典型核反應系統(tǒng)

1、典型核反應堆系統(tǒng)典型核反應堆系統(tǒng)中廣核員工崗前培訓中廣核員工崗前培訓主要內容主要內容1 1、沸水堆核電站、沸水堆核電站2 2、重水堆核電站重水堆核電站3 3、高溫氣冷堆高溫氣冷堆4 4、快中子增值堆快中子增值堆5 5、其他堆型其他堆型1 1、沸水堆、沸水堆l沸水堆是輕水堆的一種，它是通過研究水堆堆沸水堆是輕水堆的一種，它是通過研究水堆堆芯沸騰而設計出來的。芯沸騰而設計出來的。l很長時期中人們一直在想能不能允許水在反應很長時期中人們一直在想能不能允許水在反應堆沸騰，汽泡不規(guī)則的形成和移動會不會產生堆沸騰，汽泡不規(guī)則的形成和移動會不會產生危險的不穩(wěn)定性。危險的不穩(wěn)定性。l在在20世紀世紀50年代早

2、期所完成的實驗年代早期所完成的實驗(著名的著名的BORAX實驗實驗)表明在低壓時確實會發(fā)生上述情表明在低壓時確實會發(fā)生上述情況，但當壓力升高到大約壓水堆的一半左右況，但當壓力升高到大約壓水堆的一半左右(7MPa)時，沸騰是穩(wěn)定的，反應堆是可控的。時，沸騰是穩(wěn)定的，反應堆是可控的。沸水堆結構簡介沸水堆結構簡介l沸水堆殼體內裝有堆芯、堆內支承結構、汽水分離器、沸水堆殼體內裝有堆芯、堆內支承結構、汽水分離器、蒸汽干燥器和噴射泵等。蒸汽干燥器和噴射泵等。l堆芯主要由核燃料組件、控制棒等組成，也采用低富集堆芯主要由核燃料組件、控制棒等組成，也采用低富集度度(2一一3鈾鈾235)的的UO2作為核燃料，將作

3、為核燃料，將UO2制成圓制成圓柱狀芯塊后再裝入鋯合金包殼內構成外徑為柱狀芯塊后再裝入鋯合金包殼內構成外徑為12.5mm，長長度約度約3.7m的元件棒。的元件棒。l元件棒通常排列成元件棒通常排列成88的正方形柵陣，中間用幾層彈簧的正方形柵陣，中間用幾層彈簧格架夾緊定位，然后裝入鋯合金的方盒內構成燃料組件。格架夾緊定位，然后裝入鋯合金的方盒內構成燃料組件。l每四個燃料元件盒組成一個單元。堆芯就由許多這樣單每四個燃料元件盒組成一個單元。堆芯就由許多這樣單元組合而成。元組合而成。沸水堆核電廠示意沸水堆核電廠示意沸水堆安全殼沸水堆安全殼噴射泵循環(huán)系統(tǒng)噴射泵循環(huán)系統(tǒng)沸水堆沸水堆堆芯結構堆芯結構沸水堆沸水堆

4、燃料組件燃料組件控制棒沸水堆特點沸水堆特點l沸水堆壓力容器內直接產生蒸汽，所以承受的沸水堆壓力容器內直接產生蒸汽，所以承受的壓力只有壓水堆的壓力只有壓水堆的1/21/2( (約約7 7MPa)MPa)，因此壓力容器因此壓力容器的厚度可以減小。的厚度可以減小。l沸水堆的功率密度比壓水堆的低，且沸水堆壓沸水堆的功率密度比壓水堆的低，且沸水堆壓力容器內還放置汽水分離器、干燥器和噴射泵力容器內還放置汽水分離器、干燥器和噴射泵等設備，致使壓力容器尺寸增大。就壓力容器等設備，致使壓力容器尺寸增大。就壓力容器的制造成本來說，這兩個影響基本上相互抵消。的制造成本來說，這兩個影響基本上相互抵消。沸水堆特點沸水堆

5、特點l沸水堆采用直接循環(huán)，所以系統(tǒng)比較簡單，回沸水堆采用直接循環(huán)，所以系統(tǒng)比較簡單，回路設備少，且設備所承受的壓力較低，易于加路設備少，且設備所承受的壓力較低，易于加工制造。尤其是省去了壓水堆電廠中較易發(fā)生工制造。尤其是省去了壓水堆電廠中較易發(fā)生故障的蒸汽發(fā)生器，使核電廠事故減少，使用故障的蒸汽發(fā)生器，使核電廠事故減少，使用效率提高，效率提高，l且沸水堆采用噴射泵循環(huán)系統(tǒng)，使壓力容器開且沸水堆采用噴射泵循環(huán)系統(tǒng)，使壓力容器開孔的直徑減少，電廠失水事故的可能性及嚴重孔的直徑減少，電廠失水事故的可能性及嚴重性降低。性降低。沸水堆特點沸水堆特點l由于沸水堆堆芯內產生大量蒸汽，調節(jié)反應堆功率比較由于沸

6、水堆堆芯內產生大量蒸汽，調節(jié)反應堆功率比較方便，除用控制棒進行功率調節(jié)外，還可通過改變循環(huán)方便，除用控制棒進行功率調節(jié)外，還可通過改變循環(huán)泵流量的方法來進行調節(jié)，調節(jié)范圍約達泵流量的方法來進行調節(jié)，調節(jié)范圍約達2525，速率約，速率約1 1/ /s s。l沸水堆的比功率較小，同樣功率條件下核燃料裝量較壓沸水堆的比功率較小，同樣功率條件下核燃料裝量較壓水堆約大水堆約大5050。因此雖然系統(tǒng)比較簡單，但總投資較壓。因此雖然系統(tǒng)比較簡單，但總投資較壓水堆略大。水堆略大。l由于沸水堆采用直接循環(huán)，水通過堰芯時將放射性物質由于沸水堆采用直接循環(huán)，水通過堰芯時將放射性物質直接帶到汽輪機、冷凝器等設備，使這

7、些設備污染而必直接帶到汽輪機、冷凝器等設備，使這些設備污染而必須屏蔽。這給設計、運行、維修都帶來不便。須屏蔽。這給設計、運行、維修都帶來不便。2 2、重水堆重水堆重水堆簡介重水堆簡介l重水堆早在第二次世界大戰(zhàn)時期就開始研究，當重水堆早在第二次世界大戰(zhàn)時期就開始研究，當時主要是用于軍事目的。重水的中子吸收截面小，時主要是用于軍事目的。重水的中子吸收截面小，且慢化性能也比較好，因此重水堆可利用天然鈾且慢化性能也比較好，因此重水堆可利用天然鈾作核燃料，不需要建造投資巨大的鈾同位素分離作核燃料，不需要建造投資巨大的鈾同位素分離工廠。工廠。l從重水堆卸出的乏燃料含鈾從重水堆卸出的乏燃料含鈾235235約

8、為約為0.20.2，低于低于擴散工廠尾料的濃度擴散工廠尾料的濃度(0.(0.2525) )。與其他熱中子反與其他熱中子反應堆相比，在同樣的輸出功率情況下，重水堆所應堆相比，在同樣的輸出功率情況下，重水堆所裝載的天然鈾最少，消耗的天然鈾也最少。因此裝載的天然鈾最少，消耗的天然鈾也最少。因此使天然鈾得到充分的用。使天然鈾得到充分的用。重水堆簡介重水堆簡介l重水準的體積大，需要大量重水，每重水準的體積大，需要大量重水，每MWMW發(fā)電容發(fā)電容量需量需0.7-0.80.7-0.8噸重水。重水的價格昂貴，所以投噸重水。重水的價格昂貴，所以投資較高，發(fā)電成本比輕水堆核電廠高，且為了資較高，發(fā)電成本比輕水堆核

9、電廠高，且為了減少重水的泄漏損失，反應堆及重水回路的設減少重水的泄漏損失，反應堆及重水回路的設備密封要求高，制造復雜化。備密封要求高，制造復雜化。l由于重水堆的卸料燃耗較淺，僅為由于重水堆的卸料燃耗較淺，僅為80008000一一10000 10000 MWd/tMWd/t，約為壓水堆的，約為壓水堆的1 13 3，因此卸料量是同功，因此卸料量是同功率壓水堆的率壓水堆的3 3倍。倍。重水堆簡介重水堆簡介l重水堆用重水作慢化劑，按其結構形式可分為壓重水堆用重水作慢化劑，按其結構形式可分為壓力容器式及壓力管式兩種。壓力容器式的冷卻劑力容器式及壓力管式兩種。壓力容器式的冷卻劑只限于重水，壓力管式的冷卻劑

10、不受限制，可以只限于重水，壓力管式的冷卻劑不受限制，可以是重水，輕水或有機化臺物。是重水，輕水或有機化臺物。l按堆芯結構和冷卻劑不同，目前主要有壓力殼式按堆芯結構和冷卻劑不同，目前主要有壓力殼式重水堆、壓力管臥式重水堆和壓力管式沸騰輕水重水堆、壓力管臥式重水堆和壓力管式沸騰輕水冷卻重水堆三種。冷卻重水堆三種。l目前達到商用的只有加拿大發(fā)展的壓力管臥式重目前達到商用的只有加拿大發(fā)展的壓力管臥式重水準，稱為水準，稱為CANDU(Canada Deuterium Uranium)CANDU(Canada Deuterium Uranium)型重水堆。型重水堆。lCANDUCANDU型重水堆用壓力管把

11、重水冷卻劑和重水慢型重水堆用壓力管把重水冷卻劑和重水慢化劑分開。壓力管內流過不沸騰的高溫高壓化劑分開。壓力管內流過不沸騰的高溫高壓( (溫溫度約度約300300度度，壓力約壓力約1010MPa)MPa)重水作為冷卻劑，壓重水作為冷卻劑，壓力管外是基本不受壓的慢化劑，慢化劑盛裝在力管外是基本不受壓的慢化劑，慢化劑盛裝在大型臥式圓柱型排管容器中。大型臥式圓柱型排管容器中。l設計成臥式堆芯結構的目的是便于設備布置及設計成臥式堆芯結構的目的是便于設備布置及換料維修。換料維修。3 3、高溫氣冷堆高溫氣冷堆氣冷堆簡介氣冷堆簡介l石墨氣冷堆也是世界上出現較早的堆型之一。在第二次石墨氣冷堆也是世界上出現較早的

12、堆型之一。在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了軍事目的，某些國家就用天然鈾石世界大戰(zhàn)期間，為了軍事目的，某些國家就用天然鈾石墨慢化反應堆來生產钚。墨慢化反應堆來生產钚。l目前發(fā)展的主要氣冷動力堆是高溫氣冷堆目前發(fā)展的主要氣冷動力堆是高溫氣冷堆( (HTGR)HTGR)，它是它是在低溫氣冷堆的基礎上發(fā)展起來的。在低溫氣冷堆的基礎上發(fā)展起來的。l高溫氣冷堆的核燃料是富集度約為高溫氣冷堆的核燃料是富集度約為1010的的UOUO2 2或高富集鈾或高富集鈾加釷的氧化物加釷的氧化物( (或碳化物或碳化物) )，制成直徑約為，制成直徑約為0.0.6mm6mm的顆粒，的顆粒，外面再涂敷三層到四層熱解碳和碳化硅涂層外面再

13、涂敷三層到四層熱解碳和碳化硅涂層氣冷堆簡介氣冷堆簡介l涂層的作用是保護核燃料并防止裂變產物外逸，涂層的作用是保護核燃料并防止裂變產物外逸，然后再將這些顆料燃料彌散在石墨基體中制成然后再將這些顆料燃料彌散在石墨基體中制成杠狀或球狀燃料元件。這種燃料元件不需要金杠狀或球狀燃料元件。這種燃料元件不需要金屬包殼，而其中石墨既作燃料元件的結構材料屬包殼，而其中石墨既作燃料元件的結構材料又作中子慢化劑。又作中子慢化劑。氣冷堆簡介氣冷堆簡介l高溫氣冷堆的冷卻劑出口溫度高，因此電站的熱效率高高溫氣冷堆的冷卻劑出口溫度高，因此電站的熱效率高達達4040，可與新型火電站相媲美。，可與新型火電站相媲美。l堆內沒有金

14、屬結構材料，中子寄生俘獲少，卸料比燃耗堆內沒有金屬結構材料，中子寄生俘獲少，卸料比燃耗達達10001000MWdMWdt t，每年所需補充的核燃料少；每年所需補充的核燃料少；l如果能把出口溫度提高到如果能把出口溫度提高到10001000以上，則還有可能把反以上，則還有可能把反應堆產生的熱量直接用于煉鋼、化工及煤的氣化等工業(yè)，應堆產生的熱量直接用于煉鋼、化工及煤的氣化等工業(yè)，達到綜合利用的目的。所以這種堆是很有發(fā)展前途的先達到綜合利用的目的。所以這種堆是很有發(fā)展前途的先進轉換堆型。進轉換堆型。l高溫氣冷堆的技術比較復雜，目前尚處于試驗研究階段。高溫氣冷堆的技術比較復雜，目前尚處于試驗研究階段。4

15、 4、快中子增值堆快中子增值堆快中子增值堆簡介快中子增值堆簡介l快中于反應堆內核燃料裂變主要由能量約快中于反應堆內核燃料裂變主要由能量約100 100 keVkeV以上以上的快中子引起，所以堆內不需要慢化劑，從而使堆芯內的快中子引起，所以堆內不需要慢化劑，從而使堆芯內有害吸收減少，能有更多的中子用于轉換新的核燃料，有害吸收減少，能有更多的中子用于轉換新的核燃料，使轉換比增大。使轉換比增大。l例如用钚例如用钚239239作燃料，則每消耗一個钚作燃料，則每消耗一個钚239239所產生的所產生的中子平均數為中子平均數為2.62.6左右。除一個中子去維持鏈式反應外，左右。除一個中子去維持鏈式反應外，有

16、一個以上的中子被可轉換物質吸收，若可轉換物質是有一個以上的中子被可轉換物質吸收，若可轉換物質是鈾鈾238238，則新生成的钚，則新生成的钚239239核與消耗的之比核與消耗的之比( (增殖比增殖比) )可達可達1.21.2一一1.51.5，實現了裂變燃料的增殖，因此這種堆稱，實現了裂變燃料的增殖，因此這種堆稱為快中子增殖堆。為快中子增殖堆?？熘凶釉鲋刀押喗榭熘凶釉鲋刀押喗閘如果核電站采用快中子增殖堆作為動力，則在如果核電站采用快中子增殖堆作為動力，則在發(fā)電的同時還能生產新的易裂變燃料，經過一發(fā)電的同時還能生產新的易裂變燃料，經過一段時間的運行，將堆內積累的核燃料取出來又段時間的運行，將堆內積累

17、的核燃料取出來又可裝備新的反應堆，而向反應堆繼續(xù)添加的只可裝備新的反應堆，而向反應堆繼續(xù)添加的只是可轉換物質鈾是可轉換物質鈾238238。這樣使熱中子反應堆不。這樣使熱中子反應堆不能充分利用的鈾能充分利用的鈾238238得到充分利用，使自然界得到充分利用，使自然界鈾資源的能量利用率由鈾資源的能量利用率由1 1一一2 2提高到提高到6060一一7070。技術和經濟上的問題技術和經濟上的問題l快中子反應堆內中子平均能量很高，中子有害快中子反應堆內中子平均能量很高，中子有害吸收小，易于實現增殖。但在高能區(qū)核燃料的吸收小，易于實現增殖。但在高能區(qū)核燃料的裂變截面也很小，因此為了使鏈式裂變反應能裂變截面

18、也很小，因此為了使鏈式裂變反應能進行，快中子堆內必須有較高的核燃料富集度進行，快中子堆內必須有較高的核燃料富集度1515一一3535 ，而且裝量也很大。，而且裝量也很大。l例如，一個電功率為例如，一個電功率為1000 1000 MW MW 的快中子反應準，的快中子反應準，堆芯需裝工業(yè)钚約堆芯需裝工業(yè)钚約3.53.5t t。因此在快中子反應堆因此在快中子反應堆大規(guī)模商業(yè)推廣前，必須建造一定數量的先進大規(guī)模商業(yè)推廣前，必須建造一定數量的先進轉換堆或熱中子堆，以便為快堆積累工業(yè)杯轉換堆或熱中子堆，以便為快堆積累工業(yè)杯技術和經濟上的問題技術和經濟上的問題l由于快中子堆堆芯內沒有慢化劑，所以體積小，由于

19、快中子堆堆芯內沒有慢化劑，所以體積小，功率密度高達功率密度高達300300一一600 600 MWMWm m3 3，是壓水堆的是壓水堆的4-84-8倍。因此要求采用傳熱性能好而慢化性能差的倍。因此要求采用傳熱性能好而慢化性能差的冷卻劑，目前采用液態(tài)金屬鈉和氦氣，但鈉回冷卻劑，目前采用液態(tài)金屬鈉和氦氣，但鈉回路工藝及防爆措施在工業(yè)規(guī)模的操作上還缺乏路工藝及防爆措施在工業(yè)規(guī)模的操作上還缺乏經驗。經驗。l流速約為流速約為100 100 m ms s的氮氣冷卻在技術上也是較的氮氣冷卻在技術上也是較復雜的問題，還需進行大量研究試驗。復雜的問題，還需進行大量研究試驗。技術和經濟上的問題技術和經濟上的問題l

20、快中子堆的燃料元件加工及乏燃料后處理要求快中子堆的燃料元件加工及乏燃料后處理要求高。且其快中子輻照注量率也比熱中于堆大幾高。且其快中子輻照注量率也比熱中于堆大幾十倍，因此對材料的要求也較苛刻。十倍，因此對材料的要求也較苛刻。l快中子堆內的中子平均壽命比熱中子堆的短，快中子堆內的中子平均壽命比熱中子堆的短，而且钚而且钚239239的緩發(fā)中子份額只有鈾的緩發(fā)中子份額只有鈾235235的的1/31/3，所以快中子堆的控制比較困難。所以快中子堆的控制比較困難。目前的發(fā)展目前的發(fā)展l到目前為止，快中子反應堆還未能獲得大量發(fā)到目前為止，快中子反應堆還未能獲得大量發(fā)展。展。l現在所采用的冷卻劑只有液態(tài)鈉和氦

21、。因此，現在所采用的冷卻劑只有液態(tài)鈉和氦。因此，按冷卻劑材料，快中子堆又可分為鈉冷快堆和按冷卻劑材料，快中子堆又可分為鈉冷快堆和氣冷快堆兩種。氣冷快堆兩種。5 5、其他反應堆其他反應堆近期新型反應堆（近期新型反應堆（1 1）l先進型壓水堆有美國發(fā)展的先進型壓水堆有美國發(fā)展的APWRAPWR、歐洲發(fā)展的歐洲發(fā)展的EPWREPWR、中中國發(fā)展的國發(fā)展的ACAC600600等都屬此型，是在壓水堆基礎上加以等都屬此型，是在壓水堆基礎上加以改進，達到或基本達到新的改進，達到或基本達到新的“用戶要求用戶要求”的先進堆型。的先進堆型。l先進型沸水堆（先進型沸水堆（ABWRABWR）是在已有的沸水堆的基礎上，

22、由是在已有的沸水堆的基礎上，由美國、日本聯合發(fā)展并在日本建立了示范站的先進堆型，美國、日本聯合發(fā)展并在日本建立了示范站的先進堆型，目前在日本已經建立了目前在日本已經建立了2 2座，還有幾座在計劃建造中，座，還有幾座在計劃建造中，它是一種先進而又現實的沸水堆。它是一種先進而又現實的沸水堆。l非能動簡化先進沸水堆（非能動簡化先進沸水堆（SBWRSBWR）是美國是美國GEGE和日本東芝、和日本東芝、日立公司聯合發(fā)展的一種安全、簡單的沸水堆，它采用日立公司聯合發(fā)展的一種安全、簡單的沸水堆，它采用全功率自然循環(huán)，取消了主循環(huán)泵并簡化了安全系統(tǒng)，全功率自然循環(huán)，取消了主循環(huán)泵并簡化了安全系統(tǒng)，是一種很有前

23、途的先進反應堆。是一種很有前途的先進反應堆。近期新型反應堆（近期新型反應堆（2 2）l供熱反應堆是近年發(fā)展起來的可建在城市附近的安全性供熱反應堆是近年發(fā)展起來的可建在城市附近的安全性很好的專供熱式反應堆，對提高城市環(huán)境衛(wèi)生、改善城很好的專供熱式反應堆，對提高城市環(huán)境衛(wèi)生、改善城市能源結構方面很有意義，它在中、俄、加、瑞、法等市能源結構方面很有意義，它在中、俄、加、瑞、法等國獲得了相當的發(fā)展。國獲得了相當的發(fā)展。l高溫氣冷堆被認為是安全性好，能滿足高溫特殊用途，高溫氣冷堆被認為是安全性好，能滿足高溫特殊用途，極具發(fā)展前途的先進堆型，我國已于極具發(fā)展前途的先進堆型，我國已于20002000年建成清華大年建成清華大學學1010MWMW高溫氣冷實驗堆。高溫氣冷實驗堆。l快中子增值堆以它能增值核燃料，有效地防止鈾資源枯快中子增值堆以它能增值核燃料，有效地防止鈾資源枯竭的威脅，及能燃耗在熱中子反應堆中產生出來的長半竭的威脅，及能燃耗在熱中子反應堆中產生出來的長半衰期核廢料等的優(yōu)點，在核能工業(yè)的發(fā)展和保護環(huán)境方衰期核廢料等的優(yōu)點，在核能工業(yè)的發(fā)展和保護環(huán)境方面占有重要的地位。是中期發(fā)展的主力堆型。面占有重要的地位。是中期發(fā)展的主力堆型。遠期新型反應堆（遠期新型反應堆（1 1）l聚變反應堆聚變反應堆：是指主要靠輕原子（氘、氚、氦等）合成，：是指主要靠輕原子（氘、氚、氦等）合成