《先进核反应堆结构原理》教学课件
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1课程名称:课程名称:核电厂系统与动力设备核电厂系统与动力设备参考教材:参考教材:1.压水堆核电厂的运行压水堆核电厂的运行压水堆核电厂的运行压水堆核电厂的运行朱继洲朱继洲朱继洲朱继洲 编编编编2.2.先进核反应堆结构原理先进核反应堆结构原理先进核反应堆结构原理先进核反应堆结构原理讲义讲义讲义讲义,2012,2012授课教师:授课教师:2主要讲授内容主要讲授内容第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论第二章第二章第二章第二章 核反应堆与核电厂基本原理核反应堆与核电厂基本原理核反应堆与核电厂基本原理核反应堆与核电厂基本原理第三章第三章第三章第三章 压水堆核电厂反应堆结构压水堆核电厂反应堆结构压水堆核电厂反应堆结构压水堆核电厂反应堆结构第四章第四章第四章第四章 压水堆核电厂一回路系统设备压水堆核电厂一回路系统设备压水堆核电厂一回路系统设备压水堆核电厂一回路系统设备第五章第五章第五章第五章 第三代反应堆第三代反应堆第三代反应堆第三代反应堆AP1000AP1000第六章第六章第六章第六章 沸水堆沸水堆沸水堆沸水堆(BWR)(BWR)第七章第七章第七章第七章 重水堆重水堆重水堆重水堆(CANDU)(CANDU)第八章第八章第八章第八章 高温气冷堆高温气冷堆高温气冷堆高温气冷堆(HTR)(HTR)第九章第九章第九章第九章 快中子增殖堆快中子增殖堆快中子增殖堆快中子增殖堆(FBR)(FBR)第十章第十章第十章第十章 第四代反应堆第四代反应堆第四代反应堆第四代反应堆(Gen IV)(Gen IV)(SCWR,SFR,LFR,(SCWR,SFR,LFR,GFR,VHTR,MSR GFR,VHTR,MSR)3第一章第一章绪 论 4主要内容主要内容世界能源状况及其特点世界能源状况及其特点世界核能的发展状况世界核能的发展状况中国能源状况及特点中国能源状况及特点中国核能发展状况中国核能发展状况 世界夜景地图世界夜景地图能源是国家经济的命脉能源是国家经济的命脉 6世界能源状况及其特点世界能源状况及其特点能源是人类生存和发展的重要资源,关系国计民生并具有重能源是人类生存和发展的重要资源,关系国计民生并具有重要战略意义。要战略意义。一次能源一次能源,自然界中现成存在的,并可直接取得能源。,自然界中现成存在的,并可直接取得能源。二次能源二次能源,由一次能源通过加工,转换成的另外一种形态的能源。,由一次能源通过加工,转换成的另外一种形态的能源。可再生能源可再生能源,在自然界中可以再生并有规律的得到补充的能源。,在自然界中可以再生并有规律的得到补充的能源。不可再生能源不可再生能源,经过千百万年形成,短期内无法得到恢复补充的能源。,经过千百万年形成,短期内无法得到恢复补充的能源。常规能源,新能源常规能源,新能源能量利用转换的一般过程能量利用转换的一般过程风能,水能风能,水能太阳能,地热能,潮汐能,化石燃料化学能(煤,石油,天然气,可太阳能,地热能,潮汐能,化石燃料化学能(煤,石油,天然气,可燃冰),核能燃冰),核能 7三次能源演变:三次能源演变:1818世纪世纪6060年代产业革命:煤替代木柴,年代产业革命:煤替代木柴,1919世纪中叶,世纪中叶,煤占主导地位煤占主导地位;上世纪上世纪2020年代开始,随着石油工业的发展,世界能源从煤炭转向石年代开始,随着石油工业的发展,世界能源从煤炭转向石油和天然气,至油和天然气,至6060年代年代石油天然气占主导地位石油天然气占主导地位;上世纪上世纪7070年代以来的两次能源危机开始动摇了石油的支配地位,世年代以来的两次能源危机开始动摇了石油的支配地位,世纪之交,能源结构正在经历第三次转变:以石油为中心的能源体纪之交,能源结构正在经历第三次转变:以石油为中心的能源体系开始向以煤、核能和其它可再生能源等多种能源结构转变。系开始向以煤、核能和其它可再生能源等多种能源结构转变。8世界能源结构特点世界能源结构特点目前全世界能源总消费量约为目前全世界能源总消费量约为130130亿吨标准煤,亿吨标准煤,化石能化石能源占源占85%85%以上以上,从能源的,从能源的供应结构来看,目前世界供应结构来看,目前世界上消耗的能源主要来自上消耗的能源主要来自煤、煤、石油、天然气石油、天然气资源。资源。美国能源部对世界常规石油产美国能源部对世界常规石油产量高峰值的预测显示:本量高峰值的预测显示:本世纪中叶,石油产量达到世纪中叶,石油产量达到高峰值,然后逐渐下降。高峰值,然后逐渐下降。矿石能源利用率低,而且对生矿石能源利用率低,而且对生态环境造成严重的污染。态环境造成严重的污染。0 0101020203030404050506060707019001900192519251950195019751975200020002025202520502050207520752100210021252125历史历史中中(3,003)低低(2,248)高高(3,896)2%2%需求增长率需求增长率需求增长率需求增长率下降率下降率下降率下降率:R/P=10:R/P=10(高高高高)2047 2047(中中中中)2037 2037(低低低低)2026 2026十十亿亿桶桶/年年n n化石燃料峰值在化石燃料峰值在化石燃料峰值在化石燃料峰值在20302030左右左右左右左右n n20602060年左右可再生能源接近总能源消费量的一半年左右可再生能源接近总能源消费量的一半年左右可再生能源接近总能源消费量的一半年左右可再生能源接近总能源消费量的一半可再生能源可再生能源核核 能能水水 电电天然气天然气石石 油油煤煤 炭炭传统生物传统生物能能B.tce能源发展趋势能源发展趋势 10矿石能源的污染问题矿石能源的污染问题大量有机燃料的消耗给自然生态环境带来了严重污染大量有机燃料的消耗给自然生态环境带来了严重污染。主要的污染物质有主要的污染物质有NONOX X、SOSO2 2、COCO、COCO2 2、有害烟尘、有害烟尘等,这些污染物将对人类造成很大的危害。等,这些污染物将对人类造成很大的危害。百万千瓦级的燃煤电厂每天燃烧百万千瓦级的燃煤电厂每天燃烧8000t8000t优质煤,优质煤,向大气排放出向大气排放出300300多吨有害物质。多吨有害物质。据资料统计表明:火电厂排放的二氧化硫占全国据资料统计表明:火电厂排放的二氧化硫占全国工业污染的工业污染的30%30%以上,到以上,到20152015年该比例将上升年该比例将上升50%50%左右。左右。可持续发展战略:尽量减少污染物的排放总量,保护可持续发展战略:尽量减少污染物的排放总量,保护环境和自然资源,维持人类与环境协调发展。环境和自然资源,维持人类与环境协调发展。全球变暖全球变暖 11发展核能发展核能 是是 正确选择正确选择为了缓解能源矛盾,减少环境污染,保持可持续发展,除了应积极开发太阳能、风能、潮汐能以及生物质能等再生能源外,核能是被公认的唯一现实的可大规模替代常规能源的既清洁又经济的现代能源。核能不仅单位能量大,而且资源丰富铀矿和钍矿资源相当于有机燃料的几十倍。如果进一步实现受控核聚变,就会根本上解决能源供应矛盾。核能在人类生产和生活中的应用的主要形式是核电1942年世界上第一座反应堆在美国建成,从1954年前苏联建成第一座核电厂以来,核能发电得到很大发展。12世界核电发展的几个阶段世界核电发展的几个阶段195419541960 1960 试验阶段试验阶段196119611969 1969 实用化阶段实用化阶段19691969上世纪上世纪7070年代末:大发展阶段年代末:大发展阶段上世纪上世纪8080年代上世纪末:年代上世纪末:低潮阶段低潮阶段 19791979年美国三哩岛(年美国三哩岛(TMITMI)事故)事故 19861986年年 前苏切尔诺贝利事故前苏切尔诺贝利事故 这个阶段,核能仍在持续增长,而且是各种能源中增长速度最快的。同时在法国,日本,韩国,中国等国家,这个阶段仍坚持发展核电。本世纪以来:迎来核能发展的第二个春天福岛核事故福岛核事故2001 第四代核能系统国际论坛2007 全球核能合作伙伴计划(GNEP)13世界各国核电情况世界各国核电情况 数量数量国家国家国家国家机组数机组数机组数机组数总净电负荷总净电负荷总净电负荷总净电负荷MWMW阿根廷阿根廷阿根廷阿根廷2 2935935阿美尼亚阿美尼亚阿美尼亚阿美尼亚1 1375375比利时比利时比利时比利时7 759275927巴西巴西巴西巴西2 218841884保加利亚保加利亚保加利亚保加利亚2 219061906加拿大加拿大加拿大加拿大18181260412604中国中国中国中国16161181611816捷克捷克捷克捷克6 637663766芬兰芬兰芬兰芬兰4 427362736法国法国法国法国58586313063130德国德国德国德国9 91206812068匈牙利匈牙利匈牙利匈牙利4 418891889印度印度印度印度202043914391伊朗伊朗伊朗伊朗1 1915915国家国家机组数机组数总净电负荷总净电负荷MW日本5044215韩国2320671墨西哥21300荷兰1482巴基斯坦3725罗马尼亚21300俄罗斯3323643斯洛伐克41816斯洛文尼亚1688南非21830西班牙87567瑞典109331瑞士53263乌克兰1513107英国179736美国104101465总计总计436370499(数据截止2012年5月1日,数据来源 国际原子能机构IAEA 动力堆信息系统:http:/www.iaea.org/PRIS/)14世界核能发展趋势世界核能发展趋势 核电的技术核电的技术 15我国能源结构特点我国能源结构特点能源结构上能源结构上:以煤为主体,石油和天然气资源不丰富,一:以煤为主体,石油和天然气资源不丰富,一次能源消费占能源消费量的次能源消费占能源消费量的7070,电力能源结构以煤,电力能源结构以煤为为主,煤电占发电总量的主,煤电占发电总量的7777。能源区域分布与工业布局不平衡,能源区域分布与工业布局不平衡,而且相反而且相反。新疆西藏东北东北华北华北西北西北四川四川华中华中华东华东华南华南内蒙解决途径解决途径北煤南运西电东送发展核电2008 年冰冻雪灾年冰冻雪灾 16我国核电发展之路我国核电发展之路发展历程:60年代我国成功爆炸原子弹,年代初,为解决我国能源问题和发展电力工业,开始自行设计建造秦山核电厂和利用外资、引进国外技术设备和管理经验合作建造大亚湾核电厂。经过年的努力,这两座核电厂相继建成并投入商业运营。技术层面:我国已具备300MW核电厂的自主设计和建造的能力,掌握600MW压水堆核电厂的总体设计、1000MW级压水堆核电厂的能力、系统设计和大部分设备的制造能力。已形成了核电建设和自主运营的条件,建成了完整的核燃料循环体系。技术出口:以秦山核电厂为参考电站,我国向巴基斯坦成套出口的恰希玛300MW压水堆商用核电厂,于1993年8月开工,于2000年7月建成并网发电。17我国核电的发展之路我国核电的发展之路 存在的问题存在的问题总装机容量小:目前全世界核电装机容量约占电力工业总装机容量的6,而我国核电装机总容量为全国电力装机容量的2,核电在电力工业中所占比重在世界拥有核电的多个国家和地区中居末位。我国政府已经将我国核电发展方针由“适当发展核电”提升为“要在确保安全的前提下高效发展核电”,到2020年我国核电装机容量达到5700万KW,届时核电装机容量占总装机容量的45。原创技术少:我国核电堆型种类偏多,缺乏相对稳定的长远发展规划。设备自主化和国产化程度低,尚未形成我国自己的标准化、系列化的机组型号,在核电技术研究与开发和自主设计方面与先进核电国家相比还存在较大差距。这种状况有待在今后的发展中逐步予以克服。AP1000 CNP1000 ACP1000,CPR1000,ACPR1000,华龙一号 18中国已运行的核电厂中国已运行的核电厂中国已运行的核电厂中国已运行的核电厂 名称名称类型类型状态状态厂址厂址参考机组功率参考机组功率MW毛电负荷毛电负荷MW首次并网发电首次并网发电中国实验快堆快堆运行北京市20252011-07-21广东1期压水堆运行深圳9449841993-08-31广东2期压水堆运行深圳9449841994-02-07岭澳1期压水堆运行深圳9389902002-02-26岭澳2期压水堆运行深圳9389902002-12-15岭澳3期压水堆运行深圳100710802010-07-15岭澳4期压水堆运行深圳100710802011-05-03秦山1期压水堆运行海盐2983101991-12-15秦山2期-1号压水堆运行海盐6106502002-02-06秦山2期-2号压水堆运行海盐6106502004-03-11秦山2期-3号压水堆运行海盐6106502010-08-01秦山2期-4号压水堆运行海盐6106502011-11-25秦山3期-1号压水重水堆运行海盐6507002002-11-19秦山3期-2号压水重水堆运行海盐6507002003-06-12田湾1期压水堆运行连云港99010602006-05-12田湾2期压水堆运行连云港99010602007-05-14(数据截止2012年5月1日,数据来源 国际原子能机构IAEA 动力堆信息系统:http:/www.iaea.org/PRIS/)19中国规划建设的核电厂中国规划建设的核电厂 20CGNPCCGNPC规划建设的核电厂规划建设的核电厂规划建设的核电厂规划建设的核电厂 21秦山核电基地秦山核电基地 22大亚湾核电厂厂区大亚湾核电厂厂区 23大亚湾核电厂厂区大亚湾核电厂厂区 24国家核能相关机构和组织国家核能相关机构和组织国家能源委员会国家能源委员会国家能源局国家能源局国防科工局国防科工局环保部国家核安全局环保部国家核安全局环保部核与辐射安全中心环保部核与辐射安全中心中国国家原子能机构中国国家原子能机构中国核能行业协会中国核能行业协会中国核学会中国核学会。25国内核电集团国内核电集团中国核工业集团中国核工业集团广东核电集团广东核电集团国家核电技术公司国家核电技术公司中国电力投资集团公司中国电力投资集团公司华能集团华能集团。26国内与反应堆工程有关的高校国内与反应堆工程有关的高校清华大学清华大学西安交通大学西安交通大学上海交通大学上海交通大学哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学华北电力大学华北电力大学南华大学南华大学四川大学四川大学。 1第二章第二章核反应堆与核电厂基本原理核反应堆与核电厂基本原理 2教学内容教学内容反应堆基本工作原理反应堆基本工作原理链式裂变反应链式裂变反应反应堆分类反应堆分类核电厂基本工作原理核电厂基本工作原理核电厂厂房结构核电厂厂房结构核电厂系统设备及安全核电厂系统设备及安全 3次锕系元素次锕系元素次锕系元素次锕系元素:Np,Am:Np,Am和和和和Cm Cm 超铀超铀超铀超铀元素元素元素元素LLFP:I,Tc,CsLLFP:I,Tc,Cs锕系元素锕系元素锕系元素锕系元素 4反应堆的基本工作原理反应堆的基本工作原理几个定义:几个定义:核裂变反应堆与原子弹的相同点与区别核裂变反应堆与原子弹的相同点与区别?反应堆为何称之为反应堆为何称之为堆堆?聚变反应,裂变反应聚变反应,裂变反应核燃料,一次核燃料,二次再生核燃料,核燃料,一次核燃料,二次再生核燃料,铀铀233233,235235,钚,钚239239易裂变核素,可转换核素,易裂变核素,可转换核素,铀铀238238,钍,钍232232天然铀,富集铀,贫铀天然铀,富集铀,贫铀链式反应链式反应 5裂变裂变聚变聚变 核聚变比核裂变更节省核燃料,太阳能实际上是太阳中进行的核聚变的产物,本质上也是核能。我们现在利用的煤炭、石油、水力等能源,都是由太阳能转化而来,溯其源也是核能。因此可以说,人类利用和赖以生存的一切能源,直接或间接都来自核能。1克铀-235的裂变能2700kg 标煤燃烧能量 6反应堆的分类反应堆的分类反应堆的功能:反应堆的功能:1 1 热能利用:发电,供热,或者动力热能利用:发电,供热,或者动力2 2 生产新的核燃料,生产新的核燃料,3 3 生产放射性同位素,医疗,钴生产放射性同位素,医疗,钴60604 4 进行中子的其它应用和科研,中子成像进行中子的其它应用和科研,中子成像 7按使用目的分类按使用目的分类生产堆生产堆研究堆研究堆动力堆动力堆发电增值两用堆发电增值两用堆 8按引起核裂变的中子能量分类按引起核裂变的中子能量分类快中子堆快中子堆 中子能量中子能量1 MeV1 MeV中能中子堆中能中子堆 0.1 MeV0.1 MeV 中子能量中子能量0.1 eV0.1 eV热中子堆热中子堆 0.1 eV0.1 eV 中子能量中子能量0.0251 eV0.0251 eV 9按冷却剂、慢化剂分类按冷却剂、慢化剂分类轻水堆(压水堆,沸水堆)轻水堆(压水堆,沸水堆)重水堆重水堆石墨气冷堆石墨气冷堆石墨水冷堆石墨水冷堆钠冷堆钠冷堆 10按核燃料在堆内分布形式分类按核燃料在堆内分布形式分类均匀堆:核燃料、慢化剂、冷却剂均匀混合在一起均匀堆:核燃料、慢化剂、冷却剂均匀混合在一起非均匀堆:绝大多数堆型非均匀堆:绝大多数堆型 11世界核电成功设计图世界核电成功设计图 12核电厂基本工作原理核电厂基本工作原理压水堆核电厂原理图压水堆核电厂原理图 13主、辅助系统主、辅助系统 14三三三三环环环环路路路路压压压压水水水水堆堆堆堆一一一一回回回回路路路路系系系系统统统统 15二二二二环环环环路路路路压压压压水水水水堆堆堆堆一一一一回回回回路路路路系系系系统统统统 16沸水堆核电厂原理图沸水堆核电厂原理图 17核电厂选址核电厂选址核电厂选址比火电厂具有更高的安全要求。选择核电厂的厂址工作,涉及区域经济发展规划等因素,跟气象、地质、地震和水文等自然条件有关,还与安全、环境有重要关系,因此,它受到政府、环境保护部门和周围民众的普遍重视。核电厂选址考虑的因素中很多与火电厂相同,接近电力负荷中心,有充足的冷却水源,交通运输方便,良好的自然条件(如地形、地质和地震等),减少废热废物排放对生物的影响和防止环境污染的可能性等。核电厂选址基本原则除了要满足常规电厂所必需的条件外,还应尽量减少释放放射性对环境的影响,以确保居民在一般事故和严重事故条件下不受危害。归结起来,核电厂选址应考虑核电厂本身特性、厂址自然条件和技术要求以及辐射安全等三个方面。18核电厂本身特性核反应堆是一个强大的放射源。核电厂的热功率决定了反应堆内放射性的总贮量,在相同的运行条件下,堆内放射性的总量与功率成正比,因而在发生事故时可能释放的放射性也与功率有关。反应堆燃料棒运行时的破损率、反应堆冷却剂系统的泄漏率和放射性废物处理系统的净化能力等决定了电厂在正常运行时放射性的排放量。设计上要求核电厂在极限事故工况下的放射性物质释放量不应达到对居民健康和安全造成超过我国国家核安全局关于核电厂厂址选择所规定的严重危害后果的程度。19厂址的自然条件和技术要求厂址的自然条件和技术要求 厂址的自然条件必须满足核电厂选址的技术要求,应尽可能地避免或减少自然灾害(如地震、洪水及灾难性气象条件)造成的后果,并应有利于排出的放射性物质在环境中稀释。地震海啸气象水源水文交通运输比较方便 20辐射安全要求辐射安全要求 考虑核电厂事故时可能对居民造成的危害。通常一个国家的核电厂选址标准,其主要内容之一是规定事故条件下的最大释放量。反应堆正常运行时按“放射防护规定”对附近居民的剂量限值为每年全身510-3Sv;在核电厂发生重大的假想事故情况下,应保证居民不受超过规定的剂量限值的照射。人口密度分布是目前选址要考虑的一个重要因素,但不是唯一因素,需综合考虑厂址的其它各种条件,随着技术水平和安全研究的不断发展,核电厂的设计和安全设施的日趋完善可靠,特别是随着核电厂建造和运行经验的不断积累,人口密度分布限制会进一步减小,甚至有可能在靠近大城市的位置建造核电厂。21核电厂总平面布置设计原则核电厂总平面布置设计原则核电厂厂房布置以反应堆厂房为中心,辅助厂房,燃料贮存厂房,主控制楼和应急柴油发电机厂房均环绕在反应堆厂房周围。对于双单元核电厂也可采用对称布置,并共用部分辅助厂房。核电厂核电厂厂区厂区L形布置形布置 22核电厂总平面布置设计原则核电厂总平面布置设计原则 23核电厂总平面布置设计原则核电厂总平面布置设计原则 24核电厂的厂区的几个部分核电厂的厂区的几个部分核心区核心区:主要由核岛和常规岛组成,包括反应堆厂房,辅助厂房,燃料贮:主要由核岛和常规岛组成,包括反应堆厂房,辅助厂房,燃料贮存厂房,主控制室,应急柴油发电机厂房,汽轮发电机厂房等。存厂房,主控制室,应急柴油发电机厂房,汽轮发电机厂房等。三废区三废区:主要由废液贮存、处理厂房,固化厂房,弱放废物库,固体废物:主要由废液贮存、处理厂房,固化厂房,弱放废物库,固体废物贮存库,特种洗衣房和特种汽车库等组成。贮存库,特种洗衣房和特种汽车库等组成。供排水区供排水区:主要有循环水泵房,输水隧洞,排水渠道,淡水净化处理车间,:主要有循环水泵房,输水隧洞,排水渠道,淡水净化处理车间,消防站,高压消防泵房,排水泵房等组成。消防站,高压消防泵房,排水泵房等组成。动力供应区动力供应区:主要由冷冻机站,压缩空气及液氮贮存气化站,辅助锅炉房:主要由冷冻机站,压缩空气及液氮贮存气化站,辅助锅炉房等组成。等组成。检修及仓库区检修及仓库区:包括检修车间,材料仓库,设备综合仓库及危险品仓库等。:包括检修车间,材料仓库,设备综合仓库及危险品仓库等。厂前区厂前区:为电厂行政办公大楼及汽车、消防、保安及生活服务设施。:为电厂行政办公大楼及汽车、消防、保安及生活服务设施。25大亚湾核电厂厂区布置大亚湾核电厂厂区布置 26压水堆核电厂主要厂房布置压水堆核电厂主要厂房布置 27压压压压水水水水堆堆堆堆安安安安全全全全壳壳壳壳内内内内纵纵纵纵剖剖剖剖面面面面图图图图 28核电厂安全设计准则核电厂安全设计准则核电厂采用的安全性准则是核电厂采用的安全性准则是多重屏障与纵深防御多重屏障与纵深防御;核电厂必须有确定可靠的反应堆保护系统与专核电厂必须有确定可靠的反应堆保护系统与专设安全设施,以尽量减轻由于设备、系统失效、设安全设施,以尽量减轻由于设备、系统失效、操作失误以及像地震、飞机坠落、洪水、龙卷操作失误以及像地震、飞机坠落、洪水、龙卷风等自然灾害可能造成的危害。风等自然灾害可能造成的危害。多重屏障多重屏障纵深防御纵深防御单单 一一 故故 障障 准准 则则 共因失效共因失效多样性多样性 独立性独立性 29核电厂安全设计准则核电厂安全设计准则 30本章小结本章小结1 1 定义:聚变反应,裂变反应,核燃料,一次核燃料,二次再生核燃料,定义:聚变反应,裂变反应,核燃料,一次核燃料,二次再生核燃料,易裂变核素,可转换核素,天然铀,富集铀,链式反应,裂变产物,易裂变核素,可转换核素,天然铀,富集铀,链式反应,裂变产物,长寿命裂变产物,次锕系元素长寿命裂变产物,次锕系元素2 2 反应堆分类反应堆分类3 3 压水堆核电厂主要由一回路、二回路和循环水回路三个回路组成。一压水堆核电厂主要由一回路、二回路和循环水回路三个回路组成。一回路生产蒸汽,二回路和三回路将蒸汽的热能转换为推动汽轮发电回路生产蒸汽,二回路和三回路将蒸汽的热能转换为推动汽轮发电机组转动的机械能。机组转动的机械能。4.4.反应堆厂房包容反应堆和一回路的所有设备。以反应堆厂房为中心,反应堆厂房包容反应堆和一回路的所有设备。以反应堆厂房为中心,还有汽轮机厂房,包容一回路辅助系统及安全设施系统的核辅助厂还有汽轮机厂房,包容一回路辅助系统及安全设施系统的核辅助厂房,燃料厂房等。房,燃料厂房等。5 5 核电厂设计中,应遵循多道屏障、纵深防御的原则,具有抗御自然核电厂设计中,应遵循多道屏障、纵深防御的原则,具有抗御自然灾害能力,遵守国家的辐照剂量标准。灾害能力,遵守国家的辐照剂量标准。 1第三章第三章压水堆核电厂压水堆核电厂 2 31 1压水堆以压水堆以轻水轻水作慢化剂及冷却剂,反应堆体积小,建设作慢化剂及冷却剂,反应堆体积小,建设周期短造价较低。周期短造价较低。2 2压水堆采用压水堆采用低富集度铀低富集度铀作燃料,铀的浓缩技术已经过关。作燃料,铀的浓缩技术已经过关。3 3压水堆核电厂有放射性的一回路系统与二回路系统相分压水堆核电厂有放射性的一回路系统与二回路系统相分开,放射性冷却剂不会进入回路而污染汽轮机,运行、开,放射性冷却剂不会进入回路而污染汽轮机,运行、维护方便,需要处理的放射惮废气、废水、废物量较少。维护方便,需要处理的放射惮废气、废水、废物量较少。我国正在运行的核电机组(除秦山三期)全部为压水堆堆型,我国正在运行的核电机组(除秦山三期)全部为压水堆堆型,作为一种技术相当成熟的堆型,具有以下特点:作为一种技术相当成熟的堆型,具有以下特点:4压水堆主要运行参数压水堆主要运行参数 5教学内容教学内容以大亚湾核电厂为例,以大亚湾核电厂为例,压水反应堆本体结构:压水反应堆本体结构:堆芯组件堆芯组件:核燃料组件控制棒组件堆芯功能组件;:核燃料组件控制棒组件堆芯功能组件;堆内构件堆内构件及其作用及其作用:上下支承组件,压紧弹簧组件,导向管:上下支承组件,压紧弹簧组件,导向管反应堆压力容器反应堆压力容器的结构、选材和运行特点的结构、选材和运行特点控制棒驱动机构控制棒驱动机构的结构和工作原理;的结构和工作原理;堆内测量支承结构堆内测量支承结构安全壳结构安全壳结构及系统功能及系统功能 6核电厂主回路系统简介核电厂主回路系统简介 7主、辅助系统主、辅助系统 83.1 压水堆堆芯(压水堆堆芯(reactor core)堆芯设计满足的一般要求:堆芯设计满足的一般要求:1 1 堆芯功率分布尽量均匀,以便堆芯有最大的功率输出堆芯功率分布尽量均匀,以便堆芯有最大的功率输出2 2 尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料,提高中子经济性尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料,提高中子经济性3 3 要有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力要有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力4 4 有较长的堆芯寿命,适当的减少换料操作次数有较长的堆芯寿命,适当的减少换料操作次数5 5 堆芯结构紧凑,换料要简易方便。堆芯结构紧凑,换料要简易方便。9典型压水堆压力容器与堆芯结构原理图典型压水堆压力容器与堆芯结构原理图 10堆芯横截面图堆芯横截面图 11压压水水堆堆纵纵剖剖面面图图 12压水堆燃料管理压水堆燃料管理棋盘式布局棋盘式布局棋盘式布局棋盘式布局 分区倒料分区倒料分区倒料分区倒料 13反应堆压力容器反应堆压力容器 14反应堆压力容器反应堆压力容器 15反应堆压力容器反应堆压力容器反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件,工作在高压反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件,工作在高压(15.5MPa(15.5MPa左右左右)、高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条件下,寿命不少于高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条件下,寿命不少于4040年。百万年。百万千瓦级核电厂压力容器高约千瓦级核电厂压力容器高约13m13m,内径,内径5m,5m,筒体壁厚筒体壁厚200mm,200mm,总重约总重约330t330t。作用:作用:1 1 防止放射性外逸第二道屏障防止放射性外逸第二道屏障2 2 压力边界压力边界3 3 堆内构件的支承和固定作用堆内构件的支承和固定作用选材原则选材原则1 1 高度的完整性高度的完整性 (杂质少,纯度高杂质少,纯度高)2)2 适当的强度和足够的韧性适当的强度和足够的韧性3 3 低的辐照敏感性低的辐照敏感性 4 4 导热性能好:热应力导热性能好:热应力 5 5 便于加工制造,成本低便于加工制造,成本低 16压力容器选材压力容器选材当前反应堆压力容器材料普遍选当前反应堆压力容器材料普遍选用用低合金钢低合金钢,与,与冷却剂接触冷却剂接触表面堆焊一层表面堆焊一层5mm5mm厚的不锈钢厚的不锈钢。低合金钢具有:良好的导热性,可焊低合金钢具有:良好的导热性,可焊性,抗辐照脆化,便于加工性,抗辐照脆化,便于加工低合金钢及其焊缝在快中子积分低合金钢及其焊缝在快中子积分通量大于通量大于10101818cmcm2 2后后脆性转变脆性转变温度明显升高温度明显升高。相应措施相应措施:严格限制铜和磷这两种严格限制铜和磷这两种元素的含量,添加少量铝、元素的含量,添加少量铝、钒、铬,铂、镍等元素,尽钒、铬,铂、镍等元素,尽量减少钢的辐照损伤:热屏。量减少钢的辐照损伤:热屏。17压力容器运行限制压力容器运行限制限制因素:限制因素:压力容器的强度,韧性转变温度,压力容器的强度,韧性转变温度,主泵的汽蚀,低压蒸发等。主泵的汽蚀,低压蒸发等。随着反应堆的随着反应堆的随着反应堆的随着反应堆的运行,压力容运行,压力容运行,压力容运行,压力容器限度右移。器限度右移。器限度右移。器限度右移。18压力容器结构压力容器结构筒体组合件筒体组合件 法兰环法兰环 接管段接管段 筒身筒身 冷却剂进、出口接管冷却剂进、出口接管顶盖组合件顶盖组合件底封头底封头法兰密封件法兰密封件 19 20压力容器支承结构压力容器支承结构接管支撑座接管支撑座容器支承环容器支承环 混凝土基座混凝土基座 支承导向板:允许热膨胀,支承导向板:允许热膨胀,阻止容器和接管的横向阻止容器和接管的横向移动。移动。21堆内测量支承结构堆内测量支承结构堆芯冷却剂出口温度测量装置堆芯冷却剂出口温度测量装置目的:绘制堆芯温度分布图和确定最热通道布置:堆芯中子通量分布测量装置堆芯中子通量分布测量装置目的:建立中子通量分布图(三维),确定热点布置:22反应堆堆内构件反应堆堆内构件堆内构件包括:堆芯下部支承结构,堆芯上部支承堆内构件包括:堆芯下部支承结构,堆芯上部支承结构,控制棒束导向管和压紧弹簧组成。结构,控制棒束导向管和压紧弹簧组成。功能:功能:1 1 为冷却剂提供流道为冷却剂提供流道2 2 为压力容器提供屏蔽为压力容器提供屏蔽3 3 为燃料组件提供支承和压紧为燃料组件提供支承和压紧4 4 固定监督用的辐照样品固定监督用的辐照样品5 5 为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装置提供机械导向为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装置提供机械导向6 6 平衡机械载荷和水力载荷平衡机械载荷和水力载荷7 7 确保堆芯容器顶盖内的冷却水循环,以便顶盖保持一定的温度确保堆芯容器顶盖内的冷却水循环,以便顶盖保持一定的温度 23下部支承组件吊篮组件下部支承组件吊篮组件吊篮组件吊篮组件热中子屏蔽热中子屏蔽围板幅板组件围板幅板组件堆芯下栅格板堆芯下栅格板流量分配板流量分配板堆芯二次支承和测量通道堆芯二次支承和测量通道 24堆芯下部支撑结构堆芯下部支撑结构 25堆芯上部支撑结构堆芯上部支撑结构堆芯上栅格板堆芯上栅格板支承柱支承柱控制棒束导向筒控制棒束导向筒上部支承板上部支承板 26堆芯上部支撑结构堆芯上部支撑结构 27堆芯上部支撑结构堆芯上部支撑结构 28压水堆堆芯组件压水堆堆芯组件核燃料组件核燃料组件棒束控制棒组件棒束控制棒组件可燃毒物组件可燃毒物组件中子源组件中子源组件阻力塞组件阻力塞组件 29核燃料组件核燃料组件采用无盒、带指形控制组件的采用无盒、带指形控制组件的棒束型燃料组件。棒束型燃料组件。主要结构:主要结构:燃料棒骨架燃料棒骨架 骨架(书):骨架(书):上下管座,上下管座,8 8 层定位格架,导向管层定位格架,导向管采用采用171717=289=264+24+1 17=289=264+24+1 正正方形排列方形排列:264 264 燃料棒燃料棒24 24 导向管导向管1 1 中子测量管中子测量管 30 3117171717结构结构在每一组件的在每一组件的289289个可利用的空位个可利用的空位中中燃料棒占据燃料棒占据264264个个其余的空位装有其余的空位装有2424根控制棒导向根控制棒导向管管和和1 1根堆内测根堆内测量导管量导管 32棒状燃料元件棒棒状燃料元件棒结构组成结构组成:选材原则:限制燃料和包壳选材原则:限制燃料和包壳 的使用温度的使用温度包壳的作用以及选材特点包壳的作用以及选材特点 机械强度;第一道屏障机械强度;第一道屏障锆氢反应锆氢反应?如何何防止?如何何防止?1 1 内内 2 2 外外集气空腔盒充填气体作用:集气空腔盒充填气体作用:轴向空腔和径向间隙轴向空腔和径向间隙作用,作用,预冲压氦气预冲压氦气技术作用技术作用 33芯块的结构特点芯块的结构特点结构尺寸:结构尺寸:圆柱体形圆柱体形何谓何谓“环脊环脊”现象现象为何采用为何采用碟形加倒角碟形加倒角的结的结构形式构形式如何防止辐照肿胀的破坏:如何防止辐照肿胀的破坏:1 1碟形加倒角碟形加倒角 2 2制孔剂制孔剂芯块密度的选择芯块密度的选择:对导热系数有很大影响 34燃料元件包壳燃料元件包壳材料:材料:锆锆4 4 合金合金燃料元件包壳壁厚的选择燃料元件包壳壁厚的选择 结构强度结构强度 周向变形不超过周向变形不超过1%1%化学化学 含氢量低压含氢量低压250ppm,250ppm,不能高于不能高于600ppm600ppm 腐蚀腐蚀 寿期内腐蚀深度应低于原壁厚的寿期内腐蚀深度应低于原壁厚的10%.10%.一定的安全裕度一定的安全裕度 水力振动水力振动,热应力热应力包壳内壁与燃料芯块的径向间隙包壳内壁与燃料芯块的径向间隙包壳内壁与燃料芯块的径向间隙包壳内壁与燃料芯块的径向间隙 大小与间隙的导热系数大小与间隙的导热系数大小与间隙的导热系数大小与间隙的导热系数有密切关系,是影响芯块温度的重要因素,同时芯块的有密切关系,是影响芯块温度的重要因素,同时芯块的有密切关系,是影响芯块温度的重要因素,同时芯块的有密切关系,是影响芯块温度的重要因素,同时芯块的各种特性如导热系数,裂变气体的释放,蠕变和塑性形各种特性如导热系数,裂变气体的释放,蠕变和塑性形各种特性如导热系数,裂变气体的释放,蠕变和塑性形各种特性如导热系数,裂变气体的释放,蠕变和塑性形变等也都随温度变化。变等也都随温度变化。变等也都随温度变化。变等也都随温度变化。外径外径9.5 mm,9.5 mm,壁厚壁厚0.57mm,0.57mm,芯块直径芯块直径8.19mm8.19mm 35“骨架骨架”结构结构定位格架定位格架控制棒导管控制棒导管中子通量测量导管中子通量测量导管上管座上管座下管座下管座 36 37定位格架定位格架8 8 层定位格架的作用层定位格架的作用材料及结构特点材料及结构特点混流翼混流翼 38控制棒导向管控制棒导向管材料:锆材料:锆4 4合金合金作用:为控制棒插入抽出提供导向通道作用:为控制棒插入抽出提供导向通道结构特点:结构特点:锥形缓冲段,锥形缓冲段,流水孔流水孔中子通量测量管中子通量测量管材料:锆材料:锆4 4合金合金作用:作用:39下管座下管座上管座上管座 40控制棒组件控制棒组件结构组成:结构组成:2424跟吸收剂棒星形架跟吸收剂棒星形架组件数目保证:组件数目保证:卡棒准则,功率卡棒准则,功率分布,弹棒事故分布,弹棒事故 41控制棒组件控制棒组件 42星形架星形架结构特点:结构特点:毂环,毂环,翼片,翼片,指形连接柄指形连接柄 43吸收剂棒吸收剂棒 黑棒黑棒 灰棒灰棒 材料材料 银铟镉银铟镉 不锈钢不锈钢 结构:结构:二者相似二者相似黑棒束控制组件:黑棒束控制组件:2424根黑棒根黑棒灰棒束控制组件:灰棒束控制组件:8 8根黑棒根黑棒1616根灰棒根灰棒 44堆芯相关组件堆芯相关组件可燃毒物组件,初级中子源组件,次级中子源组件,可燃毒物组件,初级中子源组件,次级中子源组件,可燃毒物组件,初级中子源组件,次级中子源组件,可燃毒物组件,初级中子源组件,次级中子源组件,阻力塞组件阻力塞组件阻力塞组件阻力塞组件结构上的共同点:结构上的共同点:支承结构:一个压紧组件形成的支承结构支承结构:一个压紧组件形成的支承结构 24 24 根棒束根棒束 24 24根棒根棒可能全部是阻力塞可能全部是阻力塞,可能是可燃毒物棒与阻力塞可能是可燃毒物棒与阻力塞的组合的组合,还可能包含所有四种棒还可能包含所有四种棒.45压紧组件压紧组件轭板、轭板、弹簧导向筒、弹簧导向筒、底板底板内外两圈螺旋弹簧、内外两圈螺旋弹簧、304 304 不锈钢材料不锈钢材料 46可可燃燃毒物毒物组件组件作用:用于第一燃料循环,作用:用于第一燃料循环,降低硼浓度,保证慢化降低硼浓度,保证慢化剂的剂的负温度系数负温度系数可燃毒物材料:硼玻璃管可燃毒物材料:硼玻璃管(B B2 2O O3 3+SiO+SiO2 2)初装料:初装料:484812(12(棒棒)181816(16(棒棒)+)+2 216=89616=896第一次换料时全部卸出,换第一次换料时全部卸出,换阻力塞组件阻力塞组件 47初级中子源组件初级中子源组件作用:作用:1 1 提高中子通量提高中子通量 2 2 点火点火初级中子源初级中子源 2 2个组件:个组件:1 11 116166 6 材料:锎材料:锎 结构与位置结构与位置 1.06 1.0617.717.7,堆芯下部堆芯下部 初装料情况初装料情况 48次级中子源组件次级中子源组件次级中子源次级中子源2 2个组件:个组件:4 42020 材料:锑、铍材料:锑、铍 作用,二次启动作用,二次启动 49阻力塞组件阻力塞组件作用:作用:结构与材料:结构与材料:304304不锈钢,短棒不锈钢,短棒前述各种堆芯相关组件都含有前述各种堆芯相关组件都含有中子源组件,只有阻力塞中子源组件,只有阻力塞组件全部是阻力塞组件组件全部是阻力塞组件 50堆芯组件小结(堆芯组件小结(1)核燃料组件控制棒组件堆芯相关组件核燃料组件控制棒组件堆芯相关组件 核燃料组件:燃料元件棒骨架结构核燃料组件:燃料元件棒骨架结构 燃料元件棒:燃料芯块,包壳,端塞,压紧弹簧燃料元件棒:燃料芯块,包壳,端塞,压紧弹簧 骨架:上下管座,定位格架,控制棒导管,中子测量骨架:上下管座,定位格架,控制棒导管,中子测量 控制棒组件控制棒组件:吸收剂棒星形架吸收剂棒星形架 吸收剂棒:黑棒,灰棒,结构材料吸收剂棒:黑棒,灰棒,结构材料 星形架:中心毂环,翼片,夹持指状物星形架:中心毂环,翼片,夹持指状物 51堆芯组件小结(堆芯组件小结(2)堆芯相关组件:堆芯相关组件:可燃毒物棒组件,中子源组件,阻力塞组件 结构:结构:压紧组件压紧组件2424根棒束根棒束可燃毒物组件:作用,可燃毒物组件:作用,材料材料中子源组件:中子源组件:初级中子源次级中子源,作用,材料初级中子源次级中子源,作用,材料阻力塞组件阻力塞组件;作用,材料作用,材料 52大亚湾核电厂首次装料堆芯相关组件种类以及数量大亚湾核电厂首次装料堆芯相关组件种类以及数量大亚湾核电厂首次装料堆芯相关组件种类以及数量大亚湾核电厂首次装料堆芯相关组件种类以及数量 53控制棒驱动机构控制棒驱动机构控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件,通过它的动作带控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件,通过它的动作带控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件,通过它的动作带控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件,通过它的动作带动控制棒组件在堆芯内提升和下降,以实现动控制棒组件在堆芯内提升和下降,以实现动控制棒组件在堆芯内提升和下降,以实现动控制棒组件在堆芯内提升和下降,以实现反应堆的启动,反应堆的启动,反应堆的启动,反应堆的启动,功率调节(调节棒),停堆和事故情况下的安全控制(安功率调节(调节棒),停堆和事故情况下的安全控制(安功率调节(调节棒),停堆和事故情况下的安全控制(安功率调节(调节棒),停堆和事故情况下的安全控制(安全棒)全棒)全棒)全棒)。因此,它是确保反应堆安全可控的重要部件。因此,它是确保反应堆安全可控的重要部件。因此,它是确保反应堆安全可控的重要部件。因此,它是确保反应堆安全可控的重要部件。控制棒驱动机构要求控制棒驱动机构要求控制棒驱动机构要求控制棒驱动机构要求:在:在:在:在正常运行工况正常运行工况正常运行工况正常运行工况下要求棒的移动速度下要求棒的移动速度下要求棒的移动速度下要求棒的移动速度缓慢,每秒钟行程约缓慢,每秒钟行程约缓慢,每秒钟行程约缓慢,每秒钟行程约10mm10mm10mm10mm;在;在;在;在快速停堆或事故工况快速停堆或事故工况快速停堆或事故工况快速停堆或事故工况时要求时要求时要求时要求驱动机构在得到事故停堆信号后,即能自动脱开,控制棒驱动机构在得到事故停堆信号后,即能自动脱开,控制棒驱动机构在得到事故停堆信号后,即能自动脱开,控制棒驱动机构在得到事故停堆信号后,即能自动脱开,控制棒组件靠自重快速插入堆芯,从得到信号到控制棒完全插入组件靠自重快速插入堆芯,从得到信号到控制棒完全插入组件靠自重快速插入堆芯,从得到信号到控制棒完全插入组件靠自重快速插入堆芯,从得到信号到控制棒完全插入堆芯的紧急停堆时间一般堆芯的紧急停堆时间一般堆芯的紧急停堆时间一般堆芯的紧急停堆时间一般2 2 2 2秒钟秒钟秒钟秒钟左右,以保证反应堆安全。左右,以保证反应堆安全。左右,以保证反应堆安全。左右,以保证反应堆安全。54控制棒驱动机构控制棒驱动机构常用的驱动机构:常用的驱动机构:电磁步进电磁步进式,齿轮齿条式,水力驱式,齿轮齿条式,水力驱动式动式大亚湾核电厂采用大亚湾核电厂采用 三线圈电三线圈电磁步进式驱动机构磁步进式驱动机构优点:优点:提棒精度高,提升力提棒精度高,提升力大,不宜失步,结构简单,大,不宜失步,结构简单,加工容易,拆装和维修方加工容易,拆装和维修方便等优点便等优点。需要紧急停堆时,只需要切需要紧急停堆时,只需要切断电源,控制棒便可自由断电源,控制棒便可自由落体。落体。55结构结构外部线圈装置外部线圈装置棒位置指示部件棒位置指示部件承压套承压套驱动轴驱动轴内部部件:内部部件:提升装置提升装置 传递装置传递装置 夹持装置夹持装置 56 57 58控制棒提升动作控制棒提升动作:初始状态为传递钩爪啮合,夹持钩爪脱开。1:提升线圈通电,传递钩爪驱动轴提升一个步阶;2:夹持线圈通电,夹持钩爪夹持驱动轴;3:传递线圈断电,传递钩爪脱开;4:提升线圈断电,传递钩爪下降一个步阶;5:传递线圈通电,传递钩爪啮合驱动轴;6:夹持线圈断电,夹持钩爪夹脱开,为提升做准备;7:提升线圈通电,传递钩爪驱动轴提升一个布阶;如此循环动作,直到达到提升位置为止。若要保持控制棒在某一位置时,仅传递线圈通电,传递钩爪承载。59控制棒下降动作控制棒下降动作:初始状态为传递钩爪啮合,夹持钩爪脱开。1:夹持线圈通电,夹持钩爪夹持驱动轴2:传递线圈断电,传递钩爪脱开3:提升线圈通电,仅传递钩爪提升一个步阶4:传递线圈通电,传递钩爪啮合驱动轴5:夹持线圈断电,夹持钩爪夹脱开,为轴下降做让步 6:提升线圈断电,传递钩爪驱动轴下降一个步阶7:夹持线圈通电,夹持钩爪夹持驱动轴如此循环动作,直到达到下降位置为止。60紧急停堆控制棒自由落体紧急停堆控制棒自由落体当要实行紧急停堆时,三个线圈当要实行紧急停堆时,三个线圈都断电,所有钩爪均脱开,都断电,所有钩爪均脱开,控制棒在重力作用下,快速控制棒在重力作用下,快速插入堆芯。插入堆芯。61安全壳安全壳作用:裂变产物与环境之作用:裂变产物与环境之间的最后一道屏障间的最后一道屏障 事故承压,外来撞击事故承压,外来撞击切尔诺贝利的教训切尔诺贝利的教训大型干式安全壳大型干式安全壳大型干式安全壳大型干式安全壳欠压安全壳,欠压安全壳,欠压安全壳,欠压安全壳,冰冷安全壳,冰冷安全壳,冰冷安全壳,冰冷安全壳,双层球形安全壳双层球形安全壳双层球形安全壳双层球形安全壳安全壳厂房安全壳厂房安全壳环境控制系统安全壳环境控制系统安全壳贯穿与隔离系统安全壳贯穿与隔离系统40 60 1 40 60 1 62 63安全壳环境控制系统安全壳环境控制系统 64安全壳贯穿与隔离系统安全壳贯穿与隔离系统设备闸门设备闸门人员闸门人员闸门燃料运输管燃料运输管管道、电缆贯穿件管道、电缆贯穿件 65安全壳贯穿与隔离系统安全壳贯穿与隔离系统 66 总结总结1 1 堆内构件堆内构件 名称名称 作用作用2 2 控制棒驱动机构控制棒驱动机构 结构结构 工作原理工作原理 提升提升 下降下降 停堆停堆3 3 反应堆压力容器反应堆压力容器 结构结构 作用作用 选材选材 运行限制运行限制4 4 堆内测量支承结构堆内测量支承结构 温度测量温度测量 中子通量测量中子通量测量5 5 安全壳安全壳 作用作用 三个系统三个系统
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