反應堆保險裝置

核電站的安全是一個很複雜的問題，每種類型的反應堆都有不同的安全特性。但是總結起來不外乎兩個問題，一是反應堆失控超臨界的時候能否自動限制功率增長，二是堆芯過熱的時候如何保護燃料不外泄。一個通用的反應堆保險裝置就是控制棒：當反應堆超溫、超功率、功率上升過快時，控制棒必須能自動落下，切斷鏈式反應。然後再輔以外部的持續冷卻，一段時間後，就能將反應堆徹底冷卻下來。另外就是反應堆本身的堆型設計問題了，對於沸水堆或者高溫氣冷堆，鏈式反應速率與溫度呈負相關，這也能對反應堆的安全起一定貢獻。

基本介紹

• 中文名：反應堆保險裝置
• 外文名：reactor safety fuses
• 學科：核物理
• 類別：反應堆裝置

反應堆燃料棒的保險裝置

一般說來，反應堆保險裝置會建在反應器的上部，以燃料棒的形式將燃料充分吸收並發生反應，並當燃料的溫度達到熔點溫度時將燃料排出。因此反應堆保險裝置的問題就是如何控制好反應堆燃料棒的問題。下面來說明燃料棒的保險裝置。

第一，燃料芯塊：為燒結形成的二氧化鈾，大致長這個樣子：高13mm，直徑大致8mm的正圓柱體；由於核反應的裂變、衰變主要（或者說全部）是在芯塊內進行的，所以燒結的二氧化鈾結構具有容納、蒐集這些放射性產物的作用，也因此被認為是第一層保護；此外，核反應在經行過程中會產生裂變氣體以及本身原子核數目的增多會使得燃料芯塊發生腫脹和密實化現象，因此在燒結過程中會加入制孔劑來容納這部分氣體和減輕密實化現象；在兩端採用淺碟形加倒角的結構，這是因為燃料內部存在溫度梯度，導致膨脹不均——內部膨脹較多，而外部膨脹較少，採用淺碟形結構可以補償中心處較大的膨脹量；如圖所示為AP600中所使用的燃料芯模型。

第二，多個芯塊堆疊形成一個長近4m的燃料棒——燃料棒外殼（包殼）採用鋯合金冷拉製成：

具體的壁厚考慮兩點：1.在整個壽期內吸氫量不得超過容許值；2.包殼的腐蝕量不得大到破壞包殼材料的完整程度；此外，考慮到其他安全裕量以及水力震動引起的撓曲，熱應力等決定最終的壁厚；在燃料芯塊與包殼之間有一層氣隙，一般充填3Mpa的氦氣，一來用於補償芯塊的熱膨脹與腫脹；二來用以平衡包殼管的內外壓差（反應堆內的運行壓力一般是15Mpa），防止包殼管形變和改善燃料芯塊到包殼之間的導熱，同時可以容納一部分裂變氣體；在壽期終了時，包殼管內的氦氣加上裂變氣體同外面的冷卻劑壓力大致相當；此外，為了限制芯塊在燃料元件內的晃動，一般在軸向空腔中裝入壓緊彈簧。

第三，多個燃料棒組成一個17×17的燃料組件：（星形架下方夾的是控制棒，控制棒插進燃料組件當中，根據需要可以使控制棒脫開或者下插）在長度方向一般採用八層格架夾住用於定位；對於每一層格架，一邊採用彈簧片施力，另一邊採用剛性凸起，二者共同作用將燃料棒定位於中心位置；對於高通量區的燃料組件，會在每層格架上採用攪混翼片用於改善換熱；在一個17×17的組件中，一般有24個柵元為控制棒的插入與提出提供導向作用；控制棒組件的數目能夠保證：在緊急停堆時如果有一組反應性當量最高（最頂事兒的）的組件不能動作亦能安全停堆（卡棒準則），而在電站運行時能按適當的功率分布控制反應堆；在燃料組件中心位置上布置通量測量管來對堆內活動進行實時的監控。

反應堆保險裝置總結

1.每個燃料棒外面有錫鋯合金的保護殼，為第一層保護；

2.反應堆中有控制棒，可以完全切斷鏈式反應；

3.整個反應堆在一個鋼製的保護殼內，為第二層保護；

4.每個機組又還有一個鋼筋混凝土內襯鋼板的保護罩內，為第三層防護；

5.最外面是廠房建築，保護作用較小。