第8章-核能發(fā)電與應(yīng)用技術(shù)

1電氣學(xué)院第8章核能發(fā)電與應(yīng)用技術(shù)2電氣學(xué)院3電氣學(xué)院主要內(nèi)容核能的形式及其利用8.1核反應(yīng)原理及反應(yīng)裝置8.2核能發(fā)電技術(shù)與發(fā)電設(shè)備8.3核電站的運(yùn)行與監(jiān)控系統(tǒng)8.4核能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)8.54電氣學(xué)院8.1核能的形式及其利用核能包括核裂變能、核聚變能、核素衰變能等。其中主要的核能形式為核裂變能和核聚變能。核裂變能是重元素(鈾或釷等)在中子的轟擊下，原子核發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)放出的能量；核聚變能是輕元素(氘和氚)的原子核發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)放出的能量。8.1.1核能的主要形式5電氣學(xué)院8.1.1.1核裂變能某些重核原子如等，在熱中子的轟擊下，原子核發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生質(zhì)量相差不多的兩種核素和幾個(gè)中子，并釋放出大量的能量。以為例:據(jù)測(cè)算，1kg全部裂變后釋放出的能量，相當(dāng)于

燃燒放出的化學(xué)能。

標(biāo)準(zhǔn)煤完全6電氣學(xué)院8.1.1.1核裂變能在不加控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，從一個(gè)原子核開始裂變放出中子，到該中子引發(fā)下一代原子核的裂變，只需一納秒（10-9s）時(shí)間。在非常短的時(shí)間以及有限空間內(nèi)，核裂變所放出巨大的能量必然會(huì)引起劇烈地爆炸。原子彈就是根據(jù)這種不加控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理制成的。通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的控制，使核裂變能緩緩地釋放出來，可用于直接供熱或發(fā)電等。核裂變電站就是利用可控核裂變來發(fā)電的。7電氣學(xué)院8.1.1.2核聚變能核聚變是由兩個(gè)或多個(gè)輕元素的原子核，如氫的同位素氘(

)或氚()的原子核，聚合成一個(gè)較重的原子核的過程。在這個(gè)過程中，由于某些輕元素如氘在聚變時(shí)質(zhì)量虧損較核裂變反應(yīng)時(shí)大，根據(jù)，核聚變反應(yīng)將會(huì)放出更多的能量。

8電氣學(xué)院8.1.1.3核能發(fā)電的特點(diǎn)1能量的高度集中。利用核能可以大大減少燃料開采、運(yùn)輸和貯存的困難及費(fèi)用。

2

鈾資源豐富。能提供的能量已大大超過全球可用的煤炭、石油和天然氣儲(chǔ)量之和。9電氣學(xué)院8.1.1核能的和平利用核技術(shù)最初被作為現(xiàn)代化武器在國防軍事領(lǐng)域所使用，如原子彈、氫彈。而后，隨著社會(huì)的發(fā)展陸續(xù)開始在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如利用核能直接為工廠或家庭取暖供熱、核能發(fā)電、海水淡化、氫燃料的制備、航天器用的熱電轉(zhuǎn)換型同位素空間電池(利用核素衰變熱發(fā)電)、心臟起博器或軍用微機(jī)械用同位素電池(輻射伏特效應(yīng))、食品輻照、食品和器具的消毒等。

10電氣學(xué)院8.2核反應(yīng)原理及反應(yīng)裝置8.2.1核反應(yīng)堆原理核電站是利用核裂變反應(yīng)釋放出的能量來發(fā)電的工廠。它是通過冷卻劑流過核燃料元件表面，把裂變產(chǎn)生的熱量帶出來，再產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。11電氣學(xué)院

壓水堆核電站工作原理12電氣學(xué)院8.2海洋能的分類與利用8.2.2核反應(yīng)堆裝置幾種主要的核電堆型a）壓水堆b）沸水堆c）重水堆反應(yīng)堆

核反應(yīng)堆裝置由堆芯、冷卻系統(tǒng)、中子慢化系統(tǒng)、中子反射層、控制與保護(hù)系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。13電氣學(xué)院8.3核能發(fā)電技術(shù)與發(fā)電設(shè)備壓水堆全稱為加壓輕水慢化冷卻反應(yīng)堆。壓水堆核電廠的反應(yīng)堆采用普通高純水作慢化劑和冷卻劑，低富集度的二氧化鈾為燃料，為了把反應(yīng)堆的出口水溫提高到300℃左右，必須將壓力提高到14～16MPa左右，以防止沸騰。所以稱這種類型的反應(yīng)堆為加壓水反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱壓水堆。壓水堆結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。14電氣學(xué)院壓水堆結(jié)構(gòu)圖

在壓水堆核電廠中，反應(yīng)堆進(jìn)行核裂變。將核能轉(zhuǎn)化成熱能，水作為冷卻劑流經(jīng)堆芯將堆內(nèi)釋放的熱量通過反應(yīng)堆冷卻劑管道傳到蒸汽發(fā)生器，在那里傳遞給二次側(cè)的給水(二回路工質(zhì))，使其成為飽和蒸汽。冷卻劑在蒸汽發(fā)生器中被冷卻后由主冷卻劑泵打回反應(yīng)堆重新加熱，形成一個(gè)封閉的吸熱和放熱的循環(huán)流動(dòng)過程，這個(gè)循環(huán)回路稱為一回路，也是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的主要部分，其功能是冷卻堆芯并帶走熱量。由于一回路的主要設(shè)備是反應(yīng)堆，所以通常將一回路及其輔助系統(tǒng)和廠房統(tǒng)稱為核島（NI）。15電氣學(xué)院核能發(fā)電實(shí)際是核能→熱能→機(jī)械能→電能的能量轉(zhuǎn)換過程。其中熱能→機(jī)械能→電能的能量轉(zhuǎn)換過程與常規(guī)火力發(fā)電廠的工藝過程基本相同，只是設(shè)備的技術(shù)參數(shù)略有不同。核反應(yīng)堆的功能相當(dāng)于常規(guī)火電廠的鍋爐系統(tǒng)，只是由于流經(jīng)堆芯的反應(yīng)堆冷卻劑帶有放射性，不宜直接送入汽輪機(jī)，所以壓水堆核電廠比常規(guī)火電廠多一套動(dòng)力回路。16電氣學(xué)院12壓水堆核電廠系統(tǒng)構(gòu)成核島系統(tǒng)常規(guī)島系統(tǒng)一回路系統(tǒng)專設(shè)安全系統(tǒng)核輔助系統(tǒng)三廢處理系統(tǒng)電廠輔助系統(tǒng)汽輪機(jī)回路循環(huán)冷卻水系統(tǒng)電氣系統(tǒng)17電氣學(xué)院8.4核能站的運(yùn)行與監(jiān)控系統(tǒng)核反應(yīng)堆的啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、停堆等是依靠控制棒的運(yùn)行進(jìn)行控制；一回路的壓力、冷卻劑容量控制靠穩(wěn)壓器系統(tǒng)來完成；停堆后的熱量導(dǎo)出由余熱排除系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)；一回路冷卻劑的水質(zhì)控制由化學(xué)和容積控制系統(tǒng)來完成；一回路的正常泄漏補(bǔ)償由化學(xué)和容積控制系統(tǒng)來完成；一回路的事故泄漏補(bǔ)償由安注系統(tǒng)(高壓、低壓、及中壓安注系統(tǒng))來實(shí)現(xiàn)。18電氣學(xué)院8.4.1核電站的運(yùn)行對(duì)于壓水堆核電站，反應(yīng)堆的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行方式包括以下幾種：（1）冷停堆。（2）中間停堆。（3）熱停堆。（4）熱備用。（5）功率運(yùn)行。19電氣學(xué)院反應(yīng)堆啟動(dòng)過程一回路沖水排氣一回路升溫、穩(wěn)壓器建立汽腔繼續(xù)升溫至熱停堆反應(yīng)堆達(dá)到臨界

提升功率到2%核電站的額定功率升負(fù)荷至100%額定功率

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)

20電氣學(xué)院核電站停堆過程

核電站的停堆過程相對(duì)簡(jiǎn)單。首先是按照一定的速率降負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷低到一定程度時(shí)汽輪機(jī)跳閘，同時(shí)發(fā)電機(jī)解列。隨后繼續(xù)硼化或者插人G棒，降低功率到2%額定功率以下，使機(jī)組處于熱備用狀態(tài)。根據(jù)計(jì)劃安排，進(jìn)行下一步的工作。21電氣學(xué)院8.4.2核電站的監(jiān)控系統(tǒng)8.4.2.1核電廠儀表和控制系統(tǒng)的功能

核電廠儀表和控制系統(tǒng)包括核島(NI)、常規(guī)島(CI)及電廠輔助設(shè)施(BOP)等部分的儀表和控制系統(tǒng)。核電廠儀表和控制系統(tǒng)構(gòu)成電廠人/機(jī)系統(tǒng)中的接口，其主要功能包括：(1)在正常運(yùn)行、預(yù)計(jì)運(yùn)行事件和事故工況下，監(jiān)測(cè)核電廠參數(shù)和各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為操縱員安全有效地操縱核電廠提供必要信息。(2)通過自動(dòng)化設(shè)備的自動(dòng)控制或操縱員手動(dòng)控制，將工藝系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)維持在運(yùn)行工況規(guī)定的限值內(nèi)。(3)在異常工況和事故工況下，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)人員、反應(yīng)堆和系統(tǒng)設(shè)備的安全，避免環(huán)境受到放射性污染。(4)為操縱員提供事故后實(shí)施操作的監(jiān)控手段，從而能將核電廠導(dǎo)致并保持在安全狀態(tài)。22電氣學(xué)院8.4.2.2核電廠的監(jiān)測(cè)和控制方式

1集中的監(jiān)測(cè)和控制2分散、成組的監(jiān)測(cè)和控制

3就地監(jiān)測(cè)和控制監(jiān)測(cè)控制方式.23電氣學(xué)院8.4.2.3核電廠控制室

在核電廠中，控制室系統(tǒng)是指包括人機(jī)接口、控制室工作人員、操作規(guī)程、培訓(xùn)大綱和相關(guān)的設(shè)施或設(shè)備的總體，它們共同維持控制室功能的正確執(zhí)行。1．主控制室由主控制室集中控制和監(jiān)測(cè)的、并由操縱員操作的設(shè)備和系統(tǒng)用于執(zhí)行以下功能:(1)使得機(jī)組安全運(yùn)行。(2)提高機(jī)組的可用率。(3)保證設(shè)備安全。(4)保障人員安全。24電氣學(xué)院主控室平面布置圖25電氣學(xué)院2．公共控制室對(duì)于雙堆機(jī)組，除了每個(gè)機(jī)組設(shè)置了一個(gè)主控制室外，兩臺(tái)機(jī)組公用的某些功能是從公共控制室內(nèi)的公共控制盤控制和監(jiān)測(cè)的。公共控制室位于兩個(gè)機(jī)組的主控室之間，并緊靠在一起，以便每個(gè)機(jī)組的操縱員能迅速到達(dá)該房間內(nèi)操作。公共控制室的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)以及盤臺(tái)設(shè)備等都與主控室的要求一樣。26電氣學(xué)院8.4.2.4控制室未來發(fā)展方向

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，核電站主控制室正朝向計(jì)算機(jī)化的先進(jìn)控制室方向發(fā)展，由計(jì)算機(jī)工作站取代常規(guī)儀表控制設(shè)備，使操縱員能夠更多地從事電站的監(jiān)督管理工作。先進(jìn)的控制室主要包括下列設(shè)置：（1)計(jì)算機(jī)化的工作站(操縱員、值長(zhǎng))。（2）大屏幕。（3）與工作站冗余的、與安全有關(guān)的控制盤臺(tái)。（4）火災(zāi)探測(cè)及消防盤。（5）保安、通信設(shè)施。27電氣學(xué)院8.4.2.5計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

秦山第二核電廠計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖28電氣學(xué)院一體化分布式儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖29電氣學(xué)院我國核電的發(fā)展

我國第一座實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆是在1954年6月建成投入運(yùn)行的，我國自行設(shè)計(jì)研制、建造的秦山核電站已經(jīng)運(yùn)行發(fā)電了；廣東大亞灣電站第一期工程也已建成，并運(yùn)行發(fā)電了，全部建成后年發(fā)電量可達(dá)100億度.因?yàn)殁櫤肆炎冇蟹派湫晕廴?，因而建設(shè)核電站時(shí)必須采用可靠的防護(hù)措施，防止放射性物質(zhì)泄漏，避免造成放射性污染，以保證核電站的安全運(yùn)行.我國對(duì)核電站的安全非常重視，有專門負(fù)責(zé)安全監(jiān)督的核安全局，保證核能的安全應(yīng)用.30電氣學(xué)院我國核電的發(fā)展

31電氣學(xué)院我國核電的發(fā)展

32電氣學(xué)院我國核電的發(fā)展

33電氣學(xué)院我國核電的發(fā)展

34電氣學(xué)院我國核電的發(fā)展

35電氣學(xué)院8.5核能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)核電廠經(jīng)濟(jì)分析，狹義地說，是對(duì)某個(gè)核電廠工程建設(shè)項(xiàng)目作投資概算、發(fā)電成本和經(jīng)濟(jì)效益分析；廣義地說，是通過對(duì)核電廠作多個(gè)工程建設(shè)方案的投資概算、發(fā)電成本和經(jīng)濟(jì)效益分析，對(duì)各個(gè)方案作對(duì)比分析，研究并確定核電廠最佳工程建設(shè)方案和改進(jìn)的方向。核電成本，核電廠單位發(fā)電量的生產(chǎn)成本，即把為發(fā)電而在基本建設(shè)、運(yùn)行維修、核燃料和退役等方面投入資金的總和，分?jǐn)偟剿a(chǎn)的每1kW·h上。一般計(jì)算公式為式中，C為核電成本；S為基本建設(shè)投資；O為運(yùn)行維修費(fèi)；F為核燃料費(fèi)；E為扣除廠用電后的凈發(fā)電量。36電氣學(xué)院核電廠發(fā)電成本由投資提成