反應(yīng)堆傳熱過(guò)程

第三章堆的傳熱過(guò)程第一頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.1導(dǎo)熱

第二頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.1導(dǎo)熱有內(nèi)熱源的圓柱形芯塊溫度場(chǎng),忽略軸向?qū)崆闆r

無(wú)內(nèi)熱源的圓筒形包殼溫度場(chǎng),忽略軸向?qū)崆闆r

第三頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.2單相對(duì)流傳熱包殼外外表與冷卻劑的熱交換過(guò)程，基于牛頓冷卻定律Q=hFΔθt,其中Δθt為膜溫差，h為對(duì)流換熱系數(shù)，F(xiàn)為傳熱外表積，Q為傳遞的熱功率

分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)迫對(duì)流換熱兩種情況考慮

對(duì)于非圓形通道，可使用當(dāng)量直徑作為公式3-15,16中的特征尺寸對(duì)于棒束通道，使用Weissman關(guān)系式，分為正方形柵格和三角形柵格兩種情況對(duì)待第四頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.2單相對(duì)流傳熱–自然對(duì)流換熱由密度梯度即溫度梯度引起其中β為流體的體積膨脹系數(shù)，ν=μ/ρ為運(yùn)動(dòng)黏度，x為位差引入特征量格拉曉夫數(shù)Gr=(gβΔTx3)/ν2普遍關(guān)系式為Nu=f(GrPr)=C(GrPr)mn,式中m指物性參數(shù)取平均溫度點(diǎn)的值，即tm=(tf+tw)/2針對(duì)豎壁與橫管霍夫曼和米海耶夫分別提出經(jīng)歷關(guān)系式(3-19至3-24)第五頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.3沸騰傳熱包括池式沸騰和流動(dòng)沸騰兩種情況池式沸騰–擁有自由外表的大容積液體，在受熱面處發(fā)生的沸騰。自然對(duì)流占主導(dǎo)流動(dòng)沸騰–流體流經(jīng)加熱通道時(shí)發(fā)生，沸水堆的正常工況，壓水堆中也會(huì)發(fā)生尤其是事故狀況下第六頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系.1

沸騰曲線–池式沸騰壁面過(guò)熱度與熱流密度的關(guān)系曲線右下方為大容積沸騰，左上方為管內(nèi)流動(dòng)沸騰B點(diǎn)前為不沸騰自然對(duì)流區(qū)，B點(diǎn)開(kāi)場(chǎng)產(chǎn)生氣泡，B點(diǎn)稱為沸騰起始點(diǎn)ONB。氣泡產(chǎn)生，對(duì)流換熱系數(shù)高，熱流密度迅速上升C點(diǎn)到達(dá)熱流密度最大值，稱為臨界熱流密度BC段為核態(tài)沸騰區(qū)第七頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系.1

沸騰曲線–池式沸騰CD段為過(guò)度沸騰區(qū)，由于汽膜形成導(dǎo)致熱阻上升，熱流密度降低DE段為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)此兩區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的汽膜形成D點(diǎn)后輻射傳熱增強(qiáng)，熱流密度再次進(jìn)步C，E點(diǎn)熱流密度一樣，故當(dāng)從C點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)步熱流密度時(shí)，膜溫差可能躍升，造成壁面燒毀。因此C點(diǎn)又稱為燒毀點(diǎn)。H點(diǎn)為偏離核態(tài)沸騰規(guī)律點(diǎn)DNB第八頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系影響池式沸騰的主要因素-系統(tǒng)壓力

第九頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系影響池式沸騰的主要因素-主流液體溫度(或欠熱度)對(duì)傳熱強(qiáng)度無(wú)影響對(duì)于qc影響顯著隨欠熱度ΔTSUB增大，汽液置換時(shí)易冷凝近壁氣泡，那么qc升高第十頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系影響池式沸騰的主要因素-加熱外表粗糙度外表越粗糙，泡化空穴越大，因此需要的過(guò)熱度越小使ABC段左移泡核沸騰傳熱增強(qiáng)對(duì)qc及膜態(tài)沸騰的影響很小–氣膜將粗糙度掩蓋第十一頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系影響池式沸騰的主要因素-其他因素液壁接觸角增加或不凝氣體摻入降低ΔTw使沸騰曲線ABC段左移，強(qiáng)化傳熱第十二頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系流動(dòng)沸騰傳熱強(qiáng)迫或自然對(duì)流有宏觀運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)內(nèi)的沸騰氣泡生長(zhǎng)受流體流動(dòng)的影響汽液兩相運(yùn)動(dòng)–比池式沸騰復(fù)雜第十三頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系流動(dòng)沸騰的傳熱工況及汽液兩相流型A段–單相液體對(duì)流壁面溫度與流體平均溫度均升高壁面附近形成熱邊界層因過(guò)熱度缺乏不能生成氣泡第十四頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系流動(dòng)沸騰的傳熱工況及汽液兩相流型B段–欠熱泡核沸騰氣泡形成傳熱增強(qiáng)，傳熱系數(shù)增大液體邊界層溫度高于飽和溫度初始階段，氣泡較少，附著在壁面，管中心仍為潛熱液體，氣泡不能長(zhǎng)大后段，氣泡長(zhǎng)大并脫離壁面，泡核沸騰逐漸增強(qiáng)第十五頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系流動(dòng)沸騰的傳熱工況及汽液兩相流型

第十六頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系流動(dòng)沸騰的傳熱工況及汽液兩相流型E+F段–通過(guò)液膜強(qiáng)迫對(duì)流蒸發(fā)傳熱含汽率增加液膜變薄，內(nèi)部導(dǎo)熱及對(duì)流變強(qiáng)，過(guò)熱度降低當(dāng)過(guò)熱度低于ΔTw,ONB后，液膜內(nèi)氣泡停頓產(chǎn)生，那么液膜內(nèi)完全通過(guò)導(dǎo)熱和對(duì)流實(shí)現(xiàn)換熱液膜逐漸變薄，直至蒸干第十七頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系流動(dòng)沸騰的傳熱工況及汽液兩相流型G段–缺液區(qū)傳熱液膜蒸干后，壁面被蒸汽覆蓋傳熱才能急劇下降壁溫上升液相以液滴形式存在第十八頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系流動(dòng)沸騰的傳熱工況及汽液兩相流型H段–單相蒸汽對(duì)流傳熱液滴全部蒸完蒸汽逐漸被過(guò)熱第十九頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系.2核態(tài)沸騰傳熱ONB判斷：對(duì)于工業(yè)光滑管，Bergles和Rohsenow提出qONB-3p1.156[1.8(tw-ts)]使用Jens-Lottes沸騰傳熱方程與單相強(qiáng)迫對(duì)流方程聯(lián)立tf,ONB=ts+ΔθJ-q/h其中tw-ts=25(q/105)exp(-p/6.2)以上公式中ΔθJ為壁面過(guò)熱度第二十頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系.3沸騰臨界指?jìng)鳠釞C(jī)理發(fā)生變化時(shí)，傳熱系數(shù)發(fā)生的突然下降包括偏離泡核沸騰〔DNB〕和蒸干兩種工況棒束通道的臨界熱流密度，受功率軸向徑向分布，定位件，棒間距等因素影響，同時(shí)也受壓力，質(zhì)量流密度，含汽率的分布等因素影響在均與加熱的情況下，可由西屋公司提出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合公式獲得，當(dāng)通道內(nèi)存在冷壁時(shí)，該式中De應(yīng)被交換為熱等效直徑Dh=4x通道截面積/加熱周長(zhǎng)第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系.4過(guò)渡沸騰傳熱是一種中間傳熱方式，是不穩(wěn)定膜態(tài)沸騰與不穩(wěn)定核態(tài)沸騰的結(jié)合壁面溫度高到不能維持穩(wěn)定的核態(tài)沸騰，但又低的缺乏以維持穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰固有不穩(wěn)定性導(dǎo)致研究困難出現(xiàn)條件：LOCA后ECCS注水，導(dǎo)致堆芯發(fā)生再吞沒(méi)Reflood包括三種形式：1.包含沸騰和對(duì)流成分的關(guān)系式3-33；2.現(xiàn)象表達(dá)式3-34；3.經(jīng)歷關(guān)系式3-32第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系.5膜態(tài)沸騰傳熱DE段形成穩(wěn)定蒸汽膜層后出現(xiàn)加熱外表通過(guò)輻射和強(qiáng)迫對(duì)流向蒸汽傳熱，也通過(guò)液珠與壁面之間的互相z作用實(shí)現(xiàn)傳熱分為反環(huán)狀流〔空泡份額<30%〕和彌散流〔空泡份額>80,之間為塊狀流過(guò)渡區(qū)〕兩種換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于核態(tài)沸騰，包殼溫度過(guò)高，故在反響堆正常運(yùn)行時(shí)不允許出現(xiàn)計(jì)算關(guān)系式3-35,3-36：第二十三頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.4燃料元件的型式構(gòu)造及設(shè)計(jì)要求燃料元件的型式：棒狀，管狀，板狀，球狀，如圖3-16冷卻方式：?jiǎn)蚊妫p面冷卻注入方式：端部注入(主要使用)，中間注入，回流式三種，如圖3-17燃料元件的熱工設(shè)計(jì)要求：保證包殼完好性；合理水鈾比；整個(gè)壽期內(nèi)無(wú)不良物理化學(xué)作用；易于加工工藝性好；經(jīng)濟(jì)性好，消費(fèi)本錢低。第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.5燃料元件材料的熱物性易裂變核素：主要包括U-233〔Th-232轉(zhuǎn)化〕，U-235〔天然存在〕，Pu-239〔U-238轉(zhuǎn)化〕可轉(zhuǎn)換核素：Th-232，U-238等核燃料：固體/液體〔水溶液，熔鹽或液態(tài)金屬〕，金屬型/陶瓷型/彌散型對(duì)于固體燃料要求：良好的輻照穩(wěn)定性良好的熱物性與包殼材料相容與冷卻劑接觸無(wú)強(qiáng)烈化學(xué)腐蝕工藝性好，易加工，本錢低陶瓷燃料，彌散性燃料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于金屬燃料第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.5燃料元件材料的熱物性–金屬燃料優(yōu)點(diǎn)：密度高，熱導(dǎo)率，大工藝性好；缺點(diǎn)：高溫下穩(wěn)定性不好，高燃耗下尺寸變化大，腐蝕率高。第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.5燃料元件材料的熱物性–陶瓷燃料包括氧化物，氮化物，碳化物燃料優(yōu)點(diǎn)：熔點(diǎn)高，高溫高輻照下幾何形狀穩(wěn)定性好，與水及液態(tài)鈉接觸有較好的耐腐蝕性能，與不銹鋼及鋯合金包殼材料的相容性好；缺點(diǎn)：導(dǎo)熱率低，熱梯度下的脆性。碳化物，氮化物燃料較氧化物燃料擁有更高的熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)及輻照穩(wěn)定性，但與水易發(fā)生劇烈化學(xué)反響，故較多用于氣冷鈉冷先進(jìn)堆對(duì)于氧化物燃料UO2：熔點(diǎn)2800攝氏度密度熱導(dǎo)率低〔如圖3-18〕，比液態(tài)鈉低接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。使用Maxwell-Eucken方程描繪孔隙率的影響κp=〔1-ε〕/〔1+βε〕κ100，其中為理論密度，β〔ε≦〕，β=0.5其他情況。比熱容較高〔大約是水的1/10〕，可通過(guò)公式3-40，41計(jì)算得到。第二十七頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.5燃料元件材料的熱物性–彌散燃料對(duì)于彌散體燃料〔如歐盟EFIT-ADS工程中提出的CERCER，CERMET燃料〕-機(jī)械方法將燃料粉末彌散到熱導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性及輻照穩(wěn)定性好的基體材料中。優(yōu)點(diǎn)：耐輻照，耐腐蝕，導(dǎo)熱性能好，機(jī)械性能好；缺點(diǎn)：基體材料的存在稀釋了裂變材料，因此需要高裂變材料富集度。彌散顆粒和集體的熱導(dǎo)率均會(huì)影響彌散燃料的熱導(dǎo)率，如公式3-42?；w的影響較大。第二十八頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.5燃料元件材料的熱物性–包殼材料需考慮因素：良好核性能–低中子吸收截面，弱感生放射性與核材料相容較好的導(dǎo)熱性能良好的力學(xué)及機(jī)械特性較強(qiáng)的抗腐蝕才能良好的輻照穩(wěn)定性本錢低，易加工，便于后處理鋁，鎂，鋯，不銹鋼，石墨等第二十九頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.5燃料元件材料的熱物性–鋯合金高溫下抗水腐蝕鋯-4合金〔壓水堆〕，鋯-2及鋯-4合金〔沸水堆〕鋯-2，4的熱導(dǎo)率計(jì)算參見(jiàn)公式3-46，約六倍于氧化物燃料。比熱容計(jì)算參見(jiàn)3-47，48，49，接近UO2但考慮到其在燃料棒中所占比重較輕，一般不考慮其熱遲滯。第三十頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.5燃料元件材料的熱物性–不銹鋼及鎳基合金不銹鋼–良好的抗腐蝕和抗輻照性能，但中子吸收截面大，高溫水腐蝕快堆中使用較多–滿足快堆要求：熔點(diǎn)高；低輻照損傷及腫脹；良好的抗腐蝕性能，尤其是液態(tài)鈉。第三十一頁(yè)，共33頁(yè)。核科學(xué)與工程系3.5燃料元件材料的熱物性–輻照的影響對(duì)UO2的影響熔點(diǎn)–每10000MWd/ton燃耗下降32攝氏度，燃料全壽期內(nèi)約100攝氏度熱導(dǎo)率–隨燃耗增加而減小，參照?qǐng)D3-19。低溫下〔<500攝氏度〕影響較顯著。溫度高于1600攝氏度時(shí)，影響不明顯力學(xué)特性–低于1000攝氏度時(shí)，UO2表現(xiàn)脆性，芯塊較低熱應(yīng)力下便會(huì)發(fā)生龜裂。高溫下表現(xiàn)出熱蠕變性，輻照狀況下會(huì)得到加強(qiáng)。UO2的密實(shí)化–高溫下的靜壓力造成孔隙消失，芯塊體積減小