1、1,核電廠系統(tǒng)及設(shè)備第一講,（20122013學(xué)年第二學(xué)期） 主講：田麗霞,2,綱 要,核電廠組成 核電廠平面布置 2.1 布置原則;2.2 布置分區(qū);2.3 核心區(qū)布置; 3. 核電廠主要廠房 3.1 主要廠房總體布置; 3.2 安全殼; 3.3 汽輪機(jī)廠房; 3.4 核燃料廠房; 3.5 核輔助廠房; 4. 核電廠設(shè)備安全功能及分級(jí) 4.1 安全功能及分級(jí); 4.2 抗震分類(lèi); 4.3 規(guī)范分級(jí)和質(zhì)保分組; 5. 核反應(yīng)堆的安全設(shè)計(jì) 5.1 縱深防御原則; 5.2 多道屏障(Multi-barrier); 5.3 安全設(shè)計(jì)的基本原則;,3,1. 核電廠組成,完成熱力循環(huán)的熱力系統(tǒng):一回路,

2、二回路(汽輪機(jī)組),三回路系統(tǒng)。 完成電力生產(chǎn)：一回路,二回路,三回路,發(fā)電機(jī)輸變電系統(tǒng),通常簡(jiǎn)單地稱(chēng)為堆,機(jī),電三大核心部分。,4,核島(nuclear island):一回路系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)、安全設(shè)施及廠房。 常規(guī)島(conventional island):汽輪發(fā)電機(jī)組為核心的二回路及其輔助系統(tǒng)和廠房。 配套設(shè)施( BOP: Balance of Plant)：除核島、常規(guī)島的其余部分。,5,6,壓水堆核電廠能量轉(zhuǎn)換,壓水堆核電廠將核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁欠炙膫€(gè)環(huán) 節(jié)，在四個(gè)主要設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的。,（1）核反應(yīng)堆：將核能經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并將熱能傳給反應(yīng)堆冷卻劑，是一回路壓力邊界的重要部件。 （2）蒸汽

3、發(fā)生器：將反應(yīng)堆冷卻劑的熱量傳遞給二回路的水，使其變?yōu)檎羝Ｔ诖酥贿M(jìn)行熱量交換，不進(jìn)行能量形態(tài)的轉(zhuǎn)變； （3）汽輪機(jī)：將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)的機(jī)械能； （4）發(fā)電機(jī)：將汽輪機(jī)傳來(lái)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?7,配套設(shè)施,a.直接為生產(chǎn)服務(wù)的:如除鹽水,壓縮空氣,輔助鍋爐等； b.保證設(shè)施:如在役檢查,輻射監(jiān)測(cè),廢物實(shí)驗(yàn)室,環(huán)境監(jiān)測(cè),氣象等； c.廠區(qū)設(shè)施:如保安,海工構(gòu)筑物,消防,排水； d.服務(wù)設(shè)施:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(控制,模擬,應(yīng)急,管理);文檔管理,通訊,培訓(xùn)中心與模擬機(jī)。 大亞灣核電廠共有348個(gè)系統(tǒng).,8,2. 核電廠平面布置,2.1 布置原則,a.區(qū)分臟凈,臟區(qū)盡可能在下風(fēng)口; b.滿(mǎn)足工

4、藝要求,便于設(shè)備運(yùn)輸,減少管線迂回縱橫交叉; c.反應(yīng)堆廠房為中心,輔助廠房,燃料廠房設(shè)在同一基巖的基墊層上,防止因廠房承載或地震所產(chǎn)生的沉降差導(dǎo)致管線斷裂. d.以反應(yīng)堆廠房為中心,輔助廠房,燃料廠房,主控制室應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)廠房四周.雙機(jī)組廠可采用對(duì)稱(chēng)布置,公用部分輔助廠房.,9,2.2 布置分區(qū),a.核心區(qū): 核島與常規(guī)島組成。反應(yīng)堆廠房為中心,輔助廠房,燃料廠房,主控制室應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)廠房,汽輪機(jī)廠房。 b.三廢區(qū): 廢液儲(chǔ)存處理廠房,固化廠房,弱放廢物庫(kù),固放廢物儲(chǔ)存庫(kù),特種洗衣房。 c.供排水區(qū): 循環(huán)水泵房,輸水隧洞,排水渠,淡水凈化處理車(chē)間,消防站等。,10,d.動(dòng)力供應(yīng)區(qū)： 冷

5、凍機(jī)，空壓機(jī)，液氮儲(chǔ)存氣化，輔助鍋爐。 e.檢修及倉(cāng)庫(kù)區(qū)： 檢修車(chē)間，材料倉(cāng)庫(kù),設(shè)備綜合倉(cāng)庫(kù)區(qū)等。 f.廠前區(qū): 行政辦公樓，汽車(chē)庫(kù)，消防生活服務(wù)設(shè)施，入口警衛(wèi)。,11,2.3 核心區(qū)布置,按反應(yīng)堆廠房與汽輪機(jī)廠房的相對(duì)位置,有T型 與L型布置： T型:汽輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)平面與安全殼不相交.占地大,單獨(dú)汽機(jī)廠房。 L型:汽輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)平面與安全殼相交,須設(shè)置防止汽輪機(jī)飛車(chē)時(shí)汽輪機(jī)葉片對(duì)安全殼和沖擊的屏障.占地少,兩臺(tái)以上機(jī)組可公用汽輪機(jī)廠房,僅用一臺(tái)吊車(chē)。 我國(guó)采用T型布置。,12,核電廠廠區(qū)L形布置,13,14,大亞灣核電廠廠區(qū)T型布置,15,16,3. 核電廠主要廠房,3.1 主要廠房總體布置

6、,17,3.2 安全殼 (containment)安全殼又叫做反應(yīng)堆廠房。我國(guó)采用核電廠安全殼是圓柱型預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼。壁厚約80cm;內(nèi)有厚6mm的鋼襯。容許泄漏：0.1Wt%/24hours設(shè)計(jì)壓力:0.52MPa,18,3.3 汽輪機(jī)廠房,19,20,3.4 核燃料廠房,燃料廠房?jī)?nèi)設(shè)有乏燃料貯存池，貯存池上方有一臺(tái)100150噸的橋式吊車(chē)。以吊裝乏燃料運(yùn)輸容器和乏燃料冷卻系統(tǒng)的所有設(shè)備。燃料廠房通過(guò)燃料輸送管與反應(yīng)堆廠房相連接。,21,3.5 核輔助廠房,輔助廠房是一個(gè)具有多種用途的鋼筋混凝土廠房。 一回路的一些輔助系統(tǒng)，如化容系統(tǒng)、硼與水補(bǔ)給系統(tǒng)，設(shè)冷水系統(tǒng)，安全注入系統(tǒng)廢物處理、等

7、以及該廠房必需的空氣處理及冷卻設(shè)備布置在此廠房?jī)?nèi)。,22,4. 核電廠設(shè)備安全功能及分級(jí),核電廠系統(tǒng)、設(shè)備和設(shè)施作用不同，要求不同，對(duì)設(shè)備的安全功能及按照其對(duì)安全的重要性，進(jìn)行分級(jí)，從而既保證安全性，又避免對(duì)設(shè)備要求過(guò)于嚴(yán)而影響經(jīng)濟(jì)性。 安全分級(jí)的目的是正確選擇用于設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。,23,4.1 安全功能及分級(jí),安全功能: 1 安全停堆和維持安全停堆狀態(tài)； 2 停堆后余熱導(dǎo)出； 3 事故后防止放射性物質(zhì)釋放，以保證放射性物質(zhì)釋放不超過(guò)容許值。,24,如何確定某物項(xiàng)對(duì)于安全的重要性？ 1 確定論方法； 2 概率論方法。 傳統(tǒng)上用第一種方法較多，隨著概率論方法的日益廣乏被接受，它也

8、被用來(lái)確定物項(xiàng)的安全等級(jí)。,25,1 確定論方法； 對(duì)那些對(duì)安全有重要作用的、其損壞會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重放射性釋放事故的系統(tǒng)設(shè)備，確定高的安全等級(jí)。 2 概率論方法： 根據(jù)某一安全功能所起作用的幾率以及該安全功能失效后果來(lái)評(píng)價(jià)承擔(dān)此安全功能設(shè)備對(duì)于安全的重要性。,26,安全分為四級(jí): 1 安全一級(jí)： 一回路承壓邊界所有部件；選用設(shè)備等級(jí)一級(jí)，質(zhì)量A組。按照實(shí)際可能的最高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造、安裝和實(shí)驗(yàn)。 2 安全二級(jí)： 余熱去除、安注和安噴系統(tǒng)。,27,3 安全三級(jí)： 輔助給水； 設(shè)備冷卻水； 乏燃料池冷卻系統(tǒng)； 為安全系統(tǒng)提供支持的系統(tǒng)和設(shè)施。 4 安全四級(jí)： 核島中不屬于安全三級(jí)以上的，但要求按照非和規(guī)范

9、和標(biāo)準(zhǔn)中較高要求設(shè)計(jì)制造。,28,29,4.2 抗震分類(lèi),抗震分為一、二類(lèi)和非抗震類(lèi)（NA）。 抗震一類(lèi)指其損害會(huì)直接或間接造成事故的工況以及用來(lái)實(shí)施停堆或維持停堆狀態(tài)的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備。 安全一、二、三級(jí)和LS和1E級(jí)電器設(shè)備屬抗震一類(lèi)。 抗震一類(lèi)要求滿(mǎn)足安全停堆地震載荷要求。,30,安全停堆地震是分析電廠所在區(qū)域地址和地震條件，分析當(dāng)?shù)氐乇硐挛镔|(zhì)的特性的基礎(chǔ)上所確定的可能發(fā)生的最大地震。安全停堆地震通常取當(dāng)?shù)貧v史上發(fā)生過(guò)的最大地震再加上一個(gè)適當(dāng)?shù)陌踩Ａ亢蟠_定的。,31,抗震二類(lèi)的表明設(shè)備的設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足能承受運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）引起載荷要求。 在美國(guó)，抗震I類(lèi)設(shè)備必定是安全級(jí)設(shè)備，而對(duì)非

10、安全級(jí)設(shè)備也可以提單獨(dú)的抗安全停堆地震要求。,32,4.3 規(guī)范分級(jí)和質(zhì)保分組,根據(jù)核電廠中系統(tǒng)和設(shè)備的安全等級(jí)和抗震類(lèi)別在機(jī)械設(shè)備中規(guī)定了它們相應(yīng)的設(shè)計(jì)、制造、檢查和驗(yàn)收要求。 這種要求體現(xiàn)在相應(yīng)的設(shè)備設(shè)計(jì)和制造規(guī)范中。例如美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）的鍋爐和承壓容器設(shè)計(jì)規(guī)范(見(jiàn)表2.1)或法國(guó)的RCCM壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則中規(guī)定了承壓部件（與安全有關(guān)或與安全無(wú)關(guān)）的設(shè)計(jì)、制造、檢查和驗(yàn)收的要求。,33,在核島供貨范圍中根據(jù)產(chǎn)品等級(jí)不同，可以分為不同的質(zhì)保組，分別明確地規(guī)定不同的質(zhì)量保證（QA）要求。這些分組應(yīng)與采用的安全準(zhǔn)則相適應(yīng)。,34,我國(guó)核電事業(yè)尚處在初始發(fā)展階段，雖然

11、制定了一套核安全法規(guī)，有完整的設(shè)備分級(jí)、抗震分類(lèi)和質(zhì)保分組要求，但沒(méi)有完整的核設(shè)備設(shè)計(jì)和制造規(guī)范。實(shí)際工作中根據(jù)情況參考美國(guó)規(guī)范或法國(guó)規(guī)范。表2.1列出了美國(guó)壓水堆核電廠部分系統(tǒng)、部件和構(gòu)筑物的分級(jí)，其中規(guī)范等級(jí)一欄中為美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）的鍋爐和承壓容器的設(shè)計(jì)規(guī)范，表示鍋爐和承壓容器的設(shè)計(jì)規(guī)范中無(wú)相應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)。,35,5. 核反應(yīng)堆的安全設(shè)計(jì),核電廠的安全設(shè)計(jì)中輻射防護(hù)應(yīng)遵循： 正常運(yùn)行工況下反射性排放低于預(yù)定限值，對(duì)環(huán)境與公眾的影響可以忽略不計(jì)；導(dǎo)致高輻射計(jì)量或放射性物質(zhì)大量釋放的事故概率要低，而發(fā)生概率較高的輻射后果要小。,36,5.1 縱深防御原則,2004年國(guó)家核安全局發(fā)布“

12、新建核電廠設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重要安全問(wèn)題”，明確縱深防御要貫徹到核電廠的全部活動(dòng)中。核電廠提供多層次的設(shè)備和規(guī)程，用以防止事故、或在未能防止事故發(fā)生時(shí)實(shí)施適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，保證核電廠的安全。,37,包括五道相繼深入而又相互增援的設(shè)計(jì)防御 措施，以此來(lái)保證核電廠的安全。 第一道防御：考慮對(duì)事故的預(yù)防。 核電廠的設(shè)計(jì)必須是穩(wěn)妥的和偏于安全的。建立一整套質(zhì)量保證和安全標(biāo)準(zhǔn)。核電廠必須按嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及質(zhì)量保證程序進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維修。電廠各系統(tǒng)、各設(shè)備不能出現(xiàn)不允許的差錯(cuò)或故障。,38,第二道防御：防止運(yùn)行中出現(xiàn)的偏差發(fā)展成為事故。 設(shè)置可靠的保護(hù)裝置和系統(tǒng)。探測(cè)妨礙安全的瞬變

13、，完成適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)動(dòng)作。必須按保守的設(shè)計(jì)實(shí)踐設(shè)計(jì)，留有足夠的安全裕量并配有重復(fù)探測(cè)、檢查和控制手段，各種測(cè)試儀表必須具備較高的可靠性。,39,第三道防御：限制事故的放射性后果，保障公眾的安全。 對(duì)付必須加以考慮的各種假想事故, 配置了專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施。輕水堆的典型假想事故有：一回路或二回路管道破裂、燃料操作事故、彈棒事故等(下圖)。輕水堆的專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施包括：應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)、安全殼及安全殼噴淋系統(tǒng)、安全殼隔離系統(tǒng)、消氫系統(tǒng)等。,40,41,第四道防御是應(yīng)付可能已超出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的嚴(yán)重事故，并使放射性后果合理盡量低。 主要任務(wù)是保護(hù)放射性包容功能。通過(guò)附加的措施和規(guī)程防止事故的發(fā)展。通過(guò)

14、減輕選定的嚴(yán)重事故后果，附以事故處置規(guī)程，達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。,42,除了上述四道防御外，對(duì)每個(gè)核電廠均應(yīng)制訂應(yīng)急計(jì)劃。 萬(wàn)一發(fā)生嚴(yán)重事故造成放射性大量外逸時(shí)，對(duì)附近居民實(shí)行隱蔽、疏散、供給藥物、封鎖食品，使放射性物質(zhì)釋放帶來(lái)的損害減小到最小。有時(shí)也把它稱(chēng)為第五道防御。 這道防御要求設(shè)置應(yīng)急中心，制定和實(shí)施廠區(qū)內(nèi)、外的應(yīng)急相應(yīng)計(jì)劃。,43,44,45,四個(gè)應(yīng)急狀態(tài)等級(jí) U: 應(yīng)急待命 A: 廠房應(yīng)急 S: 廠內(nèi)應(yīng)急 G: 廠外應(yīng)急,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,對(duì)應(yīng)急初始條件和應(yīng)急行動(dòng)水平可以

15、按照某 種方案進(jìn)行分類(lèi)，稱(chēng)之為識(shí)別類(lèi)。分為四 種： A類(lèi)為異常輻射水平和放射性流出物排放類(lèi)； F類(lèi)為裂變產(chǎn)物屏障喪失類(lèi)； H類(lèi)為影響電廠安全的災(zāi)害和其它條件類(lèi)； S為系統(tǒng)故障類(lèi)。,69,我國(guó)的核事故應(yīng)急工作是在1986年4月26日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電廠事故后，隨著我國(guó)秦山、大亞灣核電廠的建設(shè)而逐步發(fā)展起來(lái)的。國(guó)家核應(yīng)急預(yù)案（原稱(chēng)國(guó)家核應(yīng)急計(jì)劃）第一版編制于1996年，是我國(guó)公共安全應(yīng)急工作領(lǐng)域內(nèi)最早的應(yīng)急預(yù)案之一。該預(yù)案第二版于2001年11月頒布。2003年“非典”事件后，又開(kāi)始醞釀修訂。2004年12月，為了統(tǒng)一，國(guó)家核應(yīng)急計(jì)劃更名為國(guó)家核應(yīng)急預(yù)案。,我國(guó)核應(yīng)急計(jì)劃,70,制定事故應(yīng)急響應(yīng)

16、預(yù)案的目的是：在核電廠發(fā)生事故時(shí)，采取及時(shí)有效措施，保護(hù)公眾、保護(hù)環(huán)境，將事故損失減到最小。 下一步，將努力落實(shí)修訂后的國(guó)家核應(yīng)急預(yù)案，把核電廠以外的其他重要核設(shè)施（包括軍用核設(shè)施）納入國(guó)家核應(yīng)急管理體系。,我國(guó)核事故應(yīng)急管理體系： 核事故應(yīng)急工作實(shí)行國(guó)家、地方、核電廠三級(jí)管理制。,71,5.2 多道屏障(Multi-barrier),為了阻止放射性物質(zhì)向外擴(kuò)散，設(shè)計(jì)上的最重要安全措施之一，是在放射源與人之間設(shè)置了多道屏障。最為重要的是以下三道屏障。,72, 第一道屏障: 燃料元件包殼（cladding） 輕水堆核燃料采用低富集度二氧化鈾，將其燒結(jié)成芯塊，疊裝在鋯合金包殼管內(nèi)，兩端用端塞封焊住

17、。正常運(yùn)行時(shí)，僅有少量氣態(tài)裂變產(chǎn)物有可能穿過(guò)包殼擴(kuò)散到冷卻劑中；如包殼有缺陷或破裂，則將有較多的裂變產(chǎn)物進(jìn)入冷卻劑。設(shè)計(jì)時(shí)，假定有1%的包殼破裂和1%的裂變產(chǎn)物會(huì)從包殼逸出。據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì)，正常運(yùn)行時(shí)實(shí)際最大破損率為0.06%。,73,74,75,第二道屏障: 一回路壓力邊界(primary system envelope)。 壓水堆一回路壓力邊界由反應(yīng)堆容器和堆外冷卻劑環(huán)路組成，包括蒸汽發(fā)生器傳熱管、泵和連接管道。 材料選擇：不銹鋼；鎳集合金(SG傳熱管)； 制造：反應(yīng)堆壓力容器焊縫； 運(yùn)行：避免熱應(yīng)力過(guò)大(輔助噴淋使用限制),76,第三道屏障: 安全殼(containmant)，即反應(yīng)堆廠房。

18、 將反應(yīng)堆、冷卻劑系統(tǒng)的主要設(shè)備（包括一些輔助設(shè)備）和主管道包容在安全殼內(nèi)。當(dāng)事故（如失水事故、地震）發(fā)生時(shí)，它能阻止從一回路系統(tǒng)外逸的裂變產(chǎn)物泄漏到環(huán)境中去，是確保核電廠周?chē)用癜踩淖詈笠坏婪谰€。 安全殼也可保護(hù)重要設(shè)備免遭外來(lái)襲擊（如飛機(jī)墜落）的破壞。 安全殼密封要求：0.1/24hour; 定期貫穿件密封檢查，打壓試驗(yàn)。,77,有時(shí)見(jiàn)到四道屏障之說(shuō)，它們依次是： 燃料芯塊； 燃料元件包殼； 一回路壓力邊界； 氣密性的承壓反應(yīng)堆廠房（安全殼）。 只有這四道屏障同時(shí)遭到破壞，才會(huì)發(fā)生放射性大量釋破的事故。,78,5.3 安全設(shè)計(jì)的基本原則,核電廠安全設(shè)計(jì)的一般原則是：采用行之有效的工藝和通用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)管理，在整個(gè)設(shè)計(jì)階段和任何設(shè)計(jì)變更中必須明確安全職責(zé)。,79,核電廠各系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的基本原則有： 單一故障準(zhǔn)則 滿(mǎn)足單一故障準(zhǔn)則的設(shè)備組合，在其任何部位發(fā)生單一隨機(jī)故障時(shí)，仍能保持所賦于的功能。由單一隨機(jī)事件引起的各種繼發(fā)故障，均視作單一故障的組成部分。,80,多樣性原則 多樣性應(yīng)用于執(zhí)行同一功能的多重系統(tǒng)或部件，即通過(guò)多重系統(tǒng)或部件中引入不同屬性來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。 獲得不同屬性的方式有：采用不同的工作原理、不同的物理變量