秦山核电站反应堆压力容器及堆内构件(1)
日期：2010-9-26 9:40:40 点击：
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作者： 未知
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一、作用及设计考虑
压力容器及其顶盖整体有三个基本作用：
1.作为包容反应堆堆芯的容器，起着固定和支撑堆内构件的作用，保证燃料组件按一定的间距在堆芯内的支撑与定位。
2.作为反应堆冷却剂系统的一部分，起着承受一回路冷却剂与外部压差的压力边界的作用。
3.考虑到中子的外逸，起到对人员的生物防护的作用。
反应堆压力容器按照提供包容反应堆堆芯、上部堆内构件及下部堆内构件所要求的容积设计，考虑到核电厂的寿期为40年，以及运行时冷却剂的循环流动，水对设备的腐蚀，设备的耐蚀性能与金属的老化，要选用具有高机械强度和在强中子辐照下不易脆化的材料。
二、设备描述
反应堆压力容器是一个圆柱型容器，它的底部是焊接的半球形底封头，上部为一个可拆的、用法兰连接和装密封环的半球形上封头，容器有两个进口接管和两个出口接管分别与反应堆各个冷却剂环路的冷段和热段连接。这些接管位于恰好低于反应堆压力容器法兰但高于堆芯顶部的一个水平面上。另外，还有两个中压安注的入口接管。
冷却剂通过进口接管进入压力容器，并且向下流过堆芯吊篮和容器壁之间的环形空间，在底部转向，朝上流过堆芯到出口接管。
反应堆压力容器法兰和上封头用两道金属密封环密封，密封泄露借助内环与外环之间的一根引漏接管检测。
压力容器包容堆芯、控制棒组件与堆芯及冷却剂循环通道直接相关的所有部件。
堆芯内产生的热功率传给反应堆冷却剂并传送到反应堆压力容器外部。
1.压力容器
压力容器筒体段由几部分构成：一个锻造法兰，在它上部开有56个螺栓孔用来安装压紧螺栓；一个带有六个冷却剂进、出口管嘴的锻造环状缎；另外两个锻造环状段；一个半球形下封头，封头底部开有作为堆内测量通道的42个孔。
压力容器顶盖段，由带螺孔的锻造法兰和球形拱顶组成。顶盖上有一个排气管，它的作用是在冷却剂系统充水时排出压力容器顶部的空气；在球形拱顶上有38个孔，以供控制棒组件和仪表导向管通过。
压力容器筒体段重266吨，顶盖段重57吨。图3是压力容器的构成图，图4是压力容器断面图。
压力容器筒体段与压力容器顶盖间放有两个O型密封环，由56个螺栓来固定，保证密封。压力容器本体的材料是低合金碳钢，为了防止腐蚀，压力容器与反应堆冷却剂水接触的内表面有厚度为6mm厚的奥氏体不锈钢覆盖。为了使压力容器满足其机械特性，制造时必须进行多次热处理。
压力容器接合面外侧有个法兰，当更换燃料时，它能使一个环形板就位，起到对堆坑的密封作用，防止反应堆水池充水时堆坑进水。压力容器内侧下部焊有导向凸缘，使下部堆内构件对中定位。压力容器筒体法兰的水平位置有一个凸台，以悬挂下部堆内构件。
图1-5堆内下部构件
图1-9压力容器泄漏的探测
图1-10冷却剂在反应堆内的循环
图1-11 600MWe压水反应堆纵剖面
图1-12反应堆压力容器的支撑
表1-3反应堆压力容器主要参数
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一、作用及设计考虑
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压力容器及其顶盖整体有三个基本作用：
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1.作为包容反应堆堆芯的容器，起着固定和支撑堆内构件的作用，保证燃料组件按一定的间距在堆芯内的支撑与定位。
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2.作为反应堆冷却剂系统的一部分，起着承受一回路冷却剂与外部压差的压力边界的作用。
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3.考虑到中子的外逸，起到对人员的生物防护的作用。
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反应堆压力容器按照提供包容反应堆堆芯、上部堆内构件及下部堆内构件所要求的容积设计，考虑到核电厂的寿期为40年，以及运行时冷却剂的循环流动，水对设备的腐蚀，设备的耐蚀性能与金属的老化，要选用具有高机械强度和在强中子辐照下不易脆化的材料。
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二、设备描述
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反应堆压力容器是一个圆柱型容器，它的底部是焊接的半球形底封头，上部为一个可拆的、用法兰连接和装密封环的半球形上封头，容器有两个进口接管和两个出口接管分别与反应堆各个冷却剂环路的冷段和热段连接。这些接管位于恰好低于反应堆压力容器法兰但高于堆芯顶部的一个水平面上。另外，还有两个中压安注的入口接管。
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冷却剂通过进口接管进入压力容器，并且向下流过堆芯吊篮和容器壁之间的环形空间，在底部转向，朝上流过堆芯到出口接管。
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反应堆压力容器法兰和上封头用两道金属密封环密封，密封泄露借助内环与外环之间的一根引漏接管检测。
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压力容器包容堆芯、控制棒组件与堆芯及冷却剂循环通道直接相关的所有部件。
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堆芯内产生的热功率传给反应堆冷却剂并传送到反应堆压力容器外部。
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1.压力容器
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压力容器筒体段由几部分构成：一个锻造法兰，在它上部开有56个螺栓孔用来安装压紧螺栓；一个带有六个冷却剂进、出口管嘴的锻造环状缎；另外两个锻造环状段；一个半球形下封头，封头底部开有作为堆内测量通道的42个孔。
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压力容器顶盖段，由带螺孔的锻造法兰和球形拱顶组成。顶盖上有一个排气管，它的作用是在冷却剂系统充水时排出压力容器顶部的空气；在球形拱顶上有38个孔，以供控制棒组件和仪表导向管通过。
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压力容器筒体段重266吨，顶盖段重57吨。图3是压力容器的构成图，图4是压力容器断面图。
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压力容器筒体段与压力容器顶盖间放有两个O型密封环，由56个螺栓来固定，保证密封。压力容器本体的材料是低合金碳钢，为了防止腐蚀，压力容器与反应堆冷却剂水接触的内表面有厚度为6mm厚的奥氏体不锈钢覆盖。为了使压力容器满足其机械特性，制造时必须进行多次热处理。
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压力容器接合面外侧有个法兰，当更换燃料时，它能使一个环形板就位，起到对堆坑的密封作用，防止反应堆水池充水时堆坑进水。压力容器内侧下部焊有导向凸缘，使下部堆内构件对中定位。压力容器筒体法兰的水平位置有一个凸台，以悬挂下部堆内构件。
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图1-5堆内下部构件
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2.下部堆内构件
下部堆内构件可分为六部分（图1-5）
（1）堆芯吊蓝和堆芯支撑板
堆芯吊蓝是一个金属圆筒，高8.17m,通过上部的凸肩悬挂在压力容器内的凸肩上（在接合面的位置）。它有两条冷却剂出水管接头。
堆芯支撑板被焊接在堆芯吊蓝的下部，堆芯的重量由几根支撑柱传递到支撑板上。这块约380mm厚的支撑板开有许多孔，供堆内测量仪表的导向管和水通过。
在堆芯吊蓝的下部，四个径向导向装置与压力容器上的导向装置相对应，它们允许在轴向和径向产生不均匀膨胀。
（2）堆芯下栅格板
燃料组件直接装在堆芯下栅格板上。为了固定燃料组件的位置，下栅格板有对中定位销插入燃料组件的脚板（每个组件有两个定位销）。下栅格板上相对于每个燃料组件钻冷却剂通道孔。
置于下栅格板上的燃料组件的重量通过支撑柱传递给堆芯支撑板，堆芯吊蓝通过压力容器的凸肩传递给压力容器。
（3）堆芯围板
这是一组垂直平板，包着堆芯外廓，它的作用是减少冷却剂的旁流量。这些围板跟固定在堆芯吊蓝上的辐板（水平板）连接在一起。
（4）热屏
它在压力容器和堆芯吊蓝之间，防止堆芯对压力容器直接辐射。
在一些电厂的反应堆中，热屏是一个约68mm厚的圆筒，这个金属圆筒牢牢地固定堆芯吊蓝的上部。在现代压水反应堆中，热屏仅是由在中子密度最高区的四个扇形区所组成，每个扇形区由两块加工成带斜角的板组成，留有空隙，可以在纵向自由伸展，两块板均被固定在吊蓝筒体上。秦山二期的热屏数为4个（即4个扇形区），热屏厚度为70mm。
（5）二次支撑组件
二次支撑组件由二次支撑板和悬挂在堆芯支撑板下面的支柱组成。最底部的板紧贴于压力容器下部封头。整个组件的作用是：一旦在堆芯吊蓝破裂时，能够限制堆芯移位，使控制棒能够插入。
在每年进行的换料期间，下部堆内构件仍留在原位。
3.堆芯
堆芯由121个燃料组件组成。每个组件内含有呈1717方形排列的264根燃料棒，它们由堆芯下栅格板和堆芯上栅格板定位，另有24个可放置控制棒、可燃毒物棒或中子源的导向管和1个仪表导向管。每根燃料棒由烧结的二氧化铀（UO2）芯块装在锆（Zr-4）合金包壳内组成（图1-7）。121个燃料组件按铀（U-235）的富集度的不同，分为三个区域，其富集度由里向外增加，最高富集度的组件装在堆芯外围，较低富集度的两种组件按照不完全棋盘格式排列在堆芯内区，以展平堆芯的径向中子通量分布。
堆芯反应性由以下几种方法进行控制：
1）溶解在一回路水中的中子吸收剂（硼酸）；
2）控制棒束
控制棒共有33束，其中，有8束是停堆棒束，反应堆正常运行时提到堆顶，停堆时才从堆顶掉落加大停堆裕度。其它25束是调节棒束，分为A、B、C、D四组，其中D组为主调节棒组，用于调节反应堆功率；每一个控制棒束由24根控制棒组成。控制棒的材料为Ag-In-Cd合金。
3）燃毒物棒束
这些棒束的外形与控制棒的外形相似，采用硅硼酸盐玻璃为吸收体，内外包壳为304不绣钢，秦山二期在第一循环时堆芯装入704根可燃毒物棒，用于补偿部分剩余反应性；在第一循环末期时取出。（可燃毒物棒只用于第一循环）。
此外，有四个棒束组件中含有中子源，其中两个，每个包含一个初级中子源（Cf-252锎源）及一个次级中子源（Sb-Be锑-铍源）。另两个，每个包含4个次级中子源。
两个包含初级中子源的棒束在第一次换料时取出，同时以阻力塞组件代替。没有控制棒束的组件中，控制棒导向管用阻力塞组件塞住。
图1-6堆芯横向截面图
共分为三区组件数第一次装载的富集度
第一区411.9%
第二区402.6%
第三区403.1%
换料时装入新燃料组件的富集度：3.25%
图1-7 1717压水堆燃料组件及其控制棒
图1-8上部堆内构件
4.上部堆内构件（图1-8）
（1）上栅格板
它直接紧接在燃料组上，避免燃料组件向上冲。就象堆芯下栅格板一样，它有许多对中定位销用来销住燃料组件的上管座。上栅格板带有许多孔能让冷却剂从堆芯出口流出。
（2）导向管支撑板
这块板用焊接加强筋加固。它带有导向管和4根热电偶出口套管，通过压力容器顶盖和压紧弹簧来固定。他对堆芯吊蓝起固定作用。除了导向管孔以外，它还有些开孔，用于顶盖清洗水的流动。
（3）控制棒导向管
控制棒导向管的上段为四方形，下段是带有空洞的管，起到对控制棒的导向作用。方段部分开有孔洞使冷却剂能够流动。
（4）支撑柱
它是堆芯上栅格板与导向管支撑板的连接柱，在支撑柱上有许多孔洞使冷却剂能够流动。有部分支撑柱装有堆芯出口搅混器。
5.冷却剂在堆内的循环流动
一回路冷却剂在反应堆压力容器内的循环流动如图10所示。
在正常运行情况下，冷却剂从两条进口接管流入，在压力容器内壁与堆芯吊蓝间的环形间隙内下降，到压力容器底部后，通过堆芯支撑板和堆芯下栅格板上升，流经堆芯，带出热量，再经上栅格板后，从两条出口管道排出。一回路水的总流量为48580m3/h。
冷却剂水在压力容器内流动时，有总量为6.5%的旁通泄漏流量。其中，从压力容器内壁和吊蓝环形空间直接流出出口接管的流量大约有1%，通过堆芯围板和吊篮间的旁流流量大约0.5%，围板和堆芯外围燃料组件间空隙中的旁流为0.5%，有2.5%的冷却剂水用于清洗压力容器顶盖内表面，这部分水流是通过导向管支撑板上的顶盖清洗水孔而进入的。另有2.0%的流量从控制棒导向管，仪表管等的旁流。
一回路水对堆芯产生很大的冲力，水流在流过反应堆堆芯时会有压降，可分为与燃料棒和燃料组件格架摩擦的压头损失，水流改变流向和通过堆芯多层隔板时产生的局部压头损失两类。在堆芯内的压头损失约为1.5bar,在压力容器内的总压头损失约为3bar。
6.压力容器泄漏的探测
压力容器的密封是由压力容器顶盖与筒体之间的两个金属密封环被压紧后来保证的。在一回路冷却或加热的瞬态过程中，允许产生低于20l/h的泄漏，但在达到稳定工况时，泄漏既应终止。在压力正常情况下，密封处应没有任何泄漏。
两个泄漏回收连接管能够收集和探测压力容器的泄漏（图1-9）。1号连接管连接内密封环与外密封环之间，2号连接管连接外密封环与压力容器外表面之间。主要用温度测量来探测有无冷却剂外泄。在压力容器内部，水温约为327℃，压力容器外为环境温度，如果压力容器内有水的泄漏，温度测量传感器RCP001MT就会记录到一个高于环境的温度，与被测温度成正比的信号将在控制室的自动记录仪上有所显示；同时，泄漏水流入一个与透明水位管相连接的容器中，可用目视方法监督水位的变化。有泄漏情况下，将出现的泄漏排放到核岛排气及疏水系统(RPE)，关闭016VP，使1号连接管隔离。
压力容器外密封环的有无泄漏，只有在瞬态工况下以目视监督，根据有无水蒸气的泄漏或硼的沉积等现象而加以判断。（主编陈建新）
图1-11为600MWe压水堆纵剖面，图1-12示出反应堆压力容器的支撑情况。
表3为秦山二期核电厂压力容器主要参数。
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下部堆内构件可分为六部分（图1-5）
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（1）堆芯吊蓝和堆芯支撑板
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堆芯吊蓝是一个金属圆筒，高8.17m,通过上部的凸肩悬挂在压力容器内的凸肩上（在接合面的位置）。它有两条冷却剂出水管接头。
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堆芯支撑板被焊接在堆芯吊蓝的下部，堆芯的重量由几根支撑柱传递到支撑板上。这块约380mm厚的支撑板开有许多孔，供堆内测量仪表的导向管和水通过。
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在堆芯吊蓝的下部，四个径向导向装置与压力容器上的导向装置相对应，它们允许在轴向和径向产生不均匀膨胀。
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（2）堆芯下栅格板
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燃料组件直接装在堆芯下栅格板上。为了固定燃料组件的位置，下栅格板有对中定位销插入燃料组件的脚板（每个组件有两个定位销）。下栅格板上相对于每个燃料组件钻冷却剂通道孔。
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置于下栅格板上的燃料组件的重量通过支撑柱传递给堆芯支撑板，堆芯吊蓝通过压力容器的凸肩传递给压力容器。
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（3）堆芯围板
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（4）热屏
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（5）二次支撑组件
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3.堆芯
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堆芯由121个燃料组件组成。每个组件内含有呈1717方形排列的264根燃料棒，它们由堆芯下栅格板和堆芯上栅格板定位，另有24个可放置控制棒、可燃毒物棒或中子源的导向管和1个仪表导向管。每根燃料棒由烧结的二氧化铀（UO2）芯块装在锆（Zr-4）合金包壳内组成（图1-7）。121个燃料组件按铀（U-235）的富集度的不同，分为三个区域，其富集度由里向外增加，最高富集度的组件装在堆芯外围，较低富集度的两种组件按照不完全棋盘格式排列在堆芯内区，以展平堆芯的径向中子通量分布。
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1）溶解在一回路水中的中子吸收剂（硼酸）；
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2）控制棒束
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控制棒共有33束，其中，有8束是停堆棒束，反应堆正常运行时提到堆顶，停堆时才从堆顶掉落加大停堆裕度。其它25束是调节棒束，分为A、B、C、D四组，其中D组为主调节棒组，用于调节反应堆功率；每一个控制棒束由24根控制棒组成。控制棒的材料为Ag-In-Cd合金。
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3）燃毒物棒束
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这些棒束的外形与控制棒的外形相似，采用硅硼酸盐玻璃为吸收体，内外包壳为304不绣钢，秦山二期在第一循环时堆芯装入704根可燃毒物棒，用于补偿部分剩余反应性；在第一循环末期时取出。（可燃毒物棒只用于第一循环）。
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此外，有四个棒束组件中含有中子源，其中两个，每个包含一个初级中子源（Cf-252锎源）及一个次级中子源（Sb-Be锑-铍源）。另两个，每个包含4个次级中子源。
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两个包含初级中子源的棒束在第一次换料时取出，同时以阻力塞组件代替。没有控制棒束的组件中，控制棒导向管用阻力塞组件塞住。
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图1-8上部堆内构件
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4.上部堆内构件（图1-8）
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（1）上栅格板
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它直接紧接在燃料组上，避免燃料组件向上冲。就象堆芯下栅格板一样，它有许多对中定位销用来销住燃料组件的上管座。上栅格板带有许多孔能让冷却剂从堆芯出口流出。
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（2）导向管支撑板
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这块板用焊接加强筋加固。它带有导向管和4根热电偶出口套管，通过压力容器顶盖和压紧弹簧来固定。他对堆芯吊蓝起固定作用。除了导向管孔以外，它还有些开孔，用于顶盖清洗水的流动。
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（3）控制棒导向管
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控制棒导向管的上段为四方形，下段是带有空洞的管，起到对控制棒的导向作用。方段部分开有孔洞使冷却剂能够流动。
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（4）支撑柱
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它是堆芯上栅格板与导向管支撑板的连接柱，在支撑柱上有许多孔洞使冷却剂能够流动。有部分支撑柱装有堆芯出口搅混器。
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5.冷却剂在堆内的循环流动
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一回路冷却剂在反应堆压力容器内的循环流动如图10所示。
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在正常运行情况下，冷却剂从两条进口接管流入，在压力容器内壁与堆芯吊蓝间的环形间隙内下降，到压力容器底部后，通过堆芯支撑板和堆芯下栅格板上升，流经堆芯，带出热量，再经上栅格板后，从两条出口管道排出。一回路水的总流量为48580m3/h。
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冷却剂水在压力容器内流动时，有总量为6.5%的旁通泄漏流量。其中，从压力容器内壁和吊蓝环形空间直接流出出口接管的流量大约有1%，通过堆芯围板和吊篮间的旁流流量大约0.5%，围板和堆芯外围燃料组件间空隙中的旁流为0.5%，有2.5%的冷却剂水用于清洗压力容器顶盖内表面，这部分水流是通过导向管支撑板上的顶盖清洗水孔而进入的。另有2.0%的流量从控制棒导向管，仪表管等的旁流。
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一回路水对堆芯产生很大的冲力，水流在流过反应堆堆芯时会有压降，可分为与燃料棒和燃料组件格架摩擦的压头损失，水流改变流向和通过堆芯多层隔板时产生的局部压头损失两类。在堆芯内的压头损失约为1.5bar,在压力容器内的总压头损失约为3bar。
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6.压力容器泄漏的探测
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压力容器的密封是由压力容器顶盖与筒体之间的两个金属密封环被压紧后来保证的。在一回路冷却或加热的瞬态过程中，允许产生低于20l/h的泄漏，但在达到稳定工况时，泄漏既应终止。在压力正常情况下，密封处应没有任何泄漏。
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两个泄漏回收连接管能够收集和探测压力容器的泄漏（图1-9）。1号连接管连接内密封环与外密封环之间，2号连接管连接外密封环与压力容器外表面之间。主要用温度测量来探测有无冷却剂外泄。在压力容器内部，水温约为327℃，压力容器外为环境温度，如果压力容器内有水的泄漏，温度测量传感器RCP001MT就会记录到一个高于环境的温度，与被测温度成正比的信号将在控制室的自动记录仪上有所显示；同时，泄漏水流入一个与透明水位管相连接的容器中，可用目视方法监督水位的变化。有泄漏情况下，将出现的泄漏排放到核岛排气及疏水系统(RPE)，关闭016VP，使1号连接管隔离。
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压力容器外密封环的有无泄漏，只有在瞬态工况下以目视监督，根据有无水蒸气的泄漏或硼的沉积等现象而加以判断。（主编陈建新）
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图1-11为600MWe压水堆纵剖面，图1-12示出反应堆压力容器的支撑情况。
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表3为秦山二期核电厂压力容器主要参数。
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图1-9压力容器泄漏的探测
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图1-10冷却剂在反应堆内的循环
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图1-11 600MWe压水反应堆纵剖面
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图1-12反应堆压力容器的支撑
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表1-3反应堆压力容器主要参数
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