1、核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)核反應(yīng)堆與核電廠基本原理核反應(yīng)堆與核電廠基本原理v反應(yīng)堆的基本工作原理反應(yīng)堆的基本工作原理一、一些關(guān)于核燃料的基本定義：一、一些關(guān)于核燃料的基本定義： 1、核燃料、核燃料：在反應(yīng)堆中使用的裂變物質(zhì)及可轉(zhuǎn)：在反應(yīng)堆中使用的裂變物質(zhì)及可轉(zhuǎn)換物質(zhì)稱為核燃料。核燃料中必須是：換物質(zhì)稱為核燃料。核燃料中必須是：含有鈾含有鈾-235、鈾、鈾-233、钚、钚-239三種易裂變核素中的一種或二三種易裂變核素中的一種或二種；種；能夠產(chǎn)生裂變并釋放裂變能。能夠產(chǎn)生裂變并釋放裂變能。 2、易裂變核素、易裂變核素：任何能量的中子都能引起核裂：任何能量的中子都能引起核

2、裂變的核素稱為易裂變核素，如鈾變的核素稱為易裂變核素，如鈾-235、鈾、鈾-233，钚，钚-239三種核素。三種核素。 3、可轉(zhuǎn)換核素、可轉(zhuǎn)換核素：由于能量大于：由于能量大于1MeV以上的中以上的中子能夠引起鈾子能夠引起鈾-238，釷，釷-232轉(zhuǎn)化，所以稱這兩種核轉(zhuǎn)化，所以稱這兩種核素為可裂變核素。鈾素為可裂變核素。鈾-238，釷，釷-232可分別轉(zhuǎn)化為钚可分別轉(zhuǎn)化為钚-239及鈾及鈾-233所以又將它們稱為可轉(zhuǎn)化核素。所以又將它們稱為可轉(zhuǎn)化核素。 4、一次核燃料和二次再生核燃料、一次核燃料和二次再生核燃料：在三種易裂：在三種易裂變核素中，由于鈾變核素中，由于鈾-235是存在于天然礦物中的，

3、所是存在于天然礦物中的，所以叫一次核燃料。而鈾以叫一次核燃料。而鈾-233和钚和钚-239是用人工方法是用人工方法制造兩得到的，所以又稱為二次再生核燃料。制造兩得到的，所以又稱為二次再生核燃料。 v二、鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)二、鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng) 當(dāng)中子與裂變物質(zhì)作用而發(fā)生核裂變反應(yīng)時(shí)，裂變物質(zhì)當(dāng)中子與裂變物質(zhì)作用而發(fā)生核裂變反應(yīng)時(shí)，裂變物質(zhì)的原子核通常分裂為兩個(gè)中等質(zhì)量數(shù)的核的原子核通常分裂為兩個(gè)中等質(zhì)量數(shù)的核(稱為裂變碎片稱為裂變碎片)。與此同時(shí)，還將平均地產(chǎn)生兩個(gè)以上的新的裂變中子，并釋與此同時(shí)，還將平均地產(chǎn)生兩個(gè)以上的新的裂變中子，并釋放出蘊(yùn)藏在原子核內(nèi)部的核能。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些裂變放出蘊(yùn)藏在原子

4、核內(nèi)部的核能。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些裂變中子又會(huì)引起周圍其他裂變同位素的裂變，如此不斷繼續(xù)下中子又會(huì)引起周圍其他裂變同位素的裂變，如此不斷繼續(xù)下去，這種反應(yīng)過程稱為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。去，這種反應(yīng)過程稱為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。v反應(yīng)堆的分類反應(yīng)堆的分類v核電廠基本原理核電廠基本原理壓水堆結(jié)構(gòu)概述壓水堆結(jié)構(gòu)概述v核電廠核電廠是利用是利用核燃料核燃料發(fā)生的受控自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)發(fā)生的受控自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所釋放的能量作為熱源發(fā)電，而常規(guī)電廠則利用所釋放的能量作為熱源發(fā)電，而常規(guī)電廠則利用化化石燃料石燃料(如煤，燃油，天然氣等如煤，燃油，天然氣等)燃燒所釋放的能量燃燒所釋放的能量作為熱源發(fā)電。作為熱源發(fā)電。v壓水堆核電

5、廠壓水堆核電廠約占世界核電廠的約占世界核電廠的60多，我國已經(jīng)多，我國已經(jīng)建成的均為壓水堆型核電廠，盡管各壓水堆核電廠建成的均為壓水堆型核電廠，盡管各壓水堆核電廠在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上略有不同，但壓水堆核電廠在總體上在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上略有不同，但壓水堆核電廠在總體上已經(jīng)基本定型，已經(jīng)基本定型，壓水堆本體壓水堆本體由反應(yīng)堆壓力容器、堆由反應(yīng)堆壓力容器、堆芯、堆芯支撐結(jié)構(gòu)、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成芯、堆芯支撐結(jié)構(gòu)、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成 。v反應(yīng)堆壓力容器反應(yīng)堆壓力容器是放置堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件，防止放射是放置堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件，防止放射性外泄的高壓設(shè)備。它的完整性直接關(guān)系到反應(yīng)堆性外泄的高壓設(shè)備。它的完整性直接關(guān)系到反應(yīng)堆的正

6、常運(yùn)行和使用壽命，而且它在高溫、高壓、強(qiáng)的正常運(yùn)行和使用壽命，而且它在高溫、高壓、強(qiáng)輻照的條件下長期工作，它的尺寸大，重量重，加輻照的條件下長期工作，它的尺寸大，重量重，加工制造精度要求高。因此是壓水堆的關(guān)鍵設(shè)備之一。工制造精度要求高。因此是壓水堆的關(guān)鍵設(shè)備之一。v壓水堆壓力容器壓水堆壓力容器布置非常緊湊，運(yùn)行在很高的壓力布置非常緊湊，運(yùn)行在很高的壓力下，容器內(nèi)布置著堆芯和若干其他內(nèi)部構(gòu)件。壓力下，容器內(nèi)布置著堆芯和若干其他內(nèi)部構(gòu)件。壓力容器帶有偶數(shù)個(gè)容器帶有偶數(shù)個(gè)(48)出入口管嘴，整個(gè)容器重量由出入口管嘴，整個(gè)容器重量由出口管嘴下部鋼襯與混凝土基座出口管嘴下部鋼襯與混凝土基座(兼作屏蔽層兼

7、作屏蔽層)支承，支承，可移動(dòng)的上封頭用螺栓與筒體固定，由兩道可移動(dòng)的上封頭用螺栓與筒體固定，由兩道“O”形形密封圈密封，上封頭有幾十個(gè)貫穿件，用于布置控密封圈密封，上封頭有幾十個(gè)貫穿件，用于布置控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、堆內(nèi)熱偶出口和排氣口。制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、堆內(nèi)熱偶出口和排氣口。 v堆芯堆芯是反應(yīng)堆的核心部分，是放置核燃料，實(shí)現(xiàn)持是反應(yīng)堆的核心部分，是放置核燃料，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的受控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而成為不斷釋放出大量能量，續(xù)的受控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而成為不斷釋放出大量能量，并將核能轉(zhuǎn)化為熱能的場所。它相當(dāng)于常規(guī)電廠中并將核能轉(zhuǎn)化為熱能的場所。它相當(dāng)于常規(guī)電廠中釋放出大量熱量的鍋爐。此外，堆芯又是強(qiáng)放射源，釋放出大量熱量

8、的鍋爐。此外，堆芯又是強(qiáng)放射源，因此，堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重因此，堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一。要的環(huán)節(jié)之一。 v壓水堆堆芯壓水堆堆芯由核燃料組件、控制棒組件、固體可燃由核燃料組件、控制棒組件、固體可燃毒物組件、阻力塞組件以及中子源組件等組成毒物組件、阻力塞組件以及中子源組件等組成，并，并由上、下柵格板及堆芯圍板包圍起來后，依靠吊籃由上、下柵格板及堆芯圍板包圍起來后，依靠吊籃定位于反應(yīng)堆壓力容器的冷卻劑進(jìn)出口管的下方。定位于反應(yīng)堆壓力容器的冷卻劑進(jìn)出口管的下方。 v反應(yīng)堆堆芯反應(yīng)堆堆芯位于壓力容位于壓力容器內(nèi)器內(nèi)低于進(jìn)出口管嘴處低于進(jìn)出口管嘴處，由由157

9、193(相應(yīng)于相應(yīng)于9001200MWe)個(gè)幾個(gè)幾何上和機(jī)械上都完全相何上和機(jī)械上都完全相同的燃料組件構(gòu)成同的燃料組件構(gòu)成(大大亞灣亞灣157個(gè)個(gè))。燃料組件。燃料組件不設(shè)元件盒，冷卻劑可不設(shè)元件盒，冷卻劑可以發(fā)生徑向交混。堆芯以發(fā)生徑向交混。堆芯周圍由圍板束緊，圍板周圍由圍板束緊，圍板固定在吊籃上。吊籃外固定在吊籃上。吊籃外固定著熱屏，用以減少固定著熱屏，用以減少壓力容器可能遭受的中壓力容器可能遭受的中子輻照。子輻照。 v反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)的好壞對核島的安全性、經(jīng)濟(jì)性和的好壞對核島的安全性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性有很大的影響。一般來說，先進(jìn)性有很大的影響。一般來說，它應(yīng)滿足下述基它應(yīng)滿足下

10、述基本要求本要求： 1、堆芯功率分布應(yīng)盡量均勻，以便使堆芯有最大、堆芯功率分布應(yīng)盡量均勻，以便使堆芯有最大的功率輸出；的功率輸出； 2盡量減小堆芯內(nèi)不必要的中子吸收材料，以提盡量減小堆芯內(nèi)不必要的中子吸收材料，以提高中子經(jīng)濟(jì)性；高中子經(jīng)濟(jì)性； 3有最佳的冷卻劑流量分配和最小的流動(dòng)阻力；有最佳的冷卻劑流量分配和最小的流動(dòng)阻力； 4有較長的堆芯壽命，以適當(dāng)減少換料操作次數(shù)；有較長的堆芯壽命，以適當(dāng)減少換料操作次數(shù)； 5堆芯結(jié)構(gòu)緊湊，換料操作簡易方便。堆芯結(jié)構(gòu)緊湊，換料操作簡易方便。v燃料組件燃料組件由由燃料棒、下管座、上管座、控制棒、導(dǎo)燃料棒、下管座、上管座、控制棒、導(dǎo)向管、定位格架、壓緊彈簧等幾

11、個(gè)部件組成向管、定位格架、壓緊彈簧等幾個(gè)部件組成。v元件棒元件棒一般按一般按1414、1515、1717方式排列方式排列成正方形柵格，每個(gè)組件設(shè)有成正方形柵格，每個(gè)組件設(shè)有1624根控制棒根控制棒導(dǎo)向?qū)蚬芄?，燃料組件中心設(shè)有一根堆內(nèi)通量，燃料組件中心設(shè)有一根堆內(nèi)通量測量管測量管。其中。其中約三分之一燃料組件的控制棒導(dǎo)管內(nèi)，布置有控制約三分之一燃料組件的控制棒導(dǎo)管內(nèi)，布置有控制棒組件。控制棒組件可以從上部插入堆芯實(shí)現(xiàn)停堆。棒組件。控制棒組件可以從上部插入堆芯實(shí)現(xiàn)停堆。組件中心的儀表管允許從壓力容器底部將堆內(nèi)通量組件中心的儀表管允許從壓力容器底部將堆內(nèi)通量測量探頭伸入組件內(nèi)任意高度。凡不布置測量

12、探頭伸入組件內(nèi)任意高度。凡不布置控制棒控制棒、可燃毒物棒可燃毒物棒或或中子源棒中子源棒的燃料組件，均有的燃料組件，均有節(jié)流組件節(jié)流組件安插在導(dǎo)管上端以減少冷卻劑旁流。安插在導(dǎo)管上端以減少冷卻劑旁流。v堆芯支承結(jié)構(gòu)堆芯支承結(jié)構(gòu)由上部支承結(jié)構(gòu)和下部支承結(jié)構(gòu)由上部支承結(jié)構(gòu)和下部支承結(jié)構(gòu)(及吊及吊籃籃)組成。吊籃以懸掛方式支撐在壓力容器上部支承組成。吊籃以懸掛方式支撐在壓力容器上部支承凸緣上。吊籃與壓力容器之間形成環(huán)形腔稱為下降凸緣上。吊籃與壓力容器之間形成環(huán)形腔稱為下降段。段。 v冷卻劑流向冷卻劑流向 用作慢化劑兼冷卻劑的水，從進(jìn)口接管流入壓用作慢化劑兼冷卻劑的水，從進(jìn)口接管流入壓力容器，沿吊籃與壓

13、力容器內(nèi)壁之間的環(huán)形通道力容器，沿吊籃與壓力容器內(nèi)壁之間的環(huán)形通道(也也稱下行流道稱下行流道)流向堆芯下腔室，然后轉(zhuǎn)而向上流經(jīng)堆流向堆芯下腔室，然后轉(zhuǎn)而向上流經(jīng)堆芯，加熱后的冷卻劑經(jīng)由上柵格板、上腔室，經(jīng)出芯，加熱后的冷卻劑經(jīng)由上柵格板、上腔室，經(jīng)出口管嘴流出，并由此導(dǎo)入環(huán)路的熱管段，隨后，反口管嘴流出，并由此導(dǎo)入環(huán)路的熱管段，隨后，反應(yīng)堆冷卻劑通過蒸汽發(fā)生器底部半球形封頭上的入應(yīng)堆冷卻劑通過蒸汽發(fā)生器底部半球形封頭上的入口接管進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，流經(jīng)蒸發(fā)段的倒置口接管進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，流經(jīng)蒸發(fā)段的倒置U形管形管后，由底部出口接管離開蒸汽發(fā)生器。蒸汽在蒸汽后，由底部出口接管離開蒸汽發(fā)生器。蒸汽在蒸汽

14、發(fā)生器的二回路殼側(cè)產(chǎn)生。經(jīng)冷卻的水從蒸汽發(fā)生發(fā)生器的二回路殼側(cè)產(chǎn)生。經(jīng)冷卻的水從蒸汽發(fā)生器出來后，流經(jīng)一個(gè)器出來后，流經(jīng)一個(gè)U形過渡管段，到達(dá)位于反應(yīng)形過渡管段，到達(dá)位于反應(yīng)堆冷卻劑泵底部的泵入口接管，泵將反應(yīng)堆冷卻劑堆冷卻劑泵底部的泵入口接管，泵將反應(yīng)堆冷卻劑升壓，以補(bǔ)償系統(tǒng)的壓降。反應(yīng)堆冷卻劑經(jīng)泵的出升壓，以補(bǔ)償系統(tǒng)的壓降。反應(yīng)堆冷卻劑經(jīng)泵的出口接管，進(jìn)入環(huán)路冷管段，由此，反應(yīng)堆冷卻劑流口接管，進(jìn)入環(huán)路冷管段，由此，反應(yīng)堆冷卻劑流回反應(yīng)堆容器，構(gòu)成閉合環(huán)路。回反應(yīng)堆容器，構(gòu)成閉合環(huán)路。 v堆芯冷卻劑流量分配堆芯冷卻劑流量分配： 主要部分用于冷卻主要部分用于冷卻燃料元件，另一部分旁燃料元件，

15、另一部分旁流冷卻控制棒和吊籃以流冷卻控制棒和吊籃以及冷卻上腔室和上封頭，及冷卻上腔室和上封頭，這非常重要，它用于冷這非常重要，它用于冷卻控制棒導(dǎo)管區(qū)和上封卻控制棒導(dǎo)管區(qū)和上封頭，使該處水溫接近冷頭，使該處水溫接近冷卻劑入口溫度，防止上卻劑入口溫度，防止上封頭汽化。封頭汽化。v在典型的燃料管理方案在典型的燃料管理方案(大亞灣大亞灣157個(gè)組件個(gè)組件) 為使堆芯的釋熱比較均勻，初始堆芯采用三種為使堆芯的釋熱比較均勻，初始堆芯采用三種不同富集度的燃料分區(qū)布置。富集度最高的燃料裝不同富集度的燃料分區(qū)布置。富集度最高的燃料裝在堆芯的外圍，稱為在堆芯的外圍，稱為3區(qū)，另外兩種較低富集度的區(qū)，另外兩種較低富

16、集度的燃料以國際象棋棋盤的方式布置在堆芯內(nèi)區(qū)，稱為燃料以國際象棋棋盤的方式布置在堆芯內(nèi)區(qū)，稱為1區(qū)和區(qū)和2區(qū)。各區(qū)所裝燃料的富集度及組件數(shù)如下：區(qū)。各區(qū)所裝燃料的富集度及組件數(shù)如下： 1區(qū)區(qū)：53個(gè)燃料組件，富集度為個(gè)燃料組件，富集度為1.8； 2區(qū)區(qū)：52個(gè)燃料組件，富集度為個(gè)燃料組件，富集度為2.4； 3區(qū)區(qū)：52個(gè)燃料組件，富集度為個(gè)燃料組件，富集度為3.1。 v換料方式換料方式 采用分區(qū)倒料與棋盤式相結(jié)合的換料方式。即每次換料采用分區(qū)倒料與棋盤式相結(jié)合的換料方式。即每次換料時(shí)將三分之一堆芯新燃料組件時(shí)將三分之一堆芯新燃料組件(富集度為富集度為3.2)放在堆芯四周放在堆芯四周(也即外區(qū)也

17、即外區(qū))，將內(nèi)區(qū)燃耗較深的，將內(nèi)區(qū)燃耗較深的(即富集度為即富集度為1.8)三分之一三分之一燃料組件取出，而將外區(qū)的燃料組件燃料組件取出，而將外區(qū)的燃料組件(富集度富集度2.4和和3.1)移向內(nèi)區(qū)。移向內(nèi)區(qū)。 由于倒換到內(nèi)區(qū)的燃料組件已經(jīng)在外區(qū)使用過，縮小了由于倒換到內(nèi)區(qū)的燃料組件已經(jīng)在外區(qū)使用過，縮小了新舊燃料組件之間富集度的差別，因此有較高的燃耗深度和新舊燃料組件之間富集度的差別，因此有較高的燃耗深度和較低的功率峰因子。較低的功率峰因子。 核反應(yīng)堆的這種裝卸料方式構(gòu)成了它所特有的運(yùn)行和控核反應(yīng)堆的這種裝卸料方式構(gòu)成了它所特有的運(yùn)行和控制的復(fù)雜性，在一爐燃料的運(yùn)行周期之初，核燃料所具有的制的復(fù)

18、雜性，在一爐燃料的運(yùn)行周期之初，核燃料所具有的產(chǎn)生裂變反應(yīng)的潛力產(chǎn)生裂變反應(yīng)的潛力(稱為后備反應(yīng)性稱為后備反應(yīng)性)很大，而新堆初始裝很大，而新堆初始裝料的后備反應(yīng)性就更大，必須妥善地加以控制。料的后備反應(yīng)性就更大，必須妥善地加以控制。 v反應(yīng)性控制反應(yīng)性控制：控制棒：控制棒+硼酸硼酸+可燃毒物可燃毒物l 通過在作為慢化劑和冷卻劑為水中加硼酸的方式可通過在作為慢化劑和冷卻劑為水中加硼酸的方式可以控制部分后備反應(yīng)性，在運(yùn)行中還可以通過調(diào)節(jié)以控制部分后備反應(yīng)性，在運(yùn)行中還可以通過調(diào)節(jié)硼濃度來補(bǔ)償反應(yīng)性的慢效應(yīng)變化硼濃度來補(bǔ)償反應(yīng)性的慢效應(yīng)變化l為了補(bǔ)償由于負(fù)荷、溫度變化而引起的反應(yīng)性的較為了補(bǔ)償由于負(fù)荷、溫度變化而引起的反應(yīng)性的較快變化，以及提供反應(yīng)堆的停堆能力，控制棒組件快變化，以及提供反應(yīng)堆的停堆