船舶动力装置概论第十六次课第五章.ppt

1德国德国212型潜艇型潜艇俄罗斯俄罗斯“库兹涅佐夫库兹涅佐夫”级航空母舰级航空母舰 本节课要点本节课要点5.2　　核反应堆核反应堆5.3 核动力装置核动力装置5.4 核安全核安全21986年苏联切尔诺贝利核电站年苏联切尔诺贝利核电站第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.2核反应堆核反应堆3第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.2核反应堆核反应堆4以压水堆为热源的核能装置它主要由核岛和常规岛组成核岛中的以压水堆为热源的核能装置它主要由核岛和常规岛组成核岛中的四大部件是四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯在核岛中的系统设备主要在核岛中的系统设备主要有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一回路系统正常运行和保证反应有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统堆安全而设置的辅助系统常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统1、、压水堆压水堆第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.2核反应堆核反应堆5以沸水堆为热源的核能装置。

采用低浓（铀以沸水堆为热源的核能装置采用低浓（铀-235浓度约为浓度约为3％）的二氧化铀％）的二氧化铀作燃料，沸腾水作慢化剂和冷却剂，并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽作燃料，沸腾水作慢化剂和冷却剂，并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费的动力堆沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点它们都需使用低富集铀作燃料用低和负荷跟随能力强等优点它们都需使用低富集铀作燃料2、、沸水堆沸水堆第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.2核反应堆核反应堆6重水堆是以重水作慢化重水堆是以重水作慢化剂的反的反应堆，堆，可以直接利用天然可以直接利用天然铀作作为核燃料重水核燃料重水堆可用堆可用轻水或重水作冷却水或重水作冷却剂，重水堆分，重水堆分压力容器式和力容器式和压力管式两力管式两类目前达到商用水平的只有加拿大开目前达到商用水平的只有加拿大开发的坎杜堆，我国正建一座重水堆核电发的坎杜堆，我国正建一座重水堆核电站3、、重水堆重水堆第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.2核反应堆核反应堆7以石墨作慢化以石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却，二氧化碳作冷却剂，用，用天然天然铀燃料，最高运行温度燃料，最高运行温度为360℃，，这种堆种堆已有丰富的运行已有丰富的运行经验，到，到90年代初期已运行了年代初期已运行了650个堆年。

个堆年 4、、石墨气冷堆石墨气冷堆采用采用钚或高或高浓铀作燃料，一般用液作燃料，一般用液态金属金属钠作冷却作冷却剂不用慢化慢化剂根据冷却根据冷却剂的不同分的不同分为钠冷快堆和气冷快堆冷快堆和气冷快堆5、、快中子堆快中子堆第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.2核反应堆核反应堆8类型类型冷却剂冷却剂慢化剂慢化剂燃料燃料特点特点压水堆压水堆轻水轻水轻水轻水UOUO2 2堆芯在压力容器内堆芯在压力容器内沸水堆沸水堆沸腾水沸腾水沸腾水沸腾水低富集铀低富集铀 直接产生饱和蒸汽直接产生饱和蒸汽重水堆重水堆重水重水轻水轻水/ /重水重水天然铀天然铀压力容器压力容器/ /管式管式气冷堆气冷堆气体气体石墨石墨液态金属堆液态金属堆 液态金属液态金属----效率高效率高各种动力堆特点各种动力堆特点第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.2核反应堆核反应堆9截止至截止至2014年年8月月20日我国在运日我国在运21台核电机组台核电机组第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置105.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置11一、压水堆核动力装置原理一、压水堆核动力装置原理5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置12压压水水堆堆核核动动力力装装置置一回路一回路二回路二回路推进系统推进系统反应堆冷却剂系统反应堆冷却剂系统反应堆冷却剂系统反应堆冷却剂系统专设安全系统专设安全系统一回路辅助系统一回路辅助系统废物处理系统废物处理系统汽轮机回路汽轮机回路蒸汽系统蒸汽系统蒸汽系统蒸汽系统循环水系统循环水系统船舶电站船舶电站润滑油系统润滑油系统造水系统造水系统二、压水堆核动力装置的组成二、压水堆核动力装置的组成5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置13冷却堆芯，将热量传递给蒸汽发生器二回路两侧工质冷却堆芯，将热量传递给蒸汽发生器二回路两侧工质中子慢化，冷却剂兼做慢化剂中子慢化，冷却剂兼做慢化剂作为包容运行参数下冷却剂的承压边界作为包容运行参数下冷却剂的承压边界（一）反应堆冷却剂系统（一）反应堆冷却剂系统5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置141、反应堆冷却剂系统的设计要求、反应堆冷却剂系统的设计要求l保证堆芯的充分冷却；保证堆芯的充分冷却；l应有一定的自然循环能力；应有一定的自然循环能力；l主泵应有一定的惯性；主泵应有一定的惯性；l一台主泵失效，不能使冷却剂系统失效；一台主泵失效，不能使冷却剂系统失效；l满足适航性要求；满足适航性要求；l满足承压边界完整性要求；满足承压边界完整性要求；l系统双重设置。

系统双重设置5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置152、压力安全系统、压力安全系统主主要要设设备备为为稳稳压压器器，，是是一一个个高高压容器稳稳压压器器内内部部的的冷冷却却剂剂存存在在液液相相和和蒸蒸汽汽相相共共存存的的状状态态在在液液相相装装有有电电加加热热器器，，在在蒸蒸汽汽相相装装有有向向蒸蒸汽相喷射冷却剂的汽相喷射冷却剂的喷头喷头5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置162、压力安全系统、压力安全系统功能：功能：（（1）稳态运行时，维持运行压力）稳态运行时，维持运行压力（（2）汽轮机负荷变化时，吸收冷却剂的体积变化）汽轮机负荷变化时，吸收冷却剂的体积变化（（3））汽汽轮轮机机负负荷荷变变化化时时，，稳稳压压器器可可限限制制系系统统的的压压力力波波动动在在允允许许的的范围内4））反反应应堆堆启启动动时时，，按按主主冷冷却却剂剂的的升升温温升升压压要要求求，，提提高高工工作作压压力力，，停堆时，按降温降压要求，使主冷却剂压力降下来停堆时，按降温降压要求，使主冷却剂压力降下来5）排除主冷却剂系统中的某些有害气体排除主冷却剂系统中的某些有害气体。

5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置172、压力安全系统、压力安全系统u当汽轮机负荷减少时，当汽轮机负荷减少时，冷却剂的平均温度增加，体积膨胀，冷却剂通过冷却剂的平均温度增加，体积膨胀，冷却剂通过波动管流入稳压器，压缩蒸汽相部分，如果主冷却剂压力过大，打开喷波动管流入稳压器，压缩蒸汽相部分，如果主冷却剂压力过大，打开喷雾管，向蒸汽相喷雾，冷凝一部分蒸汽，吸收压力波动雾管，向蒸汽相喷雾，冷凝一部分蒸汽，吸收压力波动u当汽轮机负荷增加时，当汽轮机负荷增加时，冷却剂的平均温度降低，体积收缩，冷却剂通过冷却剂的平均温度降低，体积收缩，冷却剂通过稳压器底部的波纹管从下部流出稳压器，此时，稳压器内压力降低，液稳压器底部的波纹管从下部流出稳压器，此时，稳压器内压力降低，液相水被蒸发达到热平衡，为了加速液相水蒸发，可使用加热器，提高蒸相水被蒸发达到热平衡，为了加速液相水蒸发，可使用加热器，提高蒸空间的压力，从而使冷却剂的工作压力回升空间的压力，从而使冷却剂的工作压力回升5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置183、净化系统、净化系统净净化化系系统统的的作作用用是是通通过过过过滤滤、、离离子子交交换换等等手手段段连连续续去去除除冷冷却却剂剂中中溶溶解解的的和和不不可可溶溶解解的的杂杂质质，，保保证证冷冷却却剂剂中中的的杂杂质质浓浓度度在在允允许许值值以以下下，，降低冷却剂的放射性水平。

降低冷却剂的放射性水平5.3核动力装置核动力装置4、余热危机冷却系统、余热危机冷却系统反反应应堆堆停停堆堆后后，，存存在在衰衰变变热热，，所所以以必必须须对对反反应应堆堆堆堆芯芯进进行行停停堆堆冷冷却余余热热危危机机冷冷却却系系统统作作用用当当反反应应堆堆正正常常停停堆堆、、冷冷停停堆堆以以及及事事故故紧紧急急停堆时，用以去除堆芯放射性衰变热以及一回路装置余热停堆时，用以去除堆芯放射性衰变热以及一回路装置余热第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置195、安全注射系统和安全喷淋系统、安全注射系统和安全喷淋系统安全注射系统又叫应急堆芯注水系统，某些事故如失水、停泵，安全注射系统又叫应急堆芯注水系统，某些事故如失水、停泵，断电及主蒸汽管破裂时，向反应堆内应急充填和补给冷却水，以去除断电及主蒸汽管破裂时，向反应堆内应急充填和补给冷却水，以去除衰变热应急喷淋系统是在失水事故或堆舱内主蒸汽管道破裂事故情况下，应急喷淋系统是在失水事故或堆舱内主蒸汽管道破裂事故情况下，向堆舱向堆舱(或安全壳或安全壳)内喷淋冷却水，以降低堆舱内喷淋冷却水，以降低堆舱(或安全壳或安全壳)内的压力和温内的压力和温度。

度5.3核动力装置核动力装置6、非能动冷却系统、非能动冷却系统核电厂：顶部冲入氮气的处于高位的大水箱核电厂：顶部冲入氮气的处于高位的大水箱船舶：依靠主冷却剂系统的自然循环能力将堆芯余热排到蒸汽发生船舶：依靠主冷却剂系统的自然循环能力将堆芯余热排到蒸汽发生器，蒸汽发生器二次侧与应急冷却器之间依靠应急给水的自然循环，将器，蒸汽发生器二次侧与应急冷却器之间依靠应急给水的自然循环，将蒸汽热量传递给海水，实现堆芯余热的非能动排出蒸汽热量传递给海水，实现堆芯余热的非能动排出第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置202、反应堆冷却剂系统的三种布置方式、反应堆冷却剂系统的三种布置方式一体化布置一体化布置紧凑式布置紧凑式布置分散式布置分散式布置RCS5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置21日本日本““陆奥陆奥””号号各主要设备在堆舱内呈分散布置各主要设备在堆舱内呈分散布置状态，依靠较长的主管道相连状态，依靠较长的主管道相连占用空间多占用空间多自然循环能力较低自然循环能力较低维修方便维修方便A A分散式布置分散式布置俄罗斯俄罗斯“北极北极”号破冰船号破冰船蒸蒸汽汽发发生生器器、、主主泵泵、、稳稳压压器器紧紧靠靠反反应应堆堆周周围布置，主管道很短围布置，主管道很短布置较为紧凑布置较为紧凑有利于提高自然循环能力有利于提高自然循环能力B紧凑式布置紧凑式布置C C一体化布置一体化布置日本日本MRXMRX蒸汽发生器、主泵、稳压器与反应堆集成一体，无主管道蒸汽发生器、主泵、稳压器与反应堆集成一体，无主管道布置紧凑布置紧凑有利于提高自然循环能力有利于提高自然循环能力无大失水事故无大失水事故5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置22三、二回路系统的组成三、二回路系统的组成二回路系统主汽轮机组蒸汽系统循环水系统润滑油系统造水系统凝给水系统5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置23蒸汽系统主蒸汽系统辅蒸汽系统乏汽系统蒸汽排放系统输送新蒸汽至主汽轮机输送减压蒸汽至辅汽轮机收集辅汽轮机废汽超压排放，压力保护（一）蒸汽系统的组成及功能（一）蒸汽系统的组成及功能5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置241 1、、蒸汽系统的设计要求蒸汽系统的设计要求l管内流动阻力尽量小；管内流动阻力尽量小；l有足够的生命力和最大的工作可靠性；有足够的生命力和最大的工作可靠性；l有安全可靠的热补偿措施；有安全可靠的热补偿措施；l散热损失小；散热损失小；l管道材料与蒸汽参数相适应；管道材料与蒸汽参数相适应；l管道支撑能防振动、防摇摆并满足热补偿要求。

管道支撑能防振动、防摇摆并满足热补偿要求5.3核动力装置核动力装置第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全25一、船用条件对核动力装置的要求一、船用条件对核动力装置的要求受海洋条件影响，如摇摆、倾斜、升降；受海洋条件影响，如摇摆、倾斜、升降；易产生海上事故，如碰撞、触礁、火灾、沉没；易产生海上事故，如碰撞、触礁、火灾、沉没；负荷变化频繁、幅度大；负荷变化频繁、幅度大；航行远离基地、码头，维修、补给困难；航行远离基地、码头，维修、补给困难；船内舱室空间有限，工作人员活动场所小，运行条件恶劣，运船内舱室空间有限，工作人员活动场所小，运行条件恶劣，运行管理难度很大；行管理难度很大；船上、港口人员密集，辐射防护要求高；船上、港口人员密集，辐射防护要求高；海洋气候潮湿，空气中含有盐分，动力设备要具有抗腐蚀性能海洋气候潮湿，空气中含有盐分，动力设备要具有抗腐蚀性能第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全261、、舰船运动的类型数据舰船运动的类型数据运动类型运动类型幅度幅度/°时间时间/s左右摇摆左右摇摆3015俯仰摇摆俯仰摇摆107水面舰船甲板倾斜度水面舰船甲板倾斜度加速度类型加速度类型数值数值/g垂直垂直±1.0横向横向±0.5纵向纵向±0.2水面非军用船加速度水面非军用船加速度第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全272、、航行远离基地、码头，航行远离基地、码头，维修、补给困难。

维修、补给困难核潜艇在船坞内维修核潜艇在船坞内维修→ 第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全283、、船内舱室空间有限，工作人员活动场船内舱室空间有限，工作人员活动场所小，运行条件恶劣，运行管理难度很大所小，运行条件恶劣，运行管理难度很大第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全294、、海上事故海上事故2006年年11月月21日上午，日本潜艇日上午，日本潜艇“朝潮朝潮”号在宫崎县油津港附近海域号在宫崎县油津港附近海域浮出海面时与排水量为浮出海面时与排水量为4000吨的巴拿马籍货轮相撞，造成潜水艇立舵变形，吨的巴拿马籍货轮相撞，造成潜水艇立舵变形，没有造成人员伤亡没有造成人员伤亡↓潜艇后纵舵变形潜艇后纵舵变形 ↓事件经过事件经过 第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全302007年年1月月9日，日本川崎汽船公日，日本川崎汽船公司的司的“最上川最上川”号大型油轮和美国号大型油轮和美国“纽波特纽斯纽波特纽斯”号核动力潜艇在阿号核动力潜艇在阿拉伯海的霍尔木兹海峡相撞拉伯海的霍尔木兹海峡相撞油轮局部受损，但没有油轮局部受损，但没有人员伤亡，也没有造成原人员伤亡，也没有造成原油和核泄漏事故。

油和核泄漏事故第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全312000年年8月月12日，造价日，造价10亿美元的亿美元的俄罗斯核潜艇俄罗斯核潜艇 “库尔斯克库尔斯克”号在巴号在巴伦支海爆炸沉没，伦支海爆炸沉没，118人殉难人殉难 反应堆处于安全关闭状态，没有反应堆处于安全关闭状态，没有造成核泄漏造成核泄漏第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全32福福岛岛核核电电站站是是目目前前世世界界世世界界最最大大的的核核电电站站，，由由福福岛岛一一站站、、福福岛岛二二站站组组成成，，共共10台台机机组组（（一一站站6台台，，二二站站4台台）），，均均为为沸沸水水堆堆2011年年3月月12日受地震影响，福岛第一核电站的放射性物质泄漏到外部日受地震影响，福岛第一核电站的放射性物质泄漏到外部第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全33对船上所有人员的健康和对周围环境的清洁与安全有切对船上所有人员的健康和对周围环境的清洁与安全有切实可靠的保证实可靠的保证①①正常条件下，对人员的放射性辐照低于法定水平；正常条件下，对人员的放射性辐照低于法定水平；②②事故情况下，安全系统及时投入，防止放射性物质外事故情况下，安全系统及时投入，防止放射性物质外泄至环境。

泄至环境由于核裂变过程伴随着放射性物质的产生，核安全始终由于核裂变过程伴随着放射性物质的产生，核安全始终是在核动力装置的研制和使用中的首要问题是在核动力装置的研制和使用中的首要问题二、安全性二、安全性第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置34C高放射性废物：乏燃料高放射性废物：乏燃料（一）三类核废物（一）三类核废物A低放射生废物低放射生废物受到轻微污染的固体，例如手套及衣服等受到轻微污染的固体，例如手套及衣服等B中放射性废物中放射性废物来自核电站的工艺流程废物，例如废树脂和蒸发残渣来自核电站的工艺流程废物，例如废树脂和蒸发残渣5.4核安全核安全第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置35核电厂用过的乏燃料，送后处理厂经处理其中核电厂用过的乏燃料，送后处理厂经处理其中97%可循环再用可循环再用剩余的剩余的3%高放射性废物，需用沥青固化、水泥固化和玻璃固化等高放射性废物，需用沥青固化、水泥固化和玻璃固化等方法，使它变成不易渗透的固体，在后处理厂贮存，并最终送国家高放方法，使它变成不易渗透的固体，在后处理厂贮存，并最终送国家高放深地层处置中心处置深地层处置中心处置低、中放射性废物处理低、中放射性废物处理高放射性废物处理高放射性废物处理五个处理步骤五个处理步骤废物分类及保存废物分类及保存——废物包装废物包装——经包装的废物运往处置场地经包装的废物运往处置场地——经经包装的废物点收后进行处理包装的废物点收后进行处理——储存及记录质量保证文件。

储存及记录质量保证文件5.4核安全核安全第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置5.4核安全核安全36（二）辐射防护措施（二）辐射防护措施核反应堆工作时，不可避免有强烈核反应堆工作时，不可避免有强烈的放射性辐射，这就要求特别的屏蔽，的放射性辐射，这就要求特别的屏蔽，限制或根本不让艇员进入潜艇的某些部限制或根本不让艇员进入潜艇的某些部位广泛采用自动化设备，不断监测空广泛采用自动化设备，不断监测空气的放射性和采用其他一些安全措施气的放射性和采用其他一些安全措施对船员照射剂量的极限值都有严格对船员照射剂量的极限值都有严格的标准规定的标准规定 第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置37在放射性物质在放射性物质( (裂变产物裂变产物) )和环境之间设置了四道屏障和环境之间设置了四道屏障, ,只要其中只要其中有一道屏障是完整的有一道屏障是完整的, ,就不会发生放射性物质外泄的事故就不会发生放射性物质外泄的事故第一道屏障第一道屏障------燃料芯块燃料芯块第二道屏障第二道屏障------燃料包壳燃料包壳第三道屏障第三道屏障------压力边界压力边界第四道屏障第四道屏障------安全壳安全壳5.4核安全核安全（三）四道屏障（三）四道屏障第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置38第一道屏障第一道屏障---燃料芯块燃料芯块核裂变产生的放射性物质核裂变产生的放射性物质98％％以上滞留在二氧化铀陶瓷芯块中以上滞留在二氧化铀陶瓷芯块中,不不会释放出来会释放出来 。

第二道屏障第二道屏障------燃料包壳燃料包壳　　燃料芯块密封在锆合金包壳内，防　　燃料芯块密封在锆合金包壳内，防止放射性物质进入一回路水中止放射性物质进入一回路水中5.4核安全核安全第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置39第三道屏障第三道屏障---压力边界压力边界　　由核燃料构成的堆芯封闭在壁厚　　由核燃料构成的堆芯封闭在壁厚20厘米的钢质压力容器内，压力容器厘米的钢质压力容器内，压力容器和整个一回路都是耐高压的，放射性和整个一回路都是耐高压的，放射性物质不会漏到反应堆厂房中物质不会漏到反应堆厂房中第四道屏障第四道屏障---安全壳安全壳　　反应堆厂房是一个高大的预应力　　反应堆厂房是一个高大的预应力钢筋混凝土构筑物，壁厚近钢筋混凝土构筑物，壁厚近1米，内表米，内表面加有面加有6毫米厚的钢衬，防止放射性进毫米厚的钢衬，防止放射性进入环境5.4核安全核安全第五章第五章 船舶核动力装置船舶核动力装置40第一道防线第一道防线　　主要考虑对事故的预防，它要求核动力装置必须按严格的质　　主要考虑对事故的预防，它要求核动力装置必须按严格的质量标准和质量保证措施进行设计，制造和运行量标准和质量保证措施进行设计，制造和运行。

第二道防线第二道防线　　防止运行中出现的偏差发展成事故　　防止运行中出现的偏差发展成事故第三道防线第三道防线　　控制假想事故引起的后果，尽可能使污染限制在允许的水平　　控制假想事故引起的后果，尽可能使污染限制在允许的水平四）纵深防御（四）纵深防御 　　5.4核安全核安全包括以下三道防线包括以下三道防线:。