核動(dòng)力裝置概述A核動(dòng)力裝置

核動(dòng)力裝置概述A核動(dòng)力裝置第1頁(yè)/共49頁(yè)14April20232［教學(xué)內(nèi)容］核動(dòng)力裝置概論反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)一回路輔助系統(tǒng)二回路系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)督和水處理核動(dòng)力裝置熱力循環(huán)分析核動(dòng)力裝置運(yùn)行與控制核動(dòng)力裝置動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)核安全基礎(chǔ)第2頁(yè)/共49頁(yè)14April20233［教學(xué)要求］教學(xué)方式：課堂講授＋課堂討論＋作業(yè)考核方式：閉卷考試最終成績(jī)：考試成績(jī)60%＋課堂討論20%＋作業(yè)20%課堂討論方式：互問(wèn)互答（1）教師提出問(wèn)題，同學(xué)回答（2）同學(xué)提出問(wèn)題，其他同學(xué)回答作業(yè)內(nèi)容：（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）熱力分析第3頁(yè)/共49頁(yè)14April20234［學(xué)習(xí)要點(diǎn)］1系統(tǒng)的功用或作用為什么設(shè)置該系統(tǒng)？該系統(tǒng)在核動(dòng)力裝置中承擔(dān)什么任務(wù)？2系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)中包括哪些主要設(shè)備？各設(shè)備如何組成一個(gè)完整系統(tǒng)？3系統(tǒng)的運(yùn)行原理系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)其功能的？系統(tǒng)基本運(yùn)行與控制原理第4頁(yè)/共49頁(yè)14April20235［教材以參考書］教材《船舶核動(dòng)力裝置》彭敏俊編著原子能出版社，2009參考書

《船舶核動(dòng)力裝置原理與設(shè)計(jì)》王兆祥等編國(guó)防工業(yè)出版社，1980《核能動(dòng)力裝置》薛漢俊主編原子能出版社，1992第5頁(yè)/共49頁(yè)14April202361核動(dòng)力裝置概述1.1船舶動(dòng)力裝置主要類型及其特點(diǎn)1.2核動(dòng)力裝置的原理及組成1.3船舶核動(dòng)力裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)1.4船舶核動(dòng)力裝置的發(fā)展趨勢(shì)第6頁(yè)/共49頁(yè)14April202371.1船舶動(dòng)力裝置主要類型及其特點(diǎn)1.船舶動(dòng)力裝置分類 2.船用核動(dòng)力裝置含義3.核能的特點(diǎn)4.核能用作船舶動(dòng)力的優(yōu)越性第7頁(yè)/共49頁(yè)14April202381.動(dòng)力裝置分類船舶動(dòng)力裝置內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝置燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置核動(dòng)力裝置聯(lián)合動(dòng)力裝置新能源動(dòng)力裝置第8頁(yè)/共49頁(yè)14April20239海軍國(guó)家水面艦艇動(dòng)力裝置燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置：45.5%柴油機(jī)動(dòng)力裝置：20.1%聯(lián)合動(dòng)力裝置：16.8%蒸汽動(dòng)力裝置：14%核動(dòng)力裝置：3.6%第9頁(yè)/共49頁(yè)14April202310由鍋爐提供蒸汽汽輪機(jī)將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功蒸汽動(dòng)力裝置▲凝汽式汽輪機(jī)第10頁(yè)/共49頁(yè)14April202311蒸汽動(dòng)力裝置特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)汽輪機(jī)單機(jī)功率大，1200MW；汽輪機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，沒(méi)有周期性作用力，機(jī)組振動(dòng)、噪聲??；磨損部件少，可靠性高；油質(zhì)要求低，滑油消耗??；汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊管理使用方便。不足系統(tǒng)復(fù)雜；重量尺寸大；附屬設(shè)備多；熱效率低；初投資大；機(jī)動(dòng)性差。第11頁(yè)/共49頁(yè)14April202312通過(guò)使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)力柴油機(jī)船用大功率低速柴油機(jī)→第12頁(yè)/共49頁(yè)14April202313柴油機(jī)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)熱效率高、燃油消耗率低于蒸汽動(dòng)力裝置和燃?xì)廨啓C(jī)；輔助設(shè)備和機(jī)械較少，布置簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，裝置整體重量和尺寸較??；具有良好的機(jī)動(dòng)性，操作簡(jiǎn)單啟動(dòng)方便，正倒車轉(zhuǎn)換迅速；易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱和自動(dòng)控制。第13頁(yè)/共49頁(yè)14April202314柴油機(jī)特點(diǎn)缺點(diǎn)按功率比例重量和尺寸增加快，單機(jī)功率受限制；運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲大；中、高速柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件磨損較嚴(yán)重；低轉(zhuǎn)速時(shí)穩(wěn)定性差，影響低速航行性能。第14頁(yè)/共49頁(yè)14April202315以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)，帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉θ細(xì)廨啓C(jī)112艦使用的燃機(jī)→第15頁(yè)/共49頁(yè)14April202316燃?xì)廨啓C(jī)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)啟動(dòng)加速快；全負(fù)荷時(shí)燃油消耗低；振動(dòng)噪聲??；結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；輔機(jī)及系統(tǒng)簡(jiǎn)單；操縱方便、維修性好。第16頁(yè)/共49頁(yè)14April202317燃?xì)廨啓C(jī)特點(diǎn)缺點(diǎn)低負(fù)荷時(shí)燃料消耗高；高溫?zé)嵩创?、?duì)環(huán)境溫度敏感；進(jìn)排氣尺寸大；自身不能反轉(zhuǎn)倒車；造價(jià)高。第17頁(yè)/共49頁(yè)14April2023182.船用核動(dòng)力裝置含義將核燃料裂變產(chǎn)生的能量傳輸、分配并轉(zhuǎn)換成推進(jìn)船舶的動(dòng)力核能熱能熱能機(jī)械能電能推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備一回路二回路第18頁(yè)/共49頁(yè)14April202319潛艇核動(dòng)力裝置示意圖第19頁(yè)/共49頁(yè)14April202320船用核動(dòng)力裝置發(fā)展歷程世界上第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號(hào)→1954年1月，世界上第一艘核潛艇，也是美國(guó)海軍第一艘核動(dòng)力艦艇“鸚鵡螺”號(hào)下水美國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、中國(guó)已經(jīng)建造了470多艘核動(dòng)力艦船，至2002年，世界上仍然在役的核潛艇有150多艘第20頁(yè)/共49頁(yè)14April202321船舶核動(dòng)力裝置的應(yīng)用船舶核動(dòng)力裝置潛艇核動(dòng)力裝置水面艦船核動(dòng)力裝置攻擊型核潛艇彈道導(dǎo)彈核潛艇航空母艦巡洋艦驅(qū)逐艦核商船第21頁(yè)/共49頁(yè)14April202322裝備核動(dòng)力艦船的國(guó)家國(guó)家美國(guó)核潛艇巡洋艦航空母艦俄羅斯/蘇聯(lián)核潛艇巡洋艦破冰船英國(guó)核潛艇法國(guó)核潛艇航空母艦中國(guó)核潛艇第22頁(yè)/共49頁(yè)14April2023233.核能的特點(diǎn)（1）核燃料具有極高的能量密度（2）核裂變反應(yīng)不需要氧氣（3）核裂變過(guò)程伴隨著大量放射性物質(zhì)的產(chǎn)生第23頁(yè)/共49頁(yè)14April2023241kg鈾-235完全裂變 19,600,000,000kcal1kg標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒 7,000kcal1L重油完全燃燒 9,900kcal1m3天然氣完全燃燒 9,800kcal1kg鈾-235完全裂變放出的熱量相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的熱量同一質(zhì)量下，核能比化學(xué)能大數(shù)百萬(wàn)倍（1）核燃料具有極高的能量密度第24頁(yè)/共49頁(yè)14April202325（2）核裂變反應(yīng)不需要氧氣第25頁(yè)/共49頁(yè)14April202326（3）核裂變過(guò)程伴隨著放射性物質(zhì)的產(chǎn)生核裂變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的放射性物質(zhì)。核動(dòng)力裝置具有潛在的危險(xiǎn)性。需要采取嚴(yán)格的輻射防護(hù)措施；運(yùn)行管理要求很高。第26頁(yè)/共49頁(yè)14April2023274.核能用作船舶動(dòng)力的優(yōu)越性（1）燃料重量占全船載重量的比例較小;（2）提供較大的續(xù)航力和推進(jìn)功率;（3）提高潛艇的隱蔽性。

第27頁(yè)/共49頁(yè)14April202328核動(dòng)力艦船不需要攜帶大量的燃料，在反應(yīng)堆壽期內(nèi)不需要外界補(bǔ)充燃料核動(dòng)力艦船可攜帶更多的武器裝備和其他物資，提高戰(zhàn)斗力和自持力可大大減少輔助艦船的數(shù)量，提高整個(gè)艦隊(duì)的航速和續(xù)航力（1）燃料重量占全船載重量的比例較小第28頁(yè)/共49頁(yè)14April202329

概念1：續(xù)航力是艦艇裝載一次燃料所能持續(xù)航行的距離概念2：艦船推進(jìn)功率與航速的立方成正比核潛艇：長(zhǎng)壽命堆芯可用10年以上，續(xù)航力超過(guò)40萬(wàn)海里，潛航距離占總航程的95%以上核動(dòng)力裝置的高功率可使核潛艇的水下航速、核動(dòng)力航空母艦的航速達(dá)到30節(jié)（美國(guó)“海狼”級(jí)核潛艇的最高航速35節(jié)）常規(guī)潛艇：航速10節(jié)時(shí)，續(xù)航力達(dá)到1萬(wàn)海里，只能連續(xù)航行6~10小時(shí)；水下最大航速為15~25節(jié)（2）提供較大的續(xù)航力和功率第29頁(yè)/共49頁(yè)14April202330核潛艇無(wú)需定期浮出水面用柴油發(fā)電機(jī)給蓄電池充電，可長(zhǎng)期潛航水面艦船不需要設(shè)置進(jìn)氣道和煙囪，減少上層建筑，免受煙氣的腐蝕和熱氣流的影響，降低了紅外特征

——大型水面艦船如航空母艦不需要布置煙囪，上層建筑布置更為靈活（3）提高艦船的隱蔽性第30頁(yè)/共49頁(yè)14April2023311.2船舶核動(dòng)力裝置的原理及組成1.反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)2.船用動(dòng)力堆選型 3.船用核動(dòng)力裝置的基本組成第31頁(yè)/共49頁(yè)14April2023322.船用動(dòng)力堆選型動(dòng)力堆類型水冷堆壓水堆沸水堆重水堆氣冷堆有機(jī)液冷卻堆液態(tài)金屬冷卻堆金屬鈉鈉-鉀合金鉛-鉍合金熱中子堆快中子堆第32頁(yè)/共49頁(yè)14April202333核反應(yīng)堆的類型按引起裂變的中子能量劃分：快中子堆、熱中子堆按慢化劑的類型劃分：輕水堆、重水堆、石墨堆按冷卻劑的類型劃分：水冷堆——壓水堆、沸水堆、重水堆氣冷堆——高溫氣冷堆液態(tài)金屬冷卻堆——鈉冷快中子堆有機(jī)液冷堆第33頁(yè)/共49頁(yè)14April202334（1）壓水堆的特點(diǎn)慢化劑采用輕水，冷卻劑采用輕水，冷卻劑在堆芯不沸騰采用U-235富集度為3％~4%的UO2陶瓷燃料，在艦船壓水堆上由于要提高堆芯壽命，燃料的富集度一般都很高一、二回路之間相互隔離，二回路不需要屏蔽具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功率密度高、平均燃耗較深等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)比較成熟在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用多道屏障防止放射性物質(zhì)外泄，而且冷卻劑具有負(fù)溫度系數(shù)，使反應(yīng)堆具有自穩(wěn)自調(diào)特性，安全性較好。第34頁(yè)/共49頁(yè)14April202335（2）沸水堆的特點(diǎn)沸水堆以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑，在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽；沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、建造費(fèi)用低和負(fù)荷跟隨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使用低富集鈾作燃料；不需要蒸汽發(fā)生器，運(yùn)行參數(shù)較壓水堆低；具有很強(qiáng)的自然循環(huán)能力，一般可達(dá)40~50%FP，甚至100%FP。第35頁(yè)/共49頁(yè)14April202336沸水堆原理圖第36頁(yè)/共49頁(yè)14April202337沸水堆的不足控制棒從壓力容器下部插入堆芯，壓力容器底部開有大量孔洞，對(duì)壓力容器的強(qiáng)度有不利影響；沸水堆雖然省去了蒸汽發(fā)生器等設(shè)備，但堆內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)由于水汽對(duì)中子慢化能力減弱，所需要裝載的燃料更多，相同功率下體積要大于壓水堆；而且由于放射性會(huì)進(jìn)入汽輪機(jī)等設(shè)備，因此所需要屏蔽的體積和質(zhì)量大大增加，也加大了維護(hù)難度。第37頁(yè)/共49頁(yè)14April202338（3）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；是發(fā)展較早的堆型，有各種類別，但已實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模推廣的只有加拿大發(fā)展起來(lái)的坎杜型壓力管式重水堆。第38頁(yè)/共49頁(yè)14April202339重水堆核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖第39頁(yè)/共49頁(yè)14April202340重水堆的不足堆芯體積比相同功率的壓水堆大10倍左右，不適合艦船裝備由于增加了慢化劑系統(tǒng)和重水系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性大大增加，重水堆的系統(tǒng)數(shù)目是壓水堆的2倍左右重水系統(tǒng)的脹接接頭容易發(fā)生泄漏，影響正常運(yùn)行。為此，一回路的冷卻劑壓力比壓水堆低30％左右，造成二回路的蒸汽運(yùn)行壓力較低第40頁(yè)/共49頁(yè)14April202341（4）液態(tài)金屬冷卻堆的特點(diǎn)采用具有很高傳熱率的液態(tài)鉀-鈉合金或者鉛-鉍合金作為冷卻劑，二回路采用水作循環(huán)工質(zhì)，可以獲得很高的出口溫度和效率；例如，美國(guó)的S2G型液態(tài)金屬冷卻堆的效率達(dá)到22％，而同期的壓水堆只有17％左右。目前研究的快中子增殖堆均采用液態(tài)金屬作冷卻劑，而沒(méi)有慢化劑；用液態(tài)金屬作冷卻劑可大大提高一回路的溫度，而系統(tǒng)壓力只有0.5~0.7MPa，既提高了裝置的經(jīng)濟(jì)性，由于一回路壓力降低，核動(dòng)力裝置也更加安全可靠。第41頁(yè)/共49頁(yè)14April202342快堆核動(dòng)力裝置的兩種形式←回路式快堆系統(tǒng)池式快堆系統(tǒng)

→第42頁(yè)/共49頁(yè)14April202343液態(tài)金屬冷卻堆的不足作為冷卻劑的液態(tài)金屬如鈉-鉀合金或鉛-鉍合金在常溫下為固態(tài)，需要專門的加熱設(shè)備使堆芯和管道內(nèi)作為冷卻劑的金屬保持液態(tài)，使反應(yīng)堆的操作、維護(hù)變得很復(fù)雜，價(jià)格也高，為了加強(qiáng)屏蔽，使裝置的重量加大；處于熔化狀態(tài)的堿金屬在高溫時(shí)化學(xué)性能很活躍，有很強(qiáng)的腐蝕性，一旦泄漏與水接觸就會(huì)發(fā)生火災(zāi)和爆炸，因而可靠性和安全性較差。第43頁(yè)/共49頁(yè)14April202344液態(tài)金屬冷卻堆的裝備情況1957年服役的美國(guó)核潛艇“海狼”號(hào)（SSN-575）采用了液態(tài)金屬堆，在經(jīng)過(guò)23個(gè)月運(yùn)行后，由于高溫液態(tài)鈉將熱交換器管子蝕穿，發(fā)生了泄漏事件，在艇航行了61600海里后，又改換了壓水堆。1970年底，蘇聯(lián)“阿爾法”級(jí)核潛艇K-64號(hào)因裝備的液態(tài)金屬堆發(fā)生堆芯熔毀事故而在巴倫支海沉沒(méi)，暴露出這種堆型的安全性問(wèn)題，加之日常維護(hù)困難、噪聲巨大，最終導(dǎo)致這一級(jí)具有極高航速和大潛深的潛艇提前退役。第44頁(yè)/共49頁(yè)14April202345（5）高溫