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1、核电站的工作结构及其工作与原理 机制115羿昌斌 1 原子弹和氢弹爆炸式壮观的景像 2 原子和核能 核能是原子核粒子重新组合和排列时所产生的能量 又称原子能 核能实质上是一种质量和能量转 核能的主要特点是 能量高度集中 1t铀 235全部裂变产生的能量约等于240万t标准煤燃烧时放出能量能量 3 链式反应示意图 4 一 核电站的工作原理 目前商业运转中的核能发电厂都是利用核分裂反应而发电 核电站一般分为两部分 利用原子核裂变生产蒸汽的核岛 包括反应堆装置和一回路系统 和利用蒸汽发电的常规岛 包括汽轮发电机系统 核电站使用的燃料一般是放射性重金属 铀 钚 现在使用最普遍的民用核电站大都是压水反应
2、堆核电站 它的工作原理是 用铀制成的核燃料在反应堆内进行裂变并释放出大量热能 高压下的循环冷却水把热能带出 在蒸汽发生器内生成蒸汽 推动发电机旋转 从而产生电能 5 6 7 核电站的工作设备 主泵如果把反应堆中的冷却剂比做人体血液的话 那主泵则是心脏 它的功用是把冷却剂送进堆内 然后流过蒸汽发生器 以保证裂变反应产生的热量及时传递出来 稳压器又称压力平衡器 是用来控制反应堆系统压力变化的设备 在正常运行时 起保持压力的作用 在发生事故时 提供超压保护 稳压器里设有加热器和喷淋系统 当反应堆里压力过高时 喷洒冷水降压 当堆内压力太低时 加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力 蒸汽发生器它的作用是把
3、通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水 并使之变成蒸汽 再通入汽轮发电机的汽缸作功 安全壳用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去 以保护公众免遭放射性物质的伤害 万一发生罕见的反应堆一回路水外逸的失水事故时 安全壳是防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障 安全壳一般是内衬钢板的预应力混凝土厚壁容器 汽轮机核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异 所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低 所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大 危急冷却系统为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故的发生 近代核电站都设有危急冷却系统 它是由注射系统和安全壳喷淋系统组成 一旦接到极端失水事故的信号后
4、 安全注射系统向反应堆内注射高压含硼水 喷淋系统向安全壳喷水和化学药剂 便可缓解事故后果 限制事故蔓延 8 9 反应堆是核电站的核心 反应堆工作时放出的热能 由一回路系统的冷却剂带出 用以产生蒸汽 因此 整个一回路系统被称为 核供汽系统 它相当于火电厂的锅炉系统 为了确保安全 整个一回路系统装在一个被称为安全壳的密闭厂房内 这样 无论在正常运行或发生事故时都不会影响安全 由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统 与火电厂的汽轮发电机系统基本相同 核电站的内部它通常由一回路系统和二回路系统组成 核反应堆 10 反应堆示意图 11 热堆的概念 中子打入铀 235的原于核以后 原子核就变得不稳定
5、会分裂成两个较小质量的新原子核 这是核的裂变反应 放出的能量叫裂变能 产生巨大能量的同时 还会放出2 3个中子和其它射线 这些中子再打入别的铀 235核 引起新的核裂变 新的裂变又产生新的中子和裂变能 如此不断持续下去 就形成了链式反应 利用原子核反应原理建造的反应堆需将裂变时释放出的中子减速后 再引起新的核裂变 由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态 这种中子被称为热中子 堆内主要由热中子引起裂变的反应堆叫做热中子反应堆 简称热堆 热中子反应堆 它是用慢化剂把快中子速度降低 12 发电堆的种类 自从核电站问世以来 在工业上成熟的发电堆主要有以下三种 轻水堆 重水堆和石墨汽冷堆 它们相应
6、地被用到三种不同的核电站中 形成了现代核发电的主体 目前 热中子堆中的大多数是用轻水慢化和冷却的所谓轻水堆 轻水堆又分为压水堆和沸水堆 13 沸水堆核电站 沸水堆核电站工作流程是 冷却剂 水 从堆芯下部流进 在沿堆芯上升的过程中 从燃料棒那里得到了热量 使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物 经过汽水分离器和蒸汽干燥器 将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电 沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件 十字形控制棒和汽水分离器等组成 汽水分离器在堆芯的上部 它的作用是把蒸汽和水滴分开 防止水进入汽轮机 造成汽轮机叶片损坏 沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同 沸腾水既作慢化剂又作冷却剂 沸水堆与压水堆不同之
7、处在于冷却水保持在较低的压力 约为70个大气压 下 水通过堆芯变成约285 的蒸汽 并直接被引入汽轮机 所以 沸水堆只有一个回路 省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器 因而显得很简单 总之 轻水堆核电站的最大优点是结构和运行都比较简单 尺寸较小 造价也低廉 燃料也比较经济 具有良好的安全性 可靠性与经济性 它的缺点是必须使用低浓铀 目前采用轻水堆的国家 在核燃料供应上大多依赖美国和独联体 此外 轻水堆对天然铀的利用率低 如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50 以上 从维修来看 压水堆因为一回路和蒸汽系统分开 汽轮机未受放射性的沾污 所以 容易维修 而沸水堆是堆内产生的蒸汽直接进入汽轮
8、机 这样 汽轮机会受到放射性的沾污 所以在这方面的设计与维修都比压水堆要麻烦一些 14 重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种 压力壳式的冷却剂只用重水 它的内部结构材料比压力管式少 但中子经济性好 生成新燃料钚 239的净产量比较高 这种堆一般用天然铀作燃料 结构类似压水堆 但因栅格节距大 压力壳比同样功率的压水堆要大得多 因此单堆功率最大只能做到30万千瓦 因为管式重水堆的冷却剂不受限制 可用重水 轻水 气体或有机化合物 它的尺寸也不受限制 虽然压力管带来了伴生吸收中子损失 但由于堆芯大 可使中子的泄漏损失减小 此外 这种堆便于实行不停堆装卸和连续换料 可省去补偿燃耗的控制棒 压力
9、管式重水堆主要包括重水慢化 重水冷却和重水慢化 沸腾轻水冷却两种反应堆 这两种堆的结构大致相同 重水堆核电站 15 快堆核电站 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 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1 2 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60 70 16 核电站中国现
10、有的核电站 秦山核电站广东大亚湾核电站田湾核电站岭澳核电站 17 秦山核电站 广东大亚湾核电站 田湾核电站 18 19 能源匮乏已经越来越成为人类社会发展的瓶颈 在高效低耗的核电站纷纷登场的时候 核废料的处理又困惑着珍惜环境的人们 核废料怎样处理才最安全 有没有真正洁净的能源燃料核能源已日益成为当今世界的主要能源 在所有能源中所占的比例也越来越大 在法国占到80 在美国占到30 但在利用核能的同时 也伴随产生了大量的核废料 这些核废料是强发射性物质 会严重危害人类的生存 长期以来 科学家们一直在探讨核能源的洁净化问题 希望能有一种方法消除核废料 因此 洁净核能源技术的开发和应用便成为国际国内的一个热门话题 前不久 江泽民主席正式访问美国时 中美两国签署的 中美联合声明 中 也将洁净能源作为中美在环境保护方面合作的项目之一 核能的未来 20 谢谢 21 2020 3 28 22
