核电常见问题现象和分析

核电
1.什么是核电
2.核电的架构与关键设备
3.核电应用中遇到的问题
4.针对以上问题提出的解决方案与应用效果
5.预期达到的目标
1什么是核电
核能作为一种安全高效、清洁低碳、可大规模开发利用的非石化能源，是我国清洁能源体系的重要组成部分。

核能发电是人类在社会生产和生活中利用核能的主要方式。

核电发展的最重要前提始终是核电运行的安全性和经济性，核电能否安全运行与其关键设备材料的服役性能密切相关，只有保证关键设备材料在服役期间有足够的安全裕度设计，才能保证核电站在设计周期内安全可靠的运行。

截至2022年11月，我国核电在运机组54台，装机容量为5,215万千瓦;在建核电机组20台，在建数量全球第一，装机容量2286.7万千瓦。

2核电的架构与关键设备
核电站工作原理基本工作原理，核电站由核反应堆在受控条件下通过分裂放射性物质的原子来产生热量，由此产生的热能用于产生高温高压蒸汽，蒸汽驱动蒸汽轮机，将蒸汽能转化为机械能，由涡轮机旋转发电机，将机械能转化为电能。

反应堆是核电站的核心。

核电站的内部它通常由一回路系统和二回路系统组成。

反应堆工作时放出的热能，由一回路系统的冷却剂带出，用以产生蒸汽。

因此，整个一回路系统被称为“核供汽系统”，它相当于火电厂的锅炉系统。

为了确保安全，整个一回路系统装在一个被称为安全壳的密闭厂房内。

由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。

核电站的主要设备包括：
主泵：它的功用是把冷却剂送进堆内，然后流过蒸汽发生器，以保证裂变反应产生的热量及时传递出来。

稳压器：又称压力平衡器，是用来控制反应堆系统压力变化的设备。

在正常运行时，起保持压力的作用；在发生事故时，提供超压保护。

稳压器里设有加热器和喷淋系统，当反应堆里压力过高时，喷洒冷水
降压；当堆内压力太低时，加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力。

蒸汽发生器：它的作用是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通入汽轮发电机的汽缸作功。

安全壳：用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去，以保护公众免遭放射性物质的伤害。

万一发生罕见的反应堆一回路水外逸的失水事故时，安全壳是防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障。

安全壳一般是内衬钢板的预应力混凝土厚壁容器。

汽轮机：核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。

3核电应用中遇到的问题与现状
3.1核电厂火灾
火灾已成为影响核电厂安全的最大因素之一，核电厂火灾具有火势凶猛、燃烧迅速;火情突然扑救困难、二次伤害概率大;造成的损失严重,后果难以预测等特点。

3.2核电站结构材料腐蚀疲劳
核电结构材料在高温高压水环境中的疲劳裂纹扩展行为对于核电站设计、安全运行、老化管理等都至关重要。

目前对于核电关键结构材料在高温高压水环境中的疲劳裂纹扩展行为研究中仍然存在一些问题。

1.在机理理解方面，高温高压水环境中材料的疲劳裂纹扩展行为受力学、环境和材料等多素及其交互作用的影响，不同因素之间的交互作用机制有待于进一步研究。

2.在基础性数据积累方面，缺乏力学、环境和材料等因素对腐蚀疲劳裂纹扩展速率影响数据，尤其是国产核电结构材料在高温高压水环境中的疲劳裂纹扩展数据非常欠缺。

3.在裂纹扩展行为模型方面，不同疲劳裂纹扩展模型适用条件不同，模型中关键参数(温度、频率等)的阈值需要进一步确定，材料在高温高压水环境中的疲劳裂纹扩展模型需要进一步发展。

4.焊接及热老化材料的环境疲劳裂纹扩展行为研究相对较少，现有裂纹扩展模型中未包含相应数据，裂纹扩展模型有待于进一步完善。

3.3蒸汽发生器传热管由于流致振动和热循环引起的高周疲劳和腐蚀疲劳问题日益突出
随着服役年限的增加，由于流致振动和热循环引起的高周疲劳和腐蚀疲劳问题日益突出，导致传热管表面或缺陷处过早萌生裂纹甚至引起传热管破裂，引起放射性污染甚至报废整个蒸汽发生器。

目前，对蒸汽发生器传热管的疲劳行为研究主要集中于棒状试样的损伤机理和寿命预测，以及采用紧凑拉伸（ＣＴ）试样研宄疲劳及腐蚀疲劳裂纹扩展行为。

然而，传热管的实际壁厚仅为１ｍｍ左右，其加工工艺、表面状态以及微观组织和棒状试样的不同，疲劳行为和断裂机制也可能与棒状试样不同。

因此，研究核电蒸汽发生器传热管的疲劳行为对于评价评估其结构的完整性、可靠性及失效分析和寿命预测等方面有着重要意义。

3.4支吊式管道系统振动降低管道的输送效率，造成管道破坏、泄漏
管道系统是核电站的重要组成部分，为便于检修和维护，核电站管道多采用支吊式安装。

管道振动不仅降低管道的输送效率，造成管道破坏、泄漏，甚至会引发安全事故。

鉴于此，对管道振动进行实时检测，对振源位置及强度进行判断，研究内容对核电站的安全稳定运行具有重要的研究意义。

3.5封闭管道内流体流量和温度计量
封闭管道内流体流量和温度计量仪器是核电工业“神经系统”的构成部分，对核冷却系统整体工艺流程正常、安全、高效运转起着不可替代的作用，要求流量和温度计量仪器能实时、快速、准确的监测管道冷却水状态信息。

现阶段冷却系统流量和温度计量仪器存在测量参数单一、体积较大、安装受限、不便组网、易受电磁干扰等问题，亟需一种新型流体流量温度测量系统替代核冷却系统现有流量温度测量仪器，以满足核冷却系统冷却水流量温度同时精确监测要求，保障核系统的安全运转。

3.6核电系统中主要设备面临的其他问题
a.核反应堆压力设备环形密封面、压力容器等的泄漏；
b.核反应堆主螺栓损坏；
c．冷凝器压力控制阀异常振动与换热管裂纹；
d.汽轮机轴承与调门阀杆异常振动、旁排阀内漏;
e.蒸汽发生器、主泵等的异常振动；
f.电缆老化；
3.7核电厂冷源取水口堵塞事件频发
冷源取水口堵塞造成核反应堆系统冷源损失，轻则造成机组的降功率运行，重则直接导致反应堆机组停堆，影响核电厂安全。

导致冷源损失事故的根本原因之一，是因为核电厂冷源取水口缺乏智能化实时监测预警技术，应对不同种类海生物入侵时未能及时采取有效的拦截与清理手段。

2020年3月，阳江核电厂因大量毛虾进入海水循环水过滤系统，导致取水口堵塞影响冷源水循环，最终使得部分机组停堆运行等。

当前采用循环水过滤系统可以拦截大部分体积较大的物体，但应对海生物爆发等突发情况具有滞后性。

4针对以上问题提出的解决方案
4.1核电厂火灾预警解决方案
针对核电厂火灾，构建光纤分布式火灾探测、图像探测、火焰探测、烟雾探测等多种探测预警方式，与消防监控系统相结合,与信息终端相连接,将在线监控设备运行状态,实时接收异常情况信息,实现立体、动态的消防互联网监控。

4.2设备故障与失效损坏监测解决方案
加强核电系统智能检修一体化数字平台建设，研究设备健康管理与智能检修，加强智能设备开发，加强传感器耐辐射设计，使用声光电融合互补的传感方式对湿温度、压力、振动、应力等物理参量检测分析，实现核电系统设备全周期实时可信监测，以数据挖掘、大数据分析、智能决策支持等方式进行检修管理。

做到及早发现及早干预，弥补传统检修方式耗时长、缺陷识别不精确、数据零散、可追溯性不强、受个人主观影响较大等不足。

4.3冷源取水口堵塞监测解决方案
采用循环水过滤系统（（CFI）结合水下光学摄像头、声学声纳探头等组合的模式，实时监测冷源取水口环境。

运用多种智能算法分析处理监测数据与图像，快速准确的识别海生物目标，最终实现核电厂冷源取水口实时监测预警的智能化，实时并准确预警海洋生物入侵，为核电厂冷源取水安全争取足够的应急时间，避免核电厂冷源安全事故。