核科学概论-反应堆1

1、核科学概论核科学概论东华理工大学东华理工大学核工系核工系本堂课主要内容本堂课主要内容n其它重要类型核电站其它重要类型核电站n我国核电的发展我国核电的发展第三节第三节 其它重要类型核电站其它重要类型核电站 沸水堆与压水堆同属沸水堆与压水堆同属轻水堆轻水堆，与，与压水堆不同之处是沸压水堆不同之处是沸水堆的堆芯内产生的蒸汽直接进入汽轮机做功。水堆的堆芯内产生的蒸汽直接进入汽轮机做功。 沸水堆是首先由美国沸水堆是首先由美国GE（General Electric）公司发展）公司发展起来的，目前很多国家都有能力建造沸水堆，在当今起来的，目前很多国家都有能力建造沸水堆，在当今的动力反应堆中，的动力反应堆中，

2、沸水堆约占沸水堆约占23%。 与压水堆相比，与压水堆相比，沸水堆没有没有蒸汽发生器，采用蒸沸水堆没有没有蒸汽发生器，采用蒸汽直接循环，因此它更接近常规蒸汽动力装置。汽直接循环，因此它更接近常规蒸汽动力装置。沸水堆（沸水堆（BWR）沸水堆本体结构沸水堆本体结构沸水堆壳体内装有沸水堆壳体内装有堆芯、堆内支撑结堆芯、堆内支撑结构、气水分离器、构、气水分离器、蒸汽干燥器和喷射蒸汽干燥器和喷射泵等。泵等。 沸水堆（沸水堆（BWR）沸水堆本体结构沸水堆本体结构堆芯主要由核燃料组件、堆芯主要由核燃料组件、控制棒等组成控制棒等组成，同压水，同压水堆一样也采用低富集度堆一样也采用低富集度的的UO2作为核燃料，将

3、作为核燃料，将UO2制成圆柱状芯块后制成圆柱状芯块后装入锆合金包壳内。控装入锆合金包壳内。控制棒为十字形，它由几制棒为十字形，它由几十根装有碳化硼粉末的十根装有碳化硼粉末的不锈钢管组成。不锈钢管组成。沸水堆（沸水堆（BWR）沸水堆本体结构沸水堆本体结构沸水堆组件外围罩有沸水堆组件外围罩有锆合金制成的方形组锆合金制成的方形组件盒，以防止冷却剂件盒，以防止冷却剂在燃料组件之间的横在燃料组件之间的横向流动。向流动。 沸水堆（沸水堆（BWR）沸水堆系统流程沸水堆系统流程沸水堆（沸水堆（BWR）沸水堆系统流程沸水堆系统流程沸水堆安全壳由沸水堆安全壳由干干井（压力空间）和井（压力空间）和湿井（凝气空间）湿

4、井（凝气空间）两部分组成。两部分组成。沸水堆（沸水堆（BWR）重水堆重水堆n重水的化学性质接近于轻水，但物理性质有所不同，重水的化学性质接近于轻水，但物理性质有所不同，在在中子吸收截面上差别较大中子吸收截面上差别较大。 重水具有与轻水相近的优良热物理性能，是很好的冷重水具有与轻水相近的优良热物理性能，是很好的冷却剂。但作为反应堆的慢化剂和冷却剂，重水的纯度却剂。但作为反应堆的慢化剂和冷却剂，重水的纯度必须等于和大于必须等于和大于99.75%。 重水堆按其结构可分为重水堆按其结构可分为压力容器式和压力管式压力容器式和压力管式两种。两种。压力容器式重水堆的结构类似压水堆，只不过压力容器式重水堆的结

5、构类似压水堆，只不过慢化剂慢化剂和冷却剂都是重水和冷却剂都是重水。压力容器式重水堆的堆内结构材。压力容器式重水堆的堆内结构材料比压力管式的少，中子经济性好，可达到很高的转料比压力管式的少，中子经济性好，可达到很高的转换比。换比。压力管式重水堆只压力管式重水堆只有压力管承受高压，有压力管承受高压，而容器不受高压，而容器不受高压，因此其功率不受容因此其功率不受容器制造能力的限制。器制造能力的限制。目前重水堆达到商目前重水堆达到商用的只有加拿大发用的只有加拿大发展的压力管卧式重展的压力管卧式重水堆，称为水堆，称为CANDU型重水堆。型重水堆。重水堆重水堆CANDU型重水堆的压力型重水堆的压力管把重水

6、冷却剂和重水慢管把重水冷却剂和重水慢化剂分开，压力管内流过化剂分开，压力管内流过高温高压重水作为冷却剂，高温高压重水作为冷却剂，压力管外是处于低压状态压力管外是处于低压状态下的慢化剂，盛装慢化剂下的慢化剂，盛装慢化剂的大型卧式圆柱型容器称的大型卧式圆柱型容器称为排管容器。为排管容器。 重水堆重水堆重水堆燃料束重水堆燃料束 燃料装卸系统燃料装卸系统 重水堆重水堆CANDU型反应堆型反应堆的一回路系统分为的一回路系统分为左右两个相同的环左右两个相同的环路。每一个环路有路。每一个环路有两台蒸汽发生器和两台蒸汽发生器和两台主泵并通过管两台主泵并通过管道连接而成，每个道连接而成，每个环路带出反应堆一环路

7、带出反应堆一半热量。半热量。 重水堆重水堆n重水堆与压水堆的区别重水堆与压水堆的区别重水堆重水堆重水堆与压水堆的区别重水堆与压水堆的区别nCANDU天然铀天然铀 低燃耗低燃耗 燃料棒束短燃料棒束短不停堆换料不停堆换料可在功率运行时卸出可在功率运行时卸出破损燃料破损燃料 nPWR浓缩铀浓缩铀高燃耗高燃耗 燃料棒束长燃料棒束长停堆换料停堆换料只能在停堆时才能卸只能在停堆时才能卸出破损燃料出破损燃料 气冷堆气冷堆n气冷堆是以气冷堆是以石墨作慢化剂石墨作慢化剂，二氧化碳或氦气作二氧化碳或氦气作冷却剂冷却剂，出现较早。，出现较早。n1956年，英国首先建成商用年，英国首先建成商用镁诺克斯型镁诺克斯型(M

8、agnox)气冷堆电站气冷堆电站(卡特霍尔；卡特霍尔；50MW)。n70年代，英、法、意、日相继建成多座同型电年代，英、法、意、日相继建成多座同型电站。站。特点：特点：1、石墨中、石墨中子吸收截面小，慢子吸收截面小，慢化性能好，能利用化性能好，能利用天然铀作为燃料；天然铀作为燃料；2、气体冷却剂能、气体冷却剂能在不高的压力下得在不高的压力下得到较高的出口温度，到较高的出口温度，可提高电站的二回可提高电站的二回路蒸汽参数；路蒸汽参数；3、可以在带功率运行可以在带功率运行时连续换料。时连续换料。 气冷堆气冷堆n高温气冷堆高温气冷堆是气冷堆的进一步发展，以是气冷堆的进一步发展，以提高其热工参提高其热

9、工参数数。高温气冷堆。高温气冷堆采用耐高温的涂敷颗粒燃料元件采用耐高温的涂敷颗粒燃料元件，化，化学惰性和热工性能良好的学惰性和热工性能良好的氦气作为冷却剂氦气作为冷却剂，耐高温的耐高温的石墨材料作为慢化剂和堆芯结构材料石墨材料作为慢化剂和堆芯结构材料。气冷堆气冷堆n将上述的颗粒燃料弥散将上述的颗粒燃料弥散在石墨基体中制成在石墨基体中制成柱状柱状或球状或球状燃料元件。这种燃料元件。这种燃料元件不需要金属包燃料元件不需要金属包壳，而其中壳，而其中石墨既做燃石墨既做燃料元件的结构材料又做料元件的结构材料又做中子慢化剂中子慢化剂。气冷堆气冷堆n堆芯结构基本上分堆芯结构基本上分为两类：为两类：一类是球一

10、类是球床堆，另一类是棱床堆，另一类是棱柱堆柱堆。堆芯一般是。堆芯一般是圆柱形的，四周围圆柱形的，四周围有石墨反射层，反有石墨反射层，反射层外有金属热屏射层外有金属热屏蔽。蔽。气冷堆气冷堆n气冷快中子增殖堆气冷快中子增殖堆GCFR（Gas Cooled Fast Reactor）也是高温气冷堆的一种也是高温气冷堆的一种。用氦气作为冷用氦气作为冷却剂，但由于却剂，但由于堆芯内不需要堆芯内不需要石墨慢化剂，石墨慢化剂，因此堆芯要比因此堆芯要比热中子堆小得热中子堆小得多。多。 气冷堆气冷堆气冷堆气冷堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆n钠冷快中子堆是目前使用较多的一种中子堆。在这种钠冷快中子堆是目前使用较多的一

11、种中子堆。在这种反应堆内，核燃料裂变主要由能量反应堆内，核燃料裂变主要由能量约约100keV以上的以上的快中子引起，所以堆内不快中子引起，所以堆内不需要慢化剂需要慢化剂，从而使堆芯内，从而使堆芯内有害吸收减少，有害吸收减少，能有更多的中子用于转换新的核燃料，能有更多的中子用于转换新的核燃料，使转换比增大。使转换比增大。n在快堆中，在快堆中，热中子几乎是不存在的热中子几乎是不存在的，因此热中子吸收，因此热中子吸收截面高的材料在快堆中并不显得那么重要。截面高的材料在快堆中并不显得那么重要。n快中子堆内燃料的快中子堆内燃料的易裂变核素富集度越大越好易裂变核素富集度越大越好，要尽要尽量减少结构材料和冷

12、却剂量减少结构材料和冷却剂，因此其堆芯比压水堆小很，因此其堆芯比压水堆小很多。多。钠冷快中子堆钠冷快中子堆n优点：只要添加铀优点：只要添加铀238n还可以生产核燃料还可以生产核燃料n热中子动力堆对铀的利用率低于热中子动力堆对铀的利用率低于1n快堆是当前反应堆发展的方向快堆是当前反应堆发展的方向n增殖比增殖比=产生的核燃料的原子核数产生的核燃料的原子核数/消耗的核燃消耗的核燃料的原子核数料的原子核数钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆n虽然钠冷快中子堆有很多优点，但是虽然钠冷快中子堆有很多

13、优点，但是尚有一系列技术尚有一系列技术上的问题还没有解决上的问题还没有解决。主要是在。主要是在高能中子区核燃料的高能中子区核燃料的裂变截面很小，因此为了使链式裂变反应能进行，快裂变截面很小，因此为了使链式裂变反应能进行，快中子堆内必须有较高的核燃料富集度，而且初装量也中子堆内必须有较高的核燃料富集度，而且初装量也很大很大。n此外，此外，快中子堆的燃料元件加工及乏燃料后处理要求快中子堆的燃料元件加工及乏燃料后处理要求高高，而且其快中子辐照通量率也比热中子堆大几十倍，而且其快中子辐照通量率也比热中子堆大几十倍，因此对材料的要求也较苛刻因此对材料的要求也较苛刻。快中子堆内的中子。快中子堆内的中子平均

14、平均寿命比热中子堆的短寿命比热中子堆的短，而且，而且239Pu的缓发中子子份额只的缓发中子子份额只有有235U的的1/3左右，所以快中子堆的左右，所以快中子堆的控制比较困难控制比较困难。舰船用核动力反应堆舰船用核动力反应堆n核动力潜艇具有核动力潜艇具有隐蔽性好、续航力大、潜伏时间长、隐蔽性好、续航力大、潜伏时间长、航速高等显著优点航速高等显著优点，受到各军事大国的普遍重视。目，受到各军事大国的普遍重视。目前舰船核动力技术已达到了相当高的水平。前舰船核动力技术已达到了相当高的水平。n船用核动力目前船用核动力目前主要采用压水堆主要采用压水堆，船用压水堆与电站，船用压水堆与电站压水堆的结构原理和基本

15、组成大体相同，但两者的压水堆的结构原理和基本组成大体相同，但两者的设设计出发点与要求存在一些差别计出发点与要求存在一些差别。对于船用堆来讲，。对于船用堆来讲，首首先要满足舰船战斗性能的要求先要满足舰船战斗性能的要求，即，即快速性、隐蔽性和快速性、隐蔽性和高续航力高续航力等方面的要求。因此设计时首先考虑的是等方面的要求。因此设计时首先考虑的是结结构紧凑、质量轻、体积小、自然循环能力强、堆芯和构紧凑、质量轻、体积小、自然循环能力强、堆芯和燃料元件的功率密度大等优点燃料元件的功率密度大等优点。舰船用核动力反应堆舰船用核动力反应堆n舰船用反应堆与电站反应堆相比一般有以下特点：舰船用反应堆与电站反应堆相

16、比一般有以下特点： 1、为了提高舰艇速度，增加续航力和减少反应堆的、为了提高舰艇速度，增加续航力和减少反应堆的开盖次数，舰船用反应堆采用富集度较高的核燃料，开盖次数，舰船用反应堆采用富集度较高的核燃料，以提高燃料元件的功率密度，从而缩小堆芯体积；以提高燃料元件的功率密度，从而缩小堆芯体积； 2、舰船用分散式布置压水堆一般采用两个以上环路，、舰船用分散式布置压水堆一般采用两个以上环路，每条环路有两台主泵，其中一台备用；每条环路有两台主泵，其中一台备用； 3、为了提高反应堆的可靠性，减少主泵噪音，舰船、为了提高反应堆的可靠性，减少主泵噪音，舰船用反应堆都力求高自然循环能力，一些先进的舰船用用反应堆

17、都力求高自然循环能力，一些先进的舰船用反应堆已经实现了自然循环。反应堆已经实现了自然循环。舰船用核动力反应堆舰船用核动力反应堆n紧凑式布置压水堆紧凑式布置压水堆存在问题：反应堆和存在问题：反应堆和蒸汽发生器的体积和蒸汽发生器的体积和质量都很大，它们之质量都很大，它们之间的热胀冷缩问题很间的热胀冷缩问题很难补偿。难补偿。 舰船用核动力反应堆舰船用核动力反应堆n法国一体化压水堆法国一体化压水堆CAP缺点：容器内结构复杂，缺点：容器内结构复杂，设备维修困难。设备维修困难。舰船用核动力反应堆舰船用核动力反应堆nMRX一体化压水堆一体化压水堆舰船用核动力反应堆舰船用核动力反应堆nMRX一体化压水堆采用了

18、以下的先进技术一体化压水堆采用了以下的先进技术 1、采用水淹式安全壳、采用水淹式安全壳 将反应堆容器设置在装满水的安全壳内，在发生失水事故时，可终将反应堆容器设置在装满水的安全壳内，在发生失水事故时，可终止一回路水的流失，非能动的保持堆芯淹没防止堆芯损坏。止一回路水的流失，非能动的保持堆芯淹没防止堆芯损坏。 2、采用自然循环排除衰变热、采用自然循环排除衰变热 在蒸汽管破损、传热管破损和失水等事故工况时，采用自然循环将在蒸汽管破损、传热管破损和失水等事故工况时，采用自然循环将衰变热排放到安全壳中的水系统和热管式安全壳水冷却系统。衰变热排放到安全壳中的水系统和热管式安全壳水冷却系统。 3、控制棒驱

19、动机构安装在反应堆容器内、控制棒驱动机构安装在反应堆容器内 为了避免控制棒发生各类事故，将控制棒驱动机构安装在反应堆容为了避免控制棒发生各类事故，将控制棒驱动机构安装在反应堆容器内，从物理上就可排除控制棒的弹出事故，能确保更高的安全器内，从物理上就可排除控制棒的弹出事故，能确保更高的安全性。性。特殊用途的小型核反应堆特殊用途的小型核反应堆n随着核动力技术的不断进步和发展，核反应的随着核动力技术的不断进步和发展，核反应的应用领域也在不断扩大。从最初的潜艇用核反应用领域也在不断扩大。从最初的潜艇用核反应堆发展到水面舰艇和核电站用反应堆。目前，应堆发展到水面舰艇和核电站用反应堆。目前，人类还在积极探

20、索核反应堆在其它领域的应用。人类还在积极探索核反应堆在其它领域的应用。n例如，目前一些发达国家正在着手研究例如，目前一些发达国家正在着手研究海底开海底开发和空间探索及空间推进用小型核动力反应堆发和空间探索及空间推进用小型核动力反应堆。这类小型反应堆具有广泛的军事应用前景和商这类小型反应堆具有广泛的军事应用前景和商业应用价值。业应用价值。特殊用途的小型核反应堆特殊用途的小型核反应堆nDRX反应堆反应堆 日本核能研究所设计研究的日本核能研究所设计研究的150kW深海反应堆深海反应堆X（DRX）型，是一个用来提供水下动力源的小型核动）型，是一个用来提供水下动力源的小型核动力装置。它能提供较大的功率，

21、并且不需要氧气。它力装置。它能提供较大的功率，并且不需要氧气。它采用了一体化的压水反应堆，蒸汽发生器装在反应堆采用了一体化的压水反应堆，蒸汽发生器装在反应堆容器内。一个压力壳内包容了透平（汽轮机），蒸汽容器内。一个压力壳内包容了透平（汽轮机），蒸汽发生器以及反应堆容器，由此形成一个很紧凑的发电发生器以及反应堆容器，由此形成一个很紧凑的发电装置。这一装置装置。这一装置容易操纵，固有安全性高，启动时间容易操纵，固有安全性高，启动时间短，有较好的反应堆功率响应特性，在事故情况下有短，有较好的反应堆功率响应特性，在事故情况下有固有的堆芯淹没和衰变热导出特性。固有的堆芯淹没和衰变热导出特性。特殊用途的小

22、型核反应堆特殊用途的小型核反应堆nDRX装置整体装置整体特殊用途的小型核反应堆特殊用途的小型核反应堆n空间核电源空间核电源 人造卫星、宇宙飞船空间站等航天器的仪器设备的运人造卫星、宇宙飞船空间站等航天器的仪器设备的运行需要能源维持。目前在这些航天器上使用的都是行需要能源维持。目前在这些航天器上使用的都是常常规电源规电源，但是这些电源的功率和寿命是有限的但是这些电源的功率和寿命是有限的。 为此，人类想到了核能，这样就能满足航天器的需要，为此，人类想到了核能，这样就能满足航天器的需要，和体积小、质量轻、寿命长、可靠性高、抗电磁波干和体积小、质量轻、寿命长、可靠性高、抗电磁波干扰等性能而言，核反应堆

23、电源具有独特的优势。扰等性能而言，核反应堆电源具有独特的优势。特殊用途的小型核反应堆特殊用途的小型核反应堆TOPAZ-II型型空间反应堆空间反应堆 特殊用途的小型核反应堆特殊用途的小型核反应堆TOPAZ-II型空间反应堆燃料元件型空间反应堆燃料元件 特殊用途的小型核反应堆特殊用途的小型核反应堆n目前俄、美两国都有这种空间反应堆，并有开目前俄、美两国都有这种空间反应堆，并有开发大功率、长寿命的热离子反应堆的计划。这发大功率、长寿命的热离子反应堆的计划。这种反应堆不仅可以用在空间，而且也可以用在种反应堆不仅可以用在空间，而且也可以用在水下，作为水下勘探、海底开发潜器用的动力水下，作为水下勘探、海底

24、开发潜器用的动力源；也可作为水下侦察、水下监听等军事潜器源；也可作为水下侦察、水下监听等军事潜器的动力源。因此，这类小型核动力反应堆具有的动力源。因此，这类小型核动力反应堆具有非常广泛的应用前景。非常广泛的应用前景。特殊用途的小型核反应堆特殊用途的小型核反应堆第四节第四节 我国核电的发展我国核电的发展我国对先进堆的探索我国对先进堆的探索 n当代核电发展中存在的问题当代核电发展中存在的问题首先是反应堆的安全性问题；首先是反应堆的安全性问题；当代核电厂的基建投资大和建造周期太长；当代核电厂的基建投资大和建造周期太长；当代核电厂由于系统与设备复杂，造价昂贵。当代核电厂由于系统与设备复杂，造价昂贵。 n对新一代先进堆的要求对新一代先进堆的要求 安全性安全性 在安全性方面应有新的突破。在安全性方面应有新的突破。 经济性经济性 在经济性上应该达到能与同样规模的火电厂相竞争。在经济性上应该达到能与同样规模的火电厂相竞争。 n我国的先进堆我国的先进堆n改进型压水堆（改进型压水堆（APWR）n高温气冷堆（高温气冷堆（HTGR）n快中子增殖堆（快中子增殖堆（LMFBR） 我国核电的发展战略我国核电的发展战略 n世界能源向以核能为主的转换