压水堆核电厂基本原理

1、Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院压水堆核电厂基本原理秋穗正西安交通大学西安交通大学Telel:029-826656071315241031813152410318Email: Email: Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院利用核能生产电能的电厂称为核电厂。压水堆核电厂主要由压水反应堆、反应堆冷却剂系统（简称一回路）、蒸

2、汽和动力转换系统（又称二回路）、循环水系统、发电机和输配电系统及其辅助系统组成。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic

3、 Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院核心区：核心区

4、：主要由核岛和常规岛组成，包括反应堆厂房，辅助厂房，燃料贮存主要由核岛和常规岛组成，包括反应堆厂房，辅助厂房，燃料贮存厂房，主控制室，应急柴油发电机厂房，汽轮发电机厂房等。厂房，主控制室，应急柴油发电机厂房，汽轮发电机厂房等。三废区：三废区：主要由废液贮存、处理厂房，固化厂房，弱放废物库，固体废物贮主要由废液贮存、处理厂房，固化厂房，弱放废物库，固体废物贮存库，特种洗衣房和特种汽车库等组成。存库，特种洗衣房和特种汽车库等组成。供排水区：供排水区：主要有循环水泵房，输水隧洞，排水渠道，淡水净化处理车间，主要有循环水泵房，输水隧洞，排水渠道，淡水净化处理车间，消防站，高压消防泵房，排水泵房等组成。

5、消防站，高压消防泵房，排水泵房等组成。动力供应区：动力供应区：主要由冷冻机站，压缩空气及液氮贮存气化站，辅助锅炉房等主要由冷冻机站，压缩空气及液氮贮存气化站，辅助锅炉房等组成。组成。检修及仓库区：检修及仓库区：包括检修车间，材料仓库，设备综合仓库及危险品仓库等。包括检修车间，材料仓库，设备综合仓库及危险品仓库等。厂前区：厂前区：为电厂行政办公大楼及汽车、消防、保安及生活服务设施。为电厂行政办公大楼及汽车、消防、保安及生活服务设施。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院安全一级

6、安全一级安全一级主要包括组成反应堆冷却剂系统承压边界的所有部件。安全一级主要包括组成反应堆冷却剂系统承压边界的所有部件。安全二级安全二级主要指反应堆冷却剂系统承压边界内不属于安全一级的各种部件，以及为执行所有事故工况下停堆、主要指反应堆冷却剂系统承压边界内不属于安全一级的各种部件，以及为执行所有事故工况下停堆、维持堆芯冷却剂总量和排出堆芯热量及限制放射性物质向外释放的各种部件。维持堆芯冷却剂总量和排出堆芯热量及限制放射性物质向外释放的各种部件。安全三级安全三级主要指下述一些辅助系统的设备：为控制反应性提供硼酸的系统，辅助给水系统；设备冷却水系统主要指下述一些辅助系统的设备：为控制反应性提供硼酸

7、的系统，辅助给水系统；设备冷却水系统安全四级安全四级核岛中不属于安全一、二、三级的设备为非核安全等级。核岛中不属于安全一、二、三级的设备为非核安全等级。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院堆芯设计满足的一般要求：堆芯设计满足的一般要求：1 1 堆芯功率分布尽量均匀，以便堆芯有最大的功率输出堆芯功率分布尽量均匀，以便堆芯有最大的功率输出2 2 尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料，提高中子经济性尽量减少堆芯内不必要的中子吸收材料，提高中子经济性3 3 要有最佳的冷却剂流量分配和

8、最小的流动阻力要有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力4 4 有较长的堆芯寿命，适当的减少换料操作次数有较长的堆芯寿命，适当的减少换料操作次数5 5 堆芯结构紧凑，换料要简易方便。堆芯结构紧凑，换料要简易方便。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Grou

9、p秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院核燃料组件核燃料组件棒束控制棒组件棒束控制棒组件可燃毒物组件可燃毒物组件中子源组件中子源组件阻力塞组件阻力塞组件采用无盒、带指形控制组件的棒束型燃料组件。采用无盒、带指形控制组件的棒束型燃料组件。主要

10、结构：燃料棒骨架主要结构：燃料棒骨架骨架：上下管座，骨架：上下管座，8 8层定位格架，导向管层定位格架，导向管采用采用171717=289=264+24+1 17=289=264+24+1 正方形排列。正方形排列。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院结构组成结构组成选材原则：限制燃料和包壳选材原则：限制燃料和包壳 的使

11、用温度的使用温度包壳的作用以及选材特点包壳的作用以及选材特点机械强度机械强度第一道屏障第一道屏障 燃料芯块结构特点燃料芯块结构特点锆氢反应锆氢反应集气空腔盒充填气体作用：集气空腔盒充填气体作用：轴向空腔和径向间隙作用，轴向空腔和径向间隙作用，预冲压氦气技术作用预冲压氦气技术作用Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院结构尺寸：圆柱体形何谓“环脊” 现象为何采用碟形加倒角的结构形式如何防止辐照肿胀的破坏：1碟形加倒角 2制孔剂芯块密度的选择Nuclear Thermohydrau

12、lic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院材料： 锆4 合金燃料元件包壳壁厚的选择结构强度化学，腐蚀一定的安全裕度Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院定位格架定位格架控制棒导管控制棒导管中子通量测量导管中子通量测量导管上管座上管座下管座下管座Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院8

13、 8 层定位格架的作用层定位格架的作用材料及结构特点材料及结构特点混流翼混流翼Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院结构组成：结构组成：2424根吸收剂棒星形架根吸收剂棒星形架组件数目保证：组件数目保证： 卡棒准则，功率卡棒准则，功率分布，弹棒事故分布，弹棒事故 Nuclear Thermohydraulic Resea

14、rch Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院 结构特点：毂环，翼片，指形连接柄结构特点：毂环，翼片，指形连接柄Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院 黑棒黑棒 灰棒灰棒 材料材料 银铟镉银铟镉 不锈钢不锈钢 结构：结构： 二者相似二者相似黑棒束控制组件：黑棒束控制组件：2424根黑棒根黑棒灰棒束控制组件：灰棒束控制组件：8 8根黑棒根黑棒1616根灰棒根灰棒Nuclear Thermohydraulic Research

15、 Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院可燃毒物组件，初级中子源组件，次级中子源可燃毒物组件，初级中子源组件，次级中子源组件，阻力塞组件组件，阻力塞组件结构上的共同点：结构上的共同点：支承结构：一个压紧组件形成的支承结构支承结构：一个压紧组件形成的支承结构 24 24 根棒束根棒束Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院作用：作用：用于第一燃料循环，降低硼浓度，半尺用于第一燃料循环，降低硼浓度，半尺慢化剂的慢化剂的负温度系数

16、负温度系数可燃毒物材料：可燃毒物材料：硼玻璃管（硼玻璃管（B B2 2O O3 3+SiO+SiO2 2）初装料：初装料：484812(12(棒棒) )181816(16(棒棒)+2)+216=89616=896第一次换料时全部卸出，换阻力塞组件第一次换料时全部卸出，换阻力塞组件Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院作用：作用： 1 1 提高中子通量水平提高中子通量水平 2 2 点火点火初级中子源初级中子源 结构与材料：锎结构与材料：锎 初装料情况初装料情况次级中子源次级中子

17、源 结构与材料：锑、铍结构与材料：锑、铍 初装料情况初装料情况Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院作用：作用：304304不锈钢材料不锈钢材料初装料情况初装料情况前述各种堆芯相关组件前述各种堆芯相关组件都含有中子源组件，只都含有中子源组件，只有阻力塞组件全部是阻有阻力塞组件全部是阻力塞组件力塞组件Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear The

18、rmohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院堆内构件包括：堆内构件包括：堆芯下部支承结构，堆芯上部支承结构，控制棒堆芯下部支承结构，堆芯上部支承结构，控制棒束导向管和压紧弹簧组成。束导向管和压紧弹簧组成。功能：功能： 1 1 为冷却剂提供流道为冷却剂提供流道2 2 为压力容器提供屏蔽为压力容器提供屏蔽3 3 为燃料组件提供支承和压紧为燃料组件提供支承和压紧4 4 固定监督用的辐照样品固定监督用的辐照样品5 5 为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装置提供机械导向为棒束控制组件和传动轴以及上下堆芯测量装

19、置提供机械导向6 6 平衡机械载荷和水力载荷平衡机械载荷和水力载荷7 7 确保堆芯容器顶盖内的冷却水循环，以便顶盖保持一定的温度确保堆芯容器顶盖内的冷却水循环，以便顶盖保持一定的温度Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院1 1 吊篮筒体吊篮筒体2 2 下栅板组件下栅板组件3 3 围板幅板组件围板幅板组件4 4 热屏蔽组件热屏蔽组件5 5 防断支承组件防断支承组件Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007

20、.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院堆芯上栅格板堆芯上部支承柱棒束控制导向筒上部支承板Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院控制棒驱动机构：控制棒驱动机构：带动控制棒组件在堆芯内提升和下降，以带动控制棒组件在堆芯内提升和下降，以实现反应堆的启动，功率调节（调节棒），停堆和事故情况实现反应堆的启动，功率调节（调节棒）

21、，停堆和事故情况下的安全控制（安全棒）。下的安全控制（安全棒）。控制棒驱动机构要求：控制棒驱动机构要求：在正常运行工况下要求棒的移动速度在正常运行工况下要求棒的移动速度缓慢，缓慢，每秒钟行程约每秒钟行程约10mm10mm；在快速停堆或事故工况时要求驱；在快速停堆或事故工况时要求驱动机构在得到事故停堆信号后，靠自重快速插入堆芯，从得动机构在得到事故停堆信号后，靠自重快速插入堆芯，从得到信号到控制棒完全插入堆芯的紧急停堆时间一般到信号到控制棒完全插入堆芯的紧急停堆时间一般2 2秒钟秒钟左左右，以保证反应堆安全。右，以保证反应堆安全。Nuclear Thermohydraulic Research

22、Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院常用的驱动机构：常用的驱动机构：电磁步进式，电磁步进式，齿轮齿条式，水力驱动式齿轮齿条式，水力驱动式大亚湾核电厂采用三线圈电磁步大亚湾核电厂采用三线圈电磁步进式驱动机构进式驱动机构优点：优点： 提棒精度高，提升力大，提棒精度高，提升力大，不宜失步，结构简单，加工容易，不宜失步，结构简单，加工容易，拆装和维修方便等优点。需要紧拆装和维修方便等优点。需要紧急停堆时，只需要切断电源，控急停堆时，只需要切断电源，控制棒便可自由落体。制棒便可自由落体。Nuclear Thermohydraulic Researc

23、h Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件，工作在高压反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件，工作在高压( (15.5MPa15.5MPa左右左右) )、高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条、高温含硼酸水介质环境和放射性辐照的条件下，件下，寿命不少于寿命不少于4040年年。百万千瓦级核电厂压力容器。百万千瓦级核电厂压力容器高约高约13m13m，内径，内径5m,5m,筒体壁厚筒体壁厚200mm,200mm,总重约总重约330t330t。作用：作用： 1 1 防止放射性外逸第二道屏障防止放射性外逸第二道屏障

24、2 2 压力边界压力边界3 3 支承和固定作用支承和固定作用选材原则选材原则1 1 高度的完整性高度的完整性 2 2 适当的强度和足够的韧性适当的强度和足够的韧性3 3 低的辐照敏感性低的辐照敏感性 4 4 导热性能好导热性能好 5 5 便于加工制造，成本低便于加工制造，成本低Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院当前反应堆压力容器材料普遍选当前反应堆压力容器材料普遍选用用低合金钢低合金钢，与冷却剂接触表面，与冷却剂接触表面堆焊一层堆焊一层5mm5mm厚的不锈钢。厚的不锈钢。

25、低合金钢及其焊缝在快中子积分低合金钢及其焊缝在快中子积分通量大于通量大于10101818cmcm2 2后脆性转变温度后脆性转变温度明显升高。明显升高。相应措施：严格限制铜和磷这两相应措施：严格限制铜和磷这两种元素的含量，种元素的含量，添加少量铝、钒、添加少量铝、钒、铬，铂、镍铬，铂、镍等元素，尽量减少钢等元素，尽量减少钢的辐照损伤热屏。的辐照损伤热屏。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院压力温度运行限制曲线压力温度运行限制曲线限制因素：限制因素：压力容器的强度，主泵的限制：

26、汽蚀等，压力容器的强度，主泵的限制：汽蚀等， 低压蒸发等。低压蒸发等。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院筒体组合件筒体组合件 法兰环法兰环 接管段接管段 筒身筒身 冷却剂进、出口接管冷却剂进、出口接管顶盖组合件顶盖组合件底封头底封头法兰密封件法兰密封件Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院堆芯冷却剂出口温度测量装置堆芯冷却剂出口温度测量装置目的：目的：绘

27、制堆芯温度分布图和绘制堆芯温度分布图和确定最热通道确定最热通道布置：布置：堆芯上部堆芯上部堆芯中子通量分布测量装置堆芯中子通量分布测量装置目的：目的：建立中子通量分布图建立中子通量分布图（三维），确定（三维），确定热点热点? ?布置：布置：堆芯下部堆芯下部Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院作用：裂变产物与环境之作用：裂变产物与环境之间的最后一道屏障间的最后一道屏障安全壳厂房安全壳厂房安全壳环境控制系统安全壳环境控制系统安全壳贯穿与隔离系统安全壳贯穿与隔离系统Nuclear

28、 Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院2 24 4个环路个环路堆芯压力容器堆芯压力容器热腿热腿稳压器稳压器蒸汽发生器蒸汽发生器冷腿冷腿主泵主泵Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院闭合环路以反应堆为闭合环路以反应堆为中心呈辐射状布置中心呈辐射状布置只有一台稳压器只有一台稳压器堆芯低于出口管嘴，堆芯低于出口管嘴，利于堆芯淹没和自然利于堆芯淹没和自然循环循环Nuclear T

29、hermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院第一类第一类 牵涉到核安全的安全系统牵涉到核安全的安全系统第二类第二类 保证反应堆和压力回路正常启动、保证反应堆和压力回路正常启动、运行和停堆的核辅助系统运行和停堆的核辅助系统第三类第三类 回收和处理放射性废物以保护和监回收和处理放射性废物以保护和监测环境的系统测环境的系统Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院蒸汽发生器是压水堆核电厂蒸汽

30、发生器是压水堆核电厂一、二回路的枢纽一、二回路的枢纽，它将反应堆产生的热，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器量传递给蒸汽发生器二次侧二次侧，产生蒸汽推动汽轮机作功。蒸汽发生器，产生蒸汽推动汽轮机作功。蒸汽发生器又是又是分隔一、二次侧介质的屏障分隔一、二次侧介质的屏障，它对于核电厂的安全运行十分重要。，它对于核电厂的安全运行十分重要。（什么是一次侧和二次侧（什么是一次侧和二次侧? ?）压水堆核电厂运行经验表明，压水堆核电厂运行经验表明，蒸汽发生器传热管断裂事故在核电厂事蒸汽发生器传热管断裂事故在核电厂事故中居首要地位故中居首要地位。据报道，国外压水堆核电厂的非计划停堆次数中约。据报道，国外压水

31、堆核电厂的非计划停堆次数中约有有四分之一四分之一是因有关蒸汽发生器问题造成的。是因有关蒸汽发生器问题造成的。19921992年，在年，在205205座核电厂中报告蒸汽发生器有问题的达座核电厂中报告蒸汽发生器有问题的达172172座。同年，座。同年，美国压水堆核电厂的负荷因子由于蒸汽发生器问题美国压水堆核电厂的负荷因子由于蒸汽发生器问题( (包括传热管破损和包括传热管破损和更换蒸汽发生器更换蒸汽发生器) )而降低而降低3.31%3.31%。从。从1979-19941979-1994年，已有年，已有5555台蒸汽发生器台蒸汽发生器因传热管严重损坏而被更换，其实际使用寿命平均仅为约因传热管严重损坏而

32、被更换，其实际使用寿命平均仅为约1414年年( (寿命最寿命最短者仅短者仅8 8年年) )，远未达到，远未达到30304040年年的设计寿命。美国的设计寿命。美国19921992年更换磨石年更换磨石-2-2堆的两台蒸汽发生器堆的两台蒸汽发生器, ,停堆停堆192192天，耗资天，耗资1.91.9亿美元。亿美元。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院蒸汽发生器传热管面积占一回路承压边界面积的蒸汽发生器传热管面积占一回路承压边界面积的8080左右，传热管壁一般为左右，传热管壁一般

33、为1 11.2mm1.2mm。因而，。因而，传热管是整传热管是整个一回路压力边界中最薄弱的部分个一回路压力边界中最薄弱的部分。只要有一根蒸汽发生器传热管断裂就可能造成放射性只要有一根蒸汽发生器传热管断裂就可能造成放射性物质的泄漏及核电厂长期停闭。物质的泄漏及核电厂长期停闭。蒸汽发生器热工水力分析、腐蚀与传热管材料的研制、蒸汽发生器热工水力分析、腐蚀与传热管材料的研制、蒸汽发生器结构设计的改进、无损探伤技术、传热管蒸汽发生器结构设计的改进、无损探伤技术、传热管振动、磨损疲劳研究和二回路水质控制振动、磨损疲劳研究和二回路水质控制Nuclear Thermohydraulic Research Gr

34、oup秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院按照二回路工质在蒸汽发生器中按照二回路工质在蒸汽发生器中流动方式流动方式可分为可分为自然循环蒸汽自然循环蒸汽发生器和直流发生器和直流( (强迫循环强迫循环) )蒸汽发生器蒸汽发生器；按按传热管形状传热管形状可分为可分为U U型管、直管、螺旋管蒸汽发生器型管、直管、螺旋管蒸汽发生器；按设备的按设备的安放方式安放方式可分为可分为立式和卧式蒸汽发生器立式和卧式蒸汽发生器；按按结构特点结构特点还有带还有带预热器和不带预热器预热器和不带预热器的蒸汽发生器。的蒸汽发生器。压水堆核电厂使用较广泛的有三种：压水堆核电厂使用

35、较广泛的有三种：立式立式U U型管自然循环蒸汽型管自然循环蒸汽发生器、卧式自然循环蒸汽发生器和立式直流蒸汽发生器发生器、卧式自然循环蒸汽发生器和立式直流蒸汽发生器，其，其中尤以中尤以立式立式U U型管自然循环蒸汽发生器型管自然循环蒸汽发生器应用最为广泛。应用最为广泛。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院蒸汽发生器由下封头、蒸汽发生器由下封头、管板、管板、U U型管束、汽水型管束、汽水分离装置及筒体组件等分离装置及筒体组件等组成组成一、二回路冷却剂流程一、二回路冷却剂流程循环

36、倍率的定义循环倍率的定义Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院采用采用Inconel-690Inconel-690合金合金。该材料的抗腐蚀能力有显著改善。该材料的抗腐蚀能力有显著改善。传热管的损坏还与蒸汽发生器的传热管的损坏还与蒸汽发生器的热工水力特性热工水力特性和和水质条件水质条件密切相关。密切相关。蒸汽发生器的结构设

37、计、管材、水质控制等方面综合研究蒸汽发生器的结构设计、管材、水质控制等方面综合研究改进。改进。对于同种管材，采取适当的热处理及表面处理工艺对提高对于同种管材，采取适当的热处理及表面处理工艺对提高其抗腐蚀性能有重要意义。其抗腐蚀性能有重要意义。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院管板是一二次侧压力边界的一部分，它用管板是一二次侧压力边界的一部分，它用低合金高强度钢锻造低合金高强度钢锻造而成。蒸汽而成。蒸汽发生器的管板厚度达发生器的管板厚度达500500700mm700mm，属

38、超厚锻件，要求材料具有优良的塑韧，属超厚锻件，要求材料具有优良的塑韧性及淬透性。大型管板的管孔达近万个，而且对孔径公差、节距公差、形性及淬透性。大型管板的管孔达近万个，而且对孔径公差、节距公差、形位公差及管孔光洁度都要求很高。因而，深钻孔成为蒸汽发生器制造的关位公差及管孔光洁度都要求很高。因而，深钻孔成为蒸汽发生器制造的关键工艺键工艺, ,也是决定管板制造加工周期的重要因素。也是决定管板制造加工周期的重要因素。管板下方及与冷却剂接触的表面，应管板下方及与冷却剂接触的表面，应堆焊镍基合金堆焊镍基合金。管板二次侧表面附近，。管板二次侧表面附近，是发生传热管腐蚀最严重的区域之一，表面的质淤积比较严重

39、，所以现代是发生传热管腐蚀最严重的区域之一，表面的质淤积比较严重，所以现代蒸汽发生器一般采用蒸汽发生器一般采用管板全长度涨管工艺加端部密封焊接管板全长度涨管工艺加端部密封焊接，由此来保证管，由此来保证管子与管板之间的密封性，消除管子与管板的间隙。管板上表面水平地装设子与管板之间的密封性，消除管子与管板的间隙。管板上表面水平地装设有两根多孔的管道供连续排污用。有两根多孔的管道供连续排污用。涨管工艺加端部密封焊接涨管工艺加端部密封焊接在役检查和停堆换料时的检查：在役检查和停堆换料时的检查：放射性跟踪法，涡流探伤监测放射性跟踪法，涡流探伤监测Nuclear Thermohydraulic Resea

40、rch Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院下封头是蒸汽发生器中承受压差最大的部件，下封头是蒸汽发生器中承受压差最大的部件，通常呈半球形。通常呈半球形。 由于表面开有四个大孔由于表面开有四个大孔（接管和人孔），应力状态十分复杂，通常（接管和人孔），应力状态十分复杂，通常采用采用冲压成型制造冲压成型制造，技术难度大；也有的采，技术难度大；也有的采用用低合金钢铸造低合金钢铸造，工艺较简单，但须严格控，工艺较简单，但须严格控制铸件质量。制铸件质量。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.

41、12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院管束是呈正方形排列的倒管束是呈正方形排列的倒U U型管。型管。管束直段分布有若干块支撑板，管束直段分布有若干块支撑板， 用以保持管子之间的间距用以保持管子之间的间距。在在U U型管的顶部弯曲段有防振杆防止管子振动。型管的顶部弯曲段有防振杆防止管子振动。支撑板结构的设计上，应考虑二次侧流体的通过能力，流体支撑板结构的设计上，应考虑二次侧流体的通过能力，流体的流动阻力，限制流动引起的振动及管的流动阻力，限制流动引起的振动及管-孔间隙中的化学物孔间隙中的化学物质的浓缩。质的浓缩。四叶梅花孔四叶梅花孔( (见图见图) )。增加管。增加管- -

42、孔之间的流速，减少了腐蚀产物孔之间的流速，减少了腐蚀产物和化学物质的沉积，使得该区的腐蚀状况大为改善。和化学物质的沉积，使得该区的腐蚀状况大为改善。传热管四周用套筒包围，从而将传热管四周用套筒包围，从而将二次侧二次侧分隔为下降通道及上分隔为下降通道及上升通道，形成二次侧自然循环回路。升通道，形成二次侧自然循环回路。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7

43、核科学与技术学院核科学与技术学院蒸汽发生器筒体组件包括上封头、上筒体、下筒体、锥形过渡段等。上封头呈椭球形，蒸汽出口管嘴中有若干文丘里管组成的限流器，用来限制主蒸汽管道破裂时的蒸汽流量，防止事故时对一次侧的过度冷却，以避免反应堆在紧急停堆后重返临界。上筒体设有给水管嘴并与给水环相连。上筒体还设有两个人孔,必要时可以进人更换干燥器。下筒体在靠近管板处设有若干检查孔，以便检查该区域内的传热管表面和管板二次侧表面。必要时可用高压水冲洗管板上表面的淤渣。（超声波气泡冲洗技术）Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核

44、科学与技术学院核科学与技术学院 给水环的位置稍低于第一级汽水分离器，运行时它淹没在水面以下。给水经焊接在环管上的倒J型管分配到下降通道。给水环上倒J型管沿周边是不均匀分布的。大亚湾核电厂的蒸汽发生器给水环，80%的给水流向热侧，20%的给水流向冷侧。这种布置使蒸发器两侧的蒸发量大致相等，从而避免两侧之间发生热虹吸现象热虹吸现象。在管束下部略高于管板处，有一块流量分配板。板上钻的管孔比传热管的直径大，在中心处钻一大孔用于分配流量。 流量分配板与U型管束中间设置的挡块相结合，保证在平面上给水分布大致均匀并以足够大的流速冲刷管板表面。Nuclear Thermohydraulic Research

45、Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院汽水分离器是自然循环蒸汽发生器的重要部件。汽水分离器是自然循环蒸汽发生器的重要部件。自然循环蒸汽发生器的尺寸在很大程度上取决于汽水分离自然循环蒸汽发生器的尺寸在很大程度上取决于汽水分离装置的结构和工作特性。装置的结构和工作特性。蒸汽发生器的上部设有两级汽水分离器。汽水混合物离开蒸汽发生器的上部设有两级汽水分离器。汽水混合物离开传热管束后经上升段首先进入传热管束后经上升段首先进入旋叶式分离器旋叶式分离器，除掉大部分，除掉大部分水分，然后进入第二级分离器进一步除湿。水分，然后进入第二级分离器进一步除湿。 第

46、二级分离器第二级分离器一般是一般是人字型板式干燥器人字型板式干燥器。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院第二级汽水分离器一般采用图所示的带钩波纹板分离器。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院在设计状

47、态时循环倍率应大于在设计状态时循环倍率应大于4 44.54.5：传热要求：传热要求：循环倍率低，意味着管束出口区含汽量大，空泡循环倍率低，意味着管束出口区含汽量大，空泡份额高，因而传热差。为了保证管壁润湿，特别是防止局部份额高，因而传热差。为了保证管壁润湿，特别是防止局部区域出现缺液或干涸，一般要求管束出口处的蒸汽含量不超区域出现缺液或干涸，一般要求管束出口处的蒸汽含量不超过过20%25%20%25%，相当于循环倍率大于，相当于循环倍率大于4 4流动稳定性：流动稳定性：循环倍率低可能导致流动不稳定，流动振荡现循环倍率低可能导致流动不稳定，流动振荡现象使传热能力下降，当流动振荡的幅度足够大时，就

48、可能引象使传热能力下降，当流动振荡的幅度足够大时，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波动。经验证明，只要使管束区的起水和蒸汽流量的大幅度波动。经验证明，只要使管束区的蒸汽含量保持在较低的值或由此相应地把循环倍率保持在较蒸汽含量保持在较低的值或由此相应地把循环倍率保持在较高的水平，就能使流动达到稳定。高的水平，就能使流动达到稳定。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院管材腐蚀：管材腐蚀： 防止腐蚀的要求应适当提高循环倍率防止腐蚀的要求应适当提高循环倍率自然循环蒸汽发生器优缺点：自然

49、循环蒸汽发生器优缺点：优点优点：蓄水容积大，具有缓冲作用，对给水及蒸汽的控制要求不高，通过排污量调节炉水水质，：蓄水容积大，具有缓冲作用，对给水及蒸汽的控制要求不高，通过排污量调节炉水水质，传热管材料工作较可靠。传热管材料工作较可靠。缺点缺点：需要汽水分离装置，使蒸汽发生器结构复杂，只能产生饱和蒸汽，循环热效率较低，而且：需要汽水分离装置，使蒸汽发生器结构复杂，只能产生饱和蒸汽，循环热效率较低，而且对去湿装置的要求较高。对去湿装置的要求较高。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术

50、学院直流式蒸汽发生器优缺点直流式蒸汽发生器优缺点优点：优点：不需要汽水分离器，体积较小；可以获得温度较高不需要汽水分离器，体积较小；可以获得温度较高的微过热蒸汽得以提高电站热效率；变功率运行时的微过热蒸汽得以提高电站热效率；变功率运行时用改变水位的方式可使蒸汽压力基本保持不变。用改变水位的方式可使蒸汽压力基本保持不变。缺点：缺点：过热段蒸汽侧的传热系数小，要求较多的换热面积，过热段蒸汽侧的传热系数小，要求较多的换热面积，使贵重金属的管材的需要量增多，对二回路水质要使贵重金属的管材的需要量增多，对二回路水质要求十分严格，制造工艺要求高。求十分严格，制造工艺要求高。Nuclear Thermohy

51、draulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院直流蒸汽发生器有管外直流和直流蒸汽发生器有管外直流和管内直流两类。管内直流两类。管内直流指二次侧工质在传热管内直流指二次侧工质在传热管内流动，这种型式多用于核管内流动，这种型式多用于核动力舰船。动力舰船。在压水堆核电厂中均采用管外在压水堆核电厂中均采用管外直流蒸汽发生器。这种直管型直流蒸汽发生器。这种直管型蒸汽发生器必须解决问题是管蒸汽发生器必须解决问题是管束与筒体热膨胀差的补偿。束与筒体热膨胀差的补偿。Nuclear Thermohydraulic Research

52、Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院反应堆冷却剂泵是压水堆核电厂的最关键设备之一，对它反应堆冷却剂泵是压水堆核电厂的最关键设备之一，对它的基本要求是：的基本要求是：能够长期在无人维护情况下安全可靠的工作能够长期在无人维护情况下安全可靠的工作冷却剂的泄漏要尽可能的少冷却剂的泄漏要尽可能的少转动部件应有足够大的转动惯量转动部件应有足够大的转动惯量过流部件表面材料要求耐高温含硼酸水的腐蚀过

53、流部件表面材料要求耐高温含硼酸水的腐蚀便于维修便于维修屏蔽泵、轴密封泵屏蔽泵、轴密封泵Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院没有放射性介质外漏没有放射性介质外漏效率低，屏蔽电动机造效率低，屏蔽电动机造价昂贵，容量小，不宜价昂贵，容量小，不宜安装飞轮，因而转动惯安装飞轮，因而转动惯量小，维修不便等原因，量小，维修不便等原因，在核电厂中已普遍被轴在核电厂中已普遍被轴封泵取代。封泵取代。应用：核动力舰艇，钠应用：核动力舰艇，钠冷快堆，实验研究堆。冷快堆，实验研究堆。Nuclear

54、Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院采用常规的鼠笼式感应电机，成本降低，效率提高，采用常规的鼠笼式感应电机，成本降低，效率提高，比屏蔽泵效率高比屏蔽泵效率高10%10%20%20%。电机部分可以装一只很重的飞轮，提高了泵的惰转性电机部分可以装一只很重的飞轮，提高了泵的惰转性能，从而提高了全厂断电事故时反应堆的安全性。能，从而提高了全厂断电事故时反应堆的安全性。轴密封技术同样可以严格控制泄漏量。轴密封技术同样可以严格控制泄漏量。维修方便，轴密封结构的更换仅需维修方便，轴密封结构的更换仅需10

55、10个小时左右。个小时左右。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院现代压水堆核电厂采现代压水堆核电厂采用最广泛的是立式、用最广泛的是立式、单级轴密封泵。单级轴密封泵。从底部到顶部，它由从底部到顶部，它由水力机械部分、轴封水力机械部分、轴封组件和电机组件和电机三部分组三部分组成。采用立式放置便成。采用立式放置便于布置，减小反应堆于布置，减小反应堆厂房径向尺寸。厂房径向尺寸。 Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.

56、3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院水力机械部分包括泵的入口和出口接管、泵壳、法兰、叶水力机械部分包括泵的入口和出口接管、泵壳、法兰、叶轮、扩压段、泵轴、径向轴承及热屏组件。其基本功能是轮、扩压段、泵轴、径向轴承及热屏组件。其基本功能是将泵轴的机械能传递给流体并变为流体的静压能。将泵轴的机械能传递给流体并变为流体的静压能。泵的外壳包容并支撑着泵的水力部件，是反应堆冷却剂系统压力边界的一部分。泵壳是一泵的外壳包容并支撑着泵的水力部件，是反应堆冷却剂系统压力边界的一部分。泵壳是一个外形呈准球状的不锈钢铸件，其出入口接管焊接在一回路系统管道上。冷却剂从个外形呈准球状的不锈钢铸件，其

57、出入口接管焊接在一回路系统管道上。冷却剂从泵壳底泵壳底部沿叶轮部沿叶轮轴线流入，向上经轴线流入，向上经导流管导流管进入进入叶轮叶轮。通过叶轮后的冷却剂经。通过叶轮后的冷却剂经扩散器扩散器后通过与叶轮后通过与叶轮成切线方向的成切线方向的出口接管出口接管排出。排出。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院叶轮由不锈钢铸成，有七个叶片，叶轮是泵的核心叶轮由不锈钢铸成，有七个叶片，叶轮是泵的核心部件。靠叶轮的旋转使流体获取能量。部件。靠叶轮的旋转使流体获取能量。吸入导流管是一个不锈钢圆

58、筒，用螺栓固定在泵壳的内侧。它把吸入流体引进叶轮中心。吸入导流管是一个不锈钢圆筒，用螺栓固定在泵壳的内侧。它把吸入流体引进叶轮中心。扩压器由不锈钢铸造而成，它有扩压器由不锈钢铸造而成，它有1212个导叶，位于叶轮外侧。扩压器的作用是降低在扩压叶片之个导叶，位于叶轮外侧。扩压器的作用是降低在扩压叶片之间的延伸流道中的流体流速。把流体的速度头转换成静压头。扩压器末端与泵壳焊在一起。间的延伸流道中的流体流速。把流体的速度头转换成静压头。扩压器末端与泵壳焊在一起。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学

59、院核科学与技术学院泵轴承为泵轴提供径向支撑和对中。它由斯太立合金堆焊的不锈钢轴颈和石墨环构成的套筒组成，用水润滑和冷却。使通过轴承的水保持低温是重要的，因为高温会破坏石墨环并使轴承损坏。所用的轴承冷却水是化容系统的轴封注入水的一部分。Nuclear Thermohydraulic Research Group秋穗正秋穗正2007.12.3-2007.12.7核科学与技术学院核科学与技术学院在在叶轮叶轮与泵与泵径向轴承径向轴承之间装有热屏。它的作用是阻之间装有热屏。它的作用是阻止泵壳内高温的反应堆冷却剂向泵上方的泵径向轴止泵壳内高温的反应堆冷却剂向泵上方的泵径向轴承和密封组件的传热，使泵径向轴承

60、免受高温承和密封组件的传热，使泵径向轴承免受高温。热。热屏组件主要由两部分组成：一是安装在导叶内侧的屏组件主要由两部分组成：一是安装在导叶内侧的隔热套隔热套（又称防护套筒），二是安装在叶轮与泵径（又称防护套筒），二是安装在叶轮与泵径向轴承之间的由盘管组成的向轴承之间的由盘管组成的扁平状热交换器扁平状热交换器。在轴封水断流的情况下，它还能冷却向上流动的冷在轴封水断流的情况下，它还能冷却向上流动的冷却剂，以确保轴承的冷却和润滑。热屏热交换器盘却剂，以确保轴承的冷却和润滑。热屏热交换器盘管内循环着设备冷却水，供水温度管内循环着设备冷却水，供水温度3535。Nuclear Thermohydrauli