第8章_核能發(fā)電與應用技術

1、第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術1電氣學院第第8章章核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術2電氣學院第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術3電氣學院主要內容主要內容核能的形式及其利用核能的形式及其利用8.1核反應原理及反應裝置核反應原理及反應裝置8.2核能發(fā)電技術與發(fā)電設備核能發(fā)電技術與發(fā)電設備8.3核電站的運行與監(jiān)控系統核電站的運行與監(jiān)控系統8.4核能發(fā)電的經濟技術性評價核能發(fā)電的經濟技術性評價8.5第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術4電氣學院8.1 核能的形式及其利用核能的形式及其利用核能包括核能包括核裂

2、變能、核聚變能、核素衰核裂變能、核聚變能、核素衰變能變能等。其中主要的核能形式為核裂變能和等。其中主要的核能形式為核裂變能和核聚變能。核裂變能是重元素核聚變能。核裂變能是重元素( (鈾或釷等鈾或釷等) )在在中子的轟擊下，原子核發(fā)生裂變反應時放出中子的轟擊下，原子核發(fā)生裂變反應時放出的能量；核聚變能是輕元素的能量；核聚變能是輕元素( (氘和氚氘和氚) )的原子的原子核發(fā)生聚變反應時放出的能量。核發(fā)生聚變反應時放出的能量。 8.1.1 核能的主要形式核能的主要形式第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術5電氣學院8.1.1.1 核裂變能核裂變能235U235U某些重核原子如某些重核原子如

3、 等，在熱中子的轟擊下，原子核發(fā)生裂變反應，產生等，在熱中子的轟擊下，原子核發(fā)生裂變反應，產生質量相差不多的兩種核素和幾個中子，并釋放出大量的能量。以質量相差不多的兩種核素和幾個中子，并釋放出大量的能量。以為例為例: :235113797192056360UnBaKr2 n200MeV據測算，據測算，1kg 1kg 全部裂變后釋放出的能量，相當于全部裂變后釋放出的能量，相當于 235U32.7 10 t燃燒放出的化學能。燃燒放出的化學能。 標準煤完全標準煤完全第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術6電氣學院8.1.1.1 核裂變能核裂變能在不加控制的鏈式反應中，從一個原子核開始裂變放

4、出在不加控制的鏈式反應中，從一個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（中子，到該中子引發(fā)下一代原子核的裂變，只需一納秒（1010- -9 9s s）時間。在非常短的時間以及有限空間內，核裂變所放出）時間。在非常短的時間以及有限空間內，核裂變所放出巨大的能量必然會引起劇烈地爆炸。原子彈就是根據這種不巨大的能量必然會引起劇烈地爆炸。原子彈就是根據這種不加控制的鏈式反應的原理制成的。通過鏈式反應的控制，使加控制的鏈式反應的原理制成的。通過鏈式反應的控制，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

5、用可控核裂變來發(fā)電的。變電站就是利用可控核裂變來發(fā)電的。 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術7電氣學院8.1.1.2 核聚變能核聚變能核聚變是由兩個或多個輕元素的原子核，如氫的同位素氘核聚變是由兩個或多個輕元素的原子核，如氫的同位素氘( ( 21H) ) 或氚或氚( ( 31H) ) 的原子核，聚合成一個較重的原子核的過程。在的原子核，聚合成一個較重的原子核的過程。在這個過程中，這個過程中， 由于某些輕元素如氘在聚變時質量虧損較核裂變由于某些輕元素如氘在聚變時質量虧損較核裂變反應時大，根據反應時大，根據2Emc，核聚變反應將會放出更多的能量。，核聚變反應將會放出更多的能量。 第第

6、8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術8電氣學院8.1.1.3 核能發(fā)電的特點核能發(fā)電的特點1能量的高度集中。能量的高度集中。利用核能可以大大減少燃料開采、運輸和貯存的困難及費用。 2 鈾資源豐富。鈾資源豐富。能提供的能量已大大超過全球可用的煤炭、石油和天然氣儲量之和。 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術9電氣學院8.1.1 核能的和平利用核能的和平利用核技術最初被作為現代化武器在國防軍事領域所使用，如核技術最初被作為現代化武器在國防軍事領域所使用，如原子彈、氫彈。而后，隨著社會的發(fā)展陸續(xù)開始在工業(yè)、農原子彈、氫彈。而后，隨著社會的發(fā)展陸續(xù)開始在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學等諸多領域廣

7、泛應用。如利用核能直接為工廠或家業(yè)、醫(yī)學等諸多領域廣泛應用。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、航天器用的熱電轉換型同位素空間電池用的熱電轉換型同位素空間電池( (利用核素衰變熱發(fā)電利用核素衰變熱發(fā)電) )、 心心臟起博器或軍用微機械用同位素電池臟起博器或軍用微機械用同位素電池( (輻射伏特效應輻射伏特效應) )、食品、食品輻照、食品和器具的消毒等。輻照、食品和器具的消毒等。 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術10電氣學院8.2 核反應原理及反應裝置核反應原理及反應裝置8.2.1 核反應堆原理核

8、反應堆原理核電站是利用核裂變反應釋放出的能量來發(fā)電的工核電站是利用核裂變反應釋放出的能量來發(fā)電的工廠。它是通過冷卻劑流過核燃料元件表面，把裂變產廠。它是通過冷卻劑流過核燃料元件表面，把裂變產生的熱量帶出來，再產生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)生的熱量帶出來，再產生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。電。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術11電氣學院 壓水堆核電站工作原理壓水堆核電站工作原理 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術12電氣學院8.2 海洋能的分類與利用海洋能的分類與利用8.2.2 核反應堆裝置核反應堆裝置幾種主要的核電堆型幾種主要的核電堆型 a）壓水堆）壓水堆b）沸水堆

9、）沸水堆c）重水堆）重水堆反應堆反應堆 核反應堆裝置由堆芯、冷卻系核反應堆裝置由堆芯、冷卻系統、中子慢化系統、中子反射統、中子慢化系統、中子反射層、控制與保護系統、屏蔽系層、控制與保護系統、屏蔽系統、輻射監(jiān)測系統等組成。統、輻射監(jiān)測系統等組成。 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術13電氣學院8.3 核能發(fā)電技術與發(fā)電設備核能發(fā)電技術與發(fā)電設備壓水堆全稱為加壓輕水慢化冷卻反應堆。壓水堆核壓水堆全稱為加壓輕水慢化冷卻反應堆。壓水堆核電廠的反應堆采用普通高純水作慢化劑和冷卻劑，低富電廠的反應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，為了把反應堆的出口水溫提高集度的二氧

10、化鈾為燃料，為了把反應堆的出口水溫提高到到300左右，必須將壓力提高到左右，必須將壓力提高到1416MPa左右，以左右，以防止沸騰。所以稱這種類型的反應堆為加壓水反應堆，防止沸騰。所以稱這種類型的反應堆為加壓水反應堆，簡稱壓水堆。壓水堆結構圖如下圖所示。簡稱壓水堆。壓水堆結構圖如下圖所示。 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術14電氣學院壓水堆結構圖壓水堆結構圖 在壓水堆核電廠中，反應堆進行核在壓水堆核電廠中，反應堆進行核裂變。將核能轉化成熱能，水作為冷裂變。將核能轉化成熱能，水作為冷卻劑流經堆芯將堆內釋放的熱量通過卻劑流經堆芯將堆內釋放的熱量通過反應堆冷卻劑管道傳到蒸汽發(fā)生器，反

11、應堆冷卻劑管道傳到蒸汽發(fā)生器，在那里傳遞給二次側的給水在那里傳遞給二次側的給水(二回路二回路工質工質)，使其成為飽和蒸汽。，使其成為飽和蒸汽。 冷卻劑在蒸汽發(fā)生器中被冷卻后由冷卻劑在蒸汽發(fā)生器中被冷卻后由主冷卻劑泵打回反應堆重新加熱，形主冷卻劑泵打回反應堆重新加熱，形成一個封閉的吸熱和放熱的循環(huán)流動成一個封閉的吸熱和放熱的循環(huán)流動過程，這個循環(huán)回路稱為一回路，也過程，這個循環(huán)回路稱為一回路，也是核蒸汽供應系統的主要部分，其功是核蒸汽供應系統的主要部分，其功能是冷卻堆芯并帶走熱量。能是冷卻堆芯并帶走熱量。 由于一回路的主要設備是反應堆，由于一回路的主要設備是反應堆，所以通常將一回路及其輔助系統和

12、廠所以通常將一回路及其輔助系統和廠房統稱為核島（房統稱為核島（NI）。）。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術15電氣學院核能發(fā)電實際是核能發(fā)電實際是核能核能熱能熱能機械能機械能電能的能量電能的能量轉換過程轉換過程。其中熱能。其中熱能機械能機械能電能的能量轉換過程與電能的能量轉換過程與常規(guī)火力發(fā)電廠的工藝過程基本相同，只是設備的技術常規(guī)火力發(fā)電廠的工藝過程基本相同，只是設備的技術參數略有不同。核反應堆的功能相當于常規(guī)火電廠的鍋參數略有不同。核反應堆的功能相當于常規(guī)火電廠的鍋爐系統，只是由于流經堆芯的反應堆冷卻劑帶有放射性，爐系統，只是由于流經堆芯的反應堆冷卻劑帶有放射性，不宜直接送

13、入汽輪機，所以壓水堆核電廠比常規(guī)火電廠不宜直接送入汽輪機，所以壓水堆核電廠比常規(guī)火電廠多一套動力回路。多一套動力回路。 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術16電氣學院壓水壓水堆核堆核電廠電廠 系統系統構成構成核島系統核島系統常規(guī)島系統常規(guī)島系統一回路系統一回路系統專設安全系統專設安全系統核輔助系統核輔助系統三廢處理系統三廢處理系統電廠輔助系統電廠輔助系統汽輪機回路汽輪機回路循環(huán)冷卻水系統循環(huán)冷卻水系統電氣系統電氣系統第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術17電氣學院8.4 核能站的運行與監(jiān)控系統核能站的運行與監(jiān)控系統核反應堆的啟動、功率調節(jié)、停堆等是依靠控制核反應堆的啟

14、動、功率調節(jié)、停堆等是依靠控制棒的運行進行控制；一回路的壓力、冷卻劑容量控棒的運行進行控制；一回路的壓力、冷卻劑容量控制靠穩(wěn)壓器系統來完成；停堆后的熱量導出由余熱制靠穩(wěn)壓器系統來完成；停堆后的熱量導出由余熱排除系統來實現；一回路冷卻劑的水質控制由化學排除系統來實現；一回路冷卻劑的水質控制由化學和容積控制系統來完成；一回路的正常泄漏補償由和容積控制系統來完成；一回路的正常泄漏補償由化學和容積控制系統來完成；一回路的事故泄漏補化學和容積控制系統來完成；一回路的事故泄漏補償由安注系統償由安注系統(高壓、低壓、及中壓安注系統高壓、低壓、及中壓安注系統)來實現。來實現。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能

15、發(fā)電與應用技術18電氣學院8.4.1 核電站的運行核電站的運行對于壓水堆核電站，反應堆的標準運行方式包括以下幾種：對于壓水堆核電站，反應堆的標準運行方式包括以下幾種：（1）冷停堆。）冷停堆。（2）中間停堆。）中間停堆。（3）熱停堆。）熱停堆。（4）熱備用。）熱備用。（5）功率運行。）功率運行。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術19電氣學院反應堆啟動過程反應堆啟動過程 一回路沖水排氣一回路沖水排氣 一回路升溫、穩(wěn)壓器建立汽腔一回路升溫、穩(wěn)壓器建立汽腔 繼續(xù)升溫至熱停堆繼續(xù)升溫至熱停堆 反應堆達到臨界反應堆達到臨界 提升功率到提升功率到2%核電站的額定功率核電站的額定功率 升負荷至升

16、負荷至100%額定功率額定功率 汽輪機沖轉、并網汽輪機沖轉、并網 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術20電氣學院核電站停堆過程核電站停堆過程 核電站的停堆過程相對簡單。首先是按照一定的速率降核電站的停堆過程相對簡單。首先是按照一定的速率降負荷，當負荷低到一定程度時汽輪機跳閘，同時發(fā)電機解列。負荷，當負荷低到一定程度時汽輪機跳閘，同時發(fā)電機解列。隨后繼續(xù)硼化或者插人隨后繼續(xù)硼化或者插人G棒，降低功率到棒，降低功率到2%額定功率以下，額定功率以下，使機組處于熱備用狀態(tài)。根據計劃安排，進行下一步的工作。使機組處于熱備用狀態(tài)。根據計劃安排，進行下一步的工作。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術

17、核能發(fā)電與應用技術21電氣學院8.4.2 核電站的監(jiān)控系統核電站的監(jiān)控系統8.4.2.1 核電廠儀表和控制系統的功能核電廠儀表和控制系統的功能 核電廠儀表和控制系統包括核島核電廠儀表和控制系統包括核島(NI )、常規(guī)島、常規(guī)島(CI)及電廠輔助設施及電廠輔助設施(BOP)等部分的儀表和控制系統。等部分的儀表和控制系統。核電廠儀表和控制系統構成電廠人核電廠儀表和控制系統構成電廠人/機系統中的接口，其主要功能包括：機系統中的接口，其主要功能包括： (1)在正常運行、預計運行事件和事故工況下，監(jiān)測核電廠參數和各系統的運行在正常運行、預計運行事件和事故工況下，監(jiān)測核電廠參數和各系統的運行狀態(tài)，為操縱員

18、安全有效地操縱核電廠提供必要信息。狀態(tài)，為操縱員安全有效地操縱核電廠提供必要信息。(2)通過自動化設備的自動控制或操縱員手動控制，將工藝系統或設備的運行參通過自動化設備的自動控制或操縱員手動控制，將工藝系統或設備的運行參數維持在運行工況規(guī)定的限值內。數維持在運行工況規(guī)定的限值內。(3)在異常工況和事故工況下，觸發(fā)保護動作，保護人員、反應堆和系統設備的在異常工況和事故工況下，觸發(fā)保護動作，保護人員、反應堆和系統設備的安全，避免環(huán)境受到放射性污染。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施操作的監(jiān)控手段，從而能將核電廠導致并保持在安為操縱員提供事故后實施操作的監(jiān)控手段，從而能將核電

19、廠導致并保持在安全狀態(tài)。全狀態(tài)。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術22電氣學院8.4.2.2 核電廠的監(jiān)測和控制方式核電廠的監(jiān)測和控制方式 集中的監(jiān)測和控制分散、成組的監(jiān)測和控制 就地監(jiān)測和控制監(jiān)監(jiān)測測控控制制方方式式.第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術23電氣學院8.4.2.3 核電廠控制室核電廠控制室 在核電廠中，控制室系統是指包括人機接口、控制室工作人員、操作規(guī)程、培訓大在核電廠中，控制室系統是指包括人機接口、控制室工作人員、操作規(guī)程、培訓大綱和相關的設施或設備的總體，它們共同維持控制室功能的正確執(zhí)行。綱和相關的設施或設備的總體，它們共同維持控制室功能的正確執(zhí)

20、行。1主控制室主控制室由主控制室集中控制和監(jiān)測的、并由操縱員操作的設備和系統用于執(zhí)行以下功能由主控制室集中控制和監(jiān)測的、并由操縱員操作的設備和系統用于執(zhí)行以下功能:(1)使得機組安全運行。使得機組安全運行。(2)提高機組的可用率。提高機組的可用率。(3)保證設備安全。保證設備安全。(4)保障人員安全。保障人員安全。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術24電氣學院主控室平面布置圖主控室平面布置圖 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術25電氣學院2公共控制室公共控制室對于雙堆機組，除了每個機組設置了一個主控制室外，兩臺機組公用對于雙堆機組，除了每個機組設置了一個主控制室外，

21、兩臺機組公用的某些功能是從公共控制室內的公共控制盤控制和監(jiān)測的。公共控制室位的某些功能是從公共控制室內的公共控制盤控制和監(jiān)測的。公共控制室位于兩個機組的主控室之間，并緊靠在一起，以便每個機組的操縱員能迅速于兩個機組的主控室之間，并緊靠在一起，以便每個機組的操縱員能迅速到達該房間內操作。公共控制室的設計基準以及盤臺設備等都與主控室的到達該房間內操作。公共控制室的設計基準以及盤臺設備等都與主控室的要求一樣。要求一樣。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術26電氣學院8.4.2.4 控制室未來發(fā)展方向控制室未來發(fā)展方向 隨著科學技術的發(fā)展，核電站主控制室正朝向計算機化的先進控制室方向發(fā)展，

22、隨著科學技術的發(fā)展，核電站主控制室正朝向計算機化的先進控制室方向發(fā)展，由計算機工作站取代常規(guī)儀表控制設備，使操縱員能夠更多地從事電站的監(jiān)督管由計算機工作站取代常規(guī)儀表控制設備，使操縱員能夠更多地從事電站的監(jiān)督管理工作。理工作。先進的控制室主要包括下列設置：先進的控制室主要包括下列設置：（1) 計算機化的工作站計算機化的工作站(操縱員、值長操縱員、值長)。（2）大屏幕。）大屏幕。（3）與工作站冗余的、與安全有關的控制盤臺。）與工作站冗余的、與安全有關的控制盤臺。（4）火災探測及消防盤。）火災探測及消防盤。（5）保安、通信設施。）保安、通信設施。第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術27

23、電氣學院8.4.2.5 計算機數據處理系統計算機數據處理系統 秦山第二核電廠計算機數據處理系統結構圖秦山第二核電廠計算機數據處理系統結構圖 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術28電氣學院一體化分布式儀表控制系統結構示意圖一體化分布式儀表控制系統結構示意圖 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術29電氣學院我國核電的發(fā)展我國核電的發(fā)展 我國第一座實驗性反應堆是在我國第一座實驗性反應堆是在1954年年6月建成投入運行的，我國月建成投入運行的，我國自行設計研制、建造的秦山核電站已經運行發(fā)電了；廣東大亞灣自行設計研制、建造的秦山核電站已經運行發(fā)電了；廣東大亞灣電站第一期工程也已

24、建成，并運行發(fā)電了，全部建成后年發(fā)電量電站第一期工程也已建成，并運行發(fā)電了，全部建成后年發(fā)電量可達可達100億度億度.因為鈾核裂變有放射性污染，因而建設核電站時必須采用可靠的因為鈾核裂變有放射性污染，因而建設核電站時必須采用可靠的防護措施，防止放射性物質泄漏，避免造成放射性污染，以保證防護措施，防止放射性物質泄漏，避免造成放射性污染，以保證核電站的安全運行核電站的安全運行.我國對核電站的安全非常重視，有專門負責安我國對核電站的安全非常重視，有專門負責安全監(jiān)督的核安全局，保證核能的安全應用全監(jiān)督的核安全局，保證核能的安全應用. 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術30電氣學院我國核電

25、的發(fā)展我國核電的發(fā)展 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術31電氣學院我國核電的發(fā)展我國核電的發(fā)展 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術32電氣學院我國核電的發(fā)展我國核電的發(fā)展 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術33電氣學院我國核電的發(fā)展我國核電的發(fā)展 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術34電氣學院我國核電的發(fā)展我國核電的發(fā)展 第第8章章 核能發(fā)電與應用技術核能發(fā)電與應用技術35電氣學院8.5 核能發(fā)電的經濟技術性評價核能發(fā)電的經濟技術性評價核電廠經濟分析，狹義地說，是對某個核電廠工程建設項目作投資概算、核電廠經濟分析，狹義地說，是對某個核電廠工程建設項目作投資概算、發(fā)電成本和經濟效益分析；廣義地說，是通過對核電廠作多個工程建設發(fā)電成