第三節(jié)：沸水堆與壓水堆

沸水堆與壓水堆同屬于輕水堆家族，在設(shè)計上它們有許多相同點，比如用輕水做冷卻劑和慢化劑，用富集度為3—4%的U235做燃料，堆芯在一個壓力殼內(nèi)，裂變能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電，但是由冷卻劑在壓水堆中為單相流，在沸水堆中為兩相流，使沸水堆的設(shè)計又在許多地方與壓水堆不同：空泡負反應(yīng)性，蒸汽直接循環(huán)，內(nèi)置式再循環(huán)泵及下部插入的精密控制棒驅(qū)動。沸水堆與壓水堆?沸水堆芯內(nèi)空泡的存在使得中子慢化能力下降，要保證功率密度必須增大快中子在慢化劑中的慢化距離才能保證中子通量及功率密度。流動為兩相流，與壓水堆中的單相流相比，兩相流的壓降要高，為了減少流動阻力，也需要把冷卻劑流道的水力學(xué)直徑加大。因此，沸水堆的堆芯直徑比壓水堆要大許多。沸水堆與壓水堆?堆芯直徑大，必然要求壓力殼的直徑大同時由于沸水堆需要把堆芯出口蒸汽，水進行分離及對蒸汽進行干燥，在堆芯出口設(shè)置汽水分離器及蒸汽干燥器，又使壓力殼的高度大大幅度提高。但是沸水堆運行壓力及溫度都較低，使得沸水堆壓力殼的壁厚需要薄些。沸水堆由于省去了蒸發(fā)器，穩(wěn)壓器及相應(yīng)的管道，使得安全殼的體積比壓水堆大大減小。沸水堆與壓水堆?沸水堆的發(fā)展經(jīng)歷了四個主要階段。50—60年代采用帶蒸汽包和蒸汽分離器的雙重式循環(huán)；70年代取消蒸汽發(fā)生器采用直接循環(huán)；80年代采用堆內(nèi)型噴射泵；90年代采用堆內(nèi)型再循環(huán)泵。

在沸水堆的發(fā)展中經(jīng)歷了三次標準的改進，第一次在76—77年，第二次在78—80年，第三次在81—85年。三次改進后沸水堆的設(shè)計，安全性發(fā)生了較大的變化，成為了我們目前所研究的先進沸水堆。沸水堆與壓水堆?

先進沸水堆設(shè)計減少放射性射體及廢物的泄漏。精密控制棒驅(qū)動系統(tǒng)維修率低，高性能的防輻射材料，長壽命的中子監(jiān)視器，改進的水化學(xué)系統(tǒng)等等。先進沸水堆通過改進堆芯及燃料的設(shè)計使功率振蕩衰減比非常小，堆的穩(wěn)定性大大提高。先進堆堆內(nèi)設(shè)置自動運行，

保護器禁止堆運行在高功率密度/低流量區(qū)，來防止兩相流不穩(wěn)定性的發(fā)生。日、美、德沸水堆機組和壓水堆機組

沸水堆與壓水堆技術(shù)比較

反應(yīng)堆物理和熱工水力的基本原理蒸汽產(chǎn)生的基本原理

堆芯與燃料設(shè)計堆芯冷卻劑系統(tǒng)

能量轉(zhuǎn)換和冷凝給水系統(tǒng)

廢物系統(tǒng)

其它輔助系統(tǒng)

嚴重事故狀態(tài)和程度

放射性照射

反應(yīng)堆物理和熱工水力的基本原理BWR和PWR的堆物理原理是非常相似都用2%～3%或更高富集度的UO2芯塊燃料。都采用非均勻堆芯設(shè)計概念，都以水為慢化劑和冷卻劑。主要區(qū)別就是在BWR堆芯形成的空泡影響，其直接影響著中子慢化和堆芯的反應(yīng)性以及堆芯熱傳導(dǎo)。

PWR和BWR在熱工水力方面的區(qū)別：BWRPWR·在壓力容器中有兩相流

·在壓力容器中是單相流·過冷和飽和冷卻劑

·過冷冷卻劑·形成空泡

·無空泡形成·避免過渡沸騰

·避免膜態(tài)沸騰·監(jiān)測最小臨界功率比

·監(jiān)測偏離泡核沸騰比·最小臨界功率擾動不會·偏離DNB比將會引起引起包殼峰值溫度包殼峰值溫度上升

蒸汽產(chǎn)生的基本原理

盡管都用輕水作為反應(yīng)堆冷卻劑和中子慢化劑，但他們的蒸汽產(chǎn)生方式是不同的：BWR PWR·直接循環(huán)

·間接循環(huán)·RPV壓力73.kg/cm2

·RPV壓力158kg/cm2·RPV溫度286℃

·RPV溫度320℃·蒸汽產(chǎn)生于RPV ·蒸汽產(chǎn)生于蒸發(fā)器

（汽水分離器和蒸汽干燥器

）

（通過二器路）·RPV內(nèi)允許沸騰

·RPV內(nèi)無沸騰

蒸汽產(chǎn)生方式的發(fā)展過程

在早期BWR和PWR的蒸汽產(chǎn)生方式相似。隨著時間的推移，BWR趨向簡單化,去掉了外部的蒸發(fā)器和外部循環(huán)冷卻泵，采用直接循環(huán)方式使蒸汽直接產(chǎn)生于反應(yīng)堆壓力容器中。BWR擁有能夠包容汽水分離器和蒸汽干燥器的稍大一些的壓力容器.PWR未做上述改進。外部蒸發(fā)器的存在仍為目前PWR的一種標準的設(shè)計。這樣和PWR相比起來，BWR的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)就大大簡化了。

主要核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備

BWR PWR·壓力容器·反應(yīng)堆壓力容器（蒸汽干燥器和汽水公離器）

·無蒸汽發(fā)生器

·4個蒸發(fā)器·無穩(wěn)壓器

·1個穩(wěn)壓器·內(nèi)置泵（ABWR）

·壓力容器外的主泵·下部插入的控制棒驅(qū)動機構(gòu)

·上端插入堆芯與燃料設(shè)計

BWR PWR·UO2芯塊及Zr包殼

·UO2芯塊及Zr包殼·每個盒內(nèi)8×8或9×9棒布置

·每個組件17×17個燃料棒·元件盒尺寸為15cm方，370cm長

·組件尺寸為21cm方，400cm長·燃料棒直徑10.6mm＊

·燃料棒直徑8.2mm·平均堆芯功率密度50kw/l·平均堆芯功率密度90kw/l·燃料燃耗（平均）45000MWd/T＊

·平均燃耗50000MWd/T·壓力容器尺寸

高：22m．壓力容器尺寸，高：12.6m

直徑：7m＊

直徑：4.4m

厚度：15cm厚度：22cm·堆芯壓降1.49·堆芯壓降1.45

反應(yīng)性控制原理

BWRPWR·控制棒（170～200）

·控制棒束（50～60）

十字形控制棒處于燃料間隙中

燃料棒間的棒束控制棒

B4C或HfB4C或Hf

反應(yīng)堆緊急停堆

反應(yīng)堆緊急停堆

燃料中的可燃毒物（Gd）

可燃毒物（Gd和其它的物類）·堆芯流量

·化學(xué)補償（含硼液體）

負空泡系數(shù)

停堆添加物

增加流量會引起反應(yīng)性和功率的增加

·負空泡系數(shù)

·由負到正的慢化劑溫度系數(shù)堆芯冷卻劑系統(tǒng)主要核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的控制和儀表系統(tǒng)

BWR和PWR的這

些系統(tǒng)和儀表的目的和功能相似。特殊的設(shè)計區(qū)別主要體現(xiàn)于兩種反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計原理的差別上。PWR需要更多的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的控制和儀表系統(tǒng)以支持其兩個非直接循環(huán)回路。BWR的控制和儀表系統(tǒng)則更偏重于整體化。

應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（ECCS）和

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（RPS）

BWR PWR·三套安全系統(tǒng)

·二套安全系統(tǒng)·多樣化的堆芯隔離冷卻

·事故給水·具有高

/低壓堆芯注入系統(tǒng)和·具有高

/低壓堆芯注入余熱導(dǎo)出系統(tǒng)系統(tǒng)和余熱導(dǎo)出系統(tǒng)·無需蓄壓器

·高壓注入時需蓄壓器·具有反應(yīng)堆壓力容器泄壓能力

·需高壓水對RPV注入·大容量高壓泵

·低容量高壓泵

保護系統(tǒng)停堆信號

BWR PWR·反應(yīng)堆高壓

·穩(wěn)壓器高壓·干井高壓

·穩(wěn)壓器低壓·反應(yīng)堆水位低

·穩(wěn)壓器高水位·主蒸汽中高放射性

·蒸發(fā)器水位低·反應(yīng)堆水位高

·中子通量過高·中子通量過高

·回路流量太低·汽輪機控制閥快速關(guān)閉

·超功率溫差·汽機閘閥關(guān)閉

·超溫溫差·主蒸汽隔離閥關(guān)閉

·汽機停機

·主泵電源欠壓

·主泵電源低頻供應(yīng)

·安注

能量轉(zhuǎn)換和冷凝給水系統(tǒng)

BWR和PWR的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相似，都有汽機和發(fā)電機，以及相關(guān)子系統(tǒng)包括冷凝給水系統(tǒng)等。到PWR汽機的蒸汽是來自二回路的蒸發(fā)器。而BWR的主蒸汽都直接產(chǎn)生于BWR的反應(yīng)堆壓力容器中。在反應(yīng)堆運行時，主蒸汽中含有半衰期僅為幾秒鐘的放射性氮-16，盡管如此，BWR的汽機還必須配以必要的生物屏蔽來用以職業(yè)防護。

安全殼設(shè)計

兩種堆型的安全殼比較BWR PWR·主系統(tǒng)設(shè)備少

·主系統(tǒng)設(shè)備多·濕安全殼

·干安全殼·抑壓概念

·沒有采用水水抑壓·干井、濕井和通孔

·無濕井·瞬態(tài)和事故時抑壓池可作為熱阱廢物系統(tǒng)

其它輔助系統(tǒng)

BWR和PWR的主控室暖通與空調(diào)系統(tǒng)都是與安全有關(guān)的系統(tǒng)。二者有許多相似之處。干井冷卻系統(tǒng)只有在BWR中才有，這一點其與PWR不同。較大的PWR安全殼包容著一個熱導(dǎo)出系統(tǒng)，該系統(tǒng)還有兩個分系統(tǒng)來冷卻安全殼。為了凈化反應(yīng)堆冷卻水，BWR有反應(yīng)堆冷卻水凈化系統(tǒng)PWR用化學(xué)和容積控制系統(tǒng)，運行時還用以反應(yīng)性控制。和PWR相比，BWR的余熱導(dǎo)出系統(tǒng)相對復(fù)雜一些，但其能在該系統(tǒng)利用同樣設(shè)備的情況下具有更多的冷卻功能。

安全系統(tǒng)中的電氣部分

BWR和PWR都設(shè)計成為在事故情況時具有安全停堆的能力。但是PWR采用的是N＋1的冗余原則，而BWR卻是N＋2。因此更高的冗余度使得BWR更加可靠和可利用。

運行和維修

BWRPWR·反應(yīng)性控制

·反應(yīng)性控制

整個周期內(nèi)僅幾根控制棒

許多控制棒束

流量控制用以調(diào)節(jié)功率

化學(xué)補