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第三章 压水堆核电厂本讲稿第一页，共六十页2本讲稿第二页，共六十页31 1压水堆以轻水作慢化剂及冷却剂，反应堆体积小，建设压水堆以轻水作慢化剂及冷却剂，反应堆体积小，建设周期短造价较低。周期短造价较低。2 2压水堆采用低富集度铀作燃料，铀的浓缩技术已经过关。压水堆采用低富集度铀作燃料，铀的浓缩技术已经过关。3 3压水堆核电厂有放射性的一回路系统与二回路系统相分压水堆核电厂有放射性的一回路系统与二回路系统相分开，放射性冷却剂不会进入回路而污染汽轮机，运行、开，放射性冷却剂不会进入回路而污染汽轮机，运行、维护方便，需要处理的放射惮废气、废水、废物量较少。维护方便，需要处理的放射惮废气、废水、废物量较少。我国正在运行的核电机组（除秦山三期）全部为压水堆堆型，作为一我国正在运行的核电机组（除秦山三期）全部为压水堆堆型，作为一种技术相当成熟的堆型，具有以下特点：种技术相当成熟的堆型，具有以下特点：本讲稿第三页，共六十页4压水堆主要运行参数压水堆主要运行参数本讲稿第四页，共六十页5教学内容教学内容本章将以大亚湾核电厂为例，详细介绍本章将以大亚湾核电厂为例，详细介绍压水反应堆本体结构：压水反应堆本体结构：堆芯组件：核燃料组件控制棒组件堆芯功能组件；堆芯组件：核燃料组件控制棒组件堆芯功能组件；堆内构件及其作用：上下支承组件，压紧弹簧组件，导向管堆内构件及其作用：上下支承组件，压紧弹簧组件，导向管反应堆压力容器的结构、选材和运行特点反应堆压力容器的结构、选材和运行特点控制棒驱动机构的结构和工作原理；控制棒驱动机构的结构和工作原理；堆内测量支承结构堆内测量支承结构安全壳结构及系统功能安全壳结构及系统功能本讲稿第五页，共六十页6大亚湾核电厂简介大亚湾核电厂简介本讲稿第六页，共六十页73.1 压水堆堆芯（压水堆堆芯（reactor core）堆芯设计满足的一般要求：堆芯设计满足的一般要求：1 1 堆芯功率分布尽量均匀，以便堆芯有最大的功率输出堆芯功率分布尽量均匀，以便堆芯有最大的功率输出2 2 尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料，提高中子经济尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料，提高中子经济性性3 3 要有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力要有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力4 4 有较长的堆芯寿命，适当的减少换料操作次数有较长的堆芯寿命，适当的减少换料操作次数5 5 堆芯结构紧凑，换料要简易方便。堆芯结构紧凑，换料要简易方便。本讲稿第七页，共六十页8典型压水堆压力容器与堆芯结构原理图典型压水堆压力容器与堆芯结构原理图本讲稿第八页，共六十页9堆芯横截面图堆芯横截面图本讲稿第九页，共六十页10压压水水堆堆纵纵剖剖面面图图本讲稿第十页，共六十页11压水堆燃料管理压水堆燃料管理本讲稿第十一页，共六十页12本讲稿第十二页，共六十页13压水堆堆芯组件压水堆堆芯组件核燃料组件核燃料组件棒束控制棒组件棒束控制棒组件可燃毒物组件可燃毒物组件中子源组件中子源组件阻力塞组件阻力塞组件本讲稿第十三页，共六十页14核燃料组件核燃料组件采用无盒、带指形控制组件的棒束型采用无盒、带指形控制组件的棒束型燃料组件。燃料组件。主要结构：燃料棒骨架主要结构：燃料棒骨架 骨架（书）：上下管座，骨架（书）：上下管座，8 8 层定位格架，导向管层定位格架，导向管采用采用1717=289=264+24+1 1717=289=264+24+1 正方形正方形排列。排列。本讲稿第十四页，共六十页15本讲稿第十五页，共六十页16棒状燃料元件棒棒状燃料元件棒结构组成结构组成选材原则：限制燃料和包壳选材原则：限制燃料和包壳 的使用温度的使用温度包壳的作用以及选材特点包壳的作用以及选材特点 机械强度；第一道屏障机械强度；第一道屏障 燃料芯块结构特点燃料芯块结构特点锆氢反应？任何防止？锆氢反应？任何防止？1 21 2集气空腔盒充填气体作用：集气空腔盒充填气体作用：轴向空腔和径向间隙作用，轴向空腔和径向间隙作用，预冲压氦气技术作用预冲压氦气技术作用本讲稿第十六页，共六十页17芯块的结构特点芯块的结构特点结构尺寸：圆柱体形结构尺寸：圆柱体形何谓何谓“环脊环脊”现象现象为何采用碟形加倒角的为何采用碟形加倒角的结构形式结构形式如何防止辐照肿胀的破如何防止辐照肿胀的破坏：坏：1 1碟形加倒角碟形加倒角 2 2制孔剂制孔剂芯块密度的选择芯块密度的选择本讲稿第十七页，共六十页18本讲稿第十八页，共六十页19燃料元件包壳燃料元件包壳材料：材料：锆锆4 4 合金合金燃料元件包壳壁厚的选择燃料元件包壳壁厚的选择 结构强度结构强度 化学，腐蚀化学，腐蚀 一定的安全裕度一定的安全裕度包壳内壁与燃料芯块的径向间隙包壳内壁与燃料芯块的径向间隙包壳内壁与燃料芯块的径向间隙包壳内壁与燃料芯块的径向间隙 大小与间隙的导热系数有密切关系，是影响芯块温度的重要大小与间隙的导热系数有密切关系，是影响芯块温度的重要大小与间隙的导热系数有密切关系，是影响芯块温度的重要大小与间隙的导热系数有密切关系，是影响芯块温度的重要因素，同时芯块的各种特性如导热系数，裂变气体的释放，蠕变和塑性形变等也都随温因素，同时芯块的各种特性如导热系数，裂变气体的释放，蠕变和塑性形变等也都随温因素，同时芯块的各种特性如导热系数，裂变气体的释放，蠕变和塑性形变等也都随温因素，同时芯块的各种特性如导热系数，裂变气体的释放，蠕变和塑性形变等也都随温度变化。度变化。度变化。度变化。本讲稿第十九页，共六十页20“骨架骨架”结构结构定位格架定位格架控制棒导管控制棒导管中子通量测量导管中子通量测量导管上管座上管座下管座下管座本讲稿第二十页，共六十页21定位格架定位格架8 8 层定位格架的作用层定位格架的作用材料及结构特点材料及结构特点混流翼混流翼本讲稿第二十一页，共六十页22本讲稿第二十二页，共六十页23控制棒导向管控制棒导向管材料：锆材料：锆4 4合金合金作用：为控制棒插入抽出提供导向通道作用：为控制棒插入抽出提供导向通道结构特点：结构特点：锥形缓冲段，锥形缓冲段，流水孔流水孔中子通量测量管中子通量测量管材料：锆材料：锆4 4合金合金作用：作用：本讲稿第二十三页，共六十页24下管座下管座上管座上管座本讲稿第二十四页，共六十页25本讲稿第二十五页，共六十页26控制棒组件控制棒组件结构组成：结构组成：2424跟吸收剂棒星形架跟吸收剂棒星形架组件数目保证：组件数目保证：卡棒准则，功率卡棒准则，功率分布，弹棒事故分布，弹棒事故 本讲稿第二十六页，共六十页27控制棒组件控制棒组件 本讲稿第二十七页，共六十页28星形架星形架结构特点：毂环，翼片，指形连接柄结构特点：毂环，翼片，指形连接柄本讲稿第二十八页，共六十页29吸收剂棒吸收剂棒 黑棒黑棒 灰棒灰棒 材料材料 银铟镉银铟镉 不锈钢不锈钢 结构：结构：二者相似二者相似黑棒束控制组件：黑棒束控制组件：2424根黑棒根黑棒灰棒束控制组件：灰棒束控制组件：8 8根黑棒根黑棒1616根灰棒根灰棒本讲稿第二十九页，共六十页30堆芯相关组件堆芯相关组件可燃毒物组件，初级中子源组件，次级中子源组件，阻力可燃毒物组件，初级中子源组件，次级中子源组件，阻力塞组件塞组件结构上的共同点：结构上的共同点：支承结构：一个压紧组件形成的支承结构支承结构：一个压紧组件形成的支承结构 24 24 根棒束根棒束本讲稿第三十页，共六十页31压紧组件压紧组件轭板、弹簧导向筒、底板、内外两圈螺旋弹簧、轭板、弹簧导向筒、底板、内外两圈螺旋弹簧、销钉销钉304 304 不锈钢材料不锈钢材料本讲稿第三十一页，共六十页32可燃毒物组件可燃毒物组件作用：用于第一燃料循环，降低硼浓度，作用：用于第一燃料循环，降低硼浓度，半尺慢化剂的半尺慢化剂的负温度系数负温度系数可燃毒物材料：硼玻璃管（可燃毒物材料：硼玻璃管（B B2 2O O3 3+SiO+SiO2 2）初装料：初装料：4812(4812(棒棒)1816(1816(棒棒)+216=896)+216=896第一次换料时全部卸出，换阻力塞组件第一次换料时全部卸出，换阻力塞组件本讲稿第三十二页，共六十页33中子源组件中子源组件作用：作用：1 1 提高中子通量水平提高中子通量水平 2 2 点火点火初级中子源初级中子源 结构与材料：锎结构与材料：锎 初装料情况初装料情况次级中子源次级中子源 结构与材料：锑、铍结构与材料：锑、铍 初装料情况初装料情况本讲稿第三十三页，共六十页34阻力塞组件阻力塞组件作用：作用：304304不锈钢材料不锈钢材料初装料情况初装料情况前述各种堆芯相关组件都含有中子前述各种堆芯相关组件都含有中子源组件，只有阻力塞组件全部源组件，只有阻力塞组件全部是阻力塞组件是阻力塞组件本讲稿第三十四页，共六十页35堆芯组件小结（堆芯组件小结（1）核燃料组件控制棒组件堆芯相关组件核燃料组件控制棒组件堆芯相关组件 核燃料组件：燃料元件棒骨架结构核燃料组件：燃料元件棒骨架结构 燃料元件棒：燃料芯块，包壳，端塞，压紧弹簧燃料元件棒：燃料芯块，包壳，端塞，压紧弹簧 骨架：上下管座，定位格架，控制棒导管，中子测量骨架：上下管座，定位格架，控制棒导管，中子测量 控制棒组件控制棒组件：吸收剂棒星形架吸收剂棒星形架 吸收剂棒：黑棒，灰棒，结构材料吸收剂棒：黑棒，灰棒，结构材料 星形架：中心毂环，翼片，夹持指状物星形架：中心毂环，翼片，夹持指状物本讲稿第三十五页，共六十页36堆芯组件小结（堆芯组件小结（2）堆芯相关组件：堆芯相关组件：可燃毒物棒组件，中子源组件，阻力塞组件 结构：结构：压紧组件压紧组件2424根棒束根棒束可燃毒物组件：作用，可燃毒物组件：作用，材料材料中子源组件：中子源组件：初级中子源次级中子源，作用，材料初级中子源次级中子源，作用，材料阻力塞组件阻力塞组件;作用，材料作用，材料本讲稿第三十六页，共六十页37大亚湾核电厂首次装料堆芯相关组件种类以及数量大亚湾核电厂首次装料堆芯相关组件种类以及数量本讲稿第三十七页，共六十页38名词术语名词术语reactor vessel reactor vessel core barrelcore barrelfuel assembly/element fuel assembly/element thermal shieldthermal shieldbafflebaffleformerformerhold down springhold down springgrid assemblygrid assembly本讲稿第三十八页，共六十页39Top/bottom nozzleTop/bottom nozzlecontrol rod guide tubecontrol rod guide tubedowncomerdowncomercontrol rod drive mechanismscontrol rod drive mechanismsburnable/burnout poisonburnable/burnout poisonresistance plug resistance plug neutron sourceneutron sourcefuel cladfuel cladfuel pinfuel pin本讲稿第三十九页，共六十页40反应堆堆内构件反应堆堆内构件堆内构件包括：堆芯下部支承结构，堆芯上部支承堆内构件包括：堆芯下部支承结构，堆芯上部支承结构，控制棒束导向管和压紧弹簧组成。结构，控制棒束导向管和压紧弹簧组成。功能：功能：1 1 为冷却剂提供流道为冷却剂提供流道2 2 为压力容器提供屏蔽为压力容器提供屏蔽3 3 为燃料组件提供支承和压紧为燃料组件提供支承和压紧4 4 固定监督用的辐照样品固定监督用的辐照样品5 5 为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装置提供机械导向为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装置提供机械导向6 6 平衡机械载荷和水力载荷平衡机械载荷和水力载荷7 7 确保堆芯容器顶盖内的冷却水循环，以便顶盖保持一定的温度确保堆芯容器顶盖内的冷却水循环，以便顶盖保持一定的温度本讲稿第四十页，共六十页41下部支承组件吊篮组件下部支承组件吊篮组件1 1 吊篮筒体吊篮筒体2 2 下栅板组件下栅板组件3 3 围板幅板组件围板幅板组件4 4 热屏蔽组件热屏蔽组件5 5 防断支承组件防断支承组件本讲稿第四十一页，共六十页42堆芯下部支撑结构堆芯下部支撑结构本讲稿第四十二页，共六十页43堆芯上部支撑结构堆芯上部支撑结构堆芯堆芯 上栅格板上栅格板堆芯上部支承柱堆芯上部支承柱棒束控制导向筒棒束控制导向筒上部支承板上部支承板本讲稿第四十三页，共六十页44堆芯上部支撑结构堆芯上部支撑结构本讲稿第四十四页，共六十页45控制棒驱动机构控制棒驱动机构控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件，通过它的动作带动控制棒组件在堆芯内提升控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件，通过它的动作带动控制棒组件在堆芯内提升和下降，以实现反应堆的启动，功率调节（调节棒），停堆和事故情况下的安全和下降，以实现反应堆的启动，功率调节（调节棒），停堆和事故情况下的安全控制（安全棒）。因此，它是确保反应堆安全可控的重要部件。控制（安全棒）。因此，它是确保反应堆安全可控的重要部件。控制棒驱动机构要求：在正常运行工况下要求棒的移动速度缓慢，每秒钟行程约控制棒驱动机构要求：在正常运行工况下要求棒的移动速度缓慢，每秒钟行程约10mm10mm；在快速停堆或事故工况时要求驱动机构在得到事故停堆信号后，即能；在快速停堆或事故工况时要求驱动机构在得到事故停堆信号后，即能自动脱开，控制棒组件靠自重快速插入堆芯，从得到信号到控制棒完全插入自动脱开，控制棒组件靠自重快速插入堆芯，从得到信号到控制棒完全插入堆芯的紧急停堆时间一般堆芯的紧急停堆时间一般2 2秒钟左右，以保证反应堆安全。秒钟左右，以保证反应堆安全。本讲稿第四十五页，共六十页46控制棒驱动机构控制棒驱动机构常用的驱动机构：电磁步进式，齿轮齿条式，水力驱动式常用的驱动机构：电磁步进式，齿轮齿条式，水力驱动式大亚湾核电厂采用大亚湾核电厂采用 三线圈电磁步进式驱动机构三线圈电磁步进式驱动机构优点：优点：提棒精度高，提升力大，不宜失步，结构简单，提棒精度高，提升力大，不宜失步，结构简单，加工容易，拆装和维修方便等优点。需要紧急停堆时，加工容易，拆装和维修方便等优点。需要紧急停堆时，只需要切断电源，控制棒便可自由落体。只需要切断电源，控制棒便可自由落体。本讲稿第四十六页，共六十页47结构结构外部线圈装置外部线圈装置棒位置指示部件棒位置指示部件承压套承压套驱动轴（上中下）驱动轴（上中下）内部部件：内部部件：提升装置提升装置 传递装置传递装置 夹持装置夹持装置本讲稿第四十七页，共六十页48本讲稿第四十八页，共六十页49控制棒提升动作控制棒提升动作:初始状态为传递钩爪啮合，夹持钩爪脱开。1：提升线圈通电，传递钩爪驱动轴提升一个步阶；2：夹持线圈通电，夹持钩爪夹持驱动轴；3：传递线圈断电，传递钩爪脱开；4：提升线圈断电，传递钩爪下降一个步阶；5：传递线圈通电，传递钩爪啮合驱动轴；6：夹持线圈断电，夹持钩爪夹脱开，为提升做准备；7：提升线圈通电，传递钩爪驱动轴提升一个布阶；如此循环动作，直到达到提升位置为止。本讲稿第四十九页，共六十页50控制棒下降动作控制棒下降动作:初始状态为传递钩爪啮合，夹持钩爪脱开。1：夹持线圈通电，夹持钩爪夹持驱动轴2：传递线圈断电，传递钩爪脱开3：提升线圈通电，仅传递钩爪提升一个步阶4：传递线圈通电，传递钩爪啮合驱动轴5：夹持线圈断电，夹持钩爪夹脱开，为轴下降做让步 6：提升线圈断电，传递钩爪驱动轴下降一个步阶7：夹持线圈通电，夹持钩爪夹持驱动轴如此循环动作，直到达到下降位置为止。若要保持控制棒在某一位置时，仅传递线圈通电，传递钩爪承载。本讲稿第五十页，共六十页51紧急停堆控制棒自由落体紧急停堆控制棒自由落体当要实行紧急停堆时，三个线圈当要实行紧急停堆时，三个线圈都断电，所有钩爪均脱开，都断电，所有钩爪均脱开，控制棒在重力作用下，快速控制棒在重力作用下，快速插入堆芯。插入堆芯。本讲稿第五十一页，共六十页52反应堆压力容器反应堆压力容器反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件，工作在高压反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件，工作在高压(15.5MPa(15.5MPa左右左右)、高温含硼酸水、高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条件下，寿命不少于介质环境和放射性辐照的条件下，寿命不少于4040年。百万千瓦级核电厂压力容器高年。百万千瓦级核电厂压力容器高约约13m13m，内径，内径5m,5m,筒体壁厚筒体壁厚200mm,200mm,总重约总重约330t330t。作用：作用：1 1 防止放射性外逸第二道屏障防止放射性外逸第二道屏障2 2 压力边界压力边界3 3 支承和固定作用支承和固定作用选材原则选材原则1 1 高度的完整性高度的完整性 2 2 适当的强度和足够的韧性适当的强度和足够的韧性3 3 低的辐照敏感性低的辐照敏感性 4 4 导热性能好导热性能好 5 5 便于加工制造，成本低便于加工制造，成本低本讲稿第五十二页，共六十页53压力容器选材压力容器选材当前反应堆压力容器材料普遍选用当前反应堆压力容器材料普遍选用低合金钢，与冷却剂接触表面低合金钢，与冷却剂接触表面堆焊一层堆焊一层5mm5mm厚的不锈钢。厚的不锈钢。低合金钢及其焊缝在快中子积分通量大于低合金钢及其焊缝在快中子积分通量大于10101818cmcm2 2后脆性转变温度明显升高。后脆性转变温度明显升高。相应措施相应措施:严格限制铜和磷这两种元素的严格限制铜和磷这两种元素的含量，添加少量铝、钒、铬，铂、镍含量，添加少量铝、钒、铬，铂、镍等元素，尽量减少钢的辐照损伤：热等元素，尽量减少钢的辐照损伤：热屏。屏。本讲稿第五十三页，共六十页54运行限制运行限制压力温度运行限制曲线：压力温度运行限制曲线：限制因素：限制因素：压力容器的强度，主泵的限制：汽蚀等，低压力容器的强度，主泵的限制：汽蚀等，低压蒸发等。压蒸发等。本讲稿第五十四页，共六十页55压力容器结构压力容器结构筒体组合件筒体组合件 法兰环法兰环 接管段接管段 筒身筒身 冷却剂进、出口接管冷却剂进、出口接管顶盖组合件顶盖组合件底封头底封头法兰密封件法兰密封件本讲稿第五十五页，共六十页56压力容器支承结构压力容器支承结构本讲稿第五十六页，共六十页57堆内测量支承结构堆内测量支承结构堆芯冷却剂出口温度测量装置堆芯冷却剂出口温度测量装置目的：绘制堆芯温度分布图和确定最热通道布置：堆芯中子通量分布测量装置堆芯中子通量分布测量装置目的：建立中子通量分布图（三维），确定热点布置：本讲稿第五十七页，共六十页58安全壳安全壳作用：裂变产物与环境之作用：裂变产物与环境之间的最后一道屏障间的最后一道屏障安全壳厂房安全壳厂房安全壳环境控制系统安全壳环境控制系统安全壳贯穿与隔离系统安全壳贯穿与隔离系统本讲稿第五十八页，共六十页59 总结总结1 1 堆内构件堆内构件 名称名称 作用作用2 2 控制棒驱动机构控制棒驱动机构 结构结构 工作原理工作原理 提升提升 下降下降 停堆停堆3 3 反应堆压力容器反应堆压力容器 结构结构 作用作用 选材选材 运行限制运行限制4 4 堆内测量支承结构堆内测量支承结构 温度测量温度测量 中子通量测量中子通量测量5 5 安全壳安全壳 作用作用 三个系统三个系统本讲稿第五十九页，共六十页60本讲稿第六十页，共六十页
