核反應堆與核電廠基本原理

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1、 1 第二章 核反應堆與核電廠基本原理 2 教學內容 反應堆基本工作原理 反應堆分類 核電廠基本工作原理 核電廠廠房結構 核電廠設備功能及安全分級 3 反應堆的基本工作原理 幾個定義： 聚變反應，裂變反應，核燃料，一次核燃料，二次 再生核燃料，易裂變核素，可轉換核素，天然 鈾，富集鈾，鏈式反應，裂變產物（碎片） 核裂變反應堆與原子彈的相同點與區(qū)別 ? 4 裂變 nKrBanU 109236141561023592 3 M e vcmE 2 0 0* 2 nHeHH 10423121 M e vcmE 6.17* 2 聚變 核聚變比核裂變更節(jié)省核燃料， 太陽能實際上是太陽 中進行的核聚變的產物，

2、本質上也是核能。我們現(xiàn)在利 用的煤炭、石油、水力等能源，都是由太陽能轉化而來， 溯其源也是核能。因此可以說，人類利用和賴以生存的 一切能源，直接或間接都來自核能。 1克鈾 -235的裂變能 2700kg 標煤燃燒能量 5 反應堆的分類 反應堆的功能： 1 熱能利用：發(fā)電，供熱，或者動力 2 生產新的核燃料 3 生產放射性同位素 4 進行中子的其它應用和科研 6 按使用目的分類 生產堆 動力堆 研究堆 發(fā)電增值兩用堆 7 按引起核裂變的中子能量分類 快中子堆 中能中子堆 熱中子堆 8 按冷卻劑、慢化劑分類 輕水堆（壓水堆，沸水堆） 重水堆 石墨氣冷堆 石墨水冷堆 鈉冷堆 9 按核燃料在堆內分布形

3、式分類 均勻堆：核燃料、慢化劑、冷卻劑均勻混合在一起 非均勻堆：絕大多數(shù)堆型 10 核電廠基本工作原理 利用核能生產電能的電廠稱為核電廠。由于核反應 堆的類型不同，核電廠的系統(tǒng)和設備也不同。 壓水堆核電廠主要由壓水反應堆、反應堆冷卻 劑系統(tǒng)（簡稱一回路）、蒸汽和動力轉換系統(tǒng) （又稱二回路）、循環(huán)水系統(tǒng)、發(fā)電機和輸配 電系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)組成， 11 壓水堆核電廠原理圖 12 三 環(huán) 路 壓 水 堆 一 回 路 系 統(tǒng) 13 沸水堆核電廠原理圖 14 核電廠選址 核電廠選址比火電廠具有更高的安全要求。選擇核電廠的廠址工作，涉 及區(qū)域經濟發(fā)展規(guī)劃等因素，跟氣象、地質、地震和水文等自然條 件有關，還與

4、安全、環(huán)境有重要關系，因此，它受到政府、環(huán)境保 護部門和周圍民眾的普遍重視。 核電廠選址考慮的因素中很多與火電廠相同，它們包括：接近電力負荷 中心，有充足的冷卻水源，交通運輸方便，良好的自然條件（如地 形、地質和地震等），減少廢熱廢物排放對生物的影響和防止環(huán)境 污染的可能性等。核電廠選址基本原則除了要滿足常規(guī)電廠所必需 的條件外，還應盡量減少釋放放射性對環(huán)境的影響，以確保居民在 一般事故和嚴重事故條件下不受危害。歸結起來，核電廠選址應考 慮核電廠本身特性、廠址自然條件和技術要求以及輻射安全等三個 方面。 15 核電廠本身特性 核反應堆是一個強大的放射源。核電廠的熱功率決定了反應堆內放射性 的總

5、貯量， 在相同的運行條件下，堆內放射性的總量與功率成正 比，因而在發(fā)生事故時可能釋放的放射性也與功率有關。 反應堆燃料棒運行時的破損率、反應堆冷卻劑系統(tǒng)的泄漏率和放射性廢 物處理系統(tǒng)的凈化能力等決定了電廠在正常運行時放射性的排放量。 如果放射性廢氣排放量很大，電廠就不宜建在城鎮(zhèn)居民中心附近 ; 如果廢水放射性排放量很大，電廠廢水就不能直接向江河湖海中排 放。具體允許排放量，需根據(jù)放射性物質的毒性、廠址的環(huán)境稀釋 能力、居民點離電廠的距離和居民的飲食習慣來決定。設計上要求 核電廠在極限事故工況下的放射性物質釋放量不應達到對居民健康 和安全造成超過我國國家核安全局關于核電廠廠址選擇所規(guī)定的嚴 重危

6、害后果的程度。 16 廠址的自然條件和技術要求 廠址的自然條件必須滿足核電廠選址的技術要求，應盡可能地避免或減 少自然災害（如地震、洪水及災難性氣象條件）造成的后果，并應 有利于排出的放射性物質在環(huán)境中稀釋。 地震 海嘯 氣象 水源水文 交通運輸比較方便 17 輻射安全要求 輻射安全的角度看，電廠正常運行時排放的放射性廢物對環(huán)境的影響很 小，對選址有影響的主要還是核電廠事故時可能對居民造成的危害， 所以，通常一個國家的核電廠選址標準，其主要內容之一是規(guī)定事 故條件下的最大釋放量。 反應堆正常運行時按 “ 放射防護規(guī)定 ” 對附近居民的劑量限值為每年全 身 5 10-3Sv；在核電廠發(fā)生重大的假

7、想事故情況下，應保證居民不 受超過規(guī)定的劑量限值的照射。 人口密度分布是目前選址要考慮的一個重要因素，但不是唯一因素，需 綜合考慮廠址的其它各種條件，隨著技術水平和安全研究的不斷發(fā) 展，核電廠的設計和安全設施的日趨完善可靠，特別是隨著核電廠 建造和運行經驗的不斷積累，人口密度分布限制會進一步減小，甚 至有可能在靠近大城市的位置建造核電廠。 18 總平面布置設計原則 核電廠的廠址選定后，在總平面布置設計時應考慮以下原則： 合理區(qū)分放射性與非放射性的建筑物，使凈區(qū)和臟區(qū)嚴格分開，臟區(qū)盡 可能置于主導風向的下風側，以減少放射性污染。 滿足核電廠生產工藝流程要求，便于設備運輸，減少廠區(qū)管線的迂回和 縱

8、橫交叉。 反應堆廠房、輔助廠房和燃料廠房，都應設在同一基巖的基墊層上，防 止因廠房承載或地震所產生的沉降差異而造成管線斷裂。 核電廠廠房布置以反應堆廠房為中心，輔助廠房，燃料貯存廠房，主控 制樓和應急柴油發(fā)電機廠房均環(huán)繞在反應堆廠房周圍。對于雙單元 核電廠也可采用對稱布置，并共用部分輔助廠房。 19 核電廠的廠區(qū)的幾個部分 核心區(qū)：主要由核島和常規(guī)島組成，包括反應堆廠房，輔助廠房，燃料貯 存廠房，主控制室，應急柴油發(fā)電機廠房，汽輪發(fā)電機廠房等。 三廢區(qū)：主要由廢液貯存、處理廠房，固化廠房，弱放廢物庫，固體廢物 貯存庫，特種洗衣房和特種汽車庫等組成。 供排水區(qū)：主要有循環(huán)水泵房，輸水隧洞，排水渠

9、道，淡水凈化處理車間， 消防站，高壓消防泵房，排水泵房等組成。 動力供應區(qū)：主要由冷凍機站，壓縮空氣及液氮貯存氣化站，輔助鍋爐房 等組成。 檢修及倉庫區(qū)：包括檢修車間，材料倉庫，設備綜合倉庫及危險品倉庫等。 廠前區(qū)：為電廠行政辦公大樓及汽車、消防、保安及生活服務設施。 20 核電廠廠區(qū) L型布置 21 大亞灣核電廠廠區(qū) T 型布置 22 壓水堆核電廠主要廠房布置 23 壓 水 堆 安 全 殼 內 縱 剖 面 圖 24 核電廠安全設備功能及分級 核電廠安全的基本目標是限制居民和核電廠工作人員在電 廠所有運行工況和事故工況下所受到的射線照射 核電廠的系統(tǒng)、設備和構筑物對于電廠安全的作用比一般 常規(guī)

10、系統(tǒng)設備和構筑物更大，因而提出了設備的安全功 能以及按其對安全的重要性分級的概念。這種安全功能 分級稱為 “ 安全等級 ” 。劃分安全等級的目的是提供分 級設計標準。對于不同安全等級的設備規(guī)定不同的設計、 制造、檢驗、試驗的要求。這樣既提高了核電廠安全性， 又避免了對某些設備要求過嚴的現(xiàn)象。 25 為保證必要的安全性，執(zhí)行安全功能的系統(tǒng)執(zhí)行下列功能： 為安全停堆和維持其安全停堆狀態(tài)提供手段； 為停堆后從堆芯導出余熱提供手段； 在事故后為防止放射性物質的釋放提供手段，以確保事故 工況之后的任何釋放不超過容許極限。 為實現(xiàn)上述要求，我國國家核安全局在 1986年發(fā)布的安全 導則中均規(guī)定了 20種安

11、全功能項目。主要內容有：在完 成所有停堆操作后，將反應堆維持在安全停堆狀態(tài)；將 其它安全系統(tǒng)的熱量轉移到最終熱阱；維持反應堆冷卻 劑壓力邊界的完整性；限制安全殼內的放射性物質向外 釋放等。 26 為了對每項功能按其對安全的重要性分級，可以采用確定 論和概率論兩種分級方法。 確定論法常對那些對安全有重要作用的、其損壞會導致嚴 重放射性釋放事故的系統(tǒng)、設備和構筑物提出各種要求。 這些要求帶有強制性而不需要直接考慮損壞的幾率或減 輕事故后果的作用。 概率論法則根據(jù)需要某一安全功能所起的作用幾率以及該 安全功能失效的后果來評價安全重要性。此法在確定各 系統(tǒng)、設備和構筑物的安全重要性的相對值時特別有用。

12、 大多數(shù)國家同時采用兩種方法，通過對各種堆型所作大量 假想事故分析的研究成果，可評價發(fā)生假想事故時執(zhí)行 某安全功能的幾率以及該安全功能失效的后果。 27 安全分級 安全一級 安全一級主要包括組成反應堆冷卻劑系統(tǒng)承壓邊界的所有部件。 安全二級 主要指反應堆冷卻劑系統(tǒng)承壓邊界內不屬于安全一級的各種部件， 以及為執(zhí)行所有事故工況下停堆、維持堆芯冷卻劑總量和排出堆芯 熱量及限制放射性物質向外釋放的各種部件。 安全三級 主要指下述一些輔助系統(tǒng)的設備：為控制反應性提供硼酸的系統(tǒng)， 輔助給水系統(tǒng)；設備冷卻水系統(tǒng) 安全四級 核島中不屬于安全一、二、三級的設備為非核安全等級。 28 核電廠安全設計準則 與其他電

13、能生產相比，核電廠的最大特點之一，是在運行同時要產生 大量放射性裂變物質。核電廠設計的首要問題，就是要在正常工況 或事故工況下，能把這些放射性物質嚴加控制，把對個人的照射減 少到可接受的水平，確保工作人員與公眾的安全。為此，許多國家 都規(guī)定了嚴格的核電廠建造審批程序，制訂各種安全規(guī)范及設計準 則。核電廠采取比常規(guī)能源系統(tǒng)高得多的設計、建造和運行標準， 采用比常規(guī)工業(yè)嚴密得多的質量控制與質量保證體系。核電廠采用 的安全性準則是 多重屏障與縱深防御 ；在設計中必須對各種可預見 和不可預見的事件作出分析，并作出環(huán)境影響評價。與此相應，核 電廠必須有確定可靠的反應堆保護系統(tǒng)與專設安全設施，以盡量減 輕

14、由于設備、系統(tǒng)失效、操作失誤以及像地震、飛機墜落、洪水、 龍卷風等自然災害可能造成的危害。 29 核電廠安全設計準則 多重屏障 縱深防御 單 一 故 障 準 則 抗自然災害的功能 輻 照 劑 量 標 準 30 本章小結 1 定義：聚變反應，裂變反應，核燃料，一次核燃料，二次再生核燃 料，易裂變核素，可轉換核素，天然鈾，富集鈾，鏈式反應，裂變 產物 2 反應堆分類 3 與沸水堆核電廠不同，壓水堆核電廠采用間接循環(huán)，即推動汽輪機 做功的蒸汽在蒸汽發(fā)生器中產生。反應堆冷卻劑將堆芯熱量載出， 通過蒸汽發(fā)生器傳給給水。這樣做的優(yōu)點是一回路成為隔離放射性 的一道屏障，但多了蒸汽發(fā)生器。 4 壓水堆核電廠主

15、要由一回路、二回路和循環(huán)水回路三個回路組成。 一回路生產蒸汽，二回路和三回路將蒸汽的熱能轉換為推動汽輪發(fā) 電機組轉動的機械能。 31 反應堆廠房包容反應堆和一回路的所有設備。以反應堆廠房為中心， 還有汽輪機廠房，包容一回路輔助系統(tǒng)及安全設施系統(tǒng)的核輔助廠 房，燃料廠房等。 核電廠的系統(tǒng)、設備和構筑物對于電廠安全的作用比一般常規(guī)系統(tǒng)設 備和構筑物更大，因而提出了設備的安全功能以及按其對安全的重 要性分級的概念。 現(xiàn)代壓水堆核電廠設計中，應遵循多道屏障、縱深防御、單一故障準 則，具有抗御自然災害能力，遵守國家的輻照劑量標準。 32 術語 conventional island ： nuclear

16、island ： containment : turbine building reactor building nuclear auxiliary building reactor coolant system steam generator nuclear steam supply system reactor coolant pump 33 single failure criterion 單一故障準則 defense-in-depth multiple level of barrier fuel handling building on-site power off-site power emergency power source fission reaction fusion reaction