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1、核反应堆热工分析复习资料第一章绪论(简答)1.核反应堆分类:按中子能谱分快中子堆、热中子堆按冷却剂分轻水堆(压水堆,沸水堆)、重水堆、气冷堆、钠冷堆按用途分研究试验堆:研究中子特性、生产堆:生产易裂变材料、动力堆:发电舰船推进动力2.各种反应堆的基本特征:表1-1芥种反应堆的基本特征堆型中子谱慢化剂冷却剂燃料形态燃料富集度压水堆热中子H2OH2Ouo33%左右沸水堆热中子H2OH.0uo23%左右重水堆执中子#* 1 JD2OD2Ouo:天然铀或稍浓缩铀高温气冷堆热中子石墨敏气UC.ThO:7 逆 0%钠冷快堆快中子无液芯钠UO2/PuO215-20%3.压水堆优缺点:.具有4.沸水堆与压水堆

2、相比有两个优点:第一是省掉了一个回路,因而不再需要昂贵的蒸汽发生 器。第二是工作压力可以降低。为了获得与压水堆同样的蒸汽温度,沸水堆只需加压到约72个大气压,比压水堆低了一倍。5.沸水堆的优缺点:. 设备二 ,堵JU哺甜瞄6始坦度6.重水堆优缺点:优点:中子利用率高(主要由于D吸收中子截面远低于H)废料中含235U极低,废料易处理可将238U转换成易裂变材料238U + n 239Pu.平均II蜓深,节约肉河 *甄,敝钵平压力求有缺占_沸跨的永两中子悝化能力低 惹乜低核反应堆热工分析复习资料239Pu + n A+B+n+Q(占能量一半) 缺点:重水初装量大,价格昂贵燃耗线(800010000

3、兆瓦日/T(铀)为压水堆1/3)为减少一回路泄漏(因补D2O昂贵)对一回路设备要求高7.高温气冷堆的优缺点:优点:高温,高效率(750850C,热效率40%)高转换比,高热耗值(由于堆芯中没有金属结构材料只有核燃料和石墨,而石墨吸收中子截面小。转换比0.85,燃耗10万兆瓦日/T(铀)安全性高(反应堆负温度系数大, 堆芯热容量大,温度上升缓慢,采取安全措施裕量大)环境污染小(采用氮气作冷却剂, 一回路放射性剂量较低,由于热孝率高排出废热少)有综合利用的广阔前景 (如果进一步提高氮气温度900C时可直接推动气轮机;1000 C时可直接推动气轮机热热效率大于50%;1000 -1200 C时可直接

4、用于炼铁、化工及煤的气化)高温氮气技术可为将来发展气冷堆和聚变堆创造条件8.钠冷快堆的优缺点:优点:充分利用铀资源239Pu + nrA+B + 2.6个n 238U +1.6个n 1.6个239Pu(消耗一个中子使1.6个238U转换成239Pu )堆芯无慢化材料、结构材料,冷却剂用量少液态金属钠沸点为895C堆出口温度可高于560 C缺点:快中子裂变截面小,需用高浓铀(达33%)对冷却剂要求苛刻,既要传热好又不能慢化中子,Na是首选材料,Na是活泼金属,遇水会发生剧烈化学反应,因此需要加隔水回路9.各种堆型的特点、典型运行参数第二章堆芯材料选择和热物性(简答)1.固体核燃料的5点性能要求:

5、 教材14页2.常见的核燃料: 金属铀和铀合金、陶瓷燃料、弥散体燃料3.选择包壳材料,必须综合考虑的 因素:包壳材料的I选择中子吸收截面要小热导率要大材料相容性要好核反应堆热工分析复习资料.抗腐蚀性能材料词加工性能材料时机械性能材料白1抗辐照性能只有很少的I材料适合制作燃料包壳,铝、镁、错、 不锈钢、镣基合金、石墨。目前在压水堆中广丫之 应用I同是错合金包壳。4.常见的包壳材料:错合金、不锈钢和镣基合金5.选择冷却剂要考虑的7个要求:冷却剂应有良好的导热性能和小的中子吸收截面,它与结构材料应 有良好的相容性。冷却剂的化学稳定性要好,能在较高的温度下工作,以获得较高的热效率,价格应该便宜,使用安

6、全。有时冷却剂和慢化剂用同一种物质 冷却剂将堆芯 热量带出堆外以供利用,本身被冷却返回堆内重新循环6.常见的冷却剂: 水和重水、钠、氮气7.选择慢化剂要考虑的要求及常见的慢化剂:教材24-25页第三章反应堆稳态工况下的传热计算(简答+计算)1.计算:传热计算(热传导的计算:傅里叶定律) 注:掌握无内热源情况 傅立叶定律:dTq = - k-dxk为导热系数,W/m C。它反映了该种物质导热能力的强弱。k金属 k液k气例题1一块厚度试求下列条件下通过单位截面积的导热量:材料为钢,导热系数k = 36.3W/ (m K)。解答:根据傅立叶定律300 -100 K62q =- = 1.49610 W

7、 / mq=kdtd xrtw2qd x = k f d tJ0虬1qd=k(tw 1tw 2)q =tw 1tw6k_2_6= 50 mm的平板,两侧表面分别维持在tw1=300C, tw2=100 C ,(1)材料为铜,导热系数k = 374 W/ (m.K); (2)核反应堆热工分析复习资料0.05 m374 W / m K核反应堆热工分析复习资料(1)材料为铜,k= 374 W/ (m.K)代入得:. . . f300 -100K52(2)材料为钢,k= 36.3W/(m.K)代入得:q= - =1.456 X105W / m20.05 m36.3 W / m K牛顿冷却公式:q =

8、ct ( tw tf )(a为对流换热系数, W/m2 C )例题2:在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热试验中,得到下列数据:管壁平均温度tw= 69C,空气温度tf= 20C,管子外径d=14mm,加热段长80mm,输入加热 段的功率为8.5W。如果全部热量通过对流换热传给空气,试问此时的对流换热表面传热 系数为多大?解答:根据牛顿冷却公式:Q=摆tw-tfQ8.5Wn a =- =-F tw-tf3.140.0140.08 6920 m2K2=49.3 W/mK例题3对一台氟里昂冷凝器的传热过程作初步测算得到以下数据:管内水的对流换热表面传热系数a 1=8700 W / (m2 K)

9、,管外氟里昂蒸气凝结换热表面传热系数a 2=1800 W/(m2 K),换热管子壁厚S =1.5mm,管子材料为导热系数k= 383W/ (m K)的钢。试计算:三个环节的热阻及冷凝器的总传热系数;欲增强传热应从哪个环节入手?分析时可把圆管当成平壁处理。- ,11-42,,解答:水侧换热热阻一=-2- =1.15X10 m K /Wa,8700 W/m K管壁导热热阻j. =1.5-10 m=3.92乂10%2K /W赤383W /m K11工2=2=5.56 10 m K /W:21800 W /m KII2h1480 W/m K111.15 103.92 105.56 10 1 k : 2

10、2.教材58页:当量直径的计算3.影响堆芯功率分布的因素有哪些及分别怎样影响的?(教材31页)答:燃料布置、控制棒、水隙及空泡对功率分布的影响4.什么是热管因子?(教材35页)5.教材42页ql、q、qv的物理意义6.导热、放热、输热分别指什么?各遵循什么定律? ( 教材42-49页)7.积分热导率的概念(教材58页)第四章反应堆稳态工况下的水力计算蒸气凝结热阻冷凝器的总传热系数:核反应堆热工分析复习资料1.稳态工况下水力计算的3个任务(教材83页)2.稳态水力计算基本方程:质量守恒方程式一连续性方程、动量守恒方程(教材84页)- 质量守恒方程式一连续性方程d ( P V A ) = 0-也就

11、是P VA=常数=W,我们把W称为质量流量,单位kg/So-在流动计算中,通常在某一段流道中,流通截面A是不变的(例如在直径不变的一段圆管内流动),贝UP V=常数 我们称pV = G, G为质量流速,单位为kg/m2s,所以在等截面的流道中,得G=常数-动量守恒方程式-根据作用于微元体上的力应该等于其动量变化的原理,可得PA一(P dP)( AdA)】一 U Uh hdZ-AdZ )g gsin-展开上式,并略去微分相乘量,可得-如果流通截面A不变,则上式可写为:_d P_Uh$ + P gSin 6 +-上式就是单相流体一维流动的动量守恒方程式,式中Uh为微元体的周界长度,T为壁面剪切应力

12、。-能量守恒方程式-同样对上式微元体考虑能量平衡,可得12d ( pv ) dU d ( V2) d ( Z g sin u) = dq - dW2(压力能)(内能)(动能)(位能)(加入热量)(对外作功)- 令内能的变化dU可以写成dU=dq+dF-pdv ,式中,dF为不可逆的摩擦损失。当微元体对外不作功,即dW=0,则能量平衡式可写为:vdP V dV g sin dZ dF =0方程式和能量守恒方程式是相同的,同时可得,必须-动量守恒方程和能量守恒方程还可表示成:d Pd Pfd Peld PdZdFd Zd Zd Z=dZ,称为摩擦压降梯度;,称为提升(或重位)压降梯度;,称为加速压

13、降梯度。?所以,流体在流道中流动,且流道内无局部阻力件时,总的流动压降由摩擦压降、提升压降和加速压降组成。3.两相流:两个物相在同一个系统内一起流动称为两相流。4.含汽量和空泡份额(掌握教材105页4-51、4-52式)U- - (I(I A A )()( V V(压力)(壁面上的力)(重力的分力)(动量改变的力) UhdZ一- A g sin dZd VGd Zd P一d FdZ一dZ::g sin - :?V叹=/E .:gsinGdVdZ dZdZ-上式即单相流体一维流动的能量守恒方程式,即单相流体流动中,动量守恒d Peld ZdPad Z二:?g sind V=Gd Z核反应堆热工分

14、析复习资料5.一回路内的流动压降(教材118页 分段计算)核反应堆热工分析复习资料6.堆芯冷却剂流量分配不均匀的4个原因 (教材118页)7.自然循环的基本概念:若回路中流体的循环流动是依靠回路中流体本身的密度差所产生的驱动压头作为推动力, 这样的流动称为自然循环流动。(研究教材121页图4-20,图4-21)三、自然循环流量?显然,在自然循环情况下, Pp= pt=0 ,于是有::P el ,i =、. P f ,i-七: Pc,iiii?若用 Pd表示驱动压头,APd =- APel,i,用 Pup和Pdoi分别表示上升段内和下降段内的压降损失之和,则.IPd = .LPup P do?通

15、常把克服了上升段压力损失之后的剩余驱动压头称为有效压头 pe,这样就有 pe= pd- pup?这样就得自然循环基本方程式 Pe= PdoReactor ThermalHydraulics确定自然循环流景的方法是:驱动压头等于阻力压头假定释热功率不 变,则流景增 大,导致出口温 度下降,出口冷 却剂的密度上 升,驱动压头下 降,而阻力压降 随着流景上升而 增大。8.课后习题:4-1:某一传热试验装置,包括一根由1.2m长内径是13mm的垂直圆管组成的试验段。水从试验段顶部流出,经过一个90度弯头后进入1.5m长的套管式热交换器,假设热交换器安装在水平管道的中间部分,水在管内流动,冷却水在管外逆

16、向流动。 热交换器的内管以及把试验段、热交换器、泵连接起来的管道均为内径为25mm的不锈钢管。回路高3m ,总长18m,共有四个弯头。在试验段的进出口都假设有突然的面积变化。回路的运行压力是160巴,当260C的水以5m/s的速度等温流过试验段时,求回路的摩擦压降。 若试验段均匀加热, 使试验段的出口温度变为300C,回路的压降又是多少?假定这时热交换器内管的平均温度比管 内水的平均温度低40 CoReactor ThermalHydraulics核反应堆热工分析复习资料4-2:某沸水反应堆冷却剂通道,高1.8m,运行压力为48巴,进入通道的水的过冷度为13C,离开通道时的含汽量为0.06,如

17、果通道的加热方式是:1)均匀的和2)正弦的(坐标原点取在通道的进口处),试计算它的不饱和沸腾段高度和饱和沸腾段高度(忽略过冷沸腾段和 外推长度)。4-3:设有一个以正弦方式加热的沸腾通道(坐标原点取在通道的进口处),长3.6m运行压力83巴,不饱和沸腾段高度为1.2m,进口水的过冷度为15C,试求该通道的出口含汽量和空泡份额(忽略过冷沸腾段)。4-4:试计算由直径为20mm突然扩大至50mm的水平管中汽水两相流的静压力变化和压力 损失。假设系统的运行压力是10巴,含汽量是0.04,质量流速是0.8kg/s。4-5:试导出汽水两相流的空泡份额、真实含汽量x和滑速比S间的关系式。4-6:某一模拟试

18、验回路的垂直加热通道,在某高度处发生饱和沸腾,已知加热通道的内径d=2cm,冷却水的质量流量为1.2吨/时,系统的运行压力是100巴,加热通道进口水粉为1214kJ/kg,沿通道轴向均匀加热,热流量,通道长2m。试用平衡态模型计算加热通道内流体的饱和沸腾起始点的高度和通道出口处的含汽量。4-7:已知压水堆某通道出口、入口水温为320C和280 C,压力为15.5MPa ,元件外径为10.72mm,活性段高度3.89mm,栅距14.3mm ,包壳平均壁温320 C,当入口质量流速为 时, 求沿程摩擦压降,加速压降,并加以比较。9.临界流模型及临界流的特点:Reactor ThermalHydra

19、ulics如果上游压力P0P0 保持不变,并假定流体的温度和比容都是定值。当外部 背压 PbPb 下降到低于容器流体压力时(曲线 1 1), ,流体便从通道内流出,并 在通道内自 p0p0 至通道出口压力 PePex x之 间建立一个压力梯度,这时 PexPex 等于 PbPb。当 PbPb 进一步降低时, PexPex 也随之下降,并等于变化后的PbPb , ,出口流速进一步增大(曲线2 2); ;这个关系一直保持到某一个值,在该PbPb 值下通道出口处流速等于该处温度和压力下 的声速时为止(曲线3 3); ;此后, PbPb进一步降低,出口截面处流速不会再 增大,PexPex 不会再降低(

20、曲线 4,4,5 5), ,这时的流动叫临界流动。临界流模型核反应堆热工分析复习资料10.对于单相流,确定发生临界流的两个等价条件是:1)流速等于截面压力和温度下的声速,2)截面上游流动不受下游压力的影响。11.流动不稳定性的概念及原因:在被加热液体发生相变的两相流动中,不均匀的体积变化可能导致流动不稳定性。流动不稳定这个名称的含义是指在一个热力一流体动力学耦合的两相系统中,流体受到某一微小扰动后会引起质量流量、压降和空泡份额以某一频率的常振幅或变振幅的振荡。这种现象与机械系统中的振动很相似。12.流动不稳定性的主要类型:1)、水动力不稳定性;2)、并联通道的管间脉动;3)、流型不稳 定性;4)、动力学不稳定性;5)、热振荡第五章反应堆稳态热工设计原理1.反应堆热工设计准则(教材1

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