反应堆安全分析

1、反反 应应 堆堆 控制与控制与 安安 全全 （安全分析部分）（安全分析部分） 目目 录录 n一一 核电厂安全概述核电厂安全概述 n二二 放射性与裂变产物放射性与裂变产物 n三三 反应堆事故的环境后果反应堆事故的环境后果 n四四 核电厂事故分析核电厂事故分析 n五五 概率风险评价与超设计基准事故概率风险评价与超设计基准事故 n六六 核电厂的审批和管理核电厂的审批和管理 零零 引言引言 机动车的使用给交通运输带来极大的便利，同时也不机动车的使用给交通运输带来极大的便利，同时也不 可避免地会引发交通事故。可避免地会引发交通事故。 火力发电厂带来电能的同时亦带来由于火力发电厂带来电能的同时亦带来由于S

2、O2，CO2等气等气 体释放造成的温室效应和酸雨。体释放造成的温室效应和酸雨。 “福兮祸所依，祸兮福所附福兮祸所依，祸兮福所附” 0.1任何工业活动在给人类带来财富和各种任何工业活动在给人类带来财富和各种 利益的同时也会给人类带来一定的危害利益的同时也会给人类带来一定的危害 核武器加剧人们的核恐惧心理核武器加剧人们的核恐惧心理 科学的本意在为人类谋取福利。不幸的是，在这个充科学的本意在为人类谋取福利。不幸的是，在这个充 满斗争和混乱的世界上，原子核刚从实验室崭露头角满斗争和混乱的世界上，原子核刚从实验室崭露头角 的时候，就被人们拖进了战争的深渊，败坏了原子核的时候，就被人们拖进了战争的深渊，败

3、坏了原子核 能的声誉。能的声誉。 广岛、长崎原子弹的爆炸广岛、长崎原子弹的爆炸 比基尼岛的悲剧比基尼岛的悲剧 核电站不会像原子弹爆炸，核燃料中的有效成核电站不会像原子弹爆炸，核燃料中的有效成 分是铀分是铀235，铀，铀235同样也是原子弹中的核炸药，同样也是原子弹中的核炸药， 那么核电站会不会像原子弹那样爆炸呢？不必担心，那么核电站会不会像原子弹那样爆炸呢？不必担心， 绝没有这种可能性！核燃料中铀绝没有这种可能性！核燃料中铀235的含量约为的含量约为 3%，而核炸药中铀，而核炸药中铀235含量高达含量高达90%以上。核燃以上。核燃 料引不起核爆炸，正像啤酒和白酒都含有酒精，白料引不起核爆炸，正

4、像啤酒和白酒都含有酒精，白 酒因酒精含量高可以点燃，而啤酒则因酒精含量低酒因酒精含量高可以点燃，而啤酒则因酒精含量低 却不能点燃一样。却不能点燃一样。 0.2白酒与啤酒白酒与啤酒 0.2白酒与啤酒白酒与啤酒 在设计上总是使反应堆具有自稳定特性，即当核在设计上总是使反应堆具有自稳定特性，即当核 能意外释放太快，堆芯温度上升太高时，链式裂变能意外释放太快，堆芯温度上升太高时，链式裂变 反应就会自行减弱乃至停止。反应就会自行减弱乃至停止。 原子弹是由高浓度的（大于原子弹是由高浓度的（大于 93%）裂变物质铀）裂变物质铀235或钚或钚 239和复杂而精密的引爆系统所和复杂而精密的引爆系统所 组成的。通

5、过引爆系统把裂变物组成的。通过引爆系统把裂变物 质压紧在一起，达到超临界体积，质压紧在一起，达到超临界体积， 于是瞬时形成剧烈的不受控制的于是瞬时形成剧烈的不受控制的 链式裂变反应，在极短时间内，链式裂变反应，在极短时间内， 释放出巨大的核能，产生了核爆释放出巨大的核能，产生了核爆 炸。炸。 0.3核电站与原子弹核电站与原子弹 0.3核电站与原子弹核电站与原子弹 1）压拢型（）压拢型（“枪式枪式”）：初始状态为分开的两部分）：初始状态为分开的两部分 （譬如说，两半球），每一部分都次临界（譬如说，（譬如说，两半球），每一部分都次临界（譬如说， 40kg 235U)，然后用炸药使两部分很块压拢，达

6、到高然后用炸药使两部分很块压拢，达到高 超临界。超临界。 2）压紧型（）压紧型（“内爆式内爆式”）：初始状态为次临界状态的）：初始状态为次临界状态的 球（譬如说，常密度时球（譬如说，常密度时30kg 的的235U球），然后用炸药球），然后用炸药 从四周向内爆压，将铀的密度很块压到两倍以上，达到从四周向内爆压，将铀的密度很块压到两倍以上，达到 高超临界，压紧型用核燃料省，效率高。中心用中子点高超临界，压紧型用核燃料省，效率高。中心用中子点 火器点火。火器点火。 0.4和平利用核能和平利用核能 v石油面临枯竭石油面临枯竭 v温室效应的危害温室效应的危害 v煤对环境的污染煤对环境的污染 而反应堆的结

7、构和特性与而反应堆的结构和特性与 原子弹完全不同，反应堆大都原子弹完全不同，反应堆大都 采用低浓度裂变物质作燃料，采用低浓度裂变物质作燃料， 而且这些燃料都分散布置在反而且这些燃料都分散布置在反 应堆内，在任何情况下，都不应堆内，在任何情况下，都不 会像原子弹那样将燃料压紧在会像原子弹那样将燃料压紧在 一起而发生核爆炸。一起而发生核爆炸。 而且，反应堆有各种安全而且，反应堆有各种安全 控制手段，以实现受控的链式控制手段，以实现受控的链式 裂变反应。裂变反应。 0.5两次重大核事故加强核能应用的安全防两次重大核事故加强核能应用的安全防 范意识范意识 三里岛核电站事故三里岛核电站事故 切尔诺贝利核

8、电站事故切尔诺贝利核电站事故 究竟哪一种能源系统对人类的健康造成的危险性更大究竟哪一种能源系统对人类的健康造成的危险性更大 呢？呢？ 回答这一问题不能只从其大小和外观来看，必须用单回答这一问题不能只从其大小和外观来看，必须用单 位能量所造成的危险位能量所造成的危险即对人类健康造成的总危险除即对人类健康造成的总危险除 以该能源系统产生的净能量来衡量，同时还要考虑到全以该能源系统产生的净能量来衡量，同时还要考虑到全 部能量的循环，如果仅仅计算和比较部分系统造成的危部能量的循环，如果仅仅计算和比较部分系统造成的危 险性是不能说明问题的。险性是不能说明问题的。 0.6各种能源危险性比较各种能源危险性比

9、较 煤电链煤电链 在正常情况下排出在正常情况下排出SO2和和NOx等对森林、等对森林、 农作物等有明显影响农作物等有明显影响 核电链核电链 除切尔诺贝利事故外，未发现可察觉的影响。除切尔诺贝利事故外，未发现可察觉的影响。 0.7核电是清洁的能源核电是清洁的能源 在我国，由于严重的环境污 染和酸雨造成的经济损失平 均每年就达370亿美元,占 GDP的5%， 对环境的影响对环境的影响 煤电链煤电链 2.1104 m2 /(GWea) 核电链核电链 1104 m2 /(GWea) 地表塌陷地表塌陷 煤电链煤电链1106 m2 /(GWea) 核电链核电链1.6102 m2 /(GWea)。 固体废物

10、占地面积固体废物占地面积 核能是一种环境友好的绿色能源。核能是一种环境友好的绿色能源。 我国煤电链温室气体排放系数我国煤电链温室气体排放系数 (g-CO2/kWh) 4 CH4 N2O CO2 合计合计 开采开采 132.4 3.1 72.4 207.9 选煤选煤 0.54 0.54 运输运输 6.24 6.24 自燃自燃 2.7 65.2 67.9 电厂建设电厂建设 1.32 1.32 供电运行供电运行 40.4 978 1018.4 1302.3 我国核电链温室气体排放系数我国核电链温室气体排放系数(g-CO2/kWh)5 建设期间建设期间 生产运行期间生产运行期间 材料名称材料名称 合计

11、合计 合计合计 总计总计 水泥水泥 3.14 3.5210-3 3.14 碳钢碳钢 3.11 2.2010-1 3.33 不锈钢不锈钢 1.8610-1 1.4310-2 0.20 （合金钢）（合金钢） 铜铜 2.0710-1 0.21 铝铝 2.1010-2 0.02 硝酸硝酸 8.3210-1 0.83 工艺用煤工艺用煤 6.0210-2 8.5310-1 0.91 石灰石灰 6.6310-5 9.4210-4 1.0110-3 火电火电 4.8710-3 5.06 5.06 合计合计 6.726 6.85 13.71 不同能源链温室气体排放系数（等效碳不同能源链温室气体排放系数（等效碳(

12、g)/kWh） 90年代技术年代技术 新技术新技术 最大最大 最小最小 褐煤褐煤 336 261 228（20052020技术）技术） 煤煤 357 264 206（20052020） 石油石油 246 219 149（20052020） 太阳能太阳能 76.4 27.3 8.2 （20102020） 水力水力 64.4 1.1 生物质生物质 16.6 8.4 风风 13.1 2.5 核核 5.7 2.5 煤中放射性活度煤中放射性活度 232Th 235U Bq/kg226Ra Bq/kg232Th Bq/kg 全国全国563932 湖南湖南53141.627.4 关于放射性关于放射性 石煤电

13、厂和核电厂产生的集体剂量石煤电厂和核电厂产生的集体剂量 石煤石煤 益阳泥江益阳泥江 电站电站4.3102人人Sv/a 浙江安仁电厂浙江安仁电厂3.6103人人Sv/a 核电站核电站1人人Sv/a 全国煤矿石煤放射性含量分布全国煤矿石煤放射性含量分布 省份省份 238U含量， 含量， Bq/kg 平均值平均值 236Ra含量， 含量，Bq/kg 平均值平均值 232Th含量， 含量， Bq/kg 平均值平均值 湖北湖北23152042.6657.5 湖南湖南40270115.8 江西江西11781561.828 安徽安徽651.3839.110.4 浙江浙江14081293.635 全国全国15

14、371473146.2 辐射照射辐射照射 煤电链煤电链420人人Sv/(Gwea) 核电链为核电链为8.39人人Sv/(Gwea) 煤电链约为核电链的煤电链约为核电链的50倍倍 非辐射非辐射 健康危害评价方法健康危害评价方法 煤电链为煤电链为12人人/(Gwea) 核电链为核电链为0.67人人/(Gwea) 煤电链比核电链高煤电链比核电链高1个数量级个数量级 如果综合考虑电厂的化学和放射性污染物所产生的影响，如果综合考虑电厂的化学和放射性污染物所产生的影响， 以致癌危险率表示的话，则核电站正常运行工况下的排放的以致癌危险率表示的话，则核电站正常运行工况下的排放的 致癌危险率只有致癌危险率只有3

15、.43.41010-8 -8/( /(人人. .年年) ) 。 比同等规模火电 厂的影响低100倍 对公众健康的影响对公众健康的影响 核电站单位造价成本高的原因，主要是核电站本身特点核电站单位造价成本高的原因，主要是核电站本身特点 造成的安全成本和质量成本高，造成的安全成本和质量成本高， 相同功率火电厂 的1.31.5倍 核电站运行成本低的主要原因，是核电发电总成本中的核电站运行成本低的主要原因，是核电发电总成本中的 燃料和运行检修费用则明显地低于常规燃煤燃油电厂。燃料和运行检修费用则明显地低于常规燃煤燃油电厂。 发电成本却只有 火电厂的三分之 二到三分之一 0.8核电是经济的能源核电是经济的

16、能源 0.8核电是经济的能源核电是经济的能源 一座一座1000MW的核电站，每年只需的核电站，每年只需30吨左右的核燃料，吨左右的核燃料， 而同功率的煤电站，每年需而同功率的煤电站，每年需330万吨的煤炭。万吨的煤炭。 发电站每度电的成本包括建造投资费、燃料循环费及运发电站每度电的成本包括建造投资费、燃料循环费及运 行维护费。行维护费。 建造费燃料费 核电站6070%30% 煤电站2030%6070% 进口电站进口电站 2000-1500美元美元KW-1 自主设计建造：自主设计建造： 秦山二期秦山二期 1330美元美元KW-1 批量批量 下降下降 规模规模 技术进步技术进步 不同能源链的外部成

17、本不同能源链的外部成本 能源能源 成本成本 m欧元欧元/千瓦时千瓦时 煤煤 15 褐煤褐煤 10 油油 12 气气 0.6 风风 2.2 水水 2.2 核核 0.4 核电站同其他工业一样，也存在着各种各样的危险。但核电站同其他工业一样，也存在着各种各样的危险。但 它又有区别于其他工业的一些特点。它又有区别于其他工业的一些特点。 如在事故工况下，会伴随有电离辐射和放射性物质的释如在事故工况下，会伴随有电离辐射和放射性物质的释 放。而这种辐射只能通过特定的仪器才能检测到，因而给人放。而这种辐射只能通过特定的仪器才能检测到，因而给人 们带来极大的心理恐慌。们带来极大的心理恐慌。 如何减少和减轻由于这

18、种辐照对工作人员、居民和环境如何减少和减轻由于这种辐照对工作人员、居民和环境 造成的危害就形成了一种区别于常规工业安全的特殊安全问造成的危害就形成了一种区别于常规工业安全的特殊安全问 题，我们称之为核安全。题，我们称之为核安全。 核电站同其他工业一样，也存在着各种各样的危险。但它又核电站同其他工业一样，也存在着各种各样的危险。但它又 有区别于其他工业的一些特点。有区别于其他工业的一些特点。 为保证核安全，核电站采取一系列的安全措施，其中应为保证核安全，核电站采取一系列的安全措施，其中应 急计划和准备就是核电站核安全纵深防御的一个组成部急计划和准备就是核电站核安全纵深防御的一个组成部 分，是在核

19、电站发生核事故时所采取的紧急应付对策，分，是在核电站发生核事故时所采取的紧急应付对策， 以避免或减少放射性对人及环境的危害。以避免或减少放射性对人及环境的危害。 。 0.9核电是安全的能源核电是安全的能源 固有安全性固有安全性 负反应性，多普勒效应，非能动安全负反应性，多普勒效应，非能动安全 专设安全设施专设安全设施 安全注入系统，安全壳喷淋系统，辅助安全注入系统，安全壳喷淋系统，辅助 给水系统，安全壳隔离系统给水系统，安全壳隔离系统 核电发展已有半个世纪的历史 n 核电发展的第一阶段：核电发展的第一阶段： 实验示范实验示范阶段阶段 （5050年代初年代初6060年代初）年代初） n 1951

20、1951年年 美国首次实现美国首次实现 利用核能发电利用核能发电(EBR-1) (EBR-1) n 1954 1954年年 前苏联第一座前苏联第一座 试验核电站并网发电试验核电站并网发电 n19571957年美国建成年美国建成 ShipingShiping Port Port （PWRPWR） n19601960年美国建成年美国建成 DresdenDresden1 1（BWRBWR） 原型堆、示范堆原型堆、示范堆 0.10核电发展历史与现状核电发展历史与现状 n核电发展的第二阶段：核电发展的第二阶段： n 高速发展阶段高速发展阶段 n （6060年代年代7070年代）年代） n 大量建设核电站

21、大量建设核电站 n 积极发展多种堆型，积极发展多种堆型， 包括快中子增殖堆、高包括快中子增殖堆、高 温气冷堆等温气冷堆等 n这一时期基本形成了目这一时期基本形成了目 前世界核电的格局前世界核电的格局 n第二代核电站 商用动力反应堆商用动力反应堆 0.10核电发展历史与现状核电发展历史与现状 n 核电发展的第三阶段：核电发展的第三阶段：迟滞发展阶段。迟滞发展阶段。 n 大批核电站订单被取消，新建核电站的数量明显减少。大批核电站订单被取消，新建核电站的数量明显减少。 n一些国家取消核电发展计划一些国家取消核电发展计划 0.10核电发展历史与现状核电发展历史与现状 n 核电现状（核电现状（20072

22、007年）年） 在在3030个国家个国家 运行运行436436台核台核 电机组，电机组， 总装机总装机369.16GWe,369.16GWe, 建设中机组建设中机组2929台，台， 装机装机22.603GWe22.603GWe。 核电占电力生产核电占电力生产16%16%， 仅次于化石燃料和水电仅次于化石燃料和水电 轻水堆核电站占轻水堆核电站占92%92% 重水堆核电站占重水堆核电站占4%,4%, 气冷堆占气冷堆占4 4。 0.10核电发展历史与现状核电发展历史与现状 n过去过去2020年中核能迟滞发展的原因年中核能迟滞发展的原因： 经济增长放慢，能源需求增经济增长放慢，能源需求增 长幅度明显下

23、降。长幅度明显下降。 两次核事故的影响。两次核事故的影响。19791979年美国三哩岛事故（年美国三哩岛事故（5 5级核事故），级核事故）， 19861986年切尔诺贝利事故（年切尔诺贝利事故（7 7级核事故）。级核事故）。 两次重大反应堆事故打击了投资者的信心，造成了公众对核电两次重大反应堆事故打击了投资者的信心，造成了公众对核电 站安全的不信任站安全的不信任 90 90年代以后，工业化对环境和生态的负面影响日益凸现，年代以后，工业化对环境和生态的负面影响日益凸现， 环保主义浪潮高涨，可持续发展的观念深入人心，在公众的环保主义浪潮高涨，可持续发展的观念深入人心，在公众的 反对浪潮中，核能首当

24、其冲反对浪潮中，核能首当其冲 。 0.11核电发展历史与现状核电发展历史与现状 虽然从虽然从8080年代后期开始，核电进入了年代后期开始，核电进入了迟滞发展迟滞发展的时期，但先进的时期，但先进 反应堆技术的发展并未停止反应堆技术的发展并未停止 渐进型（第三代渐进型（第三代) )反应堆：反应堆： 反应堆堆芯熔化概率从反应堆堆芯熔化概率从1010 3 3 1010 4 4/ /堆 堆年下降到年下降到 1010 5 5/ /堆 堆年年 反应堆寿期从反应堆寿期从4040年延长到年延长到6060年年 换料周期从换料周期从1212个月延长到个月延长到2424个月个月 计划停堆次数少于计划停堆次数少于1 1

25、次次/ /年年 PWR AP1000PWR AP1000， EPREPR，ABWRABWR 0.11核电发展历史与现状核电发展历史与现状 0.12压水堆电站运行原理压水堆电站运行原理 0.12压水堆电站运行原理压水堆电站运行原理 n 压水堆核燃料是由压水堆核燃料是由235U富集度为富集度为2% 4%的的UO2组成，组成， 用压力为用压力为15.5MPa（绝对压力），温度约（绝对压力），温度约300的普通水的普通水 (轻水轻水)作为冷却剂作为冷却剂,水在堆芯内不发生沸腾，所以叫做压水水在堆芯内不发生沸腾，所以叫做压水 反应堆。反应堆。 n 一回路系统基本是封闭系统。冷却剂由主泵进行输送，一回路系

26、统基本是封闭系统。冷却剂由主泵进行输送， 经反应堆吸收核裂变能温度增加后进入蒸汽发生器里面的经反应堆吸收核裂变能温度增加后进入蒸汽发生器里面的 传热管，冷却剂在传热管内流动把热量传给在管外流动的传热管，冷却剂在传热管内流动把热量传给在管外流动的 二回路水，二回路水吸热变成蒸汽进入汽轮发电机组。冷二回路水，二回路水吸热变成蒸汽进入汽轮发电机组。冷 却剂放出热量后，温度降低，再由主泵送回到堆芯内吸热。却剂放出热量后，温度降低，再由主泵送回到堆芯内吸热。 如此反复循环，核裂变能就不断被带出堆外。如此反复循环，核裂变能就不断被带出堆外。 n 一回路系统集中布置在一个圆筒形混一回路系统集中布置在一个圆筒

27、形混 凝土建筑物内，此建筑物称为凝土建筑物内，此建筑物称为安全壳安全壳，是，是 防止放射性外泄的安全屏障之一。防止放射性外泄的安全屏障之一。 n 冷却剂压力由冷却剂压力由稳压器稳压器控制，基本保持控制，基本保持 不变。工作时，稳压器上半部为蒸汽，下不变。工作时，稳压器上半部为蒸汽，下 半部为水，直接和冷却剂连通。当压力升半部为水，直接和冷却剂连通。当压力升 高时，向稳压器汽空间喷入温度较低的一高时，向稳压器汽空间喷入温度较低的一 回路水，使蒸汽凝结，造成压力回降；当回路水，使蒸汽凝结，造成压力回降；当 压力降低时，稳压器水空间中的电加热器压力降低时，稳压器水空间中的电加热器 通电，加热稳压器里

28、面的水使其蒸发成汽，通电，加热稳压器里面的水使其蒸发成汽， 造成压力回升。造成压力回升。 n 二回路系统由二回路系统由汽轮发电机组、冷凝器、凝结水泵、主汽轮发电机组、冷凝器、凝结水泵、主 给水泵、给水加热器、汽水分离再热器及相应管道等组给水泵、给水加热器、汽水分离再热器及相应管道等组 成。成。二回路系统与普通常规火电厂的相应系统和工作原二回路系统与普通常规火电厂的相应系统和工作原 理大体一样，所以又称为常规岛。理大体一样，所以又称为常规岛。 n 一回路蒸汽发生器产生的高温高压蒸汽进入一回路蒸汽发生器产生的高温高压蒸汽进入汽轮机汽轮机膨膨 胀作功，将蒸气热能转换为汽轮机转子动能，汽轮机转胀作功，

29、将蒸气热能转换为汽轮机转子动能，汽轮机转 子带动发电机发电，将动能转换为电能。做完功的蒸汽子带动发电机发电，将动能转换为电能。做完功的蒸汽 进入冷凝器被海水冷凝为水后，经加热、除氧后由给水进入冷凝器被海水冷凝为水后，经加热、除氧后由给水 泵送回蒸汽发生器继续吸收一回路冷却剂的热量产生蒸泵送回蒸汽发生器继续吸收一回路冷却剂的热量产生蒸 汽，如此周而复始，最终完成核能转换成电能的过程。汽，如此周而复始，最终完成核能转换成电能的过程。 蒸汽发蒸汽发 生器生器 高压缸高压缸 汽水分离汽水分离 再热器再热器 低压缸低压缸 冷凝器冷凝器 低压加低压加 热器热器 除氧器除氧器 高压加高压加 热器热器 凝结凝

30、结 水泵水泵 主给主给 水泵水泵 大亚湾核电站汽轮发电机组大亚湾核电站汽轮发电机组 除氧器水箱外型除氧器水箱外型 发电机转子发电机转子 发电机内定子发电机内定子 发电机外定子发电机外定子 0.13核电站存在的特殊问题核电站存在的特殊问题 n最主要的特点就是最主要的特点就是存在放射性问题存在放射性问题。 n 核反应堆在运行过程中，核反应堆在运行过程中，235U原子核被中子轰击进行原子核被中子轰击进行 裂变释放出核能的同时，其自身因裂变而变成不同种类的裂变释放出核能的同时，其自身因裂变而变成不同种类的 原子核称为裂变产物。绝大部分裂变产物及其衰变产物都原子核称为裂变产物。绝大部分裂变产物及其衰变产

31、物都 具有放射性，此类放射性核素达具有放射性，此类放射性核素达200种以上，一部分则是种以上，一部分则是 长寿命（其半衰期达十年至上百年）的放射性核素长寿命（其半衰期达十年至上百年）的放射性核素 0.13核电站存在的特殊问题核电站存在的特殊问题 n对一台对一台9090万千瓦容量压水堆机组，堆芯内大约装有万千瓦容量压水堆机组，堆芯内大约装有8080多吨多吨 的核燃料，可以说，核反应堆是一个很强的辐射源。若核的核燃料，可以说，核反应堆是一个很强的辐射源。若核 电站在运行及停闭期间因意外（如人因、设备原因等）而电站在运行及停闭期间因意外（如人因、设备原因等）而 出现核泄漏，就会对人及周围环境带来很大

32、的危害。出现核泄漏，就会对人及周围环境带来很大的危害。 n19861986年前苏联切尔诺贝利核事故造成电站周围年前苏联切尔诺贝利核事故造成电站周围3030公里范围公里范围 内严重放射性污染，至今还留有后遗后果。内严重放射性污染，至今还留有后遗后果。 n原子核裂变释放的能量，要比任何一种化学反应释放的能原子核裂变释放的能量，要比任何一种化学反应释放的能 量都大数百万倍。量都大数百万倍。 n原子核裂变反应速度快。原子核裂变反应速度快。 n核燃料具有强放射性。核燃料具有强放射性。 高效 危险！ 核燃料的上述特核燃料的上述特 性，要求核电站性，要求核电站 在建造和运行过在建造和运行过 程中都必须保证程

33、中都必须保证 核裂变反应、放核裂变反应、放 射性和放射性物射性和放射性物 质始终处于可控质始终处于可控 状态状态。 0.14核燃料的特性核燃料的特性 n反应性控制反应性控制 n放射性辐射防护放射性辐射防护 n反应堆堆芯余热的导出反应堆堆芯余热的导出 n工艺放射性废物处置工艺放射性废物处置 安全 三道屏障 停堆！ 环保！ 0.14核电站固有的特殊性核电站固有的特殊性 一、核反应堆安全一、核反应堆安全 概概 述述 n 核电是可靠、安全、经济的替代能源。核电是可靠、安全、经济的替代能源。 n 核电不同于其他能源技术，具有潜在的放射性危险，从核核电不同于其他能源技术，具有潜在的放射性危险，从核 电发展

34、的初期开始，核能界一直把安全问题置于首位。电发展的初期开始，核能界一直把安全问题置于首位。 n核电厂经历主要阶段：核电厂经历主要阶段：选址、设计、建造、安装、调试、运选址、设计、建造、安装、调试、运 行、维护、退役。行、维护、退役。 n核电是一门高技术、为确保安全，必须经过实践经验的行之核电是一门高技术、为确保安全，必须经过实践经验的行之 有效的工程技术。有效的工程技术。 n目前几种核电机组：目前几种核电机组：压水堆，沸水堆，压管式重水堆，气冷压水堆，沸水堆，压管式重水堆，气冷 堆，石墨水冷堆等几种堆型堆，石墨水冷堆等几种堆型。 1、基本概念及定义、基本概念及定义 n世界上已运行的反应堆按照它

35、们的用途，大致可分为世界上已运行的反应堆按照它们的用途，大致可分为研究研究 堆、生产堆和动力堆堆、生产堆和动力堆三类。由于动力堆能利用核燃料裂变三类。由于动力堆能利用核燃料裂变 释放出来的巨大热能发电、直接供热或推动各种机械转动，释放出来的巨大热能发电、直接供热或推动各种机械转动， 为人类开辟了新的能源，因此它在全世界范围内得到了迅为人类开辟了新的能源，因此它在全世界范围内得到了迅 速的发展。速的发展。 n从三十多年的核能发展史中人们已认识到它是最有竞争从三十多年的核能发展史中人们已认识到它是最有竞争 力的能源之一。核电站的燃料运输量小，发电成本低，对力的能源之一。核电站的燃料运输量小，发电成

36、本低，对 环境保护有利。当然，装备有核动力堆的核电站，有较大环境保护有利。当然，装备有核动力堆的核电站，有较大 的潜在危险性。正是由于这一点，人们对动力反应堆的安的潜在危险性。正是由于这一点，人们对动力反应堆的安 全就比对别的类型反应堆的安全给予更多的研究和重视。全就比对别的类型反应堆的安全给予更多的研究和重视。 1.1核反应堆安全的概念核反应堆安全的概念 ： 1在正常运行情况下，反应堆厂房外的放射性辐射以及向在正常运行情况下，反应堆厂房外的放射性辐射以及向 外排放的液态和气态放射性废物，对反应堆工作人员和周围外排放的液态和气态放射性废物，对反应堆工作人员和周围 居民造成的放射性辐照，应该小于

37、规范规定的允许水平。居民造成的放射性辐照，应该小于规范规定的允许水平。 2在事故情况下，不论事故是内部原因在事故情况下，不论事故是内部原因(如系统或设备的故如系统或设备的故 障障)或者外部原因或者外部原因(如飞机坠落、地震等如飞机坠落、地震等)引起的，反应堆的保引起的，反应堆的保 护系统及专设安全设施都必须能及时投入工作，确保堆芯安护系统及专设安全设施都必须能及时投入工作，确保堆芯安 全、限制事故发展、减少设备的损坏，防止大量放射性物质全、限制事故发展、减少设备的损坏，防止大量放射性物质 泄漏到周围环境中去。泄漏到周围环境中去。 反应堆安全性的含义是反应堆安全性的含义是指对工作人员和周围居民的

38、指对工作人员和周围居民的 健康与安全有切实可靠的保证，健康与安全有切实可靠的保证，即应做到：即应做到： 与一般工业装置相比，反应堆的危险性在于核裂变过程与一般工业装置相比，反应堆的危险性在于核裂变过程 中除了释放巨大的能量以外，还伴随着大量放射性物质的生中除了释放巨大的能量以外，还伴随着大量放射性物质的生 成。还伴随着大量放射性物质的生成。成。还伴随着大量放射性物质的生成。 一般说，在平衡循环寿期末反应堆每一般说，在平衡循环寿期末反应堆每1瓦热功率所相应瓦热功率所相应 的裂变产物的放射性约为的裂变产物的放射性约为2.7*1010贝可。在裂变产物中，有贝可。在裂变产物中，有 容易从二氧化铀芯块中

39、逸出的稀有气体氪容易从二氧化铀芯块中逸出的稀有气体氪(Kr)，氙（，氙（Xe）以）以 及易溶解于水的卤族。及易溶解于水的卤族。 1.2核反应堆安全特征核反应堆安全特征 ： 强放射性强放射性 在一座电功率为在一座电功率为l00万千瓦的反应堆内，裂变产物放射性万千瓦的反应堆内，裂变产物放射性 将高达将高达l020贝可。但是，贝可。但是，98以上的放射性裂变产物可保留以上的放射性裂变产物可保留 在二氧化铀陶瓷芯块内，只有不到在二氧化铀陶瓷芯块内，只有不到2的氪，氙和碘等气态的氪，氙和碘等气态 放射性物质扩散在燃料芯块和元件包壳之间的间隙内，放射性物质扩散在燃料芯块和元件包壳之间的间隙内， 1.2核反

40、应堆安全特征核反应堆安全特征 ： 强放射性强放射性 反应堆一回路系统贮存有几百立方米的高温高压冷却反应堆一回路系统贮存有几百立方米的高温高压冷却 剂水。一旦一回路管道破裂或设备出故障，大量高温水会剂水。一旦一回路管道破裂或设备出故障，大量高温水会 从破口喷射出来，迅速汽化。在这些水中带有一定数量的从破口喷射出来，迅速汽化。在这些水中带有一定数量的 放射性物质。更为严重的是，由于冷却剂不断流失，堆芯放射性物质。更为严重的是，由于冷却剂不断流失，堆芯 水位下降，燃料元件得不到冷却而逐渐融化。熔融堆芯的水位下降，燃料元件得不到冷却而逐渐融化。熔融堆芯的 温度可能高到足以烧穿压力容器和安全壳底部，进入

41、基础温度可能高到足以烧穿压力容器和安全壳底部，进入基础 岩石层。岩石层。 高温高压水高温高压水 在压水堆一回路系统中，无论冷却剂温度变化或容积在压水堆一回路系统中，无论冷却剂温度变化或容积 波动，都会引起一回路系统压力的相应变化。压力过高将波动，都会引起一回路系统压力的相应变化。压力过高将 导致系统设备损坏；压力过低则使堆芯局部沸腾，甚至出导致系统设备损坏；压力过低则使堆芯局部沸腾，甚至出 现容积沸腾。因此，既要防止超压，又要防止压力过低造现容积沸腾。因此，既要防止超压，又要防止压力过低造 成冷却剂汽化。成冷却剂汽化。 高温高压水高温高压水 反应堆停堆后，堆芯内中子镀式裂变反应虽然中止，反应堆

42、停堆后，堆芯内中子镀式裂变反应虽然中止， 但是，裂变产物继续发射但是，裂变产物继续发射和和 射线，这些裂变产物的半射线，这些裂变产物的半 衰期都较长。射线在与周围物质的作用时迅速转化为热衰期都较长。射线在与周围物质的作用时迅速转化为热 能，这就是衰变热。能，这就是衰变热。 即使在停堆后几个小时，衰变热产生率仍然有额定功即使在停堆后几个小时，衰变热产生率仍然有额定功 率的率的1%，如果不提供适当的冷却，衰变热引起的堆内燃，如果不提供适当的冷却，衰变热引起的堆内燃 料元件过热和包壳的破损，导致裂变产物的释放。料元件过热和包壳的破损，导致裂变产物的释放。 核电厂的设计，建造和运行过程中，核电厂的设计

43、，建造和运行过程中， 始终坚持安全第一的原则。始终坚持安全第一的原则。 衰变热衰变热 核电厂可能产生比设计功率高得多的功率，即：核电厂可能产生比设计功率高得多的功率，即：释释 能可以是半无限能可以是半无限的；的； 裂变释能过程同时伴有放射性辐射，因此运行过程裂变释能过程同时伴有放射性辐射，因此运行过程 中需要中需要屏蔽屏蔽； 停堆后仍有很强的剩余发热，必须得保证停堆后长停堆后仍有很强的剩余发热，必须得保证停堆后长 期期冷却冷却； 生产过程中会产生大量的生产过程中会产生大量的放射性废物放射性废物，必须妥善地，必须妥善地 加以处置。加以处置。 1.3几个特殊问题几个特殊问题 对压水堆而言，与核电厂

44、运行有关的风险主要来自对压水堆而言，与核电厂运行有关的风险主要来自 不可控的放射性核素释放。产热与热排的不平衡，不可控的放射性核素释放。产热与热排的不平衡， （超功率或冷却不足）将强烈影响这种释放。（超功率或冷却不足）将强烈影响这种释放。 核安全的基本目的：核安全的基本目的：防止放射性核素的不可控释防止放射性核素的不可控释 放。放。 1.3几个特殊问题几个特殊问题 对压水堆而言，与核电厂运行有关的风险：对压水堆而言，与核电厂运行有关的风险： 主要来自不可控的放主要来自不可控的放 射性核素释放。产热射性核素释放。产热 与热排的不平衡，与热排的不平衡， （超功率或冷却不足）（超功率或冷却不足） 将

45、强烈影响这种释放。将强烈影响这种释放。 核安全的基本目的：核安全的基本目的： 防止放射性核素的防止放射性核素的 不可控释放。不可控释放。 放射性核素来源放射性核素来源 主要来自裂变产物和锕系主要来自裂变产物和锕系 元素，即来自于燃料元件。元素，即来自于燃料元件。 核安全的基本策略核安全的基本策略 就是防止燃料元件过热，为此。就是防止燃料元件过热，为此。 设计与运行中应当保证堆功率设计与运行中应当保证堆功率 永远可控且堆芯是永远有充分永远可控且堆芯是永远有充分 的冷却。的冷却。 第一层：稳妥的设计，高质第一层：稳妥的设计，高质 量的设备制造等量的设备制造等 第二层：正确的运行控制（第二层：正确的

46、运行控制（ 这一层做的好，可确保三这一层做的好，可确保三 道屏障的完整性）道屏障的完整性） 第三层：专设安全设施和保第三层：专设安全设施和保 护系统（防止事件演变成护系统（防止事件演变成 大事故，将放射性物质滞大事故，将放射性物质滞 留在安全壳内留在安全壳内 第四层：防止安全壳失效的第四层：防止安全壳失效的 严重事故缓解措施严重事故缓解措施 第五层：应急响应行动第五层：应急响应行动 燃料芯块燃料芯块 燃料包壳燃料包壳 第一道屏第一道屏 障障 一回路压一回路压 力边界力边界 第二道屏第二道屏 障障 安全壳安全壳 第三道屏第三道屏 障障 控制住辐射源控制住辐射源 防止或减小辐防止或减小辐 射危害射

47、危害 不能控制辐射不能控制辐射 源，但通过对源，但通过对 人的行为进行人的行为进行 干预来防止或干预来防止或 减小辐射危害减小辐射危害 1.4 纵深防御原则：多道屏障，多层保护纵深防御原则：多道屏障，多层保护 三重屏障三重屏障 核燃料裂变时既产生巨大的能量，也产生大量的放射性核燃料裂变时既产生巨大的能量，也产生大量的放射性 裂变产物。为防止这些放射性产物外逸，核电站设置了裂变产物。为防止这些放射性产物外逸，核电站设置了 三重屏障：三重屏障： （1）燃料包壳）燃料包壳 （2）一回路压力边界）一回路压力边界 （3）安全壳）安全壳 燃料芯块叠放装在锆合金管燃料芯块叠放装在锆合金管 中，把管子封起来，

48、组成燃料元中，把管子封起来，组成燃料元 件棒。锆包壳管能够把核燃料裂件棒。锆包壳管能够把核燃料裂 变产生的放射性物质密封住。变产生的放射性物质密封住。 燃料包壳燃料包壳 导致燃导致燃料棒料棒包包壳壳破坏有三种可能性破坏有三种可能性 : 1、燃料芯块熔化燃料芯块熔化 , 2、沸腾危机沸腾危机 , 3 3、燃料芯块燃料芯块 - -包壳间的相互作用包壳间的相互作用 未辐照过的二氧化铀未辐照过的二氧化铀熔化温度熔化温度为为 2800 .这个温度随这个温度随 着锢照每着锢照每 10000 OMWd/tU 约降低约降低 32 .当考虑所有可当考虑所有可 能的辐照时能的辐照时 , 温度应为温度应为 2700

49、 .考虑到计算误差考虑到计算误差 , 采用采用 燃料芯部的燃料芯部的温度温度极限值为极限值为 2590 2590 为了对熔化保持一定的裕度为了对熔化保持一定的裕度 , , 对对1 1和和2 2类类工工况况 , , 采用的准则如下采用的准则如下 : : 芯块芯部的混度芯块芯部的混度 2260 . 2260 . 线功率线功率5901.3DNBR1.3 燃料芯块燃料芯块 - -包壳间的相互作用包壳间的相互作用 当功率变化时当功率变化时 ( ( 从而温度也变化从而温度也变化 ), ), 燃料体受到机燃料体受到机 械应力的作用械应力的作用 , , 这是由于燃料包壳这是由于燃料包壳热膨胀系数热膨胀系数不同

50、造成不同造成 的的 。极端情况下，将导致包壳爆裂。极端情况下，将导致包壳爆裂。 包壳破裂的风险将达到不允的程度包壳破裂的风险将达到不允的程度 : : 1 1、局部燃局部燃耗耗超过超过 80008000MWd/tUMWd/tU 2 2、最终的线功率最终的线功率超超过过 360360W/cmW/cm 持续时间大于持续时间大于1515mimin n； 460W/cm 460W/cm 持续时间小于持续时间小于 15 15minmin 一回路压力边界一回路压力边界 燃料包壳万一破裂，放射性物质漏到冷却剂中，但燃料包壳万一破裂，放射性物质漏到冷却剂中，但 仍然在密闭的一回路系统中。这个密闭的一回路系统又仍

51、然在密闭的一回路系统中。这个密闭的一回路系统又 称一回路压力边界，主要包括壁厚为称一回路压力边界，主要包括壁厚为200mm200mm左右的压力容左右的压力容 器和不锈钢管。主泵轴封和蒸汽发生器的倒器和不锈钢管。主泵轴封和蒸汽发生器的倒U U型管也是它型管也是它 的一部分。的一部分。 在第在第 1 1 类工类工 况况 , , 调节系统使稳庄都的压力保持调节系统使稳庄都的压力保持 在额定值在额定值 ( (155155barbar) ) 附近附近 , , 在第在第 2 2 类工况类工况 , , 应检验一回路的任何点压力不应检验一回路的任何点压力不 超过设计压力超过设计压力 (171.3(171.3b

52、ar),bar), 并且稳压并且稳压器器没有充满水没有充满水 ; ; 因为因为，稳压稳压器的阀门器的阀门在充水时动作可能损坏阀门并阻碍在充水时动作可能损坏阀门并阻碍 其其回回座座 . .还应当避免稳还应当避免稳 压器压器卸卸压箱压箱 ( (RDP) RDP) 膜片破裂膜片破裂 , , 在第在第 3 3 类和工况类和工况 4 4 类工况类工况 ( ( 除了一除了一回回路破裂路破裂 以外以外 ), ), 应当保持回路的完整性应当保持回路的完整性 , , 为此为此 , , 应检验一回应检验一回 路最大压头部位路最大压头部位 ( ( 主泵出口主泵出口 ) ) 的压力不越过设计压力的压力不越过设计压力

53、的的 1.1 1.1 倍倍 ( (188.4188.4barbar） 一回路完整性一回路完整性 安全壳安全壳 安全壳的完整性安全壳的完整性 如果安全壳的压力不超过设计压力值（如果安全壳的压力不超过设计压力值（5bar5bar），其），其 完整性就可以得到保证。完整性就可以得到保证。 事故的五个来源：事故的五个来源： 1 1、贮能；、贮能； 2 2、核瞬变能；、核瞬变能； 3 3、衰变热；、衰变热； 4 4、化学反应能；、化学反应能； 5 5、与厂址有关的能量、与厂址有关的能量 贮能贮能是指事故发生时贮存在燃料、冷却剂和一回是指事故发生时贮存在燃料、冷却剂和一回 剂剂系统其他部件中的显热和潜热系

54、统其他部件中的显热和潜热 . . 核瞬变能核瞬变能是因核偏差造成反应堆事故时裂变产生的是因核偏差造成反应堆事故时裂变产生的 瞬时热能瞬时热能 . . 衰变能衰变能是事故发生时堆芯内裂变产物和钢系元素是事故发生时堆芯内裂变产物和钢系元素 连续产生的热能连续产生的热能 . . 放热化学反应放热化学反应也是一种潜在的事故原因也是一种潜在的事故原因 . . 与厂与厂址址有关的能量有关的能量是指一些人为事故及核电厂外部是指一些人为事故及核电厂外部 发生的自然力量发生的自然力量 . . 1.5 放射性释放后的辐射影响和防护措施放射性释放后的辐射影响和防护措施 Food chain Liquid relea

55、ses Liquid releasesExternal exposure External exposure Atmospheric releases Soil Inhalation Ingestion 1.6 照射途径照射途径 外照射外照射 空气中污染物空气中污染物 烟云直接照射烟云直接照射 沉积在地面上物质沉积在地面上物质地面沉积照射地面沉积照射 安全壳安全壳 核设施直接照核设施直接照 射（可忽略）射（可忽略） 落在人体上的物质落在人体上的物质体表污染后的直接照射体表污染后的直接照射 1.6 照射途径照射途径 内照射内照射 吸入污染空气吸入污染空气 吸入地面再悬浮物吸入地面再悬浮物 直接食

56、入被污染物直接食入被污染物 间接食入被污染物间接食入被污染物 体表污染物从伤口渗透体表污染物从伤口渗透体表污染内照射体表污染内照射 吸入内照射吸入内照射 食入内照射食入内照射 1.7 放射性释放后的辐射影响和防护措施放射性释放后的辐射影响和防护措施 碘，惰性碘，惰性 气体等气体等 冲洗，沉降冲洗，沉降 吸入吸入 食入食入 基础知识照射后的健康影响 确定性健康效应确定性健康效应早期、有阈值、严重程度与早期、有阈值、严重程度与 剂量成正比剂量成正比 如：早期死亡、皮肤疾病等如：早期死亡、皮肤疾病等 随机性健康效应随机性健康效应有潜伏期、无阈值、发生率有潜伏期、无阈值、发生率 与集体剂量成正比与集体

57、剂量成正比 如：缓发癌症、遗传疾病如：缓发癌症、遗传疾病 控制事故的发展，使事故机组尽快恢复安全状态；控制事故的发展，使事故机组尽快恢复安全状态； v 划分事故应急状态的级别；划分事故应急状态的级别； v 进入事故应急状态后，能迅速启动一套应急状态下的进入事故应急状态后，能迅速启动一套应急状态下的 组织机构；组织机构； v 通报场外机构和上级；通报场外机构和上级； v 保障电厂和电厂人员的安全；保障电厂和电厂人员的安全； v 消除或减少事故后果，限制放射性物质释放；消除或减少事故后果，限制放射性物质释放； v 评估和监测场内外环境放射性的影响；评估和监测场内外环境放射性的影响； v 为场外提供

58、事故现状数据和预测事故发展；为场外提供事故现状数据和预测事故发展； v 为场外采取防护措施提供建议。为场外采取防护措施提供建议。 1.8 场内应急计划的主要任务：场内应急计划的主要任务： 1.9 事故及应急实例事故及应急实例 切尔诺贝利核事故切尔诺贝利核事故 时间：时间：19861986年年4 4月月2626日日 堆型：石墨沸水堆（石墨作慢化剂，轻水作冷却剂），堆型：石墨沸水堆（石墨作慢化剂，轻水作冷却剂）， 堆芯热功率堆芯热功率3200MW3200MW 设计弱点：满功率下，功率反应性系数为负的；低于设计弱点：满功率下，功率反应性系数为负的；低于 20%FP20%FP下，功率反应性系数变为正的

59、下，功率反应性系数变为正的 事故：发电机试验，在热功率降至事故：发电机试验，在热功率降至200MWt200MWt，仍在试验，仍在试验， 堆芯全面出现正反应性，功率急剧上升，堆芯全面出现正反应性，功率急剧上升， 4 4秒钟内，功率达到额定功率的秒钟内，功率达到额定功率的100100倍，引起爆炸，掀开倍，引起爆炸，掀开 10001000吨重的反应堆盖板，并切断所有冷却管道，吨重的反应堆盖板，并切断所有冷却管道， 2-32-3秒后，再次爆炸，堆芯碎片喷出，由于空气进入，秒后，再次爆炸，堆芯碎片喷出，由于空气进入， 引起石墨的燃烧。引起石墨的燃烧。 1.9 事故及应急实例事故及应急实例 切尔诺贝利核事

60、故切尔诺贝利核事故 结果：结果： 释放持续了释放持续了10天，第天，第1天释放了总释放量的天释放了总释放量的25%，总共释放了：，总共释放了： Xe-133 6500PBq I-131 1760PBq Cs-137 85PBq Te-132 1150PBq 急性效应：急性效应： 3人死于爆炸、烧伤和血栓症人死于爆炸、烧伤和血栓症 28人死于急性照射人死于急性照射 237人确诊为患有急性辐射综合症人确诊为患有急性辐射综合症 长期效应：未有详细报道，估计甲状腺癌发病率增加长期效应：未有详细报道，估计甲状腺癌发病率增加 1.9 事故及应急实例事故及应急实例 切尔诺贝利核事故切尔诺贝利核事故 应急应急