RO《核電廠蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)》第1章 引言

第一章引言授課人：日期：中電投高級培訓中心

內(nèi)容概述1.1原子能技術(shù)的發(fā)展過程1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成1.3核反應(yīng)堆的分類1.4核電廠動力堆類型1.5第代反應(yīng)堆的概念1.1原子能技術(shù)的發(fā)展過程一、原子能的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展19世紀以前，人們一直認為原子是不可再分的中性粒子。電子的發(fā)現(xiàn)，使人們認識到原子是可分的。放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)把人們帶入了原子核內(nèi)部的世界。X射線、天然放射性和電子的發(fā)現(xiàn)，被稱為19世紀到20世紀物理學3大發(fā)現(xiàn)，一定程度上改變了后來的世界。原子結(jié)構(gòu)模型與中子、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)。X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，德國物理學家威海爾姆?康拉德?倫琴在做陰極射線實驗的過程中發(fā)現(xiàn)了X射線1901年12月10日，倫琴因為發(fā)現(xiàn)X射線而獲得諾貝爾物理學獎，成為世界上第一個獲得諾貝爾獎的物理學家倫琴(1845－1923)放射性的發(fā)現(xiàn)1896年3月，法國物理學家安東尼·亨利·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)能自發(fā)地放射出某種看不見的射線，稱為放射性。與居里夫婦因在放射學方面的深入研究和杰出貢獻，共同獲得了1903年度諾貝爾物理學獎。天然放射性的發(fā)現(xiàn)，打開了微觀世界的大門，為原子核物理學和粒子物理學的誕生和發(fā)展奠定了實驗基礎(chǔ)。貝克勒爾（1852－1908）放射性核素1898年，居里夫人發(fā)現(xiàn)了釷、釙，1902年提煉出鐳如鈾（U）、釙（Po）、鐳（Ra）等放射性元素能自發(fā)地放出一些人眼看不見的、能穿透黑紙使照相底片感光的射線1903年，和丈夫皮埃爾·居里及亨利·貝克勒爾共同獲得了諾貝爾物理學獎1911年，因分離出純的金屬鐳的成就獲得諾貝爾化學獎瑪麗·居里（1867~1934）電子的發(fā)現(xiàn)1897年，英國物理學家湯姆遜在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了電子。電子比原子小得多，電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可分的經(jīng)典的物質(zhì)觀，把人們帶入了原子內(nèi)部的世界。JosephJohnThomson（1856-1940）盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)1911年，盧瑟福提出原子模型（“有核原子模型”、“原子太陽系模型”、“原子行星模型”）中子的發(fā)現(xiàn)1932年，英國物理學家詹姆斯·查德威克又發(fā)現(xiàn)了中子。中子不帶電，其質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量基本相同。在對各種原子核進行的實驗中，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和電子是組成原子核的兩種基本粒子。建立了原子核是由質(zhì)子和中子組成的學說。查德威克（1891－1974）質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1919年，英國物理學家盧瑟福在做核反應(yīng)實驗時發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。質(zhì)子帶正電荷，其電量和一個電子的電量相同，其質(zhì)量等于一個電子質(zhì)量的1836倍。質(zhì)子的性質(zhì)和氫原子核的性質(zhì)完全相同，所以質(zhì)子就是氫原子核。ErnestRutherford（1871～1937）原子結(jié)構(gòu)模型1.1原子能技術(shù)的發(fā)展過程釋放原子能的兩種方法：核聚變核裂變1939年，哈恩提出分裂核理論， 發(fā)現(xiàn)鏈式反應(yīng)。1.吸收、裂變反應(yīng)，產(chǎn)生中子2.吸收、生成新核素3.被其他雜質(zhì)吸收4.泄漏首次實現(xiàn)可控核裂變，標志著人類正式跨入了原子能時代。

1941年12月2日，由美國科學家恩利克·費米所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，利用在芝加哥大學建成的世界上第一座人工的裂變反應(yīng)堆，首次成功地控制原子分裂的鏈式反應(yīng)核燃料工業(yè)核武器工業(yè)反應(yīng)堆工業(yè)核電工業(yè)輻射工業(yè)專用設(shè)備儀器和特殊材料工業(yè)原子能工業(yè)

核能應(yīng)用核能的應(yīng)用——核武器原子彈爆炸→氫彈爆炸中子彈爆炸→核能應(yīng)用——核電站1954年，蘇聯(lián)建成世界上第一座試驗核電站，石墨慢化水冷堆，電功率5MW英國建世界第一座氣冷堆核電站AP1000核電站核能的應(yīng)用——船舶核動力1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成壓水堆核電站原理穩(wěn)壓器反應(yīng)堆汽輪機主泵蒸汽發(fā)生器發(fā)電機給水泵凝汽器循環(huán)泵控制棒1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成

1、反應(yīng)堆本體及堆芯反應(yīng)堆容器內(nèi)存裝核燃料、慢化劑、冷卻劑、控制、測量部件、各類實驗管道，組成反應(yīng)堆本體。堆本體內(nèi)裝置有核燃料、慢化劑、冷卻劑、控制部件的部位稱為堆芯。1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成2、核燃料核燃料就是核反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生核裂變，放出能量和裂變中子的基體燃料。（1）易裂變核燃料：以金屬形式或以合金、化合物形式存在的鈾-233、鈾-235及钚-239。（2）可再生核燃料：釷-232、鈾-238，在核反應(yīng)堆內(nèi)吸收一個中子后會分別轉(zhuǎn)化為易裂變?nèi)剂镶?233和钚-239。將固體核燃料芯塊裝在包殼內(nèi)封死，做成帶包殼可更換的單元體，通稱燃料元件。多個燃料元件利用機械連接方式組合成一個可同時更換的整體，稱為核燃料組件。燃料棒結(jié)構(gòu)燃料組件1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成3、慢化劑慢化劑：放在堆芯能把裂變中子迅速減速的物質(zhì)。中子吸收截面較小、慢化能力較高的輕物質(zhì)作慢化劑材料，如輕水、重水、石墨、鈹及氧化鈹和有機化合物等。反射層：在熱中子堆堆芯的四周放置一層慢化劑類材料，把泄漏出堆芯的中子部分反射回去，以提高中子利用率，減少核燃料裝載。1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成4、冷卻劑及其系統(tǒng)冷卻劑（載熱劑）：將核裂變產(chǎn)生的熱量帶出堆芯的物質(zhì)。（1）要求導(dǎo)熱性能好，吸收中子少。（2）冷卻劑可以是液體、氣體，也可以是其他流動類物質(zhì)，最常用的如輕水、重水、氯氣、液態(tài)金屬鈾等。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)：冷卻劑以足夠的流量通過密閉的冷卻環(huán)路不斷循環(huán)，將堆芯熱量帶出并轉(zhuǎn)移走。（1）主要由核反應(yīng)堆壓力容器、循環(huán)泵、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、閥門和連接管道等設(shè)備組成。（2）具有良好的密封性能和承受足夠溫度、壓力的能力，不使帶放射性的冷卻劑外泄。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成5、控制系統(tǒng)核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)是為了使反應(yīng)堆能夠安全地實現(xiàn)啟動、停閉、改變功率；能在正常情況下穩(wěn)定運行；能在異常工況下及時作出反應(yīng)，采取相應(yīng)對策，避免發(fā)生事故；能在事故工況快速停堆，確保安全。一般包括堆芯監(jiān)測系統(tǒng)、核監(jiān)測系統(tǒng)、反應(yīng)堆控制系統(tǒng)和反應(yīng)堆保護系統(tǒng)。（1）設(shè)置探測器以獲得信號用于監(jiān)測、控制；（2）在堆內(nèi)放入控制棒（事故棒、調(diào)節(jié)棒、補償棒）；（3）在冷卻劑中加入棚酸等溶液以控制反應(yīng)性。1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成6、專設(shè)安全設(shè)施在核反應(yīng)堆上確保反應(yīng)堆事故狀態(tài)下從堆芯排出余熱、實現(xiàn)必要冷卻；控制已發(fā)生的事故不再繼續(xù)擴展、惡化；緩解已發(fā)生的事故，使事故后果降至最小；將可能釋放出來的放射性物質(zhì)盡量密封隔離，使之不外泄或少外泄；確保周圍居民和工作人員的健康不受損害，環(huán)境不被污染等。

專設(shè)安全設(shè)施組成專設(shè)安全設(shè)施堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)安全殼噴淋系統(tǒng)輔助給水系統(tǒng)安全殼內(nèi)消氫系統(tǒng)安全殼及安全殼內(nèi)通風冷卻過濾系統(tǒng)安全殼隔離系統(tǒng)主蒸汽管道斷裂隔離系統(tǒng)堆芯余熱排出系統(tǒng)堆芯應(yīng)急冷卻電源系統(tǒng)1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成7、屏蔽用來吸收減弱來自堆芯及其系統(tǒng)的中子、γ射線的輻射，保護工作人員和周圍居民的身體健康，或防止反應(yīng)堆部件因過度輻照而引起材料脆化、發(fā)熱過高的措施稱為屏蔽。屏蔽材料要求具有良好的抗輻照性能，一定的機械強度，盡可能大的導(dǎo)熱系數(shù)。體積質(zhì)量（密度）小的材料，如水、石墨、含硼材料及石蠟、塑料等。重元素和含氧物質(zhì)的混合物，如混凝土。1.2核反應(yīng)堆及系統(tǒng)基本組成8、二回路系統(tǒng)和最終熱阱二回路系統(tǒng)的任務(wù)是把一回路冷卻劑傳遞來的熱量轉(zhuǎn)移走。不同堆型的熱量轉(zhuǎn)移方式和最終轉(zhuǎn)換成何種能源用途各不相同。9、輔助系統(tǒng)一、二回路輔助系統(tǒng)：化學和容積控制系統(tǒng)、硼和水補給系統(tǒng)、堆芯余熱排放系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)等；核燃料更換、貯存、運輸所需的相應(yīng)系統(tǒng)；放射性廢氣、廢液、廢物處理系統(tǒng)；儀控電、輻射監(jiān)測、通風、通訊廣播、氣水暖、消防系統(tǒng)。

壓水堆核電站二回路系統(tǒng)1.3核反應(yīng)堆的分類反應(yīng)堆類型熱中子堆快中子堆中能中子堆能量小于0.1eV的熱中子能量大于0.1MeV的快中子能量為1eV~10keV的中能中子一、按中子能量區(qū)分堆型1.3核反應(yīng)堆的分類實驗、研究、試驗類堆研究實驗堆工程實驗堆輻照應(yīng)用研究堆動力堆電站堆艦船用堆供熱堆生產(chǎn)堆易裂變材料生產(chǎn)堆聚變材料生產(chǎn)堆二、按用途分類1.3核反應(yīng)堆的分類三、按主要組成部分分類核燃料固體燃料堆流態(tài)燃料堆慢化劑液體慢化劑堆固體慢化劑堆冷卻劑氣體冷卻堆液體冷卻堆1.3核反應(yīng)堆的分類四、按核反應(yīng)堆設(shè)計特點分類核燃料天然鈾堆、低濃鈾堆、高濃鈾堆、钚燃料堆、釷堆堆芯構(gòu)型均勻堆、非均勻堆、強化堆芯堆、稀釋堆芯堆、循環(huán)燃料堆、裸堆轉(zhuǎn)換比燃料堆、轉(zhuǎn)換堆、增殖堆一次冷卻劑回路壓水堆、沸水堆、循環(huán)燃料堆、強制循環(huán)堆、自然對流堆機動性移動式堆、可運輸堆、裝配式堆、空間堆堆體結(jié)構(gòu)池式堆、壓力容器式堆、壓力管式堆1.4核電廠動力堆類型一、概述根據(jù)IAEA2005年統(tǒng)計，世界上共有430座核電廠，約占電廠總裝機容量的16%，另有24座在建，已關(guān)閉核電機組117臺。全世界已有約12000堆·年的核電運行經(jīng)驗。1.4核電廠動力堆類型二、輕水慢化堆（LWR）

（1）水的中子慢化能力強，熱物理性能好；

（2）與結(jié)構(gòu)材料相容；

（3）價格低；

（4）核燃料采用鋯合金包殼、二氧化鈾芯塊，安全性好；

（5）具有負溫度反應(yīng)性效應(yīng)，反應(yīng)堆自穩(wěn)定性能好；

（6）堆芯緊湊，水、蒸汽工藝屬于常規(guī)成熟的技術(shù)，建造成本較低；

（7）堆芯燃料必須要用低富集度的加濃鈾；

（8）需要定期停堆開蓋才能進行換料；

（9）受運行壓力限制。1.4核電廠動力堆類型1、壓水堆壓水堆是核電站中使用最多的堆型，技術(shù)成熟，安全性好，易于控制壓水堆使用輕水作為慢化劑和冷卻劑，運行過程中以高壓保持流經(jīng)堆芯的水為液相使用UO2陶瓷燃料，U-235富集度為3~4%左右采用控制棒和硼酸控制反應(yīng)性反應(yīng)堆運行壓力為15.5MPa左右，反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度為300~330℃左右，蒸汽壓力為5~7MPa核電站熱效率為31%~34%左右

壓水堆本體

壓水堆一回路1.4核電廠動力堆類型2、沸水堆沸水堆是以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑，并在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽的動力堆。沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、建造費用低和負荷跟隨能力強等優(yōu)點。它們都需使用低富集鈾作燃料。沸水堆不需要專門的蒸汽發(fā)生器，運行參數(shù)較壓水堆低;具有很強的自然循環(huán)能力，一般可達40~50%FP，甚至100%FP;反應(yīng)堆壓力容器底部有較大數(shù)量的孔洞;（控制棒）具有強烈的空泡負反饋，對喪失熱阱非常敏感。1.4核電廠動力堆類型3、重水慢化堆（HWR）重水堆是以重水作慢化劑的反應(yīng)堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料。重水堆可用輕水或重水作冷卻劑，重水堆分壓力容器式和壓力管式兩類。重水堆核電站是發(fā)展較早的核電站，有各種類別，但已實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模推廣的只有加拿大發(fā)展起來的坎杜型壓力管式重水堆核電站。

重水堆冷卻劑系統(tǒng)CANDU堆及其燃料管道4、快堆核電站由快中子引起鏈式裂變反應(yīng)所釋放出來的熱能轉(zhuǎn)換為電能的核電站?？於言谶\行中既消耗裂變材料，又生產(chǎn)新裂變材料，而且所產(chǎn)可多于所耗，能實現(xiàn)核裂變材料的增殖。壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂變?nèi)剂希词乖倮棉D(zhuǎn)換出來的钚-239等易裂變材料，對鈾資源的利用率只有1％~2％；在快堆中，鈾-238原則上都能轉(zhuǎn)換成钚-239而得以使用，但考慮到各種損耗，快堆可將鈾資源的利用率提高到60％~70％?；芈肥娇於严到y(tǒng)池式快堆系統(tǒng)1.5第四代反應(yīng)堆概念2002年9月20日，在日本東京召開的第四代反應(yīng)堆國際研討會上，公布了6種第四代反應(yīng)堆設(shè)計概念。這6種設(shè)計概念將成為美國和其他九個國家共同開發(fā)第四代反應(yīng)堆的發(fā)展方向。氣冷快堆系統(tǒng)（GFR）鉛合金液態(tài)金屬冷卻快堆系統(tǒng)（LFR）熔鹽反應(yīng)堆系統(tǒng)（MSR）液態(tài)金屬鈉冷卻快堆系統(tǒng)（SFR）超臨界水冷反應(yīng)堆系統(tǒng)（SCWR）超高溫氣冷反應(yīng)堆系統(tǒng)（VHTR）1.5第四代反應(yīng)堆概念快中子譜氦冷反應(yīng)堆，采用閉式燃料循環(huán)，燃料可選擇復(fù)合陶瓷燃料。采用直接循環(huán)氦氣輪機發(fā)電，或采用其工藝熱進行氫的熱化學生產(chǎn)。通過綜合利用快中子譜與錒系元素的完全再循環(huán)，GFR能將長壽命放射性廢物的產(chǎn)生量降到最低。其快中子譜還能利用現(xiàn)有的裂變材料和可轉(zhuǎn)換材料（包括貧鈾）。參考反應(yīng)堆是288兆瓦的氦冷系統(tǒng)，出口溫度為850℃。1、氣冷快堆系統(tǒng)GFR）1.5第四代反應(yīng)堆概念系統(tǒng)是快中子鉛（鉛/鉍共晶）液態(tài)金屬冷卻堆，采用閉式燃料循環(huán)，以實現(xiàn)鈾的有效轉(zhuǎn)化，并控制錒系元素。燃料是含有可轉(zhuǎn)換鈾和超鈾元素的金屬或氮化物。LFR系統(tǒng)的特點是可在一系列電廠額定功率中進行選擇，例如LFR系統(tǒng)可以是一個1200兆瓦的大型整體電廠，也可以選擇額定功率在300~400兆瓦的模塊系統(tǒng)與一個換料間隔很長（15~20年）的50~100兆瓦的電池組的組合。LFR電池組是一個小型的工廠制造的交鑰匙電廠，可滿足市場上對小電網(wǎng)發(fā)電的需求。2、鉛合金液態(tài)金屬冷卻快堆1.5第四代反應(yīng)堆概念3、熔鹽反應(yīng)堆是超熱中子譜堆，燃料是鈉、鋯和氟化鈾的循環(huán)液體混合物。熔鹽燃料流過堆芯石墨通道，產(chǎn)生超熱中子譜。MSR系統(tǒng)的液體燃料不需要制造燃料元件，并允許添加钚這樣的錒系元素。錒系元素和大多數(shù)裂變產(chǎn)物在液態(tài)冷卻劑中會形成氟化物。熔融的氟鹽具有很好的傳熱特性，可降低對壓力容器和管道的壓力。參考電站的功率水平為1000兆瓦，冷卻劑出口溫度700~800℃，熱效率高。1.5第四代反應(yīng)堆概念1.5第四代反應(yīng)堆概念是快中子譜鈉冷堆，它采用可有效控制錒系元素及可轉(zhuǎn)換鈾的轉(zhuǎn)化的閉式燃料循