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文檔簡(jiǎn)介
1、走進(jìn)核電廠,秦山核電三期電廠 (Candu6),核電的生產(chǎn)過(guò)程,堆芯由正方形橫截面燃料組件拼成準(zhǔn)圓柱形。1區(qū)53個(gè)組件,濃集度1.8%;2區(qū)52個(gè)組件,濃集度2.4%;3區(qū)52個(gè)組件,濃集度為3.1%。通常每年進(jìn)行一次換料,每次換料更換1/3 燃料組件,達(dá)到平衡換料時(shí)新燃料的濃集度為3.2%。 反應(yīng)堆冷卻劑流過(guò)堆芯時(shí)起到慢化劑的作用??刂瓢艚M件用于反應(yīng)堆控制,提供反應(yīng)堆停堆能力和控制反應(yīng)性快速變化,與燃料組件組合在一起的還有一些功能組件,它們?cè)诙褑?dòng)和運(yùn)行中起著重要作用。,壓水堆結(jié)構(gòu),圍板,上下柵板圍成準(zhǔn)圓柱形堆芯,又稱活性區(qū)。活性區(qū)里有燃料,慢化劑冷卻劑。,CANDU,PWR,a 燃料元件
2、燃料元件是由產(chǎn)生核裂變并釋放熱量的部件。組成包括Zr-4合金包殼管,包殼內(nèi)裝有二氧化鈾芯塊。上下兩端設(shè)有氧化鋁隔熱塊,頂部有彈簧壓緊,兩端用鋯合金端塞封堵,并與包殼管焊接密封在一起。 燃料包殼的作用是防止核燃料與反應(yīng)堆冷卻劑接觸,以免裂變產(chǎn)物逸出造成放射性污染。 Zr-4合金的中子吸收截面小,在高溫下有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性能。,燃料組件和燃料元件,燃料包殼要求 1 核性能好,中子吸收少,感生放射性低; 2 對(duì)冷卻劑的高溫抗腐蝕性能好; 3 良好的物理和機(jī)械性質(zhì)(熔點(diǎn)高,熱導(dǎo)大); 4 有足夠的高溫強(qiáng)度和延性,耐輻照; 5 加工性能好,價(jià)格低廉。,燃料包殼,1 不銹鋼,高溫強(qiáng)度好; 熱中子吸
3、收截面大(a:3.0巴); 快堆用做燃料包殼。 2 Zr合金,顯著改善中子經(jīng)濟(jì)性(a: 0.22巴0.24巴) Zr-2 (Sn Fe Cr Ni ) (%) 1.5 0.12 0.1 0.05 Zr-4 (Sn Fe Cr Ni ) (%) 1.5 0.15 0.1 0.0 Zr-2Zr-4,去掉了鎳,抑制吸氫,防止脆化。,燃料芯塊燒結(jié)而成,呈圓柱形,直徑8.192mm,高13.5mm,芯塊上下端面呈蝶形,用來(lái)補(bǔ)償因熱膨脹和輻射腫脹造成的尺寸變化。 彈簧所在空間可容納燃料放出的裂變氣體,包殼與芯塊之間有0.64mm的間隙,補(bǔ)償包殼和燃料芯快不同材料的熱脹和燃料的輻照腫脹。 氣空間充3MPa壓
4、力的氦氣,用來(lái)改善間隙的傳熱性能和減小包殼內(nèi)外的壓差。,b 燃料組件骨架 燃料組件骨架由24根控制棒導(dǎo)向管、一根中子通量測(cè)量管與上下管座焊接而成,沿高度方向放置有8個(gè)定位格架以提高組件的剛性和強(qiáng)度。骨架結(jié)構(gòu)使264根細(xì)長(zhǎng)的燃料元件形成一個(gè)整體,承受整個(gè)組件的重量和控制棒下落時(shí)的沖擊力,并保證控制棒運(yùn)動(dòng)的暢通。 下管座對(duì)進(jìn)入組件的冷卻劑起流量分配作用,又是燃料組件底座。組件重量和施加到組件上的軸向載荷,經(jīng)下管座作用到下柵板上。燃料組件在堆芯的定位由兩個(gè)對(duì)角支撐腳上的銷(xiāo)孔和下柵板上兩個(gè)定位銷(xiāo)來(lái)保證,作用在燃料組件上的水平載荷也通過(guò)定位銷(xiāo)傳遞到堆芯支撐結(jié)構(gòu)上。,上管座是燃料組件的上部構(gòu)件,通過(guò)它冷卻
5、劑由燃料組件流向上柵板的流水孔。堆芯上柵板的定位銷(xiāo)與管座對(duì)角上的兩個(gè)銷(xiāo)孔定位,此外,上管座上的壓緊彈簧使上柵板可將燃料組件壓緊。 控制棒導(dǎo)向管為控制棒上下自由運(yùn)動(dòng)提供通道,同時(shí)將上下管座連成整體框架。導(dǎo)向管下部呈錐形,對(duì)快速下落的控制棒起阻尼作用。 在組件中心位置的通量密度測(cè)量管為堆芯中子通量密度測(cè)量元件提供通道。,沿燃料元件全程有8個(gè)定位格架,它維持燃料元件的側(cè)向間隙,也是夾持燃料元件和加強(qiáng)燃料元件剛性的構(gòu)件。合理的定位格架設(shè)計(jì)除了起到對(duì)燃料元件的夾持定位作用外,還要強(qiáng)化流體的擾動(dòng)并使流動(dòng)阻力盡可能小。,(2) 堆芯功能組件 上述157個(gè)燃料組件,每個(gè)組件都提供了24個(gè)控制棒導(dǎo)向管,這些位置
6、安排有堆芯功能組件。 a 控制棒組件 大約1/3的燃料組件的控制棒導(dǎo)向管是為控制棒組件占據(jù)的。圖3.3是有控制棒組件的燃料組件??刂瓢羰敹斯潭ㄔ谝粋€(gè)枝狀星形架上,控制棒與枝狀接頭相連。 控制棒組件分兩類(lèi):一類(lèi)是黑棒束組件。 另一類(lèi)灰棒束組件。,冷卻劑在壓力容器里流程,一回路系統(tǒng)的參數(shù),一回路的工作壓力、冷卻劑的反應(yīng)堆進(jìn)出口溫度、流量和流速等參數(shù)的選擇,直接影響了核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性,合理選擇一回路的工作參數(shù)是核電廠設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。這里僅簡(jiǎn)要分析一下這些主要參數(shù)對(duì)核電廠安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響及其取值范圍。 一、壓水堆核電廠的功率 二、一回路壓力 三、反應(yīng)堆冷卻劑的出口溫度 四、反應(yīng)堆冷卻劑入口
7、溫度 五、冷卻劑流量,一、壓水堆核電廠的功率 核電廠的一回路系統(tǒng)由若干并聯(lián)的環(huán)路組成。一個(gè)環(huán)路所輸送的熱功率與壓水堆核電廠規(guī)模和設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力有關(guān)。 按照核電廠安全準(zhǔn)則,單堆核電廠的環(huán)路數(shù)不小于1,但過(guò)多的環(huán)路數(shù)將增加設(shè)備投資,因此,目前核電廠一回路一般采用24條環(huán)路并聯(lián)形式。,一、壓水堆核電廠的功率 每一條環(huán)路所對(duì)應(yīng)的電功率最初為150MW。隨著核電設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力提高,近期的壓水堆核電廠,一個(gè)環(huán)路的電功率已達(dá)到300MW600MW;而且,以每個(gè)環(huán)路300MW為標(biāo)準(zhǔn)形式,設(shè)計(jì)建造電功率為600MW,900MW,1200MW的大型核電廠。進(jìn)一步加大蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆冷卻劑泵的容量后,單個(gè)環(huán)路
8、產(chǎn)生的電功率可達(dá)到500MW600MW。 在相同堆功率情況下,單個(gè)環(huán)路功率提高后,就可以減少環(huán)路數(shù)目,減少相應(yīng)的設(shè)備和部件,降低設(shè)備投資和維修費(fèi)用。這樣,降低了核電廠每千瓦的造價(jià)和每度電價(jià)格,經(jīng)濟(jì)上有利。,表1 典型壓水堆核電廠功率及一回路容量,二、一回路壓力,由水的熱物理性質(zhì)可知,要想提高反應(yīng)堆冷卻劑的出口溫度而不發(fā)生冷卻劑容積沸騰,必須提高一回路壓力。所以,從提高核電廠的熱效率來(lái)說(shuō),提高一回路系統(tǒng)冷卻劑的工作壓力是有利的。但是這方面的潛力非常有限。 例如,水的壓力為20MPa時(shí),其飽和溫度也僅有365.7,而現(xiàn)代壓水堆一回路常用壓力為15.5MPa,其對(duì)應(yīng)的飽和溫度為344.7。二者相比,
9、壓力提高了4.5MPa,飽和溫度卻僅提高21。顯然如此提高壓力,在提高電廠效率上的收益不大,反而對(duì)各主要設(shè)備的承壓要求、材料和加工制造等技術(shù)難度都大大增加了,最終影響到電廠的經(jīng)濟(jì)性。 綜合考慮,一般壓水堆核電廠一回路系統(tǒng)的工作壓力約為15MPa左右。設(shè)計(jì)壓力取1.101.25倍工作壓力;冷態(tài)水壓試驗(yàn)壓力取1.25倍設(shè)計(jì)壓力 。,三、反應(yīng)堆冷卻劑的出口溫度,電廠熱效率與冷卻劑的平均溫度密切相關(guān),冷卻劑出口溫度越高,電廠熱效率越高,但冷卻劑出口溫度的確定應(yīng)考慮以下因素: 1、燃料包殼溫度限制:燃料包殼材料要受到抗高溫腐蝕性能的限制,對(duì)于輕水堆, 包殼材料Zr-4的允許表面工作溫度應(yīng)不高于350。
10、2、傳熱溫差的要求:為了保證燃料元件表面與冷卻劑之間傳熱的要求,燃料表面與冷卻劑間應(yīng)有足夠的膜溫壓。若包殼溫度限制在350,冷卻劑溫度至少要比此溫度低1015,以保證正常的熱交換。,3、冷卻劑過(guò)冷度要求:為保證流動(dòng)的穩(wěn)定性和有效傳熱,冷卻劑應(yīng)具有20左右的過(guò)冷度。 由此可見(jiàn),對(duì)于一定的工作壓力,反應(yīng)堆冷卻劑的堆出口溫度變化余地很小。如大亞灣核電廠一回路壓力15.5MPa,其堆出口冷卻劑平均溫度為329.8。 四、反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度反應(yīng)堆冷卻劑的堆出口溫度一旦確定,對(duì)于一個(gè)確定熱功率的反應(yīng)堆,其入口溫度與流量有單值關(guān)系。 入口溫度越高,一回路冷卻劑平均溫度越高,從這方面來(lái)說(shuō),對(duì)提高熱效率有利。
11、但入口溫度越高,冷卻劑溫升越小,所需冷卻劑流量越大,這就增加了泵的唧送功率,從而降低了電廠的凈效率。冷卻劑的入口溫度應(yīng)與流量綜合考慮各自帶來(lái)的利弊以及其它一些因素后,選取最佳值。,五、冷卻劑流量,冷卻劑流量對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)性與安全性的影響前面已有分析。 綜合上述分析,壓水堆核電廠一回路參數(shù)范圍是: (1)工作壓力15MPa左右; (2)冷卻劑在反應(yīng)堆進(jìn)口溫度取280300,反應(yīng)堆的出口溫度取310330,進(jìn)出口的溫升為3040。核電廠變工況時(shí),反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度變化允許的最大溫差為1725。反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)溫度為350。 (3)一回路系統(tǒng)中冷卻劑的流量較大,當(dāng)單環(huán)路對(duì)應(yīng)的電功率為300MW時(shí),冷卻劑總
12、質(zhì)量流量可達(dá)到15000t/h21000t/h(即每10MW熱功率160t/h250 t/h)。主管道內(nèi)冷卻劑流速可達(dá)15 m/s,一回路系統(tǒng)的總阻力約為0.6MPa0.8MPa。,一回路系統(tǒng)布置,1、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的所有設(shè)備、閥門(mén)及管道,全部安裝在安全殼內(nèi)。2、堆芯部分處在反應(yīng)堆廠房地平面高度以下。3、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)設(shè)備和管道的布置以反應(yīng)堆壓力容器為中心,力求緊湊、簡(jiǎn)單對(duì)稱。為了補(bǔ)償主管道的熱膨脹應(yīng)力,蒸汽發(fā)生器和主泵采用擺動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu),以允許橫向位移。,2 安全殼(containment) 安全殼又叫做反應(yīng)堆廠房。 我國(guó)采用核電廠安全殼是圓柱型預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼. 壁厚約80cm; 內(nèi)有厚6mm的鋼襯。 高約40m,直徑約40m.,4、蒸汽發(fā)生器的位置高于反應(yīng)堆壓力容器管嘴所在的平面,以便使系統(tǒng)具有足夠的自然循環(huán)能力。 5、冷卻劑中存在裂變產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物,對(duì)系統(tǒng)設(shè)備和管道有不同程度的污染。因此,在設(shè)備周?chē)O(shè)有隔墻,它們與安全殼墻構(gòu)成了二次屏蔽。 6、為了防止管道破裂后由于流體噴射導(dǎo)致的管道
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