1、中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆核核 反應反應 堆堆 熱熱 工工 水力學水力學 中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆 1.反應堆及電站介紹反應堆及電站介紹 1 2.堆芯材料及熱源（工程熱力學）堆芯材料及熱源（工程熱力學） 2 3.堆芯傳熱堆芯傳熱 7 4.堆芯水力堆芯水力 9 5.反應堆設計反應堆設計 2 6.復習復習 2 7.考試考試 1 總計總計 24中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆1.1解釋題目解釋題目 核核 原子核原子核 核素核素 反應反應 核與中子結合后發(fā)生的裂變衰變等變化核與中子結合后發(fā)生的裂變衰變等變化 堆堆 pile-reactor，石墨堆砌，石墨堆砌-現(xiàn)代復雜裝置現(xiàn)代復雜裝

2、置 熱熱 傳熱學傳熱學 工工 工程熱力學工程熱力學 水力水力 流體力學流體力學中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆1.2分說各學科分說各學科核核 鈾鈾-235 钚钚239反應反應 中子和核結合發(fā)生的變化中子和核結合發(fā)生的變化 中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆堆堆 能使裂變反應可控持續(xù)的整個裝置能使裂變反應可控持續(xù)的整個裝置工程熱力學工程熱力學 四個定律四個定律0平衡態(tài)定義平衡態(tài)定義 1 能量守恒（機械能和熱能的轉(zhuǎn)化）能量守恒（機械能和熱能的轉(zhuǎn)化）2熱能的傳遞方向熱能的傳遞方向3說明熵增即無序化過程是不可逆的說明熵增即無序化過程是不可逆的 中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆傳熱學主要是三種傳熱方

3、式在不同情況下的過程熱傳導 對流換熱 輻射傳熱流體力學流體流動的規(guī)律質(zhì)量守恒 動量守恒 能量守恒中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆2.1核反應堆三種功能核反應堆三種功能生產(chǎn)同位素生產(chǎn)同位素 生產(chǎn)堆生產(chǎn)堆中子射線的利用中子射線的利用 實驗堆實驗堆熱能利用熱能利用 動力堆供熱堆動力堆供熱堆2.2本學科內(nèi)容本學科內(nèi)容 堆內(nèi)熱工水力堆內(nèi)熱工水力3.1核電站的發(fā)展核電站的發(fā)展第一座反應堆第一座反應堆費米費米 1942.12 美國建成美國建成中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆第一座實驗核電站第一座實驗核電站1951.12 美國美國 EBR點亮點亮4個個200瓦燈泡瓦燈泡中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆世

4、界第一座核電站1954.6 蘇聯(lián)奧布靈斯克核電站 5MW中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆我國第一座核電站我國第一座核電站1991.12 秦山秦山 30MW壓水堆并網(wǎng)發(fā)電壓水堆并網(wǎng)發(fā)電中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆世界核電發(fā)展的幾個階段世界核電發(fā)展的幾個階段19541960 試驗階段試驗階段19611969 實用化階段實用化階段19691979：大發(fā)展階段：大發(fā)展階段19801999：低潮階段：低潮階段2000現(xiàn)在：逐漸復蘇現(xiàn)在：逐漸復蘇中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆全球在建和運行中的核電機組全球在建和運行中的核電機組

5、中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆從正在運行的核電機組數(shù)來看，運行機組數(shù)較從正在運行的核電機組數(shù)來看，運行機組數(shù)較多的有：美國多的有：美國104臺，法國臺，法國58臺，日本臺，日本53臺，英臺，英國國35臺，俄羅斯臺，俄羅斯29臺，德國臺，德國20臺，烏克蘭臺，烏克蘭16臺，臺，韓國韓國15臺，加拿大臺，加拿大14臺，瑞典臺，瑞典12臺，印度臺，印度10臺。臺。西歐和北美國家核電發(fā)展停滯衰退。亞洲和東西歐和北美國家核電發(fā)展停滯衰退。亞洲和東歐的一些國家核電進一步發(fā)展。俄羅斯聯(lián)邦已歐的一些國家核電進一步發(fā)展。俄羅斯聯(lián)邦已有有29座在役的核電機組和座在役的核電機組

6、和3座在建的核電機組，座在建的核電機組，還計劃在圣彼得堡附近再建若干座還計劃在圣彼得堡附近再建若干座1500MW的的核電廠。中國、印度、韓國已經(jīng)明確計劃要擴核電廠。中國、印度、韓國已經(jīng)明確計劃要擴大核發(fā)電能力。大核發(fā)電能力。中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆中國運行的核電廠（中國運行的核電廠（18臺機組）臺機組）秦山核電站秦山核電站7臺機組臺機組大亞灣大亞灣2臺臺嶺澳嶺澳4臺臺田灣田灣2臺臺寧德寧德1臺臺遼寧紅沿河遼寧紅沿河1臺臺陽江陽江1臺臺中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆中國在建的核電廠（中國在建的核電廠（22臺機組）臺機組）陽江一期陽江一期3臺臺臺山臺山2臺臺三門三門2臺臺方家山方家山

7、2臺臺福清福清4臺臺海南昌江海南昌江2臺臺防城港一期防城港一期2臺臺連云港連云港2期兩臺期兩臺石島灣石島灣1臺臺海陽海陽2臺臺在我國現(xiàn)有的能源結構中，核電僅占在我國現(xiàn)有的能源結構中，核電僅占2%，計，計劃占劃占4 %。中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆3.2壓水堆核電站的原理和組成壓水堆核電站的原理和組成中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆核島系統(tǒng)核島系統(tǒng)一回路系統(tǒng)有反應堆、主泵、穩(wěn)壓器、一回路系統(tǒng)有反應堆、主泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器和連接管道。蒸汽發(fā)生器和連接管道。還有一些安全和輔助系統(tǒng)專設安全系統(tǒng)、核還有一些安全和輔助系統(tǒng)專設安全系統(tǒng)、核輔助系統(tǒng)和三廢處理系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)和三廢處理系統(tǒng)。常規(guī)島系

8、統(tǒng)常規(guī)島系統(tǒng)汽輪機系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)汽輪機系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆3.3核電站主要廠房布置核電站主要廠房布置中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆壓水堆安全殼內(nèi)縱剖面圖壓水堆安全殼內(nèi)縱剖面圖中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆4.1反應堆的原理與分類為了給中子減速，設置了慢化劑，為了控制中子生產(chǎn)數(shù)量設置了控制棒，為了冷卻設置了冷卻劑。中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆按使用目的分類按使用目的分類生產(chǎn)堆生產(chǎn)堆動力堆動力堆研究堆研究堆發(fā)電增值兩用堆發(fā)電增值兩用堆中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆按引起核裂變的中子能量分類按引起核裂變的中子能量分類快中子堆中子能

9、量快中子堆中子能量1 MeV中能中子堆中能中子堆0.1 MeV中子能量中子能量0.1 eV熱中子堆熱中子堆0.1 eV中子能量中子能量0.0251 eV中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆按冷卻劑、慢化劑分類按冷卻劑、慢化劑分類輕水堆（壓水堆，沸水堆）輕水堆（壓水堆，沸水堆）重水堆重水堆石墨氣冷堆石墨氣冷堆石墨水冷堆石墨水冷堆鈉冷堆鈉冷堆中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆按核燃料在堆內(nèi)分布形式分類按核燃料在堆內(nèi)分布形式分類均勻堆：核燃料、慢化劑、冷卻劑均勻混均勻堆：核燃料、慢化劑、冷卻劑均勻混 合在一起合在一起非均勻堆：絕大多數(shù)堆型非均勻堆：絕大多數(shù)堆型中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆4.2壓

10、水堆結構組成壓水堆結構組成中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆堆芯橫截面圖堆芯橫截面圖中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆壓水堆縱剖面圖壓水堆縱剖面圖中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆核燃料組件采用無盒、帶指形控制組件的棒束型燃料組件。主要結構：棒束8個定位格架+上下管座棒束1717=289=264+24+1 正方形排列:264 燃料棒24 導向管1 中子測量管中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆燃料元件棒燃料元件棒燃料芯塊、包殼、壓緊彈簧、上下端塞幾燃料芯塊、包殼、壓緊彈簧、上下端塞幾部分組成。每根棒有部分組成。每根棒有271塊燃料芯塊、包殼塊燃料芯塊、包殼壁厚壁厚0.57mm。元件棒長。元件棒長

11、3852mm、外徑、外徑9.5mm。芯塊區(qū)長。芯塊區(qū)長3657.6mm。包殼與芯塊。包殼與芯塊間隙間隙0.17mm。元件棒內(nèi)充。元件棒內(nèi)充2MPa氦氣。氦氣。燃料芯塊燃料芯塊由二氧化鈾粉末經(jīng)冷壓，在由二氧化鈾粉末經(jīng)冷壓，在1700度下燒結度下燒結成圓柱陶瓷體。直徑成圓柱陶瓷體。直徑8.19mm、高、高13.5mm。中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆控制棒組件控制棒組件結構組成：結構組成：24跟吸跟吸收劑棒星形架收劑棒星形架組件數(shù)目保證：卡組件數(shù)目保證：卡棒準則，功率分布，棒準則，功率分布，彈棒事故彈棒事故中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆吸收劑棒吸收劑棒黑棒灰棒黑棒灰棒材料銀銦鎘不銹鋼材料銀銦

12、鎘不銹鋼結構：二者相似結構：二者相似黑棒束控制組件：黑棒束控制組件：24根黑棒根黑棒灰棒束控制組件：灰棒束控制組件：8根黑棒根黑棒16根根灰棒灰棒中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆可燃毒物組件可燃毒物組件作用：用于第一燃料循作用：用于第一燃料循環(huán)，降低硼濃度，保證環(huán)，降低硼濃度，保證慢化劑的負溫度系數(shù)慢化劑的負溫度系數(shù)可燃毒物材料：硼玻璃可燃毒物材料：硼玻璃管（管（B2O3+SiO2）初裝料：初裝料：4812(棒棒)1816(棒棒)+216=896第一次換料時全部卸出，第一次換料時全部卸出，換阻力塞組件換阻力塞組件中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆阻力塞組件作用：結構與材料：304不銹鋼，短棒

13、前述各種堆芯相關組件都含有中子源組件，只有阻力塞組件全部是阻力塞組件中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆5.1核燃料熱物性核燃料熱物性核燃料：核燃料： 裂變?nèi)剂希衡櫫炎內(nèi)剂希衡?35（自然界（自然界存在的唯一一種核燃料）存在的唯一一種核燃料） 鈾鈾233 钚钚239 轉(zhuǎn)換燃料：釷轉(zhuǎn)換燃料：釷232 鈾鈾238轉(zhuǎn)換材料本身雖不易裂變，但在俘獲中子轉(zhuǎn)換材料本身雖不易裂變，但在俘獲中子后能轉(zhuǎn)變?yōu)榱炎內(nèi)剂?，從而補充裂變?nèi)剂虾竽苻D(zhuǎn)變?yōu)榱炎內(nèi)剂?，從而補充裂變?nèi)剂系南?。在反應堆?nèi)它們或者與裂變?nèi)剂系南摹Ｔ诜磻褍?nèi)它們或者與裂變?nèi)剂匣旌鲜褂茫蛘咴诎鼘又袉为毷褂没旌鲜褂?，或者在包裹層中單獨使用中?國國

14、實實 驗驗 快快 堆堆核燃料的形態(tài)：核燃料的形態(tài)： 固態(tài)：實際應用的核燃料固態(tài)：實際應用的核燃料（金屬型、彌散體型和陶瓷型）（金屬型、彌散體型和陶瓷型） 液態(tài)：還有許多技術問題需液態(tài)：還有許多技術問題需要解決，未達到工業(yè)應用的程度要解決，未達到工業(yè)應用的程度中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆UO2陶瓷燃料陶瓷燃料被制成燒結的圓柱形燃料小塊（稱為燃料芯被制成燒結的圓柱形燃料小塊（稱為燃料芯塊）塊） 優(yōu)點：熔點高、深燃耗、高溫和輻照穩(wěn)優(yōu)點：熔點高、深燃耗、高溫和輻照穩(wěn)定性好；在壓水堆正常運行條件下對水定性好；在壓水堆正常運行條件下對水的抗腐蝕性能好的抗腐蝕性能好

15、缺點：導熱性能比較差缺點：導熱性能比較差 含含UO2彌散體的燃料彌散體的燃料 陶瓷型燃料顆粒均勻分布在非裂變材料陶瓷型燃料顆粒均勻分布在非裂變材料（熱導率高、耐輻照、耐腐蝕和高溫穩(wěn)（熱導率高、耐輻照、耐腐蝕和高溫穩(wěn)定性好）的基體中。定性好）的基體中。 基體材料：鋯合金、不銹鋼等基體材料：鋯合金、不銹鋼等 缺點：基體材料所占百分比大，必須使缺點：基體材料所占百分比大，必須使用濃縮鈾（加濃鈾）用濃縮鈾（加濃鈾）中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆密度密度二氧化鈾的理論密度是二氧化鈾的理論密度是10.98g/cm3。但實。但實際制造出來的二氧化鈾，由于存在孔隙，際制造

16、出來的二氧化鈾，由于存在孔隙，其密度小于這個數(shù)值。其密度小于這個數(shù)值。 加工方法不同，所得二氧化鈾制品的密加工方法不同，所得二氧化鈾制品的密度也不同。例如，振動密實的二氧化鈾粉度也不同。例如，振動密實的二氧化鈾粉末，其密度可達理論密度的末，其密度可達理論密度的8291；燒結的二氧化鈾燃料的密度要高一些，可燒結的二氧化鈾燃料的密度要高一些，可達理論密度的達理論密度的8891。 中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆熔點熔點未經(jīng)輻照的二氧化鈾熔點的比較精確的測定值是未經(jīng)輻照的二氧化鈾熔點的比較精確的測定值是280515。輻照以后，隨著固相裂變產(chǎn)物的積累，二氧化鈾熔輻照以后，隨著固相裂變產(chǎn)物的積累，二氧

17、化鈾熔點會有所下降，燃耗越深，下降得越多。點會有所下降，燃耗越深，下降得越多。氧化鈾中氧和鈾的原子比（氧化鈾中氧和鈾的原子比（O/U）的改變，會影響其）的改變，會影響其熔點的變化。氧鈾原子比為熔點的變化。氧鈾原子比為2的二氧化鈾的熔點最高。的二氧化鈾的熔點最高。隨氧鈾原子比值的減小或增加，二氧化鈾的熔點會隨氧鈾原子比值的減小或增加，二氧化鈾的熔點會下降。下降。O/U1.6861.8031.902.002.022.052.15Christensen測定25602800 2745 25202400Lambert,Bare測定2535268127402790 2560 23602360中中 國國 實

18、實 驗驗 快快 堆堆熱導率熱導率二氧化鈾的熱導率在燃料元件的傳熱計算中具有特別重二氧化鈾的熱導率在燃料元件的傳熱計算中具有特別重要的意義。因為導熱性能的好壞將直接影響二氧化鈾芯要的意義。因為導熱性能的好壞將直接影響二氧化鈾芯塊內(nèi)整體溫度的分布，而溫度則是決定二氧化的鈾物理塊內(nèi)整體溫度的分布，而溫度則是決定二氧化的鈾物理性能、機械性能的主要參量，也是支配二氧化鈾中裂變性能、機械性能的主要參量，也是支配二氧化鈾中裂變氣體釋放、晶粒長大等動力學過程的主要參量。氣體釋放、晶粒長大等動力學過程的主要參量。實驗研究表明，二氧化鈾的熱導率強烈地依賴于它的溫實驗研究表明，二氧化鈾的熱導率強烈地依賴于它的溫度。

19、度。此外，燃料的密度、燃耗和氧鈾原子比等對熱導率也都此外，燃料的密度、燃耗和氧鈾原子比等對熱導率也都有明顯的影響。有明顯的影響。二氧化鈾的熱導率隨燃耗的加深會不斷變小。二氧化鈾的熱導率隨燃耗的加深會不斷變小。 中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆未經(jīng)輻照的二氧化鈾的熱導率隨溫度變化未經(jīng)輻照的二氧化鈾的熱導率隨溫度變化中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆主要包殼材料主要包殼材料p對包殼材料的要求對包殼材料的要求：中子吸收截面小中子吸收截面小導熱性能好導熱性能好耐高溫和抗腐蝕耐高溫和抗腐蝕機械性能好等機械性能好等 p包殼材料：包殼材料：適合作水冷反應堆燃料包殼材料的主要是是鋯合金，適合作水冷反應堆燃料包殼材料的主要是是鋯合金，即即Zr-2和和Zr-4合金。合金。 p鋯合金長期和高溫水接觸會產(chǎn)生腐蝕。因此，在壓水堆鋯合金長期和高溫水接觸會產(chǎn)生腐蝕。因此，在壓水堆穩(wěn)態(tài)熱工設計中，要求包殼外表面最高一般不超過穩(wěn)態(tài)熱工設計中，要求包殼外表面最高一般不超過350。中中 國國 實實 驗驗 快快 堆堆包殼的主要熱物性包殼的主要熱物性 密度密度熔點熔點比定壓熱容比定壓熱容熱導率熱導率熱