核电站知识

压水堆核电站自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下三种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。它们相应地被 用到三种不同的核电站中，形成了现代核发电的主体。 目前，热中子堆中的大多数是用轻水慢化和冷却的所 谓轻水堆。轻水堆又分为 压水堆和沸水堆 。压水堆核电站 压水堆核电站的一回路系统与二回路 系统完全隔开， 它是一个密闭的循环系统。 该核电站的原 理流程为：主泵将高压冷却剂送入反应堆， 一般冷却剂保 持在120 - 160个大气压。在高压情况下，冷却剂的温度 即使300C多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带 出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管， 流经蒸汽发生器后，再由主泵送入反应堆，这样来回循环， 不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽。 从蒸汽发 生器出来的高温高压蒸汽， 推动汽轮发电机组发电。 做过 功的废汽在冷凝器中凝结成水， 再由凝结给水泵送入加热 器，重新加热后送回蒸汽发生器。 这就是二回路循环系统。把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽； 冷却剂压水堆由压力容器和堆芯两部分组成。 压力容器是一个密封的、又厚又重的、高达数十米的圆筒形大钢壳，所用的钢材耐高温高压、 耐腐蚀，用来推动汽轮机转动的高 驱动机构，用以驱动控制棒在堆芯内上下移动。温高压蒸汽就在这里产生的。在容器的顶部设臵有控制棒堆芯是反应堆的心脏， 装在压力容器中间。 它是燃料组件构成的。正如锅炉烧的煤块一样， 燃料芯块是核电站“原子锅炉”燃烧的基本单元。这种芯块是由二氧化铀烧 结而成的，含有24%的铀- 235,呈小圆柱形，直径为9.3 毫米。把这种芯块装在两端密封的锆合金包壳管中，成 为一根长约 4 米、直径约 10 毫米的燃料元件棒。把 200多根燃料棒按正方形排列， 用定位格架固定， 组成燃料组 件。每个堆芯一般由 121 个到 193 个组件组成。这样，一 座压水堆所需燃料棒几万根， 二氧化铀芯块 1 千多万块堆 芯。此外，这种反应堆的堆芯还有控制棒和含 硼的冷却水（冷却剂）。控制棒用银铟镉材料制成，外面套有 不锈钢 包壳，可以吸收反应堆中的中子，它的粗细与燃料棒差不 多。把多根控制棒组成棒束型， 用来控制反应堆核反应的 快慢。如果反应堆发生故障， 立即把足够多的控制棒插入 堆芯，在很短时间内反应堆就会停止工作， 这就保证了反 应堆运行的安全。以下内容来自：教学参考资料初中物理第二册压水堆是目前比较广泛采用的核反应堆。 其特征是水 在堆芯内不沸腾，因此水必须保持在高压状态。图 910 是压水堆核电站的流程示意图。 燃料用的是二氧化铀陶瓷 块，这样的铀芯块本身就起防止放射性物质外逸的作用， 即构成了第一道安全屏障。把这些小的铀块重叠在高 3 米，外径 95毫米，厚 057 毫米的锆合金管内封闭， 即成为燃料元件棒， 即铀棒。锆合金管也能防止放射性物 质逸出，故构成第二道安全屏障。每 200 多根铀棒，排列 成横 17 排，纵 17 排的燃料元件。如果堆内有 100 多个这 样的燃料元件，即可成为 90 万千瓦的压水堆核电站。整 个堆芯放在内径为 4米，高为 13 米，厚为 02米的压力 壳内。壳内压强为155个大气压。可把水加热到330C以 上。温度升高了的水进入蒸汽发生器内， 器内有很多细管， 细管中的水接收热量变成蒸汽进入蒸汽轮机发电。从图中可以看出，从反应堆出来的水是跟细管中的水 分开的，即使堆中的水有少量放射性物质， 也不会传递到 细管中的水中。从反应堆出来的水在蒸汽发生器中温度降 低后，经一回路的循环泵驱动， 又回到压力壳的堆芯继续 加热，完成第一回路的循环。 一回路和压力壳组成第三道 安全屏障。蒸汽发生器内的蒸汽进入蒸汽轮机做功后， 再 进入冷凝器冷却成水， 经二回路循环泵驱动， 再回到蒸汽 发生器继续使用， 这就是第二回路循环。 冷凝器中用三回路循环泵抽来的江河水作冷却剂，冷却后又排回到江河 中，组成第三回路循环。轻水堆轻水（反应）堆 light water reactor（LWR） 以水 或汽水混合物作反应堆冷却剂和 慢化剂的反应堆。用轻水作为慢化剂和冷却剂的核反应堆被称为轻水 反应堆，包括沸腾水堆和加压水堆轻水也就是一般的水， 广泛地被用于反应堆的慢化剂和冷却剂。 与重水相比，轻 水有廉价的长处，此外其减速效率也很高沸腾水堆的特点 是将水蒸汽不经过热交换器直接送到气轮机， 从而防止了 热效率的低下，加压水堆则用高压抑制沸腾， 对轻水一般 加 100 至 160 个大气压，从而热交换器把一次冷却系 （取 出堆芯产生的热）和二次冷却系（发生送往蜗轮机的蒸汽） 完全隔离开来。重水堆以重水堆为热源的核电站。 重水堆是以重水作慢化剂 的反应堆，可以直接利用天然铀作为核燃料。 重水堆可用 轻水或重水作冷却剂，重水堆分压力容器式和压力管式两 类。重水堆核电站是发展较早的核电站， 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 力管式重水堆核电站。沸水堆用沸腾水作冷却剂和慢化剂， 用富集铀作核燃料沸水堆与压水堆同属轻水堆，不同之处在于： 沸水堆取消了蒸汽发生器，核蒸汽直接在堆芯产生；两者的运行控制方式差别很大 沸水堆核电站主要分布在美国和日本； 我国没有沸水堆商用核电站。压水堆压水堆（pressurized water reactor ） 使用加压轻水（即普通水）作 冷却剂 和慢化剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆。燃料为加浓 铀。20世纪80年 代，被公认为是技术最成熟，运行安全、经济实用的堆型。其装机总容量约占所有核电站各类反应堆总和的60以上。最早用作核潜艇的军用反应堆。 1961 年，美国建成 世界上第一座商用压水堆核电站。 压水堆由压力容器、 堆 心、堆内构件及控制棒组件等构成。 压力容器的寿命期为40 年。堆心装核燃料组件。二氧化铀二氧化铀为棕黑色立方 晶体，（当然，铀有许多同位 素）熔点2500 C,沸点约3500 C,在强酸中易溶，向酸 能将它氧化为硝酸铀酰UO2 （ NO3 ） 2。UO2为离子型一 萤石型晶体，呈碱性。铀-氧体系中的热力学稳定态之一。立方晶系，面心 立方结构（萤石型，空间群Fm3m），a=547pm。相对密度10.952。熔点 3000C 土 200C。在 100C下，热导率为 0.0 9W/cm C。在室温下可与盐酸、硫酸、硝酸缓慢反应， 易溶于硝酸， 生成亮黄色的 UO2(NO3)2 溶液。不溶于水和 碱，但溶于含过氧化氢的碱或碳酸盐溶液， 生成过铀酸盐。空气中室温下较稳定，加热至200C以上500C以下时被 氧化为UO3, 500C以上被氧化成U3O8。是常用于轻水堆、 重水堆和快中子增殖堆的铀燃料形式， 它是一种稳定的陶 瓷燃料。在铀工艺中，二氧化铀是一种重要的中间产物， 是干法生产四氟化铀的原料。 可通过用氢气还原三氧化铀 或八氧化三铀的方法来制备，也可通过三碳酸铀酰铵 (NH 4)4UO2(CO3)3 直接煅烧还原制得。它是动力反应堆中广 泛使用的核燃料，又是干法制备四氟化铀的重要原料。石墨气冷堆核电站石墨气冷堆就是以气体(二氧化碳或氮气)作为冷却剂的反应堆。这种堆经历了三个发展阶段，产生了三种堆型: 天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆。(1)天然铀石墨气冷堆核电站 天然铀石墨气冷堆实 际上是天然铀作燃料，石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂 的反应堆。这种反应堆是英、法两国为商用发电建造的堆 型之一，是在军用 钚生产堆的基础上发展起来的，早在 1956年英国就建造了净功率为45兆瓦的核电站。因为它是用镁合金作燃料包壳的，英国人又把它称为镁 堆。诺克斯该堆的堆芯大致为圆柱形，是由很多正六角形棱柱的 石墨块堆砌而成。在石墨砌体中有许多装有燃料元件的孔 道。以便使冷却剂流过将热量带出去。从堆芯出来的热气 体，在蒸汽发生器中将热量传给二回路的水，从而产生蒸 汽。这些冷却气体借助循环回路回到堆芯。蒸汽发生器产 生的蒸汽被送到汽轮机，带动汽轮发电机组发电。这就是 天然铀石墨气冷堆核电站的简单工作原理。这种堆的主要优点是用天然铀作燃料，其缺点是功率密度小、体积大、装料多、造价高，天然铀消耗量远远大 于其他堆。现在英、法两国都停止建造这种堆型的核电站。(2)改进型气冷堆核电站改进型气冷堆是在天然铀石墨气冷堆的基础上发展起来的。设计的目的是改进蒸汽 条件，提高气体冷却剂的最大允许温度。这种堆，石墨仍然为慢化剂，二氧化碳为冷却剂，核燃料用的是低浓度铀 （铀- 235的浓度为2 - 3%），出口温度可达670C。它的 蒸汽条件达到了新型火电站的标准，其热效率也可与之相 比。这种堆被称为第二代气冷堆，英国建造了这种堆，由 于存在不少工程技术问题，对其经济性多年来争论不休， 得不出定论，所以前途暗淡。（3 ）高温气冷堆 高温气冷堆被称为第三代气冷堆，它是石墨作为慢化剂，氮气作为冷却剂的堆。这里所说的高温是指气体的温度达到了较高的程度。 因为在这种反应堆中，采用了陶瓷燃料和耐高温的石墨结 构材料，并用了惰性的氮气作冷却剂，这样，就把气体的 温度提高到750C以上。同时，由于结构材料石墨吸收中 子少，从而加深了燃耗。另外，由于颗粒状燃料的表面积 大、氦气的传热性好和堆芯材料耐高温，所以改善了传热 性能，提高了功率密度。这样，高温气冷堆成为一种高温、 深燃耗和高功率密度的堆型。它的简单工作过程是，氦气冷却剂流过燃料体之间， 变成了高温气体；高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽，蒸 汽带动汽轮发电机发电。高温气冷堆有特殊的优点：由于氦气是惰性气体，因而它不能被活化，在高温下也不腐蚀设备和管道；由于石墨的热容量大，所以发生事故时不会引起温度的迅速增 加；由于用混凝土做成压力壳，这样，反应堆没有突然破 裂的危险，大大增加了安全性；由于热效率达到40%以上, 这样高的热效率减少了热污染。高温气冷堆有可能为钢铁、燃料、化工等工业部门提 供高温热能，实现氢还原炼铁、石油和天然气裂解、煤的 气化等新工艺，开辟综合利用核能的新途径。但是高温气 冷堆技术较复杂。