沸水堆核電廠 (boiling water reactor nuclear power plant)

1、以沸水堆為動力源的核電廠。沸水堆是以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑并在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽的動力堆。沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、建造費用低和負(fù)荷跟隨能力強等優(yōu)點；它們都須使用低濃鈾，且須停堆換料。截至1996年底為止，全世界已運行的沸水堆有94座，總功率78285MW，占全世界已運行核電廠反應(yīng)堆總數(shù)的217%和總功率的227%，僅次于壓水堆；在建的沸水堆有6座，總功率7320MW，占全世界在建核電廠反應(yīng)堆總數(shù)

2、的95%和總功率的141%。工作原理及主要特點來自汽輪機系統(tǒng)的給水進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器后（見本刊上期插頁），沿堆芯圍筒與容器內(nèi)壁之間的環(huán)形空間下降，在噴射泵的作用下進(jìn)入堆下腔室，再折而向上流過堆芯，受熱并部分汽化。汽水混合物經(jīng)汽水分離器分離后，水分沿環(huán)形空間下降，與給水混合；蒸汽則經(jīng)干燥器后出堆，通往汽輪發(fā)電機，做功發(fā)電。蒸汽壓力約為7MPa，干度不小于9975%。汽輪機乏汽冷凝后經(jīng)凈化、加熱再由給水泵送入反應(yīng)堆壓力容器，形成一閉合循環(huán)。

3、再循環(huán)泵的作用是使堆內(nèi)形成強迫循環(huán)，其進(jìn)水取自環(huán)形空間底部，升壓后再送入反應(yīng)堆容器內(nèi)，成為噴射泵的驅(qū)動流。某些沸水堆用堆內(nèi)循環(huán)泵取代再循環(huán)泵和噴射泵。沸水堆的控制棒從堆底引入，原因是：①沸水堆堆芯上部蒸汽含量較多，造成堆芯上部中子慢化不足，這樣，堆芯熱中子通量分布不均勻，其峰值下移?？刂瓢粲啥研镜撞恳胗兄谡蛊街凶油棵芏取＂诳梢钥粘龆研旧戏娇臻g以安裝汽水分離器和干燥器。但控制棒自堆底引入后就不能在控制動力源喪失后靠重力自動插進(jìn)堆芯，

4、因此沸水堆的控制棒驅(qū)動機構(gòu)需非?？煽?，通常都采用液壓驅(qū)動，也有采用機械液壓或電氣液壓驅(qū)動。在后兩種設(shè)計中，機械或電氣驅(qū)動用于正?？刂?。快速緊急停堆則都用液壓驅(qū)動，且每個機構(gòu)或每兩個機構(gòu)配有一單獨的蓄壓器。反應(yīng)堆的功率調(diào)節(jié)除用控制棒外，還可用改變再循環(huán)流量來實現(xiàn)。再循環(huán)流量提高，汽泡帶出率就提高，堆芯空泡減少，使反應(yīng)性增加，功率上升，汽泡增多，直至達(dá)到新的平衡。這種功率調(diào)節(jié)比單獨用控制棒更方便靈活。僅用再循環(huán)流量調(diào)節(jié)就可使功率改變25%滿

5、功率而不需控制棒任何運動。沸水堆不用化學(xué)補償（反應(yīng)性）。燃耗反應(yīng)性虧損除用控制棒外，還用燃料棒內(nèi)加Gd203可燃毒物進(jìn)行補償。沸水堆蒸汽直接由堆內(nèi)產(chǎn)生，故不可避地要挾帶出由水中16O原子核經(jīng)快中子（n，p）反應(yīng)所產(chǎn)生的16N。16N有很強的輻射，因此汽輪機系統(tǒng)在正常運行時都帶有強放射性，運行人員不能接近，還需有適當(dāng)?shù)钠帘?，?6N的半衰期僅713s，故停機后不久就可完全衰變，不影響設(shè)備檢修。電廠系統(tǒng)有：①主系統(tǒng)（包括反應(yīng)堆）；②蒸汽給水

6、系統(tǒng)；③反應(yīng)堆輔助系統(tǒng)，其中包括應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)；④放射性廢物處理系統(tǒng)；⑤檢測和控制系統(tǒng)；⑥廠用電系統(tǒng)。其中蒸汽給水系統(tǒng)、放射性廢物處理系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)以及反應(yīng)堆輔助系統(tǒng)中的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、廠用水系統(tǒng)等都與壓水堆核電廠有關(guān)系統(tǒng)類似。沸水堆反應(yīng)堆堆芯與壓水堆有相似之處，也用由細(xì)長形燃料棒組成的正方形燃料組件，但沸水堆組件為有盒組件。在每盒組件中若干選定的燃料棒芯塊內(nèi)加Gd203可燃毒物，以展平組件內(nèi)中子通量密度分布并補償燃耗

7、反應(yīng)性虧損。組件內(nèi)除燃料棒外有拉緊棒（結(jié)構(gòu)需要）和水棒（棒內(nèi)無芯塊，充水以增加局部區(qū)域的慢化劑）。燃料棒包殼材料為Zr2合金，組件盒材料為Zr4合金，換料時組件盒可復(fù)用。沸水堆用十字形控制棒，插在四個相鄰燃料組件間的水隙中。十字形的每個翼中排列有18根不銹鋼細(xì)管，管內(nèi)裝有壓實的B4C細(xì)粉。與壓水堆不同，沸水堆的源量程、中間量程和功率量程中子探測器都設(shè)置在堆芯內(nèi)，但前兩者在功率運行時用驅(qū)動機構(gòu)抽出堆芯，后者則固定裝設(shè)在堆芯內(nèi)，并用可移動電

8、離室定期進(jìn)行檢定，中子探測器也由堆底引入。沸水堆反應(yīng)堆壓力容器雖與壓水堆的類似，但由于堆功率密度低，堆芯大，容器內(nèi)尚有噴射泵、汽水分離器和干燥器，故體積較后者大得多。應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)用于在堆芯失水時直接向堆內(nèi)注入冷卻水以防止堆芯熔化。系統(tǒng)又分為四個分系統(tǒng)：①自動卸壓系統(tǒng)：由若干安全卸壓閥和大容量抑壓水池組成。大容量抑壓水池是沸水堆核電廠設(shè)計中的一大特點，位于安全殼內(nèi)，容量約4000m3，其作用是在主系統(tǒng)發(fā)生破裂時使汽水混合物直接經(jīng)排汽管

9、進(jìn)入水池而被迅速冷凝，從而防止反應(yīng)堆廠房超壓；或在系統(tǒng)超壓時使蒸汽經(jīng)安全卸壓閥排入水池，從而防止主系統(tǒng)壓力邊界受損。設(shè)置大容量抑壓水池也是滯留放射性物質(zhì)的有效手段，在發(fā)生失水事故時可減少放射性物質(zhì)對環(huán)境的釋放。此系統(tǒng)雖然不直接向堆內(nèi)注水，但可使反應(yīng)堆迅速卸壓，以利于其他分系統(tǒng)的注水。②高壓堆芯噴淋系統(tǒng)：在發(fā)生失水事故時，該系統(tǒng)通過噴淋環(huán)管直接向堆芯噴淋注水。它能在整個運行壓力區(qū)間工作。此系統(tǒng)先從冷凝水箱取水，水用完后再從抑壓水池取水。除

10、正常電源外，此系統(tǒng)尚有單獨的柴油發(fā)電機供電。③低壓堆芯噴淋系統(tǒng)：此系統(tǒng)是在堆壓力降低而其他系統(tǒng)不足以保持反應(yīng)堆容器內(nèi)水位時投入工作，也通過環(huán)管向堆芯直接噴淋注水，防止堆芯裸露。系統(tǒng)從抑壓水池取水。④低壓冷卻劑注入系統(tǒng)：這是余熱排出系統(tǒng)的一種運行方式，用于在失水事故時向反應(yīng)堆容器內(nèi)環(huán)形空間注水，使堆芯浸沒而不外露。液體毒物注入系統(tǒng)用于在控制棒失效時使反應(yīng)堆從滿功率下降到冷停堆狀態(tài)。此系統(tǒng)由運行人員在控制室內(nèi)手動操作。毒物為硼酸鈉溶液。反應(yīng)

11、堆廠房沸水堆廠房的特點是在安全殼內(nèi)設(shè)一干井，反應(yīng)堆即安裝在此井內(nèi)。干井的作用是：①承受失水事故瞬態(tài)壓力，并通過排汽管將汽水混合物導(dǎo)入抑壓水池；②提供屏蔽，使運行維修人員能在反應(yīng)堆運行時進(jìn)入安全殼內(nèi)干井以外地區(qū)；③對失水事故時可能發(fā)生的甩管、水流沖擊和飛射物提供防護(hù)，以保護(hù)安全殼。干井頂部有一鋼制密封頂，但可拆卸以便進(jìn)行換料檢修。沸水堆的安全殼與壓水堆的類似，但其底部設(shè)有抑壓水池。緊靠反應(yīng)堆廠房設(shè)置燃料廠房和輔助廠房。沸水堆與壓水堆的比較

12、：①沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、建造費低、負(fù)荷跟隨能力強等優(yōu)點，其發(fā)電成本已可與常規(guī)火電廠競爭。兩者都須使用低濃鈾燃料，并使用飽和汽輪機。②沸水堆系統(tǒng)比壓水堆簡單，特別是省去了蒸汽發(fā)生器這一壓水堆的薄弱環(huán)節(jié)，減少了一大故障源。沸水堆的再循環(huán)管道比壓水堆的環(huán)路管道細(xì)得多，故管道斷裂事故的嚴(yán)重性遠(yuǎn)不如后者。某些沸水堆還用堆內(nèi)再循環(huán)泵取代堆外再循環(huán)泵和噴射泵，取消了堆外再循環(huán)管道，使事故概率進(jìn)一步降低。③沸水堆的失水事故

13、處理比壓水堆簡單，這是因為沸水堆正常工作于沸騰狀態(tài)，事故工況與正常工況有類似之外，而壓水堆則正常工作于過冷狀態(tài)，失水事故時發(fā)生體積沸騰，與正常工況差別較大。其次是沸水堆的應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)中有兩個分系統(tǒng)都從堆芯上方直接噴淋注水，而壓水堆的應(yīng)急注水一般都要通過環(huán)路管道才能從堆芯底部注入冷卻水。④沸水堆的流量功率調(diào)節(jié)比壓水堆的有更大的靈活性。⑤沸水堆直接產(chǎn)生蒸汽，除了16N的放射性問題外，還有燃料棒破損時的氣體和揮發(fā)性裂變產(chǎn)物都會直接污

14、染汽輪機系統(tǒng)，故燃料棒的質(zhì)量要求比壓水堆的更高。⑥沸水堆由于其燃耗深度（約28000MW?dt）比壓水堆的低，雖然燃料的富集度也低，但相同發(fā)電量的天然鈾需要量比壓水堆的大。⑦沸水堆壓力容器底部除有為數(shù)眾多的控制棒開孔外，尚有中子探測器開孔，增加了小失水事故的可能性。控制棒驅(qū)動機構(gòu)較復(fù)雜，可靠性要求高，增加維修困難。⑧沸水堆控制棒自堆底引入，因此發(fā)生“未能應(yīng)急停堆預(yù)計瞬態(tài)“的可能性比壓水堆的大?！拔茨軕?yīng)急停堆預(yù)計瞬態(tài)“指發(fā)生某些事故時控制