[科普中国]-反应堆保险装置

核电站的安全是一个很复杂的问题，每种类型的反应堆都有不同的安全特性。1但是总结起来不外乎两个问题，一是反应堆失控超临界的时候能否自动限制功率增长，二是堆芯过热的时候如何保护燃料不外泄。一个通用的反应堆保险装置就是控制棒：当反应堆超温、超功率、功率上升过快时，控制棒必须能自动落下，切断链式反应。然后再辅以外部的持续冷却，一段时间后，就能将反应堆彻底冷却下来。另外就是反应堆本身的堆型设计问题了，对于沸水堆或者高温气冷堆，链式反应速率与温度呈负相关，这也能对反应堆的安全起一定贡献。2

反应堆燃料棒的保险装置一般说来，反应堆保险装置会建在反应器的上部，以燃料棒的形式将燃料充分吸收并发生反应，并当燃料的温度达到熔点温度时将燃料排出。因此反应堆保险装置的问题就是如何控制好反应堆燃料棒的问题。下面来说明燃料棒的保险装置。

第一，燃料芯块：为烧结形成的二氧化铀，大致长这个样子：高13mm，直径大致8mm的正圆柱体；由于核反应的裂变、衰变主要（或者说全部）是在芯块内进行的，所以烧结的二氧化铀结构具有容纳、搜集这些放射性产物的作用，也因此被认为是第一层保护；此外，核反应在经行过程中会产生裂变气体以及本身原子核数目的增多会使得燃料芯块发生肿胀和密实化现象，因此在烧结过程中会加入制孔剂来容纳这部分气体和减轻密实化现象；在两端采用浅碟形加倒角的结构，这是因为燃料内部存在温度梯度，导致膨胀不均——内部膨胀较多，而外部膨胀较少，采用浅碟形结构可以补偿中心处较大的膨胀量；如图所示为AP600中所使用的燃料芯模型。

第二，多个芯块堆叠形成一个长近4m的燃料棒——燃料棒外壳（包壳）采用锆合金冷拉制成：

具体的壁厚考虑两点：1.在整个寿期内吸氢量不得超过容许值；2.包壳的腐蚀量不得大到破坏包壳材料的完整程度；此外，考虑到其他安全裕量以及水力震动引起的挠曲，热应力等决定最终的壁厚；在燃料芯块与包壳之间有一层气隙，一般充填3Mpa的氦气，一来用于补偿芯块的热膨胀与肿胀；二来用以平衡包壳管的内外压差（反应堆内的运行压力一般是15Mpa），防止包壳管形变和改善燃料芯块到包壳之间的导热，同时可以容纳一部分裂变气体；在寿期终了时，包壳管内的氦气加上裂变气体同外面的冷却剂压力大致相当；此外，为了限制芯块在燃料元件内的晃动，一般在轴向空腔中装入压紧弹簧。

第三，多个燃料棒组成一个17×17的燃料组件：（星形架下方夹的是控制棒，控制棒插进燃料组件当中，根据需要可以使控制棒脱开或者下插）在长度方向一般采用八层格架夹住用于定位；对于每一层格架，一边采用弹簧片施力，另一边采用刚性凸起，二者共同作用将燃料棒定位于中心位置；对于高通量区的燃料组件，会在每层格架上采用搅混翼片用于改善换热；在一个17×17的组件中，一般有24个栅元为控制棒的插入与提出提供导向作用；控制棒组件的数目能够保证：在紧急停堆时如果有一组反应性当量最高（最顶事儿的）的组件不能动作亦能安全停堆（卡棒准则），而在电站运行时能按适当的功率分布控制反应堆；在燃料组件中心位置上布置通量测量管来对堆内活动进行实时的监控。3

反应堆保险装置总结1.每个燃料棒外面有锡锆合金的保护壳，为第一层保护；

2.反应堆中有控制棒，可以完全切断链式反应；

3.整个反应堆在一个钢制的保护壳内，为第二层保护；

4.每个机组又还有一个钢筋混凝土内衬钢板的保护罩内，为第三层防护；

5.最外面是厂房建筑，保护作用较小。4

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学