第2章-核反应堆与核电厂基本原理

1第二章核反应堆与核电厂基本原理2教学内容反应堆基本工作原理——链式裂变反应反应堆分类核电厂基本工作原理核电厂厂房结构核电厂系统设备功能核电厂安全文化3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，铀233，235，钚239易裂变核素，可转换核素，铀238，钍232天然铀，富集铀，贫铀链式反应nHeHH104231212351141921920563602UnBaKrn核裂变反应堆与原子弹的相同点与区别?反应堆为何称之为‘堆’？4裂变2351141921920563602UnBaKrnMevcmE200*2nHeHH10423121MevcmE6.17*2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5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，医疗，钴604进行中子的其它应用和科研，中子成像6按使用目的分类生产堆动力堆研究堆发电增值两用堆7按引起核裂变的中子能量分类快中子堆中子能量1MeV中能中子堆0.1MeV中子能量0.1eV热中子堆0.1eV中子能量0.0251eV8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9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10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，1112压水堆核电厂原理图13三环路压水堆一回路系统14沸水堆核电厂原理图15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。16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。17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18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。19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。20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。21核电厂厂区L型布置22大亚湾核电厂厂区T型布置23压水堆核电厂主要厂房布置24压水堆安全壳内纵剖面图25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。26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。27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。28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：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。29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。30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31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。32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。33术语conventionalisland：nuclearisland：containment:turbinebuildingreactorbuildingnuclearauxiliarybuildingreactorcoolantsystemsteamgeneratornuclearsteamsupplysystemreactorcoolantpump34singlefailurecriterion单一故障准则defense-in-depthmultiplelevelofbarrierfuelhandlingbuildingemergencypowersourcefissionreactionfusionreaction