核反应堆工程17.pptx

核能开发与应用核能开发与应用深圳大学核技术研究所深圳大学核技术研究所赵海歌赵海歌2010-2011学年第二学期学年第二学期微型研究堆微型研究堆微型研究堆是一种特小型中子源反应堆，它安全可靠，微型研究堆是一种特小型中子源反应堆，它安全可靠，结构简单，造价低，建设期短，易于操作和管理，可建结构简单，造价低，建设期短，易于操作和管理，可建在大城市的研究所、学校和医院内。在大城市的研究所、学校和医院内。1984年，中国首座微型堆建成，燃料元件为直径年，中国首座微型堆建成，燃料元件为直径4.3mm的细长燃料棒，芯体为的细长燃料棒，芯体为90铀的铀铝合金，装铀的铀铝合金，装有有345根燃料棒，铀根燃料棒，铀235装载量为装载量为1kg，仅比最小临界，仅比最小临界质量质量0.83kg稍大一点。以水为慢化剂和冷却剂，堆芯悬稍大一点。以水为慢化剂和冷却剂，堆芯悬挂于挂于5.6m深、深、2.7m直径的大水池中。直径的大水池中。微型堆可用来进行中子活化分析及其他有关科研，微型堆可用来进行中子活化分析及其他有关科研，还可用来生产短寿命放射性同位素。还可用来生产短寿命放射性同位素。中子活化分析具有检测速度快、精度高、测中子活化分析具有检测速度快、精度高、测试样品基本无需化学前处理等特点。还可进行生试样品基本无需化学前处理等特点。还可进行生物辐射效应方面的研究与试验，以及核科学与技物辐射效应方面的研究与试验，以及核科学与技术的研究、教学与培训。术的研究、教学与培训。微堆为罐-池式结构，额定热功率为22kW，它由去离子水在堆容器内通过自然对流的方式进行冷却，再与池水进行热量交换，最后通过池壁传到环境中去。堆容器堆容器（1）堆容器结构组成 1）上筒体：高4700mm外径620mm用厚度为10mm的LT21特殊铝合金制作。2）下筒体：高900 mm，外径620 mm，内径600 mm，材料与上筒体相同，椭圆底封头。上、下筒体用高压聚乙烯垫片密封，并通过16根223的不锈钢管制成的长螺杆，将上、下筒体联结在一起，并同堆顶法兰一起形成密闭的容器。下筒体外表面必须经过切削加工。3）堆顶法兰：直径710mm，厚20mm，是安装中心控制棒、安全棒、反应性调节器、电离室、热电偶、电导、水位测量装置的支座。法兰的中央开有290 mm的孔，用于上铍片托盘进出，铍片操作。4）长螺杆和吊杆：上下堆筒体的连接和密封通过16根长螺杆完成，（2）堆内构件及堆芯构件 1）堆芯支座：是堆内零部件安装的基础，它由底座、铍环座通过导流筒焊接成一组件，并用4个螺栓固定在下筒体底板的四个支块上，底铍盘、侧铍环就安放在它的上面并跟导流筒一道构成冷却水的入口流道，冷却水经过导流筒的充分混合后，经底座上的流道进入由底铍盘和侧铍环构成6mm高的入口，进入燃料一体化组件，把燃料组件的热量带出堆芯，后经侧铍环与托板构成的7.5mm高的出口流道进入助流筒流出堆芯区。2）底铍盘：外径290mm、内径10mm、厚50mm的铍块直接安放在堆芯支座的底座上。3）侧铍环，是一个外径435mm、内径231 mm、高238.5 mm的环状铍环。4）支架、托板、助流筒：支架由支架上座、支架底座和瓦形围板焊接成组件，围绕在侧铍环外，堆芯支座上，它的上端支架上座与托板固定，托板与侧铍环的顶面构成7.5mm高的堆芯冷却剂出口流道。5）铍片托盘：它的内部可装放109.5mm高的铍片，铍片分别是1.5、3、6和12mm厚，外径为243mm，内径为20mm的半园形铍片。随着反应堆运行，根据燃耗反应性的多少，可将托盘提出堆顶进行添加铍片。6）堆芯组件：由上栅板，下栅板，中心控制棒导管和5根均布的支杆组成“鸟笼”结构，它们都是由铝合金材料组成。上下栅板开350根燃料元件孔位。7）中心控制棒：控制棒用Cd材料做吸收体，Cd管尺寸为3.91266mm，装在50.5mm的不锈钢包壳内。棒长480 mm，加上吊重约重1kg，用1.8mm的不锈钢丝绳经安装在堆顶盖上的绳轮架与控制棒传动机构连接。额定热功率kW27堆芯平均热中子注量率n/cm2.s11012反应堆结构形式“罐-池”结合燃料组件形式鸟笼结构燃料元件形状棒状燃料芯体材料UAl4燃料235U富集度%90.2燃料元件包壳材料铝合金堆芯燃料元件根数根345堆芯235U装量Kg0.993活性区高度mm230活性区直径mm230堆芯冷却方式自然循环反应堆容器水量吨1.5池水深度m 6.5水池壁厚mm400水池容积吨27中心控制棒Cd -7mk微堆结构图微堆的安全性能微堆的安全性能1、具有良好的固有安全性、具有良好的固有安全性采用欠慢化、小流量、不充采用欠慢化、小流量、不充分自然循环的措施，严格限制冷态后备反应性。分自然循环的措施，严格限制冷态后备反应性。2、微堆采用灌池结构的堆型，靠自然循环导热，能确保、微堆采用灌池结构的堆型，靠自然循环导热，能确保导出停堆后的衰变热。导出停堆后的衰变热。3、即时在最大事故工况下，对周边也不会产生影响。、即时在最大事故工况下，对周边也不会产生影响。微堆防止放射性物质逸出的三道屏障微堆防止放射性物质逸出的三道屏障1、微堆燃料元件芯体是有效地阻止放射性物质泄漏的第微堆燃料元件芯体是有效地阻止放射性物质泄漏的第一道屏障。一道屏障。2 2、燃料元件包壳是可以阻止挥发性裂变产物逸出的第二燃料元件包壳是可以阻止挥发性裂变产物逸出的第二道屏障。道屏障。3、罐罐-池结构成为防止放射性物质外漏的第三道屏障池结构成为防止放射性物质外漏的第三道屏障微堆环境辐射监测结果微堆环境辐射监测结果 辐射剂量率：辐射剂量率：Sv/h，本底：本底：0.16 Sv/h测量场所 反应堆停堆状态 反应堆满功率运行 2006年6月6日2008年4月10日2010年9月11日 2006年6月6日2008年4月10日日2010年9月11日正门正门0.140.110.120.130.130.14办公楼大厅办公楼大厅0.180.140.160.140.150.17“脚踏实地脚踏实地”处处0.230.140.190.210.160.20演会中心台阶下演会中心台阶下0.150.120.120.160.140.14实验楼与办公楼天桥实验楼与办公楼天桥0.150.130.160.170.130.12堆厅东墙外大门处堆厅东墙外大门处0.160.110.130.120.130.15堆厅东墙外马路上堆厅东墙外马路上0.140.130.140.110.120.15原教工餐厅南门外原教工餐厅南门外0.160.130.160.150.110.14原教工餐厅北门外原教工餐厅北门外0.190.120.140.130.150.17邮局门口邮局门口0.110.120.140.130.130.12核设施防洪预案及防洪能力评估核设施防洪预案及防洪能力评估深圳大学微堆所处地点与周围地理环境相比，地势较高，厂房地平面绝对高程为20.5米，其外走廊地平高出周围环境约40公分，周围建有畅通的排水管道，可将雨水及时排走。深圳大学周围没有高山，不可能发生山洪现象。每当台风或暴雨来临时，核技术研究所都有人值班，万一出现不测，可及时处理。综合自然地理环境和管理措施，深圳大学微堆被洪水淹没的可能性极小。深圳大学位于南山区，南临深圳湾，西临珠江入海口，东连陆地。深圳湾完全被南部的香港屏蔽，珠江口以西为粤南陆地，故深圳大学微堆厂房几乎不会受海啸的影响。由于厂房地面高出海平面20米，理论上20米以下的海啸也不会对微堆厂房构成威胁。经与深圳市气象台咨询，自有记录以来，深圳大学附近海域没有发生过海啸，深圳大学实验楼所处位置没有发生过洪水淹没事件。微堆建堆以来，台风、暴雨从未对微堆构成威胁。已采取的防洪措施：每当台风或暴雨来临时，核技术研究所都有人值班，并备有一台水泵，供排水专用，当确定洪水水位有可能超过地基标高时，在厂房四周用沙袋组成防洪堤，防止洪水进入厂房。核设施抗震预案及现场抗震能力评估核设施抗震预案及现场抗震能力评估 深大微堆抗震设计遵循美国原子能委员会（AEC）SSE和OBE准则，外壳可承受烈度为8度的地震。堆芯“鸟笼”的自振频率（141.7Hz）比壳体的自振频率(4.23Hz)大得多，它们不会发生共振现象。分析与模拟实验表明，堆芯结构牢固可靠，元件不会从栅格中松脱。深大微堆厂房是与深大实验楼同时建设的。施工标准依据为深圳地区钢筋混凝土高层建筑结构设计试行规程（SJG-84，该规程中规定“深圳市的基本烈度为6度”）和工业与民用建筑抗震设计规范（TJ11-78，规范中规定“对基本烈度为6度地区，一般不设防）。1988年10月，深圳大学建筑设计院对深大实验楼和微堆厂房的抗震问题作了评估。深大实验楼采用了浇注混凝土框架结构体系，适当采取了提高抗震能力的措施。如适当加密梁柱节点连接处的钢箍间距，梁柱受力主筋的锚固按地震区处理等等。在设计施工时进行了唐山地震的震害调查，实验楼及微堆厂房的抗震能力已超过了深圳地区基本烈度为6度的要求，一般在8度时，可保证除局部会出微小裂缝外，一般不会出大问题，更不会出现倒坍现象。微堆水池由于位于地下，更不会有破坏问题。微堆水池在建设中采取了以下措施：1、结构设计时采用环浇钢筋混凝土，混凝土标号为300，抗渗标号为B8（防水混凝土）；2、施工时混凝土连续浇捣，没有施工缝，混凝土密实性好；3、微堆水池池底池壁钢筋混凝土厚度均为600mm，并设三层钢筋网，此钢筋可以承受由于混凝土收缩及温度变化引起的拉应力；4、池内壁又作了一层瓷砖防水（用环氧树脂贴）这是一种很好的防水做法。据此深圳大学建筑设计院得出两点结论：1、深圳大学的微堆水池在设备选型上、安装方法上、结构设计上都与北京401所的完全相同，本工程微堆水池壁厚为600mm。所以本工程的微堆水池在抗震上是完全可靠的。2、微堆水池在防漏防渗设计上是采用了多层保险的办法，既采用了密实防水混凝土，又采用了外贴中性瓷砖的办法，在混凝土中又设置了防裂钢筋网。这样的措施是能保证不裂不渗的。事故分析：当受地震、飞机直接撞击等突发事件导致反应堆整体结构崩溃，使核燃料元件破损情况下，由于微堆功率水平低，具有良好的固有安全性，不会发生堆芯熔化事故，对周围环境的辐射风险极小，即使在堆芯裸露、厂房倒塌情况下，厂外人员受照最大可能有效剂量当量的估算值小于0.02Sv，不会危及公众的健康和安全。对于地震等灾害造成堆水失水事故，由于还有0.5m厚的屏蔽水不会丧失，堆芯不会裸露，堆是安全的，公众所受的有效剂量当量远小于0.05Sv，对公众不会造成伤害。由于地震等灾害造成池水丧失事故时，不会对工作人员造成危害。微堆水池池壁是600mm厚的钢筋混凝土结构，抗破坏能力较强。当发生上述事故时，应启动深大微堆应急计划，按照应急计划的要求进行妥善的事故处理。核设施消防系统检查核设施消防系统检查根据微堆动态实验结果，引入反应性越大，峰值功率也越大，出现峰值功率的时间越早。当全部冷态后备反应性释放时，功率增长很快，倍增周期只有5.2秒。但由于负温度效应的作用，经过6分钟，功率增长的势头被抑制住了，出现76KW的峰值功率，然后逐步下降。随着引入正反应性的增加，元件芯体温度、元件壁面温度、冷却剂的出口温度、流量、流速都相应的增加。堆芯元件芯体最高温度达91.5C，最高壁面温度91.2C，比饱和温度113C低20C。因此微堆不会产生过高温度等引起的火灾。最可能引起火灾的原因是电器火灾，或者实验楼内其他地方火灾，蔓延到微堆。为此微堆控制室、走廊设置了干粉、泡沫灭火器，通道门均采用防火防盗门予以隔离。由于微堆大厅和微堆控制室是隔离的，并且进入微堆主体的电缆均为信号电缆，很难发生电气火灾。微堆筒体浸在6.5米的水池中，筒体本身也充满了水，这也提高了微堆抗火灾的能力，保证了微堆堆芯基本不受火灾的影响。多重极端自然灾害叠加事故的多重极端自然灾害叠加事故的预防和缓解措施预防和缓解措施事故假设：多重极端自然灾害（如强烈地震并伴随着大海啸）叠加事故的最终结果是微堆厂房倒塌并被海水淹没，并且微堆尚在满功率运行。此时微堆的所有控制功能完全丧失，也无法进行及时地人工控制。事故分析：一、反应堆充满水1、若反应堆堆芯结构没有破坏，并且堆芯充满水，热中子慢化功能没有受到影响，反应堆可能会继续运行。由于微堆的后备反应性不大于4mk，微堆依靠负温度特性、不断增大氙毒的负反应性（平衡氙为5.6mk）的共同作用下，在运行几个小时（不大于9小时）后会处于亚临界状态。由于氙-135的半衰期为9.2小时，因此微堆的亚临界状态将持续很长时间，足够满足救援人员反应时间的要求。缓解措施：a、救援人员需向反应堆内辐照座通过跑兔管打入足够当量的镉吸收体，通常为56mk左右。由于微堆的最大冷态后备反应性不大于4.0mk，因此可以保证足够的停堆裕度，实现可靠停堆。b、排出池水，用去离子水冲洗，注入池水，净化池水。C、净化堆水。2、若堆芯物理结构遭到严重破坏，并且解体，由于受临界体积的限制，反应堆的链式裂变反应将终止。缓解措施：救援人员应尽一切可能保证反应堆筒体充满水，以屏蔽放射性。3、在上述情况下，由于堆芯燃料元件浸泡在水质极度恶化的水中，燃料元件包壳会被腐蚀破损，但这需要相对较长的时间。在这段时间内，救援人员可以采取一系列紧急措施防止事态的进一步恶化。大量洪水进入池水会使池水水质变坏，加剧筒体的腐蚀速度。少量洪水进入堆水将导致堆水水质变坏，加剧筒体、燃料元件包壳及堆内其它构件的腐蚀速度，对微堆的安全构成威胁，必须防止这样的事故发生。反应堆为池罐式反应堆，采用自然循环冷却堆芯，因此发生洪水淹没反应堆的自然灾害，不会破坏反应堆的冷却能力。如果在反应堆运行时，洪水淹没造成电源断电，使反应堆缺乏电源，但在设计中，反应堆控制棒设计为失电保护，一旦电源失电，控制棒将自动插入堆芯，使反应堆处于停堆状况。不论反应堆在洪水淹没时处于停堆状况、满功率运行状况、还是控制棒失控提出，反应堆都能有良好的冷却能力和屏蔽能力，不论何种原因发生洪水淹没反应堆的自然灾害不会对反应堆造成极其严重的安全影响。二、池水、堆水泄露在灾害发生后，池水、堆水泄露，导致堆芯裸露，这时由于没有了慢化剂，反应堆将会停止链式裂变反应。此时的辐射剂量估算值见下表：事故发生后时间 辐射剂量当量率（mSv/h）微堆厂房外离堆顶10m处马路离堆顶20m处办公室离堆顶50m处办公室6h1.610-27.610-32.710-31d1.110-25.310-31.910-330d4.810-32.210-37.910-4缓解措施：1、立即撤离厂房，避免厂房倒塌而可能造成的人员伤害的危险。2、人员撤离大厅，关闭大厅门，避免遭受过量照射。3、人为断掉控制系统电源，使控制棒下插停堆，或向堆芯辐照座打入镉串，保证反应堆处于停堆状态实现可靠停堆。4、微堆周围20米内为禁区，只准救援人员进出；5、启动应急预案。由于微堆功率水平低，具有固有安全性，不会发生堆芯溶化事故，对周围环境的辐射风险极小，即时在堆芯裸露、厂房倒塌情况下，场外人员最大可能有效剂量当量的估算值远小于0.02Sv，不会危及公众的健康和安全。三、三、超出设计地震烈度和发生洪水淹没反应堆的自然灾害叠加事故 发生超出设计地震烈度的事故，可能对反应堆造成影响的是造成反应堆水池发生震裂，反应堆水池的水漏出水池，造成水池缺水。发生洪水淹没反应堆可使得洪水填充进水池中，恢复水的屏蔽作用，因此发生超出设计地震烈度和发生洪水淹没反应堆的自然灾害叠加事故不会对反应堆造成严重的安全影响。四、超出设计地震烈度和发生火灾的自然灾害叠加事故 大厅外的火灾：大厅与其它房间隔离，火灾不会影响大厅。大厅内的火灾：控制系统发生电器事故起火，导致电路断电，此时控制棒因自重下插停堆。缓措施：大厅内地面为瓷砖，水池周围无起火材料，限制了火灾蔓延入水池。由于堆芯处于充满水的铝合金筒内，故火灾不会对堆芯燃料造成影响。全厂断电事故的分析评估与失去应急电全厂断电事故的分析评估与失去应急电源后附加电源的可用情况及应急预案源后附加电源的可用情况及应急预案深大微堆电源使用的是市电，没有应急电源及附加电源。深大微堆功率水平很低，热功率为30KW，中子通量密度为11012n/cm2s。微堆采用的紧急停堆方式是非能动的，当某种原因失电时，意味着控制棒驱动机构上的电磁离合器的电源也被切断，离合器便脱开，控制棒便依靠其约1公斤的重力作用迅速落入堆芯，实现紧急停堆。如若紧急停堆失灵（如卡棒），可向反应堆内辐照座通过跑兔管打入足够当量的镉吸收体，通常为56mk左右。镉吸收体常备于堆池边上，一旦需要，可立即投入使用。由于微堆的最大冷态后备反应性不大于4.0mk，因此可以保证足够的停堆裕度，实现可靠停堆。微堆的热量排出也是非能动的，依靠自然循环排出开堆时的裂变能与停堆时的衰变能。