《核反應(yīng)堆論》PPT課件.ppt

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1、第七章：核反應(yīng)堆熱工核反應(yīng)堆工程概論 一、反應(yīng)堆熱工分析的任務(wù) 反應(yīng)堆熱工分析是研究在反應(yīng)堆及其回路系統(tǒng)中冷卻劑的流動(dòng)特性、熱量傳輸特性、燃料元件的傳熱特性的一門工程性很強(qiáng)的學(xué)科。其研究?jī)?nèi)容涉及反應(yīng)堆的各種工況，以滿足動(dòng)力堆安全、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。 反應(yīng)堆的堆型不同，它們的結(jié)構(gòu)形式、冷卻劑特性、運(yùn)行參數(shù)和安全要求等方面也有很大差異。我們選擇壓水堆作為主要討論對(duì)象。 二、反應(yīng)堆熱工分析的內(nèi)容1、堆芯材料和熱物性2、反應(yīng)堆的熱源3、穩(wěn)態(tài)熱工分析4、瞬態(tài)熱工分析 1、堆芯材料和熱物性1.1、核燃料1.2、包殼材料1.3、冷卻劑1.4、慢化劑 1.1、核燃料（1）l核燃料： 裂變?nèi)剂希衡?35（自然界存在的

2、唯一一種核燃料） 鈾233 钚239 轉(zhuǎn)換燃料：釷232 鈾238l核燃料的形態(tài)： 固態(tài)：實(shí)際應(yīng)用的核燃料 液態(tài)：未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的程度 1.1、核燃料（2）l對(duì)固體核燃料的要求： 具有良好的輻照穩(wěn)定性，保證燃料元件在經(jīng)受深度燃耗后，尺寸和形狀的變化能保持在允許的范圍之內(nèi) 具有良好的熱物性（熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率大，熱膨脹系數(shù)?。?，使反應(yīng)堆能達(dá)到高的功率密度 在高溫下與包殼材料的相容性好 與冷卻劑接觸不產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕 工藝性能好，制造成本低，便于后處理 1.1、核燃料（3）l固體核燃料： 金屬鈾與鈾合金 特點(diǎn)：密度高、熱導(dǎo)率大、工藝性能好；輻照穩(wěn)定性差，有“腫脹”現(xiàn)象；不能在現(xiàn)在動(dòng)力堆中使用。 陶瓷

3、燃料：氧化物、碳化物、氮化物 氧化物的使用研究最多，輕水、重水、改進(jìn)型氣冷、快堆等均使用燒結(jié)的氧化物圓柱小塊。高溫氣冷堆使用氧化物或碳化物作成的包覆顆粒在石墨基體中的彌散體。 1.1、核燃料（4）l固體核燃料： 陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物 氧化鈾：特點(diǎn)（5點(diǎn)內(nèi)容）（自修） 熱物性（熔點(diǎn)、密度、熱導(dǎo)率、比熱）（自修） 钚、鈾混合物：UO2+PuO2 UC+PuC UN+PuN 彌散體燃料 陶瓷型燃料顆粒均勻分布在非裂變材料的基體中。 基體材料：鋁、不銹鋼、鋯合金、石墨等 缺點(diǎn)：基體材料所占百分比大，必須使用濃縮鈾（加濃鈾） 1.2、包殼材料（1）l對(duì)包殼材料的要求： 具有良好的核性能，也就

4、是中子吸收截面要小，感生放射性要弱。 具有良好的導(dǎo)熱性能。 與核燃料的相容性要好，也就是說在燃料元件的工作狀態(tài)下，包殼與燃料的界面處不會(huì)發(fā)生使燃料元件性能變壞的物理作用和化學(xué)反應(yīng)。 具有良好的機(jī)械性能，即能夠提供合適的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，使得在燃耗較深的條件下，仍能保持燃料元件的機(jī)械完整性。 應(yīng)有良好的抗腐蝕能力。 具有良好的輻照穩(wěn)定性。 容易加工成形，成本低廉，便于后處理。 1.2、包殼材料（2）l包殼材料： 鋯合金：特點(diǎn)、物性（自修） 不銹鋼和鎳基合金 水堆中應(yīng)用最普遍的是鋯2和鋯4合金 快堆中主要考慮高溫性能和抗輻照損傷性能，目前多采用奧氏體不銹鋼，有時(shí)也使用鎳基合金。 1.3、冷卻劑（1）

5、l對(duì)冷卻劑的要求： 中子吸收截面小，感生放射性弱。 具有良好的熱物性（比熱大、熱導(dǎo)率大、熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高，飽和蒸汽壓低等），以便從較小的傳熱面積帶走較多的熱量。 粘度低，密度高，使循環(huán)泵消耗的功率小。 與燃料和結(jié)構(gòu)材料相容性好。 良好的輻照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。 慢化能力與反應(yīng)堆類型相匹配。 成本低，使用方便，盡可能避免使用價(jià)格昂貴的材料。 1.3、冷卻劑（2）l常用冷卻劑： 水和重水：水作為冷卻劑和慢化劑主要應(yīng)用于輕水堆。 缺點(diǎn)：沸點(diǎn)低、存在沸騰臨界、在高溫下有腐蝕作用。 重水慢化堆采用重水作冷卻劑的好處是可以減少核燃料的裝載量或降低核燃料的濃縮度。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。 鈉：鈉作為冷卻劑主要應(yīng)用于快中

6、子堆。 缺點(diǎn)：鈉水劇烈反應(yīng)、溫度梯度質(zhì)量遷移、金屬的擴(kuò)散結(jié)合、存在由反應(yīng)性正空泡效應(yīng)引起的控制和安全問題。 氦氣：氦氣作為冷卻劑主要應(yīng)用于氣冷堆。 缺點(diǎn)：因運(yùn)行壓力和流量大而消耗功率大、價(jià)格昂貴、泄漏問題。 1.4、慢化劑（1）l對(duì)固體慢化劑的要求： 具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 良好的導(dǎo)熱性能 良好的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性 與冷卻劑相容 原子密度高 便于加工，成本低廉l可用的固體慢化劑： 可用的固體慢化劑有石墨、鈹、氧化鈹和氧化鋯 1.4、慢化劑（2）l對(duì)液體慢化劑的要求： 熔點(diǎn)在室溫以下，高溫下蒸汽壓要低 良好的傳熱性能 良好的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性 原子密度高 不腐蝕結(jié)構(gòu)材料l常用液體慢化劑： 常用的

7、液體慢化劑有水和重水 2、反應(yīng)堆的熱源2.1、裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布2.2、影響堆芯功率分布的因素2.3、燃料元件內(nèi)的功率分布2.4、核熱管因子2.5、控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中的熱源及分布 2.1、裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布 2.1.1、裂變能（1） 2.1.1、裂變能（2） 2.1.2、裂變能在堆芯內(nèi)的分布（1） 2.1.2、裂變能在堆芯內(nèi)的分布（2） 2.1.2、裂變能在堆芯內(nèi)的分布（3） 2.2、影響堆芯功率分布的因素 2.2.1、燃料布置對(duì)功率分布的影響 2.2.2、控制棒對(duì)功率分布的影響（1） 2.2.2、控制棒對(duì)功率分布的影響（2） 2.2.3、水隙及空泡對(duì)功率分布的影響 2.3

8、、燃料元件內(nèi)的功率分布（1） 2.3、燃料元件內(nèi)的功率分布（2） 2.4、核熱管因子（1）l熱管和熱點(diǎn)的概念 2.4、核熱管因子（2）l熱管因子： 為了衡量各有關(guān)的熱工參數(shù)的最大值偏離平均值（或名義值）的程度，引入一個(gè)修正因子，這個(gè)修正因子就稱為熱管因子。熱管因子是用各有關(guān)的熱工（或物理）參數(shù)的最大值與平均值的比值來表示的。l熱管因子的分類： 一般把熱管因子分為兩大類：一類是核熱管因子；一類是工程熱管因子。 2.4、核熱管因子（3）l核熱管因子的定義： NLNZNRNqNL NZNRNqNZNR FFFFF FFFFF 熱流量核熱管因子局部峰核熱管因子堆芯平均熱流量堆芯最大熱流量熱流量核熱管因

9、子熱管的平均熱流量熱管的最大熱流量軸向核熱管因子量堆芯平均管的平均熱流熱管的平均熱流量徑向核熱管因子 2.4、核熱管因子（4） 2.5、控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料 中的熱源及分布l控制棒中的熱源及其分布（自修）l慢化劑中的熱源及其分布（自修）l結(jié)構(gòu)材料中的熱源及其分布（自修） 3、穩(wěn)態(tài)熱工分析3.1、傳熱分析3.2、水力分析3.3、熱工設(shè)計(jì)原理3.4、幾個(gè)重要概念 3.1、傳熱分析3.1.1、反應(yīng)堆內(nèi)熱量的輸出過程3.1.2、燃料元件的傳熱計(jì)算3.1.3、固體慢化劑與結(jié)構(gòu)材料的傳熱計(jì)算3.1.4、泊松方程的數(shù)值解法（自修） 3.1.1、反應(yīng)堆內(nèi)熱量的輸出過程3.1.1.1、堆內(nèi)的導(dǎo)熱過程3.1.

10、1.2、堆內(nèi)的放熱過程3.1.1.3、堆內(nèi)的輸熱過程 3.1.1.1、堆內(nèi)的導(dǎo)熱過程l燃料元件的導(dǎo)熱是指燃料芯塊內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)傳到燃料元件包殼外表面這樣一個(gè)過程。核燃料包殼熱量 3.1.1.1、堆內(nèi)的導(dǎo)熱過程（1）l有內(nèi)熱源的情況 uv uv v v kqdxtd kqdrdtrdrtd kqtkqt 22222 2 01 0平板形燃料芯塊：圓柱形燃料芯塊：是導(dǎo)熱率是體積釋熱率，是溫度，是拉普拉斯符，程：有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方 3.1.1.1、堆內(nèi)的導(dǎo)熱過程（2）l無內(nèi)熱源的情況drdtFkQ dxdtkq oo圓筒：平板： 3.1.1.2、堆內(nèi)的放熱過程l放熱過程是燃料元件包殼表面與冷

11、卻劑之間直接接觸時(shí)的熱交換，即熱量由包殼的外表面?zhèn)鬟f給冷卻劑的過程。核燃料包殼冷卻劑熱量熱量 3.1.1.2、堆內(nèi)的放熱過程（1） llfcsfcs fcsff f Fzh zqztzt zzt zzt ztztzFhQ hFQ )( )()()()( )( )()( 所以：處冷卻劑的溫度：位置處包殼表面溫度：位置處，：膜溫壓。在某一位置：傳熱面積：對(duì)流放熱系數(shù)卻劑的熱功率：包殼外表面?zhèn)鬟f給冷牛頓冷卻定律： 3.1.1.2.1、強(qiáng)迫對(duì)流放熱 318.0 14.033.08.054 4.08.0 PrRe PrRe027.0 120Pr6.0102.1Re10 50PrRe023.0 CNuB

12、NuNu BoelterDittusA wf 韋斯曼關(guān)系式：時(shí)的放熱系數(shù)、水縱向流過平行棒束對(duì)于大膜溫壓：，且：倍應(yīng)大于內(nèi)徑的膜溫壓不能太大，管長(zhǎng)）關(guān)系式：）貝爾特（迪圖斯（迫對(duì)流時(shí)的放熱系數(shù)、流體在圓形通道內(nèi)強(qiáng) 3.1.1.2.2、自然對(duì)流放熱 25025.0 161341 11531 PrPrPr5.0 10Pr102Pr)17.0 1010Pr)6.0 Pr。）（）（熱系數(shù)：橫管的自然對(duì)流平均放（紊流），（層流），（，豎壁的放熱系數(shù)：當(dāng)壁面的熱流量恒定時(shí)）（式：自然對(duì)流放熱準(zhǔn)則關(guān)系wff nGrNu GrGrNu GrGrNu GrCNu 3.1.1.2.3、沸騰放熱（1）大容積沸騰：大

13、氣壓下水的大容積沸騰曲線 3.1.1.2.3、沸騰放熱（2）流動(dòng)沸騰：流動(dòng)沸騰的傳熱區(qū)域 3.1.1.2.3、沸騰放熱（3）泡核沸騰：過冷沸騰中壁面溫度和流體溫度的分布 3.1.1.2.3、沸騰放熱（4）l過冷沸騰起始點(diǎn)的判據(jù)：l沸騰臨界： “沸騰臨界”也稱為“燒毀”或“偏離泡核沸騰（DNB）”和“蒸干”；術(shù)語臨界熱流量（CHF）則用來描述上述工況下的熱流量值，以及確定在那 一點(diǎn)最先發(fā)生上述工況?！芭R界熱流量”也稱為“臨界熱負(fù)荷”或“燒毀熱通量”。 流量開始產(chǎn)生沸騰所需的熱時(shí)，和系統(tǒng)壓力為為在壁面過冷度式中pttq ttpq swONB pswONB 0234.0828.2156.13 591

14、0798.1 3.1.1.3、堆內(nèi)的輸熱過程 處的溫升置冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位處的焓升置冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位冷卻劑的流通截面積冷卻劑的密度；冷卻劑的比熱；冷卻劑的質(zhì)量流量；處的輸熱量；置冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位處的輸熱量為：置冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位程。量帶出堆外這樣一個(gè)過裂變過程中所釋放的熱內(nèi)卻劑流過堆芯時(shí)，將堆輸熱過程指的是，當(dāng)冷zzt zzH A cW zzQ zHWztcVAztWczQ zf f f p ffpffp:)( :)( : : :)( )()()()( 3.1.2、燃料元件的傳熱計(jì)算3.1.2.1、燃料元件的形式及其冷卻方式3.1.2.2、棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算3.1.2.3、積分

15、熱導(dǎo)率的概念3.1.2.4、板狀燃料元件的傳熱計(jì)算 3.1.2.2、棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算l沿燃料元件軸向的冷卻劑溫度分布（自修）l包殼外表面溫度的計(jì)算（自修）l包殼內(nèi)表面溫度的計(jì)算（自修）l燃料芯塊表面溫度的計(jì)算（自修）l燃料芯塊中心溫度的計(jì)算（自修） 3.1.2.3、積分熱導(dǎo)率的概念 燃料芯塊的熱導(dǎo)率ku一般都與溫度有關(guān)。對(duì)于熱導(dǎo)率大的金屬燃料，采用算術(shù)平均溫度下的ku來計(jì)算燃料芯塊的溫度場(chǎng)，由此引起的誤差不會(huì)太大，這在初步估算燃料芯塊的溫度場(chǎng)時(shí)是允許的。但對(duì)ku小的燃料，例如現(xiàn)代大型壓水堆常用的UO2燃料，不僅ku小且其值隨燃料的溫度變化較大，如果用算術(shù)平均溫度下的ku值計(jì)算燃料芯塊中心

16、溫度，則將會(huì)帶來較大的誤差，因而必須考慮ku值隨燃料溫度的變化。但是ku隨溫度的變化往往不是線性關(guān)系，要直接用它進(jìn)行計(jì)算比較麻煩，因而往往把k u對(duì)溫度t的積分作為一個(gè)整體看待，這樣比較簡(jiǎn)便。這就是所謂積分熱導(dǎo)率的概念。 具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)（自修） 3.1.2.4、板狀燃料元件的傳熱計(jì)算l板狀燃料元件的傳熱計(jì)算（自修）l管狀燃料元件的傳熱計(jì)算（自修） 3.1.3、固體慢化劑與結(jié)構(gòu)材料 的傳熱計(jì)算l固體慢化劑的傳熱計(jì)算（自修） 最常用的固體慢化劑是石墨。例如，石墨氣冷堆、石墨水冷堆、石墨鈉冷堆等，均采用石墨作為慢化劑。l結(jié)構(gòu)材料的傳熱計(jì)算（自修） 堆芯是一個(gè)強(qiáng)大的輻射源，它所放出的射線、中子流等，絕大

17、部分為反射層、熱屏蔽、壓力殼（如果有的話）和生物屏蔽中的元素所吸收或減弱，最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；只有極少量的輻射線逸出堆外。因而，在這些反應(yīng)堆部件中也存在著冷卻問題。 3.2、水力分析3.2.1、水力分析的任務(wù)3.2.2、單相冷卻劑的流動(dòng)壓降3.2.3、汽水兩相流動(dòng)及其壓降3.2.4、自然循環(huán)計(jì)算3.2.5、通道斷裂時(shí)的臨界流3.2.6、堆芯冷卻劑流量的分配3.2.7、流動(dòng)不穩(wěn)定性 3.2.1、水力分析的任務(wù)l任務(wù)： 弄清楚與堆內(nèi)冷卻流動(dòng)劑有關(guān)的流體力學(xué)方面的問題。l穩(wěn)態(tài)工況水力計(jì)算的內(nèi)容： 計(jì)算冷卻劑的流動(dòng)壓降，以便確定：堆芯各冷卻劑通道內(nèi)的流量；合理的堆芯冷卻劑流量和合理的一回路管道、部件的尺寸

18、以及冷卻劑循環(huán)泵所需要的功率。 對(duì)于采用自然循環(huán)冷卻的反應(yīng)堆（如沸水堆），或利用自然循環(huán)輸出停堆后的衰變熱，需要通過水力計(jì)算確定在一定的反應(yīng)堆功率下的自然循環(huán)水流量，配合傳熱計(jì)算，定出堆的自然循環(huán)能力。 對(duì)于存在汽水兩相流的裝置，象沸水堆或蒸汽發(fā)生器，要分析其系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)穩(wěn)定性。 3.2.2、單相冷卻劑的流動(dòng)壓降l沿等截面直通道的流動(dòng)壓降 提升壓降： 摩擦壓降： 等溫流動(dòng)的摩擦系數(shù) 非等溫流動(dòng)的摩擦系數(shù) 通道進(jìn)出口長(zhǎng)度對(duì)摩擦系數(shù)的影響 加速壓降：l局部壓降 截面突然擴(kuò)大： 截面突然縮?。?彎管、接管與閥門： 燃料組件定位件： 3.2.3、汽水兩相流動(dòng)及其壓降l沸騰段長(zhǎng)度和流型l含汽量、空泡份額

19、和滑速比 含汽量： 靜態(tài)含汽量，蒸汽的質(zhì)量與汽液混合物總質(zhì)量的比值 真實(shí)含汽量，蒸汽的質(zhì)量流量與汽液混合物總質(zhì)量流量的比值 平衡態(tài)含汽量，混合物焓與液體飽和焓的差和汽化潛熱的比值 空泡份額：蒸汽的體積與汽液混合物總體積的比值 滑速比：蒸汽平均速度與液體平均速度的比值 含汽量、空泡份額和滑速比間的關(guān)系： （自修） 空泡份額、含汽量的計(jì)算： （自修） 3.2.3、汽水兩相流動(dòng)及其壓降（1）l壓降計(jì)算 沿等截面直通道的流動(dòng)壓降 一維穩(wěn)態(tài)兩相流動(dòng)量方程： （自修） 均勻流模型：汽相和液相的流速相等 兩相間處于熱力學(xué)平衡狀態(tài) 使用合理確定的單相摩擦系數(shù) 分離流模型：汽相和液相的流速各自保持不變，但不相等

20、 兩相間處于熱力學(xué)平衡狀態(tài) 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式或簡(jiǎn)化的概念尋求兩相流摩擦壓 降倍數(shù)和空泡份額與獨(dú)立流動(dòng)變量之間的關(guān)系式 局部壓降 截面突然擴(kuò)大；截面突然縮??；孔板 3.2.3、汽水兩相流動(dòng)及其壓降（2）l一回路內(nèi)的流動(dòng)壓降 在反應(yīng)堆的熱工水力分析中，除了需要計(jì)算系統(tǒng)中各點(diǎn)的冷卻劑的壓力數(shù)值外，往往還需要知道冷卻劑在反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)時(shí)的總壓降。例如在計(jì)算冷卻劑循環(huán)泵所消耗的功率，以及確定堆的自然循環(huán)能力時(shí)都需要總壓降的數(shù)值。 計(jì)算反應(yīng)堆回路的總壓降通常采取的步驟是，首先根據(jù)流體在回路中的受熱情況（加熱、冷卻、等溫）把回路劃分為若干段，算出每一段內(nèi)的各種壓降之和，然后再把各段的壓降相加，即得

21、到整個(gè)回路的總壓降。 3.2.4、自然循環(huán)計(jì)算l自然循環(huán)的基本概念 自然循環(huán)是指在閉合回路內(nèi)依靠熱段（向上流）和冷段（向下流）中的流體密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭來實(shí)現(xiàn)的流動(dòng)循環(huán)。 3.2.4、自然循環(huán)計(jì)算（1）l自然循環(huán)水流量的確定 自然循環(huán)水力計(jì)算的目的就是在給定的反應(yīng)堆功率和已定的堆芯結(jié)構(gòu)下，求解反應(yīng)堆系統(tǒng)的自然循環(huán)水流量。至于求得的流量是否滿足反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求，則需要通過堆芯傳熱計(jì)算才能確定。如果不能滿足準(zhǔn)則要求，則在調(diào)整反應(yīng)堆熱工參數(shù)或修改堆芯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上重新計(jì)算水流量。其求解方法有差分法和圖解法兩種。 3.2.5、通道斷裂時(shí)的臨界流l任一流動(dòng)系統(tǒng)的放空流率，取決于流體從出口（或破

22、口）流出的速率即質(zhì)量流量。當(dāng)流體自系統(tǒng)中流出的速率不再受下游壓力下降的影響時(shí)，這種流動(dòng)就稱為臨界流或阻塞流，對(duì)于單相流也稱聲速流。 3.2.5、通道斷裂時(shí)的臨界流（1）l單相臨界流 135.13.1 4.11212 12 0000 001200 kk kptvp vpkk kAW vpk kaV kexcc；對(duì)于干飽和蒸汽可取對(duì)于過熱蒸汽可取；空氣可取對(duì)于雙原子氣體，如對(duì)）下的比容；）和滯止壓力（為滯止溫度（為上游滯止壓力；臨界流量為：臨界流速即聲速為： 3.2.5、通道斷裂時(shí)的臨界流（2）l兩相臨界流 兩相臨界流是比單相臨界流更為復(fù)雜的流動(dòng)。這是因?yàn)樵谄簝上嘞到y(tǒng)中，流體的壓力沿通道下降的同

23、時(shí)，還將伴隨發(fā)生相間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量的交換。液相部分的擴(kuò)容汽化，從而導(dǎo)致含汽量的不斷變化，繼而出現(xiàn)不同的流型。特別是當(dāng)快速膨脹時(shí)還會(huì)出現(xiàn)相間的不平衡。這些因素的存在，都大大增加了研究?jī)上嗯R界流的困難。 長(zhǎng)通道中的臨界流： （自修） 短通道中的臨界流： 孔板 （自修） 短通道（自修） 3.2.6、堆芯冷卻劑流量的分配l為了在安全可靠的前提下盡量提高反應(yīng)堆的輸出功率，進(jìn)行熱工分析之前，必須預(yù)先知道堆芯熱源的空間分布和在各個(gè)冷卻劑通道內(nèi)的冷卻劑流量。l壓水堆堆芯流量分配的計(jì)算 質(zhì)量守恒方程 動(dòng)量守恒方程 熱量守恒方程 3.2.7、流動(dòng)不穩(wěn)定性l定義：在一個(gè)質(zhì)量流速、壓降和空泡之間存在著熱力流體動(dòng)力

24、學(xué)聯(lián)系的兩相系統(tǒng)中，流體受到一個(gè)微小的擾動(dòng)后所發(fā)生的流量漂移或者以某一頻率的恒定振幅或變振幅進(jìn)行的流量振蕩。l流動(dòng)不穩(wěn)定性： 水動(dòng)力不穩(wěn)定性或Ledinegg不穩(wěn)定性（比較常見） 并聯(lián)通道的管間脈動(dòng)（比較常見） 流型不穩(wěn)定性 動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性（密度波不穩(wěn)定性） 熱振蕩（聲速不穩(wěn)定性） 3.2.7、流動(dòng)不穩(wěn)定性（1）l在反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器以及其他存在兩相流的設(shè)備中一般都不允許出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定性。其主要原因如下： 流動(dòng)振蕩會(huì)使部件產(chǎn)生有害的機(jī)械振動(dòng)，而持續(xù)的流動(dòng)振蕩會(huì)導(dǎo)致部件的疲勞損壞； 流動(dòng)振蕩會(huì)干擾控制系統(tǒng)，在冷卻劑同時(shí)兼作慢化劑（例如水）的反應(yīng)堆中，這個(gè)問題尤其嚴(yán)重； 流動(dòng)振蕩會(huì)使部件的局部應(yīng)力

25、產(chǎn)生周期性變化，從而導(dǎo)致部件的熱疲勞損壞； 流動(dòng)振蕩會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)的傳熱性能變壞，使臨界熱流量大幅度下降，造成沸騰臨界過早出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)出現(xiàn)流動(dòng)振蕩時(shí)，臨界熱流量的數(shù)值會(huì)降低40之多。 3.3、熱工設(shè)計(jì)原理l熱工設(shè)計(jì)的目標(biāo)： 既安全可靠而又經(jīng)濟(jì)的堆芯輸熱系統(tǒng)l熱工設(shè)計(jì)涉及面廣： 堆物理設(shè)計(jì) 元件設(shè)計(jì)（燃料元件） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一回路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二回路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.3、熱工設(shè)計(jì)原理（1）l熱工設(shè)計(jì)的前提條件： （需要與各有關(guān)專業(yè)共同討論）A、根據(jù)所設(shè)計(jì)的堆用途和特殊要求（如尺寸、重量等的限制）選定堆型，確定所用的核燃料、慢化劑、冷卻劑和結(jié)構(gòu)材料等的種類。B、反應(yīng)堆的熱功率、堆芯功率分布不

26、均勻系數(shù)和水鈾比允許的變化范圍。C、燃料元件的形狀、它在堆芯內(nèi)的布置方式以及柵距允許變化的范圍。D、二回路對(duì)一回路冷卻劑熱工參數(shù)的要求。E、冷卻劑流過堆芯的流程以及堆芯出口處冷卻劑流量的分配情況。 3.3、熱工設(shè)計(jì)原理（2）l熱工設(shè)計(jì)的任務(wù)： 設(shè)計(jì)燃料組件 設(shè)計(jì)總傳熱面積 設(shè)計(jì)冷卻劑：溫度分布；壓力分布；流速分布。l熱工設(shè)計(jì)的過程： 方案設(shè)計(jì) 初步設(shè)計(jì) 施工設(shè)計(jì) 3.3、熱工設(shè)計(jì)原理（3）l壓水堆熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 穩(wěn)定性情況下，不發(fā)生流動(dòng)不求在計(jì)算的最大熱功率、在穩(wěn)態(tài)額定工況，要度額定）：預(yù)期瞬態(tài)（度額定功率：度應(yīng)低于熔化溫度、燃料元件芯塊最高溫額定）：預(yù)期最大功率（額定功率：許發(fā)生沸騰臨界、燃

27、料元件外表面不允c ttb DNBRDNBRa 2650118 2200 3.1%118 8.1 00 3.4、幾個(gè)重要概念3.4.1、熱管因子及熱點(diǎn)因子3.4.2、臨界熱流量與最小DNBR3.4.3、單通道模型3.4.4、子通道模型 3.4.1、熱管因子及熱點(diǎn)因子l熱管：積分功率輸出最大的冷卻劑通道l熱點(diǎn)：燃料元件表面熱流量最大的點(diǎn)l認(rèn)為：熱點(diǎn)位于熱管內(nèi)l熱管和熱點(diǎn)分析模型（單通道模型） 只要保證熱管的安全，而無需再繁瑣地計(jì)算堆內(nèi)其余元件和冷卻劑通道的熱工參數(shù)，就能保證堆芯其余燃料元件的安全了，在反應(yīng)堆發(fā)展的早期，堆熱工設(shè)計(jì)采用熱管和熱點(diǎn)分析模型。l子通道分析模型（可以確定出真正的熱管和熱點(diǎn)

28、） 近年來隨著堆的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累、計(jì)算模型的發(fā)展、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高和測(cè)量?jī)x表的改進(jìn)，提高計(jì)算可以得到真正的熱管所在的位置及其熱工參數(shù)；也可以得到燃料元件最高中心溫度和最高表面溫度的數(shù)值及其所在的位置。 3.4.1、熱管因子及熱點(diǎn)因子（1） HHF qqF FF FFqqF nNH nNq NRNH NzNRNq maxmaxmax堆芯平均管焓升堆芯名義最大焓升改寫為：堆芯平均熱流量堆芯名義最大熱流量改寫為：平均管冷卻劑焓升熱管冷卻劑焓升焓升核熱管因子：熱流量核熱點(diǎn)因子：熱管和平均管流量相等平均 3.4.1、熱管因子及熱點(diǎn)因子（2） EHNHH EqNqq nhEH n hEq FFF

29、 FFF HHF qqF 焓升熱管因子為：故，熱流量熱點(diǎn)因子和堆芯名義最大焓升堆芯熱管最大焓升堆芯名義最大熱流量堆芯熱點(diǎn)最大熱流量義值的程度）（衡量熱工參數(shù)偏離名點(diǎn)因子：工程熱管因子和工程熱maxmaxmaxmax 3.4.1、熱管因子及熱點(diǎn)因子（3）l工程熱管因子及工程熱點(diǎn)因子的計(jì)算 乘積法（偏安全的方法）（自修） 混合法（自修） 3.4.1、熱管因子及熱點(diǎn)因子（4）l降低熱管因子和熱點(diǎn)因子的途經(jīng) 核熱管因子和熱點(diǎn)因子： 沿堆芯徑向裝載不同濃縮度的核燃料 在堆芯周圍設(shè)置反射層 在堆芯徑向不同位置上插上一定數(shù)量的控制棒和可燃毒物棒 加硼水 工程熱管因子和熱點(diǎn)因子： 合理確定有關(guān)部件的加工及安裝

30、誤差 精細(xì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和堆本體水力模擬實(shí)驗(yàn)，改善腔室冷卻劑流量分配 加強(qiáng)相鄰燃料元件冷卻劑通道間的流體橫向交混 3.4.2、臨界熱流量與最小DNBRl在壓水堆的熱工設(shè)計(jì)中，不但允許堆芯冷卻劑發(fā)生過冷沸騰，而且還允許在少量冷卻劑通道中發(fā)生飽和沸騰，其目的在于在一定的系統(tǒng)壓力下，提高堆芯出口處的冷卻劑溫度，從而改善整個(gè)核電站的熱效率。但是，由于沸騰時(shí)汽泡的存在，燃料元件表面與冷卻劑間的放熱強(qiáng)度并不隨汽泡的增加而單調(diào)上升，有時(shí)可能發(fā)生燃料元件表面的沸騰臨界，此時(shí)燃料元件表面與冷卻劑間的傳熱急劇惡化，導(dǎo)致燃料元件包殼燒毀。因此對(duì)于水堆中的沸騰工況進(jìn)行研究極為重要。 3.4.2、臨界熱流量與最小DNBR

31、（1）l典型的臨界熱流量公式 W3公式（自修） W2公式（自修） B&W公式（自修）l影響臨界熱流量的因素 水的質(zhì)量流速 進(jìn)口處水的過冷度 工作壓力 冷卻劑焓 通道進(jìn)口段長(zhǎng)度 加熱表面粗糙度 3.4.2、臨界熱流量與最小DNBR（2）l水堆燃料元件表面的DNB比與最小DNB比 堆熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。不小于某一數(shù)值作為最小在水堆熱工設(shè)計(jì)中，把?；虮龋洖樽钚∽兓?，其最小值稱為值是沿冷卻劑通道長(zhǎng)度即：來表示。常用實(shí)際熱流量的比值，通與該點(diǎn)的一點(diǎn)的臨界熱流量通道中燃料元件表面某劑關(guān)系式計(jì)算得到的冷卻比，就是指用合適的DNBRMDNBRDNBRDNBzDNBR zq zqzDNBR DNBR qqDN

32、B DNB DNBDNBmin 3.4.3、單通道模型l模型：把所要計(jì)算的熱管看作是孤立的、封閉的，它在整個(gè)堆芯高度上與相鄰?fù)ǖ乐g沒有冷卻劑的動(dòng)量、質(zhì)量和熱量的交換。l計(jì)算步驟 根據(jù)任務(wù)書提出的電站總功率要求，堆熱工設(shè)計(jì)方面應(yīng)與一、二回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面初步商定有關(guān)的熱工參數(shù)。 確定燃料元件的形狀、尺寸、柵距、排列方式及每個(gè)燃料組件內(nèi)的燃料元件數(shù)；計(jì)算燃料元件總傳熱面積，并確定堆芯的布置。 根據(jù)熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。 3.4.3、單通道模型（1）l設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的規(guī)定內(nèi)容： 計(jì)算平均管冷卻劑的質(zhì)量流速 計(jì)算平均管冷卻劑的焓場(chǎng) 計(jì)算平均管的各類壓降 計(jì)算熱管的有效驅(qū)動(dòng)壓頭 計(jì)算熱管冷

33、卻劑的焓場(chǎng) 計(jì)算最小DNBR 計(jì)算燃料元件的溫度 堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià) 3.4.3、單通道模型（2）l反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)中需要通過科研實(shí)驗(yàn)解決的問題： 熱工實(shí)驗(yàn)： 臨界熱流量實(shí)驗(yàn)，獲得經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)公式 測(cè)定核燃料和包殼的熱物性及燃料與包殼間的氣隙等效傳熱系數(shù) 水力實(shí)驗(yàn)： 堆本體水力模擬實(shí)驗(yàn) 燃料組件水力模擬實(shí)驗(yàn) 測(cè)定相鄰冷卻劑通道間的流體交混系數(shù) 測(cè)定堆內(nèi)各部件冷卻劑的旁通流量 測(cè)定冷卻劑過冷沸騰和飽和沸騰時(shí)的流動(dòng)阻力系數(shù) 測(cè)定冷卻劑沸騰工況下的流型和空泡份額 管內(nèi)流動(dòng)沸騰時(shí)的流動(dòng)穩(wěn)定性研究 3.4.4、子通道模型l模型：認(rèn)為相鄰?fù)ǖ朗窍嗷リP(guān)聯(lián)的，沿著整個(gè)堆芯高度，相鄰?fù)ǖ赖睦鋮s劑間發(fā)生著質(zhì)量、動(dòng)量和熱量交換。l內(nèi)容： （自修） 4、瞬態(tài)熱工分析l瞬態(tài)過程中反應(yīng)堆功率計(jì)算 停堆后的功率 剩余裂變功率的衰減 衰變功率的衰減l瞬態(tài)工況的燃料元件溫度場(chǎng)計(jì)算l反應(yīng)堆的安全問題l反應(yīng)堆失流事故 冷卻劑流量隨時(shí)間的變化 堆芯熱工水力特性分析 4、瞬態(tài)熱工分析（1）l壓水堆的冷卻劑喪失事故 冷卻劑喪失事故的安全措施 事故發(fā)生后的工況 冷卻劑狀態(tài)的控制容積解法 燃料元件的再淹沒過程 燃料元件包殼與冷卻劑之間的傳熱 安全殼內(nèi)氣體壓力的計(jì)算 結(jié) 束