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1、核岛知识介绍,浙江火电三门核电项目质保部,浙江省火电建设公司三门核电项目部,内容,核反应基本原理 核反应相关因素 核反应堆基本结构 常见核反应堆类型 核岛系统介绍,浙江省火电建设公司三门核电项目部,核反应基本原理,原子结构 万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。目前，人们已知一百多种元素，原子是由原子核和电子构成。原子核由质子和中子构成，电子带负电荷,原子核带正电,原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。原子核的限度只有几十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度高达108t.cm-3,浙江省火电建设公司三门核电项目部,原子核结构
2、,原子核由质子和中子组成的 。中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子. 任何一个原子核都可以由符号AZXN表示，N是核内中子数，Z是核内质子数或电荷数，A是核内的核子数或核的质量数，X是该原子核对应的元素符号。事实上，只要元素符号X确定后，该元素的电荷数就已经确定，所以符号A XN足以表示一个特定的核。 中子数和质子数都相同的原子核称为一种核素。具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。16O,17O,18O的天然丰度比是：99.756%、0.039%、0.205%。寿命较长的激发态原子核称为基态原子核的同质异能素或同核异能素。同质异能素所处的能态又称同质异能态，如：87mSr
3、，87Sr。 水H2O (氢同位素氕，氘，氚 H D T 重水 D2O 氧化氘) 根据原子核的稳定性，可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在密切的关系。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,原子核与原子能,E=mc2称为质能关系式， 也就是质能联系定律 。 原子核的质量亏损为组成原子核的质子和中子的质量与该原子核的质量之差。从原子核的质量亏损的定义可以明确的看出，所有的核都存在质量亏损，即m（Z,A）0。 m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) ，其中 m（Z,A）为电荷数为、质量数为的原子核的质量 。 既然原子核的质量亏损m（
4、Z,A）0 ，由质能关系式，那么相应能量的减少就是 E=mc2 0 。这表明核子结合成原子核时，会释放出能量，这个能量称之为结合能。 一个中子和一个质子组成氘核时，会释放一部分能量2.225MeV, 这就是氘的结合能。它已为精确的实验测量所证明。实验还证实了它的逆过程：当有能量为2.225MeV的光子照射氘核时, 氘核将一分为两, 飞出质子和中子。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,原子核与原子能,当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松的核变到结合得紧的核，就会释放能量。 从比结合能曲线可以看出,有两个途径可以获得能量： 重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核； 轻核聚变，即两个
5、轻核融合为一个较重质量的核。 人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子 弹，依靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变反应。 所谓原子能，主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,核反应,核反应是由以一定能量的入射粒子轰击靶核的方式引起的。入射粒子可以是质子、中子、光子、电子、各种介子以及原子核等。当入射粒子与核距离接近到fm(10-15m)时，两者之间的相互作用就会引起原子核的各种变化，因而，核反应是产生不稳定核的最重要的手段。 核反应实际上研究两类问题：一是研究在能量、动量等守恒的前提下，核反应能否发生。二是研究参加反应的各粒子间的相互作用
6、机制并进而研究核反应发生的概率的大小。 核反应可表示为 ： a + A b + B 或 A (a, b) B。 a, A, b和B分别代表入射粒子、靶核、出射轻粒子和剩余核。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,核反应,中子核反应：中子与核作用时, 由于不存在库仑势垒, 能量很低的慢中子就能引起核反应, 其中最重要的是热中子辐射俘获（n，） ，很多重要的人工放射性核素使用（n，）反应制备的 。 核反应的反应能定义为反应前后系统动能的变化量 。 对核反应a + A b + B，反应能Q=mc2，式中m为反应前后的质量亏损。同样，可以用相应粒子的原子质量表示反应能Q=(Ma+MA )c2 - (Mb
7、+MB )c2 。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,核裂变,诱发裂变中，中子诱发裂变是最重要的、也是研究最多的诱发裂变。由于中子与靶核没有库仑势垒，能量很低的中子就可进入核内使其激发而发生裂变。裂变过程又有中子发射，可能形成链式反应，这也是中子诱发裂变受到关注的原因。以235U(n,f)反应为例， 热中子(即入射中子能量为0.0253eV)即可产生诱发裂变: n+ 235U236U*X+Y+n。 235U吸收一个热中子每次裂变平均放出的裂变能约为195MeV。 热中子核裂变：仍以235U为例 ，其中热中子动能Tn=0.0253eV，所以，复合核的激发能为E*=BnX=6.545MeV，它大于
8、236U的位垒高度Eb=5.9MeV,所以，热中子即可诱发裂变。此外，233U和239Pu(钚)也能由热中子引起裂变，这些核称为易裂变核。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,核裂变,阈能核裂变：以238U为例， 若仍以热中子轰击，239U*的激发能为E*=BnX=4.806MeV ， 但239U的位垒高度Eb=6.2MeV，这说明裂变核的激发能比其裂变位垒高度低,不容易发生裂变。 但是如果入射的不是热中子，而是入射En=Tn1.4MeV的快中子时， 则239U*的能量状态提高到势垒顶部，就可以立即产生裂变。因此En=1.4MeV就是238U产生诱发裂变的阈能。除238U外，还有232Th等，称
9、为不易裂变核(或可裂变核)。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,核裂变,浙江省火电建设公司三门核电项目部,原子核链式反应,原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应 。 1千克铀-235的全部核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量(足以让20兆瓦的发电站运转1,000小时)，与燃烧300万吨煤释放的能量一样多 。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,原子核链式反应,核裂变： 23592U(铀原子)+1N0(中子)X1(碎片)+X2(碎片)+2.431N0(中子)+E
10、其中，E200 MeV，裂变能是在燃料元件内释放出来的， 平均值 2.431N099.35瞬发中子+0.65缓发中子， 5左右的裂变能是在慢化剂中释放出来的，不足5的裂变能是在反射层和热屏蔽层中释放出来的。 AP100O核电厂堆芯功率为3400MW， NSSS输出热功率为3415MW，其中有15MW是主泵的贡献,浙江省火电建设公司三门核电项目部,几个概念,慢化 快中子通过碰撞减缓为中能中子、热中子的过程 慢化剂 核燃料裂变反应释放的中子为快中子，而在热中子或中能中子反应堆中要应用慢化中子维持链式反应，慢化剂就是用来将快中子能量减少，使之慢化成为中能中子或热中子的物质 。 冷却剂 带载堆内产生的
11、核裂变能到堆外热力系统的工作介质。 氙毒135Xe 核裂变的中间产物，具有极强的中子吸收能力,浙江省火电建设公司三门核电项目部,中子核反应反应性控制,中子的慢化 核燃料原子核裂变时放出的中子平均能量达到2MeV，最大能量可达10MeV 反应堆常用的慢化剂：轻水、重水、石墨和铍 轻水慢化能力大，慢化比小，必须用浓缩铀建反应堆，堆芯体积小 重水、石墨慢化能力比轻水小，慢化比大，可用天然铀建临界反应堆，反应堆体积比轻水堆大得多 U238共振吸收中能中子，逃脱共振吸收几率 与慢化介质原子核处于热平衡状态的中子为热中子 20 oC， v=2200m/s, E=0.0253eV 2MeV的裂变中子，慢化到
12、1eV，平均与水碰撞18次 慢化所需要的时间称为慢化时间，对水6x10-6s 热中子从产生到被吸收之前所经历的平均时间称为扩散时间，在常见的慢化剂中， 10-4 10-2s,浙江省火电建设公司三门核电项目部,中子核反应反应性控制,反应堆临界条件 一个燃料核俘获一个中子产生裂变后，平均可放出2.5个中子，可能实现链式反应自持 核反应堆内链式反应自续进行的条件可以方便地用有效增殖系数K有效来表示， K有效=(系统内中子的产生率)/(系统内中子的消失率) 系统内中子的消失率=系统内中子的吸收率+泄漏率 链式裂变反应堆的临界条件是K有效=1 核反应堆处于临界状态时堆芯部的大小称为临界尺寸或临界体积；所
13、装载的和燃料量叫做临界质量。 K有效与堆芯材料、尺寸和形状有关 中子循环：裂变中子经过慢化成为热中子、热中子击中核燃料引发裂变又放出裂变中子这一不断循环的过程，包括快中子倍增过程、部分裂变中子由于能量高，可引起一些U8裂变；部分共振吸收，部分逃脱共振吸收被慢化成热中子，热中子被各种堆芯材料吸收，被核燃料吸收的大部分要引起裂变；,浙江省火电建设公司三门核电项目部,中子核反应反应性控制,反应堆运行过程中，由于燃料消耗和裂变产物的不断积累，反应性就不断减弱，此外，功率变化也会引起反应型变化，所以反应堆实际的初始装载量必须比维持临界所需量大，使得反应堆寿命初期具有足够的剩余反应性，以便在反应堆运行时补
14、偿上述效应引起的反应性损失，因此必须引入负反应性，可以用以补偿长期运行所需的剩余反应性，也可以调节反应堆功率以及作为停堆的控制手段。 三种反应性控制： 1。紧急停堆控制 异常状况时使反应堆停闭 2。功率控制 按照要求补偿负荷变化、温度变化、功率变更引起的反应变化 3。补偿控制 控制补偿燃耗、裂变产物积累所需的剩余反应性。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,中子核反应反应性控制,反应性控制的控制元件： 控制棒：补偿棒、调节棒、安全棒 用于吸收中子，控制反应性（镉、铟、硼） 可燃毒物：初始加载燃料时加载用于吸收中子，补偿剩余反应性，比燃料更快“烧”完（硼硅酸盐） 可溶毒物：溶于冷却剂中可吸收中子，
15、用于进行化学补偿控制。（硼酸）,浙江省火电建设公司三门核电项目部,中子核反应反应性控制,核燃料的消耗、转化与增殖 达到临界的反应堆可以实现自续链式反应，不断释放出裂变能。这一过程也是核燃料消耗的过程 生产核能需要消耗核燃料，1U5裂变可释放出200MeV的能量， 1MW的功率3.12x1016个U5核裂变，1MW的能量需要1.05gU5核裂变，实际消耗约1.23g 电功率30万千瓦的秦山核电厂，每天消耗的U5大约1.1kg。考虑运行中U8转换部分Pu9，实际消化U5还要少一些,浙江省火电建设公司三门核电项目部,中子核反应反应性控制,核反应堆内存在大量U8，通过U8对中子的俘获，新燃料Pu9原子
16、核将被产生。如果反应堆中新生产的燃料量超过了它所消耗的核燃料，那么这种反应堆就称为增殖堆 目前的商用、军用动力堆都是采用铀235作核燃料的。天然铀中大量存在的铀238并不能作为核燃料来使用，因为热中子不能使其裂变。快中子虽然能引起铀238核裂变，但裂变截面太小。幸好，铀238俘获中子后可以变成易裂变同位素钚239。反应堆内的强中子场为铀238转换成核燃料提供了良好条件。 为了描述各类反应堆在核燃料转换方面的能力，引入一个称为转化比的量CR=易裂变核的平均生成率/易裂变核的平均消耗率，CR1称增殖堆，用BR表示，Pu9燃料的快堆BR可达1.2 大多数现代轻水堆的转化比 0.6，高温气冷堆具有较高的转化比，其 0.8，因此有时被称为先进转化堆。,浙江省火电建设公司三门核电项目部,核反应堆的主要类型,（1）按照功能分类 按用途分有三类：研究试验堆，生产堆，动力堆。 （2）按照中子能谱分类 按照激发核燃料裂变的中子能量的高低，可将核反应堆分为快中
