核電站320教材總匯(1-5)

.../第1章核電站基礎(chǔ)知識(shí)眾所周知,核電站是利用核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量來(lái)發(fā)電的。在核電站的眾多設(shè)備中,既有與常規(guī)火電廠類似的汽輪發(fā)電機(jī)組,又有其特有的核反應(yīng)堆,涉及的專業(yè)領(lǐng)域很多。本章主要介紹有關(guān)反應(yīng)堆物理、傳熱學(xué)、水力學(xué)和工程熱力學(xué)的一些基本知識(shí)。反應(yīng)堆物理研究的對(duì)象是核反應(yīng)的規(guī)律。通過(guò)對(duì)中子與物質(zhì)反應(yīng)規(guī)律的研究,我們可以了解核裂變反應(yīng)的過(guò)程,計(jì)算不同能量的中子在反應(yīng)堆內(nèi)的分布,進(jìn)而得到反應(yīng)堆內(nèi)熱源的分布,并且探討控制核反應(yīng)的途徑。核裂變反應(yīng)在反應(yīng)堆堆芯中進(jìn)行,因而堆芯的功率密度比大多數(shù)常規(guī)熱源高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。為了使反應(yīng)堆安全可靠地運(yùn)行,必須持續(xù)不斷地將熱量導(dǎo)出堆外,以保證燃料元件不超溫,這就需要應(yīng)用傳熱學(xué)理論進(jìn)行分析。另外,核電廠有許多換熱設(shè)備,通過(guò)研究其傳熱能力與各種因素的關(guān)系,可以采取措施增強(qiáng)其傳熱能力,從而減小傳熱溫差和傳熱面積。水力學(xué)宏觀地研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,建立起流體中的作用力、運(yùn)動(dòng)速度和壓力之間的關(guān)系。反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的熱量由流動(dòng)的冷卻劑〔水帶出,堆芯的輸熱能力與冷卻劑的流動(dòng)特性密切相關(guān),因此反應(yīng)堆熱工計(jì)算與水力計(jì)算是相互聯(lián)系的。此外,核電站的許多系統(tǒng)都是水力回路,也需要研究流體在管道內(nèi)流動(dòng)的特性。核電站二回路〔蒸汽動(dòng)力回路是一個(gè)典型的熱力循環(huán)過(guò)程。熱力循環(huán)是指工質(zhì)從某一初始狀態(tài)出發(fā)經(jīng)歷了一系列熱力狀態(tài)變化后又回到原來(lái)的初始狀態(tài)的熱力過(guò)程。在熱力循環(huán)中,工質(zhì)通過(guò)吸熱、膨脹、放熱、壓縮等過(guò)程,將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。工程熱力學(xué)的基本任務(wù)就是研究熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的規(guī)律和條件,從而找出提高熱能利用經(jīng)濟(jì)性的途徑。需要說(shuō)明的是,以上所述都是各自獨(dú)立的學(xué)科,每一部分的內(nèi)容都非常豐富。限于篇幅及本課程的性質(zhì),本章僅就學(xué)習(xí)中可能涉及的一些基本概念和理論略作介紹,所討論的不免掛一漏萬(wàn),只能是相應(yīng)學(xué)科內(nèi)容的很少一部分。如果需要更深入全面地了解有關(guān)的知識(shí),可參看相關(guān)專著。為使讀者對(duì)核電站總體上有所了解,更好地理解后面各章的內(nèi)容,本章的最后一節(jié)還簡(jiǎn)要介紹了大亞灣核電站的構(gòu)成和系統(tǒng)設(shè)備標(biāo)識(shí)方法。1.1反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)1.1.1核反應(yīng)與結(jié)合能核反應(yīng)與我們熟知的化學(xué)反應(yīng)有本質(zhì)的不同?；瘜W(xué)反應(yīng)是兩個(gè)或數(shù)個(gè)原子的電子相互作用的結(jié)果,原子核沒(méi)有改變；核反應(yīng)則使原子核發(fā)生變化,并由此引起化學(xué)性質(zhì)的改變。核反應(yīng)發(fā)生在一個(gè)原子核和一個(gè)粒子相遇的情況下,該粒子可能是質(zhì)子、中子或氦核等,也可能是一種電磁射線。除此之外,某些存在于自然界的核素很不穩(wěn)定,會(huì)在沒(méi)有外部干預(yù)的情況下自行裂變和衰變,放出粒子和能量,我們稱這些核為放射性核。核反應(yīng)只涉及原子核,反應(yīng)中吸收或放出的能量遠(yuǎn)大于化學(xué)反應(yīng)。核反應(yīng)形成的新原子核往往是不穩(wěn)定的,會(huì)放出能量,變成穩(wěn)定核,也可能放出粒子變成另一原子核,這種現(xiàn)象稱為衰變。人們把放射性原子的數(shù)目衰變一半所需的時(shí)間定義為半衰期。原子核由質(zhì)子和中子組成,統(tǒng)稱核子,但實(shí)際上一個(gè)原子核的質(zhì)量小于組成它的單個(gè)核子的質(zhì)量之和,這種差異稱為原子核的質(zhì)量虧損。根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程,質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的能量變化：其中C為光速〔3×108m/s>,E和m的單位分別為J和Kg。當(dāng)一定數(shù)量的質(zhì)子和中子聚合起來(lái)組成一個(gè)原子核后,它們虧損了質(zhì)量,相應(yīng)地必然放出能量；反之,為了打破一個(gè)原子核,使每個(gè)核子分離開(kāi),就必須吸收對(duì)應(yīng)于質(zhì)量虧損的能量。與質(zhì)量虧損相應(yīng)的能量叫做原子核的結(jié)合能。質(zhì)量虧損越大,原子核的核子結(jié)合越緊密,因而這個(gè)原子核越穩(wěn)定。在研究原子時(shí),習(xí)慣上用電子伏特〔eV作為能量單位。1電子伏特是帶單位電子電荷的粒子不受阻礙地通過(guò)1V電勢(shì)時(shí)所獲得的能量,1eV=1.60×10-19J。在實(shí)際應(yīng)用中,eV顯得太小,常用MeV作單位,1MeV=106eV。圖1.1給出了不同核素的核子平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)〔即核子數(shù)的變化。由圖可見(jiàn),最輕和最重的原子核的結(jié)合能較小,而中等質(zhì)量的原子核則具有較大的結(jié)合能。因此,如果把曲線兩端的原子核通過(guò)核反應(yīng)轉(zhuǎn)變成位置較為中間的原子核,則質(zhì)量虧損比原來(lái)的多,這種增加的質(zhì)量虧損就會(huì)產(chǎn)生能量釋放。把很輕的原子核〔如和變成較重的原子核,這就是聚變反應(yīng)；把很重的原子核〔如分裂成較輕的原子核,這就是裂變反應(yīng)。由于存在質(zhì)量虧損,這兩種核反應(yīng)都伴隨著大量的能量釋放,而且每次聚變反應(yīng)所釋放的能量數(shù)倍于裂變反應(yīng)。目前商用核反應(yīng)堆采用的都是裂變反應(yīng)。聚變反應(yīng)亦稱熱核反應(yīng),需要在很高溫度下〔幾千萬(wàn)度才能進(jìn)行,難以控制,現(xiàn)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段?！矆D1.1圖1.1隨質(zhì)量數(shù)變化的核子平均結(jié)合能1.1.2中子與原子核的反應(yīng)在核反應(yīng)堆中,通過(guò)中子撞擊原子核產(chǎn)生裂變反應(yīng)。中子與原子核的反應(yīng)可分為散射反應(yīng)和吸收反應(yīng)兩大類,裂變反應(yīng)即屬于一種吸收反應(yīng)。散射反應(yīng)指中子與原子核碰撞后,中子的能量和運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生變化,原子核的成份不改變。根據(jù)碰撞前后中子能量的變化,散射反應(yīng)可分為彈性散射和非彈性散射。對(duì)于彈性散射,中子把一部分或全部動(dòng)能傳給原子核,原子核的內(nèi)能不變,整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)量守恒。顯然,被撞核的質(zhì)量越接近中子,中子損失的能量越多。對(duì)于非彈性散射,入射中子的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樵雍说膬?nèi)能,使核處于激發(fā)態(tài),隨后發(fā)出γ射線,返回基態(tài)。只有在入射中子能量足夠大時(shí)才會(huì)使碰撞成為非彈性的。中子在介質(zhì)中發(fā)生彈性和非彈性散射,直至中子的平均能量與介質(zhì)原子的平均能量相等,這個(gè)過(guò)程稱為慢化。介質(zhì)原子或分子一直處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài),其平均動(dòng)能取決于介質(zhì)溫度,故稱為熱能,具有這種平均熱能的中子稱為熱中子。常溫下〔20℃熱中子最可幾能量是0.025ev,對(duì)應(yīng)的中子運(yùn)動(dòng)速度為2200m/s。吸收反應(yīng)指中子與原子核碰撞后,被原子核俘獲,形成一個(gè)處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)合核,其激發(fā)能等于中子的動(dòng)能和中子在復(fù)合核中的結(jié)合能之和。如果激發(fā)能很大,復(fù)合核便分裂成兩部分〔稱裂變碎片,并以巨大的速度往不同方向飛去,同時(shí)放出數(shù)個(gè)中子,這就是裂變反應(yīng)；如果激發(fā)能不足以使復(fù)合核裂變,則復(fù)合核通過(guò)釋放等粒子失去多余能量返回基態(tài),稱輻射俘獲反應(yīng)。輻射俘獲反應(yīng)放出的粒子有射線、粒子、質(zhì)子等,分別稱為〔n,反應(yīng)、〔n,反應(yīng)和〔n,p反應(yīng)。通常以中子反應(yīng)截面來(lái)表示上述各種核反應(yīng)的幾率大小。一個(gè)原子核與入射的一個(gè)中子發(fā)生核反應(yīng)的幾率稱為微觀截面,以表示,單位是靶恩〔barn,1靶恩=10-24cm2。對(duì)于中子與原子核的各種反應(yīng),相應(yīng)有散射截面s、俘獲截面c、裂變截面f、吸收截面a。因?yàn)槲辗磻?yīng)包括裂變反應(yīng)和輻射俘獲反應(yīng),所以吸收截面等于俘獲截面與裂變截面之和,即a=c+f。中子反應(yīng)截面的大小與原子核種類及入射中子能量有關(guān)。只有少數(shù)物質(zhì)的原子核〔如、、在較低能量的中子轟擊下能發(fā)生裂變反應(yīng),其中僅是以自然形式存在的,它在天然鈾中占0.712%。目前運(yùn)行的核反應(yīng)堆絕大多數(shù)以作為核裂變材料,即核燃料。和則分別是由和在反應(yīng)堆中俘獲中子后轉(zhuǎn)換成的新的核裂變材料。天然鈾中占99.3%的是另一種同位素,它僅對(duì)高能中子發(fā)生裂變反應(yīng),其裂變截面也比較小。另外在某些中子能區(qū)內(nèi)俘獲截面有一些峰值,稱為共振吸收。圖1.2給出了鈾同位素微觀截面隨入射中子能量變化的曲線。圖1.2鈾同位素的微觀截面在實(shí)際中通常需要知道中子與單位體積內(nèi)某種給定素核之間的反應(yīng)概率,稱之為宏觀截面,用Σ表示：其中σ為微觀截面,N為核密度。如果σ的單位為靶恩,N的單位為1/cm3,則Σ的單位為1/cm,可見(jiàn)宏觀截面的物理意義是中子行走單位長(zhǎng)度路程中與原子核發(fā)生反應(yīng)的幾率。我們把1/Σ記為,稱之為平均自由程,它表示粒子在靶物質(zhì)中連續(xù)兩次相互作用之間穿行的平均距離。單位體積內(nèi)中子數(shù)與中子速度〔常采用中子的平均速度之積,稱為中子通量。中子通量表示在單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)與其速度矢量方向垂直的單位面積的中子總數(shù)。中子通量通常用Φ表示。這樣,原子核與中子之間反應(yīng)率的基本公式是：核反應(yīng)堆中的中子按其能量可分為快中子〔E＞0.1MeV、中能中子〔1eV＜E＜0.1MeV和熱中子〔E＜1eV。裂變中放出的中子能量大部分為1～2MeV,屬于快中子,由圖1.2可見(jiàn)在這個(gè)能量區(qū)域內(nèi)中子與235U核發(fā)生裂變的幾率很小,因而必須把中子減速到熱中子能量,即需要經(jīng)過(guò)一個(gè)慢化過(guò)程。使中子慢化的物質(zhì)稱慢化劑,中子在慢化劑中與其原子核碰撞發(fā)生彈性散射,動(dòng)能逐漸減小。慢化劑的慢化性能可以用一個(gè)中子能量從快中子降到熱中子所需的平均碰撞次數(shù)來(lái)表征。顯然,平均碰撞次數(shù)越少,慢化性能越好。當(dāng)然,慢化劑還應(yīng)具有較小的中子吸收截面,以減少中子的損失。核反應(yīng)堆中常用的慢化劑有水、石墨和鈹。表1.1列出了各種慢化劑的慢化性能。表1.1慢化劑的慢化性能慢化劑氫H2O氘D2OBeBeOC平均碰撞次數(shù)<從2MeV降到0.03eV>18192535861031141.1.3核裂變?nèi)缜八?裂變反應(yīng)指一個(gè)重核分裂成兩個(gè)較小質(zhì)量核的反應(yīng),它一般由一個(gè)核吸收一個(gè)中子引起。在這種反應(yīng)中,核俘獲一個(gè)中子并形成一個(gè)復(fù)合核,復(fù)合核經(jīng)過(guò)很短時(shí)間〔約10-14秒的極不穩(wěn)定的激化核階段,然后分裂成兩個(gè)主要碎片,同時(shí)放出數(shù)個(gè)中子和一定的能量。裂變反應(yīng)是核反應(yīng)堆中最重要的一種反應(yīng)。裂變反應(yīng)式為：其中X1和X2表示裂變碎片。裂變反應(yīng)時(shí),會(huì)形成60余種不同的碎片,這些碎片通過(guò)衰變產(chǎn)生約250種不同的核素,稱為裂變產(chǎn)物。裂變碎片的質(zhì)量分布見(jiàn)圖1.3。圖中曲線呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的峰,分別位于質(zhì)量數(shù)95和140附近,而分裂成質(zhì)量數(shù)恰好相等的兩半的幾率很小,大約只占0.01%。裂變碎片會(huì)發(fā)生一系列的衰變,具有很強(qiáng)的放射性,主要是和射線,其中有些核素半衰期較長(zhǎng),給核燃料后處理帶來(lái)困難。圖1.3235U裂變碎片出現(xiàn)的概率曲線圖1.4裂變中子能量對(duì)于,每次裂變平均放出2.43個(gè)中子。這些中子的能量分布在從熱能直到15Mev左右的區(qū)域,見(jiàn)圖1.4。絕大部分中子是在裂變的瞬間放出的,稱瞬發(fā)中子,另有約0.65%是由裂變產(chǎn)物在衰變過(guò)程放出來(lái)的,稱為緩發(fā)中子。緩發(fā)中子雖然份額很小,但由于它的平均壽期長(zhǎng)達(dá)12s,因而增加了每代中子的平均壽命,使得反應(yīng)堆功率變化速度變慢,從而有可能對(duì)裂變反應(yīng)進(jìn)行控制。每次裂變反應(yīng)釋放約207MeV能量,其分布形式見(jiàn)表1.2。其中大部分為裂變碎片的動(dòng)能,它們?cè)诤巳剂蟽?nèi)轉(zhuǎn)換成熱能,以熱能形式出現(xiàn)。由于中微子幾乎不與堆內(nèi)任何物質(zhì)作用,這部分能量〔12MeV無(wú)法利用。一般計(jì)算近似認(rèn)為可利用的裂變能為200MeV,其中約97%分配在燃料內(nèi),不到1%能量〔主要是射線逸出而被堆的屏蔽層吸收,其余能量分配在堆內(nèi)的冷卻劑和結(jié)構(gòu)材料內(nèi)。在裂變能中,約有4%～5%是裂變產(chǎn)物衰變過(guò)程中放出的和射線能量,其釋放有一段時(shí)間延遲,即使在停堆后仍然存在〔隨時(shí)間呈指數(shù)衰減,因此反應(yīng)堆在停堆后仍然需要維持冷卻和屏蔽。表1.2裂變釋放能的形式能量形式能量,MeV發(fā)射時(shí)間裂變碎片動(dòng)能168瞬發(fā)裂變中子動(dòng)能5瞬發(fā)瞬發(fā)γ能量7瞬發(fā)裂變產(chǎn)物γ衰變能量7緩發(fā)裂變產(chǎn)物β衰變能量8緩發(fā)中微子能量12緩發(fā)總計(jì)207根據(jù)上述分析,堆芯內(nèi)單位體積核燃料的釋熱率〔功率密度為：qv=0.97fNEf式中——中子通量；f——微觀裂變截面；N——核燃料內(nèi)核密度；Ef——每次裂變放出的能量〔可利用,約等于200MeV。和的裂變反應(yīng)與類似,這兩種核燃料可由其他元素在反應(yīng)堆中俘獲中子產(chǎn)生：能通過(guò)俘獲中子生成裂變物質(zhì)的元素稱為可轉(zhuǎn)換材料,如上式中的和。如果把可轉(zhuǎn)換材料放置在堆內(nèi),可以在初始燃料因裂變而消耗的同時(shí)產(chǎn)生新燃料〔可裂變材料。反應(yīng)堆中生成的燃料量與消耗的燃料量之比叫做反應(yīng)堆轉(zhuǎn)換比；若轉(zhuǎn)換比大于1,則稱增殖比,這種反應(yīng)堆就是增殖反應(yīng)堆。低富集鈾反應(yīng)堆的轉(zhuǎn)換比約為0.6,而以钚為燃料的快中子增殖堆的增殖比可達(dá)1.2～1.4,可以充分利用自然界儲(chǔ)存量相對(duì)豐富的。1.1.4中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在裂變反應(yīng)中放出的中子與其它可裂變核碰撞,會(huì)進(jìn)一步引起新的核裂變,從而放出第二代中子。如果反應(yīng)如此不斷地繼續(xù)下去,這個(gè)過(guò)程就稱為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng),簡(jiǎn)稱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)如果不依靠外界補(bǔ)充中子而能持續(xù)下去,則稱為自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。核反應(yīng)堆就是一種能以可控方式產(chǎn)生自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置。自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件是每一次裂變反應(yīng)放出的中子里面至少有一個(gè)中子能引起另一次核裂變。對(duì)于熱中子反應(yīng)堆,裂變放出的快中子經(jīng)過(guò)慢化成為熱中子,通過(guò)新的裂變反應(yīng)產(chǎn)生第二代中子。由于每次裂變反應(yīng)平均放出兩個(gè)以上的裂變中子,因而實(shí)現(xiàn)自持的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)是有可能的。但是,因?yàn)楹朔磻?yīng)堆是由核燃料、慢化劑、冷卻劑以及結(jié)構(gòu)材料等所組成的裝置,不可避免地有一部分中子要被非裂變材料吸收,同時(shí)還有一部分中子要從反應(yīng)堆中泄漏出去。因此,在實(shí)際的反應(yīng)堆中,并不是全部的裂變中子都能引起新的核裂變反應(yīng)。一個(gè)反應(yīng)堆能否實(shí)現(xiàn)自持的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng),就取決于上述裂變、非裂變吸收和泄漏等過(guò)程內(nèi)中子的產(chǎn)生率和消失率之間的平衡關(guān)系。如果在上述的反應(yīng)過(guò)程中,產(chǎn)生中子數(shù)等于或多于消耗掉的中子數(shù),則鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)將會(huì)自持地進(jìn)行下去。裂變中子從產(chǎn)生到消失的過(guò)程稱為中子壽命循環(huán)。為了說(shuō)明自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件,把某一代裂變中子數(shù)與產(chǎn)生它的上一代裂變中子數(shù)之比定義為有效增殖系數(shù),記為K：若K=1,則堆內(nèi)中子數(shù)目保持平衡,鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)狀況,因而反應(yīng)堆功率保持穩(wěn)定不變,稱為臨界狀態(tài)；若K＜1,則中子數(shù)目不斷減少,不能維持自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng),反應(yīng)堆功率下降,稱為次臨界狀態(tài)；若K＞1,則中子數(shù)目隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),堆功率增加,稱為超臨界狀態(tài)。下面我們分析裂變產(chǎn)生的中子在慢化過(guò)程中經(jīng)歷的遭遇。首先,當(dāng)中子的能量高于238U的裂變閾能〔約1.1MeV時(shí),它可能引起238U核的裂變〔見(jiàn)圖1.2。由于238U核每次裂變時(shí)平均放出2.5個(gè)中子,所以使得快中子數(shù)目增加了,這一現(xiàn)象稱為238U的快中子倍增效應(yīng)。其次,當(dāng)中子的能量降低到238U共振能區(qū)附近時(shí),有一部分中子將被238U核共振吸收,這一效應(yīng)將使中子數(shù)目減少?？熘凶勇蔁嶂凶雍?在反應(yīng)堆內(nèi)被吸收的情況可分為二種：〔1被慢化劑以及結(jié)構(gòu)材料等物質(zhì)所輻射俘獲,它將使中子的數(shù)目減少；〔2被燃料——鈾〔包括235U和238U吸收,其中一部分將引起裂變而產(chǎn)生新一代快中子。最后,由于反應(yīng)堆的體積實(shí)際上總是有限的,因此有一部分中子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中要泄漏出去。從以上討論可以知道,反應(yīng)堆內(nèi)中子數(shù)目的改變?nèi)Q于下列幾個(gè)因素：<1>快中子增殖系數(shù)ε：從初始裂變中子數(shù)增加到238U裂變閾能以下中子數(shù)的倍率。<2>快中子逃脫泄漏幾率Lf：快中子在慢化過(guò)程中不被泄漏的幾率。<3>逃脫共振俘獲幾率P：中子在慢化過(guò)程中,逃脫238U共振吸收的幾率。<4熱中子逃脫共振吸收的幾率Lt：熱中子在擴(kuò)散過(guò)程中的不泄漏幾率。<5>熱中子利用系數(shù)f：被燃料吸收的熱中子數(shù)占被堆芯所有物質(zhì)〔包括燃料在內(nèi)吸收的熱中子總數(shù)的份額。<6>熱中子增殖系數(shù)η：燃料每吸收一個(gè)熱中子所產(chǎn)生的平均裂變中子數(shù)。因此,增殖系數(shù)K可表示為：式中稱為無(wú)窮大介質(zhì)中的增殖系數(shù),該式叫作四因子公式。為了方便起見(jiàn),一般用反應(yīng)性來(lái)表征反應(yīng)堆偏離臨界的程度。反應(yīng)性定義為上一代與下一代中子數(shù)的相對(duì)變化,即：將它表示成與增殖系數(shù)K的關(guān)系：實(shí)際上,總是K≈1,所以≈K–1?？梢钥闯?與K只是參考點(diǎn)不同,即：——當(dāng)K＝1時(shí)＝0,反應(yīng)堆為臨界狀態(tài)；——當(dāng)K＜1時(shí)＜0,反應(yīng)堆為次臨界狀態(tài)；——當(dāng)K＞1時(shí)＞0,反應(yīng)堆為超臨界狀態(tài)。由于K接近1,的值很小,所以反應(yīng)性偏離零的變化一般以pcm作為單位來(lái)表示,1pcm＝10-5。在核電站穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中,反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)。若反應(yīng)性偏離零,即意味著堆內(nèi)中子數(shù)量有改變,堆功率相應(yīng)發(fā)生變化。1.1.5反應(yīng)性控制臨界反應(yīng)堆系統(tǒng)內(nèi)核燃料的裝載量,也就是維持自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的易裂變物質(zhì)的最小數(shù)量稱為臨界質(zhì)量。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,處于臨界狀態(tài)反應(yīng)堆的反應(yīng)性會(huì)不斷發(fā)生變化,可能變?yōu)榇闻R界,其原因?yàn)椋骸闪炎兾镔|(zhì)因核反應(yīng)而不斷減少,即燃耗增加,使下降；——裂變產(chǎn)物不斷積累,其中有些易吸收中子,使下降；——堆芯內(nèi)溫度變化引起反應(yīng)性變化,即溫度效應(yīng)。因此,反應(yīng)堆初始裝料遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)臨界質(zhì)量,即＞0,在運(yùn)行中通過(guò)使用中子吸收材料來(lái)吸收多余的中子,以抵消剩余的反應(yīng)性。壓水反應(yīng)堆中通常使用控制棒和硼酸作為控制反應(yīng)性的手段。控制棒由強(qiáng)吸收中子材料〔銀銦鎘合金制成,由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)在堆芯內(nèi)移動(dòng)〔抽出或插入來(lái)控制反應(yīng)性,主要用于控制反應(yīng)堆的啟動(dòng)、停止和功率變化等較快速的反應(yīng)性變化。使用控制棒帶來(lái)的問(wèn)題是插入控制棒后,中子密度的分布發(fā)生畸變,局部中子密度過(guò)高,出現(xiàn)熱點(diǎn),嚴(yán)重時(shí)會(huì)使燃料棒燒毀,因此對(duì)控制棒的插入深度要作嚴(yán)格控制。硼酸中的硼原子核可吸收中子,因此把硼酸溶解在慢化劑中〔壓水堆中以水作為慢化劑和冷卻劑,通過(guò)調(diào)節(jié)硼濃度可以控制反應(yīng)性。硼酸溶液在堆芯中的分布是均勻的,不會(huì)引起中子通量畸變。但調(diào)節(jié)慢化劑硼濃度比較緩慢,這種方法只能控制因燃耗、氙毒和慢化劑溫度改變等引起的比較緩慢的反應(yīng)性變化。下面我們討論影響反應(yīng)性的幾個(gè)重要因素。1．慢化劑溫度效應(yīng)慢化劑溫度變化引起反應(yīng)性變化的現(xiàn)象,稱慢化劑溫度效應(yīng)。慢化劑溫度變化1℃所引起的反應(yīng)性變化的大小稱為慢化劑溫度系數(shù),用表示。對(duì)于用水作慢化劑的壓水堆,當(dāng)溫度改變時(shí)水的密度有顯著的改變。水溫升高后單位體積內(nèi)水的分子數(shù)減少了,使中子的慢化能力變差,逃脫共振吸收的機(jī)率減小,中子泄漏的幾率增大,從而使反應(yīng)性減小,這時(shí)溫度系數(shù)是負(fù)值；然而,因?yàn)槁瘎┲泻卸疚铩踩芙馀?當(dāng)慢化劑被加熱膨脹時(shí),單位體積內(nèi)溶解硼的分子數(shù)也會(huì)相應(yīng)減少,因而中子被硼吸收的幾率也減少,這個(gè)效應(yīng)使溫度系數(shù)變?yōu)檎?yīng)。因此,當(dāng)慢化劑溫度增加時(shí),引起了二個(gè)相反的效應(yīng),即純水的負(fù)效應(yīng)和溶解毒物的正效應(yīng)。慢化劑溫度系數(shù)是正值還是負(fù)值,要看這兩方面的效應(yīng)哪個(gè)更顯著。在壓水堆中,當(dāng)水中沒(méi)有或僅含有少量硼時(shí),慢化劑溫度系數(shù)是負(fù)值；在硼濃度較大時(shí),慢化劑溫度系數(shù)是正值。技術(shù)規(guī)范要求壓水堆電站運(yùn)行時(shí)慢化劑溫度系數(shù)必須為負(fù)值,所以硼濃度不能太高,通常不超過(guò)1400g/g。2．燃料溫度效應(yīng)〔多普勒效應(yīng)燃料溫度效應(yīng)是由于燃料溫度變化引起238U共振截面變化引起的反應(yīng)性變化,也稱多普勒效應(yīng)。當(dāng)燃料溫度上升時(shí),238U共振吸收俘獲截面峰值復(fù)蓋的能譜加寬,這就導(dǎo)致有較多的中子損失在燃料共振區(qū),從而使反應(yīng)性下降；反之,當(dāng)燃料溫度下降時(shí),則反應(yīng)性增加。燃料溫度變化1℃所引起的反應(yīng)性變化,稱為燃料溫度系數(shù)〔多普勒系數(shù),用ｕ表示,ｕ總是負(fù)值。多普勒系數(shù)的大小除隨燃料溫度變化外,還隨堆芯運(yùn)行壽期〔即運(yùn)行時(shí)間而變化。多普勒效應(yīng)是反應(yīng)堆的一個(gè)重要和固有的穩(wěn)定因素和控制手段。因?yàn)榉磻?yīng)堆的熱量主要是在燃料中產(chǎn)生。當(dāng)有意或無(wú)意地引入一個(gè)反應(yīng)性使功率升高時(shí),燃料溫度立即升高,燃料的溫度效應(yīng)就立即表現(xiàn)出來(lái),使反應(yīng)性下降,從而使反應(yīng)堆返回臨界而穩(wěn)定在一個(gè)新的功率狀態(tài)。燃料溫度系數(shù)是瞬發(fā)的,對(duì)功率的變化響應(yīng)很快,它對(duì)反應(yīng)堆的控制和安全起著十分重要的作用。3．功率系數(shù)和功率虧損功率系數(shù)綜合了多普勒系數(shù)和慢化劑系數(shù),它表示功率每變化百分之一時(shí)反應(yīng)性的變化,即/%功率。功率系數(shù)在堆芯壽期內(nèi)總是負(fù)的,但在壽期終點(diǎn)時(shí)數(shù)值最低,這主要是由慢化劑系數(shù)引起的。我們把積分功率系數(shù)稱為功率虧損。顯然,功率增加時(shí)功率虧損是負(fù)值,即引入堆芯的反應(yīng)性是負(fù)的,因此必須給堆芯加上等量的正反應(yīng)性,才能保持反應(yīng)堆臨界。在核電站運(yùn)行中,這種正反應(yīng)性是通過(guò)提控制棒或稀釋硼的方式得到的。4．氙效應(yīng)在裂變產(chǎn)物中,存在一些熱中子吸收截面較大的核素,稱為毒物,它們對(duì)反應(yīng)性的作用稱毒效應(yīng)。反應(yīng)堆中產(chǎn)額較多、毒效應(yīng)最顯著的毒物是135Xe〔氙,此外還有149Sm〔鉅。135Xe主要由裂變產(chǎn)物中的135I衰變形成,它的熱中子俘獲截面c＝2.7×108b。135Xe的消失途徑是通過(guò)放射性衰變生成135Cs或俘獲中子成為136Xe。當(dāng)反應(yīng)堆啟動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定功率運(yùn)行時(shí),堆芯135Xe濃度開(kāi)始逐漸增加,直到產(chǎn)生的與消失的135Xe達(dá)到平衡。0越高〔即堆功率越大,其平衡濃度也越大。當(dāng)反應(yīng)堆停堆時(shí),堆芯中子通量瞬時(shí)降到零,因此135Xe俘獲中子消失的途徑立即中止,只由放射性衰變繼續(xù)消失。由于135Xe的衰變消失速度比135I衰變產(chǎn)生135Xe的速度慢,起初135Xe的濃度增加,一直達(dá)到最大值后才開(kāi)始下降。對(duì)應(yīng)于135Xe濃度從增長(zhǎng)到下降的過(guò)程,反應(yīng)性形成一個(gè)低谷。由于停堆后的135Xe是由135I衰變產(chǎn)生的,人們稱這個(gè)低谷為碘坑。在反應(yīng)堆功率變化過(guò)程中,由于135Xe俘獲中子消失的速度受到影響,在不同程度上也會(huì)出現(xiàn)上述的現(xiàn)象。5．燃耗正如火力發(fā)電廠每天要消耗大量的化學(xué)燃料——煤或石油一樣,核電站中的反應(yīng)堆每天也要消耗一定量的核燃料——鈾、钚。根據(jù)粗略估計(jì),一個(gè)電功率為1000MW的核電站每天大約要消耗3kg左右的鈾-235〔或钚-239。評(píng)價(jià)一個(gè)反應(yīng)堆燃料消耗情況的指標(biāo)稱為燃耗深度。核電站常用單位質(zhì)量的鈾發(fā)出的能量作為燃耗深度的度量,可用下式表示：式中,為燃耗深度,ＭＷ為反應(yīng)堆熱功率〔MW,d為運(yùn)行時(shí)間〔日,ＭＷ·d即為反應(yīng)堆運(yùn)行一定時(shí)間后所發(fā)出的總能量；tU為反應(yīng)堆的總裝載量,它是指鈾〔包括238U和235U的質(zhì)量。燃耗的單位為MWd/tU。目前壓水堆的平均卸料燃耗深度可達(dá)到30000MWd/tU或更高的數(shù)值。1.2傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1傳熱的基本方式熱量總是從高溫物體傳到低溫物體,傳熱學(xué)的任務(wù)就是研究熱傳遞的規(guī)律。熱傳遞的現(xiàn)象很多,但可歸納成三種基本的傳熱方式,即導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射。常用以下兩個(gè)物理量來(lái)表征熱傳遞的強(qiáng)弱：熱流量Q——單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一傳熱面的熱量,W/s；熱流密度q––––單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量,W/<m2?s>。1．導(dǎo)熱熱量從物體中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分,或者從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過(guò)程稱為導(dǎo)熱〔又稱熱傳導(dǎo)。從微觀角度來(lái)看,氣體、液體、固體的導(dǎo)熱機(jī)理是有所不同的。氣體中,導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)互相碰撞的結(jié)果,氣體的溫度較高,其分子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能越大,不同能量水平的分子相互碰撞的結(jié)果,使熱量從高溫處傳到低溫處；液體或固體是通過(guò)它們的微觀粒子在其平衡位置附近的振動(dòng)而形成彈性波來(lái)傳遞熱能；金屬則主要依靠自由電子的擴(kuò)散作用產(chǎn)生熱能傳遞。傳熱學(xué)研究的范圍只是以宏觀方法去研究導(dǎo)熱過(guò)程,通常只使用宏觀量把導(dǎo)熱過(guò)程與物體的溫度分布聯(lián)系起來(lái)。分析一維導(dǎo)熱過(guò)程的基本公式是傅里葉定律?？疾烊鐖D1.5所示的平板,假設(shè)兩個(gè)表面均維持均勻溫度,對(duì)于x方向上任意位置一個(gè)厚度為dx的微元層,根據(jù)傅里葉定律,單位時(shí)間通過(guò)該層的導(dǎo)熱熱量與其溫度變化率及平板面積F成正比,即：式中,為比例系數(shù),稱為導(dǎo)熱系數(shù)〔也稱熱導(dǎo)率,單位W/〔m?℃。負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向同溫度升高的方向相反。圖1.5通過(guò)平板的導(dǎo)熱假設(shè)不隨溫度變化,將上式積分,可得：式中——平板厚度,m；t——平板兩邊的溫度差,℃。該式又可表示為：把它與電學(xué)上的歐姆定律I=相比,可以看出它們?cè)谛问缴鲜穷愃频模簜鳠崃縌對(duì)應(yīng)于電流強(qiáng)度I,溫差t對(duì)應(yīng)于電壓U。于是對(duì)應(yīng)于電阻R,它表示了熱量傳遞路徑的阻力,稱為熱阻,記為Rt。與串聯(lián)電路的總電阻計(jì)算方法相仿,對(duì)于幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的傳熱過(guò)程〔如多層平板導(dǎo)熱,總的熱阻等于各分熱阻之和。導(dǎo)熱系數(shù)是表征導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù),不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同,即使是同一材料,導(dǎo)熱系數(shù)值亦隨溫度而變。例如純銅的導(dǎo)熱系數(shù)為395W/〔m?℃；碳鋼為36.7W/〔m?℃；空氣為0.0259W/〔m?℃；水為0.0559W/〔m?℃。一般而言,金屬＞液＞氣。對(duì)于更復(fù)雜的情況,例如有內(nèi)熱源的三維導(dǎo)熱,可以通過(guò)分析物體內(nèi)部某個(gè)微元體的熱量平衡推導(dǎo)出普遍適用的導(dǎo)熱微分方程。穩(wěn)態(tài)工況下導(dǎo)熱微分方程的一般形式為：式中為釋熱率,W/m3。公式左端第一項(xiàng)表示從微元體表面?zhèn)鲗?dǎo)出去的熱量〔差一負(fù)號(hào),第二項(xiàng)表示微元體內(nèi)產(chǎn)生的熱量,因此該式實(shí)際上體現(xiàn)了能量守衡的關(guān)系。導(dǎo)熱微分方程是求解物體內(nèi)溫度分布的主要工具。對(duì)流和對(duì)流換熱對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移,從而把熱量從一處帶到另一處的熱傳遞現(xiàn)象。對(duì)流僅能發(fā)生在流體中,而且必然伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。工程上常遇到的不是單純的對(duì)流方式,而是流體流過(guò)另一固體表面時(shí)對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合起作用的熱量傳遞,稱為對(duì)流換熱。本節(jié)重點(diǎn)討論對(duì)流換熱。流體流過(guò)固體表面,當(dāng)流體和固體溫度不同時(shí),它們之間必然會(huì)發(fā)生熱量傳遞。緊貼固體表壁處總有一薄層流體作層流流動(dòng),其中垂直于壁面的方向上僅有分子能量的傳遞,即只存在導(dǎo)熱,而層流薄層以外的區(qū)域,熱量的傳遞主要依靠對(duì)流。對(duì)流換熱的基本計(jì)算式為牛頓冷卻公式：Q=F〔twtf式中F——與流體接觸的壁面面積,m2；——對(duì)流換熱系數(shù),W/〔m2?℃；tw——壁面溫度,℃；tf——流體平均溫度,℃。由對(duì)流換熱公式可導(dǎo)出對(duì)流熱阻。對(duì)流換熱有多種類型,見(jiàn)表1.3。表1.3對(duì)流換熱的類型單相流體對(duì)流傳熱兩相流體對(duì)流傳熱沸騰冷凝強(qiáng)迫對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱池式沸騰泡核沸騰過(guò)渡沸騰膜態(tài)沸騰滴狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)流動(dòng)沸騰泡核沸騰過(guò)渡沸騰膜態(tài)沸騰通過(guò)液膜的強(qiáng)迫對(duì)流缺液區(qū)傳熱求解對(duì)流換熱問(wèn)題,關(guān)鍵是求出對(duì)流換熱系數(shù),而它與許多因素有關(guān),一般只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出各種特定條件下適用的計(jì)算表達(dá)式。影響對(duì)流換熱的因素有五個(gè)方面：<1>流體流動(dòng)的原因流動(dòng)分為強(qiáng)迫流動(dòng)和自然流動(dòng)兩類。凡受外力的推動(dòng)〔如鼓風(fēng)機(jī)或泵而引起的流體流動(dòng),稱為強(qiáng)迫流動(dòng)；原來(lái)靜止的流體,由于內(nèi)部溫度不平衡,因而流體各部分之間產(chǎn)生密度差,由此引起的流動(dòng)稱為自然流動(dòng)。強(qiáng)迫流動(dòng)和自然流動(dòng)具有不同的換熱規(guī)律,計(jì)算對(duì)流換熱的方法也有所不同。<2>流體的流態(tài)流體的流態(tài)分層流和紊流。由于兩種流態(tài)的機(jī)理不同,熱傳遞的規(guī)律也隨之而異。層流時(shí),熱傳遞主要依靠互不相干的流層之間的導(dǎo)熱；紊流時(shí),除緊貼壁面的層流底層外,流體沿壁面法線方向產(chǎn)生對(duì)流作用而使熱傳遞增強(qiáng)。<3>流體有無(wú)相變發(fā)生在某些換熱過(guò)程中,參與換熱的液體因受熱〔或放熱而發(fā)生沸騰〔或凝結(jié)。流體有相變的換熱過(guò)程與無(wú)相變的對(duì)流換熱過(guò)程有很大差別。在相變過(guò)程中,流體溫度基本保持相應(yīng)壓力下的飽和溫度而不變,這時(shí)液體與壁面間的換熱量等于流體吸收或放出的潛熱,同時(shí)汽液兩相的流動(dòng)情況也不同于單相流動(dòng),所以有相變時(shí)與無(wú)相變時(shí)的換熱條件大不一樣。對(duì)同一種液體,有相變時(shí)的換熱強(qiáng)度要大得多。<4>流體的物理性質(zhì)不同流體如空氣、水和油等,它們的物理性質(zhì)不同,例如在溫度和速度完全相同的水和空氣中,物體被加熱或冷卻的快慢速度相差甚大。這主要是因?yàn)樗涂諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)相差懸殊,以致邊界層中的導(dǎo)熱熱阻不同,從而影響了換熱系數(shù)。此外,流體的動(dòng)力粘度和密度通過(guò)Re數(shù)而反映出流體的流動(dòng)情況是層流還是紊流,進(jìn)而影響換熱系數(shù)。又如流體的比熱CP的大小能確定流體吸放或放熱后的溫度變化,從而與邊界層中的溫度梯度有關(guān),當(dāng)然對(duì)換熱強(qiáng)度也有影響。<5>換熱面的幾何因素它包括換熱面的形狀、大小以及換熱面在流體中的相對(duì)位置。換熱面的形狀和大小不同,就會(huì)影響流體在換熱面附近的流動(dòng)情況。例如,流體橫向繞流圓柱體,尾部產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象,流動(dòng)情況與管內(nèi)流動(dòng)就完全不同,這些因素都會(huì)影響對(duì)流換熱規(guī)律。熱輻射一切物體都有輻射粒子〔光子的能力,輻射粒子具有的能量稱為輻射能。物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射。物體會(huì)因各種原因發(fā)出輻射能,其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象就是熱輻射。自然界中各個(gè)物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射,同時(shí)又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。輻射與吸收過(guò)程的綜合結(jié)果就造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞,這就是輻射換熱。當(dāng)物體與周?chē)h(huán)境處于熱平衡時(shí),輻射換熱量等于零,但這是動(dòng)態(tài)平衡,輻射與吸收過(guò)程仍在不停地進(jìn)行。熱輻射可以在真空中傳播,而導(dǎo)熱和對(duì)流換熱這兩種熱傳遞方式只能在有物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)物體被真空隔開(kāi)時(shí),例如地球與太陽(yáng)之間,導(dǎo)熱與對(duì)流都不會(huì)發(fā)生,只能進(jìn)行輻射換熱,這是熱輻射的一個(gè)特點(diǎn)。另一個(gè)特點(diǎn)是輻射換熱不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移,而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化,即發(fā)射時(shí)從熱能轉(zhuǎn)換成輻射能,而被吸收時(shí)又從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。實(shí)驗(yàn)表明,物體的輻射能力與溫度有關(guān),同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領(lǐng)也大不一樣。一種稱做絕對(duì)黑體〔簡(jiǎn)稱黑體的理想物體在同溫度的物體中具有最大的輻射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)。黑體在單位時(shí)間內(nèi)向所有方向輻射出的熱量稱為輻射力E,它由斯蒂芬—玻爾茲曼定律計(jì)算：E=0FT4式中F——物體的輻射表面積,m2；0——黑體輻射常數(shù),也稱斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù),其值為5.67×-8W/〔m2?k4；T——表面的絕對(duì)溫度,K。實(shí)際物體的輻射能力小于同溫度下黑體的值,其計(jì)算可以采用斯蒂芬—玻爾茲曼定律的經(jīng)驗(yàn)修正形式：E=0FT4式中,ε稱為該物體的黑度〔又稱發(fā)射率,與物體的種類及表面狀態(tài)有關(guān),其值總是小于1。在壓水堆穩(wěn)態(tài)工況下,堆內(nèi)的溫度不是很高,輻射換熱量相對(duì)于導(dǎo)熱和對(duì)流小得多,一般可以忽略不計(jì)。但在事故工況下,堆內(nèi)可達(dá)到相當(dāng)高的溫度,就要考慮熱輻射的作用了。4．傳熱過(guò)程在換熱設(shè)備中,需要交換熱量的冷、熱流體一般分別處于固體壁面的兩側(cè),熱量由壁面一側(cè)的流體穿過(guò)壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)的流體中,這個(gè)過(guò)程稱為傳熱過(guò)程。傳熱過(guò)程包括三個(gè)串聯(lián)的環(huán)節(jié)。第一個(gè)環(huán)節(jié)是高溫流體傳熱給壁面,屬對(duì)流換熱；第二個(gè)環(huán)節(jié)是熱量從固體的一側(cè)傳到另一側(cè),屬導(dǎo)熱；第三個(gè)環(huán)節(jié)是另一壁面?zhèn)鳠峤o低溫流體,屬對(duì)流換熱。傳熱過(guò)程的基本計(jì)算公式為：q=kt〔1-1式中,k為傳熱系數(shù),W/<m2?℃>；t=tf1–tf2,即兩側(cè)流體的溫差。流體的溫度比較容易測(cè)量,因此求解上式的關(guān)鍵在于計(jì)算k。下面以平板的傳熱過(guò)程為例分析如何推導(dǎo)k。圖1.6平板傳熱過(guò)程[方法一]由各環(huán)節(jié)的傳熱方程式推導(dǎo)。三式相加得：把它與式〔1-1比較,可得：[方法二]利用熱阻的概念。傳熱過(guò)程的三個(gè)環(huán)節(jié)相當(dāng)于三個(gè)串聯(lián)的熱阻：1/11/2根據(jù)歐姆定律,總熱阻為：又從式〔1-1可知：所以1.2.2單相流體的對(duì)流換熱在核電站的許多系統(tǒng),如反應(yīng)堆堆芯的燃料棒束通道中以及蒸汽發(fā)生器或凝汽器的傳熱管內(nèi),水與壁面之間的傳熱都是單相流體的強(qiáng)迫對(duì)流換熱。對(duì)于管內(nèi)單相流動(dòng)的情況,對(duì)流換熱系數(shù)用下式計(jì)算：式中——對(duì)流換熱系數(shù),W/<m2?℃>；——流體的熱導(dǎo)率,W/<m?℃>；De——流道的當(dāng)量直徑,其中,A為流道截面積,U為濕潤(rùn)周界；Re——雷諾數(shù),,無(wú)因次；V——流速,m/s；——流體密度,kg/m3；——流體動(dòng)力粘度,kg/<m·s>；Pr——普朗特?cái)?shù),,無(wú)因次；Cp——流體的定壓比熱,J/<kg·℃>。c1和c2為常數(shù)。對(duì)于管內(nèi)流體與壁面的傳熱,c1＝0.023,c2＝0.4。在反應(yīng)堆堆芯中,燃料棒成柵格排列,每四根燃料棒構(gòu)成一個(gè)棒束柵元,冷卻劑在其中流動(dòng),形成一個(gè)水力流道〔如圖1.7。對(duì)于這種情況,,,其中l(wèi)為燃料棒中心距,d為燃料棒外徑。圖1.7棒束柵元從圖中可見(jiàn),流道的截面積等于正方形面積減去一根燃料棒的截面積,濕潤(rùn)周界為四條1/4燃料棒周長(zhǎng)之和,即等于一根燃料棒的周長(zhǎng)。大亞灣核電站燃料棒外徑d＝9.5mm,棒中心距為l＝12.6mm,因此一個(gè)棒束柵元的當(dāng)量直徑為1.2.3沸騰傳熱沸騰是一種重要的傳熱機(jī)理,它存在于蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器的電加熱器表面等傳熱設(shè)備之中。在正常運(yùn)行時(shí),堆芯局部也存在欠熱沸騰。在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)出現(xiàn)破口而突然卸壓時(shí),堆芯中會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的沸騰工況。沸騰可以分為池式沸騰和流動(dòng)沸騰。池式沸騰是指浸沒(méi)在大容積液體內(nèi)的傳熱面上產(chǎn)生的沸騰,流動(dòng)沸騰是液體流過(guò)傳熱面時(shí)產(chǎn)生的沸騰。在堆芯和蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)出現(xiàn)的都是流動(dòng)沸騰,穩(wěn)壓器中則是池式沸騰。下面主要討論流動(dòng)沸騰工況。圖1.8表示豎直放置的均勻加熱通道中流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)的傳熱工況,其中圖<a>是熱流密度較小的情況,圖<b>表示熱流密度大時(shí)的情況。圖1.8流動(dòng)沸騰的傳熱區(qū)域1．熱流密度較低時(shí)的沸騰工況此時(shí),流道內(nèi)相繼會(huì)出現(xiàn)下列傳熱工況：<1>單相液體強(qiáng)迫對(duì)流傳熱。這時(shí)液體的溫度低于飽和溫度。<2>泡核沸騰。泡核沸騰又可分成兩種情況：——欠熱泡核沸騰：此時(shí)液體的主流溫度還沒(méi)有達(dá)到飽和溫度,但壁面已經(jīng)超過(guò)飽和溫度,在壁面上產(chǎn)生了汽泡。汽泡脫離壁面后進(jìn)入主流區(qū),與欠熱水相遇后冷凝,所以汽泡主要存在于壁面附近。——飽和泡核沸騰：發(fā)生在液體主流溫度已經(jīng)達(dá)到飽和溫度的情況下,主流中存在分立的汽泡。在泡核沸騰工況下,壁面上的汽泡不斷產(chǎn)生又不斷脫離,對(duì)邊界層產(chǎn)生很大的擾動(dòng),對(duì)傳熱有明顯的改善作用。<3>通過(guò)液膜的強(qiáng)迫對(duì)流蒸發(fā)。這時(shí)兩相流中的含汽率已經(jīng)相當(dāng)大,兩相流呈環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu),即液體薄層沿壁面流動(dòng),形成一個(gè)環(huán)狀液膜,中間是汽芯。熱量傳到液膜與汽芯的交界面,液體的蒸發(fā)將熱量帶走。<4>缺液區(qū)的傳熱。液體呈滴狀混在蒸汽中一起流動(dòng)。由于此時(shí)液膜已經(jīng)燒干,加熱表面與蒸汽相接觸,與液膜燒干前相比,傳熱系數(shù)大幅度降低,壁溫突然升高。但因?yàn)橐旱螌?duì)傳熱有增強(qiáng)作用,所以傳熱系數(shù)仍高于下一階段單相蒸汽時(shí)的傳熱。液膜燒干時(shí)的工況,即強(qiáng)迫對(duì)流蒸發(fā)到缺液區(qū)傳熱的轉(zhuǎn)折點(diǎn),稱為"干涸"。<5>單相蒸汽的對(duì)流傳熱。傳熱系數(shù)降低,壁溫將進(jìn)一步升高。2．熱流密度較高時(shí)的沸騰工況當(dāng)加熱壁面的熱流密度提高時(shí),泡核沸騰階段壁面上產(chǎn)生汽泡的數(shù)量增多。當(dāng)熱流密度增加到一定程度時(shí),產(chǎn)生的汽泡在離開(kāi)壁之前就連成一片,形成一個(gè)汽膜。汽膜覆蓋了傳熱表面,形成很大的熱阻,傳熱系數(shù)陡然降低,壁面熱量不能被及時(shí)傳出,引起壁溫急劇上升。傳熱表面被汽膜覆蓋時(shí)的沸騰工況稱為膜態(tài)沸騰,由泡核沸騰轉(zhuǎn)變成膜態(tài)沸騰現(xiàn)象稱為偏離泡核沸騰,記作DNB。在膜態(tài)沸騰之后,接下去是缺液區(qū)的傳熱和單相蒸汽的傳熱。3．沸騰危機(jī)由于沸騰機(jī)理的變化引起傳熱系數(shù)陡降,導(dǎo)致傳熱壁面溫度驟然升高的現(xiàn)象稱為沸騰危機(jī),發(fā)生沸騰危機(jī)時(shí)的熱流密度稱為臨界熱流密度。如上所述,在流動(dòng)沸騰中有兩種沸騰危機(jī),一種是偏離泡核沸騰〔DNB,其機(jī)理是泡核沸騰在熱流密度足夠大時(shí)突然轉(zhuǎn)變成膜態(tài)沸騰,它發(fā)生在含汽率很低或者欠熱的液體中；另一種沸騰危機(jī)是干涸〔Dryout,其機(jī)理是環(huán)狀流的液膜由于不斷蒸發(fā)而破裂甚至蒸干,傳熱面由于失去液膜覆蓋而傳熱性能變差,這種沸騰危機(jī)發(fā)生在含汽率很高的環(huán)狀兩相流中。在堆芯中傳熱惡化的危險(xiǎn)主要來(lái)自偏離泡核沸騰,但在一回路大破口失水事故中的堆芯裸露階段,也有可能出現(xiàn)干涸。由于下列兩種原因,堆芯中發(fā)生偏離泡核沸騰的后果比發(fā)生干涸時(shí)嚴(yán)重很多：<1>發(fā)生偏離泡核沸騰的必要條件是熱流密度特別大,因而一旦傳熱能力下降時(shí),傳熱面上熱量的積聚和溫度的升高將是非常迅猛的。而干涸的出現(xiàn)主要決定于流量和含汽率,通常熱流密度并不很高。<2>在從泡核沸騰轉(zhuǎn)變成膜態(tài)沸騰時(shí),傳熱系數(shù)降低的幅度很大,這就更加劇了傳熱面〔例如包殼溫度上升的過(guò)程。而干涸發(fā)生后,蒸汽的流速通常很高,而且其中還夾帶著液滴,所以發(fā)生干涸時(shí)傳熱系數(shù)降低的幅度較小。4．臨界熱流密度燃料元件表面如果出現(xiàn)了偏離泡核沸騰工況,包殼溫度上升很快,這時(shí)鋯合金的機(jī)械特性、化學(xué)特性都急劇惡化,致使燃料元件發(fā)生破損,所以有時(shí)把這種工況稱做"燒毀"。發(fā)生偏離泡核沸騰時(shí)的臨界熱流密度記作qDNB。qDNB的大小主要受下列因素影響：<1>質(zhì)量流速。流速大,流體的擾動(dòng)強(qiáng),加熱面上難以形成穩(wěn)定的汽膜,因而使qDNB增大；<2>通道進(jìn)口處水的欠熱度。欠熱度越大qDNB越大；<3>工作壓力。壓力增加會(huì)使飽和溫度上升,因而兩相流中的含汽率減小,這使qDNB增加；<4>發(fā)生DNB處冷卻劑的焓。冷卻劑的焓越大,越易產(chǎn)生汽泡,故qDNB越?。?lt;5>加熱表面的粗糙度。粗糙度大,流體攪動(dòng)加強(qiáng),使汽泡容易脫離壁面,qDNB有所增大。qDNB的數(shù)值可以用公式進(jìn)行計(jì)算,所用的公式是從大量的試驗(yàn)結(jié)果綜合出來(lái)的,是半經(jīng)驗(yàn)公式。大亞灣核電站所用的qDNB計(jì)算公式是WRB-1,它是從美國(guó)西屋公司的W-3公式改進(jìn)而得到的。公式中除了上述影響因素之外,還考慮了熱流密度沿流道分布不均勻、冷壁效應(yīng)、定位格架和棒彎曲等因素的影響。5．偏離泡核沸騰比為了保證反應(yīng)堆的安全,在設(shè)計(jì)中要求燃料元件表面的最大熱流密度小于臨界熱流密度。為了定量表達(dá)這個(gè)要求,引入了偏離泡核沸騰比這個(gè)概念,簡(jiǎn)稱DNBR。DNBR指通過(guò)計(jì)算得到的燃料元件某點(diǎn)的臨界熱流密度與該點(diǎn)運(yùn)行中實(shí)際的熱流密度的比值,即：DNBR<z>值沿冷卻劑通道長(zhǎng)度是變化的,圖1.9示出了熱流密度沿軸向呈余弦分布時(shí)DNBR沿軸向的分布。顯然,某一點(diǎn)DNBR越大,則該點(diǎn)越不易發(fā)生偏離泡核沸騰。曲線上最小值稱為最小DNBR,記作DNBRmin或MDNBR。大亞灣核電站反應(yīng)堆設(shè)計(jì)要求在穩(wěn)態(tài)工況下DNBRmin2.08,在瞬態(tài)工況下DNBRmin1.22。圖1.9DNBR沿冷卻劑通道軸向的變化1.3水力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1.3.1運(yùn)動(dòng)流體的機(jī)械能運(yùn)動(dòng)流體的總機(jī)械能可表示如下：總機(jī)械能＝位置勢(shì)能＋壓力勢(shì)能＋運(yùn)動(dòng)流體的動(dòng)能對(duì)于如圖1.10所示的運(yùn)動(dòng)流體,假設(shè)流體的質(zhì)量為1kg,流體在1和2兩個(gè)點(diǎn)的總機(jī)械能如表1.4所示。圖1.10運(yùn)動(dòng)的流體表1.4單位質(zhì)量流體的總機(jī)械能位置勢(shì)能壓力勢(shì)能動(dòng)能總機(jī)械能1點(diǎn)gH12點(diǎn)gH2流體1點(diǎn)和2點(diǎn)總機(jī)械能的差值為：〔1-2有三種不同的情況：<1>W2－W1＝0流體在1點(diǎn)和2點(diǎn)之間自由流動(dòng),無(wú)摩擦,與外界無(wú)能量交換。此時(shí)流體內(nèi)各點(diǎn)總機(jī)械能保持恒定,只是不同形式的機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換。<2>W2－W102點(diǎn)的總機(jī)械能大于1點(diǎn),在1點(diǎn)和2點(diǎn)之間流體吸收能量,如水泵對(duì)流體做功。12<3>W2－W1<0流體在1、2點(diǎn)之間損失能量,例如渦輪機(jī)對(duì)外做功或壓頭損失。121．流動(dòng)流體機(jī)械能的其它幾種表示方法<1>以流體壓力表示把式〔1-2右端乘以密度,得到：它的量綱是壓力,于是轉(zhuǎn)換為壓力表達(dá)形式。對(duì)于與外界無(wú)能量交換、無(wú)摩擦的流動(dòng),則有：即其中和表示流體在1點(diǎn)和2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)壓力；P1和P2表示1點(diǎn)和2點(diǎn)的靜壓力；gH1和gH2表示由于流體的高度而產(chǎn)生的靜壓力。<2>以液柱高度表示若將上式除以g,則變成如下形式：這樣,所有壓力〔包括動(dòng)壓力、靜壓力和高度產(chǎn)生的壓力均用在管道中流動(dòng)液體的液柱高度表示,也稱壓頭。2．壓頭損失實(shí)際上各種流體都是有粘性的,考慮了液體粘性的流體稱為實(shí)際流體。由于有粘性,液體在流動(dòng)過(guò)程中,液滴相互之間以及液體與管道之間就會(huì)產(chǎn)生摩擦,導(dǎo)致能量的損耗；當(dāng)流體流道有起伏變化,也會(huì)引起機(jī)械能損失。這些能量損失統(tǒng)稱為壓頭損失。如圖1.11所示。圖1.11有摩擦的流動(dòng)對(duì)于有摩擦的流動(dòng),在點(diǎn)1和點(diǎn)2之間總機(jī)械能的變化中須加入一個(gè)壓頭損失總和的附加項(xiàng),即：或者寫(xiě)成W2－W1=－12壓頭損失分為兩類。一類是流體與壁面或流體內(nèi)部的粘性摩擦產(chǎn)生的壓頭損失,稱為摩擦壓降Pf；另一類是流體流過(guò)有急劇變化的固體邊界時(shí)〔例如截面突然擴(kuò)大或縮小、彎頭、閥門(mén)等處所出現(xiàn)的壓頭損失,稱為局部壓降Pc。<1>摩擦壓降計(jì)算單相流動(dòng)的摩擦壓降,普遍采用達(dá)西公式：式中f——摩擦系數(shù),無(wú)因次；L——通道長(zhǎng)度,m；De——通道的當(dāng)量直徑,m；——流體的密度,kg/m3；V——流體的流速,m/s。摩擦系數(shù)f與流體的粘度、管道的粗糙度等有關(guān)。<2>局部壓降流體流經(jīng)局部地區(qū)的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,所產(chǎn)生的壓降一般只能由實(shí)驗(yàn)確定,只有個(gè)別情況下,例如截面突然擴(kuò)大或縮小,才能由理論分析給出結(jié)果。如果流體在局部地區(qū)的速度變化為零〔進(jìn)、出口截面相等,那么局部壓降就只有形阻壓降了。局部壓降的計(jì)算公式是：式中k為局部阻力系數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定。典型情況的局部阻力系數(shù)可查閱有關(guān)手冊(cè)。根據(jù)上面的分析,無(wú)論是摩擦壓降還是局部壓降,其壓頭損失的形式均可表示為KV2〔V為流速,K為壓力損失系數(shù),即與流速的平方成正比。為了補(bǔ)償該項(xiàng)能量損失,必須在流體回路中建立起一個(gè)與壓頭損失相等的驅(qū)動(dòng)壓頭P,一般通過(guò)泵來(lái)產(chǎn)生。1.3.2泵的特性泵用來(lái)將一種流體從一處輸送至另一處,提供所需要的流量和壓力。如圖1.12,為了實(shí)現(xiàn)這一目的,泵必須產(chǎn)生一定的功,包括將流體從1提升到2的抽水功和把流體從2提升到3所需的的唧送功。1．位置水頭和壓力計(jì)水頭如圖1.12,位置水頭是指1點(diǎn)到3點(diǎn)之間的水位差,它包括抽水水頭Ha’〔1點(diǎn)到2點(diǎn)之間的水位差與唧送水頭Hr’〔2點(diǎn)到3點(diǎn)之間的水位差之和,即：這是理論上泵所做的功,因?yàn)闆](méi)有考慮以下因素：回路內(nèi)的壓頭損失；抽水時(shí)可能有空氣進(jìn)入；抽水管內(nèi)流體的速度建立過(guò)程。由此引出了實(shí)際水頭或壓力計(jì)水頭的概念。壓力計(jì)水頭就是進(jìn)口壓力計(jì)和出口壓力計(jì)指示的水頭之和：Ht＝Ha＋Hr壓力計(jì)水頭是在運(yùn)行期間測(cè)得的壓頭,也稱揚(yáng)程,它反映了泵實(shí)際做的功,因此大于位置水頭。圖1.12位置水頭和壓力計(jì)水頭2．離心泵的特性曲線離心泵是電廠使用最多的一種泵,它的工作原理是利用葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力做功把能量傳遞給流體。<1>泵的特性曲線對(duì)于常用的離心泵〔相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向葉片向后傾斜,工作時(shí)的理論壓力—流量曲線如圖1.13中①所示,在流量上升時(shí)壓力下降。這里所說(shuō)的的壓力指單位質(zhì)量流體從泵進(jìn)口到泵出口的能量增加,即揚(yáng)程,一般以液柱高度表示。實(shí)際的工作特性是在考慮下列情況時(shí)獲得的：——泵內(nèi)的壓頭損失〔與流速平方成正比；——由于沖角不良造成的損失〔在額定流量時(shí)為零。這樣實(shí)際的特性曲線如圖1.13中④所示,曲線上每個(gè)流量所對(duì)應(yīng)的壓力是相應(yīng)流量下曲線①減去曲線②和③所對(duì)應(yīng)的壓力。圖1.13泵壓力—流量特性曲線<2>管路運(yùn)行特性曲線它反映了流體在管路中壓降與流量的關(guān)系,由總的位置水頭加上隨流量變化的壓頭損失得到。總位置水頭是不變的,壓頭損失與流速平方成正比,因此管路運(yùn)行曲線呈拋物線形。<3>泵的工作點(diǎn)一臺(tái)泵在水力回路內(nèi)工作,它的工作點(diǎn)〔即穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的流量和壓頭參數(shù)必然既要滿足泵的工作特性,又要滿足回路的工作特性,所以該泵的特性曲線與管路運(yùn)行曲線的交點(diǎn)就是泵的工作點(diǎn),如圖1.14中的M點(diǎn),相應(yīng)流量和壓力為Q1和H1。圖1.14泵的工作點(diǎn)<4>流量的調(diào)節(jié)第一種方法：通過(guò)改變管路的運(yùn)行曲線〔例如裝一個(gè)調(diào)節(jié)閥或節(jié)流孔板,從而改變與泵特性曲線的交點(diǎn),如圖1.15。這種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是成本低,缺點(diǎn)是回路中的壓頭損失增加,特別是在閥門(mén)關(guān)小時(shí),有用功率提供的功率。第二種方法：通過(guò)改變泵的轉(zhuǎn)速〔例如增設(shè)調(diào)速器,改變泵的特性曲線,從而改變工作點(diǎn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是壓頭損失不變化,有用功率≈提供的功率,缺點(diǎn)是成本較高。圖1.15調(diào)節(jié)流量的兩種方法在核電站中,有的系統(tǒng)同時(shí)使用這兩種方法調(diào)節(jié)流量,例如蒸汽發(fā)生器給水流量的調(diào)節(jié),就是在調(diào)節(jié)給水閥的同時(shí)也調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速。<5>泵的聯(lián)接若干臺(tái)泵可以通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成泵組以滿足實(shí)際需要,其特性曲線見(jiàn)圖1.16。串聯(lián)的目的是提高同樣流量下的唧送壓力,如凝結(jié)水泵和給水泵等都是串聯(lián)泵；并聯(lián)的目的是在同樣的唧送壓頭下增加流量,如給水泵、RRA泵等都是并聯(lián)的。圖1.16泵的串聯(lián)與并聯(lián)<6>泵的功率泵在運(yùn)行時(shí)使流體建立壓頭和流量,即對(duì)流體做了功,其水力功率〔即有用功率為：式中Qv——體積流量,m3/s；——液體密度,kg/m3；h——壓力計(jì)水頭,m。泵的機(jī)械功率是泵軸上提供的功率,也稱軸功率。它是選擇泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或汽機(jī)的依據(jù)。圖1.17泵的功率—流量曲線<7>泵的效率由于泵內(nèi)存在水力損失〔泵內(nèi)部流道中的摩擦和渦流、流量損失〔液體回流和機(jī)械損失〔部件摩擦損耗,所以軸功率不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗β?泵效率定義為：泵效率開(kāi)始隨流量的增加呈上升趨勢(shì),但由于摩擦損失和沖角損失等原因,經(jīng)過(guò)一個(gè)最大值后下降,如圖1.18所示。通常選取效率最高點(diǎn)附近作為泵的使用范圍。如果偏離額定流量太遠(yuǎn),不但降低效率,而且還會(huì)發(fā)出很大噪音,甚至造成泵的損壞。圖1.18泵的效率—流量特性曲線3．泵的汽蝕當(dāng)泵內(nèi)某處的壓力低于相應(yīng)液體溫度的飽和壓力Ps時(shí),部分液體開(kāi)始汽化,形成汽泡。汽泡隨液體進(jìn)入泵的高壓區(qū),由于該處壓力較高,汽泡迅即凝結(jié),周?chē)囊后w以極高的速度向汽泡原來(lái)所占空間沖去,于是局部地區(qū)產(chǎn)生高頻、高沖擊力的水擊,可能將葉輪表面打成蜂窩狀,這種現(xiàn)象叫汽蝕。如果汽蝕持續(xù)發(fā)展,汽泡大量產(chǎn)生,就會(huì)影響正常流動(dòng),噪音和振動(dòng)劇增,泵的壓力、流量和效率均下降,并且縮短泵的壽命。因此泵在運(yùn)行時(shí)應(yīng)嚴(yán)格防止發(fā)生汽蝕。通常用汽蝕余量〔或稱凈吸入壓頭NPSH作為判斷水泵是否發(fā)生汽蝕的物理量。<1>可用汽蝕余量NPSHav液體進(jìn)入泵之前所剩余的并能有效地利用來(lái)防止汽蝕的壓頭叫可用汽蝕余量,簡(jiǎn)稱NPSHav。它僅與泵入口處壓力P、液體溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力Ps以及泵進(jìn)口截面上流體速度V有關(guān)：NPSHav代表泵進(jìn)口處單位質(zhì)量液體所具有的超過(guò)汽化壓力的富余能量。流體的壓力越低,溫度越高,則NPSHav就越小,汽蝕危險(xiǎn)性增加。<2>必需汽蝕余量NPSHre它與水泵本身設(shè)計(jì)有關(guān),是衡量水泵抗汽蝕性能好壞的一個(gè)物理量,由水泵生產(chǎn)廠提供。當(dāng)水泵進(jìn)口處流體的NPSHav降低到正好等于NPSHre時(shí),葉輪內(nèi)將發(fā)生汽蝕。水泵內(nèi)不發(fā)生汽蝕的必要條件是：NPSHavNPSHre在核電站系統(tǒng)中,給水泵和凝結(jié)水泵進(jìn)口的水都是接近飽和狀態(tài)的,為了獲得必要的可用汽蝕余量NPSHav,把這些泵與其上游設(shè)備〔除氧器或凝汽器安裝相距一定的高度,以便利用相連管道中液柱高度增加水泵進(jìn)口壓力。1.3.3自然循環(huán)水力回路內(nèi)水的流動(dòng)是依靠泵提供的驅(qū)動(dòng)壓頭來(lái)補(bǔ)償水流動(dòng)過(guò)程中的壓頭損失的,即P動(dòng)力=P阻力。在水泵故障或失電情況下,為保持水以一定流速流動(dòng),在設(shè)計(jì)上可采用水流動(dòng)的自然循環(huán),例如當(dāng)主泵斷電時(shí),依靠自然循環(huán)帶出堆芯產(chǎn)生的熱量〔衰變熱。1．自然循環(huán)的建立自然循環(huán)是在閉合回路內(nèi)依靠熱段〔向上流和冷段〔向下流中流體的密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的流動(dòng)循環(huán)。下面以核電站一回路為例說(shuō)明自然循環(huán)的機(jī)理。為了便于理解,將反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器分別簡(jiǎn)化成加熱點(diǎn)源和冷卻點(diǎn)源,回路中管道系統(tǒng)如圖1.19所示。熱源與冷源之間的高度差為Z,熱段〔反應(yīng)堆出口至蒸汽發(fā)生器進(jìn)口冷卻劑的密度為h,冷段〔蒸汽發(fā)生器出口至反應(yīng)堆進(jìn)口冷卻劑的密度為c。圖1.19一回路自然循環(huán)示意圖驅(qū)動(dòng)壓頭為：上升段的總壓降為：式中,是上升段〔整個(gè)熱段長(zhǎng)度的摩擦壓降,是上升段所有的局部壓降之和。所以,上升段有效壓頭為：下降段的總壓降為：式中,是下降段的摩擦壓降,是下降段所有局部壓降之和〔包括水泵停轉(zhuǎn)時(shí)冷卻劑流過(guò)水泵時(shí)的摩擦阻力和局部阻力。由于這些壓降值均與循環(huán)流量W有關(guān),因此不同的流量下可以有不同的Pe和Pdw值,畫(huà)出Pe—W曲線和Pdw—W曲線,兩條曲線的交點(diǎn)就是所求的穩(wěn)態(tài)工況下的自然循環(huán)流量。實(shí)際情況下,反應(yīng)堆不是點(diǎn)熱源,蒸汽發(fā)生器也不是點(diǎn)冷源,因此冷卻劑在反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器內(nèi)流過(guò)時(shí)也有各種壓降,驅(qū)動(dòng)壓頭計(jì)算并非如此簡(jiǎn)單,計(jì)算整個(gè)自然循環(huán)流量是非常繁瑣的迭代過(guò)程。建立自然循環(huán)注意的問(wèn)題由上面的介紹可知,自然循環(huán)的建立是依靠驅(qū)動(dòng)壓頭克服了回路內(nèi)上升段和下降段的壓降而產(chǎn)生的。如果驅(qū)動(dòng)壓頭不足以克服上述壓降,自然循環(huán)就要停止。其原因可能是由于上升段和下降段的磨擦壓降和局部壓降太大,因此需要設(shè)法減小這些壓降,例如采用稍大些管徑的管子,盡量減少產(chǎn)生各種局部壓降的阻力件等；也可能是由于驅(qū)動(dòng)壓頭太小,即由于上升段〔熱段和下降段〔冷段之間的密度差不夠大所造成的,或反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器之間位置差不夠所造成的。在核電站中,如果蒸汽發(fā)生器二次側(cè)冷卻能力過(guò)強(qiáng),反而會(huì)使一回路的自然循環(huán)能力減小以致中斷。這是由于核電站的蒸汽發(fā)生器傳熱管是倒U形管,在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)冷卻能力過(guò)強(qiáng)時(shí),會(huì)使一次側(cè)的冷卻劑在倒U形管內(nèi)的上升段很快降溫,因而使U形管內(nèi)的上升段和下降段中冷卻劑的平均密度差不大,驅(qū)動(dòng)壓頭降低很多,使自然循環(huán)流速降低,其結(jié)果會(huì)使反應(yīng)堆容器頂蓋下部出現(xiàn)汽泡,使自然循環(huán)中斷。另外,自然循環(huán)必須是在一個(gè)流體連續(xù)流動(dòng)的回路〔或容器中進(jìn)行,如果中間被汽體隔離,就不能形成自然循環(huán)。例如堆芯中若產(chǎn)生大量蒸汽并積存在反應(yīng)堆容器的上腔室,使熱段出水接管裸露出水面,不能形成一個(gè)流通回路,自然循環(huán)就會(huì)中斷；或者在蒸汽發(fā)生器倒U形管頂部積存了蒸汽,驅(qū)動(dòng)壓頭又不足以使倒U形管段中的水沖過(guò)去趕走積存的汽體,自然循環(huán)也要中斷。當(dāng)反應(yīng)堆上腔室或蒸汽發(fā)生器倒U形管頂部積存汽體使自然循環(huán)中斷后,如果反應(yīng)堆容器中有較大的汽空間,則熱段管道和倒U形管上升段中的水靠自重返回反應(yīng)堆容器。此后,堆芯的蒸汽到達(dá)蒸汽發(fā)生器的倒U形管進(jìn)行冷凝,凝結(jié)的水又返回堆芯,如此循環(huán)可以把熱量傳導(dǎo)給二次側(cè)。這種循環(huán)傳熱方式稱為回流冷凝。當(dāng)自然循環(huán)回路中出現(xiàn)汽體時(shí),如要恢復(fù)自然循環(huán),可設(shè)法使一回路升壓,這樣汽腔中的蒸汽就會(huì)凝結(jié),凝結(jié)后的空間靠穩(wěn)壓器內(nèi)的水填充,或靠補(bǔ)給水填充。1.4熱力循環(huán)1.4.1熱力狀態(tài)參數(shù)在熱力學(xué)研究中,我們常常要分析工質(zhì)所處的狀態(tài),即某一瞬間工質(zhì)所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。它可以用狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述。標(biāo)志工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù),簡(jiǎn)稱狀態(tài)參數(shù)。對(duì)應(yīng)于物體的每一狀態(tài),各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)都具有確定的數(shù)值,因此我們根據(jù)任何一個(gè)狀態(tài)參數(shù)的變化,都可以斷定物體的狀態(tài)發(fā)生了變化。在工程熱力學(xué)中常見(jiàn)的狀態(tài)參數(shù)有壓力、比容、溫度、內(nèi)能、焓、熵。一般只需知道上述兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)就可確定工質(zhì)的狀態(tài),即其它一切參數(shù)也就確定了。對(duì)于前三個(gè)參數(shù),大家比較熟悉,下面簡(jiǎn)單介紹內(nèi)能、焓和熵。1．內(nèi)能內(nèi)能是熱力系內(nèi)部自身所具有的能量。它包括分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和由于分子之間的吸引力和排斥力所形成的位能,熱力系本身宏觀運(yùn)動(dòng)的能量和外場(chǎng)作用的能量都不計(jì)入內(nèi)能之中。由于溫度反映了物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱,因此內(nèi)能是溫度的函數(shù)。內(nèi)能用U表示,單位為J。2．焓焓的定義為：H=U+pV式中H——焓,J；U——內(nèi)能,J；p——壓力,Pa；V——體積,m3。焓的物理意義可從定義式說(shuō)明。pV是工質(zhì)流入熱力系〔如汽輪機(jī)汽缸時(shí)外界對(duì)工質(zhì)做的功,這部分功轉(zhuǎn)變成工質(zhì)的能而進(jìn)入熱力系,也稱為工質(zhì)的壓能。因此,焓是工質(zhì)的內(nèi)能和壓能之和,可看作為隨工質(zhì)轉(zhuǎn)移的能量。只有當(dāng)工質(zhì)流入流出一具有壓力的空間時(shí),pV才有意義,否則就可不必考慮。在不做功的純加熱過(guò)程中〔如蒸汽發(fā)生器,工質(zhì)吸收的熱量等于工質(zhì)焓的增值；在做功的絕熱過(guò)程中〔如汽缸,工質(zhì)做的功等于焓降。1千克工質(zhì)具有的焓稱比焓,記為h,單位為J/kg。3．熵我們知道,在傳熱過(guò)程中,溫度T是傳熱的推動(dòng)力,只要工質(zhì)與外界有微小的溫差就能傳熱。而相應(yīng)地有另一狀態(tài)參數(shù),它的改變標(biāo)志有無(wú)傳熱,這個(gè)參數(shù)就稱為"熵",以符號(hào)S表示。在可逆過(guò)程中,傳熱量Q可表示為：dQ=TdS或由此可得熵的數(shù)學(xué)定義式：式中S的單位是J/K,T是熱力學(xué)溫度,單位為K。以T為縱坐標(biāo)、S為橫坐標(biāo),組成T–S圖〔或稱溫熵圖,可以描述工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程。如圖1.20,圖上每一點(diǎn)表示一個(gè)平衡態(tài),而曲線下的面積〔圖中12s2s11等于,即表示1-2過(guò)程中工質(zhì)與外界所交換的熱量。可見(jiàn)使用T–S圖可以形象地將熱量表示出來(lái)。圖1.20T–S圖根據(jù)熵的定義式,若dS0,則dQ0,說(shuō)明過(guò)程中工質(zhì)的熵增加,表示外界對(duì)工質(zhì)加熱,過(guò)程曲線向右延伸；若dS0,則dQ0,說(shuō)明過(guò)程中工質(zhì)的熵減少,表示工質(zhì)向外界放熱,過(guò)程曲線向左延伸；若dS=0,則dQ=0,表示工質(zhì)與外界無(wú)熱量傳遞,即絕熱過(guò)程。4．水蒸氣的T-S圖水蒸氣的T–S圖如圖1.21所示。圖中有兩條界限曲線——飽和水線和飽和蒸汽線,它們將坐標(biāo)平面劃分成三個(gè)區(qū)域：欠熱水區(qū)、濕蒸汽區(qū)和過(guò)熱蒸汽區(qū),并表示了水的五種狀態(tài)：欠熱水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽。飽和水線和飽和蒸汽線匯合于臨界點(diǎn)c,其溫度和壓力分別記為T(mén)c和pc。飽和水線上干度〔含汽率x=0,飽和蒸汽線上x(chóng)=1,在這兩條線之間分布了若干等干度線。對(duì)于定壓加熱過(guò)程,可以用曲線1-2-3-4表示。其中1-2段表示欠熱水加熱到飽和水的過(guò)程,它非?？拷柡退€；2-3段表示汽化過(guò)程,是一條水平等溫線；3-4表示蒸汽過(guò)熱過(guò)程。壓力提高,對(duì)應(yīng)的飽和溫度也提高,蒸汽定壓加熱線向上移動(dòng),如1-2’-3’-4’和1-2’’-3’’-4’’所示。在濕蒸汽區(qū),它們是相互平行的水平線。在欠熱水區(qū),各壓力下的加熱曲線幾乎重合,這是因?yàn)樗目蓧嚎s性非常小,從低壓到高壓其溫度幾乎不上升。圖1.21水蒸氣的T–S圖1.4.2卡諾循環(huán)熱能從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看,一切蒸汽動(dòng)力裝置都是由吸熱、膨脹、放熱、壓縮等過(guò)程組成的熱力循環(huán)。卡諾循環(huán)就是一種理想的熱力循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)由兩個(gè)定溫過(guò)程及兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。如圖1.22所示,工質(zhì)在等溫TH下自熱源吸入熱量Q1,在可逆絕熱膨脹過(guò)程2-3中,工質(zhì)溫度自TH降至TC,然后,工質(zhì)在等溫TC下向冷源放出熱量Ｑ2。最后經(jīng)可逆的絕熱壓縮過(guò)程4-1,工質(zhì)溫度由TC升高到TH,從而完成一個(gè)可逆循環(huán)1-2-3-4。圖1.22卡諾循環(huán)對(duì)于一切熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程,熱效率定義如下：對(duì)于理想循環(huán),,可以導(dǎo)出卡諾循環(huán)的熱效率公式如下：卡諾循環(huán)在歷史上首先奠定了熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)。它表明,從熱源獲得的熱量,只有一部分可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械功,而另一部分熱量放給了冷源。從卡諾循環(huán)的分析可以得到如下重要的結(jié)論：<1>卡諾循環(huán)的熱效率是實(shí)際熱力循環(huán)的熱效率可以接近的極限值,從而可以度量實(shí)際熱力循環(huán)的熱力學(xué)完善程度；<2>提高熱力循環(huán)的熱效率的方向是盡可能提高工質(zhì)吸熱時(shí)的溫度,以及盡可能使工質(zhì)膨脹至較低的溫度,在接近自然環(huán)境溫度下對(duì)外放熱；<3>對(duì)于任意復(fù)雜循環(huán),可利用對(duì)應(yīng)的廣義卡諾循環(huán)來(lái)分析,即以平均吸熱溫度和平均放熱溫度代替TH和TC,兩者具有相同的熱效率。對(duì)水蒸氣而言,要實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的定溫加熱和定溫放熱過(guò)程,是比較容易的,因?yàn)樵陲柡退亩▔浩c飽和蒸汽的定壓凝結(jié)過(guò)程中溫度都保持不變,如前所述。但是,在絕熱膨脹末期,蒸汽濕度很高,對(duì)動(dòng)力機(jī)不利；另外,在低溫放熱終了時(shí),蒸汽未完全凝結(jié),汽水混合物的比容很大,濕蒸汽壓縮有困難,且耗功太多。由于這些原因,盡管卡諾循環(huán)在熱力學(xué)理論方面具有重大的意義,但是迄今為止,在工程上還沒(méi)有制造出完全按卡諾循環(huán)工作的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。1.4.3朗肯循環(huán)實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置的熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程都是以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)的。理想朗肯循環(huán)是一種無(wú)過(guò)熱、無(wú)再熱、無(wú)回?zé)岬暮?jiǎn)單循環(huán),它是研究各種復(fù)雜蒸汽動(dòng)力裝置的基本循環(huán)。飽和蒸汽的朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的不同之處在于它排放蒸汽是完全凝結(jié)成水的,然后絕熱壓縮,再定壓加熱至飽和水,如圖1.23所示。顯然,水的壓縮要比汽水混合物容易得多,只需用結(jié)構(gòu)較小的水泵進(jìn)行壓縮。圖1.23朗肯循環(huán)朗肯循環(huán)的熱效率為：從圖中可以明顯地看出,朗肯循環(huán)的效率要低于卡諾循環(huán)的效率。為了提高循環(huán)熱效率,實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置的熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程采用的是加以改進(jìn)的朗肯循環(huán),增加了過(guò)熱、再熱和回?zé)岬却胧?．過(guò)熱循環(huán)過(guò)熱循環(huán)與朗肯循環(huán)的不同之處在于水汽化后緊接著去過(guò)熱器進(jìn)行加熱,使其變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽〔點(diǎn)1a后再去汽輪機(jī)膨脹作功,如圖1.24所示。圖1.24過(guò)熱循環(huán)該循環(huán)可以看成是朗肯循環(huán)5-1-2-3-4與循環(huán)1-1a-2a-2的疊加,顯然其效率大于朗肯循環(huán),因?yàn)楦郊友h(huán)的平均吸熱溫度更高。但是壓水堆核電站不宜使用過(guò)熱蒸汽,這主要受熱源溫度的限制,因?yàn)橐换芈菲骄鶞囟葹?10℃,要得到過(guò)熱蒸汽就意味著要降低蒸汽的壓力,這將使得熱力循環(huán)熱源平均溫度降低。2．再熱循環(huán)再熱循環(huán)指蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功到一定壓力后,又全部回到鍋爐或再熱器中進(jìn)行第二次加熱,然后再回到汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹作功,直至終點(diǎn),如圖1.25所示。圖1.25再熱循環(huán)該循環(huán)可以看作是無(wú)再熱的朗肯循環(huán)5-1-a-3-4-5與再熱過(guò)程構(gòu)成的附加循環(huán)2-1’-2’-a所組成的循環(huán)。采用蒸汽中間再熱是否能提高整個(gè)再熱循環(huán)的熱效率,取決于附加循環(huán)的平均吸熱溫度是否高于基本循環(huán)的相應(yīng)值。3．回?zé)嵫h(huán)在朗肯循環(huán)中,工質(zhì)從熱源獲得的熱量,大約有60%要向冷源排放,其余的熱量才通過(guò)熱動(dòng)力裝置對(duì)外作功,這是動(dòng)力發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性不高的基本原因。減少熱量向冷源的排放,是改善熱力循環(huán)的主要方向,由此出現(xiàn)了回?zé)嵫h(huán)?；?zé)嵫h(huán)與朗肯循環(huán)的區(qū)別在于設(shè)置了給水加熱器,對(duì)返回鍋爐或蒸汽發(fā)生器的給水進(jìn)行加熱,見(jiàn)圖1.26。加熱器的熱源是從汽輪機(jī)蒸汽膨脹過(guò)程中抽出的一部分蒸汽,抽汽汽量占蒸汽總流量的比例為。這部分蒸汽膨脹到O1點(diǎn)被抽出,在給水加熱器中被冷凝,狀態(tài)變?yōu)镺1’。這樣一部分蒸汽把它的汽化潛熱傳給了給水而不是放給了冷卻水,部分消除了朗肯循環(huán)在較低溫度下吸熱的不利影響,使循環(huán)熱效率得以提高。圖1.26回?zé)嵫h(huán)采用回?zé)嵫h(huán)總是可以提高熱效率的,其原因可以從兩方面來(lái)理解：<1>從熱量利用方面看,減少了向凝汽器的放熱損失；<2>從加熱方面看,回?zé)峒訜釙r(shí)加熱器溫差比熱源直接加熱時(shí)小,因而不可逆損失減小了。發(fā)電廠的實(shí)踐表明,采用加熱循環(huán)可使熱經(jīng)濟(jì)性提高約10~15%。循環(huán)熱效率計(jì)算本節(jié)給出一個(gè)計(jì)算熱力循環(huán)熱效率的例子。圖1.27是過(guò)熱蒸汽汽輪機(jī)動(dòng)力裝置的流程示意圖,其熱力循環(huán)的溫熵圖見(jiàn)圖1.28。這里假設(shè)所有過(guò)程均為可逆過(guò)程。給水泵將水的壓力提高到Pa,并送入鍋爐,水泵消耗于每千克給水的功為L(zhǎng)p。水在水泵中的絕熱壓縮過(guò)程在T–S圖上表示為a’a線。圖1.27熱力發(fā)電廠示意圖圖1.28熱力循環(huán)T-S圖在鍋爐〔或蒸汽發(fā)生器中,水在等壓下被加熱到沸騰〔ab線、蒸發(fā)〔bc線,此后進(jìn)入過(guò)熱器,在那里蒸汽溫度升高到t0〔cd線,其焓為h0〔kJ/kg。由于整個(gè)過(guò)程都是在等壓下進(jìn)行的,所以每千克蒸汽所吸收的熱量q1全部用于提高蒸汽的焓,即：式中h0——過(guò)熱器出口蒸汽的焓；ha——進(jìn)入鍋爐時(shí)給水的焓。蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹所做的功為L(zhǎng)t,如果汽輪機(jī)工作時(shí)沒(méi)有損失,并與外界不發(fā)生熱交換,則膨脹過(guò)程沿絕熱線〔等熵線進(jìn)行,如圖1.31上的de線。汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器,在等壓Pc下把熱量放給冷卻水,自身凝結(jié)成水,凝結(jié)水的焓為,然后再由給水泵送到鍋爐中。這樣,水和水蒸汽在熱力裝置中就完成了一個(gè)循環(huán)。每千克蒸汽在凝汽器中放出的熱量q2為：式中hct為汽輪機(jī)排汽的焓。從每千克蒸汽中所能得到的功Ｌ可以用熱量差來(lái)表示：式中Lt——1千克蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的功；Lp——壓縮1千克水在水泵中所消耗的功。循環(huán)熱效率t為：如果不計(jì)水泵的功,即認(rèn)為,則：式中h0=h0hct為汽輪機(jī)理想絕熱焓降。以上為理想裝置中的過(guò)程,即汽輪機(jī)內(nèi)沒(méi)有損失,沒(méi)有熱交換。因此,這樣算出的循環(huán)熱效率是在一定的蒸汽初參數(shù)和凝汽器壓力下,裝置所能達(dá)到的最大效率。1.5核電站總體介紹1.5.1核能的轉(zhuǎn)換與傳輸圖1.29表示壓水堆核電站的原理流程。在核電站中,反應(yīng)堆的作用是進(jìn)行核裂變,將核能轉(zhuǎn)化為熱能。水作為冷卻劑在反應(yīng)堆中吸收核裂變產(chǎn)生的熱能,成為高溫高壓的水,然后沿管道進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的U型管內(nèi),將熱量傳給U型管外側(cè)的汽輪機(jī)工質(zhì)〔水,使其變?yōu)轱柡驼羝?。被冷卻后的冷卻劑再由主泵打回到反應(yīng)堆內(nèi)重新加熱,如此循環(huán)往復(fù),形成一個(gè)封閉的吸熱和放熱的循環(huán)過(guò)程,這個(gè)循環(huán)回路稱為一回路,也稱核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)。一回路的壓力由穩(wěn)壓器控制。由于一回路的主要設(shè)備是核反應(yīng)堆,通常把一回路及其輔助系統(tǒng)和廠房統(tǒng)稱為核島〔NI。圖1.29核電站原理流程圖汽輪機(jī)工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器中被加熱成蒸汽后進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹作功,將蒸汽焓降放出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槠啓C(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩軸剛性相連,因此汽輪機(jī)直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。作完功后的蒸汽〔乏汽被排入冷凝器,由循環(huán)冷卻水〔如海水進(jìn)行冷卻,凝結(jié)成水,然后由凝結(jié)水泵送入加熱器預(yù)加熱,再由給水泵將其輸入蒸汽發(fā)生器,從而完成了汽輪機(jī)工質(zhì)的封閉循環(huán),我們稱此回路為二回路。二回路系統(tǒng)與常規(guī)火電廠蒸汽動(dòng)力回路大致相同,故把它及其輔助系統(tǒng)及廠房統(tǒng)稱為常規(guī)島〔CI。綜上所述,核能發(fā)電包括核能→熱能→機(jī)械能→電能的能量轉(zhuǎn)換全過(guò)程。其中后兩種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程與常規(guī)火力發(fā)電廠內(nèi)的工藝過(guò)程基本相同,只是在設(shè)備的技術(shù)參數(shù)上略有不同。核反應(yīng)堆從功能上相當(dāng)于火電廠的鍋爐系統(tǒng),但由于它是強(qiáng)放射源,流經(jīng)反應(yīng)堆的冷卻劑帶有一定的放射性,一般不宜直接送入汽輪機(jī),否則會(huì)造成汽輪發(fā)電機(jī)組操作維修上的困難,所以壓水堆核電站比普通電廠多了一套動(dòng)力回路。1.5.2壓水堆核電站系統(tǒng)構(gòu)成1.核島系統(tǒng)一回路主系統(tǒng)由反應(yīng)堆、主泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器和相應(yīng)管道組成。反應(yīng)堆外殼是一個(gè)耐高壓容器,通常稱為壓力容器或壓力殼,其內(nèi)安裝著由許多核燃料組件構(gòu)成的堆芯。一回路主系統(tǒng)由3個(gè)環(huán)路對(duì)稱地并聯(lián)在壓力容器接管上構(gòu)成,每個(gè)環(huán)路有一臺(tái)主泵和一臺(tái)蒸汽發(fā)生器。在其中一個(gè)環(huán)路上裝有一臺(tái)穩(wěn)壓器,以維持一回路運(yùn)行壓力。此外,還有一些安全和輔助系統(tǒng),這些系統(tǒng)按照它們的功能大體上可以分為三類：<1>專設(shè)安全系統(tǒng)——在反應(yīng)堆發(fā)生大量失水事故時(shí)可以自動(dòng)投入,阻止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大,保護(hù)反應(yīng)堆的安全,同時(shí)防止放射性物質(zhì)向大氣環(huán)境擴(kuò)散。包括安全注入系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)和安全殼隔離系統(tǒng)。<2>核輔助系統(tǒng)——保證反應(yīng)堆和一回路正常啟動(dòng)、運(yùn)行和停堆,包括化學(xué)和容積控制系統(tǒng)、硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、反應(yīng)堆和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)等。<3>三廢處理系統(tǒng)——回收和處理放射性廢物以保護(hù)和監(jiān)視環(huán)境,包括廢液處理系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)和固體廢物處理系統(tǒng)。2.常規(guī)島系統(tǒng)常規(guī)島系統(tǒng)可劃分為汽輪機(jī)回路、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三大部分。<1>汽輪機(jī)回路汽輪機(jī)回路主要設(shè)備有汽輪機(jī)、汽水分離再熱器、冷凝器、凝結(jié)水泵、低壓加熱器、除氧器、主給水泵和高壓加熱器等。這個(gè)循環(huán)回路的流程原理與火力發(fā)電廠基本相同,只是由核島部分的蒸汽發(fā)生器代替了火電廠的蒸汽鍋爐。蒸汽發(fā)生器的出口蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電以后排入冷凝器,在冷凝器中被循環(huán)冷卻水冷凝成凝結(jié)水。凝結(jié)水由凝結(jié)水泵經(jīng)低壓加熱器加熱后送入除氧器中進(jìn)行除氧,再由給水泵經(jīng)高壓加熱器加熱后送入蒸汽發(fā)生器作為給水產(chǎn)生蒸汽重復(fù)使用。由于蒸汽發(fā)生器傳熱管把一、二回路的水隔離開(kāi),這個(gè)汽水循環(huán)回路中的水和蒸汽是不帶放射性的。高、低壓加熱器的加熱熱源分別由汽輪機(jī)的高壓缸和低壓缸中間級(jí)抽汽提供。由于核電站汽輪機(jī)的進(jìn)口蒸汽為飽和蒸汽,高壓缸的排氣含有較多的水份,為防止或降低濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)葉片的沖蝕作用,在高壓缸和低壓缸之間設(shè)置了汽水分離再熱器,以使高壓缸排氣中水份分離掉并加熱,使進(jìn)入低壓缸的蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽。為了在汽輪機(jī)大負(fù)荷瞬變或汽輪機(jī)緊急跳閘時(shí)反應(yīng)堆能維持適當(dāng)負(fù)荷,獲得冷卻,另外設(shè)置了蒸汽旁路系統(tǒng),主蒸汽可由主蒸汽聯(lián)箱直接通往冷凝器和除氧器。<2>循環(huán)冷卻水系統(tǒng)亦稱三回路,其主要功用是向冷凝器供給冷卻水,確保汽輪機(jī)冷凝器的有效冷卻。它是個(gè)開(kāi)放式回路,循環(huán)水從海中抽取,流經(jīng)冷凝器管路之后,循環(huán)水又流回海里。對(duì)于內(nèi)陸核電站,循環(huán)冷卻水可以是封閉循環(huán),通過(guò)冷卻塔向大氣排放熱量。<3>電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、主變壓器、廠用變壓器等。發(fā)電機(jī)出線電壓經(jīng)主變壓器升壓后與主電網(wǎng)相連。在正常運(yùn)行時(shí)整個(gè)廠用設(shè)備的配電設(shè)備由發(fā)電機(jī)的出線經(jīng)過(guò)廠用變壓器降壓供電,當(dāng)發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)則由主電網(wǎng)經(jīng)過(guò)主變壓器反向供電。若此時(shí)主電網(wǎng)失電,則由另一外部電網(wǎng)經(jīng)過(guò)輔助變電器向廠內(nèi)供電。當(dāng)上述電源均故障不可用時(shí),則由備用的柴油發(fā)電機(jī)組向廠內(nèi)應(yīng)急設(shè)備供電,以保障核電站設(shè)備的安全。1.5.3廠房布置大亞灣核電站廠址布置了2臺(tái)核電機(jī)組,以及與各核電機(jī)組有關(guān)的輔助廠房、附屬?gòu)S房及公用建筑物,分為核島、常規(guī)島和電廠配套設(shè)施三部分。1.核島主要廠房<1>反應(yīng)堆廠房反應(yīng)堆廠房又稱安全殼,是一個(gè)帶有準(zhǔn)球形穹頂?shù)膱A柱形預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),地面上高度約60m,直徑約37m,壁厚近1m,內(nèi)襯厚約6mm不銹鋼板,可承受約5bar.a的內(nèi)壓。其內(nèi)主要有反應(yīng)堆和其他一回路主要設(shè)備〔主泵、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等以及部分專設(shè)安全系統(tǒng)和核輔助系統(tǒng)設(shè)備。<2>燃料廠房該廠房是一個(gè)平頂方形混凝土結(jié)構(gòu),其內(nèi)主要有乏燃料水池,用以貯放堆芯中卸出的乏燃料。廠房背面緊鄰換料水箱,貯有反應(yīng)堆換料操作所需的含硼水。<3>核輔助廠房它夾在兩臺(tái)機(jī)組的反應(yīng)堆廠房之間,為兩機(jī)組共用。廠房呈矩形,主要布置核輔助系統(tǒng)〔如化學(xué)容積控制系統(tǒng)、硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)等、廢物處理系統(tǒng)及部分專設(shè)安全系統(tǒng)設(shè)備。<4>電氣廠房位于反應(yīng)堆廠房和汽輪機(jī)廠房之間,其內(nèi)布置有主控室和各種儀表控制系統(tǒng)及供配電設(shè)備。另外,蒸汽發(fā)生器的蒸汽管道和給水管道也穿過(guò)該廠房,使核島和常規(guī)島聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成為一個(gè)整體。此外,核島還包括柴油發(fā)電機(jī)廠房、連接廠房、輔助給水貯存箱等。2.常規(guī)島主要廠房常規(guī)島廠房主要由汽機(jī)廠房和輔助間以及聯(lián)合泵站所組成。汽機(jī)廠房容納二回路及其輔助系統(tǒng)的主要設(shè)備,如汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、除氧器、給水泵等。毗鄰的建筑物還有通風(fēng)間、潤(rùn)滑油傳送間、變壓器區(qū)等。聯(lián)合泵站位于循環(huán)冷卻水的取水口處,其內(nèi)主要設(shè)置循環(huán)水泵和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng),為汽輪機(jī)組的冷凝器提供冷卻水源。3.電廠配套設(shè)施〔BOP此類設(shè)施數(shù)目較多,它們既不屬于核島也不屬于常規(guī)島,甚至也不一定同核島、常規(guī)島系統(tǒng)有什么直接聯(lián)系,但要保證核電站的安全運(yùn)行它們又是必不可少的。這些設(shè)施包括檢修車(chē)間、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室、廢物輔助廠房、除鹽水生產(chǎn)車(chē)間、主開(kāi)關(guān)站