《先进核反应堆结构原理》教学课件
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Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1第六章第六章重水反应堆重水反应堆CANDU(PHWR)CANDU(PHWR)Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University2目前国际上已投入运行的重水堆核电站共目前国际上已投入运行的重水堆核电站共4040余座,总电功率余座,总电功率为为2335.42335.4万千瓦,约占全世界核电厂总功率的万千瓦,约占全世界核电厂总功率的6.5%6.5%.Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1940194019401940年代年代年代年代 重水慢化研究堆重水慢化研究堆重水慢化研究堆重水慢化研究堆1950195019501950年代年代年代年代 -CANDU-CANDU-CANDU-CANDU原型堆原型堆原型堆原型堆1960196019601960年代年代年代年代 -大功率商用堆大功率商用堆大功率商用堆大功率商用堆1970197019701970年代年代年代年代 -多机组商用堆多机组商用堆多机组商用堆多机组商用堆1980198019801980年代年代年代年代 -单机组单机组单机组单机组CANDU-6CANDU-6CANDU-6CANDU-6标准化标准化标准化标准化1990199019901990年代年代年代年代 -单机组单机组单机组单机组CANDU-9CANDU-9CANDU-9CANDU-9标准化标准化标准化标准化2000200020002000年代年代年代年代 -新一代设计新一代设计新一代设计新一代设计ACRACRACRACR产品系列产品系列产品系列产品系列2010201020102010年代年代年代年代 -SCW-SCW-SCW-SCW直接循环模块堆直接循环模块堆直接循环模块堆直接循环模块堆?达灵顿,达灵顿,1990-1993CANDU-9布鲁斯布鲁斯B,1984-1987月城月城4 4号号,1991997 7CANDU-6CANDU-6,1983,1983皮克灵皮克灵A,1971-1973A,1971-1973CANDUCANDU原型堆原型堆,1962,1962秦山秦山20032003年年ACRACRZEEP,1945ZEEP,1945CANDU渐进革新发展之路 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University4 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University5 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University6重水堆概述重水堆概述CANDUCANDU的概念的概念:CANada Deuterium Uranium CANada Deuterium Uranium重水堆的特点:重水堆的特点:天然铀作燃料天然铀作燃料 重水做慢化剂,造价较高重水做慢化剂,造价较高重水堆的分类:重水堆的分类:压力管式,压力壳式压力管式,压力壳式 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University7 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University慢化剂系统慢化剂系统慢化剂系统慢化剂系统反应堆堆芯反应堆堆芯反应堆堆芯反应堆堆芯 蒸气发生器蒸气发生器蒸气发生器蒸气发生器冷却水循环泵冷却水循环泵冷却水循环泵冷却水循环泵汽轮发电机汽轮发电机汽轮发电机汽轮发电机通向电网通向电网通向电网通向电网核蒸汽供应系统核蒸汽供应系统核蒸汽供应系统核蒸汽供应系统CANDUCANDU核电厂示意图核电厂示意图 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University核蒸汽供应系统核蒸汽供应系统CANDUCANDUPWRPWR蒸汽出口蒸汽出口反应堆本体反应堆本体给水入口给水入口 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University10CANDU的基本结构特点的基本结构特点 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University11 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University12CANDU的本体结构的本体结构 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityCANDUCANDU小直径压力管栅式模块化堆芯小直径压力管栅式模块化堆芯装卸料机装卸料机一体化堆芯处在高压大容器中一体化堆芯处在高压大容器中PWRPWR压力管栅式和压力容器式堆芯压力管栅式和压力容器式堆芯 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University14 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University15 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University16燃料组件结构燃料组件结构重水堆的核燃料是重水堆的核燃料是天然铀天然铀,制成,制成圆柱状装在圆柱状装在外径为外径为2020毫米长约毫米长约500500毫米的锆合金包壳管内毫米的锆合金包壳管内,构成棒,构成棒状燃料元件,状燃料元件,3737根燃料棒组成一根燃料棒组成一束束,棒之间用锆合金块隔开,端,棒之间用锆合金块隔开,端头由锆合金支承板连接,构成头由锆合金支承板连接,构成长长为半米,外径为为半米,外径为100100毫米左右的燃毫米左右的燃料棒束料棒束。反应堆堆芯由反应堆堆芯由380380根带燃料棒束的根带燃料棒束的压力管排列而成。每压力管排列而成。每根压力管内根压力管内装有装有1212束燃料棒束束燃料棒束。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University17结构简单、尺寸短小结构简单、尺寸短小结构简单、尺寸短小结构简单、尺寸短小常见的二氧化铀陶瓷燃料和锆合金燃料包壳常见的二氧化铀陶瓷燃料和锆合金燃料包壳常见的二氧化铀陶瓷燃料和锆合金燃料包壳常见的二氧化铀陶瓷燃料和锆合金燃料包壳加工制作简便,制造厂投资小、生产成本低加工制作简便,制造厂投资小、生产成本低加工制作简便,制造厂投资小、生产成本低加工制作简便,制造厂投资小、生产成本低运行运行运行运行CANDUCANDUCANDUCANDU堆的所有国家都自己制造燃料堆的所有国家都自己制造燃料堆的所有国家都自己制造燃料堆的所有国家都自己制造燃料内蒙包头燃料制造厂为秦山三期内蒙包头燃料制造厂为秦山三期内蒙包头燃料制造厂为秦山三期内蒙包头燃料制造厂为秦山三期CANDUCANDUCANDUCANDU堆提供堆提供堆提供堆提供燃料组件燃料组件燃料组件燃料组件 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University短小短小:棒束长约棒束长约5050cm直径约直径约1010cm 燃料元件间定位块燃料元件间定位块燃料元件间定位块燃料元件间定位块 (7)(7)(7)(7)端视图端视图端视图端视图锆合金端盖锆合金端盖锆合金端盖锆合金端盖(1)(1)(1)(1)锆合金端部支承板锆合金端部支承板锆合金端部支承板锆合金端部支承板(2)(2)(2)(2)锆合金燃料包壳锆合金燃料包壳锆合金燃料包壳锆合金燃料包壳(3)(3)(3)(3)二氧化铀芯块二氧化铀芯块二氧化铀芯块二氧化铀芯块(4)(4)(4)(4)石墨润滑层石墨润滑层石墨润滑层石墨润滑层(5)(5)(5)(5)锆合金支承块锆合金支承块锆合金支承块锆合金支承块(6)(6)(6)(6)Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University19 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University20冷却剂和慢化剂的绝热冷却剂和慢化剂的绝热作为冷却剂的重水在管内流动带走热量。作为慢化剂的重水在反应堆排管容器中,为了防止热量传到慢化剂重水中,在压力管外设置一同心容器管,两管之间充以二氧化碳作隔热层,以保持慢化剂温度不超过60。压力管和容器管贯穿反应堆排管容器,两端与法兰固定,与容器连成一体。高压冷高压冷却剂流出却剂流出低压低温重低压低温重水慢化剂水慢化剂高压冷高压冷却剂流入却剂流入燃料棒束燃料棒束排管容排管容器外壁器外壁 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University21反应性的控制反应性的控制控制棒设置在反应堆上部,穿过反应堆排管容器,插入在慢化剂中。快速停堆时将控制棒快速插入堆内。反应性的调节还可以通过改变反应堆容器中重水慢化剂的液位来实现。紧急停堆时还可以:1)打开氦气阀,将毒物箱内的硝酸钆毒物注入反应堆容器慢化剂中,2)打开装在容器底部的大口径排水阀,把重水慢化剂急速排入贮水箱。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University22换料方式换料方式由于重水堆的卧式布置压力管,每根压力管在反应堆容器的两端都设有密由于重水堆的卧式布置压力管,每根压力管在反应堆容器的两端都设有密封接头,可以装拆。因此,可以采用遥控装卸料机进行不停堆换料。换料封接头,可以装拆。因此,可以采用遥控装卸料机进行不停堆换料。换料时,由装卸料机连接压力管的两端密封接头,新燃料组件从压力管一端顶时,由装卸料机连接压力管的两端密封接头,新燃料组件从压力管一端顶入,烧过的乏燃料组件侧从同一压力管的另一端被推出。入,烧过的乏燃料组件侧从同一压力管的另一端被推出。这种换料方式称这种换料方式称为为“顶推式双向换料顶推式双向换料”。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University装装 料料 机机 卸卸 料料 机机 燃料通道燃料通道排排 管管 容容 器器燃料棒束燃料棒束 Fuel bundles燃料棒束在燃料棒束在传输流程流程不停堆装卸燃料 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University燃料棒束传输流程示意图燃料棒束传输流程示意图 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University25CANDU一回路系统和设备一回路系统和设备u380根燃料管根燃料管u4 SGu4 Pumpu4 入口集流管入口集流管u4 出口集流管出口集流管u1 Pressurizer Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University26回路设计特点和要求回路设计特点和要求1 1 保证冷却剂循环保证冷却剂循环2 2 主泵飞轮主泵飞轮3 3 保证一定的自然循环流量保证一定的自然循环流量4 4 压力控制压力控制5 5 超压保护系统超压保护系统6 6 设有单独的停堆冷却系统设有单独的停堆冷却系统7 7 过虑净化等装置,控制冷却剂的化学成分过虑净化等装置,控制冷却剂的化学成分8 8 足够充足的应急流量足够充足的应急流量9 9 尽可能的减少重水泄漏尽可能的减少重水泄漏 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University27蒸汽发生器蒸汽发生器主要结构材料位主要结构材料位 炭钢炭钢一次测:一次测:封头,管板和管束封头,管板和管束一次测一次测二次侧:壳体,汽水分离器,二次侧:壳体,汽水分离器,管束套筒,管板和管束二管束套筒,管板和管束二次侧,预热段隔板,管子次侧,预热段隔板,管子支承等,支承等,Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University28 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University29主泵主泵单级、单吸入口、单级、单吸入口、双出口、立式离心双出口、立式离心泵泵支管支管集流集流总管总管 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University30CANDU慢化剂系统慢化剂系统慢化作用,失冷事故下的热阱作用慢化作用,失冷事故下的热阱作用 慢化剂系统原理流程图:慢化剂系统原理流程图:串连串连/并联并联优势优势燃料和设备制造易于实现本土化高中子经济性和燃料循环灵活性固有和非能动安全特点多重的固有应急热阱可防御严重事故重水堆的发展前景重水堆的发展前景大量的重水以及泄漏导致高造价,防止重水泄漏的高密封性能设备也提高了造价。核燃料燃耗比较浅,1/3压水堆,换料太频繁。挑战挑战由当时几乎没有重工业基础的国家研发与建造成功由当时几乎没有重工业基础的国家研发与建造成功两个发展中国家两个发展中国家 印度和韩国实现了印度和韩国实现了CANDUCANDU技术技术和设备制造的大规模本土化和设备制造的大规模本土化简单短小经济的燃料组件制造相对容易,事实证明易简单短小经济的燃料组件制造相对容易,事实证明易于本土化于本土化堆芯由大量模块化小部件构成,特别是避免了庞大高堆芯由大量模块化小部件构成,特别是避免了庞大高压容器的制造技术复杂性压容器的制造技术复杂性7 75 5%以上的电厂设备与压水堆相同,可以分享发展压以上的电厂设备与压水堆相同,可以分享发展压水堆核电厂过程中建立起来的技术基础和制造能力水堆核电厂过程中建立起来的技术基础和制造能力一:燃料和设备制造更易于实现本土化结构简单、尺寸短小结构简单、尺寸短小常见的二氧化铀陶瓷燃料和常见的二氧化铀陶瓷燃料和锆合金燃料包壳锆合金燃料包壳加工制作简便,制造厂投资加工制作简便,制造厂投资小、生产成本低小、生产成本低运行运行CANDUCANDU堆的所有国家都自堆的所有国家都自己制造燃料己制造燃料内蒙包头燃料制造厂为秦山内蒙包头燃料制造厂为秦山三期三期CANDUCANDU堆提供燃料组件堆提供燃料组件CANDU燃料组件制造易于本土化中国制造的大型蒸汽发生器中国制造的大型蒸汽发生器主设备与普通压水堆核电厂的一样发展优势之二:燃料循环灵活性CANDUCANDU反应堆是现有动力堆中唯一能够提供灵活和多样的燃料循反应堆是现有动力堆中唯一能够提供灵活和多样的燃料循反应堆是现有动力堆中唯一能够提供灵活和多样的燃料循反应堆是现有动力堆中唯一能够提供灵活和多样的燃料循环的堆型环的堆型环的堆型环的堆型乏燃料中易裂变同位素的含量天然铀天然铀0.71%U-235CANDU乏燃料乏燃料0.27%U-2350.35%Pu-239低浓缩低浓缩3.5%U-235PWR乏燃料乏燃料0.9%U-2350.6%Pu-239CANDUPWRCANDU乏燃料中易裂乏燃料中易裂变同位素的含量比同位素的含量比PWR乏燃料要低得乏燃料要低得多!多!百万千瓦级核机组对天然铀的年需求量比较3.25%,33 MWd/kg218218192192188188157157119119114114100100150150200200Mg U/GWe yrMg U/GWe yr3.25%33 3.7%434.4%53 0.712%7.50.9%SEU 141.2%SEU21浓缩度浓缩度 燃耗燃耗(MWd/kgU)100%88.1%86.2%72.0%54.6%52.3%CANDU-NUCANDU-NUPWRPWR三:固有和非能动安全特点q反应性控制装置处于低温低压的慢化反应性控制装置处于低温低压的慢化剂环境,控制棒靠重力下落和弹簧加剂环境,控制棒靠重力下落和弹簧加速,而控制毒物靠压缩气体注入。速,而控制毒物靠压缩气体注入。q不停堆换料使过剩反应性可以维持在不停堆换料使过剩反应性可以维持在很低的水平。很低的水平。q因为中子的寿命较长扰动引起的反应因为中子的寿命较长扰动引起的反应堆功率变化速度较慢。堆功率变化速度较慢。q平衡堆芯通量和功率分布几乎长期定平衡堆芯通量和功率分布几乎长期定常不变。常不变。q破损燃料束可以及时移出堆芯。破损燃料束可以及时移出堆芯。安全壳厂房安全壳厂房 管内冷却剂管内冷却剂自然循环排自然循环排热可能热可能1排管外有排管外有低温低压低温低压重水慢化剂重水慢化剂2排管容器外有排管容器外有低温低压低温低压屏蔽水屏蔽水3屏蔽水箱屏蔽水箱排排管管容容器器四 多重的固有应急热阱可防御严重事故建在大城市人口密集区附近的CANDU核电厂 皮克灵核电厂(4200兆瓦),离多伦市中心大约25公里 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University41ACR-1000 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University42FeaturesCompared with data in Tab.6.2 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University43 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityACRACR和和PWRPWR比比较较 相同点相同点不同点不同点ACRPWRACRPWR轻水作为冷却剂压力管压力容器遵循安全原理,贯彻安全意识重水慢化剂轻水慢化剂退役过程稍加浓铀(2%)浓缩铀(4%)蒸汽发生器简单的短燃料棒长燃料棒乏燃料存贮方式中子吸收率低中子吸收率适中汽轮发电机和BOP不停堆换料停堆换料模块化建造技术常规/模块化建造技术 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University45 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University46 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University47 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University48 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University49掌握掌握CANDUCANDU堆得特点堆得特点(与与PWRPWR比较比较)和优势,表和优势,表6-16-1掌握掌握CANDUCANDU核燃料组件结构特点核燃料组件结构特点了解了解CANDUCANDU堆的发展演变和堆的发展演变和ACRACR的技术特点的技术特点学习目的学习目的
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