第三章 AP1000反应堆冷却剂系统课件

1、第三章 AP1000反应堆冷却剂系统功能RCS 将反应堆系统中堆芯核裂变放出的热能转化为高温饱和蒸汽，并输送到汽轮发电机组转化为电能(二回路系统)。反应堆冷却剂系统压力边界为堆芯释放的放射性提供了一个包容的屏障，并使电厂在整个运行过程中都保持其高度的完整性。反应堆冷却剂系统(Reactor Coolant System , RCS)冷却剂在冷却剂泵的驱动下流过燃料组件，吸收了核裂变产生的热能以后流出反应堆，进入蒸汽发生器，在那里把热量传给二回路的水，而主冷却剂本身的温度就降低了。从蒸汽发生器出来的主冷却剂再由反应堆冷却剂泵送回反应堆去加热，重复这个过程以持续进行能量转换。一回路高压由稳压器来维

2、持和调节。反应堆冷却剂系统(Reactor Coolant System , RCS)3.1 系统概述简介API000反应堆冷却剂系统(RCS)由两条环路组成，每条环路包括一台蒸汽发生器、两台反应堆冷却剂泵以及一根冷却剂主管道热管段、两根冷管段，共同组成一条反应堆冷却剂闭式循环回路。3.1 系统概述简介另外，系统还包括稳压器、相应的连接管道(波动管)、阀门和用于运行控制和安全触发的仪表。所有的RCS设备都位于反应堆安全壳内。3.1 系统概述组成l 反应堆压力容器(Reactor Pressure Vessel , RPV) 包括控制棒驱动机构安装接管l 反应堆冷却剂泵(Reactor Cool

3、ant Pump , RCP) l 蒸汽发生器(Steam Generator , SG)包括与其相连接通往一条反应堆冷却剂主管道热管段的波动管线(Surge Line)l 稳压器(Pressurizer， PRZ)3.1 系统概述组成l 安全阀(Safety Valves) 和自动降压系统(Automatic Depressurization System , ADS)的阀门;l 反应堆压力容器顶盖(上封头)上的排气管道(Reactor Vessel Head Vent)和排气管道隔离阀(Head Vent Isolation Valves);l 上述主要部件之间相互连接的管道及其支承;l

4、与通往辅助系统和支持系统之间相互连接的管道及其支承。3.1 系统概述API000 RCS布置3.1 系统概述SG 环路及 PRZ 管道连接图3.2 RCS 的功能、设计基准和反应堆冷却剂的水化学3.2.1 反应堆冷却剂系统的功能安全相关的功能(1 )保持反应堆冷却剂压力边界(Reactor Coolant Pressure Boundary)的完整性；(2) 保持堆芯冷却和反应性控制(Core Cooling and Reactivity Control)；(3) 提供工艺监测(Process Monitoring)。为保护安全监测系统提供所需信号，在所有电厂运行工况下用以触发反应堆自动停堆和

5、非能动安全系统运行。同时，便于操纵员监视系统运行，并在安全停堆运行和事故运行期间执行必要的手动操作。3.2 RCS 的功能、设计基准和反应堆冷却剂的水化学3.2.1 反应堆冷却剂系统的功能其他与取得安全许可证(执照)相关的功能(1 ) RCS 排气(ReactorCoolant System Venting)反应堆冷却剂系统能够排出稳压器和反应堆压力容器封头中积聚的不可凝气体，以支持事故工况下的堆芯冷却能力。(2)在严重事故条件下堆芯熔融物堆内持留(In-Vessel Retention in Severe Accident Condition)；3.2 RCS 的功能、设计基准和反应堆冷却剂

6、的水化学3.2.1 反应堆冷却剂系统的功能其他与取得安全许可证(执照)相关的功能(2)在严重事故条件下堆芯熔融物堆内持留(In-Vessel Retention in Severe Accident Condition)；在假想的严重事故条件下，当RCS 自动降压系统运行，安全壳处于水淹没状态时，RPV和 RPV绝热层(RPV Insulation)之间排热通道依靠自然循环将RPV 内的热量排出，从而将堆芯熔融物保持在堆内3.2 RCS 的功能、设计基准和反应堆冷却剂的水化学3.2.1 反应堆冷却剂系统的功能 非安全相关的纵深防御功能(1 )堆芯冷却(Core Cooling)(2) 反应堆冷

7、却系统压力控制(RCS Pressure Control)(3) 提供工艺监测(Process Monitoring)(4) 反应堆冷却剂系统排气(RCS Venting)3.2 RCS 的功能、设计基准和反应堆冷却剂的水化学3.2.1 反应堆冷却剂系统的功能 非安全相关的纵深防御功能(3) 提供工艺监测(Process Monitoring)监测所有运行工况下反应堆冷却剂压力边界内的工艺参数，并为多样性驱动系统(Diverse Actuation System , DAS)提供所需信号，以便多样化触发反应堆停堆和非能动安全系统。同时，为操纵员提供所需信号以便通过多样性驱动系统来手动触发反应堆

8、停堆和非能动安全系统，作为保护和安全监测系统的后备。3.2 RCS 的功能、设计基准和反应堆冷却剂的水化学3.2.1 反应堆冷却剂系统的功能 非安全相关的纵深防御功能(3)反应堆冷却剂系统排气(RCS Venting)RCS 能够通过手动有限的卸压以缓解蒸汽发生器传热管破裂事故和协助反应堆冷却剂系统停运后的冷却。这种能力为假想多重失效时的堆芯冷却提供支持。RCS 的手动卸压功能作为自动卸压的备用，可以防止多重失效时的高压熔堆事故。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器在反应堆压力容器内部，除放置堆芯、堆芯支承结构、控制棒及直接与堆芯连接的其他部件外，压力容器还与一体化堆顶结

9、构、反应堆冷却剂管道相连接。在反应堆压力容器内部，除放置堆芯、堆芯支承结构、控制棒及直接与堆芯连接的其他部件外，压力容器还与一体化堆顶结构、反应堆冷却剂管道相连接。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器AP1000 反应堆压力容器是一个由壳体、过渡环、半球形底封头及可拆卸带法兰半球形上封头构成的圆柱形结构。壳体包括两部分：上壳体(接管段)和下壳体(活性段)。下壳体和半球形底封头之间用一个过渡环连接。上壳体、下壳体、过渡段和半球形底封头由低合金钢制造，内部堆焊奥氏体不锈钢。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反

10、应堆压力容器可拆卸带法兰半球形上封头压力容器封头由顶盖和法兰制成。上封头为控制棒驱动机构、堆内测量提供了安装孔和支承，为 RPV 放气管和一体化堆顶结构提供了支承。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器壳体包括两部分：上壳体(接管段)下壳体(活性段)过渡环半球形底封头3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器压力容器主冷却剂进出管嘴、直接注入管管嘴和堆内构件吊篮支承均位于上壳体(接管段)。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器在设计与制造方面的改进(1) 压力容器的堆芯下壳体(活性段)采用了环型锻件结构，取消了纵向焊缝;(2) 在压力容器

11、的材料中降低了镍和铜的含量，把辐照脆化的影响降到最低;(3) 尽可能地降低初始的“零塑性转变参考温度(RTNDT)”RPV活性区锻件材料(RTNDT为-28.9)，提高压力容器材料的断裂韧性，以延长核电厂的运行寿期;3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器在设计与制造方面的改进(3) 尽可能地降低初始的“零塑性转变参考温度(RTNDT)”RPV活性区锻件材料(RTNDT为-28.9)，提高压力容器材料的断裂韧性，以延长核电厂的运行寿期;(4) 在RPV顶盖的贯穿件焊缝和接管安全端焊缝采用Inconel 690 合金焊材这是至今为止潜在应力腐蚀裂纹敏感性最低的工业材料;(5)

12、堆芯仪表通道设在 RPV 顶部一一取消了堆芯下部，即压力容器底部所有的贯穿件;3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.1 反应堆压力容器堆芯仪表通道设在 RPV 顶部一一取消了堆芯下部，即压力容器底部所有的贯穿件压力容器的堆芯下壳体(活性段)采用了环型锻件结构，取消了纵向焊缝;3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.2 一体化堆顶结构一体化堆顶结构(Integrated Head Package , IHP) 由多个独立的设备组成，从而简化了反应堆的换料操作。在停堆换料期间，他通过与反应堆压力容器顶盖移动联合操作，减少了停堆时间和个人辐射剂量。另外，一体化堆顶结构减少了其相关部件在安全壳内的搁

13、置空间。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.2 一体化堆顶结构一体化堆顶结构由如下的主要部分组成:l 屏蔽罩及检查门;l 堆芯测量探头的提升绞盘;l 起吊三角架;l 电缆托架及其支承结构;l 螺栓起吊轨道;l CRDM抗震支承和堆内测量仪表(ICIS)支承结构;l CRDM 风冷通道(冷却围筒)。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.2 一体化堆顶结构3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.2 一体化堆顶结构一体化堆顶结构使得在其内的各个部件无需单独进行连接和断开。冷却围筒是位于压力容器顶盖上方围绕在控制棒驱动机构周围的碳钢结构。在核电厂正常运行时，冷却围筒为控制棒驱动机构磁辄线圈提供冷

14、却气流通道。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.2 一体化堆顶结构一体化堆顶结构使得在其内的各个部件无需单独进行连接和断开。冷却围筒是位于压力容器顶盖上方围绕在控制棒驱动机构周围的碳钢结构。在核电厂正常运行时，冷却围筒为控制棒驱动机构磁辄线圈提供冷却气流通道。3.3 压力容器和一体化堆顶结构3.3.2 一体化堆顶结构3.4 堆内构件(Reactor Internals)3.4.1 堆内构件的组成上部构件l 上部支承板l 上堆芯板l 支承柱l 导向筒3.4 堆内构件(Reactor Internals)3.4.1 堆内构件的组成上部构件l 上部支承板l 上堆芯板l 支承柱l 导向筒3.4 堆

15、内构件(Reactor Internals)3.4.1 堆内构件的组成上堆芯板3.4 堆内构件(Reactor Internals)3.4.1 堆内构件的组成下部构件l 吊篮简体l 堆芯下支承板l 堆芯二次支承l 涡流抑制板l 堆芯围筒l 径向支承键l 相关附属部件3.4 堆内构件3.4.1 堆内构件的组成堆芯围筒3.4 堆内构件(Reactor Internals)3.4.1 堆内构件的组成下部构件l 堆芯下支承板3.4 堆内构件(Reactor Internals)3.4.2 堆内构件的功能堆内构件(Reactor Internals , RIs)功能l 盛装燃料组件与相关组件，并为它们提

16、供定位和预紧力；l 为控制棒组件提供可靠的导向，吸收落棒冲击能；l 为堆芯提供冷却剂流道和合理的流量分配，并减少冷却剂无效泄漏；l 屏蔽中子和 射线，减少压力容器的辐照损伤；l 为堆芯中子注量率测量和温度测量系统提供固定支承和导向；l 为压力容器辐照样品监督管提供固定的位置；l 为堆芯跌落提供二次支承。3.4 堆内构件3.4.2 堆内构件的功能冷却剂在反应堆压力容器和堆内构件内的流动3.4 堆内构件3. 4. 3 API000 堆内构件的技术特点3.5 蒸汽发生器3. 5. 1 AP1000 蒸汽发生器3.5 蒸汽发生器3. 5. 1 AP1000 蒸汽发生器3.5 蒸汽发生器3. 5. 1

17、AP1000 蒸汽发生器3.5 蒸汽发生器AP1000蒸汽发生器的主要技术特点l 蒸汽发生器在全挥发处理二次侧水化学条件下运行;l 管板上的传热管采用全深度液压膨胀，最大限度地防止二回路水进入传热管与管板之间的缝隙;l U型传热管采用镇一铭一铁合金 690 热处理管;l 采用一体化的汽水分离器;3.5 蒸汽发生器AP1000蒸汽发生器的主要技术特点l 蒸汽发生器的U 型传热管采用三角形排列;l 采用椭圆形的一次侧下腔室，便于机器人工具进出和维护保养。3.5 蒸汽发生器AP1000蒸汽发生器的主要技术特点l 采用三叶状孔(梅花孔)支承板，改进了防振条工艺;3.5 蒸汽发生器AP1000蒸汽发生器

18、的主要技术特点l 蒸汽发生器下封头直接与两台反应堆冷却剂泵的壳体相连接。3.5 蒸汽发生器3.5.2 屏蔽电机泵与蒸汽发生器的连接AP1000 设计采用了反应堆冷却剂泵直接置于蒸汽发生器下部的结构。质量超过60t的蒸汽发生器下部球形封头的反应堆冷却剂泵接管嘴直接与两台各重为84t的反应堆冷却剂泵吸入口相接。反应堆冷却剂泵的输出口分别与主管道的冷管段相连接。蒸汽发生器下部球形封头隔室的另一侧与热管段相连接。3.5 蒸汽发生器3.5.2 屏蔽电机泵与蒸汽发生器的支撑蒸汽发生器与反应堆冷却剂泵的组合体的重量由饺型链连接在蒸汽发生器下部球形封头中心的单柱支承件承受，在蒸汽发生器的上部有两组互为90布置

19、的共4 个辅助支承，下部有一个侧向支承。3.6 稳压器3. 6. 2 API000 稳压器的结构与特点稳压器上封头为半球形，与简体等厚。上封头设有一个人孔(安装检修用)、一个喷雾接管、两个安全阀接管; 下封头中央为波动管接管。波动管进口处设置滤网，防止稳压器内杂物进入主系统，同时，可改善由波动管流入水与稳压器水的混合。下封头设置了5组(一个控制、四个后备)直插式电加热器。通常电加热器与其套管之间采用机械密封，便于拆装，有利于实现电加热器元件的单件更换。稳压器下筒体内还设置上下隔板，作为电加热器横向支承。下封头设置了5组(一个控制、四个后备)直插式电加热器。通常电加热器与其套管之间采用机械密封，

20、便于拆装，有利于实现电加热器元件的单件更换。稳压器下筒体内还设置上下隔板，作为电加热器横向支承。3.6 稳压器3. 6. 2 API000 稳压器的结构与特点3.6 稳压器3. 6. 2 API000 稳压器的结构与特点AP1000 稳压器采用了基于成熟技术的传统设计。稳压器容积取值为59.47 时，比相同容量的核电厂的稳压器容积增大了 40% ，这种大容积稳压器增加了瞬态运行余量，可减少反应堆非计划停堆次数，使核电厂能够更加可靠地运行。3.7 反应堆冷却剂泵3. 7. 1 API000 屏蔽电机泵结构 屏蔽电机泵(Canned Motor Pump)由水力部件和电机部件两部分组成。 反应堆冷

21、却剂泵的水力部件主要是由泵壳、叶轮和导叶等零部件组成的混流式泵。泵和电机之间由热屏隔离堆芯冷却剂的高温。 AP1000 反应堆冷却剂泵屏蔽电机是一种专门设计的单绕组、四极、三相、屏蔽套式感应电机，采用60 Hz 电源，经变频器启动和运行。3.7 反应堆冷却剂泵3. 7. 1 API000 屏蔽电机泵结构而AP1000 反应堆冷却剂泵屏蔽电机有上下两个飞轮。于屏蔽电机的损耗较高，冷却措施及温升控制是关键。电机冷却满足设计要求，是实现长期可靠运行的关键。电机绕组的绝缘级别选用“N”级(200) 3.7 反应堆冷却剂泵3. 7. 1 API000 屏蔽电机泵结构AP1000 屏蔽电机泵装有三个轴承，

22、两个径向轴承和一个双向推力轴承，都在电机一侧，轴承采用水润滑方式。在转速达到一定值(20 r/min) 时，轴和轴承之间就会形成水膜，由于水膜的存在，轴和轴承不会受到磨损。从承载条件来看，关键在于推力轴承。 AP1000 屏蔽电机泵轴系质量约12 700 kg，静态时轴系质量作用于双向推力轴承的下表面，运行条件下水力作用于轴上的力是向上的，此时，轴系自重成为平衡载荷，通过改变叶轮平衡孔的尺寸还可以调节转子的轴向力。在泵启停过程中和正常运行时，通过冷却系统使轴承冷却剂温度保持在80以下(检测保护温度为 110 ) ，可以保证或延长轴承的寿命。3.7 反应堆冷却剂泵3. 7. 1 API000 屏

23、蔽电机泵结构为将电机的定子绕组和转子与一回路冷却剂介质完全隔绝开来，设置两个屏蔽套，即定子屏蔽套和转子屏蔽套。屏蔽套材料是耐腐蚀、非磁性金属Hastelloy C276 合金。电机组装后定子屏蔽套和转子屏蔽套之间的问隙为4.83 mm。定子屏蔽套的直径为559 mm，厚度为0.39 mm，直径的公差控制在0.076 mm;屏蔽套只承担密封功能，屏蔽套的背部支承承担其机械力;屏蔽套的背部支承由三部分组成:中段铁芯(包括槽模)以及两端支承筒。上部飞轮组件采用热套装的预应力方法，用外套环将 12 块扇形钨合金固定在不锈钢内轮载上，其外部包有屏蔽套以防止应力腐蚀，最后将飞轮固定在屏蔽电机泵的主轴上。由

24、迷宫式密封(在转子与热屏之间的位置)阻隔泵壳腔内的高温冷却剂和电机腔内的低温冷却剂进行热交换外，电机冷却功能由两个冷却回路来实现:1) 外置热交换器冷却回路。外置热交换器的壳侧为屏蔽电机腔内的反应堆冷却剂水，管侧为设备冷却水，以此来冷却屏蔽电机腔内的反应堆冷却剂水。2) 通过流经电机定子冷却外套的设备冷却水来冷却电机定子绕组发出的热量。通过冷却因路的有效工作使电机腔内的冷却剂温度保持在 80以下，定子绕组中的最高温度不大于 180 ，以此保证绕组绝缘的性能和寿命。3.7 反应堆冷却剂泵3. 7. 2 API000 屏蔽电机泵的主要技术特点(1)支承方式独特:每台蒸汽发生器各有 2 台反应堆冷却

25、剂泵，反应堆冷却剂泵直接与蒸汽发生器的下封头连接。这种结构设计取消了反应堆冷却剂泵与蒸汽发生器之间的冷却剂管道，降低了环路的压降，简化了蒸汽发生器、泵和管道的基座与支承系统。(2) 元轴封元泄漏:反应堆冷却剂泵没有轴密封装置，因而消除了因轴密封失效而导致失水事故的可能性，从而大大提高了安全性，也减少了泵的维修工作量。(3) 转动惯量大:反应堆冷却剂泵电机设置上下两个重鸽合金飞轮，以提高泵的转动惯性，延长了惰走时间，从而在失去电源之后能提供足够的情转流量。(4) 高可靠性维护简便(可实现 60 年免维修) :反应堆冷却剂泵装有三个轴承，两个径向轴承和一个双向推力轴承，都在电机一侧轴承采用水润滑方式，且有同类型、多规格的设计、制造和长年运行经验积累。3.7 反应堆冷却剂泵3. 7. 2 API000 屏蔽电机泵的主要技术特点(5) 整体占用空间小:反应堆冷却剂泵启动时采用变频调速控制装置，可减小低工况时的电机功率，从而减小启动电流，最大限度地缩小电机尺寸。(6) 水力模型优秀:水泵具有较高的水力效率和较好的抗汽蚀性能，在一定程度上弥补了电机效率偏低的缺陷。(7) 辅助系统简化:无上充、泄漏系统和停车密封系统，连锁保护要求及监测点相对减少;整体结构简单、紧凑，零部件较轴封泵减少。(8) 主要缺点:屏蔽电机效率比普通电机低。3.7 反