核反应堆结构

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❖ 反应堆的分类
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❖ 核电厂基本原理
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压水堆结构概述
❖ 核电厂是利用核燃料发生的受控自持链式裂变反应 所释放的能量作为热源发电，而常规电厂则利用化 石燃料(如煤，燃油，天然气等)燃烧所释放的能量
作为热源发电。 ❖ 压水堆核电厂约占世界核电厂的60％多，我国已经
建成的均为压水堆型核电厂，尽管各压水堆核电厂 在设计细节上略有不同，但压水堆核电厂在总体上 已经基本定型，压水堆本体由反应堆压力容器、堆 芯、堆芯支撑结构、控芯是反应堆的核心部分，是放置核燃料，实现持 续的受控链式反应，从而成为不断释放出大量能量， 并将核能转化为热能的场所。它相当于常规电厂中 释放出大量热量的锅炉。此外，堆芯又是强放射源， 因此，堆芯结构设计是反应堆本体结构设计中最重 要的环节之一。
❖ 压水堆堆芯由核燃料组件、控制棒组件、固体可燃 毒物组件、阻力塞组件以及中子源组件等组成，并 由上、下栅格板及堆芯围板包围起来后，依靠吊篮 定位于反应堆压力容器的冷却剂进出口管的下方。
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❖ 反应堆压力容器是放置堆芯和堆内构件，防止放射 性外泄的高压设备。它的完整性直接关系到反应堆 的正常运行和使用寿命，而且它在高温、高压、强 辐照的条件下长期工作，它的尺寸大，重量重，加 工制造精度要求高。因此是压水堆的关键设备之一。
❖ 压水堆压力容器布置非常紧凑，运行在很高的压力 下，容器内布置着堆芯和若干其他内部构件。压力 容器带有偶数个(4~8)出入口管嘴，整个容器重量由 出口管嘴下部钢衬与混凝土基座(兼作屏蔽层)支承， 可移动的上封头用螺栓与筒体固定，由两道“O”形 密封圈密封，上封头有几十个贯穿件，用于布置控 制棒驱动机构、堆内热偶出口和排气口。
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❖ 堆芯冷却剂流量分配： 主要部分用于冷却
燃料元件，另一部分旁 流冷却控制棒和吊篮以 及冷却上腔室和上封头， 这非常重要，它用于冷 却控制棒导管区和上封 头，使该处水温接近冷 却剂入口温度，防止上 封头汽化。
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❖ 在典型的燃料管理方案(大亚湾157个组件)
为使堆芯的释热比较均匀，初始堆芯采用三种 不同富集度的燃料分区布置。富集度最高的燃料装 在堆芯的外围，称为3区，另外两种较低富集度的 燃料以国际象棋棋盘的方式布置在堆芯内区，称为 1区和2区。各区所装燃料的富集度及组件数如下： 1区：53个燃料组件，富集度为1.8％； 2区：52个燃料组件，富集度为2.4％； 3区：52个燃料组件，富集度为3.1％。
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❖ 反应堆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，它应满足下述基 本要求： 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．尽量减小堆芯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，换料操作简易方便。
❖ 堆芯支承结构由上部支承结构和下部支承结构(及吊篮)组成。 吊篮以悬挂方式支撑在压力容器上部支承凸缘上。吊篮与压 力容器之间形成环形腔称为下降段。
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❖ 冷却剂流向 用作慢化剂兼冷却剂的水，从进口接管流入压
力容器，沿吊篮与压力容器内壁之间的环形通道(也 称下行流道)流向堆芯下腔室，然后转而向上流经堆 芯，加热后的冷却剂经由上栅格板、上腔室，经出 口管嘴流出，并由此导入环路的热管段，随后，反 应堆冷却剂通过蒸汽发生器底部半球形封头上的入 口接管进入蒸汽发生器，流经蒸发段的倒置U形管 后，由底部出口接管离开蒸汽发生器。蒸汽在蒸汽 发生器的二回路壳侧产生。经冷却的水从蒸汽发生 器出来后，流经一个U形过渡管段，到达位于反应 堆冷却剂泵底部的泵入口接管，泵将反应堆冷却剂 升压，以补偿系统的压降。反应堆冷却剂经泵的出 口接管，进入环路冷管段，由此，反应堆冷却剂流 回反应堆容器，构成闭合环路。
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3、可转换核素：由于能量大于1MeV以上的中 子能够引起铀-238，钍-232转化，所以称这两种核 素为可裂变核素。铀-238，钍-232可分别转化为钚239及铀-233所以又将它们称为可转化核素。
4、一次核燃料和二次再生核燃料：在三种易裂 变核素中，由于铀-235是存在于天然矿物中的，所 以叫一次核燃料。而铀-233和钚-239是用人工方法 制造两得到的，所以又称为二次再生核燃料。
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❖ 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。
❖ 元件棒一般按14×14、15×15、17×17方式排列成正方形 栅格，每个组件设有16~24根控制棒导向管，燃料组件中心 设有一根堆内通量测量管。其中约三分之一燃料组件的控制 棒导管内，布置有控制棒组件。控制棒组件可以从上部插入 堆芯实现停堆。组件中心的仪表管允许从压力容器底部将堆 内通量测量探头伸入组件内任意高度。凡不布置控制棒、可 燃毒物棒或中子源棒的燃料组件，均有节流组件安插在导管 上端以减少冷却剂旁流。
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❖ 反应堆堆芯位于压力容 器内低于进出口管嘴处， 由157~193(相应于 900~1200MWe)个几 何上和机械上都完全相 同的燃料组件构成(大 亚湾157个)。燃料组件 不设元件盒，冷却剂可 以发生径向交混。堆芯 周围由围板束紧，围板 固定在吊篮上。吊篮外 固定着热屏，用以减少 压力容器可能遭受的中 子辐照。
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❖ 二、链式裂变反应
当中子与裂变物质作用而发生核裂变反应时，裂变物质 的原子核通常分裂为两个中等质量数的核(称为裂变碎片)。 与此同时，还将平均地产生两个以上的新的裂变中子，并释 放出蕴藏在原子核内部的核能。在适当的条件下，这些裂变 中子又会引起周围其他裂变同位素的裂变，如此不断继续下 去，这种反应过程称为链式裂变反应。
核反应堆结构
哈尔滨工程大学
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核反应堆与核电厂基本原理
❖ 反应堆的基本工作原理
一、一些关于核燃料的基本定义：
1、核燃料：在反应堆中使用的裂变物质及可转 换物质称为核燃料。核燃料中必须是：①含有铀235、铀-233、钚-239三种易裂变核素中的一种或二 种；②能够产生裂变并释放裂变能。
2、易裂变核素：任何能量的中子都能引起核裂 变的核素称为易裂变核素，如铀-235、铀-233，钚239三种核素。