第二章 核电站工作原理 及系统组成宋长华1 1一、核电站工作原理 1、什么叫核电站？n核电站就是利用一座或若干座动力反应堆 所产生的热能来发电或发电兼供热的动力 设施。反应堆是核电站的关键设备，链式 裂变反应就在其中进行。n将原子核裂变释放的核能转换成热能 ，再转变为电能的系统和设施，通常 称为核电站。2 2一、核电站工作原理2、核电站工作原理 n核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料 在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量 热能，再用处于高压力下的水把热能带出 ，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽 轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断 地产生出来，并通过电网送到四面八方。 核电站工作流程原理1 ；图23 3二、核电站类型n目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆 、沸水堆、重水堆和改进型气冷堆以及快 堆等。但用的最广泛的是压水反应堆。压 水反应堆是以普通水作冷却剂和慢化剂， 它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、 最成功的动力堆堆型。n压水堆核电站占全世界核电总容量的60% 以上。4 4二、核电站类型 1、压水堆核电站 -以压水堆为热源的核电站。图n它主要由核岛和常规岛组成。n压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发 生器、稳压器、主泵和堆芯。n在核岛中的系统设备主要有压水堆本体， 一回路系统，以及为支持一回路系统正常 运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统 。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统 ，其形式与常规火电厂类似。 5 5二、核电站类型2、沸水堆核电站 -以沸水堆为热源的核电站。图n沸水堆是以沸腾轻水 为慢化剂和冷却剂并在反 应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆。n沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑 、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等 优点。它们都需使用低富集铀作燃料。n沸水堆核电站系统有：主系统（包括反应堆） ；蒸汽-给水系统；反应堆辅助系统等。6 6二、核电站类型3、重水堆核电站 图n以重水堆为热源的核电站。重水堆是以重 水作慢化剂的反应堆，可以直接利用天然 铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水作 冷却剂，重水堆分压力容器式和压力管式 两类。n重水堆核电站是发展较早的核电站，有各 种类别，但已实现工业规模推广的只有加 拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆核 电站。7 7二、核电站类型4、快堆核电站 图n由快中子引起链式裂变反应所释放出 来的热能转换为 电能的核电站。快堆在运行中既消耗裂变材料，又生 产新裂变材料，而且所产可多于所耗，能实现核裂变 材料的增殖。 n目前，世界上已商业运行的核电站堆型，如压水堆、 沸水堆、重水堆、石墨气冷堆等都是非增殖堆型，主 要利用核裂变燃料，即使再利用转换出来的钚-239等 易裂变材料，它对铀资源的利用率也只有12， 但在快堆中，铀-238原则上都能转换成钚-239而得以 使用，但考虑到各种损耗，快堆可将铀资源的利用率 提高到6070。 8 8二、核电站类型n世界上目前建造核电站情况 n核电自50年代中期问世以来，目前已取得长足 的发展。到1999年中期，世界上共有436座发电 用核反应堆在运行，总装机容量为350676兆瓦 。正在建造的发电反应堆有30座，总装机容量 为21642兆瓦。n目前世界上有33个国家和地区有核电厂发电， 核发电量占世界总发电量的17，其中有十几 个国国家和地区核电发电量超过各种的总发电 量的四分之一，有的国家超过70。据资料估 计，到2005年核电厂装机容量将达到388567兆 瓦9 9三、核反应堆介绍 n核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从 而实现核 能热能转换的装置。核反应堆结构图 1、核反应堆类型 （1）根据用途，核反应堆可以分为以下几种类型 将中子束用于实验或利用中子束的核 反应，包括 研究堆、材料实验等。生产放射性同位素的核反 应堆。生产核裂变物质的核反应堆，称为生产堆 。提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反 应堆，比如多目的堆。为发电而发生热量的核反 应，称为发电堆。用于推进船舶、飞机、火箭等 到的核反应堆，称为推进堆。 （2）根据燃料类型分为天然气铀堆、浓缩铀堆、钍 堆； （3）根据中子能量分为快中子堆和热中子堆； 1010三、核反应堆介绍 1、核反应堆类型 （4）根据冷却剂(载热剂)材料分为水冷堆、气冷 堆、有机液冷堆、液态金属冷堆； （5）根据慢化剂(减速剂)分为石墨堆、重水堆、 压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆； （6）根据中子通量分为高通量堆和一般能量堆 ； （7）根据热工状态分为沸腾堆、非沸腾堆、压 水堆； （8）根据运行方式分为脉冲堆和稳态堆，等等 。核反应堆概念上可有900多种设计，但现实上 非常有限。1111三、核反应堆介绍2、核反应堆的工作原理 n原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子 与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子 轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两 个质量较小的原子核，同时放出23个中子。 这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子 核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的 链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水( 或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧 毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气 轮机发电。n核反应堆的合理结构应该是：核燃料慢化剂 热载体控制设施防护装置。 1212三、核反应堆介绍 3、核反应堆具有哪些用途n核裂变时既释放出大量能量、又释放出大量中子。 核反应堆有许多用途，但归结起来，一是利用裂变 核能，二是利用裂变中子。n核能主要用于发电，但它在其它方面也有广泛的应 用。例如核能供热、核动力等。n核供热是一种前途远大的核能利用方式。清华大学 在五兆瓦的低温供热堆上已经进行过成功的试验。n核供热的另一个潜在的大用途是海水淡化。 n它可作为火箭、宇宙飞船、人造卫星、潜艇、航空 母舰等的特殊动力。将来核动力可能会用于星际航 行。 1313四、核能是清洁的能源 n目前环境污染问题大部分是由使用化石燃料引 起的，化石燃料燃烧会放出大量的烟尘、二氧 化碳、二氧化硫、氮氧化物等，由二氧化碳等 有害气体造成的“温室效应”，将使地球气温升 高，会造成气候异常，加速土地沙漠化过程， 给社会经济的可持续发展带来灾难性的影响， 核电站并不排放这些有害物质，不会造成“温室 效应”，与火电厂相比，它能大大改善环境质量 ，保护人类赖以生存的生态环境等 。n核电站是安全、经济、干净的能源，与火电站 相比，更有利于保护环境 。1414核电厂和火电厂对环境影响的比较（电功率100兆瓦） 居民受到 的辐射 剂量 氧化硫排 放量（吨 /年） 烟灰和殊 物质（吨 /年） 氧化氮排 放量 （ 吨/年） 危害健康 的 相对指数 燃煤发 电厂 0.048 46000- 127500 3500 26250- 30000 SO：32000 NOx：4530 烟灰：1100 压水堆核 电站： 0.018 000氪氙 1 磷 20 1515四、核电站是经济的能源 n世界上有核电国家的多年统计资料表明， 虽然核电站的比投资高于燃煤电厂，但是 ，由于核燃料成本显著地低于燃煤成本， 以及燃料是长期起作用的因素，这就使得 目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。 1616六、核能是可持续发展的能源 n世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约 275万吨。这些裂变燃料足够使用到聚变能时代 。聚变燃料主要是氘和锂，海水中氘的含量为 0.034克/升，据估计地球上总的水量约为138亿 亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，地球上 的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足 够人类在聚变能时代使用。n按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子 核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。因 此，有些能源专家认为，只要解决了核聚变技 术，人类就将从根本上解决了能源问题。 1717八、核电站在设计上所采取的安全措施 1、四重屏障： n裂变产生的放射性物质 90以上滞留于燃 料芯块中；n密封的燃料包壳；图 n坚固的压力容器和密闭的回路系统；图n能承受内压的安全壳。图1818八、核电站在设计上所采取的安全措施2、多重保护：n在出现可能危及设备和人身的情况时，n进行正常停堆； n因任何原因未能正常停堆时，控制棒自动 落入堆内，实行自动紧急停堆；n 如任何原因 使控制棒未能插入，高浓度 硼酸水自动喷入堆内，实现自动紧急停堆 。 1919八、核电站在设计上所采取的安全措施3. 核电厂在管理方面采取的安全措施n核电厂有着严密的质量保证体系，对选址、设 计、建造、调试和运行等各个阶段的每一项具 体活动都有单项的质量保证大纲。n 另外，还实行内部和外部监查制度，监督检查 质量保证大纲的实施情况和是否起到应有的作 用。另外对参加核电厂工作的人员的选择、培 训、考核和任命有着严格的规定。领取操纵员 执照，然后才能上岗，还要进行定期考核，不 合格者将被取消上岗资格。2020八、核电站在设计上所采取的安全措施4、核电厂发生自然灾害时，它能安全停闭n在核电厂设计中，始终把安全放在第一位，在设计 上考虑了当地可能出现的最严重的地震、海啸、热 带风暴、洪水等自然灾害,即使发生了最严重的自 然灾害,反应堆也能安全停闭，不会对当地居民和 自然环境造成危害。n 在核电厂设计中甚至还考虑了厂区附近的堤坝坍塌 、飞机附毁、交通事故和化工厂事故之类的事件， 例如一架喷气式飞机在厂区上空坠毁，而且碰巧落 到反应堆建筑物上，设计要求这时反应堆还是安全 的。 2121八、核电站在设计上所采取的安全措施5、核电站的纵深防御措施 n核电站的设计、建造和运行，采用了纵深防御的原则，从设 备上和措施上提供多层次的重叠保护，确保放射性物质能有 效地包容起来不发生泄漏。纵深防御包括以下五道防线：n第一道防线：精心设计，精心施工，确保核电站的设备精良 。有严格的质量保证系统，建立周密的程序，严格的制度和 必要的监督，加强对核电站工作人员的教育和培训，使人人 关心安全，人人注意安全，防止发生故障。 n第二道防线：加强运行管理和监督，及时正确处理不正常情 况，排除故障。 n第三道防线：设计提供的多层次的安全系统和保护系统，防 止设备故障和人为差错酿成事故。 n第四道防线：启用核电站安全系统，加强事故中的电站管理 ，防止事故扩大。 n第五道防线：厂内外应急响应计划，努力减轻事故对居民的 影响。2222八、核电站在设计上所采取的安全措施6、核电站废物严格遵照国家标准，对人民生活不会产 生有害影响 n核电厂的三废治理设施与主体工程同时设计，同时 施工，同时投产，其原则是尽量回收，把排放量减 至最小，核电厂的固体废物完全不向环境排放，放 射性液体废物转化为固体也不排放；像工作人员淋 浴水、洗涤水之类的低放射性废水经过处理、检测 合格后排放；气体废物经过滞留衰变和吸附，过滤 后向高空排放。n 核电厂废物排放严格遵照国家标准，而实际排放 的放射性物质的量远低于标准规定的允许值。所以 ，核电厂不会对给人生活和工农业生产带来有害的 影响。2323九、核电站系统 1、核电站系统（三个回路）图1；图2；图3n一回路：反应堆冷却剂（硼水）在主泵的驱动下进入 反应堆，流经堆芯后从反应堆容器的出口管流出，进 入蒸汽发生器，然后回到主泵，这就是反应堆冷却剂 的循环流程（亦称一回路流程）。n二回路：在循环流动过程中，反应堆冷却剂从堆芯带 走核反应产生的热量，并且在蒸汽发生器中，在实体 隔离的条件下将热量传递给二回路的水。二回路水被 加热，生成蒸汽，蒸汽再去驱动汽轮机，带动与汽轮 机同轴的发电机发电。n三回路：作功后的乏蒸汽在冷凝器中被海水或河水、 湖水冷却水（三回路水）冷凝为水，再补充到蒸汽发 生器中。以海水为介质的三回路的作用是把乏蒸汽冷 凝为水，同时带走电站的弃热。 2424九、核电站系统2、核电站主要设备 n核反应堆 n蒸汽发生器 n稳压器 n主冷却剂泵