反響堆熱工水力學(xué)王建軍2023/1/121主要內(nèi)容和要求反響堆堆型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)典型壓水反響堆熱源、分布及計(jì)算典型壓水反響堆傳熱過(guò)程典型壓水反響堆水力特性穩(wěn)態(tài)熱工分析堆芯瞬態(tài)熱工分析熱工分析程序類(lèi)型及其簡(jiǎn)介2023/1/122考核方式期末采用閉卷考試日?？记谧鳂I(yè)課堂表現(xiàn)2023/1/123本節(jié)課主要內(nèi)容常用反響堆堆型介紹第四代反響堆簡(jiǎn)介2023/1/124常用反響堆堆型介紹壓水堆(PressurizedWaterReactor)沸水堆(BoilingWaterReactor)重水堆〔HeavyWaterReactor〕氣冷堆(GasCooledReactor)鈉冷快堆(SodiumCooledFastReactor)2023/1/125壓水堆2023/1/126水兼做慢化劑和冷卻劑，冷卻劑在堆芯不沸騰；采用U-235富集度為3％-4%的UO2陶瓷燃料；一、二回路之間相互隔離，二回路不需要屏蔽；結(jié)構(gòu)緊湊、堆芯體積小、功率密度大，平均燃耗較深、建設(shè)周期短、基建費(fèi)用低；一回路壓力15.5MPa、二回路壓力6～7MPa；反響堆具有自穩(wěn)自調(diào)特性，平安性較好壓水堆的特點(diǎn)2023/1/127壓水堆反響堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)反響堆堆芯：反響堆的核心部件，包括燃料組件、控制棒組件、堆芯相關(guān)組件等；堆內(nèi)構(gòu)件：堆芯下部支撐構(gòu)件、堆芯上部支撐構(gòu)件；反響堆壓力容器：容器及密封結(jié)構(gòu)；控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：壓力外殼、操作線(xiàn)圈、銷(xiāo)爪組件、驅(qū)動(dòng)桿、單棒位置指示線(xiàn)圈等；2023/1/128棒狀燃料組件燃料元件棒：由燃料芯塊、燃料包殼、壓緊彈簧、上下端塞等主要部件組成；定位格架：支撐燃料元件，確保燃料元件徑向定位，加強(qiáng)元件棒剛性的彈性構(gòu)件，具備改善流動(dòng)功能；上、下管座：連接構(gòu)件；控制棒導(dǎo)向管：為控制棒插入與提出提供導(dǎo)向通道；2023/1/129穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)噴淋系統(tǒng)：位于穩(wěn)壓器頂部，包括主噴淋和輔助噴淋，用于減緩系統(tǒng)熱沖擊、水溫均勻及化學(xué)濃度、降低系統(tǒng)壓力；電加熱器：直接浸沒(méi)的直套管式電加熱器，用于升高壓力；平安閥組：安裝于穩(wěn)壓器頂部，由保護(hù)閥與隔離閥組成；測(cè)量?jī)x表：主要用于水位檢測(cè)與顯示；2023/1/1210反響堆冷卻劑泵水力機(jī)械局部：泵體、熱屏組件、泵軸承、軸封水；軸封組件：由三道串聯(lián)的軸封組成，位于泵軸的末端，保證正常運(yùn)行期間從冷卻劑系統(tǒng)沿泵軸向平安殼的泄漏量根本為零；電動(dòng)機(jī)局部：惰性飛輪、防逆轉(zhuǎn)裝置、止推軸承的徑向軸承、油提升系統(tǒng)；支撐系統(tǒng)和相關(guān)儀表；2023/1/1211蒸汽發(fā)生器主要部件：蒸發(fā)段和汽水別離段；換熱器類(lèi)型：間壁式換熱器，一回路具有放射性，管板與U形管屬于冷卻劑壓力邊界；排污與給水：防止各種雜質(zhì)高度濃縮以及一回路向二回路泄漏，確保正常工況與特殊工況的給水要求；水位控制及相關(guān)測(cè)量：水位測(cè)量及調(diào)整、給水流量、蒸汽流量、蒸汽壓力等信號(hào)測(cè)量；2023/1/1212

壓水堆所用材料壓力殼——Mn-Mo-Ni低合金碳鋼；燃料——二氧化鈾；包殼——鋯-4合金〔Zr-4〕；控制棒——銀-銦-鎘合金/316，304不銹鋼〔Ag-In-Cd/SS〕；長(zhǎng)期反響性控制用硼酸；傳熱管——600，690，800合金；2023/1/1213常用反響堆堆型介紹壓水堆(PressurizedWaterReactor)沸水堆(BoilingWaterReactor)重水堆〔HeavyWaterReactor〕氣冷堆(GasCooledReactor)鈉冷快堆(SodiumCooledFastReactor)2023/1/1214沸水堆2023/1/1215沸水堆的特點(diǎn)沸水堆以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑，在反響堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽；沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都具有結(jié)構(gòu)緊湊、平安可靠、建造費(fèi)用低和負(fù)荷跟隨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使用低富集鈾作燃料；不需要蒸汽發(fā)生器，運(yùn)行參數(shù)較壓水堆低；具有很強(qiáng)的自然循環(huán)能力，一般可達(dá)40-50%FP，甚至100%FP。2023/1/1216沸水堆核電站原理流程沸水反響堆結(jié)構(gòu)2023/1/1217

沸水堆所用根本材料壓力殼〔pressurevessel〕——(Mn-Mo-Ni)低合金碳鋼〔lowalloycarbonsteel〕燃料〔fuel〕——二氧化鈾〔uraniumdioxideUO2〕包殼〔cladding〕——鋯-2合金〔zircaloy-2〕控制棒——碳化硼/304不銹鋼〔B4C/304SS〕慢化劑，冷卻劑——輕水〔H2O〕一回路水管——304不銹鋼蒸汽回路——304，316不銹鋼汽輪機(jī)——鉻-鉬鋼2023/1/1218常用反響堆堆型介紹壓水堆(PressurizedWaterReactor)沸水堆(BoilingWaterReactor)重水堆〔HeavyWaterReactor〕氣冷堆(GasCooledReactor)鈉冷快堆(SodiumCooledFastReactor)2023/1/1219重水堆的特點(diǎn)采用重水作慢化劑，可以直接利用天然鈾作為核燃料；可用輕水或重水作冷卻劑；分壓力容器式和壓力管式兩類(lèi)；代表性重水堆核電廠:CANDU(CANadianDeuteriumUraniumReactor)ACR-1000(AdvancedCANDUReactor)2023/1/1220秦山三期核電站年發(fā)電近100億千瓦時(shí)

2023/1/1221CANDU系統(tǒng)簡(jiǎn)圖2023/1/1222CANDU核島系統(tǒng)2023/1/1223核蒸汽供給系統(tǒng)示意圖2023/1/1224

重水堆所用材料壓力管〔容納冷卻劑〕——鋯鈮合金〔Zr-2.5Nb〕排管容器〔容納慢化劑〕——奧氏體不銹鋼排管容器管子——鋯-2合金〔退火〕燃料——天然豐度的二氧化鈾〔naturaluranium〕包殼——鋯-4合金，內(nèi)壁涂有石墨層慢化劑和冷卻劑——重水〔D2O〕端屏蔽——奧氏體不銹鋼嵌入環(huán)、屏蔽板、冷卻水管——碳鋼中子吸收體——鎘棒液體注射停堆組件——硝酸釓調(diào)節(jié)棒——加水不銹鋼管2023/1/1225常用反響堆堆型介紹壓水堆(PressurizedWaterReactor)沸水堆(BoilingWaterReactor)重水堆〔HeavyWaterReactor〕氣冷堆(GasCooledReactor)鈉冷快堆(SodiumCooledFastReactor)2023/1/1226高溫氣冷堆的特點(diǎn)采用石墨作慢化劑，氣體作冷卻劑；高溫氣冷堆具有效率高、平安性好等突出優(yōu)點(diǎn)，由于采用了密度和比熱很小的氣體作為工質(zhì)，所以功率密度較小，堆芯體積較大；這種堆型對(duì)管路材料的耐高溫性和密封性都提出了很高的要求，目前對(duì)氣體工質(zhì)的熱工性質(zhì)也需要進(jìn)一步研究。

2023/1/1227早期的氣冷堆：石墨為慢化劑，CO2氣體為冷卻劑，金屬天然鈾為燃料，鎂諾克斯合金為燃料棒包殼材料，1956年英國(guó)建成50MWe氣冷堆電站并商用化，70年代初期，在英、法、意、日和西班牙等國(guó)建造36座，總裝機(jī)容量到達(dá)8.2GW〔電〕；改進(jìn)型氣冷堆：包殼材料改為不銹鋼，采用2％濃縮鈾，1963年英國(guó)建造32MWe原型堆，1976-1988年，運(yùn)行的AGR共有14座，8.9GW，由于受到CO2與不銹鋼元件包殼材料化學(xué)相容性的限制(690℃)，使出口溫度難以進(jìn)一步提高，再加上功率密度低、燃耗低的限制，使其仍難以和壓水堆在經(jīng)濟(jì)上競(jìng)爭(zhēng)；高溫氣冷堆：采用90％以上的濃縮鈾，全陶瓷燃料元件及堆芯，采用He作為冷卻劑，溫度可提高到750～1200℃，發(fā)電效率提高，同時(shí)可以為煉鋼、煤的氣化、核能制氫等工藝提供高溫?zé)嵩?；氣冷堆開(kāi)展階段2023/1/1228清華大學(xué)10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆(HTR-10)清華大學(xué)HTR-10山東省示范工程2023/1/1229高溫氣冷堆燃料2023/1/1230常用反響堆堆型介紹壓水堆(PressurizedWaterReactor)沸水堆(BoilingWaterReactor)重水堆〔HeavyWaterReactor〕氣冷堆(GasCooledReactor)鈉冷快堆(SodiumCooledFastReactor)2023/1/1231鈉冷快堆實(shí)現(xiàn)核燃料增殖，可使鈾-238轉(zhuǎn)變?yōu)轭?239；核燃料裂變主要由100keV以上的快中子引起，堆內(nèi)不需要慢化劑，堆芯有害吸收減少，轉(zhuǎn)換比增大；使用傳熱能力強(qiáng)而慢化能力小的鈉為冷卻劑；2023/1/1232可以在很高的溫度下，在較小的溫差情況下移走大量的熱能、可以到達(dá)較高的比功率，由于熱鈉的熱導(dǎo)好，熱點(diǎn)因子也會(huì)減小，活性區(qū)內(nèi)溫度變化隨之降低，即使在熱沖擊情況下，結(jié)構(gòu)變形的幾率也非常??；其熔點(diǎn)僅為97.8℃，沸點(diǎn)高達(dá)882.9℃，可采用比較低的系統(tǒng)壓力就可以得到高的反響堆堆芯出口溫度，從而獲得較高的動(dòng)力循環(huán)效率，也就降低了發(fā)電本錢(qián)；在液態(tài)鈉流道內(nèi)的熱阻不是集中在層流底層或緩沖層內(nèi)，而是比較均勻的分布在整個(gè)截面上，流道形狀對(duì)傳熱影響大，入口效應(yīng)增大；鈉冷快堆特點(diǎn)2023/1/1233鈉冷堆主要結(jié)構(gòu)型式2023/1/1234

鈉冷快中子增殖堆所用材料燃料——混合氧化鈾钚〔钚含量20～30%〕包殼——奧氏體不銹鋼〔316SS或316Ti〕元件盒——馬氏體-鐵素體鋼或奧氏體不銹鋼控制棒——碳化硼〔B4C〕/300系列不銹鋼傳熱管——800合金或316SS及304SS容器材料——316SS及304SS2023/1/1235快堆核電站流程2023/1/12362023/1/1237Sodium-CooledFastReactor(SFR)CharacteristicsSodiumcoolant550°COutletTemp150to500MWeMetalfuelwithpyroprocessing,orMOXfuelwithadvancedaqueousprocessingBenefitsWasteminimizationandefficientuseofuraniumresourcesU.S.ProductTeamLeader:Dr.JordiRoglans(ANL)2023/1/1238SFRReferenceParameters2023/1/1239Lead-CooledFastReactor(LFR)CharacteristicsPborPb/Bicoolant550°Cto800°Coutlettemperature120–400MWe15–30yearcorelifeCartridgecoreforregionalfuelprocessingBenefitsProliferationresistanceoflong-lifecartridgecoreDistributedelectricitygenerationHydrogenproductionHighdegreeofpassivesafetyU.S.ProductTeamLeader:Dr.ToddAllen(ANL)2023/1/1240LFRReferenceParameters2023/1/1241Gas-CooledFastReactor(GFR)CharacteristicsHeliumcoolant850°CoutlettemperatureDirectgas-turbinecycle600MWth/288MWeBenefitsWasteminimizationandefficientuseofuraniumresourcesU.S.ProductTeamLeader:Dr.KevanWeaver(INEEL)2023/1/1242GFRReferenceParameters2023/1/1243Supercritical-Water-CooledReactor(SCWR)CharacteristicsWatercoolantatsupercriticalconditions550°Coutlettemperature1700MWeSimplifiedbalanceofplantBenefitsEfficiencynear45%withexcellenteconomicsU.S.ProductTeamLeader:Dr.JacopoBuongiorno(INEEL)2023/1/12442023/1/1245SCWRReferenceParameters2023/1/1246Very-High-TemperatureReactor(VHTR)CharacteristicsHeliumcoolant1000°CoutlettemperatureWat