堆芯材料選擇和熱物性

堆芯材料選擇和熱物性1第1頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月堆芯結(jié)構(gòu)材料包括：1)燃料元件用材料：燃料芯塊材料、燃料包殼材料、燃料組件和部件材料、導(dǎo)向管材料；2)慢化劑；3)冷卻劑；4)反射層材料；5)控制材料：熱中子吸收材料及控制棒材料、控制棒包殼材料、控制棒構(gòu)件、液體控制材料；6)屏蔽材料；7)反應(yīng)堆容器材料。2第2頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)核燃料 可用作核燃料的元素不多，233U、235U、239Pu、241Pu的熱中子裂變截面較大，其中233U、235U、239Pu已被用作核燃料。

235U是存在于天然鈾礦中的核燃料。在天然鈾中，大量存在的是238U，約占99.28%，235U的含量大約只占0.714%，其余的約0.006%是234U。

235U和239Pu是在生產(chǎn)堆中用人工方法獲得的兩種核燃料。它們分別是由232Th和238U俘獲中子而形成的。其中239Pu是核彈頭的主要材料。3第3頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 241Pu的半衰期短，放射性強(qiáng)，裂變截面大，在反應(yīng)堆里面的積累量很少，所以很少單獨(dú)提取。另外一些超钚元素具有裂變材料的重要特點(diǎn)，適合于作為小型核武器和氫彈的引爆材料，它們是镅-242、鋸-245、鋸-247、锎-249和锎-251等。 選擇燃料時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)條件，最重要的是中子吸收截面，一般對(duì)快中子的吸收截面要比熱中子的小。其次是燃料密度，通常希望燃料密度大，但是為了改善純金屬鈾的物理性質(zhì)，曾試用合金燃料。還應(yīng)考慮，組成燃料元件的物質(zhì)是否容易獲得，加工制造和后處理是否困難，以及耐腐蝕、耐高溫、耐輻照的性能如何等重要因素?，F(xiàn)在的商用核電廠多采化合物形式的陶瓷體燃料。4第4頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、核燃料分類易裂變材料：鈾-235，鈾-233和钚-239可裂變（可轉(zhuǎn)換）材料：釷-232和鈾-238固體核燃料：金屬型（包括合金）、陶瓷型和彌散型。液體核燃料：核燃料與某種液體載體如水溶液、低熔點(diǎn)的熔鹽以及液態(tài)金屬等均勻混合。5第5頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固體核燃料的性能要求(１)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，尺寸與形狀的變化能保持在允許的范圍之內(nèi)；(２)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；(３)在高溫下與包殼材料的相容性好；(４)與冷卻劑接觸不產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕；(５)工藝性能好，制造成本低，便于后處理。6第6頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬鈾和鈾合金金屬鈾：主要優(yōu)點(diǎn)：密度高（＞18.6克/厘米3）；熱導(dǎo)率大；工藝性能良好。主要缺點(diǎn)：1、熔點(diǎn)低，而且熔點(diǎn)以下具有三種同素異形體，分別稱為α相（<668℃）、β相（668~774℃）、γ相（>774℃），各具有不同的結(jié)晶構(gòu)造。從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相，鈾的若干性質(zhì)要發(fā)生急劇的變化，這在反應(yīng)堆內(nèi)是不允許的；2、輻照穩(wěn)定性差，有輻照生長(zhǎng)和輻照腫脹現(xiàn)象。7第7頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鈾合金： 在鈾中加入適量的鉬、鋯、硅等元素，制成鈾合金，可提高鈾的輻照穩(wěn)定性，同時(shí)還能改善其而腐蝕性能。但是即使采取了這種措施，鈾合金的輻照穩(wěn)定性仍然比較差。后來(lái)由于性能更加良好的陶瓷型二氧化鈾獲得較快的發(fā)展，因而鈾合金在動(dòng)力堆中沒(méi)有被廣泛采用。8第8頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷型材料——二氧化鈾1、主要優(yōu)點(diǎn)：１)耐輻照：二氧化鈾沒(méi)有同素異形體，在熔點(diǎn)(2805℃)以下的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，只有一種結(jié)晶形態(tài)，并且是各向同性的，不可能發(fā)生象金屬鈾那樣的長(zhǎng)大現(xiàn)象。２)二氧化鈾的高熔點(diǎn)的特點(diǎn)大大擴(kuò)大了它的使用溫度范圍，它為現(xiàn)在和將來(lái)先進(jìn)的動(dòng)力反應(yīng)堆提供了達(dá)到高的熱效率的可能性。9第9頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月３)在高溫水和液態(tài)鈉中具有良好的耐腐蝕性能。即使在反應(yīng)堆運(yùn)行期間燃料元件包殼出現(xiàn)某種缺陷，二氧化鈾也不會(huì)和冷卻劑發(fā)生劇烈反應(yīng)，因而可以減輕由包殼破損造成的污染后果。４)與包殼材料(如鋯-2、鋯-4和不銹鋼等)和冷卻劑材料的相容性好。10第10頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷型核燃料——二氧化鈾主要熱物性：1、熔點(diǎn)：未經(jīng)輻照的二氧化鈾熔點(diǎn)的比較精確的測(cè)定值是2805±15℃。輻照以后，隨著固相裂變產(chǎn)物的積累，二氧化鈾的熔點(diǎn)會(huì)有所下降，燃耗越深，下降得越多。熔點(diǎn)隨燃耗增加而下降的數(shù)值約為：燃耗每增加104兆瓦·日／噸鈾，熔點(diǎn)下降32℃。2、密度：二氧化鈾的理論密度是10.98克／厘米3，但實(shí)際制造出來(lái)的二氧化鈾，由于存在孔隙，還達(dá)不到這個(gè)數(shù)值。加工方法不同，所得到的二氧化鈾制品的密度也就不一樣。11第11頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、熱導(dǎo)率：密度為95%理論值的冷壓燒結(jié)二氧化鈾，其熱導(dǎo)率通常用下述公式計(jì)算12第12頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷型核燃料——二氧化鈾其它密度下的燒結(jié)二氧化鈾的熱導(dǎo)率可用下述公式計(jì)算式中kp——帶孔隙的二氧化鈾的熱導(dǎo)率，瓦／(厘米·℃)；

k95——95%理論密度的二氧化鈾的熱導(dǎo)率，瓦／(厘米·℃)；ε——燃料的孔隙率，即燃料芯塊中的孔隙占燃料芯塊體積的份額。13第13頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷型核燃料——二氧化鈾燃耗對(duì)二氧化鈾熱導(dǎo)率的影響(溫度低于500℃)未輻照的二氧化鈾的熱導(dǎo)率隨溫度的變化14第14頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷型核燃料——二氧化鈾4、比熱在25℃＜t＜1226℃的情況下在1226℃＜ｔ＜2800℃的情況下在上面兩式中，cp的單位是焦/(千克·℃)，ｔ的單位是℃。

15第15頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷型核燃料——钚、鈾混合物钚、鈾氧化物(UO2+PuO2)優(yōu)點(diǎn)是熔點(diǎn)高，有良好的輻照穩(wěn)定性，同包殼和冷卻劑的相容性好。其缺點(diǎn)是金屬原子密度低。碳化物(UC+PuC)具有較高的金屬原子密度，在快堆中使用它可以得到更高的增殖比。此外，ＵＣ的熱導(dǎo)率比UO2的熱導(dǎo)率大得多(前者約是后者的五倍)。這類燃料的缺點(diǎn)是在高溫輻照下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腫脹。氮化物(UN+PuN)在使用溫度低于1250℃的情況下，燃料和包殼的相容性較好，輻照引起的腫脹也不象碳化物那樣厲害等。但是氮-14會(huì)俘獲中子。16第16頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月彌散型核燃料概念：把陶瓷型燃料顆粒用機(jī)械方法均勻地分布在非裂變材料基體中，這樣形成的一種燃料稱為彌散體燃料。所采用的基體材料，可以是金屬，如鋁、不銹鋼、鋯合金，也可以是非金屬，如石墨。高溫氣冷堆使用由氧化物或碳化物做成的包覆顆粒燃料在石墨基體中的彌散體。優(yōu)缺點(diǎn)：彌散體的各種性質(zhì)基本上與基體材料相同，它通常具有耐輻照，耐冷卻劑腐蝕，導(dǎo)熱性能好和較能承受熱應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是基體材料所占百分比大，必須采用濃縮鈾。17第17頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月彌散型核燃料熱物性：彌散體的比熱是通過(guò)把彌散體各個(gè)成分的比熱與彌散體各個(gè)成份所占的比例按線性關(guān)系組合求得的。密度可以用同樣方法求得。熱導(dǎo)率可以用雅各布(Jakob)推薦的方程進(jìn)行計(jì)算，該方程為：

式中kd——彌散體的熱導(dǎo)率，瓦／(米·℃)；

ks——基體的熱導(dǎo)率，瓦／(米·℃)；

kdp——彌散顆粒的熱導(dǎo)率，瓦／(米·℃)；

Vs——基體的總體積，米3；

Vdp——彌散顆粒總體積，米3；

；

18第18頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)包殼材料選擇包殼材料，必須綜合考慮下列因素：(１)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。(２)具有較好的導(dǎo)熱性能。(３)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，包殼和燃料的界面處不會(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)。(４)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。(５)應(yīng)有良好的抗腐蝕能力。(６)具有良好的輻照穩(wěn)定性。(７)容易加工成形，成本低廉，便于后處理。19第19頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鋯-2和鋯-4這兩種合金除了吸氫性能外其余性能都很相似。它們的熱中子吸收截面小，在高溫高壓去離子水和蒸汽中耐腐蝕性能好，在目前水冷動(dòng)力堆所采用的運(yùn)行溫度和壓力下有適宜的強(qiáng)度和韌性。鋯-2和鋯-4合金在水堆應(yīng)用中的唯一不足之處是有吸氫脆化趨勢(shì)，當(dāng)燃料包殼內(nèi)的氫含量達(dá)到一定限度后，包殼的機(jī)械性能就會(huì)明顯地惡化，發(fā)生所謂吸氫脆化現(xiàn)象，限制了包殼在堆內(nèi)的使用壽命。與鋯-2合金相比較，在相同條件下，鋯-4合金的吸氫率只有鋯-2合金的1/2—1/3，這是鋯-4合金優(yōu)于鋯-2合金的主要之處。

包殼材料——鋯合金20第20頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）熱導(dǎo)率鋯-4合金的熱導(dǎo)率鋯-2合金的熱導(dǎo)率或者統(tǒng)一采用下式計(jì)算包殼材料——鋯合金

21第21頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）比熱鋯-2合金的比熱當(dāng)t=0-633℃時(shí)當(dāng)t=633-813℃時(shí)當(dāng)t=972-1050℃時(shí)鋯-4合金的比熱當(dāng)0＜t＜750℃時(shí)當(dāng)ｔ＞750℃時(shí)取包殼材料——鋯合金

22第22頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月包殼材料——不銹鋼和鎳基合金在水冷動(dòng)力堆發(fā)展的初期，曾采用不銹鋼作包殼材料。它們對(duì)水、液態(tài)金屬和氣體都有良好的抗腐蝕性能。但是自從鋯合金研制成功并有足夠的產(chǎn)量以后，由于鋯合金的熱中子吸收截面比不銹鋼低，機(jī)械性能，物理性能和抗腐蝕性能又都和不銹鋼相近，因而，它就逐漸取代不銹鋼而得到優(yōu)先選用的地位。23第23頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月包殼材料——不銹鋼和鎳基合金在快中子堆中，因?yàn)槟茏V硬，結(jié)構(gòu)材料中子吸收截面小，中子的損失不大，所以在選擇快堆的包殼材料時(shí)主要是考慮材料的高溫性能和抗輻照操作性能。目前多采用奧氏體不銹鋼，有時(shí)也使用鎳基合金。這是因?yàn)檫@些材料的制造工藝成熟，容易獲得，價(jià)格也不太高。在快堆中采用奧氏體不銹鋼和鎳基合金也存在一些問(wèn)題，這主要有：(i)當(dāng)快中子積分通量超過(guò)1022中子／厘米2時(shí)材料會(huì)發(fā)生腫脹；(ii)在高溫下(600℃以上)有中子輻照脆化現(xiàn)象；(iii)裂變產(chǎn)物對(duì)材料有腐蝕作用，例如碲的晶間腐蝕等。24第24頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)冷卻劑冷卻劑希望具有下列特性：(１)中子吸收截面小，感生放射性弱。(２)具有良好的熱物性(比熱大，熱導(dǎo)率大，熔點(diǎn)低，沸點(diǎn)高等)，以便從較小的傳熱面帶走較多的熱量。(３)粘度低，密度高，使循環(huán)泵消耗的功率小。(４)與燃料和結(jié)構(gòu)材料的相容性好。(５)良好的輻照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。(６)慢化能力與反應(yīng)堆類型相匹配。(７)成本低，使用方便，盡量避免使用價(jià)格昂貴的材料。25第25頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻劑——水和重水水具有良好的熱物性，價(jià)格便宜，使用方便，所需唧送功率小，所以用水作慢化劑和冷卻劑的輕水堆得到了迅速發(fā)展。用水作冷卻劑的主要缺點(diǎn)是：(i)水的沸點(diǎn)低，為了使高溫水保持液態(tài)，一回路設(shè)備，包括反應(yīng)堆本體，須在高的壓力下運(yùn)行；(ii)存在沸騰臨界問(wèn)題，使得提高堆內(nèi)釋熱功率的可能性受到限制；(iii)水在高溫下的腐蝕作用相當(dāng)強(qiáng)，因此同高溫水相接觸的設(shè)備和部件須用耐腐蝕的高強(qiáng)度材料制造，如鋯合金、不銹鋼等。重水的性能除了中子吸收截面很小之外，均與輕水相近。重水慢化堆采用重水冷卻劑的好處是：可以減少核燃料的裝載量或降低核燃料的濃縮度。使用重水的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。26第26頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻劑——鈉主要優(yōu)點(diǎn)：(１)極優(yōu)的傳熱性能，反應(yīng)堆在高熱流工況下運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生象用水冷卻時(shí)所出現(xiàn)的沸騰臨界問(wèn)題。(２)熔點(diǎn)低，沸點(diǎn)高，采用低的系統(tǒng)壓力就可以得到高的冷卻劑溫度。這樣既能獲得高的動(dòng)力循環(huán)效率，又不致使反應(yīng)堆殼體和一回路系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)的壓力過(guò)高，從而可降低設(shè)備的造價(jià)。(３)具有高的導(dǎo)電性和特別好的流動(dòng)特性，使系統(tǒng)中的輸運(yùn)問(wèn)題變得比較簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用完全密封的交流或直流的電磁泵(當(dāng)然也可以用機(jī)械泵)。27第27頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻劑——鈉主要缺點(diǎn)：(１)鈉與水會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)。如果反應(yīng)是發(fā)生在一個(gè)有限的空間內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生爆炸。(２)溫度梯度質(zhì)量遷移。溫度梯度質(zhì)量遷移是指固體材料在溶解度高的高溫區(qū)被液態(tài)金屬所溶解，而在溶解度低的低溫區(qū)內(nèi)沉淀下來(lái)所產(chǎn)生的質(zhì)量遷移。(３)金屬的擴(kuò)散結(jié)合——自焊。在液態(tài)金屬系統(tǒng)中，同類合金配合面上的擴(kuò)散結(jié)合是一個(gè)特殊問(wèn)題，自焊會(huì)在低于焊接所要求的溫度下發(fā)生。(４)存在著由反應(yīng)性正空泡效應(yīng)引起的控制與安全問(wèn)題。28第28頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻劑——氦氣主要優(yōu)點(diǎn)：(１)與液體相對(duì)照，氣體的加熱溫度是不受壓力限制的，中子吸收截面也很低。(２)氣體的密度小，慢化能力弱，某些氣體也可以用作快堆的冷卻劑。(３)氦氣不活化，沒(méi)有相變，又是惰性氣體。純凈的氦，在高溫下也不腐蝕設(shè)備和管道。

29第29頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻劑——氦氣主要缺點(diǎn)：(１)比熱小，傳熱系數(shù)低，因而為了提高氣冷堆的輸熱能力，就必須適當(dāng)提高冷卻劑流量。因?yàn)檫@個(gè)緣故，氣冷堆消耗于唧送冷卻劑的功率十分可觀，它的堆芯也沒(méi)有水冷堆的緊湊。(２)價(jià)格昂貴，以及在維持一個(gè)不漏的高壓氦氣系統(tǒng)方面所遇到的麻煩，給使用氦氣增加了許多困難。30第30頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)H2O的物性水的物性包括熱力學(xué)性質(zhì)、輸運(yùn)性質(zhì)和其它性質(zhì)。熱力學(xué)性質(zhì)包括溫度、壓力、比容、比熱、焓和熵，輸運(yùn)性質(zhì)包括熱導(dǎo)率、動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度。其它性質(zhì)有表面張力、普朗特?cái)?shù)等。1984年9月在莫斯科召開(kāi)的第十屆國(guó)際水蒸氣性質(zhì)會(huì)議上通過(guò)了普通水三個(gè)國(guó)際骨架表，并于1985年11月由國(guó)際水蒸氣性質(zhì)協(xié)會(huì)(IAPS)公布，即《1985IAPS熱力學(xué)性質(zhì)國(guó)際骨架表》，它包括包和水和飽和水蒸氣的比容和焓骨架表，水和過(guò)熱蒸汽的比容骨架表與水和過(guò)熱蒸汽的焓骨架表，溫度范圍為273.15K~1073.15K，壓力達(dá)到1000MPa。水物性可主要參考由水利電力出版社出版，南京工學(xué)院鐘史明等著，清華大學(xué)趙兆頤審的《具有火用參數(shù)的水和水蒸氣性質(zhì)參數(shù)手冊(cè)》31第31頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水物性查表計(jì)算由于水物性的數(shù)據(jù)表只是一個(gè)骨架表，計(jì)算水物性時(shí)一般要用骨架標(biāo)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算。插值計(jì)算的方法有很多種，比如線性插值、多項(xiàng)式插值、樣條插值等等。在反應(yīng)堆熱工計(jì)算中，通常采用的是線性插值，只有在進(jìn)度要求比較高時(shí)，才有必要采用樣條插值或多項(xiàng)式插值。若采用多項(xiàng)式插值，一般次數(shù)不會(huì)超過(guò)三次多項(xiàng)式。在進(jìn)行插值計(jì)算的時(shí)候要注意以下幾點(diǎn)：一是盡可能采用內(nèi)插，因?yàn)楣羌鼙砝锩娴臄?shù)據(jù)沒(méi)有外推性；二是不能用兩相數(shù)據(jù)插值，如果插值點(diǎn)正好在兩相點(diǎn)附近，要采用所在相數(shù)據(jù)和飽和態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，因此通常要先判斷插值點(diǎn)的狀態(tài)，即處于液相還是氣相狀態(tài)。32第32頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月下面以計(jì)算熱導(dǎo)率的線性插值為例，來(lái)說(shuō)明如何查表計(jì)算水物性。我們記要查的點(diǎn)的基本狀態(tài)為（p,T），即壓力為p，溫度為T，則對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率為k(p,T)。通常在物性表里面不會(huì)有那么巧剛好有（p,T）點(diǎn)的物性數(shù)據(jù)，否則就不用插值了，直接就可以查到所需的數(shù)據(jù)了。在物性表里面沒(méi)有（p,T）點(diǎn)的物性數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們可以查到它對(duì)應(yīng)的前后左右的數(shù)據(jù)，如表2-2所示。33第33頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月34第34頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在表2-2中，T1<T<T2，p1<p<p2，且它們是物性表里面緊挨著的骨架表數(shù)據(jù)，這樣我們可以查到四個(gè)有用的數(shù)據(jù)，即k11、k12、k21和k22。通過(guò)k11和k12插值可以計(jì)算得到k(T,p1)，同樣通過(guò)k21和k22插值計(jì)算可以得到k(T,p2)。再由k(T,p1)和k(T,p2)進(jìn)行插值計(jì)算就可以得到我們所需要的k(p,T)了。35第35頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題2-1：求16MPa，310oC時(shí)水的熱導(dǎo)率。36第36頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二步，由于表III-1（6）中，300oC以上相鄰的數(shù)據(jù)就是350oC，因?yàn)椴荒軆上嗖逯?，因此需要?jì)算飽和態(tài)Ts=347.23oC時(shí)的熱導(dǎo)率。37第37頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月38第38頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)1、常用的固體核燃料有哪些？二氧化鈾作為核燃料有什么優(yōu)缺點(diǎn)？2、反應(yīng)堆對(duì)冷卻劑的要求是什么？水作為冷卻劑，有什么優(yōu)缺點(diǎn)？3、選擇反應(yīng)堆包殼材料時(shí)，必須綜合考慮哪些因素？有哪些常用的包殼材料？39第39頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)反應(yīng)堆的熱源及其分布

一、核裂變產(chǎn)生的能量及其在堆芯內(nèi)的分布40第40頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、堆內(nèi)的熱源類型來(lái)源能量(兆電子伏)射程釋熱地點(diǎn)裂變裂變瞬間直接放出的能量裂變碎片的動(dòng)能168極短在燃料元件內(nèi)大分部裂變中子的動(dòng)能5中在慢化劑內(nèi)堆內(nèi)各處瞬發(fā)γ射線的能量7長(zhǎng)裂變后各種過(guò)程放出的能量裂變產(chǎn)物衰變的β7短大部分在燃料元件內(nèi),小部分在慢化劑內(nèi)γ射線能6長(zhǎng)堆內(nèi)各處過(guò)剩中子引起的(n,γ)反應(yīng)過(guò)剩中子引起的燃料，結(jié)構(gòu)材料和冷卻劑的（n，r）反應(yīng)及其產(chǎn)物的r衰變能量過(guò)剩中子引起的(n,γ)加上(n,γ)反應(yīng)產(chǎn)物的β衰變和γ衰變能≈7有短有長(zhǎng)堆內(nèi)各處總計(jì)≈20041第41頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同核素所釋放的裂變能穩(wěn)定值

核素Ef(兆電子伏)核素Ef（兆電子伏）232Th196.2±1.1238U208.5±1.1233U199.0±1.1239Pu210.7±1.2235U201.7±0.6241Pu213.8±1.042第42頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月堆內(nèi)熱源的近似空間分布 裂變碎片的射程最短，小于0.025mm，因此可以認(rèn)為裂變碎片動(dòng)能都是在燃料芯塊內(nèi)熱能的形式釋放出來(lái)的。裂變產(chǎn)物的射線的射程也很短，在鈾芯塊內(nèi)也就幾個(gè)毫米，它的能量大部分也是在燃料芯塊內(nèi)釋放出來(lái)的。因此，裂變能的絕大部分在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能，少量在慢化劑內(nèi)釋放，通常取97.4%在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能。43第43頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 從以上的分析可以看出，裂變能的絕大部份是在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能的，所以輸出燃料元件內(nèi)所產(chǎn)生的熱量的熱工水力問(wèn)題就成為反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。堆內(nèi)熱源及其分布還與時(shí)間有關(guān)，新裝料、平衡運(yùn)行和停堆后都不相同。在缺乏精確數(shù)據(jù)的情況下，往往取燃料元件的釋熱量占堆總釋熱量的97.4％；而在沸水堆中取燃料元件的釋熱量占堆總釋熱量的96％。堆內(nèi)熱源的近似空間分布44第44頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核裂變率 單位時(shí)間，單位體積內(nèi)燃料內(nèi)發(fā)生的裂變次數(shù)，用Ｒ表示，單位是（２－１）式中為熱中子裂變宏觀截面 為核子密度 為熱中子微觀截面 為中子通量密度45第45頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核子密度： 單位體積內(nèi)的核子數(shù)，用Ｎ表示，單位為 例：求中的核子密度 解： 式中是阿伏加德羅常數(shù)，6.022×／克分子 是的克分子質(zhì)量 是在Ｕ中的豐度（同位素核數(shù)比） 是的密度46第46頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月47第47頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 體積釋熱率是單位時(shí)間、單位體積內(nèi)釋放的熱能的度量，也稱為功率密度。要注意的是，體積釋熱率指的是已經(jīng)轉(zhuǎn)化為熱能的能量，并不是在該體積單元內(nèi)釋放出的全部能量，因?yàn)橛行┠芰浚ɡ绂律渚€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)法轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。體積釋熱率均勻化后堆芯內(nèi)的體積釋熱率為：48第48頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月這樣，根據(jù)體積釋熱率，我們就可以得到堆芯的總熱功率了。49第49頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 由于屏蔽層、各種結(jié)構(gòu)件和冷卻劑內(nèi)等處的釋熱也是反應(yīng)堆總功率的一部分，因此反應(yīng)堆總熱功率為：50第50頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)堆芯內(nèi)單位體積的釋熱率為qv，則它的表達(dá)式為：

如果堆芯的體積為V0（米3），則整個(gè)堆芯釋出的熱功率N0為：千瓦如果計(jì)入位于堆芯之外的反射層、熱屏蔽等的釋熱量，則反應(yīng)堆釋出的熱功率應(yīng)為Nt

體積釋熱率及其分布兆電子伏/秒千瓦或者：兆電子伏/秒51第51頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 什么是均勻裸堆？均勻裸堆是一個(gè)極其簡(jiǎn)化的堆芯模型。首先假設(shè)富集度相同的燃料均勻分布在整個(gè)活性區(qū)內(nèi)，這就是所謂的均勻；其次是活性區(qū)外面沒(méi)有反射層，也就是裸堆的意思。均勻裸對(duì)雖然做了這樣的簡(jiǎn)化，但是在進(jìn)行理論分析的時(shí)候還是極其有用的。因?yàn)殡m然實(shí)際的反應(yīng)堆燃料元件在不同區(qū)的富集度是不同的，而且由于堆芯內(nèi)有冷卻劑和結(jié)構(gòu)材料的存在，燃料更不可能均勻分布；為了更有效的利用中子，說(shuō)有堆都是有反射層的，因此實(shí)際上的均勻裸對(duì)是不存在的。但是由于均勻裸堆在很多時(shí)候可以得到理論解，通過(guò)對(duì)均勻裸堆的分析，我們可以從總體上把握一個(gè)反應(yīng)堆的各項(xiàng)特性。均勻裸堆釋熱率分布

52第52頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月下面我們來(lái)回顧一下在反應(yīng)堆物理里面得到的均勻裸堆中子通量分布的一些結(jié)論。均勻裸對(duì)活性區(qū)熱中子通量分布53第53頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月均勻裸堆中子通量分布54第54頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 目前絕大部分的堆都采用圓柱形堆芯，圓柱形堆芯的均勻裸堆，熱中子通量分布在高度方向上為余弦分布，半徑方向上為零階貝塞爾函數(shù)分布。55第55頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在3-15式里面，出現(xiàn)了外推高度和外對(duì)半徑，在中子物理學(xué)里面都有詳細(xì)的介紹。在這了，我們做一些簡(jiǎn)單的回顧。外推半徑示意圖56第56頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有了均勻裸堆的熱中子通量分布后，就可以得到均勻裸堆的釋熱率分布了。 注意：這樣得到的是把全堆芯均勻化之后的結(jié)果，若考慮元件棒和慢化劑的不均勻分布，導(dǎo)致裂變能在不同的地方被不同材料吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，裂變能的絕大部分在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能，少量在慢化劑和其它結(jié)構(gòu)材料內(nèi)釋放，則元件棒內(nèi)的釋熱率為：57第57頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 特別值得注意的是，堆芯內(nèi)的釋熱率空間分布是隨燃耗壽期而改變的，在對(duì)堆芯作較詳細(xì)的熱工分析時(shí)，堆芯釋熱率分布也就是中子通量分布隨壽期的變化應(yīng)有堆物理計(jì)算得到。58第58頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月堆內(nèi)熱源及其分布與時(shí)間的關(guān)系一個(gè)剛啟動(dòng)的新堆，因?yàn)槎研緝?nèi)的裂變產(chǎn)物尚未達(dá)到一定的數(shù)量，衰變過(guò)程尚未達(dá)到平衡，所以由裂變產(chǎn)物產(chǎn)生的能量低于上表中穩(wěn)定值。在經(jīng)過(guò)了短時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行之后，裂變能量才達(dá)到平衡值。在停堆后由于緩發(fā)中子引起的裂變、裂變產(chǎn)物及輻射俘獲產(chǎn)物的衰變，堆芯內(nèi)還要繼續(xù)放出較多的熱量。也就是說(shuō)，一個(gè)反應(yīng)堆在穩(wěn)定運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后停堆，功率不是立刻就下降到零而是降到一個(gè)相當(dāng)?shù)偷臄?shù)值（運(yùn)行功率的６％左右），而后便從這個(gè)水平繼續(xù)衰減。59第59頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

停堆后反應(yīng)堆的功率：停堆后熱源 ●剩余裂變功率：緩發(fā)中子引起的核裂變 ●衰變功率：裂變產(chǎn)物的衰變和中子俘獲產(chǎn)物衰變60第60頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月功率隨時(shí)間關(guān)系

剩余裂變產(chǎn)物引起：對(duì)輕水堆對(duì)重水堆裂變產(chǎn)物衰變引起：

對(duì)不同的t，a和Ａ的值是不同的，有數(shù)據(jù)可查．中子俘獲產(chǎn)物衰變引起：指的衰變功率．61第61頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 前面講的均勻裸堆的釋熱率分布能夠給我們一個(gè)宏觀的功率分布圖像，在實(shí)際的反應(yīng)堆里面，由于存在許許多多的非均勻因素，使得計(jì)算實(shí)際的功率分布非常復(fù)雜，往往需要大型的物理計(jì)算程序計(jì)算得到。下面我們從定性的角度出發(fā)，來(lái)看看都有哪些因素對(duì)功率分布有影響。二、影響堆芯功率分布的因素62第62頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月燃料布置對(duì)功率分布的影響63第63頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 首先，燃料布置對(duì)功率分布影響很大。壓水堆通常把燃料元件以適當(dāng)?shù)臇啪嗯帕谐蔀闁抨嚕⑶矣貌煌患鹊娜剂显謪^(qū)布置。圖3-9是壓水堆三區(qū)布置時(shí)的歸一化功率分布，通常I區(qū)的燃料富集度是最低的，III區(qū)的燃料富集度最高。在實(shí)際的換料操作中，并不是一次換全部的料，而是把新料放在III區(qū)，原來(lái)III區(qū)的燃料往里挪到III區(qū)，II區(qū)的挪到I區(qū)，I區(qū)的乏燃料換出來(lái)進(jìn)入乏燃料儲(chǔ)存井。我們發(fā)現(xiàn)燃料采用分區(qū)不止后，在半徑方向上的功率分布已經(jīng)不是零階貝塞爾函數(shù)分布了。燃料布置對(duì)功率分布的影響64第64頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 幾乎所有的反應(yīng)堆都有控制棒，控制棒對(duì)堆芯功率分布的影響可以由圖3-10進(jìn)行分析。圖中的虛線是沒(méi)有控制棒情況下的徑向功率分布，在均勻裸堆情況下是零階貝塞爾函數(shù)分布；圖中實(shí)線所示是在堆中心區(qū)域插入控制棒后的徑向功率分布。我們看到，由于控制棒是熱中子的