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核安全设备科普知识

信息来源:百度文库


一、压水堆核电厂简介
利用核能生产电能的电厂称为核 电厂。核电厂是由复杂的系统和庞大 的设备组成,通常划分为两部分:核 岛和常规岛。通常将一回路及核岛辅 助系统、专设安全设施和厂房称为核 岛。二回路及其辅助系统和厂房与常 规火电厂的系统和设备相似,称为常 规岛。压水堆核电厂流通原理如右图 所示。
核岛部分主要由核蒸汽供应系统 组成,包括:一回路系统、主要辅助 系统和安全系统以及核测量、控制区、 保护和电气系统,常规岛部分主要包 括二回路系统(汽轮机发电机系统)、 循环水系统、电气系统工程及厂用电 设备。
一回路一般由2~4个环路对称地并联在压力容器接管上构成。一般每30万KW电功率设 置一个环路,秦山二期65万KW机组的一回路就有两个环路,大亚湾核电站90万KW机组的一 回路就有三个环路,而田湾核电站106万KW机组的一回路就有四个环路。每个环路有一台 主泵和一台蒸汽发生器。在其中一个环路上装有一台稳压器,以维持一回路运行压力。


二、典型压水堆的堆本体结构
核反应堆本体的任务是确保堆芯能按核设计要 求进行安全的可控的链式反应;确保核裂变释放的 热量能按热工水力设计要求有效地导出;确保在寿 期内处于满功率运行,全部堆内构件保持良好性 能,即使在事故时仍能保证堆结构的完整性和安全 性。
堆本体结构除了和一般动力设备一样对强度、 刚度、耐热、抗腐等性能有较高的要求外,还须满 足核性能和耐辐照的苛刻要求。为了确保电站动力 堆安全可靠运行,对堆内主要构件从选型、选材到 加工、组装都要做大量的试验研究工作。对有的重 要部件还需放在其他反应堆内进行实际考验,当证 明其性能符合要求后才能正式使用。因此,反应堆 本体是核电站设备中技术难度最大,加工制造精度 最高,生产周期最长的关键设备。
堆芯结构是反应堆的核心部件。核燃料要在这 里实现链式裂变反应,并将核能转化为热能。堆芯 又是一个很强的放射源。
压水堆本体由反应堆压力容器、堆内构件、堆芯燃料组件、控制棒组件及控制棒驱动 机构、以及其他与堆芯有关的部件组成。左图所示为典型压水堆的本体结构。


三、反应堆压力容器
反应堆压力容器RPV是核电站最关键的部件,是一个 底部焊有半球形封头的圆筒形承压密封容器,顶部为用法 兰螺栓连接的可拆卸半球形封头顶盖。不仅用于支撑和容 纳堆芯和堆内构件,还必须保持冷却剂的高温高压密封。 它是一回路冷却剂的重要压力边界和防止裂变产物溢出的 一道重要安全屏障。如右图所示,其总高一般为11~ 13m,总重量一般为300~400吨,筒体内径一般为4m左 右,筒体壁厚一般为200~250mm。
压力容器内装有堆芯燃料组件、上部及下部堆内构件、 控制棒等功能组件、以及其他与堆芯有关的部件。控制棒 驱动机构及堆内测温装置的管座(39~65个)都通过液氮 冷却装配贯穿在压力容器顶盖上,然后进行镍基堆焊和对 称焊接,以防垂直变形,还要采取一定的焊接顺序,防止 顶盖的应力变形,焊接工艺难度较大。压力容器本体由 4~5个筒节和下封头环形拼焊而成。筒节均为整体锻件, 无纵缝。6~8个冷却剂进出入口接管一般是通过马鞍形焊 缝连接到相应的筒节。
压力容器材料要求有较高的机械性能、抗辐照性能和热稳定性,常用材料一般为高强 度低合金钢,内表面所有与冷却剂接触的部位堆焊厚度不小于5 mm的不锈钢衬里。压水 堆核电厂发展至今,除俄罗斯采用Cr-Ni-Mo钢外,我国和美、法、德、日等国,均采用 Mn-Ni-Mo钢,如SA 508-Ⅲ。


四、控制棒驱动机构
控制棒驱动机构是核反应堆安全 重要动作部件,通过它的动作,带动 控制棒组件在堆芯上下抽插,以实现 反应堆的启动、功率调节、停堆操作。
控制棒驱动机构如右图所示,包 括内部钩爪组件、驱动轴组件、耐压 壳组件、磁轭线圈组件和位置指示组 件。其中,耐压壳组件是驱动轴和销 爪组件的包壳,由圆长管密封承压壳 及其上部位置传送器套管组成,圆长 管密封承压壳由分段壳体以Ω密封环 焊连接而成。
同时,耐压壳安装在压力容器管 座上,它与管座采用梯形螺纹连接和 小Ω密封环焊接密封。耐压壳是承压 边界,该承压边界的破损将产生放射 性的冷却剂外溢。因此,该组件的Ω 密封环焊是质量保证的重要内容。


五、蒸汽发生器
蒸汽发生器SG是压水堆核电站一回路和二回路之间的 枢纽,它将反应堆产生的热量传递给二回路,并将二回路 的给水变成蒸汽,推动汽轮机做功。同时,蒸汽发生器又 是分割一回路和二回路介质的屏障。其种类繁多,但目前 压水堆核电站中使用较为广泛的是立式U形管自然循环蒸汽 发生器。立式U形管自然循环蒸汽发生器典型结构如图所示。 蒸汽发生器总高约20m,整个结构由下筒体蒸发段和上筒体 汽水分离段两部分组合而成。
蒸汽发生器筒体由上封头、上筒体、锥形连接段及下 筒体组成,用厚75~100 mm的锰—钼—镍低合金钢板卷制 或整体锻件环焊缝焊接成一个整体。下筒体外径约3.5 m, 锥形段以上被扩大到约4.5 m。筒体组件下端与管板、下封 头焊接成一个整体。管板厚约500~800 mm,采用高强度Mn -Mo-Ni低合金钢锻造而成,属于超厚锻件,且要求具有 优良的塑韧性和淬透性,锻造难度较大。另外,大型管板 上需要钻出近万个管孔,且对管孔的孔径公差、节距公差、 形位公差和光洁度要求很高。因此,深孔钻也是蒸汽发生 器制造过程中的一个关键工艺。传热管与管板连接采用管 板全深度胀管工艺加端部密封焊接,消除管孔与传热管间 隙,避免间隙内沉积、浓缩化学物质。


六、反应堆冷却剂泵
反应堆冷却剂泵(简称主泵)用于驱动带有放射 性的高温高压的冷却剂,形成强迫循环,使其以很大 的流量流经堆芯,把堆芯核反应过程产生的热量传送 给蒸汽发生器。主泵是压水堆冷却剂回路系统中唯一 高速运转的机械设备,又是十分精密的功率强大的设 备,属于压水堆电站的关键设备之一。
现代压水堆核电站使用最广泛的反应堆冷却剂泵 是立式、单级轴密封泵。 从底部到顶部分为三个部 分,即水力机械部分、轴密封组件部分和电动机部分。
泵壳是一回路压力边界的一部分,为核1级部件。应能 承受设计工况以及事故状态下的各类载荷。轴向进水 口在下部,出水口与叶轮成切线方向。管口与一回路 管道全厚度焊接。叶轮是一个单级有7个螺旋叶片组成 的不锈钢铸件,装在泵轴的下端。
轴密封组件部分保证主泵轴向的密封,包括三个 轴密封、主法兰和密封罩等部件;通过连续的三级泄 漏,将系统压力过渡到大气压。
驱动电动通常采用是空气冷却鼠笼式感应电动机,非核级,额定功率约为6.5MW,由 6.0kV母线供电。惯性/惰转飞轮提高了主泵的惰转性能,当主泵突然断电时,泵仍能继 续运行十几分钟,以保证有足够的堆芯冷却,及时采取应急措施,从而提高了全厂断电时 堆芯的安全性。


七、稳压器
稳压器是对一回路冷却剂系统压力进行控制 和超压保护的重要设备,基本功能是建立并维持 一回路系统的压力,避免冷却剂在反应堆内发生 容积沸腾。此外,稳压器作为一回路系统的缓冲 容器,吸收一回路系统水容积的迅速变化。
如右图所示大亚湾稳压器结构,其为一立式 上下为半球形封头的圆柱筒形高压容器,高13 m,直径2.5 m,净重80 t,安装在下部裙座上, 裙座通过地脚螺栓将稳压器固定在地基上。 整个 稳压器由容器、波动管、电加热器、喷淋管路、 安全阀组等部件组成。
在稳压器的底封头上安装有电加热器。两块 水平板在容器内侧支撑加热器,以防止横向振动。 波动管接在底封头的最低点,其正上方设有挡板 式滤网,使水波动进、出稳压器,并防止杂物进 入反应堆冷却剂系统的其他地方。
在顶封头上装有喷淋管线和安全阀接管。为 了减小波动管和喷淋管线与稳压器本体关联处水 温差别造成的热应力,在接管处设有热套管结构。


八、主管道
通常压水堆核电站的反应堆冷却剂 系统由2~4个环路组成,每条环路包括 一台蒸汽发生器、一台主泵和将这些设 备与反应堆压力容器连接起来的反应堆 冷却剂管道,也称主管道,如右图红色 管道部分。
每条环路中反应堆压力容器与蒸汽 发生器之间的主管道称为热管段(热 腿),蒸汽发生器与主泵之间的主管道 称为过渡段,主泵与反应堆压力容器之 间的主管道称为冷管段(冷腿)。
AP600和AP1000堆型核电站主泵直接 悬挂在蒸汽发生器下封头汇水腔下,省 去了主管道过渡段。主管道3个管段的直 径略有差异,一般在700~800mm左右, 壁厚80mm左右。每个管段上还带有一定 数量的接管嘴,其中位于冷管段上的上 冲管接管嘴还带有热套管。每个冷管段 还带有一个45°斜接管嘴。