核反應(yīng)堆與核電廠基本原理.ppt

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第二章核反應(yīng)堆與核電廠基本原理,王建軍2020/4/27,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,2,2.1反應(yīng)堆的基本工作原理,反應(yīng)堆利用輕核聚變——聚變反應(yīng)堆（氘，氚等）利用重核裂變——裂變反應(yīng)堆（鈾，钚等）,核燃料,反應(yīng)堆中使用的裂變物質(zhì)及可轉(zhuǎn)換物質(zhì)的統(tǒng)稱,主要指U，Pu易裂變同位素,其功用主要用來產(chǎn)生裂變并放出裂變能量,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,3,易裂變核素,與任何能量中子都能發(fā)生裂變反應(yīng)的核素,主要指U-235，U-233和Pu-239三種同位素,其中只有U-235是自然界天然存在的,可裂變核素（可轉(zhuǎn)換核素）,在一定能量中子作用下可生成易裂變核素,主要指U-238，Th-232同位素,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,4,一次核燃料,天然存在于自然界的易裂變核素稱為一次核燃料,二次（再生）核燃料,由人工方法制備的易裂變核素稱為二次核燃料,特指U-235的質(zhì)量份額與自然界中獲取的質(zhì)量份額相等時(shí)，為天然鈾；U-235的質(zhì)量份額大于0.714%則稱為富集鈾或濃縮鈾；,天然鈾和富集鈾,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,5,裂變過程及裂變能,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,6,裂變碎片,裂變產(chǎn)生的中等質(zhì)量核素,裂變碎片動(dòng)能是裂變能量的主要部分,可裂變核素（可轉(zhuǎn)換核素）的轉(zhuǎn)換,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,7,裂變能量,裂變碎片,裂變釋放的中子,裂變過程中放出的射線,U-235單次裂變釋放能量大約為200MeV,單位質(zhì)量U-235裂變釋放能量計(jì)算,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,8,2.2反應(yīng)堆的分類,核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)功能,動(dòng)力、能源等,生產(chǎn)燃料或其他同位素等,中子應(yīng)用、射線應(yīng)用及其他科學(xué)研究,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,9,核反應(yīng)堆分類標(biāo)準(zhǔn),慢化劑，冷卻劑，核燃料形式,結(jié)構(gòu)形式,堆芯內(nèi)熱工狀態(tài)，裂變中子能量等,運(yùn)行方式，使用用途等,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,10,核反應(yīng)堆分類,結(jié)構(gòu)形式,殼式，管式，池式等,運(yùn)行壓力,高壓，中壓，低壓,運(yùn)行方式,脈沖反應(yīng)堆，常規(guī)反應(yīng)堆,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,11,2.3核電廠工作原理,典型核電廠工作原理,壓水反應(yīng)堆核電廠,其他典型類型核電廠,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,12,壓水反應(yīng)堆核電廠,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,13,壓水反應(yīng)堆核電廠廠房布置,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,14,沸水反應(yīng)堆核電廠,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,15,沸水反應(yīng)堆核電廠,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,16,重水堆的特點(diǎn),采用重水作慢化劑，可以直接利用天然鈾作為核燃料；可用輕水或重水作冷卻劑；分壓力容器式和壓力管式兩類；代表性重水堆核電廠:CANDU(CANadianDeuteriumUraniumReactor)ACR-1000(AdvancedCANDUReactor),2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,17,秦山三期核電站年發(fā)電近100億千瓦時(shí),2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,18,CANDU系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,19,CANDU核島系統(tǒng),2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,20,高溫氣冷堆的特點(diǎn),采用石墨作慢化劑，氣體作冷卻劑；高溫氣冷堆具有效率高、安全性好等突出優(yōu)點(diǎn)，由于采用了密度和比熱很小的氣體作為工質(zhì)，所以功率密度較小，堆芯體積較大；這種堆型對(duì)管路材料的耐高溫性和密封性都提出了很高的要求，目前對(duì)氣體工質(zhì)的熱工性質(zhì)也需要進(jìn)一步研究。,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,21,早期的氣冷堆：石墨為慢化劑，CO2氣體為冷卻劑，金屬天然鈾為燃料，鎂諾克斯合金為燃料棒包殼材料，1956年英國(guó)建成50MWe氣冷堆電站并商用化，70年代初期，在英、法、意、日和西班牙等國(guó)建造36座，總裝機(jī)容量達(dá)到8.2GW（電）；改進(jìn)型氣冷堆：包殼材料改為不銹鋼，采用2％濃縮鈾，1963年英國(guó)建造32MWe原型堆，1976-1988年，運(yùn)行的AGR共有14座，8.9GW，由于受到CO2與不銹鋼元件包殼材料化學(xué)相容性的限制(690℃)，使出口溫度難以進(jìn)一步提高，再加上功率密度低、燃耗低的限制，使其仍難以和壓水堆在經(jīng)濟(jì)上競(jìng)爭(zhēng)；高溫氣冷堆：采用90％以上的濃縮鈾，全陶瓷燃料元件及堆芯，采用He作為冷卻劑，溫度可提高到750～1200℃，發(fā)電效率提高，同時(shí)可以為煉鋼、煤的氣化、核能制氫等工藝提供高溫?zé)嵩矗?氣冷堆發(fā)展階段,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,22,清華大學(xué)10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆(HTR-10),清華大學(xué)HTR-10,山東省示范工程,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,23,快堆核電站流程,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,24,Sodium-CooledFastReactor(SFR),CharacteristicsSodiumcoolant550COutletTemp150to500MWeMetalfuelwithpyroprocessing,orMOXfuelwithadvancedaqueousprocessingBenefitsWasteminimizationandefficientuseofuraniumresources,U.S.ProductTeamLeader:Dr.JordiRoglans(ANL),2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,25,Lead-CooledFastReactor(LFR),CharacteristicsPborPb/Bicoolant550Cto800Coutlettemperature120–400MWe15–30yearcorelifeCartridgecoreforregionalfuelprocessingBenefitsProliferationresistanceoflong-lifecartridgecoreDistributedelectricitygenerationHydrogenproductionHighdegreeofpassivesafety,U.S.ProductTeamLeader:Dr.ToddAllen(ANL),2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,26,,,,Gas-CooledFastReactor(GFR),CharacteristicsHeliumcoolant850CoutlettemperatureDirectgas-turbinecycle600MWth/288MWeBenefitsWasteminimizationandefficientuseofuraniumresources,U.S.ProductTeamLeader:Dr.KevanWeaver(INEEL),2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,27,Supercritical-Water-CooledReactor(SCWR),CharacteristicsWatercoolantatsupercriticalconditions550Coutlettemperature1700MWeSimplifiedbalanceofplantBenefitsEfficiencynear45%withexcellenteconomics,U.S.ProductTeamLeader:Dr.JacopoBuongiorno(INEEL),2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,28,,,2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,29,Very-High-TemperatureReactor(VHTR),CharacteristicsHeliumcoolant1000CoutlettemperatureWater-crackingcycleBenefitsHydrogenproductionHighdegreeofpassivesafetyHighthermalefficiencyProcessheatapplications,U.S.ProductTeamLeader:Dr.FinisSouthworth(INEEL),2020年4月27日10時(shí)44分,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,30,MoltenSaltReactor(MSR),CharacteristicsFuel:liquidfluoridesofNa,Zr,UandPu700–800Coutlettemperature1000MWeLowpressure(<0.5MPa)Benefits‘Finalburn’transmutationAvoidsfueldevelopmentProliferationresistancethroughlowfissilematerialinventory,U.S.ProductTeamLeader:Dr.CharlesForsberg(ORNL),