核動力工程與輻射科學(xué)

核動力工程與輻射科學(xué)（上）匡波bkuang@上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院2012年第三章核電站與反應(yīng)堆(B)3.4核能發(fā)電原理“反應(yīng)堆”-“Pile”,-Reactor

世界第一座鏈?zhǔn)胶肆炎冄b置是費(fèi)米在美國芝加哥大學(xué)的足球場西看臺下建造的，慢化材料采用了石墨，核裂變材料被放在其中，由于石墨被堆成一個堆，故稱為“反應(yīng)堆”。

實際上應(yīng)該稱為又稱為“原子鍋爐”，或“原子爐”。第一個反應(yīng)堆“Pile”核電廠的反應(yīng)堆Reactor“原子鍋爐”能量轉(zhuǎn)換機(jī)械能動力裝置汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)核能電能蒸汽的動能（熱能）核電廠中的能量轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)遞

核能水的熱能蒸汽的熱能葉輪動（機(jī)械）能電能核能如何轉(zhuǎn)變成熱能

冷卻劑的輸熱和熱量釋放燃料芯塊到冷卻劑的熱量傳遞蒸汽的產(chǎn)生蒸汽熱能如何轉(zhuǎn)化成電能

蒸汽在汽輪機(jī)中作功轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電3.3

核裂變反應(yīng)堆原理核裂變反應(yīng)堆原理反應(yīng)堆反應(yīng)堆容器核電站維持自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)的條件易裂變材料fissilematerial

中子neutron

臨界

critical易裂變材料

fissilematerial

燃料棒fuelrod中子

neutron

中子源

裂變產(chǎn)生的中子慢化劑

moderator

使中子慢化的材料冷卻劑coolant從核燃料“取熱”并帶走熱量的介質(zhì)中子吸收材料

neutronabsorbingmaterial控制中子數(shù)量的材料反射層

reflector防止中子泄漏的材料反應(yīng)堆是如何被控制的?維持自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的條件發(fā)生裂變的條件易裂變材料（235U/239Pu/233U

）中子維持裂變的條件－臨界影響裂變速率的因素中子：熱中子、快中子裂變材料的“濃度”（富集度）周圍材料吸收中子的能力維持裂變的條件－臨界

臨界：產(chǎn)生的中子數(shù)=被吸收的中子數(shù)系統(tǒng)內(nèi)中子產(chǎn)生率正好等于中子消失率臨界狀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)中子數(shù)會逐漸減少，裂變量也逐漸降低次臨界狀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的中子多于損失的中子，會使裂變率不斷增加超臨界狀態(tài)臨界質(zhì)量：能使得反應(yīng)堆達(dá)到臨界的燃料裝載方式裂變、吸收、泄漏反應(yīng)堆內(nèi)的中子來源中子源，僅用于啟堆時；裂變，產(chǎn)生中子。中子的利用熱中子：熱中子反應(yīng)堆（熱堆）快中子：快中子增殖堆（快堆）中子的慢化慢化劑中子的吸收裂變；結(jié)構(gòu)材料；冷卻劑；泄漏；控制材料。中子源作用用于提高反應(yīng)堆啟動時的中子通量密度水平，以使源量程核測量儀器能可靠地測出中子通量密度水平，并保證反應(yīng)堆安全啟動組成中子源組件(包括初級源和次級源)；初級源材料為Po-Be源或Cf源，會自發(fā)地發(fā)射出中子，用于反應(yīng)堆首次啟動；次級源棒由不銹鋼包殼、Sb-Be源芯塊和上下端塞組成；Sb-Be源是一種穩(wěn)定源材料，它在反應(yīng)堆運(yùn)行期間吸收中子而活化，隨后釋放出中子，這樣，在反應(yīng)堆低中子通量密度期間(如換料后啟動時)起中子源作用。反應(yīng)堆能實現(xiàn)控制的決定性條件?。×炎儺a(chǎn)生的中子快中子（>0.1MeV）99.3%瞬發(fā)中子0.65%緩發(fā)中子裂變后百萬分之一秒左右放出；能量約在1

2MeV范圍內(nèi)，速度為14000

20000km/s慢中子(<0.1eV)裂變后幾分鐘的時間內(nèi)逐漸釋放出來平均能量約在0.5MeV左右熱中子易發(fā)生裂變的中子－熱中子快中子Fastneutron慢中子慢化劑慢化劑moderator輕水、重水、石墨等常用慢化劑用于使中子減速的材料稱為慢化劑H2OD2O核電站常用的0.025eV慢中子，又稱為熱中子(thermalneutron)碰撞減速1～2MeV0.025eV石墨易裂變材料fissilematerials在任意能量的中子作用下發(fā)生核裂變反應(yīng)，這些核素稱為易裂變核素：鈾-235鈾-233钚-239钚-241在天然鈾中，鈾-235只占約0.72%鈾-238約99.28%鈣鈾云母銅鈾云母慢化劑moderator作用通過“碰撞”使高能中子慢化（減速），主要通過彈性散射反應(yīng)來實現(xiàn)；提高裂變發(fā)生概率。選擇慢化劑的基本條件散射截面（概率）大；吸收截面（概率）小，即不易俘獲中子。常用材料普通水、重水、石墨等。功能流過燃料表面，帶走核裂變產(chǎn)生的熱量（輸熱）；同時使核燃料棒得到冷卻（換熱）。選擇冷卻劑的基本條件傳熱性能好；吸收中子能力??；價廉；最好可以兼作慢化劑：慢化功能好。種類

選擇標(biāo)準(zhǔn)水：普通水（輕水堆）、重水（重水堆）；液態(tài)金屬：

液態(tài)金屬鈉、鈉-鉀合金、鉛-鉍合金（快堆）；氣體：二氧化碳、氦氣（石墨氣冷堆、高溫氣冷堆）。冷卻劑coolant中子吸收材料neutronabsorbingmaterial功能吸收多余的中子調(diào)節(jié)功率停堆選擇吸收材料的基本條件吸收中子能力大調(diào)節(jié)能力強(qiáng)種類控制棒：銀-銦-鎘合金；可燃毒物：三氧化二釓、硼玻璃等；可溶毒物：硼酸。反應(yīng)堆內(nèi)裝載的核燃料足夠產(chǎn)生一年所需的能量，如何控制這些核燃料不是在短時間內(nèi)全部裂變，而是在一段時間（如：一年、18個月）內(nèi)逐漸發(fā)生裂變呢？KEY:控制中子反射層reflector功能將許多逃出堆芯的中子散射回來，以減少中子漏失；使用反射層可以降低易裂變核素的臨界質(zhì)量。選擇反射層材料的基本條件中子散射能力大。種類反射層可以使用和慢化劑同樣的物質(zhì)；在許多商用反應(yīng)堆中，用水作慢化劑和反射層兼作冷卻劑?？刂瓢羧剂辖M件反應(yīng)堆反應(yīng)堆是如何被控制的

核燃料的點火

中子源啟動，發(fā)出自由中子，引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。反應(yīng)堆的停止

大量的中子被可裂變材料以外的材料吸收掉后，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不能延續(xù)反應(yīng)性控制（功率調(diào)節(jié)）

反應(yīng)性控制是指控制反應(yīng)堆偏離臨界的程度

3.4反應(yīng)堆的類型反應(yīng)堆的類型

分類的方法按能量產(chǎn)生的原理分：裂變堆、聚變堆；按冷卻劑種類分：輕水堆、重水堆、氣冷堆、液態(tài)金屬堆、熔鹽堆等；按慢化劑種類分：輕水堆、重水堆、石墨堆；按引起裂變的中子能量分：熱（中子）堆、快（中子）堆；按系統(tǒng)設(shè)計的先進(jìn)性分：第一代、第二代、第三代、第四代反應(yīng)堆；按反應(yīng)堆的用途分：商用電站堆、試驗堆、同位素生產(chǎn)堆、軍用堆、海水淡化堆、供熱堆、陸上堆、船用堆、增殖堆。常見反應(yīng)堆類型

熱中子反應(yīng)堆（0.025～0.1eV）輕水堆LightWaterReactor(LWR)壓水堆PressurizedWaterReactor(PWR)沸水堆BoilingWaterReactor(BWR)石墨慢化輕水冷卻堆（石墨水冷堆）RBMK重水堆

HeavyWaterReactor(HWR，eg.CANDU堆)氣冷堆

Gas-CooledReactor,GCR(石墨氣冷堆；高溫氣冷堆HTGR)

快中子增殖堆（＞1MeV）FastBreederReactor(FBR)鈉冷快堆；鉛冷快堆；氣冷快堆。已有的動力反應(yīng)堆類型水冷堆特點：慢化能力強(qiáng)，傳熱性能好(

)電廠熱能參數(shù)低(x)氣冷堆特點：電廠熱能參數(shù)高(

)慢化能力弱，傳熱性能差(x)快堆特點：燃料利用率高(

)電廠熱能參數(shù)高(

)技術(shù)成熟性較差(x)

水冷堆（中子:

0.025MeV）輕水堆壓水堆沸水堆重水堆

氣冷堆（中子:

0.025MeV）石墨氣冷堆高溫氣冷堆*

快中子增殖堆（中子:＞1MeV

）鈉冷快堆熱堆3.5

反應(yīng)堆基本結(jié)構(gòu)

核電站巡游堆芯核燃料組件控制棒組件和驅(qū)動機(jī)構(gòu)反應(yīng)堆壓力容器和堆內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)核電站巡游蒸汽發(fā)生器反應(yīng)堆汽輪機(jī)安全殼（壓水堆）核電站廠房

安全殼廠房汽機(jī)廠房核輔助廠房

燃料廠房

壓水堆的組成

壓水堆本體結(jié)構(gòu)

堆芯

堆內(nèi)構(gòu)件

壓力容器

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)堆芯的特征

堆芯形狀

圓柱形

方形

堆芯布置

立式

臥式

冷卻劑流道

管束型（eg.PWR/BWR）

排管型（eg.CANDU）

多孔介質(zhì)型（eg.HTGR）

燃料組件

排列形式：正方形、三角形

數(shù)量：15

15

、17

17、8

8等。堆芯

作用

核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的區(qū)域壓水堆本體結(jié)構(gòu)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)堆芯筒體出口接管上封頭下封頭入口接管壓力容器堆芯吊蘭上柵格板堆芯支撐部件圍板下柵格板堆內(nèi)構(gòu)件堆芯(活性區(qū))功能反應(yīng)堆的心臟產(chǎn)生自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)以熱能形式釋放裂變能組成核燃料組件：核燃料是由易裂變核素制成，通常還含有可轉(zhuǎn)變核素；慢化劑：使中子慢化，僅熱中子堆有；控制材料：控制中子數(shù)：控制棒組件；可燃毒物；可溶毒物。冷卻劑：吸收熱量，并帶出堆芯。中子源組件：控制棒燃料組件壓力容器中子源組件的作用：反應(yīng)堆點火之用，以縮短反應(yīng)堆啟動時間，并確保啟動安全壓水堆堆芯堆芯堆腔換料中新堆裝料反應(yīng)堆的組成燃料芯塊控制棒燃料組件安置核材料的物體—燃料棒；冷卻燃料棒和帶走能量的載體—冷卻劑；使中子慢化的物體—慢化劑；控制中子數(shù)量，即控制功率的物體—控制棒。冷卻劑（慢化劑）人口控制棒控制棒組件燃料芯塊燃料棒燃料組件燃料組件燃料芯塊功能含裂變材料的混合物體燃料的鈾-235含量低濃縮鈾：鈾-235的富集度為2~5％（壓水堆)天然鈾：鈾-235的富集度為0.72％（重水堆）中等濃縮鈾：鈾-235的富集度為12~30％（快堆)(钚：由鈾-238吸收中子產(chǎn)生)芯塊材料和結(jié)構(gòu)材料金屬鈾鈾混合物粉末燒結(jié)成的二氧化鈾陶瓷芯塊（PWR等）陶瓷燃料和耐高溫的石墨結(jié)構(gòu)材料（HTGR）鈾、钚混合氧化物燃料（MOX燃料）含裂變材料鈾-235的含量每個陶瓷芯塊為直徑約1cm，高度約1cm圓柱體壓水堆燃料

裂變物質(zhì)：U235

燃料富集度：2~5%

物理形態(tài)：UO2陶瓷核燃料U235U238壓水堆燃料組件燃料棒的排列15×15或17×17棒束長:約3~4m燃料棒的排列：15×15或17×17燃料元件與燃料組件燃料元件燃料組件堆芯燃料布置快堆GG1G1G1G1G2G2G2G2G2G2G2G2N1N1N1N1N1N1N1N1N2N2N2N2N2N2N2N2RRRRRRRRSSSSSSSSSSSSSSSSS壓水堆（熱堆）堆內(nèi)構(gòu)件

Internals堆芯吊蘭上柵格板下柵格板堆芯支撐部件圍板

作用：承載、定位、分隔/導(dǎo)向流體。

組成：上部組件（壓緊組件）；下部組件（吊蘭組件）。壓力容器

PressureVessel

用于放置堆芯及對內(nèi)構(gòu)件；

防止放射性物質(zhì)外逸的承壓設(shè)備；

在核電站的壽期中一般“永不更換”。壓力容器控制棒組件控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)

功能控制反應(yīng)堆中的中子數(shù)；調(diào)節(jié)功率；終止核裂變反應(yīng)。

控制材料類型控制棒

銀-銦-鎘合金材料，可移動。硼酸溶液——化學(xué)補(bǔ)償控制

通過改變?nèi)苡诶鋮s劑中硼酸濃度來補(bǔ)償慢的反應(yīng)性變化?？刂瓢艚M件驅(qū)動桿控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)

ControlRodDriveMechanism,CRDM作用使控制棒上下運(yùn)動或保持在某一高度的機(jī)電結(jié)構(gòu)類型磁力提升式（核電站）磁阻馬達(dá)式（潛艇）組成驅(qū)動桿部件鉤爪部件耐壓殼部件磁軛部件棒位指示部件控制棒組件及控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制棒組件控制棒導(dǎo)向管功能和要求控制反應(yīng)堆中的中子數(shù)量；控制中子數(shù)量的材料叫做控制材料或稱中子吸收體，被放在燃料棒束之間；使用吸收中子能力很大的材料；調(diào)節(jié)功率；終止核裂變反應(yīng)?？刂撇牧项愋涂刂瓢翥y-銦-鎘合金材料，可移動可燃毒物固定在堆內(nèi)用于在反應(yīng)堆裝料初期吸收中子硼酸溶液可緩慢地調(diào)節(jié)中子的濃度控制棒與控制材料控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)功能流過燃料表面，帶走核裂變產(chǎn)生的熱量同時使核燃料棒得到冷卻通過換熱器（蒸汽發(fā)生器，SG）將熱量傳個其他回路名稱反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)

reactorcoolantsystem(RCS)核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)

nuclearsteamsupplysystem(NSSS)一回路系統(tǒng)

primarysystem組成冷卻劑

coolant冷卻劑管道

coolantpipe反應(yīng)堆冷卻劑泵

reactorcool