反响堆冷却剂系统和设备

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1、 1 第3章 反应堆冷却剂系统和设备 2 3 1 反应堆冷却剂系统 3 3 1 1 系统功能 反应堆冷却剂系统又称为一回路系统 其主要 功能是 1 在核电厂正常功率运行时将堆内产生的热量 载出 并通过蒸汽发生器传给二回路工质 产 生蒸汽 驱动汽轮发电机组发电 2 在停堆后的第一阶段 经蒸汽发生器带走堆内 的衰变热 3 系统的压力边界构成防止裂变产物释放到环境 中的一道屏障 4 反应堆冷却剂作为可溶化学毒物硼的载体 并 起慢化剂和反射层作用 5 系统的稳压器用来控制一回路的压力 防止堆 内发生偏离泡核沸腾 同时对一回路系统实行 超压保护 4 3 1 2 系 统 描 述 5 冷却系统 冷却系统由反

2、应堆冷却剂泵 反应堆和蒸汽发生器及相应 的管道组成 在正常功率运行时 反应堆冷却剂泵使冷却剂强迫循环通 过堆芯 带走燃料元件产生的热量 按照功能 反应堆冷却剂系统可分为 冷却系统 压力调节系统 超压保护系统 冷却剂流速选择 综合技术经济考虑 流速大 利 载热量大 传热系数高 弊 流动阻力大 泵的扬程要求高 泵功消耗大 从而厂 用电增加 大亚湾核电厂堆内冷却剂平均流速为4 6m s 秦山核电 厂堆芯冷却剂平均流速为3 65m s 6 在发生全厂断电事故时 主泵停转 冷却剂失去强迫循 环 保护系统实行紧急停堆 功率水平迅速下降 为了去 除堆内衰变热 必须保证一定的冷却剂流量 在反应堆冷 却剂系统和

3、设备的设计上 采取下述措施 增加泵的惯性流量 在反应堆冷却剂泵电动机顶部装飞轮 延长主泵断电后的惰转时 间 保证断电后短时间内有足够的流量通过堆芯 在一回路设备布置上 应使蒸汽发生器的位置高于反应堆 压力容器 以便建立和保持一个自然循环驱动头 在一回路出现两相流的情况下 必须考虑流动的不稳定性问题 原理上 增加堆芯与蒸汽发生器间的高度差仍然有效 但增加 的办法更倾向于降低堆芯高度 拉长反应堆压力容器而不是抬高 蒸汽发生器 7 压力调节系统 为了保证反应堆冷却剂系统具有好的冷却能力 应当 将堆芯置于具有足够欠热度的冷却剂淹没之中 核电厂在负荷瞬变过程中 由于量测系统的热惯性和 控制系统的滞后等原

4、因 会造成一 二回路之间的功率失 配 从而引起负荷瞬变过程中一回路冷却剂温度的升高或 降低 造成一回路冷却剂体积膨胀或收缩 水经波动管涌 入或流出稳压器 引起一回路压力升高或降低 当压力升高至超过设定值时 压力控制系统调节喷淋阀 由 冷管段引来的过冷水向稳压器 汽空间喷淋降压 若压力低于设定值 压力控制 系统启动加热器 使部分水蒸 发 升高蒸汽压力 8 超压保护系统 当一回路系统的压力超过限值时 装在稳压器顶 部卸压管线上的安全阀开启 向卸压箱排放蒸汽 使稳压器压力下降 以维持整个一回路系统的完整 性 卸压系统主要由装在稳压器汽空间连管上的卸 压阀或安全阀及其管道和卸压箱组成 9 3 1 3系

5、统的参数选择 核电厂的一回路系统由若干并联的环路组成 一个 环路所输送的热功率与压水堆核电厂规模和设备设计制造 能力有关 目前核电厂一回路一般采用2 4条环路并联 形式 在相同堆功率情况下 单个环路功率提高后 就可以 减少环路数目 减少相应的设备和部件 降低设备投资和 维修费用 这样 降低了核电厂每千瓦的造价和每度电价 格 经济上有利 16100 10 一回路的工作压力 冷却剂的反应堆进出口温度 流量和 流速等参数的选择 直接影响了核电厂的安全性和经济性 合 理选择一回路的工作参数是核电厂设计的重要内容 一回路压力 由水的热物理性质可知 要想提高反应堆冷却剂的出口温度而 不发生冷却剂容积沸腾

6、必须提高一回路压力 所以 从提高核电 厂的热效率来说 提高一回路系统冷却剂的工作压力是有利的 但是 这方面的潜力非常有限 例如 水的压力为20MPa时 其饱和温度也仅有365 7 而现代压水堆一回路常用压力为15 5MPa 其对应的饱和温度为 344 7 二者相比 压力提高了4 5MPa 饱和温度却仅提高 21 显然 如此提高压力 在提高电厂效率上的收益不大 反而 对各主要设备的承压要求 材料和加工制造等技术难度都大大增 加了 最终影响到电厂的经济性 综合考虑 一般压水堆核电厂一回路系统的工作压力约 为15MPa左右 设计压力取1 10 1 25倍工作压力 冷态水压试 验压力取1 25倍设计压

7、力 11 反应堆冷却剂的出口温度 电厂热效率与冷却剂的平均温度密切相关 冷却剂出口 温度越高 电厂热效率越高 但冷却剂出口温度的确定应考 虑以下因素 燃料包壳温度限制 燃料包壳材料要受到抗高温腐蚀性能的限制 对于轻水堆 包壳材料 Zr 4的允许表面工作温度应不高于350 传热温差的要求 为了保证燃料元件表面与冷却剂之间传热的要求 燃料表面与冷却 剂间应有足够的膜温压 若包壳温度限制在350 冷却剂温度至少 要比此温度低10 15 以保证正常的热交换 冷却剂过冷度要求 为保证流动的稳定性和有效传热 冷却剂应具有20 左右的过冷度 由此可见 对于一定的工作压力 反应堆冷却剂的堆出口 温度变化余地很

8、小 如大亚湾核电厂一回路压力15 5 MPa 其堆出口冷却剂平均温度为329 8 12 反应堆冷却剂入口温度 反应堆冷却剂的堆出口温度一旦确定 对于一 个确定热功率的反应堆 其入口温度与流量有单 值关系 入口温度高 利 一回路冷却剂平均温度高 提高机组热效率 弊 冷却剂温升小 所需冷却剂流量大 增加 了泵的泵送功率 从而降低了电厂的净效率 冷却剂的入口温度应与流量综合考虑选 取最佳值 13 压水堆核电厂一回路参数范围是 工作压力15MPa 左右 冷却剂在反应堆进口温度取280 300 反应堆 的出口温度取310 330 进出口的温升为30 40 核电厂变工况时 反应堆冷却剂平均温度变化允许的最

9、 大温差为17 25 反应堆的设计温度为350 一回路系统中冷却剂的流量较大 当单环路对应的电 功率为300MW时 冷却剂总质量流量可达到 15000t h 21000t h 即每10MW热功率160t h 250 t h 主管道内冷却剂流速可达15 m s 一回路系统的总阻力 约为0 6MPa 0 8MPa 14 3 1 4 系统布置 反应堆冷却剂系统的所有设备 阀门及管道 全 部安装在安全壳内 反应堆安放在安全壳中央并稍偏离中心 以避开 装卸料机构的起吊死区 堆芯部分处在反应堆厂 房地平面高度以下 反应堆冷却剂系统设备和管道的布置以反应堆压 力容器为中心 力求紧凑 简单对称 为了补偿 主管

10、道的热膨胀应力 蒸汽发生器和主泵采用摆 动的支撑结构 以允许横向位移 15 蒸汽发生器的位置高于反应堆压力容器管嘴所在 的平面 以便使系统具有足够的自然循环能力 冷却剂中存在裂变产物和腐蚀产物 对系统设备 和管道有不同程度的污染 因此 在设备周围设 有隔墙 它们与安全壳墙构成了二次屏蔽 为了防止管道破裂后由于流体喷射导致的管道甩 击对周围设备的危害 对高能管道的可能断裂位 置装有限制器 对设备 管道进行实体隔离 主 要设备 反应堆压力容器 蒸汽发生器 反应堆 冷却剂泵 稳压器等 和反应堆冷却剂管道安装 在二次屏蔽墙内 16 3 2 反应堆本体结构 压水堆本体包括 堆芯 堆芯支撑结构 反应堆压力

11、容器 控制棒传动机构 17 3 2 1 堆芯结构 堆芯又称为活性区 位于反应堆压力容器中心偏下的位置 在典型的燃料管理方案中 初始堆芯分成三个燃料浓集度 不同的区 在堆芯外区放置浓集度较高的燃料组件 浓集 度较低的燃料组件以棋盘的形式排列在堆芯的内区 例如 大亚湾核电厂由157个几何形状和机械结构完全 相同的燃料组件 1区53个组件 浓集度1 8 2区52 个组件 浓集度2 4 3区52个组件 浓集度为3 1 通常每年进行一次换料 每次换料更换1 3 燃料组件 达 到平衡换料时新燃料的浓集度为3 2 18 19 20 冷却剂在堆芯的流动 21 1 燃料组件 燃料组件由燃料元 件 定位格架和组件

12、骨 架等部件组成 燃料元 件呈17x17正方形排列 每个组件有289个位 置 其中264个位置由 燃料元件占据 22 燃料元件 燃料元件是产生核裂变并释放热量的部件 结构 外面是Zr 4合金包壳 包壳内装有二 氧化铀芯块 上下两端设有氧化铝隔热块 顶部有弹簧压紧 两端用锆合金端塞封堵 并与包壳管焊接密封在一起 尺寸 燃料元件长为3851 5mm 外径 9 5mm 包壳管厚0 57mm 燃料芯块呈圆 柱形 直径8 192mm 高13 5mm 燃料包壳的作用 防止核燃料与反应堆冷 却剂接触 以免裂变产物逸出造成放射性污 染 Zr 4合金的中子吸收截面小 在高温下 有较高的机械强度和抗腐蚀性能 23

13、 弹簧所在空间可容纳燃料放出的裂 变气体 包壳与芯块之间有0 64mm的间 隙 补偿包壳和燃料芯快不同材料的热胀 和燃料的辐照肿胀 气空间充3MPa压力 的氦气 用来改善间隙的传热性能和减小 包壳内外的压差 值得提出的是 Zr 4包壳与水相容 温度不超过350 与二氧化铀相容温度 在500 以下 包壳熔点为1850 包壳 温度达到820 后锆与水反应产生氢气 在运行中应使燃料元件保持在可接受的温 度之下 24 燃料组件骨架 燃料组件骨架由24根控 制棒导向管 一根中子通量 测量管与上下管座焊接而成 沿高度方向设置有8个定 位格架以提高组件的刚性和 强度 骨架结构使264根细长的 燃料元件形成一

14、个整体 承 受整个组件的重量和控制棒 下落时的冲击力 并保证控 制棒运动的畅通 25 燃料组件骨架 续 下管座对进入组件的冷却剂起流量分配作用 又是燃料组件底座 组件重量和施加到组件上的轴向载荷 经下 管座作用到下栅板上 燃料组件在堆芯的定位由两个对角支撑脚上 的销孔和下栅板上两个定位销来保证 作用 在燃料组件上的水平载荷也通过定位销传递 到堆芯支撑结构上 26 燃料组件骨架 续 上管座是燃料组件的上部构 件 通过它冷却剂由燃料组 件流向上栅板的流水孔 堆芯上栅板的定位销与管座 对角上的两个销孔定位 此 外 上管座上的压紧弹簧使 上栅板可将燃料组件压紧 控制棒导向管为控制棒上下 自由运动提供通

15、道 同时将 上下管座连成整体框架 导 向管下部呈锥形 对快速下 落的控制棒起阻尼作用 27 燃料组件骨架 续 在组件中心位置的中子通量 密度测量管为堆芯中子通量 密度测量元件提供通道 沿燃料元件全程有8个定位 格架 它维持燃料元件的侧 向间隙 也是夹持燃料元件 和加强燃料元件刚性的构件 合理的定位格架设计除了起到 对燃料元件的夹持定位作用外 还要强化流体的扰动并使流 动阻力尽可能小 28 2 堆芯功能组件 每个燃料组件都提供了24个控制棒 导向管 这些位置安排有堆芯功能组件 控制棒组件 控制棒组件是一种快速控制反应性的工具 在正常运 行时用于调节反应堆功率 在事故工况下快速引人负 反应性 使反

16、应堆紧急停堆 保证核安全 大约1 3的燃料组件的控制棒导向管是为控制棒组件占 据的 控制棒束顶端固定在一个枝状星形架上 控制 棒与枝状接头相连 控制棒组件分两类 黑棒束组件 由24根带吸收剂的棒束组成 所用吸收剂材料为 银铟镉合金 黑棒组件吸收能力强 作安全棒 灰棒束组件 只有8根棒的吸收体为银铟镉合金 其余16根为 不锈钢做吸收材料的灰棒 灰棒作为调节棒 29 可燃毒物组件 大型压水堆控制反应性都是同时使用控制棒组 件和改变冷却剂中的硼浓度两种方法 但新堆 第一次装料的后备反应性很大 而为了保证慢 化剂温度系数为负值 其硼浓度又不能太高 所以装有66束具有较强吸收中子能力的可燃毒 物组件以平衡反应性 之所以称为可燃毒物 是因为其中的10B吸收 中子后衰变为7Li 不断被消耗掉 可燃毒物组 件在燃料第一循环后全部取出 换上阻力塞组 件 30 可燃毒物组件 续 可燃毒物棒由装在不锈钢包壳管中的含硼玻璃 管组成 用于抵消新堆芯第一次装料大部分过 剩后备反应性 如大亚湾核电厂的首次堆芯装有48个含12根可燃毒 物棒的组件和18个含16根可燃毒物棒的组件 加上 两个初级中子源棒组件中的32根