第二章核電站工作原理及系統組成宋長華1一、核電站工作原理1、什么叫核電站？核電站就是利用一座或若干座動力反應堆所產生的熱能來發電或發電兼供熱的動力設施。反應堆是核電站的關鍵設備，鏈式裂變反應就在其中進行。將原子核裂變釋放的核能轉換成熱能，再轉變為電能的系統和設施，通常稱為核電站。2一、核電站工作原理2、核電站工作原理核電廠用的燃料是鈾。用鈾制成的核燃料在“反應堆”的設備內發生裂變而產生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發生器內產生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶著發電機一起旋轉，電就源源不斷地產生出來，并通過電網送到四面八方。核電站工作流程原理1

；圖23二、核電站類型目前世界上核電站常用的反應堆有壓水堆、沸水堆、重水堆和改進型氣冷堆以及快堆等。但用的最廣泛的是壓水反應堆。壓水反應堆是以普通水作冷卻劑和慢化劑，它是從軍用堆基礎上發展起來的最成熟、最成功的動力堆堆型。壓水堆核電站占全世界核電總容量的60%以上。4二、核電站類型1、壓水堆核電站----------------以壓水堆為熱源的核電站。圖它主要由核島和常規島組成。壓水堆核電站核島中的四大部件是蒸汽發生器、穩壓器、主泵和堆芯。在核島中的系統設備主要有壓水堆本體，一回路系統，以及為支持一回路系統正常運行和保證反應堆安全而設置的輔助系統。常規島主要包括汽輪機組及二回等系統，其形式與常規火電廠類似。5二、核電站類型2、沸水堆核電站

--------------------以沸水堆為熱源的核電站。圖沸水堆是以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑并在反應堆壓力容器內直接產生飽和蒸汽的動力堆。沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都具有結構緊湊、安全可靠、建造費用低和負荷跟隨能力強等優點。它們都需使用低富集鈾作燃料。沸水堆核電站系統有：主系統（包括反應堆）；蒸汽-給水系統；反應堆輔助系統等。6二、核電站類型3、重水堆核電站

圖以重水堆為熱源的核電站。重水堆是以重水作慢化劑的反應堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料。重水堆可用輕水或重水作冷卻劑，重水堆分壓力容器式和壓力管式兩類。重水堆核電站是發展較早的核電站，有各種類別，但已實現工業規模推廣的只有加拿大發展起來的坎杜型壓力管式重水堆核電站。7二、核電站類型4、快堆核電站圖由快中子引起鏈式裂變反應所釋放出來的熱能轉換為電能的核電站?？於言谶\行中既消耗裂變材料，又生產新裂變材料，而且所產可多于所耗，能實現核裂變材料的增殖。目前，世界上已商業運行的核電站堆型，如壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂變燃料，即使再利用轉換出來的钚-239等易裂變材料，它對鈾資源的利用率也只有1％—2％，但在快堆中，鈾-238原則上都能轉換成钚-239而得以使用，但考慮到各種損耗，快堆可將鈾資源的利用率提高到60％—70％。8二、核電站類型世界上目前建造核電站情況核電自50年代中期問世以來，目前已取得長足的發展。到1999年中期，世界上共有436座發電用核反應堆在運行，總裝機容量為350676兆瓦。正在建造的發電反應堆有30座，總裝機容量為21642兆瓦。目前世界上有33個國家和地區有核電廠發電，核發電量占世界總發電量的17％，其中有十幾個國國家和地區核電發電量超過各種的總發電量的四分之一，有的國家超過70％。據資料估計，到2005年核電廠裝機容量將達到388567兆瓦9三、核反應堆介紹核反應堆是一個能維持和控制核裂變鏈式反應，從而實現核能熱能轉換的裝置。核反應堆結構圖1、核反應堆類型（1）根據用途，核反應堆可以分為以下幾種類型①將中子束用于實驗或利用中子束的核

反應，包括研究堆、材料實驗等。②生產放射性同位素的核反應堆。③生產核裂變物質的核反應堆，稱為生產堆。④提供取暖、海水淡化、化工等用的熱量的核反應堆，比如多目的堆。⑤為發電而發生熱量的核反應，稱為發電堆。⑥用于推進船舶、飛機、火箭等到的核反應堆，稱為推進堆。（2）根據燃料類型分為天然氣鈾堆、濃縮鈾堆、釷堆；（3）根據中子能量分為快中子堆和熱中子堆；10三、核反應堆介紹1、核反應堆類型（4）根據冷卻劑(載熱劑)材料分為水冷堆、氣冷堆、有機液冷堆、液態金屬冷堆；（5）根據慢化劑(減速劑)分為石墨堆、重水堆、壓水堆、沸水堆、有機堆、熔鹽堆、鈹堆；（6）根據中子通量分為高通量堆和一般能量堆；（7）根據熱工狀態分為沸騰堆、非沸騰堆、壓水堆；（8）根據運行方式分為脈沖堆和穩態堆，等等。核反應堆概念上可有900多種設計，但現實上非常有限。11三、核反應堆介紹2、核反應堆的工作原理原子由原子核與核外電子組成。原子核由質子與中子組成。當鈾—235的原子核受到外來中子轟擊時，一個原子核會吸收一個中子分裂成兩個質量較小的原子核，同時放出2—3個中子。這裂變產生的中子又去轟擊另外的鈾—235原子核，引起新的裂變。如此持續進行就是裂變的鏈式反應。鏈式反應產生大量熱能。用循環水(或其他物質)帶走熱量才能避免反應堆因過熱燒毀。導出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動氣輪機發電。核反應堆的合理結構應該是：核燃料＋慢化劑＋熱載體＋控制設施＋防護裝置。

12三、核反應堆介紹3、核反應堆具有哪些用途核裂變時既釋放出大量能量、又釋放出大量中子。核反應堆有許多用途，但歸結起來，一是利用裂變核能，二是利用裂變中子。核能主要用于發電，但它在其它方面也有廣泛的應用。例如核能供熱、核動力等。核供熱是一種前途遠大的核能利用方式。清華大學在五兆瓦的低溫供熱堆上已經進行過成功的試驗。核供熱的另一個潛在的大用途是海水淡化。它可作為火箭、宇宙飛船、人造衛星、潛艇、航空母艦等的特殊動力。將來核動力可能會用于星際航行。13四、核能是清潔的能源目前環境污染問題大部分是由使用化石燃料引起的，化石燃料燃燒會放出大量的煙塵、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，由二氧化碳等有害氣體造成的“溫室效應”，將使地球氣溫升高，會造成氣候異常，加速土地沙漠化過程，給社會經濟的可持續發展帶來災難性的影響，核電站并不排放這些有害物質，不會造成“溫室效應”，與火電廠相比，它能大大改善環境質量，保護人類賴以生存的生態環境等。核電站是安全、經濟、干凈的能源，與火電站相比，更有利于保護環境。14核電廠和火電廠對環境影響的比較（電功率100兆瓦）居民受到的輻射劑量氧化硫排放量（噸/年）煙灰和殊物質（噸/年）氧化氮排放量（噸/年）危害健康的

相對指數燃煤發電廠0.04846000-127500350026250-30000SO：32000NOx：4530煙灰：1100

壓水堆核電站：0.018000氪氙1

磷2015四、核電站是經濟的能源世界上有核電國家的多年統計資料表明，雖然核電站的比投資高于燃煤電廠，但是，由于核燃料成本顯著地低于燃煤成本，以及燃料是長期起作用的因素，這就使得目前核電站的總發電成本低于燒煤電廠。16六、核能是可持續發展的能源世界上已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸。這些裂變燃料足夠使用到聚變能時代。聚變燃料主要是氘和鋰，海水中氘的含量為克/升，據估計地球上總的水量約為138億億立方米，其中氘的儲量約40萬億噸，地球上的鋰儲量有2000多億噸，鋰可用來制造氚，足夠人類在聚變能時代使用。按目前世界能源消費的水平，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。因此，有些能源專家認為，只要解決了核聚變技術，人類就將從根本上解決了能源問題。17八、核電站在設計上所采取的安全措施

1、四重屏障：裂變產生的放射性物質90％以上滯留于燃料芯塊中；密封的燃料包殼；圖堅固的壓力容器和密閉的回路系統；圖能承受內壓的安全殼。圖18八、核電站在設計上所采取的安全措施2、多重保護：在出現可能危及設備和人身的情況時，進行正常停堆；因任何原因未能正常停堆時，控制棒自動落入堆內，實行自動緊急停堆；如任何原因使控制棒未能插入，高濃度硼酸水自動噴入堆內，實現自動緊急停堆。19按照國際熱核實驗反應堆。煙灰和殊物質（噸/年）熱核反應的實現及巨大聚變能的釋放，自然地促使人們去研究如何使聚變能持續地釋放，成為人類可控制的能源。常規島主要包括汽輪機組及二回等系統，其形式與常規火電廠類似。世界上已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸。第五道防線：廠內外應急響應計劃，努力減輕事故對居民的影響。目前世界上核電站常用的反應堆有壓水堆、沸水堆、重水堆和改進型氣冷堆以及快堆等。核電廠的三廢治理設施與主體工程同時設計，同時施工，同時投產，其原則是盡量回收，把排放量減至最小，核電廠的固體廢物完全不向環境排放，放射性液體廢物轉化為固體也不排放；重水堆可用輕水或重水作冷卻劑，重水堆分壓力容器式和壓力管式兩類。以重水堆為熱源的核電站。八、核電站在設計上所采取的安全措施第三道防線：設計提供的多層次的安全系統和保護系統，防止設備故障和人為差錯釀成事故。核電廠和火電廠對環境影響的比較（電功率100兆瓦）2、核電站有哪些類型？核電站是安全、經濟、干凈的能源，與火電站相比，更有利于保護環境。因此，有些能源專家認為，只要解決了核聚變技術，人類就將從根本上解決了能源問題。八、核電站在設計上所采取的安全措施八、核電站在設計上所采取的安全措施3.核電廠在管理方面采取的安全措施核電廠有著嚴密的質量保證體系，對選址、設計、建造、調試和運行等各個階段的每一項具體活動都有單項的質量保證大綱。

另外，還實行內部和外部監查制度，監督檢查質量保證大綱的實施情況和是否起到應有的作用。另外對參加核電廠工作的人員的選擇、培訓、考核和任命有著嚴格的規定。領取操縱員執照，然后才能上崗，還要進行定期考核，不合格者將被取消上崗資格。20八、核電站在設計上所采取的安全措施4、核電廠發生自然災害時，它能安全停閉在核電廠設計中，始終把安全放在第一位，在設計上考慮了當地可能出現的最嚴重的地震、海嘯、熱帶風暴、洪水等自然災害,>即使發生了最嚴重的自然災害,>反應堆也能安全停閉，不會對當地居民和自然環境造成危害。

在核電廠設計中甚至還考慮了廠區附近的堤壩坍塌、飛機附毀、交通事故和化工廠事故之類的事件，例如一架噴氣式飛機在廠區上空墜毀，而且碰巧落到反應堆建筑物上，設計要求這時反應堆還是安全的。21八、核電站在設計上所采取的安全措施5、核電站的縱深防御措施核電站的設計、建造和運行，采用了縱深防御的原則，從設備上和措施上提供多層次的重疊保護，確保放射性物質能有效地包容起來不發生泄漏。縱深防御包括以下五道防線：第一道防線：精心設計，精心施工，確保核電站的設備精良。有嚴格的質量保證系統，建立周密的程序，嚴格的制度和必要的監督，加強對核電站工作人員的教育和培訓，使人人關心安全，人人注意安全，防止發生故障。第二道防線：加強運行管理和監督，及時正確處理不正常情況，排除故障。第三道防線：設計提供的多層次的安全系統和保護系統，防止設備故障和人為差錯釀成事故。第四道防線：啟用核電站安全系統，加強事故中的電站管理，防止事故擴大。第五道防線：廠內外應急響應計劃，努力減輕事故對居民的影響。22八、核電站在設計上所采取的安全措施6、核電站廢物嚴格遵照國家標準，對人民生活不會產生有害影響核電廠的三廢治理設施與主體工程同時設計，同時施工，同時投產，其原則是盡量回收，把排放量減至最小，核電廠的固體廢物完全不向環境排放，放射性液體廢物轉化為固體也不排放；像工作人員淋浴水、洗滌水之類的低放射性廢水經過處理、檢測合格后排放；氣體廢物經過滯留衰變和吸附，過濾后向高空排放。

核電廠廢物排放嚴格遵照國家標準，而實際排放的放射性物質的量遠低于標準規定的允許值。所以，核電廠不會對給人生活和工農業生產帶來有害的影響。23九、核電站系統1、核電站系統（三個回路）圖1；圖2；圖3一回路：反應堆冷卻劑（硼水）在主泵的驅動下進入反應堆，流經堆芯后從反應堆容器的出口管流出，進入蒸汽發生器，然后回到主泵，這就是反應堆冷卻劑的循環流程（亦稱一回路流程）。二回路：在循環流動過程中，反應堆冷卻劑從堆芯帶走核反應產生的熱量，并且在蒸汽發生器中，在實體隔離的條件下將熱量傳遞給二回路的水。二回路水被加熱，生成蒸汽，蒸汽再去驅動汽輪機，帶動與汽輪機同軸的發電機發電。三回路：作功后的乏蒸汽在冷凝器中被海水或河水、湖水冷卻水（三回路水）冷凝為水，再補充到蒸汽發生器中。以海水為介質的三回路的作用是把乏蒸汽冷凝為水，同時帶走電站的棄熱。24九、核電站系統2、核電站主要設備——核反應堆——蒸汽發生器——穩壓器——主冷卻劑泵——汽輪發電機機組25十、核電站廠房核電站廠房主要由反應堆廠房（又稱安全殼廠房）、一回路輔助廠房、核燃料廠房、汽輪發電機廠房、主控制室、輸配電廠房、循環水廠房及三廢處理廠房等組成。26課堂作業1、簡述核電站的工作原理。2、核電站有哪些類型？3、簡述核電站的三個回路系統。2728世界上典型的商用核電站沸水堆核電站重水堆核電站高溫氣冷堆核電站快中子增殖堆核電站核裂變電站的改進和發展

追求更好的安全性不斷改善核電的經濟性要滿足環境生態可持續發展要滿足資源利用可持續發展的要求滿足防核擴散的要求292030年以前將開發幾種新型核電的反應堆和燃料循環技術超臨界水冷堆系統（SCWR）超高溫氣冷堆系統（VHTR）氣冷快堆系統（GFR）液態鈉冷卻快堆系統（SFR30聚變核電站熱核反應的實現及巨大聚變能的釋放，自然地促使人們去研究如何使聚變能持續地釋放，成為人類可控制的能源。隨著受控熱核裂變的基礎理論和實驗技術的飛速發展，各國正在大力投資設計建造大型的裂變實驗裝置。據不完全統計，目前大約有21個國家（包括中國）共建造了200余個核聚變實驗裝置，同時設計研究了各種受控熱核反應堆發電裝置。按照國際熱核實驗反應堆。地點將在西班牙、法國、加拿大或日本。熱核反應堆是利用氫的同位素氘和氚的原子核實現核聚變的核反應堆。用受控核聚變的的能量來發電具有能量釋放大，資源豐富、成本低，安全可靠等優點。31核反應堆結構圖32核電站工作流程原理133核電站工作流程原理234核電站工作流程原理335沸水堆核電站36重水堆核電站37快堆核電站38安全殼