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核动力装置MNPP-C01-L01

发布时间:2019-07-18 05:32 来源:未知 编辑:admin

  MNPP-L01 核动力装置 Nuclear Power Plant 核科学与技术学院 (V2009.03.02) [ ? 教师信息 ] 主讲教师:薛若军 ? ? ? ? 工作单位:核科学与技术学院核动力仿真研究中心 办公室地址:31#楼5层502室 Tel:,82569622 Email :2018/12/22 《核动力装置》 2 [ ? ? ? ? ? 教学内容 ] 核动力装置概论 反应堆主冷却剂系统 一回路辅助系统 二回路系统 水质监督和水处理 ? ? ? ? 核动力装置热力循环分析 核动力装置运行与控制 核动力装置动力学基础 核安全基础 《核动力装置》 3 2018/12/22 [ ? ? ? 教学要求 ] 教学方式:课堂讲授+课堂讨论+作业 考核方式:闭卷考试 最终成绩:考试成绩60%+课堂讨论20%+作业20% ? 课堂讨论方式:互问互答 (1)教师提出问题,同学回答 (2)同学提出问题,其他同学回答 ? 作业内容: (1)系统设计 (2)热力分析 2018/12/22 《核动力装置》 4 [ 1 系统的功用或作用 ? ? 学习要点 ] 为什么设置该系统? 该系统在核动力装置中承担什么任务? 系统中包括哪些主要设备? 各设备如何组成一个完整系统? 系统是如何实现其功能的? 系统基本运行与控制原理 《核动力装置》 5 2 系统的基本组成 ? ? 3 系统的运行原理 ? ? 2018/12/22 [ ? 教材以参考书 ] 教材 ? 《船舶核动力装置》 彭敏俊编著 原子能出版社, 2009 ? 参考书 ? ? 《船舶核动力装置原理与设计》 王兆祥等编 国 防工业出版社,1980 《核能动力装置》 薛汉俊主编 原子能出版社, 1992 2018/12/22 《核动力装置》 6 1 核动力装置概述 1.1 船舶动力装置主要类型及其特点 1.2 核动力装置的原理及组成 1.3 船舶核动力装置的技术经济指标 1.4 船舶核动力装置的发展趋势 2018/12/22 《核动力装置》 7 1.1 船舶动力装置主要类型及其特点 1. 船舶动力装置分类 2. 船用核动力装置含义 3. 核能的特点 4. 核能用作船舶动力的优越性 2018/12/22 《核动力装置》 8 1.动力装置分类 内燃机 动力装置 新能源 动力装置 船舶 动力装置 燃气轮机 动力装置 联合 动力装置 核动力装置 2018/12/22 《核动力装置》 蒸汽轮机 动力装置 9 海军国家水面舰艇动力装置 ? ? ? ? ? 燃气轮机动力装置:45.5% 柴油机动力装置:20.1% 联合动力装置:16.8% 蒸汽动力装置:14% 核动力装置:3.6% 蒸汽动力装置 14.0% 核动力装置 3.6% 燃气轮机动力装置 45.5% 联合动力装置 16.8% 柴油机动力装置 20.1% 2018/12/22 《核动力装置》 10 蒸汽动力装置 ? ? 由锅炉提供蒸汽 汽轮机将蒸汽的能量转换为机械功 ▲凝汽式汽轮机 2018/12/22 《核动力装置》 11 蒸汽动力装置特点 ? 优点 ? ? ? ? ? 汽轮机单机功率大, 1200MW; 汽轮机叶轮转速稳定,没有 周期性作用力,机组振动、 噪声小; 磨损部件少,可靠性高; 油质要求低,滑油消耗小; 汽轮机结构简单、紧凑管理 使用方便。 《核动力装置》 ? 不足 ? ? ? ? ? ? 系统复杂; 重量尺寸大; 附属设备多; 热效率低; 初投资大; 机动性差。 2018/12/22 12 柴油机 ? 通过使燃料在机器内部燃烧,并将其放出的 热能直接转换为动力 船用大功率低速柴油机→ 2018/12/22 《核动力装置》 13 柴油机特点 ? 优点 ? ? ? ? 热效率高、燃油消耗率低于蒸汽动力装置和燃气轮 机; 辅助设备和机械较少,布置简单,结构紧凑,装置 整体重量和尺寸较小; 具有良好的机动性,操作简单启动方便,正倒车转 换迅速; 易实现远距离操纵和自动控制。 2018/12/22 《核动力装置》 14 柴油机特点 ? 缺点 ? ? ? ? 按功率比例重量和尺寸增加快,单机功率受限制; 运行时振动、噪声大; 中、高速柴油机的运动部件磨损较严重; 低转速时稳定性差,影响低速航行性能。 2018/12/22 《核动力装置》 15 燃气轮机 ? 以连续流动的气体为工质,带动叶轮高速 旋转,将燃料的能量转变为有用功 112舰使用的燃机→ 2018/12/22 《核动力装置》 16 燃气轮机特点 ? 优点 ? ? ? ? ? ? 启动加速快; 全负荷时燃油消耗低; 振动噪声小; 结构紧凑、重量轻; 辅机及系统简单; 操纵方便、维修性好。 2018/12/22 《核动力装置》 17 燃气轮机特点 ? 缺点 ? ? ? ? ? 低负荷时燃料消耗高; 高温热源大、对环境温度敏感; 进排气尺寸大; 自身不能反转倒车; 造价高。 2018/12/22 《核动力装置》 18 2.船用核动力装置含义 ? 将核燃料裂变产生的能量传输、分配并转换成推进船舶的 动力 核能 热能 热能 机械能 电能 推进系统 动力设备 一回路 2018/12/22 二回路 《核动力装置》 19 潜艇核动力装置示意图 2018/12/22 《核动力装置》 20 船用核动力装置发展历程 ? 1954年1月,世界上第一艘核潜艇,也是美国海军第一艘 核动力舰艇 “鹦鹉螺”号下水 美国、苏联 / 俄罗斯、英国、 法国、中国已经建造了 470 多 艘核动力舰船,至2002年,世 界上仍然在役的核潜艇有 150 多艘 世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号 → ? 2018/12/22 《核动力装置》 21 船舶核动力装置的应用 潜艇核动力装置 船舶核动力装置 攻击型核潜艇 弹道导弹核潜艇 航空母舰 水面舰船 核动力装置 巡洋舰 驱逐舰 核商船 2018/12/22 《核动力装置》 22 装备核动力舰船的国家 国家 美国 俄罗斯 /苏联 英国 法国 中国 核潜艇 核潜艇 核潜艇 核潜艇 核潜艇 巡洋舰 巡洋舰 航空母舰 航空母舰 2018/12/22 破冰船 《核动力装置》 23 3.核能的特点 (1)核燃料具有极高的能量密度 (2)核裂变反应不需要氧气 (3)核裂变过程伴随着大量放射性物质的产生 2018/12/22 《核动力装置》 24 (1)核燃料具有极高的能量密度 ? ? ? ? 1kg铀-235完全裂变 1kg标准煤完全燃烧 1L重油完全燃烧 1m3天然气完全燃烧 19,600,000,000kcal 7,000kcal 9,900kcal 9,800kcal ? 1kg铀-235完全裂变放出的热量相当于2700吨标准煤完全 燃烧放出的热量 同一质量下,核能比化学能大数百万倍 《核动力装置》 25 ? 2018/12/22 (2)核裂变反应不需要氧气 2018/12/22 《核动力装置》 26 (3)核裂变过程伴随着放射性物质的产生 ? ? ? ? 核裂变反应会产生大量的放射性物质。 核动力装置具有潜在的危险性。 需要采取严格的辐射防护措施; 运行管理要求很高。 2018/12/22 《核动力装置》 27 4.核能用作船舶动力的优越性 (1)燃料重量占全船载重量的比例较小; (2)提供较大的续航力和推进功率; (3)提高潜艇的隐蔽性。 2018/12/22 《核动力装置》 28 (1)燃料重量占全船载重量的比例较小 ? 核动力舰船不需要携带大量的燃料,在反应堆寿期内不需要 外界补充燃料 核动力舰船可携带更多的武器装备和其他物资,提高战斗力 ? 和自持力 ? 可大大减少辅助舰船的数量,提高整个舰队的航速和续航力 2018/12/22 《核动力装置》 29 (2)提供较大的续航力和功率 概念1:续航力是舰艇装载一次燃料所能持续航行的距离 概念2:舰船推进功率与航速的立方成正比 ? 核潜艇:长寿命堆芯可用10年以上,续航力超过40万海里, 潜航距离占总航程的95%以上 核动力装置的高功率可使核潜艇的水下航速、核动力航空母 舰的航速达到30节(美国“海狼”级核潜艇的最高航速35节) 常规潜艇:航速10节时,续航力达到1万海里,只能连续航 行6~10小时;水下最大航速为15~25节 《核动力装置》 30 ? ? 2018/12/22 (3)提高舰船的隐蔽性 ? 核潜艇无需定期浮出水面用柴油发电机给蓄电池充电,可 长期潜航 水面舰船不需要设置进气道和烟囱,减少上层建筑,免受 烟气的腐蚀和热气流的影响,降低了红外特征 ——大型水面舰船如航空母舰不需要布置烟囱,上层建筑 布置更为灵活 ? 2018/12/22 《核动力装置》 31 1.2 船舶核动力装置的原理及组成 1. 反应堆物理基础 2. 船用动力堆选型 3. 船用核动力装置的基本组成 2018/12/22 《核动力装置》 32 2. 船用动力堆选型 动力堆 类型 热中子堆 快中子堆 水冷堆 气冷堆 有机液 冷却堆 液态金属 冷却堆 压水堆 沸水堆 重水堆 金属钠 钠-钾 合金 铅-铋 合金 33 2018/12/22 《核动力装置》 核反应堆的类型 ? 按引起裂变的中子能量划分: 快中子堆、热中子堆 按慢化剂的类型划分: ? 轻水堆、重水堆、石墨堆 ? 按冷却剂的类型划分: 水冷堆——压水堆、沸水堆、重水堆 气冷堆——高温气冷堆 液态金属冷却堆——钠冷快中子堆 有机液冷堆 2018/12/22 《核动力装置》 34 (1)压水堆的特点 ? ? 慢化剂采用轻水,冷却剂采用轻水,冷却剂在堆芯不沸腾 采用U-235富集度为3%~4%的UO2陶瓷燃料,在舰船压水堆 上由于要提高堆芯寿命,燃料的富集度一般都很高 一、二回路之间相互隔离,二回路不需要屏蔽 具有结构紧凑、体积小、功率密度高、平均燃耗较深等优 点,技术比较成熟 ? ? ? 在结构设计上采用多道屏障防止放射性物质外泄,而且冷 却剂具有负温度系数,使反应堆具有自稳自调特性,安全 性较好。 《核动力装置》 35 2018/12/22 (2)沸水堆的特点 ? 沸水堆以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂,在反应堆压力容器 内直接产生饱和蒸汽; 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,使用低富集铀作燃 料; 不需要蒸汽发生器,运行参数较压水堆低; ? ? ? 具有很强的自然循环能力,一般可达40~50%FP,甚至 100%FP。 2018/12/22 《核动力装置》 36 沸水堆原理图 2018/12/22 《核动力装置》 37 沸水堆的不足 ? 控制棒从压力容器下部插入堆芯,压力容器底部开有大量 孔洞,对压力容器的强度有不利影响; 沸水堆虽然省去了蒸汽发生器等设备,但堆内结构复杂, 同时由于水汽对中子慢化能力减弱,所需要装载的燃料更 多,相同功率下体积要大于压水堆; 而且由于放射性会进入汽轮机等设备,因此所需要屏蔽的 体积和质量大大增加,也加大了维护难度。 ? ? 2018/12/22 《核动力装置》 38 (3)重水堆的特点 ? ? ? 采用重水作慢化剂,可以直接利用天然铀作为核燃料; 可用轻水或重水作冷却剂; 分压力容器式和压力管式两类; ? 是发展较早的堆型,有各种类别,但已实现工业规模推广的 只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆。 2018/12/22 《核动力装置》 39 重水堆核蒸汽供应系统简图 2018/12/22 《核动力装置》 40 重水堆的不足 ? ? 堆芯体积比相同功率的压水堆大10倍左右,不适合舰船装备 由于增加了慢化剂系统和重水系统,整个系统的复杂性大大 增加,重水堆的系统数目是压水堆的2倍左右 重水系统的胀接接头容易发生泄漏,影响正常运行。为此, 一回路的冷却剂压力比压水堆低30%左右,造成二回路的蒸 汽运行压力较低 ? 2018/12/22 《核动力装置》 41 (4)液态金属冷却堆的特点 ? 采用具有很高传热率的液态钾-钠合金或者铅-铋合金作为冷 却剂,二回路采用水作循环工质,可以获得很高的出口温 度和效率; 例如,美国的S2G型液态金属冷却堆的效率达到22%,而同期的压水堆 只有17%左右。 ? 目前研究的快中子增殖堆均采用液态金属作冷却剂,而没 有慢化剂; 用液态金属作冷却剂可大大提高一回路的温度,而系统压 力只有0.5~0.7MPa,既提高了装置的经济性,由于一回路 压力降低,核动力装置也更加安全可靠。 《核动力装置》 42 ? 2018/12/22 快堆核动力装置的两种形式 ← 回路式快堆系统 池式快堆系统 → 2018/12/22 《核动力装置》 43 液态金属冷却堆的不足 ? 作为冷却剂的液态金属如钠-钾合金或铅-铋合金在常温下为 固态,需要专门的加热设备使堆芯和管道内作为冷却剂的 金属保持液态,使反应堆的操作、维护变得很复杂,价格 也高,为了加强屏蔽,使装置的重量加大; ? 处于熔化状态的碱金属在高温时化学性能很活跃,有很强 的腐蚀性,一旦泄漏与水接触就会发生火灾和爆炸,因而 可靠性和安全性较差。 2018/12/22 《核动力装置》 44 液态金属冷却堆的装备情况 ? 1957年服役的美国核潜艇“海狼”号(SSN-575)采用了液 态金属堆,在经过23个月运行后,由于高温液态钠将热交换 器管子蚀穿,发生了泄漏事件,在艇航行了 61600 海里后, 又改换了压水堆。 1970年底,苏联“阿尔法”级核潜艇K-64号因装备的液态金 属堆发生堆芯熔毁事故而在巴伦支海沉没,暴露出这种堆型 的安全性问题,加之日常维护困难、噪声巨大,最终导致这 一级具有极高航速和大潜深的潜艇提前退役。 ? 2018/12/22 《核动力装置》 45 (5)高温气冷堆的特点 ? ? 采用石墨作慢化剂,气体作冷却剂; 高温气冷堆具有效率高、安全性好等突出优点,由于采用 了密度和比热很小的气体作为工质,所以功率密度较小, 堆芯体积较大; 这种堆型对管路材料的耐高温性和密封性都提出了很高的 要求,目前对气体工质的热工性质也需要进一步研究。 ? 气冷堆一直没有装备舰艇的经历,在短时期内也没有这个 可能。 2018/12/22 《核动力装置》 46 高温气冷堆核动力装置系统简图 2018/12/22 《核动力装置》 47 气冷堆的研究和应用情况 ? 在发展潜艇核动力装置的初期,曾设想采用气冷堆,最终因 其装置体积庞大而未被采用。 后来又设想采用高温氦气冷却反应堆的氦气直接驱动燃气轮 机,因在当时的技术条件下制造不出这种涡轮机而放弃,因 而仍采用了压水堆。 高温气冷堆虽然效率高、安全性好,但功率密度较小,堆芯 体积较大,对结构材料的耐高温性、密封性都有很高要求, 气体工质的性质也需进一步研究。 ? ? 2018/12/22 《核动力装置》 48 (6)有机液冷堆的不足 ? 有机液冷堆采用联二苯或联三苯等有机液体作为慢化剂和 冷却剂,这两种液体的沸点要远高于水(联二苯常压下沸 点254.25℃),因此反应堆可以在压力较低的情况下同时获 得较高的出口温度,节省了大量设备,结构紧凑; 有机液冷却堆的有机冷却剂热交换性较差,而且一回路泄 漏出来的蒸汽剧毒易燃,因此目前已经基本停止发展。 ? 2018/12/22 《核动力装置》 49

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