核電蒸汽發生器

核電蒸汽發生器是用于將水從核反應堆堆芯中產生的熱量轉化為蒸汽的熱交換器。它們用于初級和次級冷卻劑回路之間的壓水反應堆(PWR)。在典型的PWR設計中，主冷卻劑是高純度水，保持在高壓下，因此不會沸騰。這種初級冷卻劑被泵送通過反應堆堆芯，在那里它從燃料棒中吸收熱量。然后它通過蒸汽發生器，在那里將熱量（通過金屬傳導）傳遞給允許沸騰的低壓水。

與PWR不同，沸水反應堆(BWR)不使用蒸汽發生器。一次冷卻劑可以直接在反應堆堆芯中沸騰，而蒸汽則簡單地通過蒸汽輪機。雖然理論上很簡單，但這對維護有不利影響。在通過堆芯時，一次冷卻水受到高中子通量的影響。這會激活水中的氧氣和溶解的氮。主要反應是：氧16原子吸收1個中子，放出1個質子，變成氮16。氮16的半衰期為7秒，當它衰變為氧16時會產生伽馬射線。7秒的半衰期足以讓水循環出反應堆。在BWR中，這意味著當蒸汽輪機釋放伽馬射線時，水可能在蒸汽輪機中。雖然這種反應不會產生長壽命的放射性同位素，相比之下，在PWR中，蒸汽發生器將活化的一次冷卻劑水與通過蒸汽輪機的二次冷卻劑分離。因此，人們可以在運行期間自由地訪問壓水堆的渦輪機和其他蒸汽設備組件。這降低了維護成本并提高了正常運行時間。

在商業發電廠中，每個反應堆有兩到四個蒸汽發生器；每臺蒸汽發生器的高度可達70英尺(21m)，重量可達800噸。每個蒸汽發生器可以包含3,000到16,000根管子，每根管子的直徑約為0.75英寸（19毫米）。保持在高壓以防止沸騰的冷卻劑（處理過的水）被泵送通過核反應堆堆芯。熱傳遞發生在反應堆堆芯和循環水之間，然后冷卻劑通過冷卻劑泵泵送通過蒸汽發生器的主管側，然后返回反應堆堆芯。這被稱為主循環。流經蒸汽發生器的水在殼程（保持在低于一次側的壓力）的水沸騰以產生蒸汽。這被稱為二級循環。二次側蒸汽被輸送到渦輪機進行發電。蒸汽隨后通過來自第三回路的冷卻水冷凝并返回蒸汽發生器以再次加熱。三級冷卻水可以再循環到冷卻塔，在冷卻塔中釋放廢熱，然后再返回以冷凝更多蒸汽。否則，河流、湖泊或海洋可以提供直流三次冷卻。這種一級、二級、三級冷卻方案是壓水反應堆的基礎，壓水反應堆是世界上最常見的核電站設計。在其他類型的反應堆中，例如CANDU設計的加壓重水反應堆，主要流體是重水。液態金屬冷卻反應堆（例如俄羅斯BN-600反應堆）使用液態金屬（例如鈉）作為主要冷卻劑。它們還在一次金屬冷卻劑和二次水冷卻劑之間使用熱交換器，因此它們的二次和三次冷卻類似于壓水堆。蒸汽發生器的熱交換管具有重要的安全作用，因為它們將放射性和非放射性流體系統分開。（初級冷卻劑由于暴露于堆芯而具有短暫的放射性，并且還含有微量的壽命較長的放射性同位素溶解在其中，例如管道中溶解的鐵原子。）由于初級冷卻劑處于較高的壓力下，破裂的熱交換管會導致一次冷卻劑泄漏到二次回路中。通常這將要求工廠關閉進行維修。為避免此類一次-二次泄漏，蒸汽發生器管道會定期通過渦流檢測進行檢查，并且可以將單個管道堵塞以將其從運行中移除。與許多核組件一樣，機械工程師使用材料中已知的腐蝕和裂紋擴展速率來確定檢查頻率。如果檢查發現管壁足夠薄，以至于在下一次預定檢查之前可能會腐蝕掉，則管子會被堵塞。（堵塞管子通常比試圖修理它更容易。有許多小的熱交換管，蒸汽發生器設計有多余的管子，可以讓一些管子被堵塞。）整個蒸汽發生器通常在工廠中年更換，這是一項重大任務。大多數美國壓水堆工廠都更換了蒸汽發生器。

核動力蒸汽發生器最初是xxx艘核潛艇USSNautilus(SSN-571)的動力裝置。由西屋電力公司為潛艇設計建造；公司從那里開始開發和研究核動力蒸汽發生器。一旦和平核反應堆被合法化用作發電廠，電力公司就會抓住機會利用核動力蒸汽發生器的不斷發展。西屋公司于1960年建造了xxx批核電站之一，揚基羅核電站(NPS)，它也使用了核動力蒸汽發生器。該電站的輸出功率為100MWe（兆瓦電）。相比之下，一些現代工廠的輸出功率超過1100MWe。最終，其他國際公司，如Babcock&

西屋和燃燒工程設計采用垂直U形管和用于初級水的倒置管。加拿大、日本、法國和德國PWR供應商也使用垂直配置。俄羅斯VVER反應堆設計使用水平蒸汽發生器，其管道水平安裝。Babcock&Wilcox工廠（例如，三哩島）有較小的蒸汽發生器，迫使水通過OTSG頂部（單程蒸汽發生器；與給水逆流）并從底部流出，由反應堆冷卻劑泵再循環.事實證明，水平設計比垂直U型管設計更不易退化。

構成核動力蒸汽發生器的渦輪機和管道的材料是專門制造和專門設計的，以承受反應堆的熱量和輻射。水管還必須能夠長時間抵抗水的腐蝕。反應堆中使用的管道由合金600或合金690制成。合金690由額外的鉻制成，大多數設施對金屬進行熱處理，以使其更好地耐熱和耐腐蝕。合金600和合金690中的高鎳含量使其非常適合抵抗酸以及高應力和溫度。

退火或熱處理的合金600由于水的化學性質而容易出現管子凹陷和變薄。因此，在其水管中使用Alloy600的工廠必須安裝新的水化學控制器并更換它們放入水中的化學物質。因此，管道變薄已得到處理，但在極少數情況下，仍然會出現管道凹陷，導致泄漏和破裂。防止這種情況的xxx方法是定期維護和檢查，但這會迫使反應堆關閉。在某些情況下，工廠用合金690管替換了他們的合金600管，一些工廠被關閉。為了防止未來出現問題，核電站蒸汽輪機制造商改進了制造技術并使用了其他材料，例如不銹鋼，以防止管道凹陷。

美國典型PWR中的蒸汽發生器具有以下運行條件：

各種高性能合金和超合金已用于蒸汽發生器管道，包括316型不銹鋼、合金400、合金600MA（軋制退火）、合金600TT（熱處理）、合金690TT和合金800Mod。