1、核动力装置 Nuclear Power Plant,核科学与技术学院（V2009.03.02）,MNPP-L01,2019/2/3,核动力装置,2, 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：13674615386，82569622 Email ：,2019/2/3,核动力装置,3, 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,2019/2/3,核动力装置,4, 教学要求 ,教学方式：课堂讲
2、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,2019/2/3,核动力装置,5, 学习要点 ,1 系统的功用或作用 为什么设置该系统？ 该系统在核动力装置中承担什么任务？ 2 系统的基本组成 系统中包括哪些主要设备？ 各设备如何组成一个完整系统？ 3 系统的运行原理 系统是如何实现其功能的？ 系统基本运行与控制原理,2019/2/3,核动力装置,6, 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
3、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，1992,2019/2/3,核动力装置,7,1 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,2019/2/3,核动力装置,8,1.1 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,2019/2/3,核动力装置,9,1.动力装置分类,2019/2/3,核动力装置,10,海军国家水面舰艇动力装置
4、,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%,2019/2/3,核动力装置,11,由锅炉提供蒸汽 汽轮机将蒸汽的能量转换为机械功,蒸汽动力装置,凝汽式汽轮机,2019/2/3,核动力装置,12,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。,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。,2019/2/3,核动力装置,13,通
5、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,柴油机,船用大功率低速柴油机,2019/2/3,核动力装置,14,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。,2019/2/3,核动力装置,15,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。,2019/2/3,核动力装置,16,以连续流动的气体为工质，带
6、动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功,燃气轮机,112舰使用的燃机,2019/2/3,核动力装置,17,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。,2019/2/3,核动力装置,18,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。,2019/2/3,核动力装置,19,2.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,二回路,2019/2/3,核动力
7、装置,20,潜艇核动力装置示意图,2019/2/3,核动力装置,21,船用核动力装置发展历程,世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号 ,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,2019/2/3,核动力装置,22,船舶核动力装置的应用,船舶核动力装置,潜艇核动力装置,水面舰船 核动力装置,攻击型核潜艇,弹道导弹核潜艇,航空母舰,巡洋舰,驱逐舰,核商船,2019/2/3,核动力装置,23,装备核动力舰船的国家,2019/2/3,核动力装置,24,
8、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,2019/2/3,核动力装置,25,1kg铀-235完全裂变 19,600,000,000kcal 1kg标准煤完全燃烧 7,000kcal 1L重油完全燃烧 9,900kcal 1m3天然气完全燃烧 9,800kcal1kg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,（1）核燃料具有极高的能量密度,2019/2/3,核动力装置,26,（2）核裂变反应不需要氧气,2019/2/3,核动力装置,27,（3）核裂变过程
9、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。,2019/2/3,核动力装置,28,4.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。,2019/2/3,核动力装置,29,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,（1）燃料重量占全船载重量的比例较小,2019/2/3,核动力装置,30,
10、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610小时；水下最大航速为1525节,（2）提供较大的续航力和功率,2019/2/3,核动力装置,31,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
11、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,（3）提高舰船的隐蔽性,2019/2/3,核动力装置,32,1.2 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,2019/2/3,核动力装置,33,2. 船用动力堆选型,热中子堆,快中子堆,2019/2/3,核动力装置,34,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,2019/2/3,核动力装置,35,（1）压水堆的
12、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34%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。,2019/2/3,核动力装置,36,（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
13、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4050%FP，甚至100%FP。,2019/2/3,核动力装置,37,沸水堆原理图,2019/2/3,核动力装置,38,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。,2019/2/3,核动力装置,39,（3）重水堆的特点,采用重水
14、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。,2019/2/3,核动力装置,40,重水堆核蒸汽供应系统简图,2019/2/3,核动力装置,41,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,2019/2/3,核动力
15、装置,42,（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0.50.7MPa，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。,2019/2/3,核动力装置,43,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 ,2019/2/3,核动力装置,44,液态金属冷却堆的不足,作为
16、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。,2019/2/3,核动力装置,45,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
17、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。,2019/2/3,核动力装置,46,（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。,2019/2/3,核动力装置,47,高温气冷堆核动力装置系统简图
18、,2019/2/3,核动力装置,48,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。,2019/2/3,核动力装置,49,（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。,
