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1、2023/11/3,核科学与技术学院,1,核反应堆结构与材料,王建军电话：82569655,2023/11/3,核科学与技术学院,2,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,2023/11/3,核科学与技术学院,3,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,4,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。,铀、钍矿
2、,5,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,6,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；,7,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 6
3、5%,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,8,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%,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,9,世界核电分布,10,11,12,13,核能发电的发展趋势,14,1942年世界上第一座核反应堆运行成功,15,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
4、成了目前世界核电的格局 美国：压水堆Model 212、Model 312，Model 314，Model 412、Model 414；沸水堆（BWR）法国、日本、韩国：Model 412、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。,16,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
5、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AP1000 2007年在中国动工。（海阳，三门）,17,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,18,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
6、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,19,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）,20,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,21,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
7、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。,22,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。,23,中国需要发展核电,国家中长期科技发展规划（20062020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。,24,我国核电站分布图,25,秦山一期核电厂300MW,大亚湾核电厂2900MW,1994年2月1日和5月6日两个机组分别投入商业
8、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),26,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,27,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,28,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 2X1000M
9、W核电站 1、2号机组2008年12月开工,29,我国核电发展现状(已开工项目),三门核电站 2X1250MW AP1000(三代机型)2009年3月开工,海阳核电站 2X1250MW AP1000(三代机型)2009年9月开工,30,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,31,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,32,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
10、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。,33,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
11、新核潜艇,核能的最初应用核武器,34,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,35,日本福岛核事故,36,日本福岛核事故,1号机组：通用电气设计沸水堆核电站(439 MW),1971年投入运行2-4号机组：通用电气设计沸水堆核电站(760 MW),1974年投入运行,37,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,38,维护层,39,吊装安全壳上封头,40,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
12、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,41,2011.3.11 14:46 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%,42,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,43,11.3.15:41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
13、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,44,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,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
14、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
15、),压力升高,蒸汽释放到湿井,49,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,50,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,51,3/4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:3006
16、00kg 2/3号机组:3001000kg氢气通过湿井进入干井,52,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:12.3.20:20 2号机组:14.3.20:33 3号机组:13.3.9:38,53,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,54,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
17、设计压力 4-5bar实际压力达到 8 bar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:13.3 00:003号机组:13.3.8.41,55,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,56,1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,57,2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
18、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,58,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,59,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,60,61,日本长崎、广岛原子弹,
