核反应堆结构与材料

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核反应堆结构与材料王建军wang-jianjun@hrbeu.edu.cn电话：825696552023/9/151核科学与技术学院 课程总体结构和要求总体内容包括核反应堆结构核反应堆材料要求建立对核反应堆的基本认识掌握、了解典型反应堆结构特点掌握核反应堆材料的基本要求、典型材料特点以及作用原理等2023/9/152核科学与技术学院 课程考核方法以期末闭卷考试为主平时成绩作为辅助出勤率课堂表现开放性作业2023/9/153核科学与技术学院 核能——无穷的能源核裂变反应核裂变能如全部利用，能供使用2400-2800年所释放的能量比全世界现有能源总量放出的能量大千万倍。如实现可控核聚变，能供使用上千亿年。核聚变反应核聚变能40万亿吨2000多亿吨氘，锂铀、钍矿4 核能，你的联想？核动力与核武器核潜艇、核动力航母日本长崎、广岛原子弹伊朗、朝鲜核问题核能安全问题（事故）日本福岛核事故切尔诺贝利事故美国三哩岛事故核电站：能提供17%的清洁能源5 结论核电是目前唯一能解决未来能源危机的清洁能源；未来核电的发展趋势：更高的安全性；更可靠稳定性；更高的抵抗非人为的自然灾害能力；经济性更加突出；放射性废物处理更方便；更成熟的技术及先进的理念；6 核电站268座压水堆核电站94座沸水堆核电站23座气冷堆核电站40座重水堆核电站12座石墨水冷堆核电站3座快中子堆核电站压水堆核电站共发电249GW(2.49亿千瓦)占核电总发电量65%核电已成为30多个国家能源组成中不可或缺的部分，目前世界共有441座核电站运行7 国内外核电发展概况国际：约463堆，总功率约3.7亿千瓦全球平均：容量占11%，电量占17%发达国家平均：容量占20%，电量占30%国家/地区美国法国日本俄罗斯德国乌克兰堆数1076055332020装机容量,MW991886430044650232202228017570核电份额%208035163247国家/地区韩国英国瑞典西班牙中国其他总计堆数18351291183463装机容量,MW1489012930100407320917047110370398核电份额%342846291.4装机容量：美国居首位，占1/4发展速度：法国、日本、韩国发展国家：韩国、中国8 世界核电分布9 发电量运行核电厂bil.kwh%No.MWe美国788.62010398034法国426.8785963473日本273.8295547700俄罗斯133163121743德国158.4321720303韩国124382016840乌克兰81.1511513168加拿大85.3151812595英国73.719231185210 正在建设的核电站计划建设的核电站数量容量MWe数量容量MWe美国1215000俄罗斯749201011960法国11630日本222851114945韩国3300056600加拿大2150033300印度62976108560伊朗19152190011 巴基斯坦13002600印度尼西亚22000巴西11245芬兰11630罗马尼亚21310保加利亚21900乌克兰21900阿根廷16921740斯洛伐尼亚2840白俄罗斯11000南非1165朝鲜195012 核能发电的发展趋势13 1942年世界上第一座核反应堆运行成功14 核反应堆发展历程实验示范阶段（1946-1965）高速发展阶段（1966-1980）滞缓发展阶段（1980-2000）良性循环：改进技术，降低成本及大规模出口这一时期基本形成了目前世界核电的格局美国：压水堆Model212、Model312，Model314，Model412、Model414；沸水堆（BWR）法国、日本、韩国：Model412、System80等标准核电站美国-苏联引导核电发展第二世界国际积极跟进英国，法国：原型天然铀石墨气冷堆核电站加拿大：天然铀重水堆核电站1973，1979年两次石油危机1979年3月美国三哩岛事故雪上加霜1986年苏联切尔诺贝利核电事故致命一击要求更安全的第三代核电站，第三代核能系统应运而生。15 核动力堆—第二春天？（2000-）经济发展受能源及环境制约凸显美国把扩大核能作为国家能源政策的重要组成部分；俄罗斯制定了较大规模的核电计划，已在南方建造一座100万千瓦的反应堆，还有4座机组也在建设中；日本政府提出核电立国，计划在2010年前新建13座核电厂，2011年后再建7座核电厂；近期，亚洲有11个国家分别提出将要发展核电第三代核电系统EPR2005年芬兰动工，2007年法国动工第三代核电系统AP10002007年在中国动工。（海阳，三门）16 当前核能面临的挑战如何实现可持续发展？核能面临的挑战可归结为：可管理的废物、燃料资源的有效利用和环境效益有竞争力的经济性公众认可的安全性核能系统和核燃料的安全保障17 对第四代核能系统的要求2000年美国提出第四代核能系统的概念。这个概念已在世界上被广泛接受，组成第四代核能系统国际论坛，中国已参加该论坛。可持续性经济性安全性防止扩散18 未来的第四代反应堆两年评估的结果，6种第四代反应堆堆型入选（2002年提出）19 世界能源特点目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤，化石能源占85%以上，从能源的供应结构来看，目前世界上消耗的能源主要来自煤、石油、天然气三大资源。资源问题；环境问题政治冲突；外部成本20 我国能源结构特点能源结构上：以煤为主体，石油和天然气资源不丰富，一次能源消费占能源消费量的70％，电力能源结构以煤为主，煤电占发电总量的77％。能源区域分布与工业布局不平衡，而且相反。中国已成为世界第二大能源生产与消费国、第一大煤炭生产与消费国、第二大石油消费国及石油进口国、第二大电力生产国。21 能源问题困扰中国北煤南运－－运输量十分巨大，经济上也不合理。西电东送－－技术上难度大，经济上代价高。发展核电－－核电在工业发达国家已有几十年的发展历史，核电已成为一种成熟的能源。22 中国需要发展核电国家中长期科技发展规划（2006－2020年）提出中国发展面临的瓶颈是能源、资源和环境问题本世纪中叶达到中等发达国家的水平：一次能源消费45亿吨标煤/年，电力装机16亿千瓦。23 我国核电站分布图24 秦山一期核电厂300MW大亚湾核电厂2×900MW1994年2月1日和5月6日两个机组分别投入商业运行1991年12月15日并网发电我国核电发展现状(运行核电站)25 我国核电发展现状(运行核电站)秦山二期650MW核电站1、2机组分别与2002年2月6日、2004年5月并网发电岭澳核电站1、2机组分别与2002年2月26日、2002年9月并网发电26 我国核电发展现状(运行核电站)江苏田湾核电站1、2机组分别与2006年5月12日、2007年5月并网发电秦山三期核电站1、2机组分别与2002年11月19日、2003年6月并网发电27 我国核电发展现状(已开工项目)福清核电站6X1000MW1、2号机组2008年12月开工图为2号机组第一罐混凝土方家山2X1000MW核电站1、2号机组2008年12月开工28 我国核电发展现状(已开工项目)三门核电站2X1250MWAP1000(三代机型)2009年3月开工海阳核电站2X1250MWAP1000(三代机型)2009年9月开工29 我国核电发展现状(已开工项目)台山核电站2010年4月15日开工30 我国核电发展现状(已开工项目)昌江核电站2010年4月25日开工31 核能的最初应用－核武器1939年二战爆发，美、英、德等国研究原子弹1942年12月建成世界第一座核反应堆之后美国建成三座石墨水冷生产堆。生产原子弹所需的钚。同时用电磁分离法生产高富集铀。1945年美国制成三颗原子弹。一颗用于试验，另两颗分别投落在日本的广岛和长崎。1952年研制氢弹成功。苏、英、法分别于1949、1952、1960年爆炸原子弹。后来爆炸了氢弹。32 美国1955年建成世界上第一艘核潜艇，苏联1959年建成核潜艇。苏、美近500艘核潜艇（700个反应堆）。美、俄、法拥有核动力航空母舰。为美国远程攻击的主力。压水堆动力。中国于1964年10月16日，1967年6月17日成功地爆炸了原子弹和氢弹。中国于1971年9月建成第一艘核潜艇，继美、苏、英、法之后第五个有核艇国家。1988年9月完成导弹核潜艇从水下发射弹道导弹的飞行试验。洛杉矶攻击核潜艇法国戴高乐号核动力航空母舰中国汉D级最新核潜艇核能的最初应用－核武器33 舰船核动力装置的设计舰船核动力装置的要求反应堆的可靠性、耐航性和安全性：提高固有安全性提高单堆功率增强自然循环能力冷却剂单流程通过堆芯提高自动化水平延长寿命发展新材料发展完善一体化压水堆技术34 日本福岛核事故35 日本福岛核事故◆1号机组：通用电气设计沸水堆核电站(439MW),1971年投入运行◆2-4号机组：通用电气设计沸水堆核电站(760MW),1974年投入运行36 厂房结构安全壳混凝土厂房◆钢构架维护层梨形干井◆环形湿井37 维护层38 吊装安全壳上封头39 反应堆维护层(不锈钢结构)乏燃料水池混凝土反应堆厂房(二次安全壳)反应堆堆芯反应堆压力容器安全壳(干井)安全壳(湿井)/浓缩井新蒸汽管线主给水管线40 2011.3.1114:46–地震9级◆日本北方电网崩溃◆反应堆主体并未损坏紧急停堆◆铀的裂变释热停止◆热量的产生是由于裂变产物的放射性衰变停堆后~6%1天后~1%5天后~0.5%41 安全壳隔离◆非安全相关贯穿件隔离◆设备闸门隔离◆如果安全壳隔离成功，裂变产物在初期的大量释放是不可能发生的应急柴油机启动应急堆芯冷却系统启动电站处于稳定的安全状态42 11.3.15:41海啸袭击核电站电站设计抵御海啸的能力是6.5米浪高◆实际浪高>7m◆海水冲击了—应急柴油机和/或—用来冷却发电机的重要厂用水厂房全厂断电除了蓄电池外，失去其他电源◆只剩下一列应急堆芯冷却系统可用43 堆芯循环泵可用反应堆产生的蒸汽推动小汽轮机◆蒸汽在湿井中凝结◆小汽轮机驱动堆芯循环泵运行◆湿井中的冷却剂被泵驱动进入反应堆必须保证的:_电池电量_湿井温度低于100度由于没有冷源，堆芯循环泵没办法一直运行下去44 堆芯循环泵停运打开蒸汽释放阀余热仍然在压力容器内释放反应堆压力容器内液位下降1号机组11.3.16:36(电池耗尽)2号机组14.3.13:25(泵故障)3号机组13.3.2:44(电池耗尽)压力升高蒸汽释放到湿井45 堆芯循环泵停运打开蒸汽释放阀余热仍然在压力容器内释放反应堆压力容器内液位下降1号机组11.3.16:36(电池耗尽)2号机组14.3.13:25(泵故障)3号机组13.3.2:44(电池耗尽)压力升高蒸汽释放到湿井46 堆芯循环泵停运打开蒸汽释放阀余热仍然在压力容器内释放反应堆压力容器内液位下降1号机组11.3.16:36(电池耗尽)2号机组14.3.13:25(泵故障)3号机组13.3.2:44(电池耗尽)压力升高蒸汽释放到湿井47 堆芯循环泵停运打开蒸汽释放阀余热仍然在压力容器内释放反应堆压力容器内液位下降1号机组11.3.16:36(电池耗尽)2号机组14.3.13:25(泵故障)3号机组13.3.2:44(电池耗尽)压力升高蒸汽释放到湿井48 堆芯循环泵停运打开蒸汽释放阀余热仍然在压力容器内释放反应堆压力容器内液位下降1号机组11.3.16:36(电池耗尽)2号机组14.3.13:25(泵故障)3号机组13.3.2:44(电池耗尽)压力升高蒸汽释放到湿井49 由于汽化产生汽泡，使液体膨胀，液位仍高于堆芯裸露的液位50%堆芯裸露包壳温度升高，但是仍低于堆芯发生损坏的温度2/3堆芯裸露包壳温度超过900度包壳发生破损包壳和燃料棒间的裂变产物释放50 3/4堆芯裸露包壳温度超过1200度锆水反应发生Zr+2H20→ZrO2+2H2反应放出的热量进一步使堆芯升温产生氢气—1号机组:300~600kg—2/3号机组:300~1000kg氢气通过湿井进入干井51 在~1800℃[1、2、3号机组]包壳熔化钢结构熔化在~2500℃[1、2号机组]燃料棒破损堆芯内熔融物分层在~2700℃[1号机组]燃料熔化供水恢复使3台机组事故中止1号机组:12.3.20:202号机组:14.3.20:333号机组:13.3.9:3852 堆芯熔化过程中释放的裂变产物氙、铯、碘…铀/钚仍保留在堆芯内裂变产物以气溶胶形式存在通过阀门进入浓缩井中水的净化作用去除掉了一部分气溶胶氙和留存下来的气溶胶进入干井气溶胶附着在容器壁上，进一步减少了气空间中的气溶胶53 安全壳裂变产物和大气间的最后一道安全屏障壁厚3厘米设计压力4-5bar实际压力达到8bar正常注入的惰性气体（氮气）堆芯产生的氢气浓缩井的沸腾使安全壳降压1号机组:12.3.4:002号机组:13.300:003号机组:13.3.8.4154 安全壳降压的积极和消极影响去除安全壳内的能量（只有水留下）降压到4bar释放少量的气溶胶（碘和铯~0.1%)释放惰性气体释放氢气气体释放到反应堆维护层氢气是易燃的55 1号和3号机组氢气在反应堆维护层爆炸钢结构屋顶遭到破坏结构更坚固的反应堆厂房没有遭到破坏看起来比较严重但是就安全性来说，影响不大56 2号机组氢爆发生在反应堆厂房内可能造成了浓缩井损坏安全壳向外不可控的气体释放裂变产物的释放电站人员暂时撤退高的局部剂量率使得恢复工作被迫暂停没有确切的信息说明为什么2号机组发生这种特殊的情况57 反应堆当前状态1,2,3号机组都发生了堆芯损坏由于不同的燃烧和爆炸，1至4号机组厂房都发生了损坏所有机组的反应堆压力容器通过移动泵注水至少1号机组的安全壳已经成功注入通过继续释放蒸汽到大气进一步冷却反应堆接下来只会有少量的裂变产物会被释放到大气58 电站现场2号机爆炸前低于2mSv/h主要源于释放的含放射性的惰性气体测量点位于西面，极低的测量值可能是源于风向的影响2号机爆炸后(安全壳损坏)瞬时峰值12mSv/h释放点并不明确现场局部峰值400mSv/h当前现场稳定剂量值5mSv/h厂房内剂量值要高得多限制工人作业时间是很必要的59 60 日本长崎、广岛原子弹61