核反應(yīng)堆工程概論第7章

1、核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院1第七章：核反應(yīng)堆熱工第七章：核反應(yīng)堆熱工核反應(yīng)堆工程概論核反應(yīng)堆工程概論2第七章：核反應(yīng)堆熱工第七章：核反應(yīng)堆熱工一、緒論一、緒論二、反應(yīng)堆的熱源和穩(wěn)態(tài)傳熱分析二、反應(yīng)堆的熱源和穩(wěn)態(tài)傳熱分析三、反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)水力分析三、反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)水力分析四、反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)原理四、反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)原理五、反應(yīng)堆瞬態(tài)熱工分析簡(jiǎn)介五、反應(yīng)堆瞬態(tài)熱工分析簡(jiǎn)介3一、緒論一、緒論1、反應(yīng)堆熱工分析的任務(wù)、反應(yīng)堆熱工分析的任務(wù)2、熱力學(xué)的基本知識(shí)、熱力學(xué)的基本知識(shí)3、反應(yīng)堆熱工分析的內(nèi)容、反應(yīng)堆熱工分析的內(nèi)容4、堆芯材料和熱物性、堆芯材料和熱物性41、反應(yīng)堆熱工分析的任務(wù)、反應(yīng)堆熱工分析的任務(wù) 反應(yīng)堆

2、熱工分析是反應(yīng)堆熱工分析是研究研究在反應(yīng)堆及其回在反應(yīng)堆及其回路系統(tǒng)中路系統(tǒng)中冷卻劑冷卻劑的的流動(dòng)特性、熱量傳輸特流動(dòng)特性、熱量傳輸特性、燃料元件的傳熱特性性、燃料元件的傳熱特性的一門工程性很的一門工程性很強(qiáng)的學(xué)科。其研究?jī)?nèi)容強(qiáng)的學(xué)科。其研究?jī)?nèi)容涉及涉及反應(yīng)堆的反應(yīng)堆的各種各種工況工況，以滿足動(dòng)力堆安全、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。，以滿足動(dòng)力堆安全、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。 反應(yīng)堆的反應(yīng)堆的堆型不同堆型不同，它們的結(jié)構(gòu)形式、，它們的結(jié)構(gòu)形式、冷卻劑特性、運(yùn)行參數(shù)和安全要求等方面冷卻劑特性、運(yùn)行參數(shù)和安全要求等方面也有也有很大差異很大差異。壓水堆壓水堆作為主要討論對(duì)象。作為主要討論對(duì)象。52、熱力學(xué)的基本知識(shí)、熱力學(xué)的基

3、本知識(shí)2.1 熱力學(xué)熱力學(xué)2.2 工質(zhì)及其狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)及其狀態(tài)參數(shù)2.3 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)2.4 工質(zhì)的物性工質(zhì)的物性2.5 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律2.6 工質(zhì)的熱力過(guò)程工質(zhì)的熱力過(guò)程2.7 熱力循環(huán)熱力循環(huán)2.8 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律62.1 熱力學(xué)熱力學(xué)熱力學(xué)：熱力學(xué)：研究伴有熱效應(yīng)的自然界中一切物研究伴有熱效應(yīng)的自然界中一切物理及化學(xué)工程的能量關(guān)系和理及化學(xué)工程的能量關(guān)系和能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換的科的科學(xué)。學(xué)。幾個(gè)概念：幾個(gè)概念： 熱力系或熱力系統(tǒng)熱力系或熱力系統(tǒng) 環(huán)境或外界環(huán)境或外界 界面或邊界界面或邊界 熱源和冷源熱源和冷源72.2 工質(zhì)及其狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)及其狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)：工質(zhì)

4、：工作介質(zhì)工作介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：1）壓力壓力：P總壓力，總壓力，p2）比容比容：V總體積，總體積，v3）溫度溫度：T開氏溫標(biāo)，開氏溫標(biāo)，t攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)4）內(nèi)能內(nèi)能：U總內(nèi)能，總內(nèi)能，u比內(nèi)能比內(nèi)能5）焓焓：H總焓，總焓，h比焓比焓6）熵熵：S總熵，總熵，s比熵比熵81）壓力）壓力定義：定義：表壓力和絕對(duì)壓力：表壓力和絕對(duì)壓力：?jiǎn)挝唬簡(jiǎn)挝唬号了箍?，帕帕斯卡，帕Pa 1Pa=1N/m21atm=760mmHg=1.03323at=1.01325bar=0.101325MPa1at=735.559mmHg=0.967841atm=0.980665bar=0.0980665MPaPpF92）

5、比容）比容比重比重：?jiǎn)挝蝗莘e（體積）的：?jiǎn)挝蝗莘e（體積）的重量重量密度密度：?jiǎn)挝蝗莘e（體積）的：?jiǎn)挝蝗莘e（體積）的質(zhì)量質(zhì)量 ，單位：，單位：kg/m3比容比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)的容積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)的容積 v v=1/ 單位單位：m3/kg103）溫度）溫度溫度溫度：溫標(biāo)溫標(biāo)：攝氏，：攝氏，；開氏，；開氏，K；華氏，華氏， F換算換算： T（K）t+273.15（） t（）5/9（t（F）32）114）內(nèi)能）內(nèi)能內(nèi)能內(nèi)能：熱力系內(nèi)部：熱力系內(nèi)部自身所具有自身所具有的能量。的能量。 包括：分子運(yùn)動(dòng)的包括：分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能動(dòng)能和分子之間的引力和分子之間的引力 和斥力所形成的和斥力所形成的位能位能。 動(dòng)能：

6、移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。動(dòng)能：移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。 內(nèi)能是其他狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。內(nèi)能是其他狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。單位單位：J，J/kg125）焓）焓定義定義：復(fù)合狀態(tài)參數(shù)。：復(fù)合狀態(tài)參數(shù)。 數(shù)學(xué)描述：數(shù)學(xué)描述： h=u+pv H=mh單位單位：J，J/kg136）熵）熵定義：導(dǎo)出定義：導(dǎo)出參數(shù)，不能直接測(cè)量，由基本狀參數(shù)，不能直接測(cè)量，由基本狀態(tài)參數(shù)推導(dǎo)出來(lái)。態(tài)參數(shù)推導(dǎo)出來(lái)。 數(shù)學(xué)描述：數(shù)學(xué)描述： dS=dQ/T ds=dq/T單位單位：J/kg.K142.3 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)定義定義：均勻一致：均勻一致 狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：p、v、T、u、h、s工質(zhì)的狀態(tài)工質(zhì)的狀態(tài)：固、液、汽：固、液、汽狀態(tài)方程狀態(tài)方程：

7、（工質(zhì)物性的描述）：（工質(zhì)物性的描述）152.4 工質(zhì)的物性工質(zhì)的物性162.4 工質(zhì)的物性工質(zhì)的物性飽和水和干飽和蒸汽飽和水和干飽和蒸汽濕蒸汽濕蒸汽：汽化潛熱：汽化潛熱：(1)(1)(1)(1)vvvvvxv xhhxh xuuxu xssxs x定義：液體的質(zhì)量干飽和蒸汽的質(zhì)量濕蒸汽的總質(zhì)量干度：濕蒸汽中干飽和汽所占的百分?jǐn)?shù) 即1kg的濕蒸汽，含x(kg)干飽和汽和（1-x)(kg)的液體，x為干度。172.4 工質(zhì)的物性工質(zhì)的物性比熱比熱： dq=cdT 對(duì)于對(duì)于氣體氣體有定壓比熱有定壓比熱Cp和定容比熱和定容比熱Cv在在可逆可逆過(guò)程中：過(guò)程中： 定壓定壓：dq= CpdT 定容定容：d

8、q= CvdT182.4 工質(zhì)的物性工質(zhì)的物性192.4 工質(zhì)的物性工質(zhì)的物性202.5 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述：2211221121212syssysshshdQ dEedmedmdWQEWedmedmqu wdq du dwqhcg Z WWh hh 一般表達(dá)式：微分形式：積分形式：封閉系統(tǒng)： 或 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)： 應(yīng)用于透平（蒸汽輪機(jī)）：212.6 工質(zhì)的熱力過(guò)程工質(zhì)的熱力過(guò)程定容過(guò)程：定容過(guò)程：定壓過(guò)程：定壓過(guò)程：絕熱過(guò)程：絕熱過(guò)程：定熵過(guò)程：定熵過(guò)程： （一般以理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)加深（一般以理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)加深概念）概念）222.7 熱力循環(huán)熱力循環(huán)朗肯循環(huán)

9、：朗肯循環(huán)：232.7 熱力循環(huán)熱力循環(huán)提高循環(huán)熱效率：提高循環(huán)熱效率：242.7 熱力循環(huán)熱力循環(huán)再熱循環(huán)：再熱循環(huán)：252.7 熱力循環(huán)熱力循環(huán)回?zé)嵫h(huán)：回?zé)嵫h(huán)：262.8 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律克勞休氏敘述：克勞休氏敘述： 熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體。體傳到高溫物體。開爾文敘述：開爾文敘述： 不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)。273、反應(yīng)堆熱工分析的內(nèi)容、反應(yīng)堆熱工分析的內(nèi)容1）堆芯材料和熱物性）堆芯材料

10、和熱物性 （第一節(jié)第五小節(jié)第一節(jié)第五小節(jié)）2）反應(yīng)堆的熱源）反應(yīng)堆的熱源 （第二節(jié)第二節(jié)）3）穩(wěn)態(tài)熱工分析）穩(wěn)態(tài)熱工分析 （第二節(jié)第二節(jié)傳熱分析，傳熱分析，第三節(jié)第三節(jié)水力分析）水力分析）4）瞬態(tài)熱工分析）瞬態(tài)熱工分析 （第五節(jié)第五節(jié)）284、堆芯材料和熱物性、堆芯材料和熱物性堆芯結(jié)構(gòu)材料包括堆芯結(jié)構(gòu)材料包括：1）燃料元件用材料：）燃料元件用材料：燃料芯塊燃料芯塊材料、材料、燃料包殼燃料包殼材材料、燃料組件和部件材料、導(dǎo)向管材料；料、燃料組件和部件材料、導(dǎo)向管材料；2）冷卻劑冷卻劑3）慢化劑慢化劑4）反射層材料；）反射層材料；5）控制材料：熱中子吸收材料及控制棒材料、控）控制材料：熱中子吸收材

11、料及控制棒材料、控制棒包殼材料、控制棒構(gòu)件、液體控制材料；制棒包殼材料、控制棒構(gòu)件、液體控制材料；6）屏蔽材料；）屏蔽材料；7）反應(yīng)堆容器材料。）反應(yīng)堆容器材料。291）核燃料）核燃料n核燃料： 裂變?nèi)剂希衡?35（自然界存在的唯一一種核燃料） 鈾233 钚239 轉(zhuǎn)換燃料：釷232 鈾238n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301）核燃料）核燃料n對(duì)對(duì)固體核燃料固體核燃料的要求：的要求： 具有良好的輻照穩(wěn)定性，保證燃料元件在經(jīng)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)許的

12、范圍之內(nèi) 具有良好的熱物性（熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率大，熱具有良好的熱物性（熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率大，熱膨脹系數(shù)小），使反應(yīng)堆能達(dá)到高的功率密度膨脹系數(shù)小），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，便于后處理工藝性能好，制造成本低，便于后處理311）核燃料）核燃料n固體核燃料固體核燃料： 金屬鈾與鈾合金金屬鈾與鈾合金 特點(diǎn)：密度高、熱導(dǎo)率大、工藝性能好；輻照穩(wěn)定特點(diǎn)：密度高、熱導(dǎo)率大、工藝性能好；輻照穩(wěn)定性差，有性差，有“腫脹腫脹”現(xiàn)象；現(xiàn)象；不能在現(xiàn)在動(dòng)力堆中使用不能在現(xiàn)在動(dòng)

13、力堆中使用。 陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物 氧化物氧化物的使用研究最多，輕水、重水、改進(jìn)型氣冷、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氧化物或碳化物作成的包覆顆粒在石墨基體中的彌散體。作成的包覆顆粒在石墨基體中的彌散體。321）核燃料）核燃料n固體核燃料固體核燃料： 陶瓷燃料陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物：氧化物、碳化物、氮化物 氧化鈾氧化鈾：特點(diǎn)（：特點(diǎn)（5點(diǎn)內(nèi)容）點(diǎn)內(nèi)容） 熱物性熱物性（熔點(diǎn)、密度、熱導(dǎo)率、比熱）（熔點(diǎn)、密度、熱導(dǎo)率、比熱）

14、钚、鈾混合物钚、鈾混合物：UO2+PuO2 UC+PuC UN+PuN 彌散體燃料彌散體燃料 陶瓷型燃料顆粒均勻分布在非裂變材料的基體中。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：基體材料：鋁、不銹鋼、鋯合金、石墨鋁、不銹鋼、鋯合金、石墨等等 缺點(diǎn)：基體材料所占百分比大，必須使用濃縮鈾缺點(diǎn)：基體材料所占百分比大，必須使用濃縮鈾（加濃鈾）（加濃鈾）331）核燃料）核燃料燃料形式形態(tài)材料適應(yīng)堆芯固體燃料金屬U石墨慢化堆合金U-Al快堆U-Mo快堆U-ZrH脈沖堆陶瓷U3Si重水堆(U,Pu)O2快堆(U,Pu)C快堆(U,Pu)N快堆UO2輕水堆、重水堆彌散體燃料金屬金屬UAl4-A

15、l重水堆陶瓷金屬UO2-Al重水堆陶瓷陶瓷(U,Th)O2-(熱解石墨,SiC)- 石墨高溫氣冷堆金屬陶瓷(U,Th)C2-(熱解石墨,SiC)- 石墨,UO2-W高溫氣冷堆液體燃料水溶液(UO2)SO4-H2O沸水堆懸濁液U3O8-H2O水均勻堆金屬溶液U-Bi溶鹽UF4-LiF-BeF2-ZrF4溶鹽堆341）核燃料）核燃料UO2的密度的密度： UO2的理論密度是的理論密度是10.9510.97 g/cm3，所謂理論密度是根據(jù)所謂理論密度是根據(jù)晶格常數(shù)晶格常數(shù)計(jì)算得到的，計(jì)算得到的，實(shí)際制造出來(lái)的實(shí)際制造出來(lái)的UO2芯塊是由粉末狀的芯塊是由粉末狀的UO2燒結(jié)出來(lái)的，由于制造工藝造成存在燒結(jié)

16、出來(lái)的，由于制造工藝造成存在空隙，達(dá)不到理論密度，計(jì)算中一般取空隙，達(dá)不到理論密度，計(jì)算中一般取95%理論密度理論密度下的值。下的值。351）核燃料）核燃料UO2的熔點(diǎn)的熔點(diǎn)： UO2的熔點(diǎn)隨的熔點(diǎn)隨O/U比和微量雜質(zhì)而變化，由于比和微量雜質(zhì)而變化，由于UO2在在高溫下會(huì)析出氧，使得高溫下會(huì)析出氧，使得O/U比在加熱過(guò)程中要發(fā)生變化，比在加熱過(guò)程中要發(fā)生變化，因此因此UO2的真正的真正熔點(diǎn)難以測(cè)定熔點(diǎn)難以測(cè)定。正是由于這個(gè)緣故，不。正是由于這個(gè)緣故，不同的研究人員測(cè)得的同的研究人員測(cè)得的熔點(diǎn)各不相同熔點(diǎn)各不相同，但大體都在，但大體都在2800 oC左右左右，以下是一些研究人員測(cè)得的數(shù)據(jù)：，以下

17、是一些研究人員測(cè)得的數(shù)據(jù)： 284020 oC ；286030 oC ；2800100 oC ；276030 oC ；286045 oC ；286515 oC ；280015 oC等等等等 輻照后，隨著固相裂變產(chǎn)物的積累和輻照后，隨著固相裂變產(chǎn)物的積累和O/U比的變化，比的變化，燃料的熔點(diǎn)會(huì)有所下降，燃耗每增加燃料的熔點(diǎn)會(huì)有所下降，燃耗每增加104兆瓦日兆瓦日/噸鈾，噸鈾，熔點(diǎn)下降熔點(diǎn)下降32 oC 。例如，。例如，燃耗達(dá)燃耗達(dá)50000兆瓦日兆瓦日/噸鈾噸鈾的燃料，的燃料，熔點(diǎn)為熔點(diǎn)為2645 oC 。361）核燃料）核燃料UO2的熱導(dǎo)率：的熱導(dǎo)率： 371）核燃料）核燃料UO2的比熱：的比

18、熱：381）核燃料）核燃料UO2的比熱：的比熱：391）核燃料）核燃料UO2的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)： 在分析核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)的行為時(shí)，在分析核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)的行為時(shí)，熱膨脹系數(shù)也是一個(gè)重要的性質(zhì)。雖然試熱膨脹系數(shù)也是一個(gè)重要的性質(zhì)。雖然試驗(yàn)結(jié)果不很一致，但在驗(yàn)結(jié)果不很一致，但在1000oC以下的熱膨以下的熱膨脹系數(shù)大約為脹系數(shù)大約為110-5/oC。大于。大于1000oC時(shí)時(shí)可以取可以取1310-6/oC由于由于UO2在在2450oC以上以上會(huì)顯著地會(huì)顯著地蒸發(fā)蒸發(fā)，因此高溫下的熱膨脹系數(shù)，因此高溫下的熱膨脹系數(shù)只是定性的。只是定性的。402）包殼材料）包殼材料n對(duì)包殼材料的要求：對(duì)包殼材料

19、的要求： 具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感生放射性要弱。生放射性要弱。 具有良好的導(dǎo)熱性能。具有良好的導(dǎo)熱性能。 與核燃料的相容性要好，也就是說(shuō)在燃料元件的工與核燃料的相容性要好，也就是說(shuō)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)。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)

20、械完整性。的機(jī)械完整性。 應(yīng)有良好的抗腐蝕能力。應(yīng)有良好的抗腐蝕能力。 具有良好的輻照穩(wěn)定性。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。容易加工成形，成本低廉，便于后處理。412）包殼材料）包殼材料n包殼材料包殼材料： 鋯合金鋯合金：特點(diǎn)、物性：特點(diǎn)、物性 不銹鋼和鎳基合金不銹鋼和鎳基合金 水堆水堆中應(yīng)用最普遍的是中應(yīng)用最普遍的是鋯鋯2和鋯和鋯4合金合金 快堆快堆中主要考慮高溫性能和抗輻照損傷性能，目前多采中主要考慮高溫性能和抗輻照損傷性能，目前多采用用奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼，有時(shí)也使用，有時(shí)也使用鎳基合金鎳基合金。 422）包殼材料）包殼材料Zr-4合金的熱導(dǎo)率：合金的熱

21、導(dǎo)率：432）包殼材料）包殼材料Zr-4合金的比熱：合金的比熱：443）冷卻劑）冷卻劑n對(duì)冷卻劑的要求：對(duì)冷卻劑的要求： 中子吸收截面小，感生放射性弱。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、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。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。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。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。良好的輻照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。 慢化能力與反

22、應(yīng)堆類型相匹配。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)格昂貴的成本低，使用方便，盡可能避免使用價(jià)格昂貴的材料。材料。453）冷卻劑）冷卻劑n常用冷卻劑：常用冷卻劑： 水和重水水和重水：水作為冷卻劑和慢化劑主要應(yīng)用于：水作為冷卻劑和慢化劑主要應(yīng)用于輕水輕水堆。堆。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：沸點(diǎn)低、存在沸騰臨界沸點(diǎn)低、存在沸騰臨界、在高溫下有腐蝕作用。、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裝載量或降低核或降低核燃料的燃料的濃縮度濃縮度。缺點(diǎn)是。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴價(jià)格昂貴。 鈉鈉：鈉作為冷卻劑主要應(yīng)

23、用于：鈉作為冷卻劑主要應(yīng)用于快中子堆快中子堆。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：鈉水劇烈反應(yīng)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)、溫度梯度質(zhì)量遷移、金屬的擴(kuò)散結(jié)合、存在由反應(yīng)性性正空泡效應(yīng)正空泡效應(yīng)引起的控制和安全問(wèn)題。引起的控制和安全問(wèn)題。 氦氣氦氣：氦氣作為冷卻劑主要應(yīng)用于：氦氣作為冷卻劑主要應(yīng)用于氣冷堆氣冷堆。 缺點(diǎn)：因運(yùn)行壓力和流量大而缺點(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(wèn)題消耗功率大、價(jià)格昂貴、泄漏問(wèn)題。464）慢化劑）慢化劑n對(duì)對(duì)固體慢化劑固體慢化劑的要求：的要求： 具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 良好的導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱性能 良好的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性良好

24、的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性 與冷卻劑相容與冷卻劑相容 原子密度高原子密度高 便于加工，成本低廉便于加工，成本低廉n可用的可用的固體慢化劑固體慢化劑： 可用的固體慢化劑有可用的固體慢化劑有石墨、鈹、氧化鈹和氧化石墨、鈹、氧化鈹和氧化鋯鋯474）慢化劑）慢化劑n對(duì)對(duì)液體慢化劑液體慢化劑的要求：的要求： 熔點(diǎn)在室溫以下，高溫下蒸汽壓要低熔點(diǎn)在室溫以下，高溫下蒸汽壓要低 良好的傳熱性能良好的傳熱性能 良好的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性良好的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性 原子密度高原子密度高 不腐蝕結(jié)構(gòu)材料不腐蝕結(jié)構(gòu)材料n常用常用液體慢化劑液體慢化劑： 常用的液體慢化劑有常用的液體慢化劑有水和重水水和重水48二、反應(yīng)堆的熱

25、源和穩(wěn)態(tài)傳熱分析二、反應(yīng)堆的熱源和穩(wěn)態(tài)傳熱分析1、反應(yīng)堆的熱源分布、反應(yīng)堆的熱源分布2、傳熱學(xué)的基本知識(shí)、傳熱學(xué)的基本知識(shí)3、反應(yīng)堆內(nèi)熱量的輸出過(guò)程、反應(yīng)堆內(nèi)熱量的輸出過(guò)程4、燃料元件的傳熱計(jì)算、燃料元件的傳熱計(jì)算5、堆內(nèi)結(jié)構(gòu)的傳熱計(jì)算簡(jiǎn)介、堆內(nèi)結(jié)構(gòu)的傳熱計(jì)算簡(jiǎn)介491、反應(yīng)堆的熱源分布、反應(yīng)堆的熱源分布1）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布2）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素3）燃料元件內(nèi)的功率分布）燃料元件內(nèi)的功率分布4）核熱管因子）核熱管因子5）控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中的熱源及）控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中的熱源及分布分布501）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布）裂

26、變能及其在堆芯內(nèi)的分布511）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布521）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布裂變率：裂變率：531）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布體積釋熱率：體積釋熱率： 體積釋熱率是體積釋熱率是單位時(shí)間單位時(shí)間、單位體積單位體積內(nèi)內(nèi)釋放的熱能釋放的熱能的度量，也稱的度量，也稱為為功率密度功率密度。要注意的是，體積釋熱率指的是已經(jīng)轉(zhuǎn)化為熱能的能。要注意的是，體積釋熱率指的是已經(jīng)轉(zhuǎn)化為熱能的能量，并量，并不是不是在該體積單元內(nèi)釋放出的在該體積單元內(nèi)釋放出的全部能量全部能量，因?yàn)橛行┠芰浚ɡ?，因?yàn)橛行┠芰浚ɡ缛缟渚€射線能）會(huì)在別的

27、地方轉(zhuǎn)化為熱能，甚至有的能量根本就能）會(huì)在別的地方轉(zhuǎn)化為熱能，甚至有的能量根本就無(wú)法無(wú)法轉(zhuǎn)化為熱能轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。加以利用。541）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布均勻裸堆釋熱率分布：均勻裸堆釋熱率分布：551）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布）裂變能及其在堆芯內(nèi)的分布562）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素572）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素582）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素592）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素603）燃料元件內(nèi)的功率分布）燃料元件內(nèi)的功率分布613）燃料元件內(nèi)的功率分布）燃料元件內(nèi)的功率分布

28、624）核熱管因子）核熱管因子n熱管和熱點(diǎn)的概念熱管和熱點(diǎn)的概念634）核熱管因子）核熱管因子n熱管因子熱管因子： 為了衡量各有關(guān)的熱工參數(shù)的為了衡量各有關(guān)的熱工參數(shù)的最大值偏離最大值偏離平均值平均值（或名義值）的程度，引入一個(gè)修正因（或名義值）的程度，引入一個(gè)修正因子，這個(gè)子，這個(gè)修正因子修正因子就稱為就稱為熱管因子熱管因子。熱管因子。熱管因子是用各有關(guān)的熱工（或物理）參數(shù)的最大值與是用各有關(guān)的熱工（或物理）參數(shù)的最大值與平均值的平均值的比值比值來(lái)表示的。來(lái)表示的。n熱管因子的熱管因子的分類分類： 一般把熱管因子分為一般把熱管因子分為兩大類兩大類：一類是：一類是核核熱熱管因子；一類是管因子；

29、一類是工程工程熱管因子。熱管因子。 644）核熱管因子）核熱管因子n核熱管因子的定義：核熱管因子的定義：NLNZNRNqNLNZNRNqNZNRFFFFFFFFFF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654）核熱管因子）核熱管因子665）控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中的熱源及分布）控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中的熱源及分布n控制棒中的熱源及其分布控制棒中的熱源及其分布n慢化劑中的熱源及其分布慢化劑中的熱源及其分布n結(jié)構(gòu)材料中的熱源及其分布結(jié)構(gòu)材料中的熱源及其分布67

30、2、傳熱學(xué)的基本知識(shí)、傳熱學(xué)的基本知識(shí)1）熱傳導(dǎo)）熱傳導(dǎo)2）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱3）熱輻射、輻射換熱）熱輻射、輻射換熱4）傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)）傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)681）熱傳導(dǎo)）熱傳導(dǎo)691）熱傳導(dǎo)）熱傳導(dǎo)單層平壁：?jiǎn)螌悠奖冢?1212121212wwwwwwwwwwwdTQkFdxQdTdxkFQTxCkFQTxTkFTTTTTTQkFRkFTTTTQqFrk 701）熱傳導(dǎo)）熱傳導(dǎo)圓筒壁：圓筒壁：12122211112222ln22lnln222wwwwdTdTQkFkrLdrdrQdrdTrL rQTrCrLTTrLQTTrrrrrLQrLqr Lq 712）熱對(duì)流、對(duì)流換熱

31、）熱對(duì)流、對(duì)流換熱牛頓冷卻定律：牛頓冷卻定律：722）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱速度邊界層速度邊界層定義定義732）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱速度邊界層速度邊界層雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re和臨界雷諾數(shù)和臨界雷諾數(shù)Rec6556ReReRe2 10Re10Re5 1010Re2300fcfccccccVLVLLVV xV x 、為幾何尺寸、 、 、 分別為流體密度、流速、動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度平板臨界雷諾數(shù)： 來(lái)流平靜、平面光滑： 壁面粗糙、人為擾動(dòng)： 一般情況：管內(nèi)流動(dòng)：742）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱速度邊界層速度邊界層速度邊界層厚度速度邊界層厚度5121557115Re5 10

32、5 Re0.381 Re5 10Re100.381Re10256Rexxxxxxxxx層流邊界層厚度：波爾豪森：卡門：紊流邊界層厚度：752）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱熱邊界層與速度邊界層熱邊界層與速度邊界層762）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱熱邊界層與速度邊界層熱邊界層與速度邊界層772）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱熱邊界層與速度邊界層熱邊界層與速度邊界層13Pr10.977Prppttckakc普朗特?cái)?shù)：流體不同，Pr不同。波爾豪森假定：，得到：782）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱影響影響對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的因素因素A、流體流動(dòng)產(chǎn)生的原因流體流動(dòng)產(chǎn)生的原因 強(qiáng)迫流

33、動(dòng)（強(qiáng)迫對(duì)流）、自然流動(dòng)強(qiáng)迫流動(dòng)（強(qiáng)迫對(duì)流）、自然流動(dòng)（自然對(duì)流）（自然對(duì)流） 強(qiáng)迫流動(dòng)和自然流動(dòng)具有不同的換熱強(qiáng)迫流動(dòng)和自然流動(dòng)具有不同的換熱規(guī)律，計(jì)算對(duì)流換熱的方法也有所不同。規(guī)律，計(jì)算對(duì)流換熱的方法也有所不同。一般來(lái)說(shuō)，一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)迫強(qiáng)迫對(duì)流流速高，換熱系數(shù)對(duì)流流速高，換熱系數(shù)h也也大大。792）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱影響影響對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的因素因素B、流體流動(dòng)情況流體流動(dòng)情況 層流、紊流層流、紊流 在對(duì)流換熱過(guò)程中，如保持其它條件在對(duì)流換熱過(guò)程中，如保持其它條件相同，則流速高的紊流與流速低的層流相相同，則流速高的紊流與流速低的層流相比，比，紊流紊流的換熱系數(shù)的換熱系數(shù)h

34、要比層流的換熱系要比層流的換熱系數(shù)數(shù)h大好幾倍大好幾倍甚至更多。甚至更多。802）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱影響影響對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的因素因素C、流體有無(wú)相變發(fā)生流體有無(wú)相變發(fā)生 相變相變指在某些換熱過(guò)程中，參與換熱的流體指在某些換熱過(guò)程中，參與換熱的流體吸熱而沸騰或放熱而凝結(jié)。吸熱而沸騰或放熱而凝結(jié)。 相變換熱特點(diǎn)：相變換熱特點(diǎn)：溫度不變溫度不變（某壓力下的飽和（某壓力下的飽和溫度）溫度） 換熱量為流體吸收或放出的換熱量為流體吸收或放出的潛熱潛熱 兩相流動(dòng)兩相流動(dòng)而非單相流動(dòng)而非單相流動(dòng) 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一種流體，有一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一種流體，有相變相變時(shí)比無(wú)時(shí)比無(wú)相變時(shí)的相變時(shí)的換

35、熱強(qiáng)度大換熱強(qiáng)度大得多。得多。812）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱影響影響對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的因素因素D、流體的物性流體的物性 不同得流體，其物理性質(zhì)不同，對(duì)對(duì)流換不同得流體，其物理性質(zhì)不同，對(duì)對(duì)流換熱得影響也不一樣。熱得影響也不一樣。 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)影響導(dǎo)熱熱阻，從而影響換熱系影響導(dǎo)熱熱阻，從而影響換熱系數(shù)數(shù) 動(dòng)力粘度和密度動(dòng)力粘度和密度影響影響Re，從而影響換熱系，從而影響換熱系數(shù)數(shù) 比熱比熱影響換熱后得溫度變化，即熱邊界層影響換熱后得溫度變化，即熱邊界層的溫度梯度，從而影響換熱系數(shù)的溫度梯度，從而影響換熱系數(shù)822）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱影響影響對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的因

36、素因素E、換熱面的幾何因素?fù)Q熱面的幾何因素832）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱影響影響對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的因素因素E、換熱面的幾何因素?fù)Q熱面的幾何因素842）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱影響影響對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的因素因素 上述上述定性定性介紹了一些介紹了一些主要因素主要因素對(duì)對(duì)流對(duì)對(duì)流換熱的影響。為了運(yùn)用熱傳遞理論解決實(shí)換熱的影響。為了運(yùn)用熱傳遞理論解決實(shí)際的換熱問(wèn)題，還有待進(jìn)一步掌握換熱系際的換熱問(wèn)題，還有待進(jìn)一步掌握換熱系數(shù)數(shù)h與各影響因素間的與各影響因素間的數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系。 對(duì)流換熱過(guò)程比較復(fù)雜，組合了多種對(duì)流換熱過(guò)程比較復(fù)雜，組合了多種不同規(guī)律的換熱過(guò)程。只有對(duì)各種情況

37、分不同規(guī)律的換熱過(guò)程。只有對(duì)各種情況分門分門別類，進(jìn)行門分門別類，進(jìn)行分析和試驗(yàn)分析和試驗(yàn)，才能獲得，才能獲得反映各種情況的反映各種情況的計(jì)算公式計(jì)算公式。852）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式準(zhǔn)則方程式 對(duì)流換熱受諸多因素的影響，甚為復(fù)雜。對(duì)流對(duì)流換熱受諸多因素的影響，甚為復(fù)雜。對(duì)流換熱系數(shù)值顯然也是變化范圍很大，因此，確定換熱系數(shù)值顯然也是變化范圍很大，因此，確定h值是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。值是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。 理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值分析。理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值分析。 相似理論或量綱分析相似理論或量綱分析法：把眾多的影響因素歸法：把眾多的影響因素歸并成為

38、數(shù)不多的幾個(gè)并成為數(shù)不多的幾個(gè)無(wú)量綱的準(zhǔn)則無(wú)量綱的準(zhǔn)則。如：。如：Re、Pr、Nu、Gr等等 把對(duì)流換熱的表達(dá)關(guān)系式變成由無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)把對(duì)流換熱的表達(dá)關(guān)系式變成由無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)組成的準(zhǔn)則方程式組成的準(zhǔn)則方程式即對(duì)流換熱的即對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式準(zhǔn)則方程式。 對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式中包含的對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式中包含的待定系數(shù)待定系數(shù)和指和指數(shù)通過(guò)數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。862）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式準(zhǔn)則方程式 對(duì)流換熱有多種方式，對(duì)流換熱有多種方式，不同的換熱方式有不同的準(zhǔn)則方程式不同的換熱方式有不同的準(zhǔn)則方程式：32Re,PrRe Pr(,mnhLNuk

39、hkLNufNuCCmngtLGrLNuf Gr受迫流動(dòng)： 努謝爾特?cái)?shù)： 其中： 對(duì)流換熱系數(shù)； 導(dǎo)熱系數(shù)； 定性尺寸（特性尺寸） 準(zhǔn)則方程式： 管內(nèi)流動(dòng)準(zhǔn)則方程式： 其中： 、 、 待定的系數(shù)和指數(shù)自然對(duì)流： 格拉曉夫數(shù)： 其中： 流體的體積膨脹系數(shù)； 流體的運(yùn)動(dòng)粘度； 定性尺寸 準(zhǔn)則方程式：Pr),PrnNuC GrCn 大空間自然對(duì)流準(zhǔn)則方程式： 其中： 、 待定的系數(shù)和指數(shù)872）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式準(zhǔn)則方程式定性溫度定性溫度： 準(zhǔn)則數(shù)中包含物性參數(shù)，而物性參數(shù)隨準(zhǔn)則數(shù)中包含物性參數(shù)，而物性參數(shù)隨溫度而變化，因此在確定準(zhǔn)則方程式中的溫度而變化

40、，因此在確定準(zhǔn)則方程式中的準(zhǔn)則數(shù)值時(shí)，必須明確這些準(zhǔn)則中的物性準(zhǔn)則數(shù)值時(shí)，必須明確這些準(zhǔn)則中的物性參數(shù)是根據(jù)什么溫度來(lái)選用的。這個(gè)溫度參數(shù)是根據(jù)什么溫度來(lái)選用的。這個(gè)溫度叫叫“定性溫度定性溫度”。否則將帶來(lái)。否則將帶來(lái)錯(cuò)誤錯(cuò)誤。882）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式準(zhǔn)則方程式定性尺寸定性尺寸： 在有的準(zhǔn)則數(shù)中包含有幾何尺寸，如在有的準(zhǔn)則數(shù)中包含有幾何尺寸，如Nu數(shù)和數(shù)和Re數(shù)中的長(zhǎng)度數(shù)中的長(zhǎng)度L，實(shí)際上是影響對(duì)，實(shí)際上是影響對(duì)流換熱的幾何尺寸，叫流換熱的幾何尺寸，叫“定性尺寸定性尺寸”。不。不同的對(duì)流換熱過(guò)程，特性尺寸有所不同，同的對(duì)流換熱過(guò)程，特性尺寸有所不

41、同，在使用準(zhǔn)則方程時(shí)在使用準(zhǔn)則方程時(shí)不可搞錯(cuò)不可搞錯(cuò)。892）熱對(duì)流、對(duì)流換熱）熱對(duì)流、對(duì)流換熱對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式準(zhǔn)則方程式適應(yīng)范圍適應(yīng)范圍： 準(zhǔn)則方程式的具體形式，是針對(duì)某些試準(zhǔn)則方程式的具體形式，是針對(duì)某些試驗(yàn)結(jié)果整理出來(lái)的，這些試驗(yàn)中的變量或驗(yàn)結(jié)果整理出來(lái)的，這些試驗(yàn)中的變量或測(cè)量的參數(shù)是有一定范圍的。因此，這些測(cè)量的參數(shù)是有一定范圍的。因此，這些準(zhǔn)則方程式只能在這樣的范圍內(nèi)適用，準(zhǔn)則方程式只能在這樣的范圍內(nèi)適用，不不宜隨意延伸和外推宜隨意延伸和外推。903）熱輻射、輻射換熱）熱輻射、輻射換熱 凡物體都有放射、輻射粒子（光子）的能力，輻凡物體都有放射、輻射粒子（光子）的能力，

42、輻射粒子具有的能量稱為輻射能。射粒子具有的能量稱為輻射能。物體因熱的原因而發(fā)物體因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射是依靠電磁波來(lái)。熱輻射是依靠電磁波來(lái)傳遞的。傳遞的。 自然界中各個(gè)物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，自然界中各個(gè)物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。當(dāng)物體與同時(shí)又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。當(dāng)物體與周圍環(huán)境處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量等于零，但這是周圍環(huán)境處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量等于零，但這是動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡，輻射與吸收過(guò)程仍在不停地進(jìn)行。，輻射與吸收過(guò)程仍在不停地進(jìn)行。 熱輻射可以在熱輻射可以在真空中傳播真空中傳播，

43、而導(dǎo)熱和對(duì)流換熱這，而導(dǎo)熱和對(duì)流換熱這兩種熱傳遞方式只能在有物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)；兩種熱傳遞方式只能在有物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)；輻射換熱不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著輻射換熱不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形能量形式的轉(zhuǎn)化式的轉(zhuǎn)化，即發(fā)射時(shí)從熱能轉(zhuǎn)換成輻射能，而被吸收，即發(fā)射時(shí)從熱能轉(zhuǎn)換成輻射能，而被吸收時(shí)又從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。時(shí)又從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。913）熱輻射、輻射換熱）熱輻射、輻射換熱 物體的物體的熱輻射熱輻射能力與物體能力與物體溫度溫度、性質(zhì)性質(zhì)和和表面表面情況有關(guān)。情況有關(guān)。絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體（簡(jiǎn)稱黑體）：（簡(jiǎn)稱黑體）： 在同溫的物體中具有在同溫的物體中具有最大的輻射本領(lǐng)

44、和吸收本領(lǐng)最大的輻射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)。是一種。是一種理想理想物體。物體。48242441W10/1ooooQFTw m KFmTKQFTQF T黑體的輻射能量： 斯蒂芬玻爾茲曼定律： ， 其中：黑體輻射常數(shù)，即斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，為5.67 物體的輻射面積，； 表面的絕對(duì)溫度，實(shí)際物體的輻射能量： 斯蒂芬玻爾茲曼定律的經(jīng)驗(yàn)修正： 其中： 物體的黑度，其值小于輻射換熱量： 如兩個(gè)平行黑體表面的換熱量：42T923）熱輻射、輻射換熱）熱輻射、輻射換熱 在壓水堆在壓水堆穩(wěn)態(tài)工況穩(wěn)態(tài)工況下，堆內(nèi)的溫下，堆內(nèi)的溫度不很高，輻射換熱相對(duì)于導(dǎo)熱和度不很高，輻射換熱相對(duì)于導(dǎo)熱和對(duì)流換熱熱量小很多，一般可以忽對(duì)流

45、換熱熱量小很多，一般可以忽略不計(jì)。略不計(jì)。 在在事故工況事故工況下，堆內(nèi)可以達(dá)到相下，堆內(nèi)可以達(dá)到相當(dāng)高的溫度，輻射傳熱量就不可不當(dāng)高的溫度，輻射傳熱量就不可不計(jì)算了。計(jì)算了。934）傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)）傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù) 工程工程實(shí)際中的熱傳實(shí)際中的熱傳遞過(guò)程總是比較復(fù)雜遞過(guò)程總是比較復(fù)雜的，常常是的，常常是幾種幾種基本基本方式同時(shí)作用方式同時(shí)作用的結(jié)果。的結(jié)果。944）傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)）傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)111122221212121212121212121111111111fwwwwfffffkkffkkQh F TTQF TTQh F TTQTTh FkFh FQKF TTKhkhR

46、RRRh FkFh FrrrrhkhTTQFrK；解為： 定義傳熱方程式： 其中：傳熱系數(shù)為 而： 和： 故： 傳熱系數(shù)：1kr953、反應(yīng)堆內(nèi)熱量的輸出過(guò)程、反應(yīng)堆內(nèi)熱量的輸出過(guò)程1）堆內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程）堆內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程2）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程3）堆內(nèi)的輸熱過(guò)程）堆內(nèi)的輸熱過(guò)程961）堆內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程）堆內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程 燃料元件的導(dǎo)熱是指燃料燃料元件的導(dǎo)熱是指燃料芯塊內(nèi)芯塊內(nèi)產(chǎn)生產(chǎn)生的的熱量熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳到燃料元件通過(guò)熱傳導(dǎo)傳到燃料元件包殼外包殼外表表面這樣一個(gè)面這樣一個(gè)過(guò)程過(guò)程。核燃料包殼熱量971）堆內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程）堆內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程2222200000101424vvvuuuuvuuluu

47、uuqtktqkqd tdtdrr drkrrttqttqttqkkktt有內(nèi)熱源的情況： 導(dǎo)熱微分方程： 其中：是拉普拉斯符， 是溫度， 是體積釋熱率， 是導(dǎo)熱率 圓柱形燃料芯塊： 導(dǎo)熱微分方程： 解為：； 其中： 燃料芯塊中心溫度，； 燃料芯塊表面溫度，； 3222220/./222uuvlvlluuvvuuuuvuurmkW mqqqW mW mW mqqqqr qr qqd tdxkttqqkk 燃料芯塊半徑， ； 燃料芯塊熱導(dǎo)率， 、 、 分別為燃料芯塊體積釋熱率、表面釋熱率、線功率 、 、 之間的關(guān)系為： 平板形燃料芯塊： 導(dǎo)熱微分方程： 解為：981）堆內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程）堆內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)

48、程 2/.lnlnln222ocucsccucsocslcslcsucscucucudtqkdxttqkqW mmkW mttdtQk FdrrqrqdQttk Lrkrkd 無(wú)內(nèi)熱源的情況： 平板： 解為： 其中： 包殼表面熱流密度； 包殼厚度； 包殼導(dǎo)熱率 ； 燃料芯塊表面溫度，即包殼內(nèi)表面溫度 ；包殼外表面溫度 圓筒： 解為：992）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程 放熱過(guò)程是燃料元件放熱過(guò)程是燃料元件包殼表面包殼表面與與冷卻冷卻劑劑之間直接接觸時(shí)的之間直接接觸時(shí)的熱交換熱交換，即熱量由，即熱量由包包殼殼的的外表面外表面?zhèn)鬟f給傳遞給冷卻劑冷卻劑的的過(guò)程過(guò)程。核燃料包殼冷卻劑熱量熱量1002

49、）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程( )( )( )( )( )( )( )( )flcsflllffcsfQhFq ztztzh z FQq zzhh zzFFztztz牛頓冷卻定律： 解為： 其中： ，包殼外表面?zhèn)鬟f給冷卻劑的熱功率，位置 處線功率 ，對(duì)流放熱系數(shù)，位置 處對(duì)流放熱系數(shù) ，傳熱面積， ，單位長(zhǎng)度燃料元件外表面積 ，膜溫壓。在某一位置 處， ( )( )csftzztzz ，位置 處包殼表面溫度 ，位置 處冷卻劑的溫度1012）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程強(qiáng)迫對(duì)流換熱強(qiáng)迫對(duì)流換熱：0.80.4450.80.330.023RePr5010Re1.2 10 0.6Pr1200.0

50、27RePrfwADittusBoelterNuNu流體在圓形通道內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流的放熱系數(shù) 、流體在圓形通道內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的放熱系數(shù) 迪圖斯（）貝爾特（）關(guān)系式： 膜溫壓不能太大，管長(zhǎng)應(yīng)大于內(nèi)徑的倍， 且：， 對(duì)于大膜溫壓：0.141022）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程強(qiáng)迫對(duì)流換熱強(qiáng)迫對(duì)流換熱：0.81 3RePr420.0260.006BNuCPPCddPPCddPd流體在圓形通道內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流的放熱系數(shù) 、水縱向流過(guò)平行棒束時(shí)的放熱系數(shù) 韋斯曼關(guān)系式： 對(duì)于正方形柵格： 當(dāng) ， 對(duì)于三角形柵格： 當(dāng) ， 其中： 為柵距， 為棒徑1032）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)

51、的放熱過(guò)程自然對(duì)流放熱自然對(duì)流放熱：1 35111 413160.250 25Pr0.6Pr)10100.17Pr)2 10Pr100.5PrPrPrPrndffwdfNuC GrNuGrGrNuGrGrNuGrGr。自然對(duì)流放熱準(zhǔn)則關(guān)系式： （） 當(dāng)壁面的熱流量恒定時(shí)，豎壁的放熱系數(shù)： （， （層流） （， （紊流） 橫管的自然對(duì)流平均放熱系數(shù)： （）（） ，（）8101042）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程沸騰放熱沸騰放熱：大容積大容積沸騰：沸騰：大氣壓下水的大氣壓下水的大容積沸騰曲線大容積沸騰曲線1052）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程沸騰放熱沸騰放熱：流動(dòng)流動(dòng)沸騰沸騰：0.2560.5

52、25exp106.20.717.20.0225exp8.6913.79wswswsqpttMPapttqMPaqptt過(guò)冷泡核沸騰關(guān)系式： 詹斯和洛特斯： 水的壓力為： 湯姆： 水的壓力為： 5.17 其中： 熱流密度， 壓力， 壁面溫度， 流體飽和溫度1062）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程沸騰放熱沸騰放熱：泡和沸騰起始點(diǎn)泡和沸騰起始點(diǎn)ONB的確定的確定0.02342.82831.15691.798 105pONBwsONBwsqpttqttp式中為在壁面過(guò)冷度和系統(tǒng)壓力為 時(shí)，開始產(chǎn)生沸騰所需的熱流量1072）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程沸騰放熱沸騰放熱：過(guò)冷沸騰過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)的位置起始

53、點(diǎn)的位置：,0.256,25exp106.2f ONBsffwshONBinpf ONBf inpf ONBf inONBinhinONBf inqtthqpttqpZZGACttGACttZZqpZZtp單相強(qiáng)迫對(duì)流傳熱方程：詹斯洛特斯沸騰傳熱方程：聯(lián)立求解： 其中：、分別為進(jìn)口處和最初汽泡產(chǎn)生點(diǎn)的距離；進(jìn)口處流體溫度； hAGq通道的周界； 通道的流通截面； 流體質(zhì)量流速； 加熱通道熱流密度1082）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程沸騰放熱沸騰放熱：汽泡汽泡脫離壁面脫離壁面起始點(diǎn)的起始點(diǎn)的位置位置：,700004550.0022700000.0065154fsatf FDBp fsatf F

54、DBp ffsubFDBfsubfsubFDBp ff FDBsqDNukttqStGCttGDCNuPekStqDqDPeNutkTkqPeSttGCtt定義： 努謝爾特?cái)?shù)： 史坦頓數(shù)： 貝克利數(shù)： ， ； ， ； 有：,subFDBpf FDBf inFDBinhtGACttZZqp 求得：1092）堆內(nèi)的放熱過(guò)程）堆內(nèi)的放熱過(guò)程沸騰放熱沸騰放熱：沸騰臨界沸騰臨界：沸騰臨界的特點(diǎn)是由于沸騰機(jī)理的變化引起放：沸騰臨界的特點(diǎn)是由于沸騰機(jī)理的變化引起放熱系數(shù)的熱系數(shù)的陡降陡降，導(dǎo)致受熱面的溫度，導(dǎo)致受熱面的溫度驟升驟升。剛剛達(dá)到沸騰。剛剛達(dá)到沸騰臨界時(shí)的熱流密度稱為臨界時(shí)的熱流密度稱為臨界熱流密

55、度（臨界熱流密度（CHF）。 以流動(dòng)以流動(dòng)工況工況沸騰臨界分為：沸騰臨界分為： 過(guò)冷或低含汽量過(guò)冷或低含汽量下的臨界沸騰；下的臨界沸騰； 高含汽量高含汽量下的臨界沸騰。下的臨界沸騰。 低含汽量低含汽量下：下：“沸騰臨界沸騰臨界”也稱為也稱為“偏離泡核沸騰偏離泡核沸騰（DNB）”，或稱，或稱“燒毀燒毀”，也稱，也稱“快速燒毀快速燒毀”。 高含汽量高含汽量下：下： “沸騰臨界沸騰臨界”也稱為也稱為“蒸干蒸干”，或稱，或稱“干凅干凅”，又稱，又稱“慢速燒毀慢速燒毀”。 術(shù)語(yǔ)臨界熱流密度（術(shù)語(yǔ)臨界熱流密度（CHF）則用來(lái)描述上述工況下）則用來(lái)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。

56、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界熱流量臨界熱流量”也稱為也稱為“臨界熱負(fù)荷臨界熱負(fù)荷”或或“燒毀熱通燒毀熱通量量”。1103）堆內(nèi)的輸熱過(guò)程）堆內(nèi)的輸熱過(guò)程( )( )( )( )( ):pffpffpfzQ zWctzA V ctzW HzQ zzWcA 輸熱過(guò)程指的是，當(dāng)冷卻劑流過(guò)堆芯時(shí)，將堆內(nèi)裂變過(guò)程中所釋放的熱量帶出堆外這樣一個(gè)過(guò)程。冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位置 處的輸熱量為： 其中：冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位置 處的輸熱量 冷卻劑的質(zhì)量流量；冷卻劑的比熱； 冷卻劑的密度；冷卻劑的流通截面積 ( ):( ):ffHzztzz冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位置 處的焓升 冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位

57、置 處的溫升1114、燃料元件的傳熱計(jì)算、燃料元件的傳熱計(jì)算1）燃料元件的形式及其冷卻方式）燃料元件的形式及其冷卻方式2）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算3）積分熱導(dǎo)率的概念）積分熱導(dǎo)率的概念4）板狀燃料元件的傳熱計(jì)算）板狀燃料元件的傳熱計(jì)算1121）燃料元件的形式及其冷卻方式）燃料元件的形式及其冷卻方式1131）燃料元件的形式及其冷卻方式）燃料元件的形式及其冷卻方式1142）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算n沿燃料元件軸向的冷卻劑溫度分布沿燃料元件軸向的冷卻劑溫度分布n包殼外表面溫度的計(jì)算包殼外表面溫度的計(jì)算n包殼內(nèi)表面溫度的計(jì)算包殼內(nèi)表面溫度的計(jì)算n燃料芯塊表面

58、溫度的計(jì)算燃料芯塊表面溫度的計(jì)算n燃料芯塊中心溫度的計(jì)算燃料芯塊中心溫度的計(jì)算1152）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算1162）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算1172）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算 ,Re2ReReReRe2Re,ReRe0 cos00 cossinsin20sinsin2RRff inpzlllLzlRlLlRff inpQ ztztWCzQ zqz dzqzqLqLLzzQ zqdzLLLqLLztztWCLL沿燃料元件軸向的冷卻劑溫度分布： 而：，且： 有： Re,ReRe,ReReReRe,Re20sin22220sin

59、20sin220sin2lRRRf exff inplRff exf inpflRpflff inpqLLLLztttWCLqLLtttWCLtqLLWCLtqLztztWCL 當(dāng) ，冷卻劑出口溫度： 即： 故：1182）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算 ReReRe,0cos00000 cos02cslcsfcsllcsffcscslfcsfcsfcsffflcsf inptzqztztzd h zqzqztztztzd h zd h zLqttd hzztztzLtL qtztWC 包殼外表面溫度的計(jì)算： 對(duì)流放熱方程： 即： 令： 故： ReResin0 cosfzzLL1

60、192）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算）棒狀燃料元件的傳熱計(jì)算 ,max,max,maxReReReReRe,maxReReReRe,max,max,0cos0sin0010010cscscscslfpcslpflcspfcsftzzdtzqLdzWCLLLLzqLtgLWCqLLzarctgWCtt包殼外表面的最高溫度： 求導(dǎo)： 得： 則： ,max,maxReReRe,max2,max,Re22,max,Re,max0sincos2012101csc2202fcscslinfpfcscsf infffRcsf inffcstzzqLWCLLtztttgLttLttLt 三角函數(shù)變換得： 即： 對(duì)于