反应堆热工水力学——绪论ppt课件

1、反应堆热工水力学 王建军主要内容和要求 反应堆堆型及设计要点 典型压水反应堆热源、分布及计算 典型压水反应堆传热过程 典型压水反应堆水力特性 稳态热工分析 堆芯瞬态热工分析 热工分析程序类型及其简介考核方式 期末采用闭卷考试 日常考勤 作业 课堂表现本节课主要内容 常用反应堆堆型介绍 第四代反应堆简介常用反应堆堆型介绍 压水堆压水堆(Pressurized Water Reactor) 沸水堆沸水堆(Boiling Water Reactor) 重水堆重水堆Heavy Water Reactor） 气冷堆气冷堆(Gas Cooled Reactor) 钠冷快堆钠冷快堆(Sodium Coole

2、d Fast Reactor)压水堆水兼做慢化剂和冷却剂，冷却剂在水兼做慢化剂和冷却剂，冷却剂在堆芯不沸腾；堆芯不沸腾；采用采用U-235U-235富集度为富集度为3 3-4%-4%的的UO2UO2陶陶瓷燃料；瓷燃料；一、二回路之间相互隔离，二回路一、二回路之间相互隔离，二回路不需要屏蔽；不需要屏蔽；结构紧凑、堆芯体积小、功率密度结构紧凑、堆芯体积小、功率密度大，平均燃耗较深、建设周期短、大，平均燃耗较深、建设周期短、基建费用低；基建费用低；一回路压力一回路压力15.5MPa15.5MPa、二回路压力、二回路压力6 67MPa7MPa；反应堆具有自稳自调特性，安全性反应堆具有自稳自调特性，安全

3、性较好较好压水堆的特点压水堆反应堆内部结构 反应堆堆芯：反应堆的核心部件，包括燃料组件、控制棒组件、堆芯相关组件等； 堆内构件：堆芯下部支撑构件、堆芯上部支撑构件； 反应堆压力容器：容器及密封结构； 控制棒驱动机构：压力外壳、操作线圈、销爪组件、驱动杆、单棒位置指示线圈等；棒状燃料组件 燃料元件棒：由燃料芯块、燃料包壳、压紧弹簧、上下端塞等主要部件组成； 定位格架：支撑燃料元件，确保燃料元件径向定位，加强元件棒刚性的弹性构件，具备改善流动功能； 上、下管座：连接构件； 控制棒导向管：为控制棒插入与提出提供导向通道；稳压器结构 喷淋系统：位于稳压器顶部，包括主喷淋和辅助喷淋，用于减缓系统热冲击、

4、水温均匀及化学浓度、降低系统压力； 电加热器：直接浸没的直套管式电加热器，用于升高压力； 安全阀组：安装于稳压器顶部，由保护阀与隔离阀组成； 测量仪表：主要用于水位检测与显示；反应堆冷却剂泵 水力机械部分：泵体、热屏组件、泵轴承、轴封水； 轴封组件：由三道串联的轴封组成，位于泵轴的末端，保证正常运行期间从冷却剂系统沿泵轴向安全壳的泄漏量基本为零； 电动机部分：惰性飞轮、防逆转装置、止推轴承的径向轴承、油提升系统； 支撑系统和相关仪表；蒸汽发生器 主要部件：蒸发段和汽水分离段； 换热器类型：间壁式换热器，一回路具有放射性，管板与U形管属于冷却剂压力边界； 排污与给水：防止各种杂质高度浓缩以及一回

5、路向二回路泄漏，确保正常工况与特殊工况的给水要求； 水位控制及相关测量：水位测量及调整、给水流量、蒸汽流量、蒸汽压力等信号测量；压水堆所用材料 压力壳Mn-Mo-Ni低合金碳钢； 燃料二氧化铀； 包壳锆-4合金Zr-4）； 控制棒银-铟-镉合金/316，304不锈钢Ag-In-Cd/SS）； 长期反应性控制用硼酸； 传热管600，690，800合金；常用反应堆堆型介绍 压水堆(Pressurized Water Reactor) 沸水堆(Boiling Water Reactor) 重水堆Heavy Water Reactor） 气冷堆(Gas Cooled Reactor) 钠冷快堆(Sod

6、ium Cooled Fast Reactor)沸水堆沸水堆的特点l沸水堆以沸腾轻水为慢化剂和冷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却剂，在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽；产生饱和蒸汽；l沸水堆与压水堆同属轻水堆，都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，费用低和负荷跟随能力强等优点，使用低富集铀作燃料；使用低富集铀作燃料；l不需要蒸汽发生器，运行参数较不需要蒸汽发生器，运行参数较压水堆低；压水堆低；l具有很强的自然循环能力，一般具有很强的自然循环能力，一般可达可达40-50%FP40-50%FP，

7、甚至，甚至100%FP100%FP。沸水堆核电站原理流程沸水堆核电站原理流程沸水反应堆结构沸水反应堆结构沸水堆所用基本材料压力壳pressure vessel）(Mn-Mo-Ni)低合金碳钢low alloy carbon steel）燃料fuel）二氧化铀uranium dioxide UO2）包壳cladding）锆-2合金zircaloy-2）控制棒碳化硼/304不锈钢B4C /304SS）慢化剂，冷却剂轻水H2O）一回路水管304不锈钢蒸汽回路304，316不锈钢汽轮机铬-钼钢常用反应堆堆型介绍 压水堆(Pressurized Water Reactor) 沸水堆(Boiling Wa

8、ter Reactor) 重水堆Heavy Water Reactor） 气冷堆(Gas Cooled Reactor) 钠冷快堆(Sodium Cooled Fast Reactor)重水堆的特点l采用重水作慢化剂，可以直接采用重水作慢化剂，可以直接利用天然铀作为核燃料；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代表性重水堆核电厂代表性重水堆核电厂: :lCANDU(CANadian Deuterium CANDU(CANadian Deuterium Uranium Reactor)Uranium R

9、eactor)lACR-1000(Advanced CANDU ACR-1000(Advanced CANDU Reactor)Reactor)秦山三期核电站年发电近100亿千瓦时 CANDU 系统简图系统简图CANDU核岛系统核岛系统核蒸汽供应系统示意图核蒸汽供应系统示意图重水堆所用材料压力管容纳冷却剂）锆铌合金Zr-2.5Nb）排管容器容纳慢化剂）奥氏体不锈钢排管容器管子锆-2合金退火）燃料天然丰度的二氧化铀natural uranium）包壳锆-4合金，内壁涂有石墨层慢化剂和冷却剂重水D2O）端屏蔽奥氏体不锈钢嵌入环、屏蔽板、冷却水管碳钢中子吸收体镉棒液体注射停堆组件硝酸钆调节棒加水不锈

10、钢管常用反应堆堆型介绍 压水堆压水堆(Pressurized Water Reactor) 沸水堆沸水堆(Boiling Water Reactor) 重水堆重水堆Heavy Water Reactor） 气冷堆气冷堆(Gas Cooled Reactor) 钠冷快堆钠冷快堆(Sodium Cooled Fast Reactor)高温气冷堆的特点采用石墨作慢化剂，气体作冷却剂；采用石墨作慢化剂，气体作冷却剂；高温气冷堆具有效率高、安全性好等突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出优点，由于采用了密度和比热很小的气体作为工质，所以功率密度较小，堆气体作为工质，所以

11、功率密度较小，堆芯体积较大；芯体积较大；这种堆型对管路材料的耐高温性和密封这种堆型对管路材料的耐高温性和密封性都提出了很高的要求，目前对气体工性都提出了很高的要求，目前对气体工质的热工性质也需要进一步研究。质的热工性质也需要进一步研究。 早期的气冷堆：石墨为慢化剂，早期的气冷堆：石墨为慢化剂，CO2气体为冷却剂，气体为冷却剂，金属天然铀为燃料，镁诺克斯合金为燃料棒包壳材金属天然铀为燃料，镁诺克斯合金为燃料棒包壳材料，料，1956年英国建成年英国建成50MWe气冷堆电站并商用化，气冷堆电站并商用化，70年代初期，在英、法、意、日和西班牙等国建造年代初期，在英、法、意、日和西班牙等国建造36座，总

12、装机容量达到座，总装机容量达到8.2 GW电）；电）； 改进型气冷堆：包壳材料改为不锈钢，采用改进型气冷堆：包壳材料改为不锈钢，采用2浓浓缩铀，缩铀，1963年英国建造年英国建造32MWe原型堆，原型堆，1976-1988年，运行的年，运行的AGR共有共有14座，座，8.9GW，由于受，由于受到到CO2与不锈钢元件包壳材料化学相容性的限制与不锈钢元件包壳材料化学相容性的限制(690 )，使出口温度难以进一步提高，再加上功，使出口温度难以进一步提高，再加上功率密度低、燃耗低的限制，使其仍难以和压水堆在率密度低、燃耗低的限制，使其仍难以和压水堆在经济上竞争；经济上竞争； 高温气冷堆：采用高温气冷堆

13、：采用90以上的浓缩铀，全陶瓷燃料以上的浓缩铀，全陶瓷燃料元件及堆芯，采用元件及堆芯，采用He作为冷却剂，温度可提高到作为冷却剂，温度可提高到7501200，发电效率提高，同时可以为炼钢、，发电效率提高，同时可以为炼钢、煤的气化、核能制氢等工艺提供高温热源；煤的气化、核能制氢等工艺提供高温热源；气冷堆发展阶段气冷堆发展阶段清华大学清华大学10MW高温气冷实验堆高温气冷实验堆(HTR-10)清华大学清华大学HTR-10山东省示范工程山东省示范工程高温气冷堆燃料常用反应堆堆型介绍 压水堆压水堆(Pressurized Water Reactor) 沸水堆沸水堆(Boiling Water Reac

14、tor) 重水堆重水堆Heavy Water Reactor） 气冷堆气冷堆(Gas Cooled Reactor) 钠冷快堆钠冷快堆(Sodium Cooled Fast Reactor)钠冷快堆实现核燃料增殖，可使铀-238-238转变为钚- -239239；核燃料裂变主要由100keV100keV以上的快中子引起，堆内不需要慢化剂，堆芯有害吸收减少，转换比增大；使用传热能力强而慢化能力小的钠为冷却剂；可以在很高的温度下，在较小的温差情况下可以在很高的温度下，在较小的温差情况下移走大量的热能、可以达到较高的比功率，移走大量的热能、可以达到较高的比功率，由于热钠的热导好，热点因子也会减小，活

15、由于热钠的热导好，热点因子也会减小，活性区内温度变化随之降低，即使在热冲击情性区内温度变化随之降低，即使在热冲击情况下，结构变形的几率也非常小；况下，结构变形的几率也非常小；其熔点仅为其熔点仅为97.897.8，沸点高达，沸点高达882.9882.9，可，可采用比较低的系统压力就可以得到高的反应采用比较低的系统压力就可以得到高的反应堆堆芯出口温度，从而获得较高的动力循环堆堆芯出口温度，从而获得较高的动力循环效率，也就降低了发电成本；效率，也就降低了发电成本；在液态钠流道内的热阻不是集中在层流底层在液态钠流道内的热阻不是集中在层流底层或缓冲层内，而是比较均匀的分布在整个截或缓冲层内，而是比较均匀

16、的分布在整个截面上，流道形状对传热影响大，入口效应增面上，流道形状对传热影响大，入口效应增大；大；钠冷快堆特点钠冷堆主要结构型式钠冷快中子增殖堆所用材料燃料混合氧化铀钚钚含量2030%）包壳奥氏体不锈钢316SS或316Ti）元件盒马氏体-铁素体钢或奥氏体不锈钢控制棒碳化硼B4C）/300系列不锈钢传热管800合金或316SS及304 SS 容器材料316SS及304 SS快堆核电站流程Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR)CharacteristicsSodium coolant550C Outlet Temp150 to 500 MWeMetal fuel wit

17、h pyroprocessing , orMOX fuel with advanced aqueous processingBenefitsWaste minimization and efficient use of uranium resourcesU.S. Product Team Leader: Dr. Jordi Roglans (ANL)SFR Reference ParametersReactor Param eters Reference Value Outlet Tem perature 530-550 oC Pressure 1 Atm ospheres Rating 10

18、00-5000 M W th Fuel Oxide or m etal alloy Cladding Ferritic or ODS ferritic Average Burnup 150-200 GW D/M THM Conversion Ratio 0.5-1.30 Average Pow er Density 350 M W th/m3 Lead-Cooled Fast Reactor (LFR)CharacteristicsPb or Pb/Bi coolant550C to 800C outlet temperature120400 MWe1530 year core lifeCar

19、tridge core for regional fuel processingBenefitsProliferation resistance of long-life cartridge coreDistributed electricity generationHydrogen productionHigh degree of passive safetyU.S. Product Team Leader: Dr. Todd Allen (ANL)LFR Reference ParametersReference Value Reactor Parameters Pb-Bi Battery

20、 (nearer-term) Pb-Bi Module (nearer-term) Pb Large (nearer-term) Pb Battery (far-term) Coolant Pb-Bi Pb-Bi Pb Pb Outlet Temperature (C) 550 550 550 750800 Pressure (Atmospheres) 1 1 1 1 Rating (MWth) 125400 1000 3600 400 Fuel Metal Alloy or Nitride Metal Alloy Nitride Nitride Cladding Ferritic Ferri

21、tic Ferritic Ceramic coatings or refractory alloys Average Burnup (GWD/MTHM) 100 100150 100150 100 Conversion Ratio 1.0 ?1.0 1.01.02 1.0 Lattice Open Open Mixed Open Primary Flow Natural Forced Forced Natural Pin Linear Heat Rate Derated Nominal Nominal Derated Gas-Cooled Fast Reactor (GFR)Character

22、isticsHelium coolant850C outlet temperatureDirect gas-turbine cycle 600 MWth/288 MWeBenefitsWaste minimization and efficient use of uranium resourcesU.S. Product Team Leader: Dr. Kevan Weaver (INEEL)GFR Reference ParametersReactor Parameters Reference Value Reactor power 600 MWth Net plant efficienc

23、y (direct cycle helium) 48% Coolant inlet/outlet temperature and pressure 490C/850C at 90 bar Average power density 100 MWth/m3 Reference fuel compound UPuC/SiC (70/30%) with about 20% Pu content Volume fraction, Fuel/Gas/SiC 50/40/10% Conversion ratio Self-sufficient Burnup, Damage 5% FIMA; 60 dpa

24、Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR)CharacteristicsWater coolant at supercritical conditions550C outlet temperature1700 MWeSimplified balance of plantBenefitsEfficiency near 45% with excellent economicsU.S. Product Team Leader: Dr. Jacopo Buongiorno (INEEL)SCWR Reference ParametersReactor Param

25、eters Reference Value Plant capital cost $900/KW Unit power and neutron spectrum 1700 MWe, thermal spectrum Net efficiency 44% Coolant inlet and outlet temperatures and pressure 280C / 510C / 25 MPa Average power density 100 MWth/m3 Reference fuel UO2 with austenitic or ferritic-martensitic stainles

26、s steel, or Ni-alloy cladding Fuel structural materials cladding structural materials Advanced high-strength metal alloys are needed Burnup / Damage 45 GWD/MTHM; 1030 dpa Safety approach Similar to ALWRs Very-High-Temperature Reactor (VHTR)CharacteristicsHelium coolant1000C outlet temperatureWater-cracking cycleBenefitsHydrogen productionHigh degree of passive safetyHigh thermal efficiencyProcess heat applicationsU.S. Product Team Leader: Dr. Finis Southworth (INEEL)VHTR Reference ParametersReactor Parameters Reference Value Reactor power 600 MWth Coolant inlet/outlet temperat