新能源發(fā)電技術(shù) 電子課件 2.2 核反應(yīng)堆的熱工分析

2.2核反應(yīng)堆的熱工分析任課老師：于立軍2019年02月目錄Contents反應(yīng)堆熱源2.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)堆的傳熱過(guò)程2.2.12.2.3目錄Contents反應(yīng)堆熱源2.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)堆的傳熱過(guò)程2.2.32.2.12.2.1堆的熱源反應(yīng)堆內(nèi)的熱量來(lái)自核裂變釋放的能量，每次裂變釋放的能量平均約為200MeV。約84%裂變碎片的動(dòng)能γ與β射線(xiàn)其余2.2.1堆的熱源裂變能的分布與反應(yīng)堆的具體設(shè)計(jì)有關(guān)，對(duì)于熱中子反應(yīng)堆，一般來(lái)說(shuō)，90%以上的總裂變能是在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)換成熱能的，大約5%的總裂變能在慢化劑中轉(zhuǎn)換成熱能，剩余不到5%則在反射層、熱屏蔽等部件中轉(zhuǎn)換成熱能。2.2.1堆的熱源壓水動(dòng)力堆燃料元件的釋熱量占反應(yīng)堆總釋熱量的97.4%。沸水堆燃料元件的釋熱量占堆總釋熱量的96%。燃料元件釋熱量占比熱工分析目的及時(shí)輸出燃料元件內(nèi)產(chǎn)生的熱量2.2.1堆的熱源特別需要注意的是，反應(yīng)堆停止運(yùn)行后，反應(yīng)堆的功率不會(huì)一下子降為零，而是按照一定的規(guī)律衰減。熱量來(lái)源燃料棒內(nèi)儲(chǔ)存的顯熱剩余中子引起的核裂變

（剩余裂變發(fā)熱）裂變產(chǎn)物及中子俘獲反應(yīng)產(chǎn)物的衰變（衰變熱）燃料棒內(nèi)的顯熱、剩余裂變熱約在30s內(nèi)傳出，其后的冷卻要求完全取決于衰變熱。目錄Contents反應(yīng)堆熱源2.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)堆的傳熱過(guò)程2.2.12.2.32.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)燃料元件名稱(chēng)極其繁多，這主要是由于不同的分類(lèi)方法造成的。下面介紹幾種主要的燃料元件分類(lèi)方法：按燃料類(lèi)型：

可分為金屬型燃料元件、彌散型燃料元件和陶瓷型燃料元件三種。

輕水堆燃料元件（二氧化鈾）屬于陶瓷型燃料元件。按幾何形狀：

可分為棒狀、板狀、管狀和球狀等燃料元件形式。

輕水堆幾乎全部用棒狀燃料元件。按反應(yīng)堆類(lèi)型：

反應(yīng)堆型+燃料元件。如輕水堆燃料元件、重水堆燃料元件。2.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)雖然燃料元件種類(lèi)繁多，但是不論何種形狀和形式的燃料元件，其組成不外乎兩大部分：燃料棒和骨架。2.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)燃料棒結(jié)構(gòu)典型的壓水堆燃料棒由UO2芯塊、鋯合金包殼、端塞、壓緊彈簧及氦氣腔組成。鋯合金在300～400℃的高溫高壓水和蒸汽中有良好的耐蝕性能、適中的力學(xué)性能、較低的原子熱中子吸收截面（鋯為0.18靶恩），對(duì)核燃料有良好的相容性，因此常用作水冷核反應(yīng)堆的包殼材料。壓水堆燃料棒上端塞貯氣腔壓緊彈簧包殼燃料芯塊上端塞2.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)燃料棒結(jié)構(gòu)包殼中留有足夠的空間和間隙，用于補(bǔ)償包殼和燃料芯塊不同的熱膨脹，以及芯塊的輻照膨脹，并且作容納裂變氣體的膨脹室。上端塞帶有一個(gè)小孔，用于制造時(shí)往包殼內(nèi)充氦氣加壓至2.0MPa，以減少包殼蠕變和增加燃料棒的導(dǎo)熱性能和可靠性。用氦氣加壓后，用熔焊將小孔封死。包殼內(nèi)的壓緊彈簧可以防止運(yùn)輸與操作過(guò)程中芯塊的竄動(dòng)。壓水堆燃料棒上端塞貯氣腔壓緊彈簧包殼燃料芯塊上端塞2.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)燃料元件的骨架是支撐燃料棒束的結(jié)構(gòu)部件它承受冷卻劑的沖刷，和緊急停堆時(shí)數(shù)十公斤的控制棒突然下落產(chǎn)生的沖擊力。此外，堆內(nèi)的高溫和強(qiáng)烈的中子輻照也會(huì)是骨架的機(jī)械性能發(fā)生變化甚至發(fā)生彎曲。因此，骨架的結(jié)構(gòu)決定了燃料元件的剛性，它的幾何尺寸直接影響元件的外形。壓水堆燃料元件骨架燃料元件骨架目錄Contents反應(yīng)堆熱源2.2.2燃料元件結(jié)構(gòu)堆的傳熱過(guò)程2.2.12.2.32.2.3堆的傳熱過(guò)程熱交換方式熱傳導(dǎo)熱對(duì)流熱輻射（水冷堆）（高溫氣冷堆）2.2.3堆的傳熱過(guò)程反應(yīng)堆內(nèi)的傳熱過(guò)程就是指燃料元件內(nèi)產(chǎn)生的裂變熱經(jīng)一系列過(guò)程傳給冷卻劑。其主要過(guò)程包括：燃料芯塊導(dǎo)熱→燃料-包殼間間隙導(dǎo)熱→包殼導(dǎo)熱→包殼表面向冷卻劑對(duì)流換熱。棒狀燃料元件徑向的溫度分布情況如圖所示。棒狀燃料元件徑向溫度分布燃料芯氣隙包殼冷卻劑tcitcstut02.2.3堆的傳熱過(guò)程燃料元件與冷卻劑的傳熱過(guò)程分析燃料芯塊導(dǎo)熱屬于有內(nèi)熱源的圓柱形芯塊溫度場(chǎng)問(wèn)題。燃料芯塊內(nèi)部導(dǎo)熱的主要計(jì)算式為：

t0為燃料芯塊的中心溫度tu為燃料芯塊的表面溫度為燃料芯塊的熱導(dǎo)率

ql為線(xiàn)功率（1）燃料芯塊內(nèi)的導(dǎo)熱t(yī)0tur

2.2.3堆的傳熱過(guò)程燃料元件與冷卻劑的傳熱過(guò)程分析（2） 氣體間隙導(dǎo)熱。燃料芯塊與包殼之間存在很薄的間隙，通常情況下，使用氣隙導(dǎo)熱模型來(lái)計(jì)算。其主要計(jì)算式為：tci為包殼內(nèi)表面的溫度為氣體間隙的熱導(dǎo)率dci為燃料芯塊直徑du為包殼內(nèi)表面直徑反應(yīng)堆長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，燃料芯塊可能會(huì)與包殼直接接觸，不能再使用上述的氣隙導(dǎo)熱模型了，需要利用接觸導(dǎo)熱模型進(jìn)行計(jì)算。tutcidcidu2.2.3堆的傳熱過(guò)程燃料元件與冷卻劑的傳熱過(guò)程分析（3）包殼導(dǎo)熱。包殼導(dǎo)熱屬于最常見(jiàn)的無(wú)熱源圓筒壁導(dǎo)熱問(wèn)題。其主要計(jì)算式為：

tcs為包殼外表面的溫度為包殼的熱導(dǎo)率

dcs為包殼外表面直徑tcitcs

dcs2.2.3堆的傳熱過(guò)程燃料元件與冷卻劑的傳熱過(guò)程分析（4）包殼與冷卻劑的單相對(duì)流換熱冷卻劑的主要目的就是通過(guò)對(duì)流換熱把燃料芯塊內(nèi)產(chǎn)生的熱量給傳遞出去。因此其主要計(jì)算式為：

tf為冷卻劑的溫度h為冷卻劑與包殼的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Al為單位軸向長(zhǎng)度的換熱面積。各變量均為軸向位置z的函數(shù)tftcs2.2.3堆的傳熱過(guò)程燃料元件與冷卻劑的傳熱過(guò)程分析冷卻劑流過(guò)燃料元件時(shí)，溫度升高。假設(shè)冷卻劑從堆芯進(jìn)口到位置z處的換熱量為Q(z)，則冷卻劑的溫升為：W為冷卻劑的質(zhì)量流量cp為冷卻劑的比熱容。（5）冷卻劑換熱升溫tf2.2.3堆的傳熱過(guò)程當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)的傳熱過(guò)程出現(xiàn)異常，冷卻劑不能及時(shí)地把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳遞出去的時(shí)候，就極有可能會(huì)發(fā)生堆芯熔化事故。堆芯熔化的過(guò)程一般如下：當(dāng)堆芯