第三章反应堆冷却剂系统和设备

第3章反应堆冷却剂系统和设备动力工程系余廷芳10/24/20231主要内容3-1反应堆冷却剂系统3-2反应堆本体结构----------系统设备3-3反应堆冷却剂泵3-4蒸汽发生器3-5稳压器10/24/202323-1反应堆冷却剂系统一、系统的功能反应堆冷却剂系统又称为一回路系统，其主要功能是：(1)在核电厂正常功率运行时将堆内产生的热量载出，并通过蒸汽发生器传给路工质，产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。(2)在停堆后的第一阶段，经蒸汽发生器带走堆内的衰变热。(3)系统的压力边界构成防止裂变产物释放到环境中的一道屏障。(4)反应堆冷却剂作为可溶化学毒物硼的裁体，并起慢化剂和反射层作用。(5)系统的稳压器用来控制一回路的压力，防止堆内发生偏离泡核沸腾，同时对一路系统实行超压保护。10/24/202333-1反应堆冷却剂系统二、系统描述系统组成：按照功能，反应堆冷却剂系统可分为冷却系统、压力调节系统和超压保护系统。反应堆冷却剂系统的流程图11、冷却系统冷却系统由反应堆冷却剂泵、反应堆和蒸汽发生器及相应的管道组成。在正常功率运行时，反应维冷却剂泵使冷却剂强迫循环通过维芯，带走燃料元件产生的热量。图10/24/202343-1反应堆冷却剂系统2．压力调节系统为了保证反应堆冷却剂系统具有好的冷却能力，应当将堆芯置于具有足够欠热度的冷却剂淹没之中。核电厂在负荷瞬变过程中，由于量测系统的热惯性和控制系统的滞后等原因，会造成一、二回路之间的功率失配，从而引起负荷瞬变过程中一回路冷却剂温度的升高或降低，造成一回路冷却剂体积膨胀或收缩。水经波动管涌人或流出稳压器，引起一回路压力升高或降低。当压力升高至超过没定值时，压力控制系统调节喷淋阀．由冷管段引来的过冷水向稳压器汽空间喷淋降压；若压力低于设定值，压力控制系统启动加热器，使部分水蒸发，升高蒸汽压力。10/24/202353-1反应堆冷却剂系统3．超压保护系统当一回路系统的压力超过限值时，装在稳压器顶部卸压管线上的安全阀开启，向卸压箱排放蒸汽，使稳压器压力下降，以维持整个一回路系统的完整性。卸压系统主要由装在稳压器汽空间连管上的卸压阀或安全阀及其管道和卸压箱组成。西屋公司设计的稳压器，上面装备有卸压阀和安全阀，卸压阀的开启整定值比安全阀的开启整定值低。若卸压阀开启后使超压瞬变过程得以缓解，安全阀则可免于开启，法国法马通公司设计的稳压器，只装备三只同一类型开启整定值不同的安全闽。10/24/202363-1反应堆冷却剂系统三、系统参数的选择：环路数与环路容量：核电厂的一回路系统由若干并联的环路组成。按照核电厂安全准则，单堆核电厂的环路数不小于2，但过多的环路数将增加设备投资，因此，目前核电厂中一般采用2—4条环路并联形式。每一条环路所对应的电功率最初为150MW。随着核电设备设计制造能力提高，近期的压水堆核电站，一条环路的电功率已达到300——600MW，而且以每个环路300MW设计建造600MW、900MW、12000MW的大型核电站。近代典型压水堆核电站功率与一回路容量表10/24/202373-1反应堆冷却剂系统三、系统参数的选择1、一回路压力10/24/202383-1反应堆冷却剂系统三、系统参数的选择2、反应堆冷却剂出口温度冷却剂出口温度越高，电厂热效率越高，但受下列因素限制：(1)燃料包壳温度限制。材料受抗高温腐蚀性能限制。(2)传热温差的要求。冷却剂温度至少要比包壳温度低10℃——15℃，以保证正常的热交换。(3)冷却剂过冷度要求。为保证流动的稳定性和有效传热，冷却剂应具有20℃左右的过冷度。

由此可见，对于一定的工作压力，反应堆冷却刑的堆出口温度变化余地很小。如大亚湾核电厂一回路压力为15.5MPa，其堆出口冷却剂平均温度为329．8℃。*10/24/202393-1反应堆冷却剂系统三、系统参数的选择3．反应堆冷却剂的入口温度反应堆冷却剂的出口温度一旦确定，对于一个确定热功率的反应堆，其人口温度与流量有单值关系。入口温度越高，一回路冷却剂平均温度越高。从这方面来说，对提高热效率有利。但入口温度越高，冷却剂温升越小，所需冷却剂流量越大，这就增加了泵的输送功率，从而降低了电厂的净效率。选择冷却剂的入口温度时，应综合考虑它与流量各自带来的利弊以及其他一些因素后，选取最佳值。10/24/2023103-1反应堆冷却剂系统三、系统参数的选择4．冷却剂流量综合上述分析，压水堆核电厂一回路参数范围是：工作压力15MPa左右，冷却剂在反应堆的进口温度取280℃——300℃，在反应堆的出口温度取310℃——330℃，进出口的温升为30℃——40℃。核电厂变工况时，反应堆冷却剂平均温度变化允许的最大温差为17℃——25℃。反应堆的设计温度为350℃。一回路系统中冷却剂的流量较大，当单环路对应的电功率为300Mw时，冷却剂总质量流量可达到15000t／h~21000t／h(即每10MW热功率160t／h~250t／h)。主管道内冷却剂流速可达15m／s，一回路系统的总阻力约为o．6MPa~o．8MPa。10/24/202311

3-1反应堆冷却剂系统四、系统布置反应堆冷却剂系统的所有设备、阀门及管道，全部安装在安全壳内。反应堆安放在安全完中央并稍偏离中心；以避开装卸料机构的起吊死区。堆芯部分处在反应堆厂房地平面高度以下。反应堆冷却剂系统设备和管道的布置以反应堆压力容器为中心，力求紧凑、简单对称。为了补偿主管道的热膨胀应力，蒸汽发生器和主泵采用摆动的支耀结构，以允许横向位移。冷却剂中存在裂变产物和腐蚀产物，对系统设备和管道有不同程度的污染。因此，在设备周围设有隔墙，它们与安全壳培构成了二次屏蔽。主要设备(反应堆压力容器、蒸汽发生器、反应堆冷却剂泵、稳压器等)和反应堆冷却剂管道安装在二次屏蔽墙内。10/24/2023123-2反应堆本体结构组成：压水堆本体由堆芯、堆芯支撑结构、反应堆压力容器及控制棒传动机构组成。典型压水堆的本体结构图。一、堆芯结构堆芯又称为活性区，位于反应堆压力容器中心偏下的位置。大亚湾核电厂由157个几何形状和机械结构完全相同的燃料组件，构成一个高3．65m，等效直径3．04m的准圆柱状核反应区。反应堆冷却剂流过堆芯时起到慢化剂的作用。控制棒组件用于反应堆控制，提供反应堆停堆能力和控制反应性快速变化。与燃料组件/（图）组合在一起的还有一些功能组件，它们在堆启动和运行中起着重要作用。10/24/2023133-2反应堆本体结构二、堆芯支撑结构10/24/2023143-2反应堆本体结构三、反应堆压力容器反应堆压力容器支撑和包容堆芯和堆内构件，工作在高压(15．5Mpa左右)、高温含硼酸水介质环境和放射性辐射的条件下，寿命不少于40年。反应堆压力容器是一个底部为焊死的半球形封头，上部为法兰连接的半球形封头的圆柱形容器，对于三环路设计，容器上有3个进口管嘴和出口管嘴与各冷却剂环路的冷热管段相接。这些进出口管嘴位于高出堆芯上平面约1．4m的同一个水平面上。反应堆压力容器本体材料属低碳钢，与冷却剂接触表面堆焊一层5mm厚的不锈钢。压力容器高13m，内径4m，简体壁厚20m圃，总重约330t。图10/24/2023153-2反应堆本体结构四、控制棒驱动机构作用：控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件，通过它的动作带动控制棒组件在堆芯内上下抽插，以实现反应堆的启动、功率调节、停堆和事故情况下的安全控制。因此，它是确保反应堆安全可控的重要部件。控制棒驱动机构要求：在正常运行工况下棒的移动速度缓慢，每秒钟行程约10mm，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，即能自动脱开，控制棒组件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为2s左右，以保证反应堆安全。10/24/2023163-3反应堆冷却剂泵一、作用：反应堆冷却剂泵义叫做主泵，它的作用是为反应堆冷却剂提供驱动压头，保证足够的强迫循环流量通过堆芯，把反应堆产生的热量送至蒸汽发生器，产生推动汽轮机做功的蒸汽。二、对泵的基本要求：(1)能够长期在无人维护情况下安全可靠地工作，(2)冷却剂的泄漏要尽可能少；(3)转动部件应有足够大的移动惯量，以便在全厂断电情况下，利用泵的惰性提供足够的流量，使堆芯得到适当的冷却；(4)过流部件表面材料要求耐高温含硼酸水的腐蚀；(5)便于维修。三、分类：分为两大类：全密封泵和轴封泵。10/24/2023173-4蒸汽发生器一、作用：蒸汽发生器是压水堆核电厂一回路、二回路的枢纽，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧，产生蒸汽推动汽轮机做功。蒸汽发生器又是分隔一次侧、二次侧介质的屏障，它对于核电厂的安全运行十分重要。*蒸汽发生器的可靠性是比较低的，它严重地影响核电厂运行的安全性、经济性及可靠性。压水堆核电厂运行经验表明，蒸汽发生器传热管断型事故在核电厂事故中居首要地位。据报道，国外压水堆核电厂的非计划停堆次数中约有四分之一是因有关蒸汽发生器问题造成的。1992年，在205座堆中报告蒸汽发生器有问题的达172座。10/24/2023183-4蒸汽发生器蒸汽发生器传热管面积占一回路承压边界面积的80％左右，传热管壁一般为1mm一1．2mm。因而，传热管是整个一回路压力边界中最薄弱的部分。运行经验也表明，传热管是蒸汽发生器内的事故多发区域。二、分类：10/24/2023193-4蒸汽发生器10/24/2023203-4蒸汽发生器1、立式自然循环U形管蒸汽发生器的结构的工作流程：结构：由下封头、U形管束、汽水分离装置及筒体组件等组成。结构图,,主要参数工作流程:10/24/2023213-5稳压器一、稳压器的功能*

稳压器的基本功能是建立并维持一回路系统的压力，避免冷却剂在反应堆内发生容积沸腾。稳压器在电厂稳态运行时，将一回路压力维持在恒定压力下；在一回路系统瞬态时，将压力变化限制在允许值以内；在事故时，防止一回路系统超压，维护一回路的完整性。此外，稳压器作为一回路系统的缓冲容器，吸收一回路系统水穿积的迅速变化。10/24/2023223-5稳压器二、稳压器分类按原理和结构形式的不同，稳压器分为两类，（1）气罐式稳压器：容积大，易腐蚀，淘汰（2）电加热式稳压器：大都采用三、稳压器本体结构（电）结构图现代压水堆核电厂普通采用电加热式稳压器。这种稳压器是一个立式圆柱形高压容器。其典型的几何参数为高13m，直径2.5m，上下端为半球形封头，总容积约40m2，净重约80t。立式安装在下部裙座上。10/24/202323课堂作业1、稳压器的功能是什么？按结构和原理，稳压器分为哪两类？目前采用的是哪种？2、蒸汽发生器的作用是什么？压水堆核电站主要采用的蒸汽发生器有哪三种？3、反应堆冷却剂泵的作用是什么？对泵的主要要求是什么？核电站中有哪两类泵？4、反应堆冷却剂系统的主要参数是指哪些？5、大亚湾核电厂一回路压力和堆出口冷却剂平均温度为是多少？10/24/202324燃料元件燃料元件是产生核裂变并释放热量的部件。它的长为3851．5mm，外径9．5mm，Zr-4合金包壳管厚o．57mm，包壳内装有二氧化铀芯块。上下两端设有氧化铝隔热块，顶部安弹簧压紧，两端用铁台金端塞封堵