核动力装置概述A核动力装置

核动力装置概述A核动力装置第1页/共49页14April20232［教学内容］核动力装置概论反应堆主冷却剂系统一回路辅助系统二回路系统水质监督和水处理核动力装置热力循环分析核动力装置运行与控制核动力装置动力学基础核安全基础第2页/共49页14April20233［教学要求］教学方式：课堂讲授＋课堂讨论＋作业考核方式：闭卷考试最终成绩：考试成绩60%＋课堂讨论20%＋作业20%课堂讨论方式：互问互答（1）教师提出问题，同学回答（2）同学提出问题，其他同学回答作业内容：（1）系统设计（2）热力分析第3页/共49页14April20234［学习要点］1系统的功用或作用为什么设置该系统？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中包括哪些主要设备？各设备如何组成一个完整系统？3系统的运行原理系统是如何实现其功能的？系统基本运行与控制原理第4页/共49页14April20235［教材以参考书］教材《船舶核动力装置》彭敏俊编著原子能出版社，2009参考书

《船舶核动力装置原理与设计》王兆祥等编国防工业出版社，1980《核能动力装置》薛汉俊主编原子能出版社，1992第5页/共49页14April202361核动力装置概述1.1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1.3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第6页/共49页14April202371.1船舶动力装置主要类型及其特点1.船舶动力装置分类 2.船用核动力装置含义3.核能的特点4.核能用作船舶动力的优越性第7页/共49页14April202381.动力装置分类船舶动力装置内燃机动力装置燃气轮机动力装置蒸汽轮机动力装置核动力装置联合动力装置新能源动力装置第8页/共49页14April20239海军国家水面舰艇动力装置燃气轮机动力装置：45.5%柴油机动力装置：20.1%联合动力装置：16.8%蒸汽动力装置：14%核动力装置：3.6%第9页/共49页14April202310由锅炉提供蒸汽汽轮机将蒸汽的能量转换为机械功蒸汽动力装置▲凝汽式汽轮机第10页/共49页14April202311蒸汽动力装置特点优点汽轮机单机功率大，1200MW；汽轮机叶轮转速稳定，没有周期性作用力，机组振动、噪声小；磨损部件少，可靠性高；油质要求低，滑油消耗小；汽轮机结构简单、紧凑管理使用方便。不足系统复杂；重量尺寸大；附属设备多；热效率低；初投资大；机动性差。第11页/共49页14April202312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柴油机船用大功率低速柴油机→第12页/共49页14April202313柴油机特点优点热效率高、燃油消耗率低于蒸汽动力装置和燃气轮机；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；具有良好的机动性，操作简单启动方便，正倒车转换迅速；易实现远距离操纵和自动控制。第13页/共49页14April202314柴油机特点缺点按功率比例重量和尺寸增加快，单机功率受限制；运行时振动、噪声大；中、高速柴油机的运动部件磨损较严重；低转速时稳定性差，影响低速航行性能。第14页/共49页14April202315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燃气轮机112舰使用的燃机→第15页/共49页14April202316燃气轮机特点优点启动加速快；全负荷时燃油消耗低；振动噪声小；结构紧凑、重量轻；辅机及系统简单；操纵方便、维修性好。第16页/共49页14April202317燃气轮机特点缺点低负荷时燃料消耗高；高温热源大、对环境温度敏感；进排气尺寸大；自身不能反转倒车；造价高。第17页/共49页14April2023182.船用核动力装置含义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核能热能热能机械能电能推进系统动力设备一回路二回路第18页/共49页14April202319潜艇核动力装置示意图第19页/共49页14April202320船用核动力装置发展历程世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号→1954年1月，世界上第一艘核潜艇，也是美国海军第一艘核动力舰艇“鹦鹉螺”号下水美国、苏联/俄罗斯、英国、法国、中国已经建造了470多艘核动力舰船，至2002年，世界上仍然在役的核潜艇有150多艘第20页/共49页14April202321船舶核动力装置的应用船舶核动力装置潜艇核动力装置水面舰船核动力装置攻击型核潜艇弹道导弹核潜艇航空母舰巡洋舰驱逐舰核商船第21页/共49页14April202322装备核动力舰船的国家国家美国核潜艇巡洋舰航空母舰俄罗斯/苏联核潜艇巡洋舰破冰船英国核潜艇法国核潜艇航空母舰中国核潜艇第22页/共49页14April2023233.核能的特点（1）核燃料具有极高的能量密度（2）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第23页/共49页14April2023241kg铀-235完全裂变 19,600,000,000kcal1kg标准煤完全燃烧 7,000kcal1L重油完全燃烧 9,900kcal1m3天然气完全燃烧 9,800kcal1kg铀-235完全裂变放出的热量相当于2700吨标准煤完全燃烧放出的热量同一质量下，核能比化学能大数百万倍（1）核燃料具有极高的能量密度第24页/共49页14April202325（2）核裂变反应不需要氧气第25页/共49页14April202326（3）核裂变过程伴随着放射性物质的产生核裂变反应会产生大量的放射性物质。核动力装置具有潜在的危险性。需要采取严格的辐射防护措施；运行管理要求很高。第26页/共49页14April2023274.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;（2）提供较大的续航力和推进功率;（3）提高潜艇的隐蔽性。

第27页/共49页14April202328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外界补充燃料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第28页/共49页14April202329

概念1：续航力是舰艇装载一次燃料所能持续航行的距离概念2：舰船推进功率与航速的立方成正比核潜艇：长寿命堆芯可用10年以上，续航力超过40万海里，潜航距离占总航程的95%以上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30节（美国“海狼”级核潜艇的最高航速35节）常规潜艇：航速10节时，续航力达到1万海里，只能连续航行6~10小时；水下最大航速为15~25节（2）提供较大的续航力和功率第29页/共49页14April202330核潜艇无需定期浮出水面用柴油发电机给蓄电池充电，可长期潜航水面舰船不需要设置进气道和烟囱，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

——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（3）提高舰船的隐蔽性第30页/共49页14April2023311.2船舶核动力装置的原理及组成1.反应堆物理基础2.船用动力堆选型 3.船用核动力装置的基本组成第31页/共49页14April2023322.船用动力堆选型动力堆类型水冷堆压水堆沸水堆重水堆气冷堆有机液冷却堆液态金属冷却堆金属钠钠-钾合金铅-铋合金热中子堆快中子堆第32页/共49页14April202333核反应堆的类型按引起裂变的中子能量划分：快中子堆、热中子堆按慢化剂的类型划分：轻水堆、重水堆、石墨堆按冷却剂的类型划分：水冷堆——压水堆、沸水堆、重水堆气冷堆——高温气冷堆液态金属冷却堆——钠冷快中子堆有机液冷堆第33页/共49页14April202334（1）压水堆的特点慢化剂采用轻水，冷却剂采用轻水，冷却剂在堆芯不沸腾采用U-235富集度为3％~4%的UO2陶瓷燃料，在舰船压水堆上由于要提高堆芯寿命，燃料的富集度一般都很高一、二回路之间相互隔离，二回路不需要屏蔽具有结构紧凑、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，安全性较好。第34页/共49页14April202335（2）沸水堆的特点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；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，使用低富集铀作燃料；不需要蒸汽发生器，运行参数较压水堆低；具有很强的自然循环能力，一般可达40~50%FP，甚至100%FP。第35页/共49页14April202336沸水堆原理图第36页/共49页14April202337沸水堆的不足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；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多，相同功率下体积要大于压水堆；而且由于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。第37页/共49页14April202338（3）重水堆的特点采用重水作慢化剂，可以直接利用天然铀作为核燃料；可用轻水或重水作冷却剂；分压力容器式和压力管式两类；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。第38页/共49页14April202339重水堆核蒸汽供应系统简图第39页/共49页14April202340重水堆的不足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2倍左右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低30％左右，造成二回路的蒸汽运行压力较低第40页/共49页14April202341（4）液态金属冷却堆的特点采用具有很高传热率的液态钾-钠合金或者铅-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度和效率；例如，美国的S2G型液态金属冷却堆的效率达到22％，而同期的压水堆只有17％左右。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；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0.5~0.7MPa，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。第41页/共49页14April202342快堆核动力装置的两种形式←回路式快堆系统池式快堆系统

→第42页/共49页14April202343液态金属冷却堆的不足作为冷却剂的液态金属如钠-钾合金或铅-铋合金在常温下为固态，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，价格也高，为了加强屏蔽，使装置的重量加大；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，因而可靠性和安全性较差。第43页/共49页14April202344液态金属冷却堆的装备情况1957年服役的美国核潜艇“海狼”号（SSN-575）采用了液态金属堆，在经过23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61600海里后，又改换了压水堆。1970年底，苏联“阿尔法”级核潜艇K-64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。第44页/共49页14April202345（5）高温