【正文】 第一章 核電基本知識 第一節(jié) 核物理和核安全 一、 核物理基本知識 原子結(jié)構(gòu) ： 原子雖小，但里面十分空曠，如果我們將原子放大成直徑上百米的足球場，在其中央有一顆稱為原子核的小米粒，其直徑不到原子直徑的萬分之一。而它的質(zhì)量卻占整個原子質(zhì)量的 %以上。原子核內(nèi)含有更小的粒子 — 質(zhì)子和中子，統(tǒng)稱為核子。原子核外部是其它粒子 — 電子。除了最簡單的氫原子核內(nèi)只有一個質(zhì)子之外，其余元素的原子核都由多個質(zhì)子和中子組成的?？茖W家將元素原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)定義為元素的原子序數(shù)。電子的數(shù)量同質(zhì)子一樣多，且圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。 一張紙的厚度相當于 10000 個原子的厚度 。 中子顧名思義是中性的，它不帶電荷，而質(zhì)子是帶正電荷的粒子，電子是帶負電荷的粒子。一個質(zhì)子和一個電子的電量相同，但兩者的質(zhì)量相差甚遠，而質(zhì)子和中子的質(zhì)量很相近，分別為電子質(zhì)量的 1839 和 1837 倍。 原子的組成 中子：不帶電，質(zhì)量為 1； 質(zhì)子：帶正電，質(zhì)量為 1； 電子：帶負電，質(zhì)量為中子的 1/1837。 中子和質(zhì)子組成原子核，因此統(tǒng)稱為核子。質(zhì)子數(shù)量等于原子系數(shù)，中子數(shù)等于原子的質(zhì)量數(shù)減原子系數(shù)。 同一種元素的質(zhì)子數(shù)相同。 元素與核素的概念 ： 自然界已發(fā)現(xiàn) 103 種元素。有的元素包含幾個 同位素，總計有320 多種核素。 同位 意思是在元素周期表中只占有一個位置 ,占同一個位置 ， 人們把原子里具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的不同種原子互稱為同位素 ， 很多種元素的原子都有同位素 。 同位素中有的會放出射線，因此稱 放射性同位素 或 放射性核素， 其余叫做 穩(wěn)定同位素 。穩(wěn)定同位素、放射性同位素有數(shù)千種，大多數(shù)同位素都是穩(wěn)定同位素，并呈混合物狀態(tài)出現(xiàn)在元素中。 鈾與鈾的同位素： 天然鈾的組成： U234 占 %、 U235 占 %及 U238 占 % 裂變反應(yīng)： 反應(yīng)產(chǎn)生：巨大能 量； 1KgU 全部裂變所放出的能量相當于 2550 噸煤燃燒時放出的能量 釋放出 2~3 個中子； 釋放出放射性射線。 二、 核安全基本知識 縱深防御的三個目標： ? (1) 補償或糾正設(shè)備故障或人因失誤： ? (2) 維持屏障本身的有效性并防止故障傳播到全廠； ? (3)在屏障本身的有效性不能完全保持時，保護從業(yè)人員、公眾和環(huán)境不nKrBaUUn 392141*236235 ?????致受到輻射的傷害。 縱深防御的兩個策略： ? (1) 預防事故發(fā)生； ? (2) 在一旦事故發(fā)生時，限制其后果，并防止它向更嚴重的情況進展。 對放射性物質(zhì)外泄的連續(xù)多級實體屏障 ? 縱深防御原則應(yīng)用的 另一方面是在設(shè)計中設(shè)置一系列的實體屏障，以包容規(guī)定區(qū)域的放射性物質(zhì)。 ? 所必需的實體屏障的數(shù)目取決于可能的內(nèi)部及外部危害和故障的可能后果。 ? 就典型的水冷反應(yīng)堆核電廠而言，這些屏障可能是燃料基體、燃料包殼、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界和安全殼。 縱深防御 在設(shè)計中的基本實施方法為：預防、檢測、保護、包容、應(yīng)急 縱深防御 在運行中中的基本實施方法為：技術(shù)規(guī)格書和運行規(guī)程；人因和人員培訓； 維修、在役試驗、檢查和監(jiān)督 ；事故控制；嚴重事故的管理； 應(yīng)急響應(yīng)； 三、 按反應(yīng)堆類型分類的核電廠 分類的方法 a) 按能量產(chǎn)生的原理分：裂變堆 、聚變堆 b) 按冷卻劑種類分：輕水堆、重水堆、氣冷堆、液態(tài)金屬堆、熔鹽堆等 c) 按慢化劑種類分：輕水堆、重水堆、石墨堆 d) 按引起裂變的中子能量分：熱中子堆、快中子堆 e) 按系統(tǒng)設(shè)計的先進性分：第一代、第二代、第三代、第四代反應(yīng)堆 f) 按反應(yīng)堆的用途分：商用電站堆、試驗堆、同位素生產(chǎn)堆、軍用堆、海水淡化堆、供熱堆、陸上堆、船用堆、增殖堆 壓水堆核電廠 沸水堆核電廠 重水堆核電廠 石墨水冷堆核電廠 石墨氣冷堆核電廠 快中子增殖堆核電廠 第二節(jié) 核電廠輻射防護 一、 核電廠的輻射來源和對人體的傷害 核電廠的輻射來源：來自裂變過程及中子活化過 程。按區(qū)域分安全殼內(nèi)和安全殼外。 對人體的傷害：機體效應(yīng)和遺傳效應(yīng)、隨機效應(yīng)和非隨機效應(yīng) 軀體效應(yīng) 指出現(xiàn)在受照者本身的效應(yīng)。包括全身效應(yīng)和局部效應(yīng)。 遺傳效應(yīng) 指出現(xiàn)在受照者后代的效應(yīng)。 隨機性效應(yīng) ： 發(fā)生幾率與劑量成正比而嚴重程度與劑量無關(guān)的輻射效應(yīng)。一般認為，在輻射防護感興趣的低劑量范圍內(nèi)，這種效應(yīng)的發(fā)生不存在劑量閾值。 確定性效應(yīng) ： 通常情況下存在劑量閾值的一種輻射效應(yīng)，超過閾值時，劑量愈高則效應(yīng)的嚴重程度愈大。如急性放射病、放射性白內(nèi)障、皮膚放射損傷和輻射致不孕等。不僅其嚴重程度，其發(fā)生頻率也隨劑量而變 化。是大量細胞殺傷的綜合效果確定的。 二、 核電廠的輻射防護 防護方法：屏蔽、縮短照射時間、增大與輻射源的距離 三、 輻射防護的分類和標準 按預防性質(zhì)分可控制照射和事故性照射兩類； 職業(yè)照射 的 劑量限值 ： a）由審管部門決定的連續(xù) 5 年的年平均有效劑量（但不可作任何追溯性平均）， 20mSv； b）任何一年中的有效劑量， 50mSv； c）眼晶體的年劑量當量為 150mSv； d）四肢（手和足）或皮膚的年當量劑量 500mSv 。 公眾照射 的 劑量限值 ： a）年有效劑量， 1mSv； b）眼晶體的年當量劑量 15mSv； c）皮膚的年當量劑量 50mSv 。 d）特殊情況下，在連續(xù) 5 年的年平均劑量不超過 1mSv 時，其某一單一年的有效劑量可提高到 5 mSv； 輻射防護標準“ 基本限值（有效劑量、年當量劑量） 次級限值 ALI 導出限值 DAC 四、 核電廠的輻射監(jiān)測 區(qū)域輻射監(jiān)測的任務(wù)是監(jiān)測某一特定區(qū)域內(nèi)的輻射水平及空氣中的放射性濃度，并監(jiān)視因故障或事故而引起的輻射水平的增高。監(jiān)測裝置有：輻射探測器、氣載放射性測量儀及空氣取樣器 等。 工藝過程輻射監(jiān)測是對設(shè)備、系統(tǒng)、燃料元件過程的輻射監(jiān)測。設(shè)備有：中子監(jiān)測儀、γ和β劑量儀、氣、 液放射性濃度測量儀。 五、 核電廠的三廢處理 放射性廢氣、放射性廢液、 放射性固體廢物（處理方法：貯藏法、壓縮法、煅燒法、固化法及桶裝貯存法） 六、 壓水堆核電廠對環(huán)境的影響 核電廠的三廢含有放射性物質(zhì)，它對環(huán)境的影響和火力發(fā)電廠不完全相同，以同功率的核電廠和火力發(fā)電廠相比，一座火力發(fā)電廠每年要向大氣排出數(shù)萬噸的二氧化硫和一氧化氮和相當數(shù)量的鉛、鎘、鎳、鈷、鈾、釷等重金屬及致癌化合物，特別含鈾、釷量較高的燃煤，通過煙囪每年排放的放射性距離書可以超過同等功率壓水堆廢氣的排放量，因此火力發(fā)電廠對空氣的污染比核電廠更為嚴重 。 第三節(jié) .核電廠的系統(tǒng)介紹 一、 一回路系統(tǒng)及其主要設(shè)備 核電廠一回路主要系統(tǒng)有核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施和輔助系統(tǒng)組成。 （一）核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng) 核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)由反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)組成。壓水堆冷卻劑系統(tǒng)一般有二至四條并聯(lián)在反應(yīng)堆壓力容器上的封閉環(huán)路，主要包括：反應(yīng)堆（包括反應(yīng)堆壓力容器、堆芯、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒組件和測量元件）、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵和主管道。 反應(yīng)堆 壓水反應(yīng)堆是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分，核燃料在這里維持可控的鏈式裂變反應(yīng)，核裂變產(chǎn)生的能量使冷卻劑溫度升高，然后通過冷卻劑循環(huán)回 路將熱能導出堆外。 壓水反應(yīng)堆本體由堆芯、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動機構(gòu)和壓力容器組成。 壓水堆堆芯由核燃料組件、控制棒組件、中子源組件 、可燃毒物組件、阻力塞組件 等構(gòu)成。核燃料組件是產(chǎn)生裂變并釋放熱量的重要部件；控制棒組件是用來控制裂變反應(yīng)的速率，實現(xiàn)反應(yīng)堆啟動、停堆、改變功率及事故情況下緊急停堆，保證反應(yīng)堆安全可靠運行的組件；中子源組件是裝在燃料組件中為反應(yīng)堆初次啟動和再次啟動點火，縮短啟動時間的組件。 堆內(nèi)構(gòu)件為堆芯提供支承、對中和導向，引導冷卻劑流入和流出，為堆內(nèi)測量儀表提供導向和支承，由堆芯下部支撐結(jié)構(gòu)（ 包括熱中子屏蔽）、上部支撐結(jié)構(gòu)、控制棒導向管和壓緊彈簧組成，主要材料采用奧氏體不銹鋼。 控制棒驅(qū)動機構(gòu)用來提升、下降、保持或快插控制棒，以完成反應(yīng)堆啟動、調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率、維持功率、停堆及事故情況下的快速停堆的功能。 壓力容器支撐和包容堆芯 、 堆內(nèi)構(gòu)件 、控制棒驅(qū)動機構(gòu) ，由堆容器本體和頂蓋組成。 制造壓力容器的材料采用低碳含錳、鉬、鎳的低合金鋼。如 ASME 板材牌號 SA533B，鍛件用 SA508Ⅱ或 SA508Ⅲ，具有較高的強度極限和屈服強度，同時塑性和沖擊韌性良好，且焊接性和抗中子輻照的性能也很好。但抗腐蝕性能較差， 所以在壓力容器拼裝后，在內(nèi)壁堆焊兩層 6~8mm 厚的不銹鋼。 蒸汽發(fā)生器 蒸汽發(fā)生器將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳給蒸汽發(fā)生器的二次側(cè)，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機作功。 工作流程為： 來自反應(yīng)堆的高溫冷卻劑經(jīng)進口接管進入入口水室，然后進入U 型管束，流經(jīng)傳熱管時 ,將熱量傳給二次側(cè)，冷卻劑經(jīng)出口水室離開蒸汽發(fā)生器。二次側(cè)給水由給水泵輸送至給水接管，進入管束套筒與蒸汽發(fā)生器外筒體之間的環(huán)形通道內(nèi)，在這里與由汽水分離器分離出來的再循環(huán)水混合后，向下流動，在底部經(jīng)管束套筒缺口折流向上，進入傳熱管束區(qū)，沿管 間流道向上吸收一次側(cè)的熱量，被加熱至沸騰，產(chǎn)生蒸汽。汽水混合物離開傳熱管束后先進入第一級汽水分離器，由此分離出大部分水分，再進入由人字型板組成的第二級汽水分離器。分離出的水向下經(jīng)疏水管，與其它再循環(huán)水混合。經(jīng)二次分離的蒸汽濕度降至%以下，經(jīng)出口管送往汽輪機。 由上下筒體組成。下筒體是蒸發(fā)段，包括下封頭、管板、 U 形管束、支撐隔板和筒體。下封頭為碳鋼材料，內(nèi)表面堆焊 5~6mm 的不銹鋼；管板為 600mm 厚的鍛件，需堆焊三層 INCONEL； U 形管束為 INCONEL；支撐隔板由不銹鋼制成；筒體由 4 個圓環(huán)及 1 個錐型殼體組成，用 75~100mm 厚的錳鉬鎳低合金鋼板加工焊接而成。上筒體也是錳鉬鎳低合金鋼板加工而成，內(nèi)裝有環(huán)形的給水管、旋風分離器、波紋板濕度分離器及蒸汽出口流量限止器。蒸發(fā)器是運行中故障較多的設(shè)備之一， 大多是由于腐蝕使“ U”形傳熱管或管與管板接頭處泄漏 。 穩(wěn)壓器 穩(wěn)壓器的基本功能是建立并維持一回路系統(tǒng)的壓力，避免冷卻劑在反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生容積沸騰。穩(wěn)壓器在電廠穩(wěn)態(tài)運行時，將一回路壓力維持在恒定壓力下；在一回路系統(tǒng)瞬態(tài)時，將壓力變化限制在允許值以內(nèi)；在事故時，防止 一回路系統(tǒng)超壓，維護一回路的完整性。此外，穩(wěn)壓器作為一回路系統(tǒng)的緩沖容器，吸收一回路系統(tǒng)水容積的迅速變化 。 正常功率運行時，穩(wěn)壓器內(nèi)下部為水，上部為汽空間，由加熱器使水處于飽和狀態(tài)。 一回路除穩(wěn)壓器上部的汽腔以外，其余部分全部充滿水。因此穩(wěn)壓器汽腔的蒸汽壓力傳播到整個一回路系統(tǒng)。穩(wěn)壓器的壓力就代表了一回路的壓力。 穩(wěn)壓器是通過改變汽空間蒸汽密度來調(diào)節(jié)壓力的， 壓力上升時，噴淋系統(tǒng)工作，冷水使蒸汽密度降低，從而使壓力下降；壓力下降時，加熱器工作，使蒸汽密度增加，從而使壓力上升。當壓力上升過快，噴淋水無法使得壓力 下降，則會打開穩(wěn)壓器上的安全閥卸壓。 穩(wěn)壓器筒身材料選用和壓力容器相同的低合金鋼，內(nèi)壁堆焊不銹鋼覆蓋層。 主泵 主泵又叫做反應(yīng)堆冷卻劑泵 。 它的作用是為反應(yīng)堆冷卻劑提供驅(qū)動壓頭，反應(yīng)堆冷卻劑泵是壓水堆核電廠的最關(guān)鍵設(shè)備之一，對它的基本要求是： 1） 能夠長期在無人維護情況下安全可靠的工作； 2） 冷卻劑的泄漏要盡可能的少； 3） 轉(zhuǎn)動部件應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)動慣量，以便在全廠斷電情況下，利用泵的惰轉(zhuǎn)提供足夠流量，使堆芯得到適當?shù)睦鋮s； 4） 過流部件表面材料要求耐高溫含硼酸水的腐蝕； 5） 便于維修。 通常采用空冷三相感應(yīng)電動機驅(qū)動立式、單級軸封泵。電動機與泵分開組裝，之間以短軸相接，軸封有三道密封，要求只能有微小的泄漏，故又稱受控泄泵 。泵殼、葉輪和導葉都是不銹鋼鑄件，泵軸是不銹鋼鍛件，泵殼由兩半拼焊為一個整體，焊縫需作γ射線探傷檢查，但有的國家已采用整體不銹鋼鑄件。 主管道 a）系統(tǒng)熱力參數(shù)： 設(shè)計壓力： ； 運行壓力： ； 設(shè)計溫度： 343℃。 b）管段參數(shù)： 管段名稱 內(nèi)徑（ mm） 壁厚（ mm） 材料 冷管段 反應(yīng)堆入口 66~ 奧氏體 不銹鋼 蒸發(fā)器出口 熱管段 反應(yīng)堆出口 69~ 蒸發(fā)器入口 U 形管段 ~ （二） 專設(shè)安全設(shè)施 為了在事故工況下確保反應(yīng)堆停閉，排出堆芯余熱和保持安全殼的完整性，避免在任何情況下放射性物質(zhì)的失控排放，減少設(shè)備損失，保護公眾和核電廠工作人員的安全，核電廠設(shè)置了專設(shè)安全設(shè)施。 專設(shè)安全設(shè)施包括： 安 全注入系統(tǒng)、 安 全殼噴淋系統(tǒng)、 輔 助給水系統(tǒng) 、 安 全殼隔離系統(tǒng) 。 這些設(shè)施在核電廠發(fā)生事故時，向堆芯注入