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1、核电与仪器仪表 吴剑鸣 2007年9月,各类资源发电比例,已探明的燃料可用年数,世界核电站一览表,1954年前苏联建成了世界第一座核电站。截至2004年5月，全世界30个国家正在运行的核电机组有441台，装机容量36313.5万千瓦，核发电量占总发电量的16。,我国建成核电站一览表,我国核电将快速大发展,我国的煤碳、水力和石油资源有一定的蕴藏量，但是人口众多，人均能耗低，随着经济发展，今后几十年内能源要求大幅度的增长，特别在我国华东地区电力需求增长较快，最近几年大量建造煤电站已经造成沿海地区空气严重污染，因此必须调整发电结构，加速发展核电，以缓解电力的供需矛盾，减少环境污染。,我国已批准建设的
2、核电站一览表,核电站的优点和特点 （一）核电站是高能量、少耗料的电站 原子核裂变释放的能量，要比任何一种化学反应释放的能量大几百万倍。每一公斤铀235全部裂变所产生的能量相当于25002700吨优质煤燃烧时放出的能量。一座发电容量为60万千瓦的核电站，每天仅需燃耗约3公斤的铀235。而对于同样发电容量的一座煤电站来说，每天要解决近万吨的送料和上千吨灰渣的运输问题。,1000 MW电站燃料用量,我国资源分布不均匀：60以上的煤集中在华北 70以上的水力资源集中在西南 东南沿海人口、工业集中，缺乏水力、煤炭资源 北煤南运，西电东送，西气东送,（二）核电站同时是特殊的核燃料生产厂 核燃料在反应堆内燃
3、耗掉一部份，同时还使一部份铀-238或钍-232转化为新的可裂变的核燃料钚-239或铀-233。它们经过加工处理后可重新投入反应堆中使用。在铀矿藏中，铀235 占0.71，其余大都是铀238。铀-238和钍-232的蕴藏量要比铀-235大千百倍，因此，利用核电站反应堆的这样一个转化、增殖特性，可以使自然界蕴藏着的大量铀、钍矿藏获得充分利用，同时又为核发电提供了丰富的新核燃料。,（三）国外核电站的发电成本已低于火电站 发电站每度电的成本是由电站建造投资费、燃料循环费和运行维修费三部份组成的，核电站的建造投资费比火电站高，但是核电站的燃料循环费却比较低，只占总电价的3040%，而火电站的燃料费占总
4、电价的6070%。在国外核发电成本已低于火力发电成本。从长远看，随着核电站设备改进，燃料循环更加合理，其发电成本仍然会继续低于同时期的火电发电。,火电站与核电站发电成本比较,（四）核电是清洁的能源 核电站排放的稀有气体、裂变产物的总剂量率约为1.210-11微希/(千瓦小时)标准为2.110-10微希/(千瓦小时)。而烧煤电站排放的灰尘中主要含有镭、钍等物质，其总剂量率约为3.5210-11微希/(千瓦小时)标准为10.610-10微希/(千瓦小时)。显然，核电站对环境的污染比火电站小。烧煤的电站每天还要排出几百吨的二氧化硫等有害气体，造成温室效益和酸雨。,（五）核电是安全的能源三道屏障,为了
5、保证核电站的安全，我们在放射性裂度产物和环境之间设置了三道屏障：只要其中一道屏障是完整的，就不会发生放射性物质外泄事故。 第一道屏障燃料芯块和包壳核裂变产生的放射性物质98以上滞留在二氧化铀陶瓷芯块中，燃料芯块密封在鋯合金包壳内，它能承受约200大气的压力，防止燃料裂变产物进入一回路水中。,三道屏障(续),第二道屏障压力容器和一回路压力边界 核燃料封闭在耐高压的壁厚20厘米的钢质压力容器和一回路内。 第三道屏障安全壳 反应堆厂房是一个高大的预应力钢筋混凝土构筑物，壁厚近1米，内表面有6毫米厚的钢衬，即使在一回路系统及设备发生严重破裂的情况下，放射性物质也不会扩散到安全壳以外的环境中。,（五）核
6、电站有一系列处理事故措施 为了保证在最严重假想事故下这些屏障不被突破，核电站中还设置了各种工程安全设施。例如在失水事故时，通过安全注射和安全喷淋系统将反应堆产生的热量带走并将带放射性的水蒸汽冷凝下来，通过净化系统将放射性物质除去，从而保证反应堆不发生熔化并防止放射性物质向外扩散。,压水堆核电站简单介绍,压水堆核电站主要由原子核反应堆、一回路系统、二回路系统及其他辅助系统和设备组成。一回路系统是将核裂变能转化为水蒸汽的热能装置。它由反应堆、主循环泵（即主泵）、稳压器、蒸汽发生器以及相应的管道等组成。,压水堆核电站简单介绍（续）,一回路循环系统的压力由稳压器进行调节。现代大功率压水堆核电站的一回路
7、系统一般有24条并联的密闭环路,为了确保安全，整个一回路循环系统的主要设备集中安装在一座立式圆柱状球形顶盖密封建筑物安全壳里。安全壳的内径约40米，高约70米。,二回路主系统和设备,二回路主系统的主要功用是将蒸汽发生器产生的饱和蒸汽供汽轮发电机组作功发电和供电站其他辅助设备使用。 二回路系统主要由饱和蒸汽轮机、发电机、冷凝器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器、中间汽水分离再热器和相应的仪表、阀门、管道等设备组成,第一代核电站,自50年至60年代初苏联、美国等建造的第一批单机容量在300MWe的原型核电站，如美国的希平港核电站和英第安角1号核电站，法国的舒兹(Chooz)核电站，
8、德国的奥珀利海母(Obrigheim)核电站,日本的美浜1号核电站等。,第二代核电站,自60年代末至70年代世界上建造了单机容量在6001400MWe的标准核电站，以美国为代表的Model 212（600MWe，两环路压水堆）、Model 312，Model 314 ，Model 412、Model 414、System80以及一批沸水堆（BWR）均可划入第2代核电站范畴。法国的CPY，P4，P4也属于Model 312，Model 414一类标准核电站。日本、韩国也建造了一批Model 412、System80等标准核电站。它们是目前世界正在运行的441座核电站（2004年6月统计数）主力机
9、组。,第三代核电站,满足美国用户要求文件或欧洲核电用户要求文件建造的核电站 美国核电用户要求文件（URD）和欧洲核电用户要求文件（EUR）提出了下一代核电站的安全和设计技术要求，它包括了改革型的能动（安全系统）核电站和先进型的非能动（安全系统）核电站，并完成了全部工程论证和试验工作以及核电站的初步设计，它们将成为下三代核电站的主力堆型表：,第三代核电站(续),AP1000的设计理念,在传统成熟的压水堆核电技术的基础上，安全系统“非能动化”。“非能动化”设计利用的是自然力，这种设计理念的引入，使核电站安全系统的设计发生了根本的变化： 在设计中充分考虑了严重事故的预防和缓解； 系统配置简化，安全支
10、持系统减少，安全级设备和抗震厂房大幅减少，安全等级和质保等级降低，应急动力电源和很多动力设备被取消，大宗材料需求明显降低。 由此还产生了设计简化、系统设置简化、工艺布置简化、施工量减少、工期缩短等一系列效应，最终使AP1000在安全性能显著提高的同时，经济上也具有较强的竞争力,AP1000开发情况,1985年西屋公司开始了非能动先进压水堆AP600的开发研究工作，前后共化了13年的时间，于1998年9月3日NRC颁布了AP600最终设计批准书。化费了1300人年，完成了12,000份设计文件，耗资近6个亿美元。在此基础上开发了AP1000。 2002年3月，核管会已经完成AP1000设计的预认
11、证审查，AP600有关的试验和分析程序可以用于AP1000设计。目前AP1000设计许可证审查阶段已基本完成。,AP1000技术描述,AP1000为单堆布置两环路机组; 电功率1117MWe; 设计寿命60年; 主要安全系统采用非能动设计，布置在安全壳内; 安全壳为双层结构，外层为预应力混凝土，内层为钢板结构。 AP1000主要的设计特点如下：,AP1000技术描述(续), 反应堆和反应堆冷却剂系统设计采用成熟技术。 AP1000反应堆采用西屋公司成熟的Model 314,这种反应堆设计已获得成功的运行； 燃料组件采用可靠性高的14ft Robust燃料组件； 采用增大的蒸汽发生器（125型）
12、，这种蒸汽发生器已在改造核电厂中获得成功的运行经验； 稳压器容积比运行电厂增大了很多；,AP1000技术描述(续), 主泵采用成熟的屏蔽式电动泵； 主管道简化设计，减少焊缝和支撑； 压力容器与西屋标准的三环路压力容器相似，取消堆芯区的环焊缝，堆芯测量仪表布置在上封头，可在线测量； 反应堆冷却剂系统采用两环路的布置方案，但蒸汽发生器和屏蔽马达泵是直接连接的。,非能动安全系统,1. 非能动安注系统 2. 非能动余热排出系统 3. 非能动安全壳冷却系统 4. 非能动主控制室居留系统 5. 非能动安全壳氢控制 6. 非能动MCR/I&C室冷却 7. 非能动安全壳pH控制 8. 非能动安全壳大气放射性导
13、出,非能动安全系统(续),采用了非能动设计大幅度减少了安全系统的设备和部件，与正在运行电站的设备相比，阀门、泵、安全级管道、电缆、抗震厂房容积分别减少了约50%，35%，80%，70%和45%。,数字仪控系统和先进主控室设计,AP1000采用成熟的数字化技术和先进主控室设计。主控室采用紧凑布置，充分应用人因工程的设计理念。 数字化控制系统采用 Ovation DCS系统。,采用模块化建造技术,AP1000在建造中大量采用模块化建造技术。整个电站共分4种模块类型: 结构模块122个; 管道模块154个; 机械设备模块55个; 电气设备模块11个。 从而建设周期大大缩短，从第一罐混凝土到装料只需
14、36个月。 模块最大体积不得超过集装箱的容积，即24m3.6m3.6m，其重量一般不得超过5吨。,第四代核电站,美国、法国、日本、英国等核电发达国家在2000年组建了Gen-IV国际论坛. 总的目标是在2030年左右，向市场上提供够很好解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的第四代核电站。 第四代核电站有可持续能力、安全可靠性 和 经济性三个方面的目标,经济性目标,1.初投资每千瓦小于1000美元，在全寿期内的经济性明显优于其它能源 2.能源系统的财务风险不高于其它能 源项目 3. 总的电力生产成本应低于每度电3美分 4. 建设期小于3年,安全可靠性目标,1：有很高的运行安全性和可靠
15、性。 2：堆芯损坏的可能性极低 3：在事故条件下无厂外释放，不需要厂外应急。,第四代核电站(续),IE级设备的定义,IE级被定为电气系统设备的安全级，它是完成下列各项功能所必须的： -反应堆紧急停堆， -安全壳隔离， -堆芯应急冷却， -反应堆余热导出， -反应堆厂房的热导出， -防止放射性物质向周围环境大量排放。,标准质量鉴定程序,标准质量鉴定程序用来验证设备在正常环境下能 执行其规定功能的能力。 这是通过执行一个对每种类型设备的专用质量鉴定大纲来证明的。这个大纲须通过其条件和顺序适合于该设备的一系列试验,这一系列试验应包括： 基准实验 例如： 介电强度试验 绝缘电阻试验 功能特性的评定试验
16、等 影响参数的极限值试验:在影响参数的规定范围的限值内和规定的上限值上检验设备的功能特性。可以综合这些影响参数的作用 有关设备的耐久性试验和/或超时限性能评定的实验。,K3质量鉴定程序,K3质量鉴定程序用来验证安装在安全壳外的设备在正常环境条件下和地震载荷下以及对一些设备项规定的事故条件下能执行其规定功能的能力。 这是通过执行一个为每种类型设备所持有的专用质量鉴定大纲来证明的，这大纲指出了下面三个程序的应用顺序和条件：,按照标准质量鉴定程序； 按照抗地震试验程序； 为某些设备项所规定的事故条件下的专用质量鉴定程序。 通过以上程序试验应证明该设备仍能执行其规定的功能。 在某些情况下可通过分析法或用综合的质量鉴定方法代替通过试验的质量鉴定方法。,抗地震试验,用抗地震试验的方法如在IEC980“核电站安全系统电气设备抗地震质量鉴定的推荐方法”和IEC68-3-3“设备抗地震方法”中所述。 在一个设备试样上进行的程序是用于验证在经受安全停堆地震（SSE）载荷时设备执行其规定功能的
