AP1000核电站基本原理

AP1000核电站基本原理生产准备处白玉 1 目的 本材料旨在帮助大家了解核能发电和压水堆核电站的基本原理 2 目录 第一部分核电发展现状第二部分核能发电基本原理第三部分核能发电的安全性 3 第一部分核电发展现状 4 我国的电力发展现状 能源是人类生存和发展的重要物质基础 随着我国经济 社会的快速发展 对电能的需求日趋增大 我国目前的发电形式是以火力发电为主 一次能源日趋紧张 在这种形势下 谋求新的发电方式就成为社会可持续发展的迫切要求 5 主要发电形式 火力发电水利发电核能发电新能源发电 6 各种发电方式比较 7 8 相比较而言 核电机组容量大 对环境无污染 发电成本低 一座百万千瓦级火电厂每年消耗300万吨原煤 同功率的核电厂每年只需25吨核燃料组件 加之随着核能发电技术的日趋完善 安全性能不断提高 使其拥有了非常广阔的发展前景 9 世界核电发展现状 截止2009年1月底 世界上的30多个国家共有438座核电机组在运行 装机容量达到3 7亿千瓦 占总装机容量的18 另有44座建设中的核电机组 美国有运行核电机组104座 总装机容量1亿千瓦 法国有运行核电机组59座 总装机容量6236万千瓦 日本有核电机组55座 总装机容量4759万千瓦 10 世界主要国家核电概况 11 中国核电发展方针 2005年10月 中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年计划的建议 中明确提出要 积极发展核电 2007年10月 国家正式颁布 核电中长期发展规划 2005 2020 提出 到2020年 核电运行装机容量争取达到4000万千瓦 在建核电容量应保持1800万千瓦左右 12 中国核电发展概况 自从我国首座自主设计和建造的秦山核电站于1991年12月15日实现首次并网发电以来 截止2009年1月 我国大陆已有11台运行中的核电机组 总装机容量912万千瓦 在建核电机组34台 总装机容量3708万千瓦 其中已经浇灌第一罐混凝土正式开工的机组11台 总装机容量1110万千瓦 13 运行核电机组概况 14 共11台机组运行 装机容量910万千瓦 占总装机容量的1 15 2008年 核发电量684亿千瓦时 占总发电量的1 99 运行核电 15 在建或已批准的核电机组概况 16 第二部分核能发电基本原理 17 爱因斯坦质能方程 式中E 能量 m 质量 c 真空中光速 一个原子核的质量小于组成它的单个质子和中子的质量之和 这种质量差异称为原子核的质量亏损 根据爱因斯坦相对论所确定的质量和能量之间的关系 质量的亏损相当于系统的能量变化 与质量亏损相应的能量叫作原子核的结合能 E mc2 18 随质量数变化的核子平均结合能 19 由图可以看出 两个轻核聚变成一个重核或者一个重核裂变成两个轻核都能释放出能量 但是核聚变反应目前仍无法应用于工业领域 核能发电利用的是核的裂变反应 20 235U n FF1 FF2 xn 200MeV 核裂变反应 21 快中子慢化热中子慢化剂冷却剂 基本概念 22 压水堆装料后 堆芯的反应性可以用两种方法加以控制 移动控制棒位置和改变可溶性毒物的浓度 而且两种方法可以同时采用 由吸收中子材料 银铟镉合金或碳化硼 棒束组成控制棒组件 靠驱动机构带动控制棒组件在堆芯移动 抽出或插入 来控制反应堆的启动 停止和功率的变化等比较快速的反应性变化 反应性控制 23 剩余反应性由可溶毒物控制 以硼酸作为吸收剂溶化在慢化剂中 通过改变其浓度达到控制反应性的目的称可溶毒物控制 调节慢化剂中的硼浓度可以控制比较缓慢的反应性变化 24 链式反应的实现 1942年 在意大利学者费米的领导下 美国在芝加哥建成了世界上第一座核反应堆 当时得到的功率仅仅有0 5瓦 但它第一次实现了输出能大于输入能的核反应 宣告了人类利用核能时代的开始 25 核能的和平利用 1954年6月 前苏联建成了世界上第一座核电站 装机容量为5000KW 第一次实现了原子能的和平利用 从此拉开了核能发展的序幕 26 核电厂反应堆主要类型 堆型中子谱慢化剂冷却剂燃料形态富集度压水堆热中子H2OH2OUO23 左右沸水堆热中子H2OH2OUO23 左右重水堆热中子D2OD2OUO2天然铀高温气冷堆热中子石墨氦气UC ThO27 20 快堆快中子无液态钠 氦气UO2 PuO215 20 27 堆型简介 压水堆 轻水做慢化剂和冷却剂堆芯出口冷却剂有15 20度的过冷度一回路压力大约为15 5MPa一回路设备包容在安全壳内技术很成熟 是世界当前核电厂的主流堆型 28 压水堆核电厂工作原理图 29 AP1000机组核岛主设备 30 反应堆压力容器 31 AP1000堆芯有157组燃料组件 燃料组件采用17x17排列 每个燃料组件包括264根燃料棒 24根控制棒导向管和1根仪表管 燃料组件 32 蒸汽发生器 33 反应堆冷却剂泵 屏蔽电机泵 34 稳压器 35 第三部分核能发电的安全性 36 核电站为我们生产大量电力 同时 也会产生大量我们所不希望的放射性 为了保护电站工作人员和电站周围居民的健康 核电站始终坚持 质量第一 安全第一 的原则 37 核安全的概念 核安全是指在核设施的设计 建造 运行和退役期间 为保护人员 社会和环境免受过量的放射性危害所采取的技术和组织上的措施的综合 该措施包括 确保核设施的正常运行 预防事故的发生 限制可能的事故后果 38 核电站纵深防御原则 核电站的设计 建造和运行 采用了纵深防御的原则 从设备上和措施上提供多层次的重迭保护 确保反应堆的功率能得到有效的控制 燃料组件能得到充分冷却 放射性物质能有效地包容起来不发生泄漏 纵深防御 包括以下五道防线 39 第一层防御 防止偏离正常运行 防止发生故障 这要求按照恰当的质量水平和工程实践 正确并保守地设计 建造和运行 第二层防御 及时监测到和纠正偏离正常运行工况 以防止预计运行事件升级为事故工况 第三层防御 第三层次防御是基于以下考虑 虽然可能性很小 某些预计运行事件或始发事件的升级仍有可能未被前一层次防御所制止 可能发展为更严重的事件 这些可能性很小的事件是在核电厂设计基准中所预期的 因此必须利用固有安全特性 故障安全设计 附加的设备和规程来控制其后果 并在这些事件之后达到稳定的 可接受的状态 40 第四层防御 对付可能已超出设计基准的严重事故 并保证放射性后果保持在合理可行尽量低的水平 第五层防御 减轻事故工况下可能的放射性物质释放后果 这要求有适当装备的应急控制中心 场区内和场区外应急响应计划 41 核电站安全功能 核电厂区别于常规电厂的特点 放射性产物堆芯余热核电厂安全目标 确保堆芯冷却控制反应性 包容和控制核裂变所产生的放射性产物 42 堆芯放射性产物 裂变反应产生的裂变碎片会发生一系列的衰变 具有很强的放射性 主要是 和 射线 这种放射性衰变不会随着反应堆的停闭而停止 要经过很长时间放射性才会逐渐减弱下来 这就使人们对它们的处理出现困难 43 堆芯余热 核电厂与常规电厂的一个显著不同就是在核电厂的反应堆停闭以后 链式反应停止 但是裂变碎片及中子俘获产物的衰变还释放一定的热量 约占额定功率的6 称作剩余功率 运行人员可以调节反应堆的核功率 但却控制不了剩余功率的释放 在停堆以后还必须不断地冷却堆芯 44 剩余功率随时间的变化曲线 45 堆芯热量的导出 正常的机组冷却期间 第一阶段是由二回路将堆芯热量带出 二回路冷却效果不明显了以后 进入第二阶段 正常余热排出系统投入 一直将一回路冷却到设备可维修温度 46 事故工况下或正常余热排出系统不可用时 非能动堆芯冷却系统投入运行 主泵停运时 凭借流体密度差 系统以自然循环的方式导出堆芯热量 当主泵运行时 主泵提供了与自然循环流方向相同的强迫流通过热交换器 47 多重安注系统多重安注系统 高压安注 中压安注 低压安注 保证在一回路的各个压力阶段向堆芯注入硼酸溶液 保证堆芯的冷却和淹没 48 49 反应性控制 事故情况下 反应堆通过两种方式实现可靠停堆 所有控制棒全部落入堆芯操纵员向一回路注硼 建立一回路停堆的硼浓度 50 防止放射性裂变产物溢出的四道屏障 第一道屏障 燃料芯块第二道屏障 燃料棒包壳第三道屏障 一回路系统压力边界第四道屏障 安全壳 51 安全壳的冷却和隔离安全壳作为防止放射性溢出的最后一道屏障 在发生安全壳压力升高的事故情况下 二代核电普遍采用安全壳喷淋系统 降低安全壳压力 保证安全壳的完整性 AP1000