反应堆内的释热

1、第三讲第三讲 反应堆内的释热反应堆内的释热目录目录u 核裂变产生的能量及其在堆芯内的分布核裂变产生的能量及其在堆芯内的分布 u 核热通（热管）道因子核热通（热管）道因子u 燃料棒和堆芯释热计算燃料棒和堆芯释热计算u 结构材料、慢化剂和压力容器的释热结构材料、慢化剂和压力容器的释热u 停堆后的释热及其冷却停堆后的释热及其冷却 核裂变产生的能量及其在堆芯内的分布核裂变产生的能量及其在堆芯内的分布o 反应堆所能允许产生的功率大小，主要取决于反应堆所能允许产生的功率大小，主要取决于反应堆传输热量的能力。反应堆传输热量的能力。o 要使反应堆在某一功率下安全运行，就必须采要使反应堆在某一功率下安全运行，就

2、必须采用适当的输热系统把堆内释热传输出来，以便用适当的输热系统把堆内释热传输出来，以便保证反应堆内各处的温度都不超过限定值。保证反应堆内各处的温度都不超过限定值。 o 为了计算反应堆释出的热功率和堆内温度分布，为了计算反应堆释出的热功率和堆内温度分布，首先必须了解堆内热源的由来及其分布。首先必须了解堆内热源的由来及其分布。o 堆内热源的分布取决于堆的具体设计，即堆的堆内热源的分布取决于堆的具体设计，即堆的类型、堆芯的形状以及堆内燃料、控制棒、慢类型、堆芯的形状以及堆内燃料、控制棒、慢化剂、冷却剂、反射层等的布置。化剂、冷却剂、反射层等的布置。 反应堆压力容器反应堆压力容器反应堆的热源反应堆的热

3、源反应堆的热源来自反应堆的热源来自核裂变过程核裂变过程和和堆内材料与中子的辐射俘获堆内材料与中子的辐射俘获（ ）反应）反应中所释放出来的能量中所释放出来的能量, n84%反应堆的热源反应堆的热源o 从以上分析可以看出，裂变能的绝大部分是在从以上分析可以看出，裂变能的绝大部分是在燃料元件内转化成热能的。燃料元件内转化成热能的。 o 在缺乏精确数据的情况下，对于热堆可以假定在缺乏精确数据的情况下，对于热堆可以假定90以上的总裂变能是在燃料元件内转化成以上的总裂变能是在燃料元件内转化成热能的，大约热能的，大约5的总裂变能是在慢化剂中转的总裂变能是在慢化剂中转化成热能的，而余下的不足化成热能的，而余下

4、的不足5的总裂变能则的总裂变能则在反射层、热屏蔽和堆内部件中转化成热能。在反射层、热屏蔽和堆内部件中转化成热能。o 近年来在大型压水堆设计中，往往取燃料元件近年来在大型压水堆设计中，往往取燃料元件的释热量占堆总释热量的的释热量占堆总释热量的97.4。 堆芯体积释热率堆芯体积释热率堆芯体积释热率堆芯体积释热率(续续)堆芯和燃料元件的功率强度表示法堆芯和燃料元件的功率强度表示法 堆芯和燃料元件的功率强度表示法堆芯和燃料元件的功率强度表示法 2.1.3 堆芯和燃料元件的功率强度表示法堆芯和燃料元件的功率强度表示法 2.1.3 堆芯和燃料元件的功率强度表示法堆芯和燃料元件的功率强度表示法 2.1.3

5、堆芯和燃料元件的功率强度表示法堆芯和燃料元件的功率强度表示法 堆芯内释热率的分布堆芯内释热率的分布堆芯内释热率的分布堆芯内释热率的分布堆芯内释热率的分布堆芯内释热率的分布堆芯内释热率的分布堆芯内释热率的分布影响堆芯功率分布的因素影响堆芯功率分布的因素1 燃料装载对功率分布的影响燃料装载对功率分布的影响 早期大多数压水堆采用均匀装载燃料，其缺点是堆芯中早期大多数压水堆采用均匀装载燃料，其缺点是堆芯中央区会出现高的功率峰值。央区会出现高的功率峰值。 此外，即使在寿期末期，最外围的燃料元件也只有中等此外，即使在寿期末期，最外围的燃料元件也只有中等程度的燃耗，所以平均燃耗比较低。克服这些缺点的一种途程

6、度的燃耗，所以平均燃耗比较低。克服这些缺点的一种途经是采用分区装载燃料，即堆芯装载三种或多种不同富集度经是采用分区装载燃料，即堆芯装载三种或多种不同富集度的燃料元件。富集度最高的燃料元件装在堆芯最外区，富集的燃料元件。富集度最高的燃料元件装在堆芯最外区，富集度最低的燃料元件装在堆芯中央区。既然功率密度近似地正度最低的燃料元件装在堆芯中央区。既然功率密度近似地正比于热中子注量率与可裂变燃料富集度之积，那么这种装料比于热中子注量率与可裂变燃料富集度之积，那么这种装料方案就会降低堆芯内区的功率水平和提高外区的功率水平。方案就会降低堆芯内区的功率水平和提高外区的功率水平。 对于采用三区分批装料的反应堆

7、，图对于采用三区分批装料的反应堆，图2323示出了换料后示出了换料后平衡堆芯内的典型径向功率分布。图中给出的功率分布是给平衡堆芯内的典型径向功率分布。图中给出的功率分布是给定点的功率与该点轴向位置处的堆芯平均功率之比。这种装定点的功率与该点轴向位置处的堆芯平均功率之比。这种装料方案，随着燃耗的加深，峰值功率要降低，而低功率区内料方案，随着燃耗的加深，峰值功率要降低，而低功率区内的功率却升高。的功率却升高。影响堆芯功率分布的因素影响堆芯功率分布的因素影响堆芯功率分布的因素影响堆芯功率分布的因素2 控制棒对功率分布的影响控制棒对功率分布的影响影响堆芯功率分布的因素2 控制棒对功率分布的影响控制棒对

8、功率分布的影响影响堆芯功率分布的因素3 水隙和空泡对功率分布的影响水隙和空泡对功率分布的影响在压水堆堆芯最热在压水堆堆芯最热区可能产生蒸汽，区可能产生蒸汽，蒸汽泡的存在会使蒸汽泡的存在会使反应性下降，从而反应性下降，从而使空泡区域的中子使空泡区域的中子注量率及其功率相注量率及其功率相应降低。在反应堆应降低。在反应堆瞬态工况和事故工瞬态工况和事故工况下，冷却剂的比况下，冷却剂的比焓大大高于其正常焓大大高于其正常值，这种空泡效应值，这种空泡效应更加显著。由于产更加显著。由于产生蒸汽空泡会使功生蒸汽空泡会使功率降低，所以可减率降低，所以可减轻某些事故的严重轻某些事故的严重性。性。影响堆芯功率分布的因

9、素4 结构材料对功率的扰动结构材料对功率的扰动 燃料棒包壳、组件定位格架以及支撑结构等都是中子燃料棒包壳、组件定位格架以及支撑结构等都是中子吸收体，它们会引起中子注量率局部降低。吸收体，它们会引起中子注量率局部降低。如果材料的中子吸收截面低，这种影响较小；如果材如果材料的中子吸收截面低，这种影响较小；如果材料的中子吸收截面高，这种影响就相当可观。料的中子吸收截面高，这种影响就相当可观。 核热通道（热管）因子核热通道（热管）因子核热通道（热管）因子核热通道（热管）因子o热通道因子：热通道因子： 为了衡量各有关热工参量的最大值偏离其为了衡量各有关热工参量的最大值偏离其平均值（或名义值）的程度，引进

10、了一种修平均值（或名义值）的程度，引进了一种修正因子，这种修正因子称之为热通道因子正因子，这种修正因子称之为热通道因子（也称热管因子）。热通道因子是用各有关（也称热管因子）。热通道因子是用各有关热工（或物理）参量的最大值与其平均值的热工（或物理）参量的最大值与其平均值的比值来表示的。比值来表示的。o热通道因子的分类：热通道因子的分类： 一般把热通道因子分为两大类：一类是一般把热通道因子分为两大类：一类是核热通道因子；一类是工程热通道因子。核热通道因子；一类是工程热通道因子。 核热通道（热管）因子核热通道（热管）因子NNNqRZFFF热通道的最大热流密度堆芯平均通道的平均热流密度径向核热通道因子

11、：NRF热通道的平均热流密度堆芯平均通道的平均热流密度 轴向核热通道因子：NZF热通道的最大热流密度热通道的平均热流密度热流密度核热通道因子： NNNNNNqRZLUFFFFFF局部峰核热通道因子NLF NFNUF方位角修正因子核计算误差修正因子 单根燃料棒的释热计算单根燃料棒的释热计算 o 中子注量率及体积释热率在单中子注量率及体积释热率在单根燃料元件内并不是常数。在根燃料元件内并不是常数。在压水堆内，燃料元件一般是垂压水堆内，燃料元件一般是垂直地放在非均匀堆芯内，其活直地放在非均匀堆芯内，其活性区长度等于堆芯燃料高度性区长度等于堆芯燃料高度H，如图所示。如图所示。o 每根燃料棒的横截面积与

12、整个每根燃料棒的横截面积与整个堆芯横截面积相比是如此之小，堆芯横截面积相比是如此之小，以至于可以忽略燃料棒内中子以至于可以忽略燃料棒内中子注量率的径向变化。但是燃料注量率的径向变化。但是燃料棒内中子注量率的轴向变化及棒内中子注量率的轴向变化及体积释热率的轴向变化必须予体积释热率的轴向变化必须予以考虑。这个变化可以看作是以考虑。这个变化可以看作是燃料棒所在位置的堆芯中子注燃料棒所在位置的堆芯中子注量率的轴向变化量率的轴向变化。 单根燃料棒的释热计算单根燃料棒的释热计算/ 2,/ 2( )( ,)Hfv fuHPrqr z A dz,02.405( , )(0,0)()cos()Rev fv fr

13、zqr zqJHe单根燃料棒的释热计算单根燃料棒的释热计算/2,0/22.405( )(0,0)()cos()ReHfv fuHrzP rqJA dzHe常数常数/2,0/22.405( )(0,0)()cos()ReHfuv fHrzP rA qJdzHe积分积分,022.405( )(0,0)()sin()Re2fv furHP rqA He JHeHHe,022.405( )(0,0)()Refv furP rqA He J7,(0,0)1.602 10(0,0)v fCfffqF E N 式中，式中，非均匀堆芯的总释热非均匀堆芯的总释热 ,(0,0)NNNqRZv fv fFFFqq热

14、通道的最大热流密度堆芯平均通道的平均热流密度最大燃料体积释热率平均燃料体积释热率,(0,0)/Nv fv fqqqF,(0,0)v fuc tv fuNqqNA HPqNA HFN为堆芯内燃料棒总数目 堆芯结构材料内的释热堆芯结构材料内的释热 慢化剂的释热慢化剂的释热 压力容器或厚壁构件的释热压力容器或厚壁构件的释热 o 在反应堆的压力容器、反射层、热屏蔽和控制棒在反应堆的压力容器、反射层、热屏蔽和控制棒等部件中产生的热量，主要由这些部件的材料吸等部件中产生的热量，主要由这些部件的材料吸收收 射线而生成的。射线而生成的。o 射线的来源有三个，即裂变时瞬发射线、裂变射线的来源有三个，即裂变时瞬发

15、射线、裂变产物衰变时放出的射线和中子俘获产物放出的射产物衰变时放出的射线和中子俘获产物放出的射线。线。 o 在压力容器、反射层、热屏蔽等堆内部件中热源的在压力容器、反射层、热屏蔽等堆内部件中热源的强度可以粗略地认为是指数函数衰减的规律分布的。强度可以粗略地认为是指数函数衰减的规律分布的。 10,0( )1.6 10(1)xviiqxB Ie停堆后的释热及其冷却停堆后的释热及其冷却 o 在反应堆停堆后，由于剩余中子在一段很短时间内在反应堆停堆后，由于剩余中子在一段很短时间内还会引起裂变，堆内裂变产物和中子俘获产物还会还会引起裂变，堆内裂变产物和中子俘获产物还会在很长的时间内衰变，因而堆芯仍有一定

16、的释热率。在很长的时间内衰变，因而堆芯仍有一定的释热率。这种现象称为停堆后的释热，与此相应的功率称为这种现象称为停堆后的释热，与此相应的功率称为停堆后的功率停堆后的功率 . 快速停堆后堆芯快速停堆后堆芯相对功率和相对相对功率和相对热流密度随时间热流密度随时间的变化（虚线表的变化（虚线表示有效快速停堆示有效快速停堆时刻）时刻） 停堆后的释热功率停堆后的释热功率 （1）剩余中子引起的裂变）剩余中子引起的裂变功率功率 在停堆后，剩余中子引起的裂在停堆后，剩余中子引起的裂变功率可分为如下两种情况：变功率可分为如下两种情况：在停堆后极短的时间（秒）在停堆后极短的时间（秒）内，剩余中子功率主要是瞬内，剩余

17、中子功率主要是瞬发中子引起的裂变功率；在发中子引起的裂变功率；在停堆后较长时间（停堆后较长时间（130秒）秒）内，剩余中子功率主要是缓内，剩余中子功率主要是缓发中子引起的裂变功率。发中子引起的裂变功率。 （2）裂变产物衰变功率）裂变产物衰变功率 裂变产物放射性（和射线）衰变热在停堆后很长时间内是停堆裂变产物放射性（和射线）衰变热在停堆后很长时间内是停堆后功率的主要部分。一般说来，裂变产物衰变功率与停堆前裂变后功率的主要部分。一般说来，裂变产物衰变功率与停堆前裂变产物的总产额以及这些产物在停堆后衰变程度有关。前者主要取产物的总产额以及这些产物在停堆后衰变程度有关。前者主要取决于堆的初始功率并与此

18、功率下运行的时间有关。决于堆的初始功率并与此功率下运行的时间有关。（3）中子俘获产物衰变功率）中子俘获产物衰变功率 中子俘获产物衰变功率是指燃料内俘获中子后的产物和的放射中子俘获产物衰变功率是指燃料内俘获中子后的产物和的放射性衰变热。性衰变热。停堆后的冷却停堆后的冷却 o 停堆后继续释放的功率虽然只有稳态满功率停堆后继续释放的功率虽然只有稳态满功率的百分之几，但其绝对值却仍然是一个不小的百分之几，但其绝对值却仍然是一个不小的数字。的数字。 o 这么大而且持久的释热功率，如果不能及时这么大而且持久的释热功率，如果不能及时输出到堆芯外，就有可能使堆芯熔化。输出到堆芯外，就有可能使堆芯熔化。 o 所以在反