核动力装置概述A_核动力装置讲解

1、6/28/2021核动力装置核动力装置1 Nuclear Power Plant 核科学与技术学院核科学与技术学院 （V2009.03.02） MNPP-L01 6/28/2021核动力装置核动力装置2 教学内容教学内容 l核动力装置概论核动力装置概论 l反应堆主冷却剂系统反应堆主冷却剂系统 l一回路辅助系统一回路辅助系统 l二回路系统二回路系统 l水质监督和水处理水质监督和水处理 l核动力装置热力循环分析核动力装置热力循环分析 l核动力装置运行与控制核动力装置运行与控制 l核动力装置动力学基础核动力装置动力学基础 l核安全基础核安全基础 6/28/2021核动力装置核动力装置3 教学要求教学

2、要求 l教学方式：课堂讲授课堂讨论作业教学方式：课堂讲授课堂讨论作业 l考核方式：闭卷考试考核方式：闭卷考试 l最终成绩：最终成绩：考试成绩考试成绩60%60%课堂讨论课堂讨论20%20%作业作业20%20% l课堂讨论方式：课堂讨论方式：互问互答互问互答 （1 1）教师提出问题，同学回答）教师提出问题，同学回答 （2 2）同学提出问题，其他同学回答）同学提出问题，其他同学回答 l作业内容：作业内容： （1 1）系统设计）系统设计 （2 2）热力分析）热力分析 6/28/2021核动力装置核动力装置4 学习要点学习要点 1 系统的功用或作用系统的功用或作用 l为什么设置该系统？为什么设置该系统

3、？ l该系统在核动力装置中承担什么任务？该系统在核动力装置中承担什么任务？ 2 系统的基本组成系统的基本组成 l系统中包括哪些主要设备？系统中包括哪些主要设备？ l各设备如何组成一个完整系统？各设备如何组成一个完整系统？ 3 系统的运行原理系统的运行原理 l系统是如何实现其功能的？系统是如何实现其功能的？ l系统基本运行与控制原理系统基本运行与控制原理 6/28/2021核动力装置核动力装置5 教材以参考书教材以参考书 l教材教材 l船舶核动力装置船舶核动力装置 彭敏俊编著彭敏俊编著 原子能出版社，原子能出版社， 20092009 l参考书参考书 l 船舶核动力装置原理与设计船舶核动力装置原理

4、与设计 王兆祥等编王兆祥等编 国防工业出版社，国防工业出版社，19801980 l核能动力装置核能动力装置 薛汉俊主编薛汉俊主编 原子能出版社，原子能出版社， 19921992 6/28/2021核动力装置核动力装置6 1 核动力装置概述核动力装置概述 1.1 船舶动力装置主要类型及其特点船舶动力装置主要类型及其特点 1.2 核动力装置的原理及组成核动力装置的原理及组成 1.3 船舶核动力装置的技术经济指标船舶核动力装置的技术经济指标 1.4 船舶核动力装置的发展趋势船舶核动力装置的发展趋势 6/28/2021核动力装置核动力装置7 1.1 船舶动力装置主要类型及其特点船舶动力装置主要类型及其

5、特点 1. 船舶动力装置分类船舶动力装置分类 2. 船用核动力装置含义船用核动力装置含义 3. 核能的特点核能的特点 4. 核能用作船舶动力的优越性核能用作船舶动力的优越性 6/28/2021核动力装置核动力装置8 1.动力装置分类动力装置分类 新能源新能源 动力装置动力装置 联合联合 动力装置动力装置 核动力装置核动力装置 蒸汽轮机蒸汽轮机 动力装置动力装置 燃气轮机燃气轮机 动力装置动力装置 内燃机内燃机 动力装置动力装置 船舶船舶 动力装置动力装置 6/28/2021核动力装置核动力装置9 海军国家水面舰艇动力装置海军国家水面舰艇动力装置 l燃气轮机动力装置：燃气轮机动力装置：45.5%

6、 l柴油机动力装置：柴油机动力装置：20.1% l联合动力装置：联合动力装置：16.8% l蒸汽动力装置：蒸汽动力装置：14% l核动力装置：核动力装置：3.6% 6/28/2021核动力装置核动力装置10 l由锅炉提供蒸汽由锅炉提供蒸汽 l汽轮机将蒸汽的能量转换为机械功汽轮机将蒸汽的能量转换为机械功 蒸汽动力装置蒸汽动力装置 凝汽式汽轮机 6/28/2021核动力装置核动力装置11 蒸汽动力装置特点蒸汽动力装置特点 l优点优点 l汽轮机单机功率大，汽轮机单机功率大，1200MW1200MW； l汽轮机叶轮转速稳定，没有汽轮机叶轮转速稳定，没有 周期性作用力，机组振动、周期性作用力，机组振动、

7、 噪声小；噪声小； l磨损部件少，可靠性高；磨损部件少，可靠性高； l油质要求低，滑油消耗小；油质要求低，滑油消耗小； l汽轮机结构简单、紧凑管理汽轮机结构简单、紧凑管理 使用方便。使用方便。 l不足不足 l系统复杂；系统复杂； l重量尺寸大；重量尺寸大； l附属设备多；附属设备多； l热效率低；热效率低； l初投资大；初投资大； l机动性差。机动性差。 6/28/2021核动力装置核动力装置12 l通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的 热能直接转换为动力热能直接转换为动力 柴油机柴油机 船用大功率低速柴油机 6/28/2021核动力装置核动力装置13

8、柴油机特点柴油机特点 l优点优点 l热效率高、燃油消耗率低于蒸汽动力装置和燃气轮热效率高、燃油消耗率低于蒸汽动力装置和燃气轮 机；机； l辅助设备和机械较少，布置简单，结构紧凑，装置辅助设备和机械较少，布置简单，结构紧凑，装置 整体重量和尺寸较小；整体重量和尺寸较小； l具有良好的机动性，操作简单启动方便，正倒车转具有良好的机动性，操作简单启动方便，正倒车转 换迅速；换迅速； l易实现远距离操纵和自动控制。易实现远距离操纵和自动控制。 6/28/2021核动力装置核动力装置14 柴油机特点柴油机特点 l缺点缺点 l按功率比例重量和尺寸增加快，单机功率受限制；按功率比例重量和尺寸增加快，单机功率

9、受限制； l运行时振动、噪声大；运行时振动、噪声大； l中、高速柴油机的运动部件磨损较严重；中、高速柴油机的运动部件磨损较严重； l低转速时稳定性差，影响低速航行性能。低转速时稳定性差，影响低速航行性能。 6/28/2021核动力装置核动力装置15 l以连续流动的气体为工质，带动叶轮高速以连续流动的气体为工质，带动叶轮高速 旋转，将燃料的能量转变为有用功旋转，将燃料的能量转变为有用功 燃气轮机燃气轮机 112舰使用的燃机 6/28/2021核动力装置核动力装置16 燃气轮机特点燃气轮机特点 l优点优点 l启动加速快；启动加速快； l全负荷时燃油消耗低；全负荷时燃油消耗低； l振动噪声小；振动噪

10、声小； l结构紧凑、重量轻；结构紧凑、重量轻； l辅机及系统简单；辅机及系统简单； l操纵方便、维修性好。操纵方便、维修性好。 6/28/2021核动力装置核动力装置17 燃气轮机特点燃气轮机特点 l缺点缺点 l低负荷时燃料消耗高；低负荷时燃料消耗高； l高温热源大、对环境温度敏感；高温热源大、对环境温度敏感； l进排气尺寸大；进排气尺寸大； l自身不能反转倒车；自身不能反转倒车； l造价高。造价高。 6/28/2021核动力装置核动力装置18 2.船用核动力装置含义船用核动力装置含义 l将核燃料裂变产生的能量传输、分配并转换成推进船舶的将核燃料裂变产生的能量传输、分配并转换成推进船舶的 动力

11、动力 核能核能热能热能热能热能机械能机械能 电能电能 推进系统推进系统 动力设备动力设备 一回路一回路二回路二回路 6/28/2021核动力装置核动力装置19 潜艇核动力装置示意图潜艇核动力装置示意图 6/28/2021核动力装置核动力装置20 船用核动力装置发展历程船用核动力装置发展历程 世界上第一艘核潜艇世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺鹦鹉螺”号号 l1954年年1月，月，世界上第一艘核潜艇，也是美国海军第一艘世界上第一艘核潜艇，也是美国海军第一艘 核动力舰艇核动力舰艇 “鹦鹉螺鹦鹉螺”号下水号下水 l美国、苏联美国、苏联/俄罗斯、英国、俄罗斯、英国、 法国、中国法国、中国已经建造了已经建造了4

12、70多多 艘核动力舰船，至艘核动力舰船，至2002年，世年，世 界上仍然在役的核潜艇有界上仍然在役的核潜艇有150 多艘多艘 6/28/2021核动力装置核动力装置21 船舶核动力装置的应用船舶核动力装置的应用 船舶核动力装置船舶核动力装置 潜艇核动力装置潜艇核动力装置 水面舰船水面舰船 核动力装置核动力装置 攻击型核潜艇攻击型核潜艇 弹道导弹核潜艇弹道导弹核潜艇 航空母舰航空母舰 巡洋舰巡洋舰 驱逐舰驱逐舰 核商船核商船 6/28/2021核动力装置核动力装置22 装备核动力舰船的国家装备核动力舰船的国家 国家国家 美国美国 俄罗斯俄罗斯 /苏联苏联 核潜艇核潜艇 英国英国法国法国中国中国

13、巡洋舰巡洋舰 航空母舰航空母舰 核潜艇核潜艇核潜艇核潜艇 航空母舰航空母舰 核潜艇核潜艇 巡洋舰巡洋舰 破冰船破冰船 核潜艇核潜艇 6/28/2021核动力装置核动力装置23 3.核能的特点核能的特点 （1）核燃料具有极高的能量密度）核燃料具有极高的能量密度 （2）核裂变反应不需要氧气）核裂变反应不需要氧气 （3）核裂变过程伴随着大量放射性物质的产生）核裂变过程伴随着大量放射性物质的产生 6/28/2021核动力装置核动力装置24 l1kg铀铀-235完全裂变完全裂变19,600,000,000kcal l1kg标准煤完全燃烧标准煤完全燃烧 7,000kcal l1L重油完全燃烧重油完全燃烧

14、9,900kcal l1m3天然气完全燃烧天然气完全燃烧 9,800kcal 1kg铀铀-235完全裂变放出的热量相当于完全裂变放出的热量相当于2700吨标准煤完全吨标准煤完全 燃烧放出的热量燃烧放出的热量 同一质量下，核能比化学能大数百万倍同一质量下，核能比化学能大数百万倍 （1）核燃料具有极高的能量密度）核燃料具有极高的能量密度 6/28/2021核动力装置核动力装置25 （2）核裂变反应不需要氧气）核裂变反应不需要氧气 6/28/2021核动力装置核动力装置26 （3）核裂变过程伴随着放射性物质的产生）核裂变过程伴随着放射性物质的产生 l核裂变反应会产生大量的放射性物质。核裂变反应会产生

15、大量的放射性物质。 l核动力装置具有潜在的危险性。核动力装置具有潜在的危险性。 l需要采取严格的辐射防护措施；需要采取严格的辐射防护措施； l运行管理要求很高。运行管理要求很高。 6/28/2021核动力装置核动力装置27 4.核能用作船舶动力的优越性核能用作船舶动力的优越性 （1）燃料重量占全船载重量的比例较小）燃料重量占全船载重量的比例较小; （2）提供较大的续航力和推进功率）提供较大的续航力和推进功率; （3）提高潜艇的隐蔽性。）提高潜艇的隐蔽性。 6/28/2021核动力装置核动力装置28 l核动力舰船不需要携带大量的燃料，在反应堆寿期内不需要核动力舰船不需要携带大量的燃料，在反应堆寿

16、期内不需要 外界补充燃料外界补充燃料 l核动力舰船可携带更多的武器装备和其他物资，提高战斗力核动力舰船可携带更多的武器装备和其他物资，提高战斗力 和自持力和自持力 l可大大减少辅助舰船的数量，提高整个舰队的航速和续航力可大大减少辅助舰船的数量，提高整个舰队的航速和续航力 （1）燃料重量占全船载重量的比例较小）燃料重量占全船载重量的比例较小 6/28/2021核动力装置核动力装置29 概念概念1：续航力是舰艇装载一次燃料所能持续航行的距离：续航力是舰艇装载一次燃料所能持续航行的距离 概念概念2：舰船推进功率与航速的立方成正比：舰船推进功率与航速的立方成正比 l核潜艇：长寿命堆芯可用核潜艇：长寿命

17、堆芯可用10年以上，续航力超过年以上，续航力超过40万海里，万海里， 潜航距离占总航程的潜航距离占总航程的95%以上以上 l核动力装置的高功率可使核潜艇的水下航速、核动力航空母核动力装置的高功率可使核潜艇的水下航速、核动力航空母 舰的航速达到舰的航速达到30节（美国节（美国“海狼海狼”级核潜艇的最高航速级核潜艇的最高航速35节）节） 常规潜艇：航速常规潜艇：航速10节时，续航力达到节时，续航力达到1万海里，只能连续航万海里，只能连续航 行行610小时；水下最大航速为小时；水下最大航速为1525节节 （2）提供较大的续航力和功率）提供较大的续航力和功率 6/28/2021核动力装置核动力装置30

18、 l核潜艇核潜艇无需定期浮出水面用柴油发电机给蓄电池充电，可无需定期浮出水面用柴油发电机给蓄电池充电，可 长期潜航长期潜航 l水面舰船水面舰船不需要设置不需要设置进气道和烟囱，减少上层建筑，免受进气道和烟囱，减少上层建筑，免受 烟气的腐蚀和热气流的影响，降低了红外特征烟气的腐蚀和热气流的影响，降低了红外特征 大型水面舰船如航空母舰不需要布置烟囱，上层建筑大型水面舰船如航空母舰不需要布置烟囱，上层建筑 布置更为灵活布置更为灵活 （3）提高舰船的隐蔽性）提高舰船的隐蔽性 6/28/2021核动力装置核动力装置31 1.2 船舶核动力装置的原理及组成船舶核动力装置的原理及组成 1. 反应堆物理基础反

19、应堆物理基础 2. 船用动力堆选型船用动力堆选型 3. 船用核动力装置的基本组成船用核动力装置的基本组成 6/28/2021核动力装置核动力装置32 2. 船用动力堆选型船用动力堆选型 动力堆动力堆 类型类型 水冷堆水冷堆气冷堆气冷堆 压水堆压水堆 有机液有机液 冷却堆冷却堆 沸水堆沸水堆重水堆重水堆 液态金属液态金属 冷却堆冷却堆 金属钠金属钠 钠钠-钾钾 合金合金 铅铅-铋铋 合金合金 热中子堆热中子堆 快中子堆快中子堆 6/28/2021核动力装置核动力装置33 核反应堆的类型核反应堆的类型 l按引起裂变的按引起裂变的中子能量中子能量划分：划分： 快中子堆、热中子堆快中子堆、热中子堆 l

20、按按慢化剂的类型慢化剂的类型划分：划分： 轻水堆、重水堆、石墨堆轻水堆、重水堆、石墨堆 l按按冷却剂的类型冷却剂的类型划分：划分： 水冷堆水冷堆压水堆、沸水堆、重水堆压水堆、沸水堆、重水堆 气冷堆气冷堆高温气冷堆高温气冷堆 液态金属冷却堆液态金属冷却堆钠冷快中子堆钠冷快中子堆 有机液冷堆有机液冷堆 6/28/2021核动力装置核动力装置34 （1）压水堆的特点）压水堆的特点 l慢化剂采用轻水，冷却剂采用轻水，冷却剂在堆芯不沸腾慢化剂采用轻水，冷却剂采用轻水，冷却剂在堆芯不沸腾 l采用采用U-235富集度为富集度为34%的的UO2陶瓷燃料，在舰船压水陶瓷燃料，在舰船压水 堆上由于要提高堆芯寿命，

21、燃料的富集度一般都很高堆上由于要提高堆芯寿命，燃料的富集度一般都很高 l一、二回路之间相互隔离，二回路不需要屏蔽一、二回路之间相互隔离，二回路不需要屏蔽 l具有结构紧凑、体积小、功率密度高、平均燃耗较深等优具有结构紧凑、体积小、功率密度高、平均燃耗较深等优 点，技术比较成熟点，技术比较成熟 l在结构设计上采用多道屏障防止放射性物质外泄，而且冷在结构设计上采用多道屏障防止放射性物质外泄，而且冷 却剂具有负温度系数，使反应堆具有自稳自调特性，安全却剂具有负温度系数，使反应堆具有自稳自调特性，安全 性较好。性较好。 6/28/2021核动力装置核动力装置35 （2）沸水堆的特点）沸水堆的特点 l 沸

22、水堆以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂，在反应堆压力容器沸水堆以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂，在反应堆压力容器 内直接产生饱和蒸汽；内直接产生饱和蒸汽； l 沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、 建造费用低和负荷跟随能力强等优点，使用低富集铀作燃建造费用低和负荷跟随能力强等优点，使用低富集铀作燃 料；料； l不需要蒸汽发生器，运行参数较压水堆低；不需要蒸汽发生器，运行参数较压水堆低； l具有很强的自然循环能力，一般可达具有很强的自然循环能力，一般可达4050%FP，甚至，甚至 100%FP。 6/28/2021核动力装置核动力装置36 沸

23、水堆原理图沸水堆原理图 6/28/2021核动力装置核动力装置37 沸水堆的不足沸水堆的不足 l控制棒从压力容器下部插入堆芯，压力容器底部开有大量控制棒从压力容器下部插入堆芯，压力容器底部开有大量 孔洞，对压力容器的强度有不利影响；孔洞，对压力容器的强度有不利影响； l沸水堆虽然省去了蒸汽发生器等设备，但堆内结构复杂，沸水堆虽然省去了蒸汽发生器等设备，但堆内结构复杂， 同时由于水汽对中子慢化能力减弱，所需要装载的燃料更同时由于水汽对中子慢化能力减弱，所需要装载的燃料更 多，相同功率下体积要大于压水堆；多，相同功率下体积要大于压水堆； l而且由于放射性会进入汽轮机等设备，因此所需要屏蔽的而且由于

24、放射性会进入汽轮机等设备，因此所需要屏蔽的 体积和质量大大增加，也加大了维护难度。体积和质量大大增加，也加大了维护难度。 6/28/2021核动力装置核动力装置38 （3）重水堆的特点）重水堆的特点 l采用重水作慢化剂，可以直接利用天然铀作为核燃料；采用重水作慢化剂，可以直接利用天然铀作为核燃料； l可用轻水或重水作冷却剂；可用轻水或重水作冷却剂； l分压力容器式和压力管式两类；分压力容器式和压力管式两类； l是发展较早的堆型，有各种类别，但已实现工业规模推广的是发展较早的堆型，有各种类别，但已实现工业规模推广的 只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆。只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水

25、堆。 6/28/2021核动力装置核动力装置39 重水堆核蒸汽供应系统简图重水堆核蒸汽供应系统简图 6/28/2021核动力装置核动力装置40 重水堆的不足重水堆的不足 l堆芯体积比相同功率的压水堆大堆芯体积比相同功率的压水堆大10倍左右，不适合舰船装备倍左右，不适合舰船装备 l由于增加了慢化剂系统和重水系统，整个系统的复杂性大大由于增加了慢化剂系统和重水系统，整个系统的复杂性大大 增加，重水堆的系统数目是压水堆的增加，重水堆的系统数目是压水堆的2倍左右倍左右 l重水系统的胀接接头容易发生泄漏，影响正常运行。为此，重水系统的胀接接头容易发生泄漏，影响正常运行。为此， 一回路的冷却剂压力比压水堆

26、低一回路的冷却剂压力比压水堆低30左右，造成二回路的蒸左右，造成二回路的蒸 汽运行压力较低汽运行压力较低 6/28/2021核动力装置核动力装置41 （4）液态金属冷却堆的特点）液态金属冷却堆的特点 l采用具有很高传热率的液态钾采用具有很高传热率的液态钾-钠合金或者铅钠合金或者铅-铋合金作为冷铋合金作为冷 却剂，二回路采用水作循环工质，可以获得很高的出口温却剂，二回路采用水作循环工质，可以获得很高的出口温 度和效率；度和效率； 例如，美国的例如，美国的S2G型液态金属冷却堆的效率达到型液态金属冷却堆的效率达到22，而同期的压水堆，而同期的压水堆 只有只有17左右。左右。 l目前研究的快中子增殖

27、堆均采用液态金属作冷却剂，而没目前研究的快中子增殖堆均采用液态金属作冷却剂，而没 有慢化剂；有慢化剂； l用液态金属作冷却剂可大大提高一回路的温度，而系统压用液态金属作冷却剂可大大提高一回路的温度，而系统压 力只有力只有0.50.7MPa，既提高了装置的经济性，由于一回路，既提高了装置的经济性，由于一回路 压力降低，核动力装置也更加安全可靠。压力降低，核动力装置也更加安全可靠。 6/28/2021核动力装置核动力装置42 快堆核动力装置的两种形式快堆核动力装置的两种形式 回路式快堆系统回路式快堆系统 池式快堆系统池式快堆系统 6/28/2021核动力装置核动力装置43 液态金属冷却堆的不足液态

28、金属冷却堆的不足 l作为冷却剂的作为冷却剂的液态金属如液态金属如钠钠- -钾合金或铅钾合金或铅- -铋合金在常温下铋合金在常温下 为固态，为固态，需要专门的加热设备使堆芯和管道内作为冷却剂需要专门的加热设备使堆芯和管道内作为冷却剂 的金属保持液态，使反应堆的操作、维护变得很复杂，价的金属保持液态，使反应堆的操作、维护变得很复杂，价 格也高，为了加强屏蔽，使装置的重量加大；格也高，为了加强屏蔽，使装置的重量加大； l处于熔化状态的碱金属在高温时化学性能很活跃，有很强处于熔化状态的碱金属在高温时化学性能很活跃，有很强 的腐蚀性，一旦泄漏与水接触就会发生火灾和爆炸，因而的腐蚀性，一旦泄漏与水接触就会

29、发生火灾和爆炸，因而 可靠性和安全性较差。可靠性和安全性较差。 6/28/2021核动力装置核动力装置44 液态金属冷却堆的装备情况液态金属冷却堆的装备情况 l1957年服役的美国核潜艇年服役的美国核潜艇“海狼海狼”号（号（SSN-575）采用了液）采用了液 态金属堆，在经过态金属堆，在经过23个月运行后，由于高温液态钠将热交换个月运行后，由于高温液态钠将热交换 器管子蚀穿，发生了泄漏事件，在艇航行了器管子蚀穿，发生了泄漏事件，在艇航行了61600海里后，海里后， 又改换了压水堆。又改换了压水堆。 l1970年底，苏联年底，苏联“阿尔法阿尔法”级核潜艇级核潜艇K-64号因装备的液态号因装备的液态 金属堆发生堆芯熔毁事故而在巴伦支海沉没，暴露出这种堆金属堆发生堆芯熔毁事故而在巴伦支海沉没，暴露出这种堆 型的安全性问题，加之日常维护困难、噪声巨大，最终导致型的安全性问题，加之日常维护困难、噪声巨大，最终导致 这一级具有极高航速和大潜深的潜艇提前退役。这一级具有极高航速和大潜深的潜艇提前退役。 6/28/2021核动力装置核动力装置45 （5）高温气冷堆的特点）高温气冷堆的特点 l采用石墨作慢化剂，气体作冷却剂；采用石墨作慢化剂，气体作冷却剂； l高温气冷堆具有效率高、安全性好等突出优点，由于采用高温气冷堆具有效率高、安全性好等突出优点，由于采用 了密度和比热很小的气