核反應(yīng)堆的堆芯也稱之為反應(yīng)堆活性區(qū)，由安置在具有一定柵格的堆芯格架中的燃料組件構(gòu)成，燃料組件由制成一定形狀(板、棒、管)的燃料元件通過各種構(gòu)件按一定的柵格布置組裝而成，以滿足物理和熱工水力學(xué)的要求。核裂變只與核燃料元素的核性質(zhì)有關(guān)，與其物理化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，所以核燃料可以以不同的化學(xué)和物理形態(tài)出現(xiàn)，如金屬、氧化物、碳化物、鹽類、固態(tài)、液態(tài)……。燃料元件由核燃料和包殼組成，核燃料U、U或Pu原子核的裂變反應(yīng)在這里發(fā)生。
構(gòu)成
反應(yīng)堆堆體由反應(yīng)堆壓力容器、金屬堆內(nèi)構(gòu)件、石墨和碳磚堆內(nèi)構(gòu)件、由燃料元件組成的球床堆芯、控制棒及其驅(qū)動機構(gòu)、吸收球停堆系統(tǒng)等組成。與堆芯直接相關(guān)的還包括熱氣導(dǎo)管、蒸汽發(fā)生器、氨風(fēng)機、燃料裝卸系統(tǒng)、氦凈化系統(tǒng)等。
反應(yīng)堆堆芯是由陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件砌體構(gòu)成的環(huán)形腔室。環(huán)形球床堆芯腔的等效高度11.60m，保證堆芯等效高度11.00m，外直徑4.00m.內(nèi)直徑2.20m，平衡態(tài)堆芯內(nèi)裝燃料元件球520000個，中心為直徑2.20m的石墨柱區(qū)。采用環(huán)形球床堆芯目的是為了降低事故工況下燃料元件的最高溫度，以提高反應(yīng)堆的熱功率。燃料元件球直徑為60mm，燃料元件通過3根裝料管由堆芯上部裝人堆芯；堆芯錐形底部有3根直徑為500mm的卸料管，用于卸出燃料元件。卸料管的直徑足夠大，可避免燃料元件的“搭橋效應(yīng)”。
陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件分為頂部反射層、側(cè)反射層、底部反射層和中心石墨柱四部分。反射層結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外又分為石墨反射層和含確碳磚結(jié)構(gòu)。石墨反射層結(jié)構(gòu)主要作為活性區(qū)的中子反射層，外層碳磚因其導(dǎo)熱系數(shù)較小，含有熱中子吸收材料硼，因此它具有隔熱和吸收熱中子的作用。整個石墨反射層結(jié)構(gòu)在高度方向由多層石墨塊組成，每層石墨塊在圓周方向又等分成24塊，各石墨塊之間由石墨銷鍵連接，起到定位和減少氦氣漏流的作用，并使石墨砌體形成一個整體結(jié)構(gòu)。側(cè)石墨反射層又分為兩層，均為扇形磚，外層為起支承作用的永久性結(jié)構(gòu)；內(nèi)層為可更換的石墨磚結(jié)構(gòu)。外層石墨磚有48個冷氦氣孔道，直徑為160mm，內(nèi)層石墨磚內(nèi)有24個控制棒導(dǎo)向孔道，直徑為130mm。中心石墨柱也由兩層石墨磚組成，中央是起支承作用的石墨結(jié)構(gòu)，布置了4個氦氣冷卻孔道，孔道直徑為200mm；外圍8塊環(huán)形石墨磚，每塊環(huán)形石墨磚上有3個吸收球停堆系統(tǒng)的孔道，直徑為90mm。頂反射層分兩層，每層由24塊扇形石墨磚組成，在頂反射層內(nèi)有三個均布的供球管。底反射層上部由不規(guī)則的石墨磚組成，下部有熱氣混合室，由堆芯出來溫度不均勻的熱氦氣經(jīng)熱氣混合室的環(huán)道結(jié)構(gòu)混合后再經(jīng)熱氣導(dǎo)管通人再熱器和蒸汽發(fā)生器。整個堆芯陶瓷結(jié)構(gòu)設(shè)置在金屬堆芯殼內(nèi)，堆芯殼支承在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，堆芯殼與壓力容器通過250℃的冷氦氣進(jìn)行冷卻，以保證金屬結(jié)構(gòu)不承受高溫。
堆內(nèi)金屬構(gòu)件由堆芯殼、上支撐環(huán)板、下支撐板、支撐滾珠、壓塊和管件等組成。堆芯殼是一個薄壁型焊接直簡結(jié)構(gòu)，通過24組圓周均勻分布的支撐滾柱組件支撐在壓力容器簡身下部的支撐臺上，允許堆芯與石墨構(gòu)件自由熱膨脹，還可以減低對壓力容器材料的快中子輸照水平。堆芯殼與壓力容器壁之間的環(huán)形間隙充以250攝氏度冷氦氣。堆芯殼上端是一-塊厚度為200mm的上支撐環(huán)板，主要起增加堆芯殼組件頂部剛度和定位壓塊的作用。整個堆芯和陶瓷結(jié)構(gòu)支承在下支撐板上。下支撐板由兩種扇形板組成，將下支撐板分成內(nèi)、外兩個環(huán)，外環(huán)由12個扇形板組成，每塊扇形板由5個支承滾珠支撐；內(nèi)環(huán)由3個扇形板組成。每塊扇形板由3個支撐滾珠支撐。堆內(nèi)金屬構(gòu)件提供合理的設(shè)計使控制棒孔道、吸收球停堆系統(tǒng)管道、燃料元件裝料管、熱氣導(dǎo)管引出管以及堆內(nèi)熱電偶組件等貫穿這些構(gòu)件。燃料元件為全陶瓷型包覆顆粒球形燃料元件，直徑為60mm，其中直徑為50mm的球芯為均勻地彌散了燃料包覆顆粒的石墨基體，元件的外區(qū)為5mm厚的不含燃料的石墨球殼。燃料包覆顆粒的核芯為0.5mm的UO小球， U的富集度為9.45%，外面包有三層熱解炭和一層碳化硅，包覆后的顆粒直徑為0.92mm。每個燃料元件的重金屬含量為7g。設(shè)計的平均燃耗為80000MWd/tU，燃料元件通過多次循環(huán)使乏燃料元件達(dá)到的燃耗比較均勻。
物理特性
從反應(yīng)堆物理角度看，球床式高溫氣冷堆具有如下特點：用石墨作為結(jié)構(gòu)材料、反射層和慢化劑，石墨慢化比高，中子吸收截面小；用包覆顆粒形式的低富集度燃料元件，燃科顆粒近似均勻地分散在石墨中，堆芯采用氦氣作為冷卻劑，它對中子近乎透明，堆芯平均工作溫度較高，堆芯連續(xù)地裝載新元件與卸出乏燃料元件。同時部分燃耗的燃料元件還將通過堆芯若干次，燃料球隨機地堆積在堆芯，不需要過剩反應(yīng)性來補償燃耗，僅需補償負(fù)荷變化下的毒，能達(dá)到較高的平均卸料燃耗。因此，高溫、氦冷卻劑，石墨慢化及包覆顆粒燃料四個特點使高溫氣冷堆在物理上具有許多獨特之處。
直徑在1mm左右的包覆顆粒燃料彌散在石墨基體中，從反應(yīng)堆物理觀點來看是一種準(zhǔn)均勻分布。熱中子的自屏因子非常接近1，燃料及轉(zhuǎn)化材料的共振積分，比大多數(shù)熱中子堆大2~3倍。因此，熱中子的非均勻效應(yīng)不如其他反應(yīng)堆明顯，燃料的利用更為有效。包覆顆粒結(jié)構(gòu)在高溫下阻滯和包容裂變產(chǎn)物的性能很好，可以達(dá)到很高的溫度，保證安全性、同時可以達(dá)到高的燃耗。燃耗深，裂變產(chǎn)物濃度高，這也是高溫氣冷堆的一個重要特點。
石墨作為慢化劑，功率密度較小，石墨的慢化能力較差。但石墨的中子吸收截面小。所以，慢化劑對燃料的原子數(shù)密度比(簡稱碳鈾比)可以比輕水堆相應(yīng)的值高很多，而不會造成慢化劑對中子的過多吸收。由于碳鈾比可設(shè)計得高，臨界裝量就小(碳鈾比過高時，石墨吸收及臨界裝量也會變大)，雖功率密度較低，但燃料比功率(即單位重量的重金屬發(fā)出的功率)仍然很高。特別是燃料的準(zhǔn)均勻分布，使得它的傳熱面積比較大，因而也允許它的比功率可設(shè)計得很高。對于，總功率確定的反應(yīng)堆，比功率設(shè)計得高，燃料初裝量就小，初始投資也就小。
高溫氣冷堆慢化劑及冷卻劑的中子吸收小，也沒有金屬包殼的寄生俘獲，因而“中子經(jīng)濟”性比較好，可以得到較高的轉(zhuǎn)化比。尤其可以選針作為轉(zhuǎn)化材料，充分利用32U在熱譜上的高η值。熱中子堆的比功率一般比快堆大得多。所以一旦實現(xiàn)增殖，盡管增殖比BR剛超過1不多，但也是具有相當(dāng)?shù)母偁幜Φ模辽倏梢宰鳛榭熘凶釉鲋扯训难a充手段。因此，熱增殖堆是利用Th資源的最好途徑，而快堆適于采用 U- Pu循環(huán)。同時，在追求固有安全性的目標(biāo)下，為了保證在事故后，不采用堆芯強迫冷卻的措施，就可以把堆芯衰變余熱通過熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式傳到堆芯外，模塊式高溫氣冷堆普遍采用瘦長堆芯，甚至環(huán)形堆芯，這種堆芯形式從中子經(jīng)濟學(xué)的角度是不經(jīng)濟的，但從安全角度是有利的、必要的。
反應(yīng)性計算
堆芯反應(yīng)性計算由求解中子擴散方程的細(xì)網(wǎng)有限差分程序CITATION來實現(xiàn)。能群為4群，采用二維(r, x)幾何。燃料元件在堆芯活性區(qū)中按劃分的曲線網(wǎng)格計算和流動，按層、batch 來劃分；而CITATION差分計算，使用的是矩形網(wǎng)格。在VSOP和CITATION之間將進(jìn)行截面、通量等在不同的空間網(wǎng)格上的轉(zhuǎn)換。將vsop得到的宏觀截面將轉(zhuǎn)換成CITATION的形式，CITATION得到中子注量率，再轉(zhuǎn)換到VSOP各層的通量，用于燃耗計算。
燃料
高溫氣冷堆可采用多種燃料循環(huán)方式，尤其球床堆可以很容易的實現(xiàn)不同循環(huán)方式間的過渡，而不必更換堆體結(jié)構(gòu)。這主要是因為包覆顆粒可以適用于各種可裂變?nèi)剂霞稗D(zhuǎn)化材料，其體積，大小、裝置、碳鈾比、鈾比及非均勻性都可以在較大的范圍內(nèi)變化，在其他堆中是沒有這樣大的靈活性的。但是，由于高溫氣冷堆然料在芯部的準(zhǔn)均勻分布，共振吸收一般都比較大，所以必須采用富集鈾(3%以上)。燃料的循環(huán)方式，總括起來可分為二類：閉合燃料循環(huán)和不閉合燃料循環(huán)。前者對燃料作后處理再加工，后者則不進(jìn)行。在不作后處理的情況下，盡量實現(xiàn)深燃耗，以保證卸出后乏燃料在現(xiàn)階段已無任何的經(jīng)濟價值。也可以將高溫氣冷堆的燃料循環(huán)區(qū)分為用釷和不用釷做轉(zhuǎn)化材料兩類。
反應(yīng)堆運行時，隨著燃料的加深、裂變產(chǎn)物的積累，必須及時補給和更換燃料。不同的燃料管理方式對反應(yīng)堆的物理特性具有重大影響。球床堆和棱柱型堆在燃料的更換及補給方式上有很大差別，從而堆芯的通量及功率分布也有很大不同。對于棱柱狀高溫氣冷堆，多采用停堆換料方式，但會降低電廠的利用率。另外，不能經(jīng)常停堆也就不能經(jīng)常換料，這就意昧著必須具備較大的后備反應(yīng)性，這就增大了控制或可燃毒物上的中子吸收損失。在這方面，運行換料能克服這些缺點。但要實現(xiàn)堆芯所有元件的運行換料是困難的，因為極難使每個元件都配有換料孔道。為此實現(xiàn)部分運行換料是一個好辦法。所謂“補給-增殖”系統(tǒng)就是這樣提出來的。在這一概念中，把堆芯分成兩部分，一部分是僅有燃料沒有轉(zhuǎn)化材料的補給元件組成的補給區(qū)，占芯部體積的25%左右，另一部分是轉(zhuǎn)化材料為主的增殖元件組成的增殖區(qū)，占芯部體積的75%左右。增殖區(qū)保持轉(zhuǎn)化系數(shù)CR為1,采用停堆換料方式。因為CR=l，所以消耗的燃料自身得到了補給，它的換料可以設(shè)計得與整個動力廠的總維修同步。增殖區(qū)通常是次臨界的，所以補給區(qū)是必要的。隨著燃料的貧化，補給區(qū)必須不斷換料，這就得采用運行換料方式。在這種系統(tǒng)中，補給元件和增殖元件是分開的，僅對增殖元件加工處理，從中提取新生的核燃料。
對于球床式高溫氣冷堆，采用多次通過的燃料循環(huán)時，一個燃料球要 通過堆芯幾次才能達(dá)到制定的燃耗深度。達(dá)到了最終燃耗值的球由燃耗測量裝置挑選出來，不再循環(huán)使用而以新球代替之。這樣，堆芯內(nèi)各種燃耗深度的球是混合的，所以燃耗分布是相當(dāng)均勻的，這就是多次通過的概念。THTR 300就是采用這種多次通過的方式，每個球通過芯部平均為6次。與多次通過方式相對應(yīng)，還有一次通過(OTTO)的管理方式。這就是將球的流動速度放慢，只通過堆芯一- 次就達(dá)到了最終燃耗值，因而上部只裝人新球，底部卸出的球全部不再返回。這種概念省掉了燃耗測量裝置。由于新的球集中在頂部，而燃耗深的、裂變產(chǎn)物濃度高的球集中在底部，中子通量從堆芯頂?shù)降准眲∠陆担诙研旧喜砍霈F(xiàn)一個高功率密度區(qū)。冷卻劑氦氣從頂部進(jìn)人，其溫度是芯部最低的，這正好保護了高功率密度區(qū)的燃料元件。在棱柱狀高溫氣冷堆中，有時也采用“一次通過”的術(shù)語，但概念是不同的。因為柱狀元件不能連續(xù)流動，它是將柱狀元件堆中不作再循環(huán)的管理方式稱為“一次通過”，而球床堆的“一次通過(OTTO)"是相對于多次通過來說的。對于HTR-PM，采用6次通過的倒料方式。在平均卸料燃耗80000MWd/tU下，每天投、卸燃料元件數(shù)為4908個。投料中，818個是新燃料元件，4090個是再循環(huán)燃料元件；卸料中，燃耗最深的818個燃料元件作為乏燃料卸出堆外，其余4090個燃料元件作為再循環(huán)燃料元件。
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