03 第三章压水堆核电厂 先进核反应堆结构原理

核电站工作原理它是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。

蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电。

一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。

核电站除了关键设备——核反应堆外，还有许多与之配合的重要设备。

以压水堆核电站为例，它们是主泵，稳压器，蒸汽发生器，安全壳，汽轮发电机和危急冷却系统等。

它们在核电站中有各自的特殊功能。

主泵如果把反应堆中的冷却剂比做人体血液的话，那主泵则是心脏。

它的功用是把冷却剂送进堆内，然后流过蒸汽发生器，以保证裂变反应产生的热量及时传递出来。

稳压器又称压力平衡器，是用来控制反应堆系统压力变化的设备。

在正常运行时，起保持压力的作用；在发生事故时，提供超压保护。

稳压器里设有加热器和喷淋系统，当反应堆里压力过高时，喷洒冷水降压；当堆内压力太低时，加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力。

蒸汽发生器它的作用是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通入汽轮发电机的汽缸作功。

安全壳用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去，以保护公众免遭放射性物质的伤害。

万一发生罕见的反应堆一回路水外逸的失水事故时，安全壳是防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障。

安全壳一般是内衬钢板的预应力混凝土厚壁容器。

汽轮机核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。

危急冷却系统为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故的发生，近代核电站都设有危急冷却系统。

它是由注射系统和安全壳喷淋系统组成。

一旦接到极端失水事故的信号后，安全注射系统向反应堆内注射高压含硼水，喷淋系统向安全壳喷水和化学药剂。

便可缓解事故后果，限制事故蔓延。

注：核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。

只有一些质量非常大的原子核像铀(yóu)、钍(tǔ)等才能发生核裂变。

航母核动力反应堆原理航母核动力反应堆是航母的核心动力源，它具有稳定、高效、持久的特点，为航母提供了强大的动力支持。

本文将详细介绍航母核动力反应堆的原理和工作机制。

一、核动力反应堆的工作原理航母核动力反应堆采用核裂变反应作为能源。

核裂变是指原子核在撞击或吸收中子的过程中分裂成两个或多个小核的现象。

在核动力反应堆中，使用铀或钚等可裂变材料作为燃料，通过控制反应堆中的中子流量和速度，控制核裂变的速率和程度。

核动力航母采用的是连续反应堆，也称为可持续核反应堆。

它的特点是可以维持一定的功率输出，而不需要频繁停止和启动。

核反应堆中的燃料棒数量众多，通过控制燃料棒的排列和中子吸收材料的使用，可以实现核反应的持续和稳定。

二、核动力航母的反应堆类型核动力航母的反应堆类型主要有两种：压水堆和加热堆。

1. 压水堆：压水堆反应堆是目前应用最广泛的核动力航母反应堆。

它采用轻水作为冷却剂和中子减速剂，通过控制冷却剂的流速和压力，实现对反应堆的冷却和稳定。

压水堆反应堆具有结构简单、运行稳定的特点，但对于中子的吸收和减速效果较差，需要增加反应堆的体积和重量来保证稳定性。

2. 加热堆：加热堆反应堆采用重水作为冷却剂和中子减速剂，通过控制冷却剂的流速和温度，实现对反应堆的冷却和稳定。

加热堆反应堆具有中子吸收和减速效果好的特点，可以实现更高的功率输出和更小的体积和重量，但对冷却剂的纯度要求较高，且成本较高。

三、核动力航母反应堆的安全性核动力航母反应堆的安全性是航母设计中最重要的考虑因素之一。

为了确保反应堆的安全运行，航母采取了多种安全措施，如：1. 密封结构：核反应堆采用密封结构，防止辐射物质泄漏和外界物质进入反应堆。

2. 多重屏蔽：反应堆周围设置了多重屏蔽层，用于吸收和隔离辐射物质。

3. 安全控制系统：航母配备了先进的安全控制系统，可以实时监测和控制反应堆的工作状态，确保反应堆在安全范围内运行。

4. 废热利用：核动力航母还利用反应堆产生的废热进行能量回收，提高能源利用效率。

反应堆结构及几种典型反应堆系统反应堆是核电站中的热源，其内部装有可以进行可控链式核反应的核燃料，源源不断地释放出能量。

核反应产生的热能通过载热剂传给汽轮机作功，汽轮机带动发电机，产生的电能被输送到电网。

反应堆由堆芯、压力容器、上部堆内构件和下部堆内构件等几部分组成。

反应堆安置在反应堆厂房（也称为安全壳）的正中，它的六条进出口接管管嘴支撑在作为一次屏蔽的混凝土坑（即堆坑）内，而堆坑位于一个大约10米深的反应堆换料水池的底部。

如下图它可分为反应堆堆芯、堆内构件、反应堆压力容器和顶盖控制棒驱动机构四部分。

下面主要介绍反应堆堆心和压力容器。

1、反应堆堆芯：核反应堆的堆芯位于压力容器中心，由157个几何形状及机械结构完全相同的燃料组件构成，核反应区高3.65m，等效直径3.04m 。

燃料核裂变释放出来的核能立即转变成热能，并由冷却剂导出。

1.1、燃料组件：燃料组件骨架由8个定位格架、24根控制棒导向管、一根中子通量测量管和上、下管座焊接而成。

其功用是确保组件的刚性，承受整个组件的重量和控制棒快速下插的冲击力，并准确引导控制棒束的升降，保证组件在堆内可靠工作和装卸料时的运输安全。

如下图定位格架由锆－4合金条带制成，这些条带装配成17×17的正方形栅格。

在格架栅元中，燃料棒由其中两边的弹簧夹顶在另两边的两个刚性凸台上，其共同作用使燃料棒保持中心位置。

弹簧夹由因科镍718薄片弯成开口环制成，然后将夹子跨在条带上夹紧定位，并在上下相接面上点焊。

这样形成的两个相背的弹簧分别顶住相邻栅元的两根燃料棒，自然抵消了作用在条带上的力。

每个燃料组件带有24个控制棒导向管，由锆－4合金制成，它们为控制棒的插入和提出导向。

其下部在第一和第二格架之间直径缩小，形成缓冲段，以便当控制棒紧急下落接近底部时起缓冲作用。

在缓冲段上部有流水孔，正常运行时冷却水流入管内，在控制棒下插时水能部分从管内排出。

缓冲段下部的管径扩至正常，使底层格架可以按上层格架的相同方式与导向管相连接。

浅谈沸水堆与压水堆一. 沸水堆与压水堆工作原理沸水堆（Boiling Water Reactor）字面上来看就是采用沸腾的水来冷却核燃料的一种反应堆，其工作原理为：冷却水从反应堆底部流进堆芯，对燃料棒进行冷却，带走裂变产生的热能，冷却水温度升高并逐渐气化，最终形成蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，利用分离出的蒸汽推动汽轮进行发电。

福岛核电站建于20世纪70年代，属于沸水堆。

压水堆（Pressurized Water Reactor）字面上看就是采用高压水来冷却核燃料的一种反应堆，其工作原理为：主泵将120～160个大气压的一回路冷却水送入堆芯，把核燃料放出的热能带出堆芯，而后进入蒸汽发生器，通过传热管把热量传给二回路水，使其沸腾并产生蒸汽；一回路冷却水温度下降，进入堆芯，完成一回路水循环；二回路产生的高压蒸汽推动汽轮机发电，再经过冷凝器和预热器进入蒸汽发生器，完成二回路水循环。

中国建成和在建共有13台核电机组，除秦山三期采用CANDU堆技术，山东荣成采用高温气冷堆，其余均为压水堆，二. 沸水堆与压水堆共同点沸水堆和压水堆都是属于轻水堆，两者都使用低浓铀燃料，采用轻水作为冷却剂和慢化剂，沸水堆系统比压水堆简单，特别是省去了蒸汽发生器；燃料都是以组件的形式在堆芯排布，组件由栅格排布的燃料栅元组成，燃料栅元由燃料芯块、包壳构成；燃料放置于压力容器当中，外面有安全壳，具备包壳、压力边界、安全壳三重防泄露屏障；沸水堆和压水堆的发电部分功能也都一样。

三. 沸水堆与压水堆的主要区别沸水堆采用一个回路，压水堆有两个回路；沸水堆由于堆芯顶部要安装汽水分离器等设备，故控制棒需从堆芯底部向上插入，控制棒为十字形控制棒，压水堆为棒束型控制棒，从堆芯顶部进入堆芯；沸水堆具有较低的运行压力（约为70个大气压），冷却水在堆内以汽液形式存在，压水堆一回路压力通常达150个大气压，冷却水不产生沸腾。

四. 压水堆相对沸水堆的优势沸水堆控制棒从堆芯底部引入，因此发生“在某些事故时控制棒应插入堆芯而因机构故障未能插入”的可能性比压水堆大，即在停堆过程中一旦丧失动力，就会停在中间某处，最终可能导致临界事故发生；而压水堆的控制棒组件安装在堆芯上部，如果出现机械或者电气故障，控制棒可以依靠重力落下，一插到底，阻断链式反应。

核电站工作原理核电站的工作原理核电站就是在一座或若干座动力反应堆中将原子核裂变释放的核能转换成热能来发电或发电兼供热的动力设施。

它与火电站最主要的不同是蒸汽供应系统。

核电站利用核能产生蒸汽的系统称为“核蒸汽供应系统”，这个系统通过核燃料的核裂变能加热外回路的水来产生蒸汽。

从原理上讲，核电站实现了核能一热能一电能的能量转换。

从设备方面讲，核电站的反应堆和蒸汽发生器起到了相当于火电站的化石燃料和锅炉的作用。

目前世界上核电站采用的反应堆有压水堆、沸水堆、快堆以及高温气冷堆等，但比较广泛使用的是压水反应堆，约占核电总装机容量的７０％。

压水反应堆是以普通水作冷却剂和慢化剂，它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆堆型。

1．核电站工作原理核电厂用的燃料是铀。

反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。

当铀-23 5的原子核受到外来中子轰击时引起原子核裂变，，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出2—3个中子，新产生的中子引起新的原子核裂变，裂变反应连续不断地进行下去，如此持续进行就是裂变的链式反应，用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生连续裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的循环水(或其他物质)把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。

核反应堆的合理结构应该是：核燃料＋慢化剂＋热载体＋控制设施＋防护装置。

2．核电站内部核反应堆由浓度低一些的铀建造。

通常，铀被制作成直径相当于10美分硬币左右，长度为2.5厘米左右的燃料元件。

燃料元件被安装到长燃料棒中，燃料棒被进一步组装成燃料组件。

燃料组件通常被浸泡在压力容器中。

容器中的水起冷却作用。

为使反应堆工作，浸泡在水中的燃料组件必须处于稍微超临界的状态。

由吸收中子的材料制成的控制棒通过升降装置插入到燃料组件中。

操作员通过升降控制棒来控制核反应的程度。