第三章反應堆冷卻劑系統(tǒng)和設備

第3章反應堆冷卻劑系統(tǒng)和設備動力工程系余廷芳10/24/20231主要內容3-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)3-2反應堆本體結構----------系統(tǒng)設備3-3反應堆冷卻劑泵3-4蒸汽發(fā)生器3-5穩(wěn)壓器10/24/202323-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)一、系統(tǒng)的功能反應堆冷卻劑系統(tǒng)又稱為一回路系統(tǒng)，其主要功能是：(1)在核電廠正常功率運行時將堆內產(chǎn)生的熱量載出，并通過蒸汽發(fā)生器傳給路工質，產(chǎn)生蒸汽，驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。(2)在停堆后的第一階段，經(jīng)蒸汽發(fā)生器帶走堆內的衰變熱。(3)系統(tǒng)的壓力邊界構成防止裂變產(chǎn)物釋放到環(huán)境中的一道屏障。(4)反應堆冷卻劑作為可溶化學毒物硼的裁體，并起慢化劑和反射層作用。(5)系統(tǒng)的穩(wěn)壓器用來控制一回路的壓力，防止堆內發(fā)生偏離泡核沸騰，同時對一路系統(tǒng)實行超壓保護。10/24/202333-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)二、系統(tǒng)描述系統(tǒng)組成：按照功能，反應堆冷卻劑系統(tǒng)可分為冷卻系統(tǒng)、壓力調節(jié)系統(tǒng)和超壓保護系統(tǒng)。反應堆冷卻劑系統(tǒng)的流程圖11、冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)由反應堆冷卻劑泵、反應堆和蒸汽發(fā)生器及相應的管道組成。在正常功率運行時，反應維冷卻劑泵使冷卻劑強迫循環(huán)通過維芯，帶走燃料元件產(chǎn)生的熱量。圖10/24/202343-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)2．壓力調節(jié)系統(tǒng)為了保證反應堆冷卻劑系統(tǒng)具有好的冷卻能力，應當將堆芯置于具有足夠欠熱度的冷卻劑淹沒之中。核電廠在負荷瞬變過程中，由于量測系統(tǒng)的熱慣性和控制系統(tǒng)的滯后等原因，會造成一、二回路之間的功率失配，從而引起負荷瞬變過程中一回路冷卻劑溫度的升高或降低，造成一回路冷卻劑體積膨脹或收縮。水經(jīng)波動管涌人或流出穩(wěn)壓器，引起一回路壓力升高或降低。當壓力升高至超過沒定值時，壓力控制系統(tǒng)調節(jié)噴淋閥．由冷管段引來的過冷水向穩(wěn)壓器汽空間噴淋降壓；若壓力低于設定值，壓力控制系統(tǒng)啟動加熱器，使部分水蒸發(fā)，升高蒸汽壓力。10/24/202353-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)3．超壓保護系統(tǒng)當一回路系統(tǒng)的壓力超過限值時，裝在穩(wěn)壓器頂部卸壓管線上的安全閥開啟，向卸壓箱排放蒸汽，使穩(wěn)壓器壓力下降，以維持整個一回路系統(tǒng)的完整性。卸壓系統(tǒng)主要由裝在穩(wěn)壓器汽空間連管上的卸壓閥或安全閥及其管道和卸壓箱組成。西屋公司設計的穩(wěn)壓器，上面裝備有卸壓閥和安全閥，卸壓閥的開啟整定值比安全閥的開啟整定值低。若卸壓閥開啟后使超壓瞬變過程得以緩解，安全閥則可免于開啟，法國法馬通公司設計的穩(wěn)壓器，只裝備三只同一類型開啟整定值不同的安全閩。10/24/202363-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)三、系統(tǒng)參數(shù)的選擇：環(huán)路數(shù)與環(huán)路容量：核電廠的一回路系統(tǒng)由若干并聯(lián)的環(huán)路組成。按照核電廠安全準則，單堆核電廠的環(huán)路數(shù)不小于2，但過多的環(huán)路數(shù)將增加設備投資，因此，目前核電廠中一般采用2—4條環(huán)路并聯(lián)形式。每一條環(huán)路所對應的電功率最初為150MW。隨著核電設備設計制造能力提高，近期的壓水堆核電站，一條環(huán)路的電功率已達到300——600MW，而且以每個環(huán)路300MW設計建造600MW、900MW、12000MW的大型核電站。近代典型壓水堆核電站功率與一回路容量表10/24/202373-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)三、系統(tǒng)參數(shù)的選擇1、一回路壓力10/24/202383-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)三、系統(tǒng)參數(shù)的選擇2、反應堆冷卻劑出口溫度冷卻劑出口溫度越高，電廠熱效率越高，但受下列因素限制：(1)燃料包殼溫度限制。材料受抗高溫腐蝕性能限制。(2)傳熱溫差的要求。冷卻劑溫度至少要比包殼溫度低10℃——15℃，以保證正常的熱交換。(3)冷卻劑過冷度要求。為保證流動的穩(wěn)定性和有效傳熱，冷卻劑應具有20℃左右的過冷度。

由此可見，對于一定的工作壓力，反應堆冷卻刑的堆出口溫度變化余地很小。如大亞灣核電廠一回路壓力為15.5MPa，其堆出口冷卻劑平均溫度為329．8℃。*10/24/202393-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)三、系統(tǒng)參數(shù)的選擇3．反應堆冷卻劑的入口溫度反應堆冷卻劑的出口溫度一旦確定，對于一個確定熱功率的反應堆，其人口溫度與流量有單值關系。入口溫度越高，一回路冷卻劑平均溫度越高。從這方面來說，對提高熱效率有利。但入口溫度越高，冷卻劑溫升越小，所需冷卻劑流量越大，這就增加了泵的輸送功率，從而降低了電廠的凈效率。選擇冷卻劑的入口溫度時，應綜合考慮它與流量各自帶來的利弊以及其他一些因素后，選取最佳值。10/24/2023103-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)三、系統(tǒng)參數(shù)的選擇4．冷卻劑流量綜合上述分析，壓水堆核電廠一回路參數(shù)范圍是：工作壓力15MPa左右，冷卻劑在反應堆的進口溫度取280℃——300℃，在反應堆的出口溫度取310℃——330℃，進出口的溫升為30℃——40℃。核電廠變工況時，反應堆冷卻劑平均溫度變化允許的最大溫差為17℃——25℃。反應堆的設計溫度為350℃。一回路系統(tǒng)中冷卻劑的流量較大，當單環(huán)路對應的電功率為300Mw時，冷卻劑總質量流量可達到15000t／h~21000t／h(即每10MW熱功率160t／h~250t／h)。主管道內冷卻劑流速可達15m／s，一回路系統(tǒng)的總阻力約為o．6MPa~o．8MPa。10/24/202311

3-1反應堆冷卻劑系統(tǒng)四、系統(tǒng)布置反應堆冷卻劑系統(tǒng)的所有設備、閥門及管道，全部安裝在安全殼內。反應堆安放在安全完中央并稍偏離中心；以避開裝卸料機構的起吊死區(qū)。堆芯部分處在反應堆廠房地平面高度以下。反應堆冷卻劑系統(tǒng)設備和管道的布置以反應堆壓力容器為中心，力求緊湊、簡單對稱。為了補償主管道的熱膨脹應力，蒸汽發(fā)生器和主泵采用擺動的支耀結構，以允許橫向位移。冷卻劑中存在裂變產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物，對系統(tǒng)設備和管道有不同程度的污染。因此，在設備周圍設有隔墻，它們與安全殼培構成了二次屏蔽。主要設備(反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、反應堆冷卻劑泵、穩(wěn)壓器等)和反應堆冷卻劑管道安裝在二次屏蔽墻內。10/24/2023123-2反應堆本體結構組成：壓水堆本體由堆芯、堆芯支撐結構、反應堆壓力容器及控制棒傳動機構組成。典型壓水堆的本體結構圖。一、堆芯結構堆芯又稱為活性區(qū)，位于反應堆壓力容器中心偏下的位置。大亞灣核電廠由157個幾何形狀和機械結構完全相同的燃料組件，構成一個高3．65m，等效直徑3．04m的準圓柱狀核反應區(qū)。反應堆冷卻劑流過堆芯時起到慢化劑的作用?？刂瓢艚M件用于反應堆控制，提供反應堆停堆能力和控制反應性快速變化。與燃料組件/（圖）組合在一起的還有一些功能組件，它們在堆啟動和運行中起著重要作用。10/24/2023133-2反應堆本體結構二、堆芯支撐結構10/24/2023143-2反應堆本體結構三、反應堆壓力容器反應堆壓力容器支撐和包容堆芯和堆內構件，工作在高壓(15．5Mpa左右)、高溫含硼酸水介質環(huán)境和放射性輻射的條件下，壽命不少于40年。反應堆壓力容器是一個底部為焊死的半球形封頭，上部為法蘭連接的半球形封頭的圓柱形容器，對于三環(huán)路設計，容器上有3個進口管嘴和出口管嘴與各冷卻劑環(huán)路的冷熱管段相接。這些進出口管嘴位于高出堆芯上平面約1．4m的同一個水平面上。反應堆壓力容器本體材料屬低碳鋼，與冷卻劑接觸表面堆焊一層5mm厚的不銹鋼。壓力容器高13m，內徑4m，簡體壁厚20m圃，總重約330t。圖10/24/2023153-2反應堆本體結構四、控制棒驅動機構作用：控制棒驅動機構是反應堆的重要動作部件，通過它的動作帶動控制棒組件在堆芯內上下抽插，以實現(xiàn)反應堆的啟動、功率調節(jié)、停堆和事故情況下的安全控制。因此，它是確保反應堆安全可控的重要部件。控制棒驅動機構要求：在正常運行工況下棒的移動速度緩慢，每秒鐘行程約10mm，在快速停堆或事故工況時要求驅動機構在得到事故停堆信號后，即能自動脫開，控制棒組件靠自重快速插入堆芯，從得到信號到控制棒完全插入堆芯的緊急停堆時間一般為2s左右，以保證反應堆安全。10/24/2023163-3反應堆冷卻劑泵一、作用：反應堆冷卻劑泵義叫做主泵，它的作用是為反應堆冷卻劑提供驅動壓頭，保證足夠的強迫循環(huán)流量通過堆芯，把反應堆產(chǎn)生的熱量送至蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生推動汽輪機做功的蒸汽。二、對泵的基本要求：(1)能夠長期在無人維護情況下安全可靠地工作，(2)冷卻劑的泄漏要盡可能少；(3)轉動部件應有足夠大的移動慣量，以便在全廠斷電情況下，利用泵的惰性提供足夠的流量，使堆芯得到適當?shù)睦鋮s；(4)過流部件表面材料要求耐高溫含硼酸水的腐蝕；(5)便于維修。三、分類：分為兩大類：全密封泵和軸封泵。10/24/2023173-4蒸汽發(fā)生器一、作用：蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠一回路、二回路的樞紐，它將反應堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機做功。蒸汽發(fā)生器又是分隔一次側、二次側介質的屏障，它對于核電廠的安全運行十分重要。*蒸汽發(fā)生器的可靠性是比較低的，它嚴重地影響核電廠運行的安全性、經(jīng)濟性及可靠性。壓水堆核電廠運行經(jīng)驗表明，蒸汽發(fā)生器傳熱管斷型事故在核電廠事故中居首要地位。據(jù)報道，國外壓水堆核電廠的非計劃停堆次數(shù)中約有四分之一是因有關蒸汽發(fā)生器問題造成的。1992年，在205座堆中報告蒸汽發(fā)生器有問題的達172座。10/24/2023183-4蒸汽發(fā)生器蒸汽發(fā)生器傳熱管面積占一回路承壓邊界面積的80％左右，傳熱管壁一般為1mm一1．2mm。因而，傳熱管是整個一回路壓力邊界中最薄弱的部分。運行經(jīng)驗也表明，傳熱管是蒸汽發(fā)生器內的事故多發(fā)區(qū)域。二、分類：10/24/2023193-4蒸汽發(fā)生器10/24/2023203-4蒸汽發(fā)生器1、立式自然循環(huán)U形管蒸汽發(fā)生器的結構的工作流程：結構：由下封頭、U形管束、汽水分離裝置及筒體組件等組成。結構圖,,主要參數(shù)工作流程:10/24/2023213-5穩(wěn)壓器一、穩(wěn)壓器的功能*

穩(wěn)壓器的基本功能是建立并維持一回路系統(tǒng)的壓力，避免冷卻劑在反應堆內發(fā)生容積沸騰。穩(wěn)壓器在電廠穩(wěn)態(tài)運行時，將一回路壓力維持在恒定壓力下；在一回路系統(tǒng)瞬態(tài)時，將壓力變化限制在允許值以內；在事故時，防止一回路系統(tǒng)超壓，維護一回路的完整性。此外，穩(wěn)壓器作為一回路系統(tǒng)的緩沖容器，吸收一回路系統(tǒng)水穿積的迅速變化。10/24/2023223-5穩(wěn)壓器二、穩(wěn)壓器分類按原理和結構形式的不同，穩(wěn)壓器分為兩類，（1）氣罐式穩(wěn)壓器：容積大，易腐蝕，淘汰（2）電加熱式穩(wěn)壓器：大都采用三、穩(wěn)壓器本體結構（電）結構圖現(xiàn)代壓水堆核電廠普通采用電加熱式穩(wěn)壓器。這種穩(wěn)壓器是一個立式圓柱形高壓容器。其典型的幾何參數(shù)為高13m，直徑2.5m，上下端為半球形封頭，總容積約40m2，凈重約80t。立式安裝在下部裙座上。10/24/202323課堂作業(yè)1、穩(wěn)壓器的功能是什么？按結構和原理，穩(wěn)壓器分為哪兩類？目前采用的是哪種？2、蒸汽發(fā)生器的作用是什么？壓水堆核電站主要采用的蒸汽發(fā)生器有哪三種？3、反應堆冷卻劑泵的作用是什么？對泵的主要要求是什么？核電站中有哪兩類泵？4、反應堆冷卻劑系統(tǒng)的主要參數(shù)是指哪些？5、大亞灣核電廠一回路壓力和堆出口冷卻劑平均溫度為是多少？10/24/202324燃料元件燃料元件是產(chǎn)生核裂變并釋放熱量的部件。它的長為3851．5mm，外徑9．5mm，Zr-4合金包殼管厚o．57mm，包殼內裝有二氧化鈾芯塊。上下兩端設有氧化鋁隔熱塊，頂部安彈簧壓緊，兩端用鐵臺金端塞封堵