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文檔簡介

1、熱堆的概念中子打入鈾一235的原于核以后,原子核就變得不穩(wěn)定,會分裂成兩個較小質(zhì)量的新原子核,這是核的裂變反應,放出的能量叫裂變能;產(chǎn)生巨大能量的同時,還會放出23個中子和其它射線。 這 些中子再打入別的鈾一235核,引起新的核裂變,新的裂變又產(chǎn)生新的中子和裂變能,如此不斷持續(xù)下去, 就形成了鏈式反應利用原子核反應原理建造的反應堆需將裂變時釋放出的中子減速后,再引起新的核 裂變,由于中子的運動速度與分子的熱運動達到平衡狀態(tài),這種中子被稱為熱中子。堆內(nèi)主要由熱中子引 起裂變的反應堆叫做熱中子反應堆(簡稱熱堆)。熱中子反應堆,它是用慢化劑把快中子速度降低,使之成為熱中子(或稱慢中子),再利用熱中子

2、來進行鏈式反應的一種裝置。由于熱中子更容易引起鈾一 235等裂變,這樣,用少量裂變物質(zhì)就可獲得鏈式裂變反應。慢化劑是一些含輕元素而又吸收中子少的物 質(zhì),如重水、鈹、石墨、水等。熱中子堆一般都是把燃料元件有規(guī)則地排列在慢化劑中,組成堆芯。鏈式 反應就是在堆芯中進行的。反應堆必須用冷卻劑把裂變能帶出堆芯。冷卻劑也是吸收中子很少的物質(zhì)。 熱中子堆最常用的冷卻劑是輕水(普通水)、重水、二氧化碳和氦氣。核電站的內(nèi)部它通常由一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)組成。反應堆是核電站的核心。反應堆工作時放出的熱能,由一回路系統(tǒng)的冷卻劑帶出, 用以產(chǎn)生蒸汽。因此,整個一回路系統(tǒng)被稱為“核供汽系統(tǒng)”,它相當于火電廠的鍋爐系統(tǒng)。

3、為了確保安 全,整個一回路系統(tǒng)裝在一個被稱為安全殼的密閉廠房內(nèi),這樣,無論在正常運行或發(fā)生事故時都不會影 響安全。由蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電的二回路系統(tǒng),與火電廠的汽輪發(fā)電機系統(tǒng)基本相同。輕水 堆一一壓水堆電站 自從核電站問世以來,在工業(yè)上成熟的發(fā)電堆主要有以下三種:輕水堆、重水堆和 石墨汽冷堆。它們相應地被用到三種不同的核電站中,形成了現(xiàn)代核發(fā)電的主體。目前,熱中子堆中的大多數(shù)是用輕水慢化和冷卻的所謂輕水堆。輕水堆又分為壓水堆和沸水堆。壓水堆核電站壓水堆核 電站的一回路系統(tǒng)與二回路系統(tǒng)完全隔開,它是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。該核電站的原理流程為:主泵將高 壓冷卻劑送入反應堆,一般冷卻劑保持在1

4、20160個大氣壓。在高壓情況下,冷卻劑的溫度即使300C多 也不會汽化。冷卻劑把核燃料放出的熱能帶出反應堆,并進入蒸汽發(fā)生器,通過數(shù)以千計的傳熱管,把熱 量傳給管外的二回路水,使水沸騰產(chǎn)生蒸汽;冷卻劑流經(jīng)蒸汽發(fā)生器后,再由主泵送入反應堆,這樣來回 循環(huán),不斷地把反應堆中的熱量帶出并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生蒸汽。從蒸汽發(fā)生器出來的高溫高壓蒸汽,推動汽輪發(fā)電 機組發(fā)電。做過功的廢汽在冷凝器中凝結(jié)成水,再由凝結(jié)給水泵送入加熱器,重新加熱后送回蒸汽發(fā)生器。 這就是二回路循環(huán)系統(tǒng)。壓水堆由壓力容器和堆芯兩部分組成。壓力容器是一個密封的、又厚又重的、高達數(shù)十米的圓筒形大鋼殼,所用的鋼材耐高溫高壓、耐腐蝕,用來推動汽輪機

5、轉(zhuǎn)動的高溫高壓蒸汽就在 這里產(chǎn)生的。在容器的頂部設置有控制棒驅(qū)動機構(gòu),用以驅(qū)動控制棒在堆芯內(nèi)上下移動。堆芯是反應堆的心臟,裝在壓力容器中間。它是燃料組件構(gòu)成的。正如鍋爐燒的煤塊一樣,燃料芯塊是核電站“原子 鍋爐”燃燒的基本單元。這種芯塊是由二氧化鈾燒結(jié)而成的,含有24%的鈾一 235,呈小圓柱形,直徑為 9.3毫米。把這種芯塊裝在兩端密封的錯合金包殼管中,成為一根長約4米、直徑約10毫米的燃料元件棒。 把200多根燃料棒按正方形排列,用定位格架固定,組成燃料組件。每個堆芯一般由121個到193個組件 組成。這樣,一座壓水堆所需燃料棒幾萬根,二氧化鈾芯塊1千多萬塊堆芯。此外,這種反應堆的堆芯還

6、有控制棒和含硼的冷卻水(冷卻劑)??刂瓢粲勉y錮鎘材料制成,外面套有不銹鋼包殼,可以吸收反應堆 中的中子,它的粗細與燃料棒差不多。把多根控制棒組成棒束型,用來控制反應堆核反應的快慢。如果反 應堆發(fā)生故障,立即把足夠多的控制棒插入堆芯,在很短時間內(nèi)反應堆就會停止工作,這就保證了反應堆 運行的安全。輕水堆一一沸水堆電站 沸水堆核電站沸水堆核電站工作流程是:冷卻劑(水)從堆芯 下部流進,在沿堆芯上升的過程中,從燃料棒那里得到了熱量,使冷卻劑變成了蒸汽和水的混合物,經(jīng)過 汽水分離器和蒸汽干燥器,將分離出的蒸汽來推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。沸水堆是由壓力容器及其中間的燃料元件、十字形控制棒和汽水分離器等組成。汽

7、水分離器在堆芯的上部,它的作用是把蒸汽和水滴分 開、防止水進入汽輪機,造成汽輪機葉片損壞。沸水堆所用的燃料和燃料組件與壓水堆相同。沸騰水既作 慢化劑又作冷卻劑。沸水堆與壓水堆不同之處在于冷卻水保持在較低的壓力(約為70個大氣壓)下,水通過堆芯變成約285C的蒸汽,并直接被引入汽輪機。所以,沸水堆只有一個回路,省去了容易發(fā)生泄漏的蒸汽發(fā)生器,因而顯得很簡單??傊?,輕水堆核電站的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和運行都比較簡單,尺寸較小,造價也低廉,燃料也比較經(jīng)濟,具有良好的安全性、可靠性與經(jīng)濟性。它的缺點是必須使用低濃鈾, 目前采用輕水堆的國家,在核燃料供應上大多依賴美國和獨聯(lián)體。此外,輕水堆對天然鈾的利用率低。

8、如 果系列地發(fā)展輕水堆要比系列地發(fā)展重水堆多用天然鈾50%以上。從維修來看,壓水堆因為一回路和蒸 汽系統(tǒng)分開,汽輪機未受放射性的沾污,所以,容易維修。而沸水堆是堆內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽直接進入汽輪機, 這樣,汽輪機會受到放射性的沾污,所以在這方面的設計與維修都比壓水堆要麻煩一些。重水堆核電站 重水堆按其結(jié)構(gòu)型式可分為壓力殼式和壓力管式兩種。壓力殼式的冷卻劑只用重水,它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料比 壓力管式少,但中子經(jīng)濟性好,生成新燃料钚一239的凈產(chǎn)量比較高。這種堆一般用天然鈾作燃料,結(jié)構(gòu) 類似壓水堆,但因柵格節(jié)距大,壓力殼比同樣功率的壓水堆要大得多,因此單堆功率最大只能做到30萬 千瓦。因為管式重水堆的冷卻劑不受

9、限制,可用重水、輕水、氣體或有機化合物。它的尺寸也不受限制,雖然壓力管帶來了伴生吸收中子損失,但由于堆芯大,可使中子的泄漏損失減小。此外,這種堆便于 實行不停堆裝卸和連續(xù)換料,可省去補償燃耗的控制棒。壓力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷 卻和重水慢化、沸騰輕水冷卻兩種反應堆。這兩種堆的結(jié)構(gòu)大致相同。(1)重水慢化,重水冷卻堆核電站這種反應堆的反應堆容器不承受壓力。重水慢化劑充滿反應堆容器,有許多容器管貫穿反應堆容器, 并與其成為一體。在容器管中,放有錯合金制的壓力管。用天然二氧化鈾制成的芯塊,被裝到燃料棒的錯 合金包殼管中,然后再組成短棒束型燃料元件。棒束元件就放在壓力管中,它借助支承墊可在

10、水平的壓力 管中來回滑動。在反應堆的兩端,各設置有一座遙控定位的裝卸料機,可在反應堆運行期間連續(xù)地裝卸燃 料元件。這種核電站的發(fā)電原理是:既作慢化劑又作冷卻劑的重水,在壓力管中流動,冷卻燃料。像壓水堆那樣,為了不使重水沸騰,必須保持在高壓(約90大氣壓)狀態(tài)下。這樣,流過壓力管的高溫(約 300C )高壓的重水,把裂變產(chǎn)生的熱量帶出堆芯,在蒸汽發(fā)生器內(nèi)傳給二回路的輕水,以產(chǎn)生蒸汽,帶 動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。(2)重水慢化、沸騰輕水冷卻堆核電站 這種堆是英國在壩杜堆(重水慢化、重水冷卻堆)的基礎上發(fā)展起來的。加拿大所設計的重水慢化重水冷卻反應堆的容器和壓力管都是水平布 置的。而重水慢化沸騰輕水冷卻

11、反應堆都是垂直布置的。它的燃料管道內(nèi)流動的輕水冷卻劑,在堆芯內(nèi)上 升的過程中,引起沸騰,所產(chǎn)生的蒸汽直接送進汽輪機,并帶動發(fā)電機。因為輕水比重水吸收中子多,堆芯用天然鈾作燃料就很難維持穩(wěn)定的核反應,所以,大多數(shù)設計都在燃料中加入了低濃度的鈾一235或 钚一239。重水堆的突出優(yōu)點是能最有效地利用天然鈾。由于重水慢化性能好,吸收中子少,這不僅可直接用天然鈾作燃料,而且燃料燒得比較透。重水堆比輕水堆消耗天然鈾的量要少,如果采用低濃度鈾, 可節(jié)省天然鈾38%。在各種熱中子堆中,重水堆需要的天然鈾量最小。此外,重水堆對燃料的適應性強, 能很容易地改用另一種核燃料。它的主要缺點是,體積比輕水堆大。建造費

12、用高,重水昂貴,發(fā)電成本也 比較高。石墨氣冷堆核電站 所謂石墨氣冷堆就是以氣體(二氧化碳或氦氣)作為冷卻劑的反應堆。這 種堆經(jīng)歷了三個發(fā)展階段,產(chǎn)生了三種堆型:天然鈾石墨氣冷堆、改進型氣冷堆和高溫氣冷堆。(1)天然鈾石墨氣冷堆核電站天然鈾石墨氣冷堆實際上是天然鈾作燃料,石墨作慢化劑,二氧化碳作冷卻劑 的反應堆。這種反應堆是英、法兩國為商用發(fā)電建造的堆型之一,是在軍用钚生產(chǎn)堆的基礎上發(fā)展起來的, 早在1956年英國就建造了凈功率為45兆瓦的核電站。因為它是用鎂合金作燃料包殼的,英國人又把它稱 為鎂諾克斯堆。該堆的堆芯大致為圓柱形,是由很多正六角形棱柱的石墨塊堆砌而成。在石墨砌體中 有許多裝有燃料

13、元件的孔道。以便使冷卻劑流過將熱量帶出去。從堆芯出來的熱氣體,在蒸汽發(fā)生器中將 熱量傳給二回路的水,從而產(chǎn)生蒸汽。這些冷卻氣體借助循環(huán)回路回到堆芯。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽被送 到汽輪機,帶動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。這就是天然鈾石墨氣冷堆核電站的簡單工作原理。這種堆的主要優(yōu)點是用天然鈾作燃料,其缺點是功率密度小、體積大、裝料多、造價高,天然鈾消耗量遠遠大于其他堆。 現(xiàn)在英、法兩國都停止建造這種堆型的核電站。(2)改進型氣冷堆核電站改進型氣冷堆是在天然鈾石墨氣冷堆的基礎上發(fā)展起來的。設計的目的是改進蒸汽條件,提高氣體冷卻劑的最大允許溫度。這種堆, 石墨仍然為慢化劑,二氧化碳為冷卻劑,核燃料用的是低濃度鈾(

14、鈾一235的濃度為2-3%),出口溫度可達670C。它的蒸汽條件達到了新型火電站的標準,其熱效率也可與之相比。這種堆被稱為第二代氣冷堆,英國建造了這種堆,由于存在不少工程技術(shù)問題,對其經(jīng)濟性多年來爭論不休,得不出定論,所以前 途暗淡。(3)高溫氣冷堆高溫氣冷堆被稱為第三代氣冷堆,它是石墨作為慢化劑,氦氣作為冷卻劑的堆。這里所說的高溫是指氣體的溫度達到了較高的程度。因為在這種反應堆中,采用了陶瓷燃料和耐高溫的石墨結(jié)構(gòu)材料,并用了惰性的氦氣作冷卻劑,這樣,就把氣體的溫度提高到750C以上。同時, 由于結(jié)構(gòu)材料石墨吸收中子少,從而加深了燃耗。另外,由于顆粒狀燃料的表面積大、氦氣的傳熱性好和 堆芯材料耐高溫,所以改善了傳熱性能,提高了功率密度。這樣,高溫氣冷堆成為一種高溫、深燃耗和高 功率密度的堆型。它的簡單工作過程是,氦氣冷卻劑流過燃料體之間,變成了高溫氣體;高溫氣體通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽,蒸汽帶動汽輪發(fā)電

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