《核反应堆热工分析》复习资料大全.pdf

第一章 绪论（简答）1.核反应堆分类：按中子能谱分 快中子堆、热中子堆 按冷却剂分 轻水堆(压水堆,沸水堆)、重水堆、气冷堆、钠冷堆 按用途分研究试验堆:研究中子特性、生产堆:生产易裂变材料、动力堆:发电舰船推进动力 2.各种反应堆的基本特征:3.压水堆优缺点：4.沸水堆与压水堆相比有两个优点：第一是省掉了一个回路，因而不再需要昂贵的蒸汽发生器。第二是工作压力可以降低。为了获得与压水堆同样的蒸汽温度，沸水堆只需加压到约72 个大气压，比压水堆低了一倍。5.沸水堆的优缺点：6.重水堆优缺点：优点：中子利用率高（主要由于 D 吸收中子截面远低于 H）废料中含 235U 极低，废料易处理 可将 238U 转换成易裂变材料 238U+n 239Pu 239Pu+n A+B+n+Q(占能量一半)缺点：重水初装量大，价格昂贵 燃耗线（800010000 兆瓦日T（铀）为压水堆 1/3）为减少一回路泄漏（因补 D2O 昂贵）对一回路设备要求高 7.高温气冷堆的优缺点：优点：高温，高效率（750850，热效率 40）高转换比，高热耗值（由于堆芯中没有金属结构材料只有核燃料和石墨，而石墨吸收中子截面小。转换比 0.85，燃耗 10 万兆瓦日/T（铀）安全性高 （反应堆负温度系数大，堆芯热容量大，温度上升缓慢，采取安全措施裕量大）环境污染小（采用氦气作冷却剂，一回路放射性剂量较低，由于热孝率高排出废热少）有综合利用的广阔前景（如果进一步提高氦气温度 900时可直接推动气轮机；1000时可直接推动气轮机热热效率大于 50；10001200时可直接用于炼铁、化工及煤的气化）高温氦气技术可为将来发展气冷堆和聚变堆创造条件 8.钠冷快堆的优缺点：优点：充分利用铀资源 239Pu+n A+B2.6 个 n 238U+1.6 个 n 1.6 个 239Pu（消耗一个中子使 1.6 个 238U 转换成 239Pu）堆芯无慢化材料、结构材料，冷却剂用量少 液态金属钠沸点为 895堆出口温度可高于 560 缺点：快中子裂变截面小，需用高浓铀（达33）对冷却剂要求苛刻，既要传热好又不能慢化中子，Na 是首选材料，Na 是活泼金属，遇水会发生剧烈化学反应，因此需要加隔水回路 9.各种堆型的特点、典型运行参数 第二章 堆芯材料选择和热物性（简答）1.固体核燃料的 5 点性能要求：教材 14 页 2.常见的核燃料：金属铀和铀合金、陶瓷燃料、弥散体燃料 3.选择包壳材料，必须综合考虑的 7 个因素：包壳材料选择 中子吸收截面要小 热导率要大 材料相容性要好 抗腐蚀性能 材料加工性能 材料机械性能 材料抗辐照性能 只有很少材料适合制作燃料包壳，铝、镁、锆、不锈钢、镍基合金、石墨。目前在压水堆中广泛应用是锆合金包壳。4.常见的包壳材料：锆合金、不锈钢和镍基合金 5.选择冷却剂要考虑的 7 个要求：冷却剂应有良好的导热性能和小的中子吸收截面，它与结构材料应有良好的相容性。冷却剂的化学稳定性要好，能在较高的温度下工作，以获得较高的热效率，价格应该便宜，使用安全。有时冷却剂和慢化剂用同一种物质。冷却剂将堆芯热量带出堆外以供利用，本身被冷却返回堆内重新循环 6.常见的冷却剂：水和重水、钠、氦气 7.选择慢化剂要考虑的要求及常见的慢化剂：教材 24-25 页 第三章 反应堆稳态工况下的传热计算（简答+计算）1.计算:传热计算（热传导的计算：傅里叶定律）注：掌握无内热源情况 傅立叶定律：dT q=k dx k 为导热系数，W/m。它反映了该种物质导热能力的强弱。k 金属 k 液 k 气 例题 1 一块厚度50 mm 的平板，两侧表面分别维持在 tw1=300，tw2=100 ，试求下列条件下通过单位截面积的导热量：（1）材料为铜，导热系数 k374 W(m.K)；(2)材料为钢，导热系数 k 36.3W(mK)。解答：根据傅立叶定律 2101212wwttwwwwdtqkqdxkdtdxqk ttttqk 62300 1001.496 10/0.05374/KqW mmW m K（1）材料为铜，k374 W(m.K)代入得：（2）材料为钢，k36.3 W(m.K)代入得：牛顿冷却公式：q=(twtf)（为对流换热系数，W/m2）例题 2：在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热试验中，得到下列数据：管壁平均温度 tw69，空气温度 tf20，管子外径 d=14mm，加热段长 80mm，输入加热段的功率为 8.5W。如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热 系数为多大?解答：根据牛顿冷却公式：例题 3 对一台氟里昂冷凝器的传热过程作初步测算得到以下数据：管内水的对流换热表面传热系数1=8700 W(m2K)，管外氟里昂蒸气凝结换热表面传热系数2=1800 W(m2K)，换热管子壁厚=1.5mm，管子材料为导热系数 k383W(mK)的钢。试计算：三个环节的热阻及冷凝器的总传热系数；欲增强传热应从哪个环节入手?分析时可把圆管当成平壁处理。解答：水侧换热热阻 管壁导热热阻 蒸气凝结热阻 冷凝器的总传热系数：2.教材 58 页：当量直径的计算 3.影响堆芯功率分布的因素有哪些及分别怎样影响的？（教材 31 页）答：燃料布置、控制棒、水隙及空泡对功率分布的影响 4.什么是热管因子？(教材 35 页)5.教材 42 页 ql、q、qv 的物理意义 6.导热、放热、输热分别指什么？各遵循什么定律？（教材 42-49 页）7.积分热导率的概念 （教材 58 页）第四章 反应堆稳态工况下的水力计算 52300 1001.456 10/0.0536.3/KqW mmW m K228.53.14 0.014 0.08 692049.3/wfwfQF ttQWmKF ttW mK4221111.15 10/8700/mK WW mK3621.5 103.92 10/383/mmK WW m K4222115.56 10/1800/mK WW mK246412111480/111.15 103.92 105.56 10hW mKk1.稳态工况下水力计算的 3 个任务（教材 83 页）2.稳态水力计算基本方程：质量守恒方程式连续性方程、动量守恒方程（教材 84 页）-质量守恒方程式连续性方程 也就是 VA常数=W，我们把 W 称为质量流量，单位 kg/s。在流动计算中，通常在某一段流道中，流通截面是不变的（例如在直径不变的一段圆管内流动），则 V=常数 我们称，为质量流速，单位为 kg/m2s，所以在等截面的流道中，得 G=常数 动量守恒方程式 根据作用于微元体上的力应该等于其动量变化的原理，可得 展开上式，并略去微分相乘量，可得 -如果流通截面不变，则上式可写为：上式就是单相流体一维流动的动量守恒方程式，式中 Uh 为微元体的周界长度，为壁面剪切应力。能量守恒方程式 同样对上式微元体考虑能量平衡，可得 令内能的变化 dU 可以写成 dU=dq+dF-pdv，式中，dF 为不可逆的摩擦损失。当微元体对外不作功，即 dW=0，则能量平衡式可写为：或 上式即单相流体一维流动的能量守恒方程式，即单相流体流动中，动量守恒方程式和能量守恒方程式是相同的，同时可得，必须-动量守恒方程和能量守恒方程还可表示成：,称为摩擦压降梯度；，称为提升（或重位）压降梯度；，称为加速压降梯度。所以，流体在流道中流动，且流道内无局部阻力件时，总的流动压降由摩擦压降、提升压降和加速压降组成。3.两相流：两个物相在同一个系统内一起流动称为两相流。4.含汽量和空泡份额 （掌握教材 105 页 4-51、4-52 式）5.一回路内的流动压降（教材 118 页 分段计算）dVA()0()()()sin()()()()()()PAPdPAdAUhdZAdZgVAVdVv压力壁面上的力重力的分力动量改变的力dAPUdZAgdZVAdVh()sindPdZUAgGdVdZhsind pvdUdVd ZgdqdW()()(sin)()()()()()()122压力能内能动能位能加入热量对外作功vdPVdVgdZdFsin0dPdZdFdZgVdVdZsindFdZgGdVdZsinUAdFdZhdPdZdPdZdPdZdPdZfeladPdZUAdFdZfhdPdZgelsindPdZGdVdZa6.堆芯冷却剂流量分配不均匀的 4 个原因 （教材 118 页）7.自然循环的基本概念：若回路中流体的循环流动是依靠回路中流体本身的密度差所产生的驱动压头作为推动力，这样的流动称为自然循环流动。（研究教材 121 页图 4-20，图 4-21）8Reactor Th erm alH yd rau lic s三、自然循环流量显然，在自然循环情况下，pp=pt=0，于是有：若用pd 表示驱动压头，用pup 和 pdo分别表示上升段内和下降段内的压降损失之和，则通常把克服了上升段压力损失之后的剩余驱动压头称为有效压头pe，这样就有pe=pd-pup这样就得自然循环基本方程式 pe=pdo,el ific iiiippp,del iipp dupdoppp 9Reactor Th erm alH ydraulics假定释热功率不变，则流量增大，导致出口温度下降，出口冷却剂的密度上升，驱动压头下降，而阻力压降随着流量上升而增大。确定自然循环流量的方法是：驱动压头等于阻力压头8.课后习题：4-1:某一传热试验装置，包括一根由 1.2m 长内径是 13mm 的垂直圆管组成的试验段。水从试验段顶部流出，经过一个 90 度弯头后进入 1.5m 长的套管式热交换器，假设热交换器安装在水平管道的中间部分，水在管内流动，冷却水在管外逆向流动。热交换器的内管以及把试验段、热交换器、泵连接起来的管道均为内径为 25mm 的不锈钢管。回路高 3m，总长 18m，共有四个弯头。在试验段的进出口都假设有突然的面积变化。回路的运行压力是 160 巴，当260的水以 5m/s 的速度等温流过试验段时，求回路的摩擦压降。若试验段均匀加热，使试验段的出口温度变为 300，回路的压降又是多少？假定这时热交换器内管的平均温度比管内水的平均温度低 40。4-2:某沸水反应堆冷却剂通道，高 1.8m，运行压力为 48 巴，进入通道的水的过冷度为 13，离开通道时的含汽量为 0.06，如果通道的加热方式是：1）均匀的和 2）正弦的（坐标原点取在通道的进口处），试计算它的不饱和沸腾段高度和饱和沸腾段高度（忽略过冷沸腾段和外推长度）。4-3:设有一个以正弦方式加热的沸腾通道（坐标原点取在通道的进口处），长 3.6m 运行压力 83 巴，不饱和沸腾段高度为 1.2m，进口水的过冷度为 15，试求该通道的出口含汽量和空泡份额（忽略过冷沸腾段）。4-4:试计算由直径为 20mm 突然扩大至 50mm 的水平管中汽水两相流的静压力变化和压力损失。假设系统的运行压力是 10 巴，含汽量是 0.04，质量流速是 0.8kg/s。4-5:试导出汽水两相流的空泡份额、真实含汽量 x 和滑速比 S 间的关系式。4-6:某一模拟试验回路的垂直加热通道，在某高度处发生饱和沸腾，已知加热通道的内径d=2cm，冷却水的质量流量为 1.2 吨/时，系统的运行压力是 100 巴，加热通道进口水焓为1214kJ/kg，沿通道轴向均匀加热，热流量 ，通道长 2m。试用平衡态模型计算加热通道内流体的饱和沸腾起始点的高度和通道出口处的含汽量。4-7:已知压水堆某通道出口、入口水温为 320和 280，压力为 15.5MPa，元件外径为10.72mm，活性段高度 3.89mm，栅距 14.3mm，包壳平均壁温 320，当入口质量流速为 时，求沿程摩擦压降，加速压降，并加以比较。9.临界流模型及临界流的特点：22Reactor ThermalH ydraulics如果上游压力P0保持不变，并假定流体的温度和比容都是定值。当外部背压 Pb下降到低于容器流体压力时(曲线 1），流体便从通道内流出，并在通道内自 p0至通道出口压力Pex 之间建立一个压力梯度，这时Pex 等于Pb。当 Pb进一步降低时，Pex 也随之下降，并等于变化后的Pb，出口流速进一步增大（曲线2）；这个关系一直保持到某一个值，在该Pb值下通道出口处流速等于该处温度和压力下的声速时为止（曲线3）；此后，Pb进一步降低，出口截面处流速不会再增大，Pex 不会再降低（曲线4，5），这时的流动叫临界流动。临界流模型 10.对于单相流，确定发生临界流的两个等价条件是：1）流速等于截面压力和温度下的声速，2）截面上游流动不受下游压力的影响。11.流动不稳定性的概念及原因：在被加热液体发生相变的两相流动中，不均匀的体积变化可能导致流动不稳定性。流动不稳定这个名称的含义是指在一个热力流体动力学耦合的两相系统中，流体受到某一微小扰动后会引起质量流量、压降和空泡份额以某一频率的常振幅或变振幅的振荡。这种现象与机械系统中的振动很相似。12.流动不稳定性的主要类型：1）、水动力不稳定性;2)、并联通道的管间脉动;3)、流型不稳定性;4)、动力学不稳定性;5)、热振荡 第五章 反应堆稳态热工设计原理 1.反应堆热工设计准则 （教材 140 页 3 点针对压水堆）2.当不考虑在堆芯进口处冷却剂流量分配的不均匀，以及不考虑燃料元件的尺寸、性能等在加工、安装、运行中的工程因素造成的偏差，单纯从核方面考虑，堆芯内存在着某一积分功率输出最大的燃料元件冷却剂通道，即热管。同时堆芯内还存在着某一燃料元件表面热流量最大的点，即热点。热管：积分功率输出最大的冷却剂通道；热点：燃料元件表面热流量最大的点；认为：热点位于热管内；平均管是一个具有设计的名义尺寸、平均的冷却剂流量和平均释热率的假想通道，反映整个堆芯的平均特性。（教材 141 页）3.为了衡量各有关的热工参数的最大值偏离平均值的程度，引进了一个修正因子，这个修正因子就称为热管因子或热点因子。它们是用各有关的热工（或物理）参数的最大值与平均值的比值来表示的。4.烧毁比和最少烧毁比的概念（教材 167 页 5-36、5-45、5-54）5.降低热管因子和热点因子的途径：核热管因子和热点因子：沿堆芯径向装载不同浓缩度的核燃料 在堆芯周围设置反射层 固体可燃毒物的适当布置以及控制棒分组及棒位的合理确定。加硼水 程热管因子和热点因子：合理控制有关部件的加工及安装误差 精细进行结构设计和堆本体水力模拟实验 改善下腔室冷却剂流量分配 加强相邻燃料元件冷却剂通道间的流体横向交混 6.大容积沸腾曲线 （教材 159 页）7.影响临界热流量的 6 个因素：（教材 166 页）8.单一通道模型的概念：（教材 168 页）9 堆热工设计目的（188）？核电站设计由哪几个部分组成？提高核电站经济效益有哪几个途径（189）？10.掌握教材 194 页图 5-18 11.失流事故概念