《先进核反应堆结构原理》教学课件
先进核反应堆结构原理教学课件,先进核反应堆结构原理,先进,核反应堆,结构,原理,教学,课件
1第八章第八章快中子增值堆快中子增值堆FBR 2 3优点:优点:优点:优点:增殖增殖增殖增殖:快中于反应堆内核燃料裂变主要由能量约快中于反应堆内核燃料裂变主要由能量约快中于反应堆内核燃料裂变主要由能量约快中于反应堆内核燃料裂变主要由能量约100 100 keVkeV以上的快中子引起,不需要慢化剂,可实现钚以上的快中子引起,不需要慢化剂,可实现钚以上的快中子引起,不需要慢化剂,可实现钚以上的快中子引起,不需要慢化剂,可实现钚-239-239和铀和铀和铀和铀232232的的的的增值转换增值转换增值转换增值转换。快中子增殖堆尚有一系列技术上和经济上的问题还没有解决。快中子增殖堆尚有一系列技术上和经济上的问题还没有解决。快中子增殖堆尚有一系列技术上和经济上的问题还没有解决。快中子增殖堆尚有一系列技术上和经济上的问题还没有解决。主要是:主要是:主要是:主要是:1 1、快中子反应堆内中子平均能量很高,中子有害吸收小,易、快中子反应堆内中子平均能量很高,中子有害吸收小,易、快中子反应堆内中子平均能量很高,中子有害吸收小,易、快中子反应堆内中子平均能量很高,中子有害吸收小,易于实现增殖。但在高能区核燃料的裂变截面也很小,因此于实现增殖。但在高能区核燃料的裂变截面也很小,因此于实现增殖。但在高能区核燃料的裂变截面也很小,因此于实现增殖。但在高能区核燃料的裂变截面也很小,因此为了使链式裂变反应能进行,快中子堆内必须有为了使链式裂变反应能进行,快中子堆内必须有为了使链式裂变反应能进行,快中子堆内必须有为了使链式裂变反应能进行,快中子堆内必须有较高的核较高的核较高的核较高的核燃料富集度燃料富集度燃料富集度燃料富集度(当量富集度达当量富集度达当量富集度达当量富集度达1515(质量质量质量质量)一一一一3535(质量质量质量质量),而且燃,而且燃,而且燃,而且燃料初装量也很大。料初装量也很大。料初装量也很大。料初装量也很大。快堆概述快堆概述快堆概述快堆概述 42 2 2 2 由于快中子堆堆芯内没有慢化剂,所以体积小,功率密由于快中子堆堆芯内没有慢化剂,所以体积小,功率密由于快中子堆堆芯内没有慢化剂,所以体积小,功率密由于快中子堆堆芯内没有慢化剂,所以体积小,功率密度高达度高达度高达度高达300300一一一一600 MW600 MWm3m3,是压水堆的,是压水堆的,是压水堆的,是压水堆的4848倍。因此要求倍。因此要求倍。因此要求倍。因此要求采用传热性能好而慢化化性能差的冷却剂,目前采用液态金采用传热性能好而慢化化性能差的冷却剂,目前采用液态金采用传热性能好而慢化化性能差的冷却剂,目前采用液态金采用传热性能好而慢化化性能差的冷却剂,目前采用液态金属属属属钠钠钠钠和和和和氦气氦气氦气氦气,但钠回路工艺及防爆措施在工业规模的大量操,但钠回路工艺及防爆措施在工业规模的大量操,但钠回路工艺及防爆措施在工业规模的大量操,但钠回路工艺及防爆措施在工业规模的大量操作上还缺乏经验。而流速约为作上还缺乏经验。而流速约为作上还缺乏经验。而流速约为作上还缺乏经验。而流速约为100 m100 ms s的氦气冷却在技术上的氦气冷却在技术上的氦气冷却在技术上的氦气冷却在技术上也是较复杂的问题,还需进行大量研究试验。也是较复杂的问题,还需进行大量研究试验。也是较复杂的问题,还需进行大量研究试验。也是较复杂的问题,还需进行大量研究试验。3 3快中子堆的燃料元件加工及快中子堆的燃料元件加工及快中子堆的燃料元件加工及快中子堆的燃料元件加工及乏燃料后处理乏燃料后处理乏燃料后处理乏燃料后处理要求高。且其要求高。且其要求高。且其要求高。且其快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍,因此对材料的要快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍,因此对材料的要快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍,因此对材料的要快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍,因此对材料的要求也较苛刻。求也较苛刻。求也较苛刻。求也较苛刻。4 4快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短,而且鈈快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短,而且鈈快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短,而且鈈快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短,而且鈈239239的缓发中子份额只有铀的缓发中子份额只有铀的缓发中子份额只有铀的缓发中子份额只有铀235235的的的的1 13 3左有,所以快中子堆左有,所以快中子堆左有,所以快中子堆左有,所以快中子堆的的的的控制比较困难控制比较困难控制比较困难控制比较困难。5快堆的分类:快堆的分类:快堆的分类:快堆的分类:按冷却剂材料,快中子堆又可分为按冷却剂材料,快中子堆又可分为按冷却剂材料,快中子堆又可分为按冷却剂材料,快中子堆又可分为钠冷快堆钠冷快堆钠冷快堆钠冷快堆和和和和气冷快堆气冷快堆气冷快堆气冷快堆,其中,其中,其中,其中LMFBRLMFBR的蒸汽参数很高,压力达的蒸汽参数很高,压力达的蒸汽参数很高,压力达的蒸汽参数很高,压力达161618MPa18MPa,温度约为,温度约为,温度约为,温度约为500 c500 c,因此电站的效率,因此电站的效率,因此电站的效率,因此电站的效率 4040。按回路布置结构,可分为按回路布置结构,可分为按回路布置结构,可分为按回路布置结构,可分为回路式快堆电站回路式快堆电站回路式快堆电站回路式快堆电站和和和和池式快堆电站池式快堆电站池式快堆电站池式快堆电站 6池式的主要系统和上述回路式相同,但它把池式的主要系统和上述回路式相同,但它把池式的主要系统和上述回路式相同,但它把池式的主要系统和上述回路式相同,但它把反应堆堆芯、一回路钠泵反应堆堆芯、一回路钠泵反应堆堆芯、一回路钠泵反应堆堆芯、一回路钠泵及中间热交换器都浸泡在一个大型钠容器及中间热交换器都浸泡在一个大型钠容器及中间热交换器都浸泡在一个大型钠容器及中间热交换器都浸泡在一个大型钠容器中。这种型式可降低一中。这种型式可降低一中。这种型式可降低一中。这种型式可降低一 回回回回路严重泄漏的可能性,即使某些设备发生故障也不会发生钠流出事故,路严重泄漏的可能性,即使某些设备发生故障也不会发生钠流出事故,路严重泄漏的可能性,即使某些设备发生故障也不会发生钠流出事故,路严重泄漏的可能性,即使某些设备发生故障也不会发生钠流出事故,所以安全性较好。所以安全性较好。所以安全性较好。所以安全性较好。7快堆技术特点快堆技术特点u以快中子产生链式裂变反应以快中子产生链式裂变反应;u大多数快堆采用液态金属大多数快堆采用液态金属Na做冷却剂,氦气;做冷却剂,氦气;u比压水堆多一个回路;比压水堆多一个回路;u一回路是一个高温低压系统。一回路是一个高温低压系统。快堆具有良好的安全性快堆具有良好的安全性1,Na的沸点高,常压运行;的沸点高,常压运行;2,热容量大,能导出余热;,热容量大,能导出余热;3,堆芯有较大负反馈,事故状,堆芯有较大负反馈,事故状态能够自稳。态能够自稳。8快堆是快堆是封闭的燃料循环封闭的燃料循环中的关键环节中的关键环节p我国目前的核电站中,有两个装机为我国目前的核电站中,有两个装机为重水堆重水堆型,其余全部为型,其余全部为压水堆压水堆型。型。p世界各国研究表明:快堆可以解决大规模的压水堆核电站发展带来的世界各国研究表明:快堆可以解决大规模的压水堆核电站发展带来的核燃料核燃料短缺短缺及及长寿命核废物处置长寿命核废物处置问题。问题。p快堆是封闭的燃料循环必不可少的环节已经得到世界公认。封闭燃料循环可快堆是封闭的燃料循环必不可少的环节已经得到世界公认。封闭燃料循环可将铀资源的利用率从单单发展压水堆的将铀资源的利用率从单单发展压水堆的1左右提高到左右提高到6070。9国际快堆的发展国际快堆的发展p快堆是目前快堆是目前唯一能够实现增殖核燃料唯一能够实现增殖核燃料的先进堆型。的先进堆型。Fig.1 PFBR flow sheet4 x 8 MWt19461946年年年年,美国建成世界上第一座实验性快中子反应堆美国建成世界上第一座实验性快中子反应堆美国建成世界上第一座实验性快中子反应堆美国建成世界上第一座实验性快中子反应堆,即热功率即热功率即热功率即热功率2525千瓦的克来门汀千瓦的克来门汀千瓦的克来门汀千瓦的克来门汀(Clem entine)(Clem entine)。19671967年年年年,法国建成名为法国建成名为法国建成名为法国建成名为“狂想曲狂想曲狂想曲狂想曲”的热功率为的热功率为的热功率为的热功率为4 4万千瓦的反应堆万千瓦的反应堆万千瓦的反应堆万千瓦的反应堆;1974;1974年年年年,25,25万千瓦的万千瓦的万千瓦的万千瓦的快中子反应堆投入运行。快中子反应堆投入运行。快中子反应堆投入运行。快中子反应堆投入运行。19801980年年年年,苏联建成电功率苏联建成电功率苏联建成电功率苏联建成电功率6060万千瓦的快中子实验反应堆。万千瓦的快中子实验反应堆。万千瓦的快中子实验反应堆。万千瓦的快中子实验反应堆。19851985年年年年,法、德、意三国建成功率法、德、意三国建成功率法、德、意三国建成功率法、德、意三国建成功率120 120 千瓦的经济验证快堆千瓦的经济验证快堆千瓦的经济验证快堆千瓦的经济验证快堆Superhenix-1Superhenix-1。19941994年年年年,日本建成功率日本建成功率日本建成功率日本建成功率31.831.8万千瓦的文殊万千瓦的文殊万千瓦的文殊万千瓦的文殊(M onju)(M onju)原型快堆。原型快堆。原型快堆。原型快堆。俄罗斯俄罗斯俄罗斯俄罗斯:已开始建造两座已开始建造两座已开始建造两座已开始建造两座8080万千瓦的快堆电站万千瓦的快堆电站万千瓦的快堆电站万千瓦的快堆电站,一一一一座在斯维尔德洛夫斯克座在斯维尔德洛夫斯克座在斯维尔德洛夫斯克座在斯维尔德洛夫斯克,一座在南乌拉尔。一座在南乌拉尔。一座在南乌拉尔。一座在南乌拉尔。日本日本日本日本:成立了日本核燃料循环研究院成立了日本核燃料循环研究院成立了日本核燃料循环研究院成立了日本核燃料循环研究院,加强快堆技加强快堆技加强快堆技加强快堆技术开发。术开发。术开发。术开发。韩国韩国韩国韩国:在美国通用电气的帮助下积极发展功率在美国通用电气的帮助下积极发展功率在美国通用电气的帮助下积极发展功率在美国通用电气的帮助下积极发展功率1313万万万万千瓦的实验快堆。千瓦的实验快堆。千瓦的实验快堆。千瓦的实验快堆。巴西巴西巴西巴西:开始组织快堆技术的发展工作。开始组织快堆技术的发展工作。开始组织快堆技术的发展工作。开始组织快堆技术的发展工作。印度印度印度印度:2001:2001年开始建造电功率年开始建造电功率年开始建造电功率年开始建造电功率5050万千瓦的快堆电站。万千瓦的快堆电站。万千瓦的快堆电站。万千瓦的快堆电站。10中国的快堆发展中国的快堆发展u我国早在我国早在70年代就开始快堆开发和研究年代就开始快堆开发和研究u七五期间,国家八六三高技术计划能源领域专家委员会对我国发展快堆七五期间,国家八六三高技术计划能源领域专家委员会对我国发展快堆进行了论证,结论是:进行了论证,结论是:“应力争在本世纪末建造一座热功率应力争在本世纪末建造一座热功率65MW,电功率约,电功率约20MW的实验性快堆的实验性快堆”在我国新世纪的核能发展基本方针中指出:在我国新世纪的核能发展基本方针中指出:“核能发展继续执行热中核能发展继续执行热中子反应堆(压水堆为主)快中子反应堆受控核聚变堆,三步走的子反应堆(压水堆为主)快中子反应堆受控核聚变堆,三步走的路线,当前以发展热堆为主,同时要继续开展快中子增殖堆和受控核路线,当前以发展热堆为主,同时要继续开展快中子增殖堆和受控核聚变堆技术研究、开发和跟踪聚变堆技术研究、开发和跟踪”11CEFR中国原子能科学研究院(北京中国原子能科学研究院(北京中国原子能科学研究院(北京中国原子能科学研究院(北京/房山区)房山区)房山区)房山区)12pCEFR是我国第一座是我国第一座快堆,快堆,65MWt、20MWe。p2000年浇灌第一罐年浇灌第一罐混凝土,混凝土,2002年年8月月15日核岛主厂房封日核岛主厂房封顶,顶,2004年完成施年完成施工设计,工设计,2010年年7月月首次临界首次临界,2011年年7月月并网发电。并网发电。中国实验快堆中国实验快堆China Experimental Fast Reactor “CEFR”13CEFR系统流程示意图系统流程示意图14324567891088 14液态金属钠液态金属钠具有较高的传热特性具有较高的传热特性很宽的温度范围内很宽的温度范围内保持为液态保持为液态普朗特数很小普朗特数很小1 可以在很高的温度下,在较小的温差情况下可以在很高的温度下,在较小的温差情况下移走大量的热能移走大量的热能2 堆内燃料元件的热流很高,可以达到较高的堆内燃料元件的热流很高,可以达到较高的比功率比功率 3 由于热钠的热导好,热点因子也会减小,活由于热钠的热导好,热点因子也会减小,活性区内温度变化随之降低,及时在热冲击的情况性区内温度变化随之降低,及时在热冲击的情况下,结构变形的几率也非常小。下,结构变形的几率也非常小。其熔点仅为其熔点仅为97.8,沸点高达,沸点高达882.9。这样使得快堆采用比较低的系统压力这样使得快堆采用比较低的系统压力就可以得到高的反应堆堆芯出口温度。就可以得到高的反应堆堆芯出口温度。从而获得较高的动力循环效率,而堆从而获得较高的动力循环效率,而堆容器内的压力又不高,降低了造价,容器内的压力又不高,降低了造价,也就降低了发电成本。也就降低了发电成本。1 跟其它流体不同,在液态钠流道内的热阻不是集中在层流底层或缓冲层内,而是比较均匀的分布在跟其它流体不同,在液态钠流道内的热阻不是集中在层流底层或缓冲层内,而是比较均匀的分布在整个截面上。整个截面上。2 液钠的高热到使得边界条件的影响达到更远的范围,因而流道的几何形状对液钠的热传递影响很大。液钠的高热到使得边界条件的影响达到更远的范围,因而流道的几何形状对液钠的热传递影响很大。由于分子热导在整个流道中起着很重要的作用,流体中温度分布与边界的形状有很大关系由于分子热导在整个流道中起着很重要的作用,流体中温度分布与边界的形状有很大关系 3 湍流状态的液钠的热入口效应比普通流体大的多,发热面的热流分布情况对传热系数有很大影响。湍流状态的液钠的热入口效应比普通流体大的多,发热面的热流分布情况对传热系数有很大影响。15图1 CEFR堆芯流量分区在稳态情况下,快堆燃料元件的中心温度不能超在稳态情况下,快堆燃料元件的中心温度不能超过燃料的融化温度。不锈钢包壳温度温度不能超过燃料的融化温度。不锈钢包壳温度温度不能超过定值,对于采用过定值,对于采用316不锈钢的不锈钢的CEFR温度运行限温度运行限值为值为700,安全限值为,安全限值为800。.CEFR的的65MW热功率是热功率是由由堆芯燃料组件、控制棒堆芯燃料组件、控制棒组件、屏蔽层组件组件、屏蔽层组件等发出等发出的,其中堆芯燃料组件占的,其中堆芯燃料组件占90多的额定热功率。需多的额定热功率。需要约要约300kg/s的冷却剂钠的冷却剂钠从从360加热到约加热到约530,才能把堆芯的热能载出到才能把堆芯的热能载出到反应堆容器之外,并且要反应堆容器之外,并且要保证燃料的最高温度和燃保证燃料的最高温度和燃料棒包壳的最高温度不超料棒包壳的最高温度不超过它们的熔点,钠的最高过它们的熔点,钠的最高温度不超过相应压力下的温度不超过相应压力下的沸点。沸点。堆芯稳态热工设计问题堆芯稳态热工设计问题 16燃料组件采用国际通用的六角形结构,由操作头、六角形套管燃料组件采用国际通用的六角形结构,由操作头、六角形套管、管角、燃料、管角、燃料棒束和上部钢屏蔽棒等组成。燃料棒也是快堆典型的燃料棒结构,中间是燃棒束和上部钢屏蔽棒等组成。燃料棒也是快堆典型的燃料棒结构,中间是燃料区,紧靠燃料两端是贫铀转换区,下转换区下面是裂变气体腔。燃料棒插料区,紧靠燃料两端是贫铀转换区,下转换区下面是裂变气体腔。燃料棒插在组件下部格栅上,外缠螺旋绕丝,以径向定位。组件通过小栅板联箱固定在组件下部格栅上,外缠螺旋绕丝,以径向定位。组件通过小栅板联箱固定在大栅板联箱上,组件上面有定位块径向定位。在大栅板联箱上,组件上面有定位块径向定位。17主泵支承主泵支承中间热交换中间热交换器支承器支承堆内屏蔽堆内屏蔽主容器及主容器及保护容器保护容器堆芯围桶堆芯围桶压力管压力管栅扳联箱栅扳联箱堆内支承堆内支承结构结构堆芯熔化堆芯熔化收集器收集器保温层保温层大小旋塞大小旋塞钠池是池式钠冷快堆一回路主冷却系统钠池是池式钠冷快堆一回路主冷却系统的主体,它容纳反应堆堆芯、一回路循的主体,它容纳反应堆堆芯、一回路循环泵、热交换器、设备和容器的支承结环泵、热交换器、设备和容器的支承结构以及大量的液态钠(构以及大量的液态钠(CEFR有有260吨)。吨)。18快堆堆芯结构快堆堆芯结构堆芯分为两个区:堆芯分为两个区:燃料区燃料区 钚燃料组件钚燃料组件B4CB4C控制组件控制组件再生区(增值转换区)再生区(增值转换区)增殖组件增殖组件:可转换材料可转换材料布置方式:均匀,非均匀布置方式:均匀,非均匀均匀:均匀:非均匀:非均匀:19快堆燃料组件结构快堆燃料组件结构采用三角形或者六角形栅格结构的原因采用三角形或者六角形栅格结构的原因燃料棒结构燃料棒结构第一代核燃料:第一代核燃料:氧化物氧化物;第二代核燃料:第二代核燃料:炭化物炭化物芯块大小芯块大小 7mm7mm高度,高度,6mm6mm直径,包壳外径直径,包壳外径6-8mm,6-8mm,易裂变燃料易裂变燃料装载高度为燃料棒长度的装载高度为燃料棒长度的1/3,1/3,总高度为总高度为3m.3m.轴向转换区轴向转换区:贫铀氧化物,装在堆芯上部和下部,典型高:贫铀氧化物,装在堆芯上部和下部,典型高度度0.3-0.4m0.3-0.4m裂变气体腔裂变气体腔;高度;高度1m1m,位置?,位置?20快堆燃料组件结构快堆燃料组件结构燃料棒定位燃料棒定位 两种方案:两种方案:金属绕丝金属绕丝 or or 定位栅格架定位栅格架金属绕丝:金属绕丝:制造容易,成本低;机械性能好,但在运行时制造容易,成本低;机械性能好,但在运行时会发生轻微移动会发生轻微移动定位格架:定位格架:提高增值比;降低热管因子提高增值比;降低热管因子 21快堆堆内其它组件快堆堆内其它组件转换区组件:转换区组件:与燃料组件外观相似,内部装料不同,全部为增殖材料,与燃料组件外观相似,内部装料不同,全部为增殖材料,元件棒直径较大(元件棒直径较大(2 2倍),并保证线功率不超标倍),并保证线功率不超标控制组件:控制组件:主要功能(主要功能(1 1)补偿反应性()补偿反应性(2 2)启堆停堆()启堆停堆(3 3)快速停堆)快速停堆屏蔽组件:屏蔽组件:为反应堆容器和容器内的重要部件提供中子等屏蔽为反应堆容器和容器内的重要部件提供中子等屏蔽 22快堆的发展前景快堆的发展前景在我国新世纪的核能发展基本方针中指出:在我国新世纪的核能发展基本方针中指出:“核能发展继续执行热中子反应堆(压水堆为主)快中核能发展继续执行热中子反应堆(压水堆为主)快中子反应堆受控核聚变堆,三步走的路线,当前以发展子反应堆受控核聚变堆,三步走的路线,当前以发展热堆为主,同时要继续开展快中子增殖堆和受控核聚变热堆为主,同时要继续开展快中子增殖堆和受控核聚变堆技术研究、开发和跟踪堆技术研究、开发和跟踪”24
收藏
编号:48597540
类型:共享资源
大小:63.01MB
格式:ZIP
上传时间:2022-01-12
30
积分
- 关 键 词:
-
先进核反应堆结构原理
先进
核反应堆
结构
原理
教学
课件
- 资源描述:
-
《先进核反应堆结构原理》教学课件,先进核反应堆结构原理,先进,核反应堆,结构,原理,教学,课件
展开阅读全文
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 装配图网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
装配图网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。