新能源发电与控制技术第3版 惠晶第7章 核能发电与应用技术

1,机械工业出版社,第7章 核能发电与应用技术,2,机械工业出版社,3,机械工业出版社,主要内容,4,机械工业出版社,核能包括核裂变能、核聚变能、核素衰变能等。其中主要的核能形式为核裂变能和核聚变能。核裂变能是重元素(铀或钍等)在中子的轰击下，原子核发生裂变反应时放出的能量；核聚变能是轻元素(氘和氚)的原子核发生聚变反应时放出的能量。,7.1.1 核能的主要形式,5,机械工业出版社,1 核裂变能,某些重核原子如 等，在热中子的轰击下，原子核发生裂变反应，产生 质量相差不多的两种核素和几个中子，并释放出大量的能量。以,为例:,据测算，1kg,全部裂变后释放出的能量，相当于,燃烧放出的化学能。,标准煤完全,6,机械工业出版社,1 核裂变能,在不加控制的链式反应中，从一个原子核开始裂变放出中子，到该中子引发下一代原子核的裂变，只需一纳秒（10-9s）时间。在非常短的时间以及有限空间内，核裂变所放出巨大的能量必然会引起剧烈地爆炸。原子弹就是根据这种不加控制的链式反应的原理制成的。通过链式反应的控制，使核裂变能缓缓地释放出来，可用于直接供热或发电等。核裂变电站就是利用可控核裂变来发电的。,7,机械工业出版社,2 核聚变能,核聚变是由两个或多个轻元素的原子核，如氢的同位素氘(,),或氚(,),的原子核，聚合成一个较重的原子核的过程。在,这个过程中，,由于某些轻元素如氘在聚变时质量亏损较核裂变,反应时大，根据,，核聚变反应将会放出更多的能量。,8,机械工业出版社,3 核能发电的特点,9,机械工业出版社,7.1.2 核能的和平利用,核技术最初被作为现代化武器在国防军事领域所使用，如原子弹、氢弹。而后，随着社会的发展陆续开始在工业、农业、医学等诸多领域广泛应用。如利用核能直接为工厂或家庭取暖供热、核能发电、海水淡化、氢燃料的制备、航天器用的热电转换型同位素空间电池(利用核素衰变热发电)、 心脏起博器或军用微机械用同位素电池(辐射伏特效应)、食品辐照、食品和器具的消毒等。,10,机械工业出版社,7.2.1 核反应堆原理,核电站是利用核裂变反应释放出的能量来发电的工厂。它是通过冷却剂流过核燃料元件表面，把裂变产生的热量带出来，再产生蒸汽，推动汽轮发电机组发电。,11,机械工业出版社,压水堆核电站工作原理,12,机械工业出版社,7.2.2 核反应堆装置,三种主要的核电堆型,a）压水堆 b）沸水堆 c）重水堆,反应堆,核反应堆装置由堆芯、冷却系统、中子慢化系统、中子反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。,13,机械工业出版社,压水堆全称为加压轻水慢化冷却反应堆。压水堆核电厂的反应堆采用普通高纯水作慢化剂和冷却剂，低富集度的二氧化铀为燃料，为了把反应堆的出口水温提高到300左右，必须将压力提高到1416MPa左右，以防止沸腾。所以称这种类型的反应堆为加压水反应堆，简称压水堆。压水堆结构图如下图所示。,14,机械工业出版社,压水堆结构图,在压水堆核电厂中，反应堆进行核裂变。将核能转化成热能，水作为冷却剂流经堆芯将堆内释放的热量通过反应堆冷却剂管道传到蒸汽发生器，在那里传递给二次侧的给水(二回路工质)，使其成为饱和蒸汽。 冷却剂在蒸汽发生器中被冷却后由主冷却剂泵打回反应堆重新加热，形成一个封闭的吸热和放热的循环流动过程，这个循环回路称为一回路，也是核蒸汽供应系统的主要部分，其功能是冷却堆芯并带走热量。 由于一回路的主要设备是反应堆，所以通常将一回路及其辅助系统和厂房统称为核岛（NI）。,15,机械工业出版社,核能发电实际是核能热能机械能电能的能量转换过程。其中热能机械能电能的能量转换过程与常规火力发电厂的工艺过程基本相同，只是设备的技术参数略有不同。核反应堆的功能相当于常规火电厂的锅炉系统，只是由于流经堆芯的反应堆冷却剂带有放射性，不宜直接送入汽轮机，所以压水堆核电厂比常规火电厂多一套动力回路。,16,机械工业出版社,核岛系统,常规岛系统,一回路系统,专设安全系统,核辅助系统,三废处理系统,电厂辅助系统,汽轮机回路,循环冷却水系统,电气系统,17,机械工业出版社,核反应堆的启动、功率调节、停堆等是依靠控制棒的运行进行控制；一回路的压力、冷却剂容量控制靠稳压器系统来完成；停堆后的热量导出由余热排除系统来实现；一回路冷却剂的水质控制由化学和容积控制系统来完成；一回路的正常泄漏补偿由化学和容积控制系统来完成；一回路的事故泄漏补偿由安注系统(高压、低压、及中压安注系统)来实现。,18,机械工业出版社,7.4.1 核电站的运行,对于压水堆核电站，反应堆的标准运行方式包括以下几种：,（1）冷停堆。 （2）中间停堆。 （3）热停堆。 （4）热备用。 （5）功率运行。,19,机械工业出版社,标准运行状态图,20,机械工业出版社,反应堆启动过程,一回路冲水排气,一回路升温、稳压器建立汽腔,继续升温至热停堆,反应堆达到临界,提升功率到2%核电站的额定功率,升负荷至100%额定功率,汽轮机冲转、并网,21,机械工业出版社,核电站停堆过程,核电站的停堆过程相对简单。首先是按照一定的速率降负荷，当负荷低到一定程度时汽轮机跳闸，同时发电机解列。随后继续硼化或者插人G棒，降低功率到2%额定功率以下，使机组处于热备用状态。根据计划安排，进行下一步的工作。,22,机械工业出版社,7.4.2 核电站的监控系统,核电站的监控系统主要指仪表和控制(简称I&C)系统，它是核电厂关键的综合系统之一，是整个核电厂的“中枢神经”系统，它对确保核电厂的安全、经济运行起着至关重要的作用。 随着核电技术的研究和开发以及微电子技术的高速发展，自20世纪70年代开始，一些发达国家就相继着手开发设计用于核电厂的数字化I&C系统，目前，这类系统的应用已经从局部扩展到全厂范围。90年代开始，随着对核电厂安全性和经济性要求的进一步提高，以及微电子、计算机和网络通信三大现代技术日趋成熟完善，数字化I&C系统已经进一步向智能化的方向发展。,23,机械工业出版社,AP1 0 0 0的 I&C体系,24,机械工业出版社,7.4.2 核电站的监控系统,1 核电厂仪表和控制系统的功能,核电厂仪表和控制系统包括核岛(NI )、常规岛(CI)及电厂辅助设施(BOP)等部分的仪表和控制系统。,核电厂仪表和控制系统构成电厂人/机系统中的接口，其主要功能包括：,(1)在正常运行、预计运行事件和事故工况下，监测核电厂参数和各系统的运行状态，为操纵员安全有效地操纵核电厂提供必要信息。 (2)通过自动化设备的自动控制或操纵员手动控制，将工艺系统或设备的运行参数维持在运行工况规定的限值内。 (3)在异常工况和事故工况下，触发保护动作，保护人员、反应堆和系统设备的安全，避免环境受到放射性污染。 (4)为操纵员提供事故后实施操作的监控手段，从而能将核电厂导致并保持在安全状态。,25,机械工业出版社,2 核电厂的监测和控制方式,26,机械工业出版社,3 核电厂控制室,在核电厂中，控制室系统是指包括人机接口、控制室工作人员、操作规程、培训大纲和相关的设施或设备的总体，它们共同维持控制室功能的正确执行。,（1）主控制室 由主控制室集中控制和监测的、并由操纵员操作的设备和系统用于执行以下功能: (1)使得机组安全运行。 (2)提高机组的可用率。 (3)保证设备安全。 (4)保障人员安全。,27,机械工业出版社,主控室平面布置图,28,机械工业出版社,（2）公共控制室 对于双堆机组，除了每个机组设置了一个主控制室外，两台机组公用的某些功能是从公共控制室内的公共控制盘控制和监测的。公共控制室位于两个机组的主控室之间，并紧靠在一起，以便每个机组的操纵员能迅速到达该房间内操作。公共控制室的设计基准以及盘台设备等都与主控室的要求一样。,29,机械工业出版社,4 控制室未来发展方向,随着科学技术的发展，核电站主控制室正朝向计算机化的先进控制室方向发展，由计算机工作站取代常规仪表控制设备，使操纵员能够更多地从事电站的监督管理工作。 先进的控制室主要包括下列设置： （1) 计算机化的工作站(操纵员、值长)。 （2）大屏幕。 （3）与工作站冗余的、与安全有关的控制盘台。 （4）火灾探测及消防盘。 （5）保安、通信设施。,30,机械工业出版社,5 计算机数据处理系统,秦山第二核电厂计算机数据处理系统结构图,31,机械工业出版社,一体化分布式仪表控制系统结构示意图,32,机械工业出版社,我国核电的发展,我国第一座实验性反应堆是在1954年6月建成投入运行的，我国自行设计研制、建造的秦山核电站已经运行发电了；广东大亚湾电站第一期工程也已建成，并运行发电了，全部建成后年发电量可达100亿度. 因为铀核裂变有放射性污染，因而建设核电站时必须采用可靠的防护措施，防止放射性物质泄漏，避免造成放射性污染，以保证核电站的安全运行.我国对核电站的安全非常重视，有专门负责安全监督的核安全局，保证核能的安全应用.,33,机械工业出版社,我国核电的发展,34,机械工业出版社,我国核电的发展,35,机械工业出版社,我国核电的发展,36,机械工业出版社,我国核电的发展,37,机械工业出版社,我国核电的发展,38,机械工业出版社,核电厂经济分析，狭义地说，是对某个核电厂工程建设项目作投资概算、发电成本和经济效益分析；广义地说，是通过对核电厂作多个工程建设方案的投资概算、发电成本和经济效益分析，对各个方案作对比分析，研究并确定核电厂最佳工程建设方案和改进的方向。,核电成本，核电厂单位发电量的生产成本，即把为发电而在基本建设、运行维修、核燃料和退役等方面投入资金的总和，分摊到所生产的每1kW·h上。一般计算公式为,式中，C为核电成本；S为基本建设投资；O为运行维修费；F为核燃料费；E为扣除厂用电后的净发电量。,39,机械工业出版社,核电厂发电成本由投资提成(或折旧费)、核燃料费、运行维护费、退役费等构成。,对核电厂经济性有重要影响的因素有：单机容量，建设规模。标准化程度，建设方式，建造周期，利息率，价格浮动率，负荷因子，平均燃耗深度等。,通过改进堆芯设计性能和改善燃料管理来加深燃耗深度。是降低核燃料发电成本的重要手段。目前新设计的核燃料都在考虑提高铀-235的富集度，加深燃耗，将换料周期延长至1824个月，这样不仅会降低核燃料所占的发电成本，同时可提高核电厂的负荷因子。,