反應(yīng)堆原理：第一章 概述-2

《反應(yīng)堆原理》

第一章概述-II反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型核反應(yīng)堆是一種啟動(dòng)、控制并維持核裂變或核聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置1942年恩里科·費(fèi)米在美國(guó)芝加哥大學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造了人類歷史上第一座核反應(yīng)堆，該核反應(yīng)堆輸出功率僅為0.5瓦。1954年，前蘇聯(lián)建成了世界上第一座小型的原子能發(fā)電站，裝機(jī)容量為5百萬(wàn)瓦。人類歷史上第一座核反應(yīng)堆cp-1反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型反應(yīng)堆的分類熱中子反應(yīng)堆快中子反應(yīng)堆中能中子反應(yīng)堆(沒有太多優(yōu)點(diǎn))輕水慢化反應(yīng)堆重水慢化反應(yīng)堆石墨慢化反應(yīng)堆

......中子能譜慢化劑冷卻劑用途生產(chǎn)堆試驗(yàn)堆動(dòng)力堆

......輕水冷卻反應(yīng)堆重水冷卻反應(yīng)堆液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆氣體冷卻反應(yīng)堆有機(jī)物冷卻反應(yīng)堆反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型1.生產(chǎn)堆生產(chǎn)堆：專門用于生產(chǎn)易裂變或聚變物質(zhì)的反應(yīng)堆易裂變物質(zhì)如235U、233U和239Pu，只有235U天然存在

將232Th和238U放入生產(chǎn)堆接受中子輻照可轉(zhuǎn)化為233U和239Pu，232Th和238U被稱為再生物質(zhì)，這一過(guò)程稱為轉(zhuǎn)換或增殖

聚變物質(zhì)如3H，可使用中子輻照6Li的方法生產(chǎn)

例如：1944-1945年美國(guó)建成的漢福特石墨冷堆和薩瓦納天然鈾重水堆，主要目的用于生產(chǎn)軍用的239Pu。中國(guó)：中核四零四廠，八二一

廠的石墨反應(yīng)堆。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型2.試驗(yàn)堆用于試驗(yàn)研究的反應(yīng)堆。它既可以用于核物理、放射化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)研究和放射性同位素生產(chǎn)等，也可以用于反應(yīng)堆燃料元件或結(jié)構(gòu)材料考驗(yàn)以及各種新型反應(yīng)堆自身的靜、動(dòng)態(tài)特性研究等等。例如：托卡馬克裝置

全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置EAST裝置國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆ITER計(jì)劃：(InternationalThermonuclearExperimentalReactor)

中國(guó)原子能研究院KAAR堆反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型3.動(dòng)力堆用于驅(qū)動(dòng)艦艇（~100艘）或直接發(fā)電的反應(yīng)堆（~450個(gè)）

世界核電站分布圖反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型核電站用的反應(yīng)堆類型：壓水堆、沸水堆、重水堆、氣冷堆、鈉冷快堆、第三代(AP1000)、四代反應(yīng)堆(超臨界水冷堆、超高溫氣冷堆、熔鹽堆等)。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：壓水堆世界上最早開發(fā)的動(dòng)力堆堆型。壓水堆以凈化的普通水作慢化劑和冷卻劑，水的總體溫度低于系統(tǒng)壓力下（15-16

MPa）的飽和溫度。壓水堆本體結(jié)構(gòu)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)堆內(nèi)構(gòu)件壓力容器堆芯反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：壓水堆堆芯：進(jìn)行鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)的區(qū)域，它由核燃料組件、可燃毒物組件、控制棒組件和啟動(dòng)中子源組件等組成。壓水堆堆芯部分的橫截面反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：壓水堆燃料棒（左）與燃料組件（右）UO2芯塊空腔彈簧上端塞下端塞燃料棒定位格架上管座下管座電功率為1000

MW的壓水堆堆芯一般裝有150~200組燃料組件，一個(gè)燃料組件包含200~300根燃料元件棒。大型核電站反應(yīng)堆核燃料一般按富集度分為三區(qū)裝載，以局部倒換料方式每1~1.5年更換一次燃料，每次換出大約1/3的燃料組件。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：壓水堆控制棒組件由若干根細(xì)棒狀的控制棒組成,通過(guò)它們上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟動(dòng)、停堆、改變功率等功能?？刂瓢艚M件燃料棒吸收棒導(dǎo)管底部管嘴把手中子吸收棒片套筒式控制棒組件十字形控制棒組件反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：壓水堆壓水反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)

堆內(nèi)構(gòu)件

堆內(nèi)構(gòu)件用于使堆芯在壓力容器內(nèi)精確定位、對(duì)中并壓緊，以防止運(yùn)行過(guò)程中因流體流動(dòng)的沖擊而發(fā)生偏移；堆內(nèi)構(gòu)件的另一個(gè)作用是用來(lái)分隔流體，使冷卻劑按一定方向流動(dòng)，有效的帶出熱量。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是驅(qū)動(dòng)控制棒，使控制棒在正常運(yùn)行時(shí)能上下緩慢移動(dòng)(10~19

mm/s)，在緊急停堆或事故情況下能在接到信號(hào)后迅速全部插入堆芯，以保證反應(yīng)堆安全?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：壓水堆反應(yīng)堆壓力容器放置堆芯及堆內(nèi)構(gòu)件、防止放射性物質(zhì)外逸的承壓設(shè)備。壓力容器必須耐高硼酸水腐蝕和高能中子輻照。廣東臺(tái)山核電1號(hào)機(jī)組核島反應(yīng)堆壓力容器嶺澳二期項(xiàng)目4#機(jī)組核反應(yīng)堆壓力容器反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：壓水堆反應(yīng)堆原理壓水堆核電廠主要由壓水反應(yīng)堆、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱一回路）、蒸汽和動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（又稱二回路）、循環(huán)水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和輸配電系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)組成。壓水堆(PressurizedWaterReactor)是世界上最早開發(fā)的動(dòng)力堆堆型。壓水堆以凈化的普通水作慢化劑和冷卻劑，水的總體溫度低于系統(tǒng)壓力下（15-16

MPa）的飽和溫度。二.核反應(yīng)堆類型：壓水堆反應(yīng)堆原理壓水堆本體結(jié)構(gòu)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)堆內(nèi)構(gòu)件壓力容器堆芯二.核反應(yīng)堆類型：沸水堆反應(yīng)堆原理沸水堆（BoilingWaterReactor），其工作原理為：冷卻水從反應(yīng)堆底部流進(jìn)堆芯，對(duì)燃料棒進(jìn)行冷卻，帶走裂變產(chǎn)生的熱能，冷卻水溫度升高并逐漸氣化，最終形成蒸汽和水的混合物，經(jīng)過(guò)汽水分離器和蒸汽干燥器，利用分離出的蒸汽推動(dòng)汽輪進(jìn)行發(fā)電。二.核反應(yīng)堆類型：沸水堆沸水堆本體結(jié)構(gòu)沸水堆與壓水堆同屬輕水堆,與壓水堆不同之處是沸水堆的堆芯內(nèi)(系統(tǒng)壓力約7

MPa)產(chǎn)生的蒸汽直接進(jìn)入汽輪機(jī)做功。1.同壓水堆一樣，沸水堆也采用低富集度（2~3%）的UO2作為核燃料；2.沸水堆冷卻劑內(nèi)一般不加硼,控制棒是停閉反應(yīng)堆的主要手段；3.沸水堆可以利用冷卻劑(氣水兩相)的流量控制來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：重水堆重水（D2O）的物理性質(zhì)：氘原子的質(zhì)量是氫原子的2倍，重水的慢化中子的能力不如輕水有效。因此,相同功率的重水堆體積要比輕水堆大。重水堆是指用重水(D2O99.7%)做慢化劑的反應(yīng)堆，重水堆的冷卻劑可以是重水，也可以是輕水或有機(jī)化合物。重水熱中子吸收截面0.92×10-31

m2為輕水0.638×10-28

m2的1/700。因此,重水堆能有效地利用天然鈾;乏燃料可以存儲(chǔ)起來(lái),用于快中子增殖堆;單位能量的凈钚產(chǎn)量約為壓水堆的2倍。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：石墨堆氣冷堆是以石墨作為慢化劑，二氧化碳或氦氣作為冷卻劑的反應(yīng)堆。特點(diǎn)：1.石墨中子吸收截面小，可利用天然鈾作為燃料；3.可以在帶功率時(shí)連續(xù)換料，提高了電站利用率。2.氣體冷卻劑能在不高的壓力下得到較高的出口溫度，提高了二回路的熱效率；鎂諾克斯氣冷堆反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：高溫氣冷堆燃料球結(jié)構(gòu)第一層疏松熱解碳：吸收裂變氣體，緩沖應(yīng)力，抵御輻照損傷;第二層致密熱解碳：防止裂變產(chǎn)物腐蝕SiC，承受內(nèi)壓；第三層碳化硅SIC：承受內(nèi)壓，阻擋裂變產(chǎn)物外逸；第四層致密熱解碳：保護(hù)SiC免于機(jī)械損傷。高溫氣冷堆是氣冷堆的進(jìn)一步發(fā)展，以提高其熱工參數(shù)。它采用耐高溫的涂敷顆粒燃料元件，化學(xué)惰性和熱工性能良好的氦氣作冷卻劑，耐高溫的石墨作慢化劑和堆芯結(jié)構(gòu)材料。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：鈉冷快堆問(wèn)題：如何充分利用自然界中的鈾資源？研發(fā)快中子反應(yīng)堆(屬于第四代反應(yīng)堆)：快中子堆是使用快中子(能量約100

keV以上)誘發(fā)裂變的反應(yīng)堆。239Pu+n發(fā)生裂變：平均生成2.6個(gè)中子，1個(gè)維持裂變反應(yīng)。剩余1.6個(gè)中子，完成如下過(guò)程：中子經(jīng)濟(jì)學(xué)：由于存在大量238U，則消耗1個(gè)239Pu，生成1.2個(gè)239Pu。優(yōu)點(diǎn)1：實(shí)現(xiàn)了易裂變產(chǎn)物239Pu的增值，消耗了自然界儲(chǔ)量大，又難裂變的238U

。使自然界鈾資源的利用率由1~2%提高到60~70%。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：鈉冷快堆反應(yīng)堆原理中子經(jīng)濟(jì)學(xué)：優(yōu)點(diǎn)2：在快堆中，熱中子吸收截面高的材料并不顯得那么重要，也沒有裂變產(chǎn)物（135Xe和149Sm）中毒的問(wèn)題。特點(diǎn)：快中子堆內(nèi)燃料的富集度越大越好?？熘凶佣褍?nèi)要盡量減少結(jié)構(gòu)材料和冷卻劑，因此堆芯體積很小，導(dǎo)熱問(wèn)題突出。導(dǎo)熱解決方案：使用具有很好傳熱性能的冷卻劑(液態(tài)鈉或鈉-鉀合金)。小常識(shí)：液態(tài)鈉：不會(huì)使中子明顯慢化,熔點(diǎn)低(98℃),沸點(diǎn)高(常壓下為882℃)，傳熱性能極好。鉀-鈉合金：熔點(diǎn)為-11℃，在常溫下是液體。Superphénix：法國(guó)的“超級(jí)鳳凰”17%富集度的二氧化钚

+83%富集度的二氧化鈾。(Pu完全依賴反應(yīng)堆生產(chǎn))二.核反應(yīng)堆類型：鈉冷快堆反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：鈉冷快堆技術(shù)難點(diǎn)：(1)快堆燃料富集度高，燃料初裝量大，限制了大規(guī)模應(yīng)用；(2)快堆體積小,功率密度(300~600

MW/m3)是壓水堆的4~8倍；(3)快堆的燃料元件加工及乏燃料后處理要求高；(4)快堆內(nèi)中子輻照率比熱堆大幾十倍，對(duì)材料要求苛刻；(5)快堆內(nèi)中子的平均壽命短，239Pu的緩發(fā)中子的份額少，因此控制比較困難。1000MW，初裝工業(yè)钚3.5t。(6)“鈉-水”蒸汽發(fā)生器：防止泄露；需要鈉凈化(除氧)系統(tǒng)；熔點(diǎn)98℃(如何啟動(dòng)？使用NaK合金)。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：核動(dòng)力艦船用反應(yīng)堆目前主要采用壓水堆，相比于核電站，其主要特點(diǎn)如下：(1)燃料元件的富集度高、尺寸??；一般不采用分區(qū)裝換料。(2)采用分散式布置的反應(yīng)堆一般有兩個(gè)以上環(huán)路，每個(gè)環(huán)路兩臺(tái)主泵，其中一臺(tái)備用。(3)為了提高反應(yīng)堆的可靠性，減少主泵噪音，艦船用反應(yīng)堆都力求提高自然循環(huán)能力。小知識(shí)：自然循環(huán)：在一個(gè)閉合回路內(nèi)，在沒有外部驅(qū)動(dòng)力的情況下，依靠回路冷、熱段的密度差，以及冷熱中心的高度差產(chǎn)生的循環(huán)。蒸汽發(fā)生器反應(yīng)堆反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：第三、四代反應(yīng)堆示例1：緊湊式布置壓水堆俄羅斯VBER-3001-反應(yīng)堆2-堆芯3-蒸汽發(fā)生器4-主泵5-堆內(nèi)測(cè)量裝置6-控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7-堆內(nèi)控制系統(tǒng)探測(cè)器8-保護(hù)導(dǎo)筒9-壓力外殼10-堆腔11-過(guò)濾器優(yōu)點(diǎn)：大大減小了主冷卻劑管道破裂的可能性，減小了管道的流動(dòng)阻力，增大了自然循環(huán)的能力，同時(shí)，它不存在一體化反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器檢修困難的問(wèn)題。問(wèn)題：反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器之間連接的熱脹冷縮很難補(bǔ)償。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：第三、四代反應(yīng)堆反應(yīng)堆原理示例2：日本一體化壓水堆MRX設(shè)計(jì)參數(shù)：優(yōu)點(diǎn):(1)水淹式安全殼;(2)自然循環(huán)排除衰變熱；(3)控制棒在堆容器內(nèi)。二.核反應(yīng)堆類型：核動(dòng)力艦船用反應(yīng)堆反應(yīng)堆的發(fā)展歷程20世紀(jì)50~60年代建造的首批原型堆：希平港60

MW壓水堆；法國(guó)和英國(guó)建造的天然鈾石墨氣冷堆。20世紀(jì)70年代到2000年投入運(yùn)行的商業(yè)反應(yīng)堆：美、歐、日本的壓水堆和沸水堆；俄羅斯的輕水堆；東歐的壓力管式沸水堆；加拿大的重水堆。反應(yīng)堆原理反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：第三、四代反應(yīng)堆反應(yīng)堆的發(fā)展歷程第三代反應(yīng)堆第四代反應(yīng)堆派生于第二代反應(yīng)堆，基于同樣的設(shè)計(jì)原理，技術(shù)上吸取了二代反應(yīng)堆的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。示例：美國(guó)的先進(jìn)非能動(dòng)壓水堆(AP1000)；法國(guó)的歐洲壓水堆(EPR)；美國(guó)的先進(jìn)沸水堆(ABWR)；日本的先進(jìn)壓水堆(APWR)。未來(lái)的反應(yīng)堆，在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)及燃料循環(huán)方面都將有重大的革新和發(fā)展。示例：超臨界水冷堆(SCWR)；超高溫氣冷堆(VHTR)；熔鹽反應(yīng)堆(MSR)；氣冷快堆(GFR)；鈉冷快堆(SFR)；鉛冷快堆(LFR)。反應(yīng)堆原理二.核反應(yīng)堆類型：第三、四代反應(yīng)堆與二代反應(yīng)堆相比，第三代反應(yīng)堆具有以下顯著特點(diǎn)：提高了安全性，降低了核電站嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了在事故狀態(tài)下操作員的不干預(yù)時(shí)間等；(2)提高經(jīng)濟(jì)性，降低造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；(3)延續(xù)成熟性，盡量采用現(xiàn)有核電廠已經(jīng)驗(yàn)證的成熟技術(shù)。第三代核電廠的具體目標(biāo)：堆芯損壞概率<10-5/堆年；大量放射性向外釋放概率<10-6/堆年；機(jī)組額定電功率100~150萬(wàn)千瓦；可利用因子>87%；換料周期18~24個(gè)月；電廠壽命60年；建造周期48~52月。近代實(shí)驗(yàn)物理二.核反應(yīng)堆類型：第三、四代反應(yīng)堆在建中的浙江三門核電站，裝備美國(guó)西屋公司生產(chǎn)的AP1000PWR(2014-2-21)為第三代反應(yīng)堆中的代表，具有以下優(yōu)點(diǎn)：為提高安全性，其反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器都增加了安全余量。采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)；包含非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)的安全殼。

近代實(shí)驗(yàn)物理二.核反應(yīng)堆類型：第三代反應(yīng)堆AP1000PWR雙環(huán)路形式反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器的熱工參數(shù)(裂變熱的排出能力)都留有余量；蒸汽發(fā)生器為直立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，堵管余量大，水裝量的余量也大；使用大容積穩(wěn)壓器(59.5m3)，比一般核電廠的穩(wěn)壓器大40%。近代實(shí)驗(yàn)物理二.核反應(yīng)堆類型：第三代反應(yīng)堆AP1000PWRAP1000測(cè)試裝置的反應(yīng)堆容器和循環(huán)管道近代實(shí)驗(yàn)物理二.核反應(yīng)堆類型：第三代反應(yīng)堆AP1000PWR非能動(dòng)安全系統(tǒng)主要包括：應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)和自動(dòng)降壓系統(tǒng)、非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)、非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)。事故發(fā)生、失去交流電后72小時(shí)內(nèi)，無(wú)需人員操縱，可保持堆芯的冷卻和安全殼的完整性。(1)停堆后衰變熱的釋放電站的交流電源停止，同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)也不能工作，核電站出現(xiàn)關(guān)閉問(wèn)題。1min內(nèi)，控制棒插入堆芯，裂變終止。堆芯釋放衰變熱。乏燃料水池停止循環(huán)，繼續(xù)加熱。近代實(shí)驗(yàn)物理非能動(dòng)安全系統(tǒng)2min，蒸汽發(fā)生器水位下降并啟動(dòng)堆芯被動(dòng)冷卻系統(tǒng)：自然循環(huán)。原因：換熱器冷卻回路中水密度大于堆芯