝過程中芯塊的串動，一般用不銹剛制造,包殼的腐蝕 從強(qiáng)度觀點(diǎn)看，元件壽期終了時的包殼最大腐蝕穿透深度應(yīng)低于其壁厚的10%。 包殼的吸氫 ，鋯合金包殼在水中腐蝕時要放出氫氣。其中部分氫（約5-20%）通過氧化層擴(kuò)散到鋯合金中，引起它的脆化。有的文獻(xiàn)認(rèn)為，在壽期終了時包殼含氫量為250ppm是可以接受的，但無論如何不應(yīng)高于600ppm。,在設(shè)計燃料元件時，芯塊與包殼間應(yīng)留有徑向和軸向間隙。徑向間隙用來補(bǔ)償燃料芯塊的輻照腫脹和芯塊與包殼間由于溫差而引起的熱膨脹。軸向間隙除了也有上述的補(bǔ)償作用而外，還用來貯存燃料釋放出來的裂變氣體（通常氪約占，氙約占）。,為了降低運(yùn)行過程中包殼管的內(nèi)外壓差，防止包殼管的蠕變塌陷和改善燃料元件的傳熱性能，現(xiàn)代的元件設(shè)計都采用了預(yù)充壓技術(shù)，即在元件密封焊接時，在包殼管內(nèi)腔預(yù)先充有1.962-3.436兆帕的惰性氣體氦。當(dāng)元件工作到接近壽期終了時，包殼管內(nèi)氦氣加上裂變氣體的總壓力應(yīng)同包殼管外面冷卻劑的工作壓力值相近。,3.板狀燃料元件 板狀燃料元件常用于艦艇動力堆。板狀元件通常由鈾-鋯合金或彌散型燃料軋制而成，鈾的濃度為20%-90%。與UO2陶瓷棒狀元件相比，板狀元件有如下一些特點(diǎn)： 由于板狀元件所用燃料的濃縮度高和彌散型燃料的穩(wěn)定性好，因而它的燃耗可以很深，一般在10000兆瓦日/噸鈾以上，這就保證了較高的燃燒元件和堆芯的使用壽命。,因為鈾-鋯合金或金屬陶瓷都可軋制成很薄的板材，所以單位堆芯體積中能布置較大的放熱面積，這就有效地提高了反應(yīng)堆的平均容積比功率。 即使采用導(dǎo)熱性能較差的二氧化鈾為燃料的板狀元件，其中心溫度一般也不超過900。 雖然板狀元件有上述一些重要優(yōu)點(diǎn),然而濃縮鈾的消耗相當(dāng)可觀。因此，目前這種類型的板狀元件多半還只能用在要求堆芯體積小、壽命長的艦艇動力堆上。,二 燃料元件棒 核燃料元件棒是壓水堆產(chǎn)生核裂變并釋放熱量的部件。它的長度約3-4米，外徑為9-11毫米。鋯合金包殼管壁厚為0.50-0.70毫米，管內(nèi)裝有二氧化鈾陶瓷型燃料芯塊，并按設(shè)計要求將燃料芯塊裝到一定高度。上下兩端設(shè)有三氧化二鋁的陶瓷隔熱塊，頂部設(shè)有螺旋形壓緊彈簧以防止在運(yùn)輸過程中棒內(nèi)芯塊發(fā)生竄動。鋯合金管的兩端用鋯合金端塞堵封，并與包殼管焊接密封在一起。,三 定位格架 定位格架是元件徑向定位件,也是夾持元件和加強(qiáng)元件剛性的一種彈性構(gòu)件。定位格架的結(jié)構(gòu)形式很多，其結(jié)構(gòu)合理與否對元件周圍的水力和熱工性能會有顯著影響。合理的結(jié)構(gòu)形式一般應(yīng)通過實驗確定。所有定位格架的外條帶上都有混流翼片。它們除了可起攪混作用而外，允許有軸向熱膨脹，但不允許產(chǎn)生使元件棒彎曲或扭曲的約束力。為了加強(qiáng)元件棒與格架組件接觸部位的冷卻，應(yīng)使混流翼片從條帶邊緣伸出，以便有效地攪混接觸處的冷卻劑，從而改善其熱工狀態(tài)。,4-2-2控制棒組件 控制棒組件是核反應(yīng)堆控制部件，用它控制反應(yīng)堆的核裂變反應(yīng)速率，啟動和停堆，調(diào)整反應(yīng)堆的功率，在事故工況下依靠它快速下插使反應(yīng)堆在極短時間內(nèi)緊急停堆，以保證反應(yīng)堆安全。 目前，壓水反應(yīng)堆普遍采用束棒型控制棒組件，即用銀-銦-鎘（80%Ag-15%In-5%Cd）合金制成細(xì)棒狀的控制棒吸收體，外加不銹鋼包殼，每根棒正好插在燃料組件的導(dǎo)向管內(nèi)。,控制棒的主要功能是： (1) 補(bǔ)償從熱態(tài)零功率至滿功率燃料和慢化劑溫度效應(yīng)引起的反應(yīng)性虧損以及由于功率再分布引起的反應(yīng)性變化； (2) 用以實現(xiàn)提高或降低反應(yīng)堆功率，或者移動控制棒實現(xiàn)快速的負(fù)荷跟蹤，使核電廠具有變工況運(yùn)行能力； (3) 在各種運(yùn)行工況下，用控制棒實現(xiàn)快速或緊急停堆，并保持一定的熱停堆反應(yīng)性裕度； (4) 補(bǔ)償變工況時的瞬態(tài)氙效應(yīng)所引起的反應(yīng)性變化，以及借助于控制棒移動來抑制氙振蕩。因此壓水堆內(nèi)控制棒是按不同功能進(jìn)行分組，一般分為停堆控制棒組，控制功率分布的控制棒組以及功率調(diào)節(jié)控制棒組。,為了使控制棒能有效地控制反應(yīng)性，對于熱中子反應(yīng)堆，采用吸收中子強(qiáng)的材料做控制棒。壓水堆控制棒一般采用銀-銦-鎘合金，其質(zhì)量比大致為80%15%5%，并且做成束棒式，以減小插入控制棒后所引起的功率畸變。,4-2-3 可燃毒物組件 為降低反應(yīng)堆運(yùn)行初期的過剩反應(yīng)性，節(jié)省控制棒數(shù)量以及補(bǔ)償堆壽期末由于燃耗和中毒效應(yīng)等所引起的過剩反應(yīng)性下降，一般堆內(nèi)普遍應(yīng)用固體可燃毒物。 可燃毒物通常采用吸收中子能力比較強(qiáng)，又能隨著反應(yīng)堆運(yùn)行與核燃料一起燒掉的同位素（如硼、鉿、釓、及其化合物）作吸收材料，常用的有硼不銹鋼、碳化硼、硼玻璃及硼化鋯等，將這些吸收材料制成棒狀或管狀，然后外面加包殼。 可燃毒物組件由可燃毒物棒、連接板和彈簧壓緊部件等組成，它與控制棒組件不同，裝入堆內(nèi)后不上下移動。,4-2-4中子源組件 能發(fā)射中子的裝置或物質(zhì)稱中子源。中子源大致分成三類，即放射性中子源，反應(yīng)堆中子源及加速器中子源。 為了保證反應(yīng)堆在任何情況下都能安全啟動，在堆芯整個壽期內(nèi)要有足夠強(qiáng)度的中子