反应堆热工

第一章核能发电原理及反应堆概述

第1节核电厂工作基本原理

1.核反应堆

2. 热交换器

3. 蒸气涡轮机

4. 发电机

5. 冷凝器

第2节反应堆的分类

（1）按用途分：实验堆：用于实验研究；生产堆：专门用来生产易裂变物质或聚变物质；动力堆：用作动力源

（2）按引起堆内大部分裂变的中子能量分。热中子堆：En< 1eV；中能中子堆：1eV 1keV。

（3）按核燃料状态分。固体燃料堆；液体燃料堆

（4）按慢化剂和冷却剂种类分.轻水堆（H2O）（压水堆、沸水堆）；重水堆（D2O ）；

石墨气冷堆；钠冷快中子堆。

动力核反应堆组成及功能

（1）堆芯——实现链式裂变反应堆区域。包括：核燃料元件、慢化剂、冷却剂、控制元件、中子源等。

（2）反应堆控制系统——保证反应堆能安全地实现启动、停堆、功率调节。包括：控制棒及其驱动系统等。

（3）回路冷却系统——提供足够的冷却剂流量以带走堆芯的裂变释热，并传递热动力产生系统。包括压力容器、主泵等。

（4屏蔽——吸收、减弱来自堆芯的辐射，保护周围人员和部件。

（5）动力产生系统——将一回路的热能转变为动力。如汽轮机。

（6）辅助系统——保证冷却剂系统及动力系统的正常运行。包括：余热导出系统、冷却剂净化系统、放射性废液处理系统、废气净化系统等。

（7）安全设施——保证事故情况下提供必要的冷却、密闭放射性物质，避免环境污染如安全壳。）

第3节压水堆

系统压力：15～16 Mpa

冷却剂入口温度：300℃，出口温度：330℃

冷却剂流量：62000 t/h

燃料装量：90 t （电功率1000MWe）

最大燃料温度：1780 ℃

UO2燃料富集度：2.0～4.0%

转化比：0.5

第4节沸水堆

系统压力：7 Mpa

冷却剂入口温度：260～270℃，出口温度：280℃

冷却剂流量：47000 t/h

燃料装量：140 t （电功率1000MWe）

最大燃料温度：1830 ℃

UO2燃料富集度：2.0～3.0%

转化比：0.5

沸水堆核电厂的特点（与压水堆相比）：

比功率密度较低，燃料装载量较大，总投资略大；

压力容器厚度减少、尺寸变大，制造成本相当；

采用直接循环，系统比较简单，回路设备少，易于加工制造；

采用喷射泵循环系统，功率调节方便，且使压力容器开孔直径减小，降低了失水事故可能性及严

重性；

放射性物质直接接触汽轮机、冷凝器等设备，对发电机组要求高，污染范围较大，设计、运行和维修不便。

第5节重水堆

系统压力：10 Mpa

冷却剂入口温度：260℃，出口温度：300℃

冷却剂流量：24000 t/h

燃料装量：80 t（电功率500MWe）

最大燃料温度：1500 ℃

UO2燃料富集度：0.7%（天然铀）

转化比：0.8

重水堆核电厂的特点（与压水堆相比）：

可利用天然铀作核燃料，不需要建造投资巨大的铀同位素分离工厂；

燃料经济性好，转换比较高，可充分利用天然铀；

堆体积大，且需要大量重水，投资较高，发电成本比轻水堆电站高；

为减少重水泄漏损失，反应堆及重水回路的设备密封要求高，制造较复杂；

卸料燃耗较浅，卸料量是同功率压水堆的3倍，结构材料消耗量和后处理工作量大；

可实现不停堆换料，容量因子较高；

由于燃料富集度低，出现严重事故的后果比其它堆型轻。

第6节石墨气冷堆

系统压力：4～5 Mpa

冷却剂入口温度：330℃，出口温度：750℃

冷却剂流量：5000 t/h

燃料装量：39 t （电功率1000MWe）

最大燃料温度：1400 ℃

UO2燃料富集度：10～90%

转化比：0.7～0.8

高温气冷堆核电厂的特点（与压水堆相比）：

石墨既作慢化剂，又作燃料元件的结构材料，堆芯金属结构材料少，中子俘获少，转换比较高；

使用氦气作冷却剂，不会产生次生辐射；

冷却剂出口温度高，电站热效率高；

使用球形燃料，可实现不停堆换料，容量因子较高；

对一限制快中子堆发展的问题：

核燃料必须有较高的富集度（当量富集度达15％～35％），而且初装量也很大。在快中子反应堆大规模商业推广前，必须建造一定数量的先进转换堆或热中子堆以便为快堆积累工业钚。

堆芯内没有慢化剂，体积小，功率密度高。因此要求采用传热性能好而慢化性能差的冷却剂，气冷却在技术上较复杂，还需进行大量研究试验。

燃料元件加工及乏燃料后处理要求高。由于快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍，因此对材料的要求也较苛刻。

快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短，所以快中子堆的控制比较困难。回路材料耐热性要求高，技术比较复杂。

第二章热工学基础知识

第1节核反应堆热工概述

1、反应堆热工在核工程领域的地位：

反应堆热工学是研究如何将反应堆内核燃料释热安全地输出堆外的学科。

反应堆热工水力学是研究在反应堆及其回路系统中冷却剂的流动特性和热量传输特性、燃料元件传热特性的学科。

研究对象：燃料元件传热特性、冷却剂流动特性、热量传输特性

应用领域：反应堆设计、反应堆运行

2. 反应堆热工设计的特点（与常规热工相比）

要考虑放射性对冷却剂、固体材料的导热、结构性能的影响。

材料设计要考虑中子吸收、慢化性能和辐照效应。

反应堆功率密度很高，某一构件内部温差大、热应力大，燃料元件的表面热负荷很大，要考虑临界热负荷的安全裕度。

3. 反应堆热工设计的作用

热工设计在整个反应堆设计过程中，常常起主导作用和桥梁作用。

必须设计出一个良好的堆芯输热系统。燃料元件的释热率最终要受到冷却条件和材料性能的限制。

一个完善的堆型方案能否实现，反应堆的安全性、经济性究竟如何协调，也都要在反应堆热工设计中体现出来。