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第二章核反应堆与核电厂基本原理

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核反应堆与核电厂基本原理 第二章 核反应堆与核电厂基本原理 第二章核反应堆与核电厂基本原理 核电厂工作基本原理 核反应堆和核电站 第二章核电站工作原理 核电站工作原理 核反应堆原理
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第二章第二章 核反应堆与核电厂基本原理 1 教学内容教学内容 Ø反应堆基本工作原理 Ø反应堆分类 Ø核电厂基本工作原理 Ø核电厂厂房结构 Ø核电厂设备功能及安全分级 2 反应堆的基本工作原理反应堆的基本工作原理 几个定义: 聚变反应,裂变反应,核燃料,一次核燃料,二 次再生核燃料,易裂变核素,可转换核素,天 然铀,富集铀,链式反应,裂变产物(碎片) 核裂变反应堆与原子弹的相同点与区别? 3 裂 变 聚变 核聚变比核裂变更节省核燃料,太阳能实际上是太阳 中进行的核聚变的产物,本质上也是核能。我们现在 利用的煤炭、石油、水力等能源,都是由太阳能转化而 来,溯其源也是核能。因此可以说,人类利用和赖以 生存的一切能源,直接或间接都来自核能。 1克铀-235的裂变能=2700kg 标煤燃烧能量 4 反应堆的分类反应堆的分类 反应堆的功能: 1 热能利用:发电,供热,或者动力 2 生产新的核燃料 3 生产放射性同位素 4 进行中子的其它应用和科研 5 按按使用目的分类使用目的分类 生产堆 动力堆 研究堆 发电增值两用堆 6 按引起核裂变的中子能量分类 快中子堆 中能中子堆 热中子堆 7 按冷却剂、慢化剂分类 轻水堆(压水堆,沸水堆) 重水堆 石墨气冷堆 石墨水冷堆 钠冷堆 8 按核燃料在堆内分布形式分类 均匀堆:核燃料、慢化剂、冷却剂均匀混合在一 起 非均匀堆:绝大多数堆型 9 核电厂基本工作原理核电厂基本工作原理 利用核能生产电能的电厂称为核电厂。由于核反 应堆的类型不同,核电厂的系统和设备也不同 。压水堆核电厂主要由压水反应堆、反应堆冷 却剂系统(简称一回路)、蒸汽和动力转换系 统(又称二回路)、循环水系统、发电机和输 配电系统及其辅助系统组成, 10 压水堆核电厂原理图压水堆核电厂原理图 11 三三 环环 路路 压压 水水 堆堆 一一 回回 路路 系系 统统 12 沸水堆核电厂原理图沸水堆核电厂原理图 13 核电厂选址核电厂选址 核电厂选址比火电厂具有更高的安全要求。选择核电厂的厂址工作, 涉及区域经济发展规划等因素,跟气象、地质、地震和水文等自然 条件有关,还与安全、环境有重要关系,因此,它受到政府、环境 保护部门和周围民众的普遍重视。 核电厂选址考虑的因素中很多与火电厂相同,它们包括:接近电力负 荷中心,有充足的冷却水源,交通运输方便,良好的自然条件(如 地形、地质和地震等),减少废热废物排放对生物的影响和防止环 境污染的可能性等。核电厂选址基本原则除了要满足常规电厂所必 需的条件外,还应尽量减少释放放射性对环境的影响,以确保居民 在一般事故和严重事故条件下不受危害。归结起来,核电厂选址应 考虑核电厂本身特性、厂址自然条件和技术要求以及辐射安全等三 个方面。 14 核电厂本身特性 核反应堆是一个强大的放射源。核电厂的热功率决定了反应堆内放射 性的总贮量, 在相同的运行条件下,堆内放射性的总量与功率成 正比,因而在发生事故时可能释放的放射性也与功率有关。 反应堆燃料棒运行时的破损率、反应堆冷却剂系统的泄漏率和放射性 废物处理系统的净化能力等决定了电厂在正常运行时放射性的排放 量。如果放射性废气排放量很大,电厂就不宜建在城镇居民中心附 近;如果废水放射性排放量很大,电厂废水就不能直接向江河湖海 中排放。具体允许排放量,需根据放射性物质的毒性、厂址的环境 稀释能力、居民点离电厂的距离和居民的饮食习惯来决定。设计上 要求核电厂在极限事故工况下的放射性物质释放量不应达到对居民 健康和安全造成超过我国国家核安全局关于核电厂厂址选择所规定 的严重危害后果的程度。 15 厂址的自然条件和技术要求 厂址的自然条件必须满足核电厂选址的技术要求,应尽可能地避免或 减少自然灾害(如地震、洪水及灾难性气象条件)造成的后果,并 应有利于排出的放射性物质在环境中稀释。 地震 海啸 气象 水源水文 交通运输比较方便 16 辐射安全要求 辐射安全的角度看,电厂正常运行时排放的放射性废物对环境的影响 很小,对选址有影响的主要还是核电厂事故时可能对居民造成的危 害,所以,通常一个国家的核电厂选址标准,其主要内容之一是规 定事故条件下的最大释放量。 反应堆正常运行时按“放射防护规定”对附近居民的剂量限值为每年 全身5×10-3Sv;在核电厂发生重大的假想事故情况下,应保证居民 不受超过规定的剂量限值的照射。 人口密度分布是目前选址要考虑的一个重要因素,但不是唯一因素, 需综合考虑厂址的其它各种条件,随着技术水平和安全研究的不断 发展,核电厂的设计和安全设施的日趋完善可靠,特别是随着核电 厂建造和运行经验的不断积累,人口密度分布限制会进一步减小, 甚至有可能在靠近大城市的位置建造核电厂。 17 总平面布置设计原则总平面布置设计原则 核电厂的厂址选定后,在总平面布置设计时应考虑以下原则 : 合理区分放射性与非放射性的建筑物,使净区和脏区严格分开,脏区尽 可能置于主导风向的下风侧,以减少放射性污染。 满足核电厂生产工艺流程要求,便于设备运输,减少厂区管线的迂回和 纵横交叉。 反应堆厂房、辅助厂房和燃料厂房,都应设在同一基岩的基垫层上,防 止因厂房承载或地震所产生的沉降差异而造成管线断裂。 核电厂厂房布置以反应堆厂房为中心,辅助厂房,燃料贮存厂房,主控 制楼和应急柴油发电机厂房均环绕在反应堆厂房周围。对于双单元 核电厂也可采用对称布置,并共用部分辅助厂房。 18 核电厂的厂区的几个部分核电厂的厂区的几个部分 核心区:主要由核岛和常规岛组成,包括反应堆厂房,辅助厂房,燃料贮 存厂房,主控制室,应急柴油发电机厂房,汽轮发电机厂房等。 三废区:主要由废液贮存、处理厂房,固化厂房,弱放废物库,固体废物 贮存库,特种洗衣房和特种汽车库等组成。 供排水区:主要有循环水泵房,输水隧洞,排水渠道,淡水净化处理车间 ,消防站,高压消防泵房,排水泵房等组成。 动力供应区:主要由冷冻机站,压缩空气及液氮贮存气化站,辅助锅炉房 等组成。 检修及仓库区:包括检修车间,材料仓库,设备综合仓库及危险品仓库等 。 厂前区:为电厂行政办公大楼及汽车、消防、保安及生活服务设施。 19 核电厂厂区核电厂厂区 L L型型布置布置 20 大亚湾核电厂厂区大亚湾核电厂厂区 T T 型布置型布置 21 压水堆核电厂主要厂房布置压水堆核电厂主要厂房布置 22 压压 水水 堆堆 安安 全全 壳壳 内内 纵纵 剖剖 面面 图图 23 核电厂安全设备功能及分级核电厂安全设备功能及分级 核电厂安全的基本目标是限制居民和核电厂工作人员在电 厂所有运行工况和事故工况下所受到的射线照射 核电厂的系统、设备和构筑物对于电厂安全的作用比一般 常规系统设备和构筑物更大,因而提出了设备的安全功 能以及按其对安全的重要性分级的概念。这种安全功能 分级称为“安全等级”。划分安全等级的目的是提供分 级设计标准。对于不同安全等级的设备规定不同的设计 、制造、检验、试验的要求。这样既提高了核电厂安全 性,又避免了对某些设备要求过严的现象。 24 为保证必要的安全性,执行安全功能的系统执行下列功能 : 为安全停堆和维持其安全停堆状态提供手段; 为停堆后从堆芯导出余热提供手段; 在事故后为防止放射性物质的释放提供手段,以确保事故 工况之后的任何释放不超过容许极限。 为实现上述要求,我国国家核安全局在1986年发布的安全 导则中均规定了20种安全功能项目。主要内容有:在完 成所有停堆操作后,将反应堆维持在安全停堆状态;将 其它安全系统的热量转移到最终热阱;维持反应堆冷却 剂压力边界的完整性;限制安全壳内的放射性物质向外 释放等。25 为了对每项功能按其对安全的重要性分级,可以采用确定 论和概率论两种分级方法。 确定论法常对那些对安全有重要作用的、其损坏会导致严 重放射性释放事故的系统、设备和构筑物提出各种要求 。这些要求带有强制性而不需要直接考虑损坏的几率或 减轻事故后果的作用。 概率论法则根据需要某一安全功能所起的作用几率以及该 安全功能失效的后果来评价安全重要性。此法在确定各 系统、设备和构筑物的安全重要性的相对值时特别有用 。 大多数国家同时采用两种方法,通过对各种堆型所作大量 假想事故分析的研究成果,可评价发生假想事故时执行 某安全功能的几率以及该安全功能失效的后果。 26 安全分级安全分级 安全一级 安全一级主要包括组成反应堆冷却剂系统承压边界的所有部件。 安全二级 主要指反应堆冷却剂系统承压边界内不属于安全一级的各种部件, 以及为执行所有事故工况下停堆、维持堆芯冷却剂总量和排出堆芯 热量及限制放射性物质向外释放的各种部件。 安全三级 主要指下述一些辅助系统的设备:为控制反应性提供硼酸的系统, 辅助给水系统;设备冷却水系统 安全四级 核岛中不属于安全一、二、三级的设备为非核安全等级。 27 核电厂安全设计准则核电厂安全设计准则 与其他电能生产相比,核电厂的最大特点之一,是在运行同时要产生 大量放射性裂变物质。核电厂设计的首要问题,就是要在正常工况 或事故工况下,能把这些放射性物质严加控制,把对个人的照射减 少到可接受的水平,确保工作人员与公众的安全。为此,许多国家 都规定了严格的核电厂建造审批程序,制订各种安全规范及设计准 则。核电厂采取比常规能源系统高得多的设计、建造和运行标准, 采用比常规工业严密得多的质量控制与质量保证体系。核电厂采用 的安全性准则是多重屏障与纵深防御;在设计中必须对各种可预见 和不可预见的事件作出分析,并作出环境影响评价。与此相应,核 电厂必须有确定可靠的反应堆保护系统与专设安全设施,以尽量减 轻由于设备、系统失效、操作失误以及像地震、飞机坠落、洪水、 龙卷风等自然灾害可能造成的危害。 28 核电厂安全设计准则核电厂安全设计准则 多重屏障 纵深防御 单 一 故 障 准 则 抗自然灾害的功能 辐 照 剂 量 标 准 29 本章小结本章小结 1 定义:聚变反应,裂变反应,核燃料,一次核燃料,二次再生核燃 料,易裂变核素,可转换核素,天然铀,富集铀,链式反应,裂变 产物 2 反应堆分类 3 与沸水堆核电厂不同,压水堆核电厂采用间接循环,即推动汽轮机 做功的蒸汽在蒸汽发生器中产生。反应堆冷却剂将堆芯热量载出, 通过蒸汽发生器传给给水。这样做的优点是一回路成为隔离放射性 的一道屏障,但多了蒸汽发生器。 4 压水堆核电厂主要由一回路、二回路和循环水回路三个回路组成。 一回路生产蒸汽,二回路和三回路将蒸汽的热能转换为推动汽轮发 电机组转动的机械能。 30 反应堆厂房包容反应堆和一回路的所有设备。以反应堆厂房为中心, 还有汽轮机厂房,包容一回路辅助系统及安全设施系统的核辅助厂 房,燃料厂房等。 核电厂的系统、设备和构筑物对于电厂安全的作用比一般常规系统设 备和构筑物更大,因而提出了设备的安全功能以及按其对安全的重 要性分级的概念。 现代压水堆核电厂设计中,应遵循多道屏障、纵深防御、单一故障准 则,具有抗御自然灾害能力,遵守国家的辐照剂量标准。 31 术语术语 conventional island : nuclear island : containment : turbine building reactor building nuclear auxiliary building reactor coolant system steam generator nuclear steam supply system reactor coolant pump 32 single failure criterion 单一故障准则 defense-in-depth multiple level of barrier fuel handling building on-site power off-site power emergency power source fission reaction fusion reaction 33
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