核电蒸汽发生器

核电蒸汽发生器是用于将水从核反应堆堆芯中产生的热量转化为蒸汽的热交换器。它们用于初级和次级冷却剂回路之间的压水反应堆(PWR)。在典型的PWR设计中，主冷却剂是高纯度水，保持在高压下，因此不会沸腾。这种初级冷却剂被泵送通过反应堆堆芯，在那里它从燃料棒中吸收热量。然后它通过蒸汽发生器，在那里将热量（通过金属传导）传递给允许沸腾的低压水。

与PWR不同，沸水反应堆(BWR)不使用蒸汽发生器。一次冷却剂可以直接在反应堆堆芯中沸腾，而蒸汽则简单地通过蒸汽轮机。虽然理论上很简单，但这对维护有不利影响。在通过堆芯时，一次冷却水受到高中子通量的影响。这会激活水中的氧气和溶解的氮。主要反应是：氧16原子吸收1个中子，放出1个质子，变成氮16。氮16的半衰期为7秒，当它衰变为氧16时会产生伽马射线。7秒的半衰期足以让水循环出反应堆。在BWR中，这意味着当蒸汽轮机释放伽马射线时，水可能在蒸汽轮机中。虽然这种反应不会产生长寿命的放射性同位素，相比之下，在PWR中，蒸汽发生器将活化的一次冷却剂水与通过蒸汽轮机的二次冷却剂分离。因此，人们可以在运行期间自由地访问压水堆的涡轮机和其他蒸汽设备组件。这降低了维护成本并提高了正常运行时间。

在商业发电厂中，每个反应堆有两到四个蒸汽发生器；每台蒸汽发生器的高度可达70英尺(21m)，重量可达800吨。每个蒸汽发生器可以包含3,000到16,000根管子，每根管子的直径约为0.75英寸（19毫米）。保持在高压以防止沸腾的冷却剂（处理过的水）被泵送通过核反应堆堆芯。热传递发生在反应堆堆芯和循环水之间，然后冷却剂通过冷却剂泵泵送通过蒸汽发生器的主管侧，然后返回反应堆堆芯。这被称为主循环。流经蒸汽发生器的水在壳程（保持在低于一次侧的压力）的水沸腾以产生蒸汽。这被称为二级循环。二次侧蒸汽被输送到涡轮机进行发电。蒸汽随后通过来自第三回路的冷却水冷凝并返回蒸汽发生器以再次加热。三级冷却水可以再循环到冷却塔，在冷却塔中释放废热，然后再返回以冷凝更多蒸汽。否则，河流、湖泊或海洋可以提供直流三次冷却。这种一级、二级、三级冷却方案是压水反应堆的基础，压水反应堆是世界上最常见的核电站设计。在其他类型的反应堆中，例如CANDU设计的加压重水反应堆，主要流体是重水。液态金属冷却反应堆（例如俄罗斯BN-600反应堆）使用液态金属（例如钠）作为主要冷却剂。它们还在一次金属冷却剂和二次水冷却剂之间使用热交换器，因此它们的二次和三次冷却类似于压水堆。蒸汽发生器的热交换管具有重要的安全作用，因为它们将放射性和非放射性流体系统分开。（初级冷却剂由于暴露于堆芯而具有短暂的放射性，并且还含有微量的寿命较长的放射性同位素溶解在其中，例如管道中溶解的铁原子。）由于初级冷却剂处于较高的压力下，破裂的热交换管会导致一次冷却剂泄漏到二次回路中。通常这将要求工厂关闭进行维修。为避免此类一次-二次泄漏，蒸汽发生器管道会定期通过涡流检测进行检查，并且可以将单个管道堵塞以将其从运行中移除。与许多核组件一样，机械工程师使用材料中已知的腐蚀和裂纹扩展速率来确定检查频率。如果检查发现管壁足够薄，以至于在下一次预定检查之前可能会腐蚀掉，则管子会被堵塞。（堵塞管子通常比试图修理它更容易。有许多小的热交换管，蒸汽发生器设计有多余的管子，可以让一些管子被堵塞。）整个蒸汽发生器通常在工厂中年更换，这是一项重大任务。大多数美国压水堆工厂都更换了蒸汽发生器。

核动力蒸汽发生器最初是xxx艘核潜艇USSNautilus(SSN-571)的动力装置。由西屋电力公司为潜艇设计建造；公司从那里开始开发和研究核动力蒸汽发生器。一旦和平核反应堆被合法化用作发电厂，电力公司就会抓住机会利用核动力蒸汽发生器的不断发展。西屋公司于1960年建造了xxx批核电站之一，扬基罗核电站(NPS)，它也使用了核动力蒸汽发生器。该电站的输出功率为100MWe（兆瓦电）。相比之下，一些现代工厂的输出功率超过1100MWe。最终，其他国际公司，如Babcock&

西屋和燃烧工程设计采用垂直U形管和用于初级水的倒置管。加拿大、日本、法国和德国PWR供应商也使用垂直配置。俄罗斯VVER反应堆设计使用水平蒸汽发生器，其管道水平安装。Babcock&Wilcox工厂（例如，三哩岛）有较小的蒸汽发生器，迫使水通过OTSG顶部（单程蒸汽发生器；与给水逆流）并从底部流出，由反应堆冷却剂泵再循环.事实证明，水平设计比垂直U型管设计更不易退化。

构成核动力蒸汽发生器的涡轮机和管道的材料是专门制造和专门设计的，以承受反应堆的热量和辐射。水管还必须能够长时间抵抗水的腐蚀。反应堆中使用的管道由合金600或合金690制成。合金690由额外的铬制成，大多数设施对金属进行热处理，以使其更好地耐热和耐腐蚀。合金600和合金690中的高镍含量使其非常适合抵抗酸以及高应力和温度。

退火或热处理的合金600由于水的化学性质而容易出现管子凹陷和变薄。因此，在其水管中使用Alloy600的工厂必须安装新的水化学控制器并更换它们放入水中的化学物质。因此，管道变薄已得到处理，但在极少数情况下，仍然会出现管道凹陷，导致泄漏和破裂。防止这种情况的xxx方法是定期维护和检查，但这会迫使反应堆关闭。在某些情况下，工厂用合金690管替换了他们的合金600管，一些工厂被关闭。为了防止未来出现问题，核电站蒸汽轮机制造商改进了制造技术并使用了其他材料，例如不锈钢，以防止管道凹陷。

美国典型PWR中的蒸汽发生器具有以下运行条件：

各种高性能合金和超合金已用于蒸汽发生器管道，包括316型不锈钢、合金400、合金600MA（轧制退火）、合金600TT（热处理）、合金690TT和合金800Mod。