反应堆热工第5章课件

1、第第5 5章章 堆芯稳态热工分析堆芯稳态热工分析王升飞王升飞20142014年年5 5月月1515日日思考思考 如何进行反应堆如何进行反应堆稳态稳态热工设计热工设计? 1、热工设计的要求、原则。、热工设计的要求、原则。 2、热工设计的步骤（课程设计）。、热工设计的步骤（课程设计）。 3、热工设计的模型、热工设计的模型单通道、子通道模型。单通道、子通道模型。热工设计的目标热工设计的目标: : 设计一个既设计一个既安全可靠安全可靠而又而又经济经济的堆芯输热系统的堆芯输热系统 热工设计涉及面广：热工设计涉及面广： 堆物理设计堆物理设计 元件设计（燃料元件）元件设计（燃料元件） 结构设计结构设计 控制

2、系统设计控制系统设计 一回路系统设计一回路系统设计 二回路系统设计二回路系统设计热工设计的前提条件热工设计的前提条件: : 根据所设计堆的用途和特殊要求选定堆型，确定所用的核根据所设计堆的用途和特殊要求选定堆型，确定所用的核燃料、慢化剂、冷却剂和结构材料的种类；燃料、慢化剂、冷却剂和结构材料的种类； 反应堆的热功率、堆芯功率分布不均匀系数和水铀比允许反应堆的热功率、堆芯功率分布不均匀系数和水铀比允许的变化范围；的变化范围； 燃料元件的形状、它在堆芯内的布置方式以及栅距允许变燃料元件的形状、它在堆芯内的布置方式以及栅距允许变化的范围；化的范围； 二回路对一回路冷却剂热工参数的要求；二回路对一回路

3、冷却剂热工参数的要求； 冷却剂流过堆芯的流程以及堆芯进口处冷却剂流量的分配冷却剂流过堆芯的流程以及堆芯进口处冷却剂流量的分配情况。情况。 从堆热工设计方面来看，对燃料元件的形状的要求从堆热工设计方面来看，对燃料元件的形状的要求是是：在一定的水铀比的条件下，在相同的堆芯体积：在一定的水铀比的条件下，在相同的堆芯体积内应能布置更多的燃料元件传热面积。内应能布置更多的燃料元件传热面积。 燃料元件栅距的选择，对热工设计来说，实际上是燃料元件栅距的选择，对热工设计来说，实际上是一个堆芯冷却剂流速的选择问题。一个堆芯冷却剂流速的选择问题。从堆热工方面来从堆热工方面来看，希望栅距要小，以便保证冷却剂有足够的

4、流速，看，希望栅距要小，以便保证冷却剂有足够的流速，使之能较好地冷却燃料元件。使之能较好地冷却燃料元件。 对燃料元件的要求：对燃料元件的要求： 当采用棒状燃料元件时，还存在着燃料元件栅格排列当采用棒状燃料元件时，还存在着燃料元件栅格排列方式的选择问题方式的选择问题 。 关于燃料元件尺寸的选择，从热工方面来看，显然希关于燃料元件尺寸的选择，从热工方面来看，显然希望尺寸要小，即棒状元件要细，板状元件要薄。望尺寸要小，即棒状元件要细，板状元件要薄。对燃料元件的要求：对燃料元件的要求：1235-1堆芯热工设计准则5.1 5.1 热工设计准则热工设计准则 在设计反应堆冷却系统时，为了保证反应堆运行安全可

5、靠，在设计反应堆冷却系统时，为了保证反应堆运行安全可靠，针对不同的堆型，预先规定了热工设计必须遵守的要求，针对不同的堆型，预先规定了热工设计必须遵守的要求，这些要求通常就称为堆的这些要求通常就称为堆的热工设计准则热工设计准则。 目前目前压水动力堆压水动力堆设计中所规定的稳态热工设计准则，一般设计中所规定的稳态热工设计准则，一般有下列几点：有下列几点： 燃料元件芯块内最高温度低于其相应燃耗下的熔化温度燃料元件芯块内最高温度低于其相应燃耗下的熔化温度（2200-24502200-2450） 燃料元件外表面不允许发生沸腾临界。通常用临界热流密燃料元件外表面不允许发生沸腾临界。通常用临界热流密度比（度

6、比（DNBRDNBR）来定量地表示这个限制条件）来定量地表示这个限制条件 5.1 5.1 热工设计准则热工设计准则DNBRDNBR的定义是：的定义是： （5 51 1） 在整个堆芯内在整个堆芯内DNBRDNBR的最小值称为的最小值称为最小临界热流密度比或最最小临界热流密度比或最小偏离核态沸腾比或最小小偏离核态沸腾比或最小DNBDNB比比。必须保证必须保证正常运行工况正常运行工况下燃料元件和堆内构件能得到下燃料元件和堆内构件能得到充分充分冷却冷却；在；在事故工况事故工况下能提供足够的冷却剂以下能提供足够的冷却剂以排出堆芯余热排出堆芯余热。在稳态工况下和可预计的瞬态运行工况中，在稳态工况下和可预计

7、的瞬态运行工况中，不发生流动不不发生流动不稳定性稳定性。DNBR 利用专门公式计算得到的堆内某处的临界热流密度该处的实际热流密度5.1 5.1 热工设计准则热工设计准则高温气冷堆的热工设计准则：高温气冷堆的热工设计准则： 燃料元件表面最高温度小于限值；燃料元件表面最高温度小于限值； 燃料元件中心最高温度小于限值；燃料元件中心最高温度小于限值； 燃料元件和结构材料的热应力小于限值。燃料元件和结构材料的热应力小于限值。安全与可靠性安全与可靠性 安全：影响到运行人员和周围居民生命和健康的较大事故安全：影响到运行人员和周围居民生命和健康的较大事故 可靠性：不影响可靠性：不影响到运行人员和周围居民生命和

8、健康的到运行人员和周围居民生命和健康的较小较小事故事故问题问题?课堂小结课堂小结5-2堆芯冷却剂流量分配 5.2 5.2 堆芯冷却剂流量分配堆芯冷却剂流量分配 目的目的: : 为了在安全可靠的前提下尽量提高反应堆的输出功率，为了在安全可靠的前提下尽量提高反应堆的输出功率，在进行热工设计之前，必须预先知道在进行热工设计之前，必须预先知道堆芯热源的空间堆芯热源的空间分布分布和在各个和在各个冷却剂通道内的冷却剂流量冷却剂通道内的冷却剂流量。 之后，才能根据所选定的堆芯结构、燃料组件的几何之后，才能根据所选定的堆芯结构、燃料组件的几何尺寸、材料热物性等，确定整个堆芯的温度场，分析尺寸、材料热物性等，确

9、定整个堆芯的温度场，分析反应堆的经济性和安全性。反应堆的经济性和安全性。5.2 5.2 堆芯冷却剂流量分配堆芯冷却剂流量分配 进入下腔室的冷却剂，不可避免地会形成许多大大小小的进入下腔室的冷却剂，不可避免地会形成许多大大小小的涡涡流区流区，从而有可能造成各冷却剂通道进口处的，从而有可能造成各冷却剂通道进口处的静压力各不相静压力各不相同同 各冷却剂通道在堆芯或燃料组件中各冷却剂通道在堆芯或燃料组件中所处的位置不同所处的位置不同，其流通，其流通截面的几何形状和大小也就不可能完全一样截面的几何形状和大小也就不可能完全一样 燃料元件和燃料组件的制造、安装的燃料元件和燃料组件的制造、安装的偏差偏差，会引

10、起冷却剂通，会引起冷却剂通道流通截面的几何形状和大小偏离设计道流通截面的几何形状和大小偏离设计值值 各冷却剂通道中的各冷却剂通道中的释热量不同释热量不同，引起各通道内冷却剂的温度、，引起各通道内冷却剂的温度、热物性以及含气量也各不相同，从而导致各通道中的流动阻热物性以及含气量也各不相同，从而导致各通道中的流动阻力产生显著的力产生显著的差别差别 由于各种原因，进入堆芯流量是分配不均匀的，由于各种原因，进入堆芯流量是分配不均匀的，主要原因有主要原因有( (压水堆压水堆) )：5.2 5.2 堆芯冷却剂流量分配堆芯冷却剂流量分配简化：简化： 压水堆堆芯的成千上万个相互平行的冷却剂通道可以看作压水堆堆

11、芯的成千上万个相互平行的冷却剂通道可以看作是一组并联通道。依照计算模型的不同，并联通道通常被是一组并联通道。依照计算模型的不同，并联通道通常被划分为划分为闭式通道闭式通道和和开式通道开式通道两类。两类。 如果相邻通道的冷却剂之间不存在质量、动量和能量的如果相邻通道的冷却剂之间不存在质量、动量和能量的交换，就称这些通道为交换，就称这些通道为闭式通道闭式通道 反之则称为反之则称为开式通道开式通道。冷却剂总流量易求，但流量分配很难。冷却剂总流量易求，但流量分配很难。堆堆内流量分配较难测得内流量分配较难测得，一般由，一般由经验公式等得近似解经验公式等得近似解5.25.2. .1 1 闭式通道间的流量分

12、配闭式通道间的流量分配 闭式通道，只考虑闭式通道，只考虑一维向上或向下流动一维向上或向下流动。在确定并联通道的冷却剂流量分配时，通常需要在确定并联通道的冷却剂流量分配时，通常需要的的已知已知条条件件：（1 1）下腔）下腔室室进口进口的压力分布，即各冷却剂通道的的压力分布，即各冷却剂通道的进口进口压力压力 （2 2）上腔）上腔室室出口出口的压力分布，即各冷却剂通道的的压力分布，即各冷却剂通道的出口出口压力压力 目前一般假设目前一般假设上腔室进口面为一等压面上腔室进口面为一等压面。1,2,3,inininn inpppp1,2,3,exexexn expppp5.25.2. .1 1 闭式通道间的

13、流量分配闭式通道间的流量分配在进行计算时所采用的基本方程式如下在进行计算时所采用的基本方程式如下：1 1）质量守恒方程）质量守恒方程假设堆芯是由假设堆芯是由n n个并联的闭式冷却剂通道组成的，冷却剂的个并联的闭式冷却剂通道组成的，冷却剂的总循环流量为总循环流量为WW，并联通道的各分流量分别为，并联通道的各分流量分别为 ， 则可写出质量守恒方程如下：则可写出质量守恒方程如下： （5-25-2）式中的式中的 称为称为旁流系数旁流系数，它表示冷却剂不通过堆芯而旁流，它表示冷却剂不通过堆芯而旁流的流量占总流量的份额，的流量占总流量的份额，5-6%5-6%左右。左右。12,inW WWW1(1)nsti

14、iWWs5.25.2. .1 1 闭式通道间的流量分配闭式通道间的流量分配2 2）动量守恒方程）动量守恒方程 用一般函数形式表示，对第用一般函数形式表示，对第i i个冷却剂通道可以写出个冷却剂通道可以写出 （5-35-3）显然对显然对n n个通道，可列出个通道，可列出n n个方程个方程,(,)i ini exie iiiiiiippf L DA Wx 5.25.2. .1 1 闭式通道间的流量分配闭式通道间的流量分配3 3）能量守恒方程）能量守恒方程 对于第对于第i i个闭式冷却剂通道的微元长度个闭式冷却剂通道的微元长度Z Z，其热平衡方程，其热平衡方程可表示为可表示为 （5-45-4） 左边

15、左边第一项第一项表示第表示第i i个通道的位置个通道的位置z z处微元体中处微元体中冷却剂的比冷却剂的比焓随时间的变化值（瞬态）焓随时间的变化值（瞬态）。第二项第二项表示在位置表示在位置z z处冷却剂流经处冷却剂流经微元长度微元长度Z Z后所带出的后所带出的热量。热量。右边右边表示燃料元件棒在第表示燃料元件棒在第i i个通道轴向高度特定长度段内释个通道轴向高度特定长度段内释放的热量。放的热量。( )( )( )iiiilAh zW h zq zz5.25.2. .1 1 闭式通道间的流量分配闭式通道间的流量分配 对于稳态工况对于稳态工况左边第一项为零，于是式（左边第一项为零，于是式（5-45-

16、4）变成）变成 （5-55-5）对于稳态闭式通道，对于稳态闭式通道，WWi i沿整个沿整个z z轴为常数，由此可把式（轴为常数，由此可把式（5- 5-5 5）写成积分形式：）写成积分形式： （5-65-6）( )( )iilW h zq zz,0( )Lii exi inl iW hhqz dz5.25.2. .1 1 闭式通道间的流量分配闭式通道间的流量分配 对于对于n n个冷却剂通道，要求解的未知量为：个冷却剂通道，要求解的未知量为：各通道的冷却剂质量流量各通道的冷却剂质量流量 ；上腔室出口压；上腔室出口压力力p pexex ；以及用来确定各通道内冷却剂热物性的冷却剂；以及用来确定各通道内

17、冷却剂热物性的冷却剂的比焓（由焓转换成温度，然后再确定热物性），它们的比焓（由焓转换成温度，然后再确定热物性），它们在通道的出口处可表示为在通道的出口处可表示为 。 未知量未知量：2n2n1 1个。个。 方程方程：n n个动量守恒个动量守恒方程；方程；n n个能量守恒个能量守恒方程；一方程；一个质量个质量守恒守恒方程，方程，所以共有方程所以共有方程2n2n1 1个个。 联联立立求解求解就就可以可以得到得到2n2n1 1个未知数的解。个未知数的解。 12,nW WW1,2,exexn exhhh,.2 开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配开式通道冷却剂的有什么开式通道冷却剂的

18、有什么流动特点流动特点？相邻通道之间在流动过程中存在着相邻通道之间在流动过程中存在着交混交混横向的质量、动量和能量的交换。横向的质量、动量和能量的交换。交混的交混的影响影响: : 质量流密度；比焓，燃料元件的温度；临界热流质量流密度；比焓，燃料元件的温度；临界热流密度密度5.25.2. .2 2 开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配相邻通道相邻通道横向流动交混横向流动交混的形成机理：的形成机理：质量交换质量交换流体粒子扩散、湍流扩散、强迫对流、流体粒子扩散、湍流扩散、强迫对流、自然对流自然对流动量交换动量交换径向压力梯度、湍流效应径向压力梯度、湍流效应 净横流（净横流（转向叉流）转向叉流）

19、 自然湍流交混，脉动引起，自然湍流交混，脉动引起，无净转移无净转移 强迫湍流交混强迫湍流交混，机械装置引起，定位格架，机械装置引起，定位格架能量交换能量交换流体粒子扩散、导热、对流、辐射流体粒子扩散、导热、对流、辐射.2 开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配燃料棒组件轴向存在定位格架时，横向交混分为：燃料棒组件轴向存在定位格架时，横向交混分为： 光光棒区的交混棒区的交混自然自然湍流交湍流交混，不引起净横向质量流动；混，不引起净横向质量流动；转向叉流，径向压力梯度形成的净横流（较易计算）转向叉流，径向压力梯度形成的净横流（较易计算） 定位格架处交混定位格架处交混流动流动散射散

20、射：无定向流动交混，由：无定向流动交混，由定位架、肋片等机械定位架、肋片等机械部件引起的部件引起的湍动，与自然湍流类似湍动，与自然湍流类似流动流动后掠：绕丝定位件、导向翼等后掠：绕丝定位件、导向翼等引起，存在引起，存在净横向净横向质量流动质量流动.2 开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配1. 1.单相流（光棒）单相流（光棒）1 1）湍流热（能量）交混）湍流热（能量）交混在相邻平行通道间，湍流热交混量为在相邻平行通道间，湍流热交混量为 （5-85-8）其中，其中，WWjk jk为通道轴向单位长度内湍流交换质量，为通道轴向单位长度内湍流交换质量，kgkg/ms/ms （5-95

21、-9）式中式中 jk jk为湍流交混系数，与棒束几何尺寸、定位件类型等为湍流交混系数，与棒束几何尺寸、定位件类型等有关，由实验测得。有关，由实验测得。jkjkgjkWP G()tbjkjkQWhhz不同分类下，流量计算不同分类下，流量计算.2 开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配2 2）湍流动量交混）湍流动量交混单相流体的湍流动量交换，距中心单相流体的湍流动量交换，距中心r r处的流体所受处的流体所受的剪应力的剪应力 r r可表示为可表示为 式中右边第一项表示由于流体的式中右边第一项表示由于流体的粘性而产生的摩粘性而产生的摩擦力擦力；第二项表示由；第二项表示由湍流作用而产生

22、的剪切力湍流作用而产生的剪切力，其中其中uuuur r为为 m m为湍流动量扩散系数为湍流动量扩散系数rruuur rmuuur .2 开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配 m各向异性，各向异性，湍流湍流动量扩散系数的分量形式动量扩散系数的分量形式12mppC S120myyC Y120mrrC r沿棒的径向分量沿棒的径向分量沿周向的分量沿周向的分量矩形矩形通道，垂直于轴向方向的分量通道，垂直于轴向方向的分量5.25.2. .2 2 开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配 2. 2.汽水两相流汽水两相流汽水两相流的相关研究还不成熟，只作简单介绍。汽水两相流的相关研究还不成

23、熟，只作简单介绍。假设汽假设汽- -液每一相均具有相同的饱和焓值，液每一相均具有相同的饱和焓值，湍流质量交混，汽湍流质量交混，汽- -汽，液汽，液- -液，液，汽汽- -液（质量转移）液（质量转移）湍流动量交混，湍流动量交混，汽汽- -汽，液汽，液- -液，汽液，汽- -液液湍流能量交混，只须考虑汽湍流能量交混，只须考虑汽- -液之间液之间目前，只能采用经验公式计算（目前实验还不充分）。目前，只能采用经验公式计算（目前实验还不充分）。开式通道计算与闭式的区别开式通道计算与闭式的区别： 不能一次取整根通道计算，要分为长度足够小得步长不能一次取整根通道计算，要分为长度足够小得步长 湍流交混、横流混

24、合对流体轴向有影响（加速流入通湍流交混、横流混合对流体轴向有影响（加速流入通道，阻滞流出通道）道，阻滞流出通道）5.25.2. .2 2 开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配 2. 2.汽水两相流汽水两相流BowringBowring建议，横流引起受主通道建议，横流引起受主通道i i产生的附加加速压降产生的附加加速压降可以表示为可以表示为 ,(1)(1)(1)(1)(1)2()j inj inj outj outjj inj inj outj outjii crosslijj inj inj outj outgj inj outGxGxxpAxGxGx经验公式经验公式.2

25、开式通道间的流量分配开式通道间的流量分配横流对横流对i i通道产生的阻滞压降为通道产生的阻滞压降为在并联开式通道的计算中，应该增加一个质量平衡方在并联开式通道的计算中，应该增加一个质量平衡方程和一个横向动量方程。程和一个横向动量方程。 湍流交混对流体轴向动量的影响很小，可以忽略湍流交混对流体轴向动量的影响很小，可以忽略。,22jijijcrossii crossjiijiGFzGpAz,1inii jiWz 2ijijijppK u经验公式经验公式.3 堆芯进口流量的分布堆芯进口流量的分布 在下部腔室中流体的流动路线或旋涡可以影响堆在下部腔室中流体的流动路线或旋涡可以影响堆芯入

26、口处的流量分配。芯入口处的流量分配。进入任何一个位于旋涡上方的燃料组件内的流量进入任何一个位于旋涡上方的燃料组件内的流量都减少了（都减少了（漩涡中心处负压漩涡中心处负压）。）。展平进口流量最有效的方法：展平进口流量最有效的方法：增加堆芯底部的流动阻力增加堆芯底部的流动阻力.3 堆芯进口流量的分布堆芯进口流量的分布曾经采用过很多种根据势流曾经采用过很多种根据势流理论得出的分析方法来计算下腔理论得出的分析方法来计算下腔室的室的速度分布速度分布分区计算（分区计算（下降下降段、下腔室和下段、下腔室和下降段底部上方圆柱形区）降段底部上方圆柱形区）下降下降段的外缘延伸到离堆芯下段的外缘延伸

27、到离堆芯下部较远的位置是有利的。虽然部较远的位置是有利的。虽然在下降段边上在下降段边上的流量的流量分配明显分配明显得不均匀，但当流体向上运动，得不均匀，但当流体向上运动，分配就变得比较均匀了分配就变得比较均匀了。比例试验比例试验问题问题?课堂小结课堂小结5-3热管因子和热点因子5.3 5.3 热管因子和热点因子热管因子和热点因子热工设计目标：安全，经济热工设计目标：安全，经济如何才能保证绝对安全？如何才能保证绝对安全？例如：我们的银行卡该如何保护？例如：我们的银行卡该如何保护？要考虑银行卡本身不能损坏（消磁、折断等）要考虑银行卡本身不能损坏（消磁、折断等）防止丢失：锁起来等防止丢失：锁起来等存

28、在绝对安全么？存在绝对安全么？安全安全VSVS付出的代价付出的代价最优值最优值5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子因子和核热点和核热点因子因子反应堆安全反应堆安全：要求燃料、材料小于熔点，则如果最热点要求燃料、材料小于熔点，则如果最热点满足要求，其它位置也满足。满足要求，其它位置也满足。最热点位置影响因素有哪些最热点位置影响因素有哪些? ?热源：燃料元件热源：燃料元件形状、尺寸，密度，富集度，中子通量，形状、尺寸，密度，富集度，中子通量，控制棒、反射层控制棒、反射层等等等等散热：冷却剂性质，流量分配，加工、安装等过程中的散热：冷却剂性质，流量分配，加工、安装等过程中的偏差等等偏差等等热管、

29、热点如何定义？热管、热点如何定义？5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子因子和核热点和核热点因子因子热管或热通道热管或热通道： 积分功率输出最大的冷却剂通道积分功率输出最大的冷却剂通道热点：热点： 某一燃料元件表面热流密度最大的某一燃料元件表面热流密度最大的点点热管和热点对确定堆芯功率的输出量起着热管和热点对确定堆芯功率的输出量起着决定性的决定性的作用作用热点一定位于热管么？热点一定位于热管么？如何计算？如何计算？5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子因子和核热点和核热点因子因子早期：保守设计早期：保守设计假设假设：裂变物质富集度相同，形状尺寸相同，各通道：裂变物质富集度相同，形状尺寸相同

30、，各通道流体温度及流量相同流体温度及流量相同 积分积分功率输出最大的燃料元件冷却剂通道必然是热功率输出最大的燃料元件冷却剂通道必然是热管管；常保守地把中子通量局部峰值集中到热管中常保守地把中子通量局部峰值集中到热管中 热点热点在热管在热管内内因此，因此，热工准则：热工准则： 热管出口处冷却剂温度小于饱和温度热管出口处冷却剂温度小于饱和温度； 燃料元件燃料元件最高中心温度和最高表面温度分别小于限最高中心温度和最高表面温度分别小于限定值。定值。5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子因子和核热点和核热点因子因子由第由第3 3章知识，燃料元件章知识，燃料元件最高中心温度最高中心温度0,max,2(0

31、)(0)(0)(0)2/21 (0)(0)(0)(0)ff infcguffcgutttt 0,max,(0)(0)(0)(0)2ff infcguttt 近似为近似为5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子因子和核热点和核热点因子因子燃料元件表面最高温度燃料元件表面最高温度,max,(0),2(0)(0)/fcsf infflcstttqd h由上面两式可知，如果燃料元件的物性、形状参数已定，由上面两式可知，如果燃料元件的物性、形状参数已定，热点只与热点只与最大热流密度有关最大热流密度有关最大热流密度点最大热流密度点限制功率输出的热点限制功率输出的热点5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子

32、因子和核热点和核热点因子因子热管因子：最大值和平均值之间的偏离程度（不均匀程度）热管因子：最大值和平均值之间的偏离程度（不均匀程度）分类：核热管因子、工程热管因子分类：核热管因子、工程热管因子热流密度核热点（管）因子热流密度核热点（管）因子maxNNNqRZqFF Fq堆芯最大热流密度堆芯平均热流密度(5-26)(5-26)NNNNNNqRZLUFF F F F F实际中还需要考虑控制棒、方位角、水隙等影响实际中还需要考虑控制棒、方位角、水隙等影响5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子因子和核热点和核热点因子因子5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子因子和核热点和核热点因子因子焓升核热管因

33、子焓升核热管因子：热管和平均管中冷却剂焓升的比值热管和平均管中冷却剂焓升的比值maxNHhFh热管最大焓升堆芯平均管焓升均匀装载，热管和平均管内冷却剂流量相等均匀装载，热管和平均管内冷却剂流量相等00Rxx( )( )( )NHLLNNlRRNNRlFq Fz dzFz dzFL LFq LLL热管平均线功率 堆芯高度/冷却剂流量平均管平均线功率 堆芯高度/冷却剂流量轴向归一化功率分布5.3.1 5.3.1 核核热管热管因子因子和核热点和核热点因子因子只考虑由核的原因引起，用名义参数表示只考虑由核的原因引起，用名义参数表示maxNNNqRZqFF Fq堆芯最大热流密度堆芯平均热流密度maxNH

34、hFh热管最大焓升堆芯平均管焓升,maxnNqqFq堆芯名义最大热流密度堆芯平均热流密度,maxnNHhFh热管最大焓升堆芯平均管焓升5.3.2 5.3.2 工程工程热管热管因子因子和工程热点和工程热点因子因子 由于由于工程工程上不可避免的误差，堆芯内燃料元件的热流密上不可避免的误差，堆芯内燃料元件的热流密度、冷却剂流量、冷却剂焓升以及燃料元件的温度等都度、冷却剂流量、冷却剂焓升以及燃料元件的温度等都会偏离名义值。会偏离名义值。热流密度工程热点因子热流密度工程热点因子 和和焓升工程热管因子焓升工程热管因子 的概念的概念 （5-345-34） （5-355-35）,max,max,max,max

35、 hnEqnnqqqFqq堆芯热点最大热流密度堆芯名义最大热流密度,max,maxhEHnhFh堆芯热管最大焓升堆芯名义最大焓升5.3.2 5.3.2 工程工程热管热管因子因子和工程热点和工程热点因子因子,maxhqqFqqn, m axh, m axNEqqn, m axqqF F =q,maxhHhhhFhhhn, m axh, m axNEHHn, m axF F=热管热管堆芯内具有最大焓升的冷却剂通道堆芯内具有最大焓升的冷却剂通道热点热点燃料元件上限制堆芯功率输出的局部点燃料元件上限制堆芯功率输出的局部点（5-36）核核+ +工程：热管因子和热点因子工程：热管因子和热点因子（5-37）

36、5.3.2 5.3.2 工程工程热管热管因子因子和工程热点和工程热点因子因子单通道模型和子通道模型下的焓升单通道模型和子通道模型下的焓升计算式计算式0,max( )LNERHhqF Fz dzhW0,( , , )( , , )( , , )( , , )( , , )zEElHlqcsf inpcsq x y z Fdzq x y z Ftx y ztW x y z cd h x y z热管的位置取决于积分功率和冷却剂流量（后者影响较小）热管的位置取决于积分功率和冷却剂流量（后者影响较小）子子通道模型下燃料元件棒外表面的温度通道模型下燃料元件棒外表面的温度计算式计算式5.3.3 5.3.3

37、降低降低热管热管因子因子和热点因子途径和热点因子途径 从从核和工程两方面核和工程两方面着手：着手： 核方面（目的核方面（目的热源均匀分布）热源均匀分布） 沿堆芯径向装载不同富集度的核燃料；沿堆芯径向装载不同富集度的核燃料； 在堆芯周围设置反射层；在堆芯周围设置反射层； 在堆芯径向不同位置布置一定数量的控制棒和可燃在堆芯径向不同位置布置一定数量的控制棒和可燃毒物棒；毒物棒； 设置长短控制棒设置长短控制棒如何降低热管因子和热点因子？如何降低热管因子和热点因子？5.3.3 5.3.3 降低降低热管热管因子因子和热点因子途径和热点因子途径 工程方面工程方面 合理地控制有关部件的加工及安装误差；合理地控

38、制有关部件的加工及安装误差； 兼顾工程热管因子和工程热点因子数值地减少和加兼顾工程热管因子和工程热点因子数值地减少和加工费用的增加；工费用的增加； 合理的结构设计和水力模拟实验，改善入口的流量合理的结构设计和水力模拟实验，改善入口的流量分配；分配； 加强横向流动交混加强横向流动交混保守模型保守模型 VS VS 最佳估算模型最佳估算模型5.3.4 5.3.4 热管热管因子因子和热点因子应用（略）和热点因子应用（略） 工程热管因子和热点因子的计算方法：工程热管因子和热点因子的计算方法： 乘积法乘积法 混和法混和法 乘积法乘积法： 指把所有指把所有最不利的工程偏差都同时集中作用最不利的工程偏差都同时

39、集中作用在热管或在热管或热点上（热点上（经济性低经济性低） 混和法混和法： 指把工程误差分为指把工程误差分为非随机误差和随机误差非随机误差和随机误差两大类，先两大类，先分别计算各类误差，最后再把它们综合起来。分别计算各类误差，最后再把它们综合起来。5.3.4 5.3.4 热管热管因子因子和热点因子应用和热点因子应用1. 1.热流密度工程热点因子热流密度工程热点因子燃料元件芯块的直径燃料元件芯块的直径燃料元件芯块的密度燃料元件芯块的密度裂变物质的浓缩度裂变物质的浓缩度包壳外径包壳外径 ,max,max,max,max,max,max11 3()EqhnEqnnnnqqqqFqqqq 5.3.4

40、5.3.4 热管热管因子因子和热点因子应用和热点因子应用2. 2.焓升工程热管因子焓升工程热管因子1 1）由燃料芯块直径、密度及裂变物质富集度的加工误差所引起）由燃料芯块直径、密度及裂变物质富集度的加工误差所引起的焓升工程热管因子的焓升工程热管因子2 2）由燃料元件冷却剂通道尺寸误差引起的焓升工程热管分因子）由燃料元件冷却剂通道尺寸误差引起的焓升工程热管分因子3 3）堆芯下腔室冷却剂流量分配不均匀的焓升工程热管分因子）堆芯下腔室冷却剂流量分配不均匀的焓升工程热管分因子 ,1,1,max1 3()EHEHnFH 1222()122,2,21222(),min,2,min2, ,max, ,max

41、,min, ,max(4)/()4(4)/()4bbbncsncsncsnEbemHbhhbcshcshhcshehPdPddADWFWPddPdAD,max,min,3,3,min,3,max/nhEHhnQWWFQWW5.3.4 5.3.4 热管热管因子因子和热点因子应用和热点因子应用4 4）考虑热管内冷却剂流量再分配时的焓升工程热管分因子）考虑热管内冷却剂流量再分配时的焓升工程热管分因子5 5）考虑相邻通道冷却剂间相互交混的焓升工程热管分因子考虑相邻通道冷却剂间相互交混的焓升工程热管分因子最后综合各分因子求得的总焓升工程热管因子最后综合各分因子求得的总焓升工程热管因子 以上以上的关系式是

42、从稳态工况下的实验总结得来的。的关系式是从稳态工况下的实验总结得来的。试验表明：稳态时的临界热流密度小于瞬态时的数值。试验表明：稳态时的临界热流密度小于瞬态时的数值。 ,max,4,max,min,4,min,3,4,max,3,max,min,3,min,4/hnhhEHnnhhhQWWFhQWW,max,5,5,maxhEHnhFh,1,2,3,4,5EEEEEEHHHHHHFFFFFF问题问题?课堂小结课堂小结5-4典型的临界热流密度关系式5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式 临界热流密度目前尚未提出一个完善理论计算公式，临界热流密度目前尚未提出一个完善理论计

43、算公式，只能应用由实验整理出的经验公式只能应用由实验整理出的经验公式 根据根据冷却剂的工况，热管内自堆芯进口至出口，有冷却剂的工况，热管内自堆芯进口至出口，有过冷段、过冷沸腾段和低含汽量的饱和沸腾段。在过冷段、过冷沸腾段和低含汽量的饱和沸腾段。在堆热工设计时，希望能堆热工设计时，希望能有一个从液体的过冷状态到有一个从液体的过冷状态到产生蒸汽，即含汽量由负值连续变化到正值这样一产生蒸汽，即含汽量由负值连续变化到正值这样一个宽的范围内都适用个宽的范围内都适用的临界热流的临界热流密度密度q qDNBDNB 计算计算公式。公式。 5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式1 1、

44、W-3W-3公式公式由简到繁，加以修正由简到繁，加以修正轴轴向均匀向均匀加热的加热的WW3 3公式公式：6887,66,3.154 10 (2.022 6.238 10) (0.1722 1.43 10) exp(18.177 5.987 10) 0.2049(0.1484 1.5960.1729)1.037(1.157 0.869 )0.2664 0.8357exp( 124 )100.8258 0.341 10 (DNBeueeeeeefsf inqppp xGxx xxDhh2)( /)W m公式公式适用范围适用范围：662(6.895 15.86) 10;(4.9 24.5)010/(

45、);0.00508 0.15.0178 ;0.15eepPaGkgmhDmx ,930/;f inhkJ kg0.254 3.668 ;Lm加热长度加热长度5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式1 1）轴向热流密度是非均匀分布的修正）轴向热流密度是非均匀分布的修正轴向非均匀轴向非均匀加热时的加热时的WW3 3公式为公式为其中其中F Fs s如下计算：如下计算： （5-925-92）其中其中C C值为：值为： （5-935-93） ,/DNB NDNB eusqqF,0,( )exp()()1 exp()DNB NzDNB NsDNB NDNB euCq zC zZ d

46、zFq zCz4.3160.478(1)12.64(/10 )DNBxCG上游对下游记忆效应上游对下游记忆效应5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式式中式中(1)euhDRD3 3）定位架的修正）定位架的修正考虑到定位架的存在，需要引入修正考虑到定位架的存在，需要引入修正因子因子F Fg g。20.3561.00.6144 10 ()()100.019TDgGGF2 2）冷壁效应的修正）冷壁效应的修正 考虑到冷壁效应，在考虑到冷壁效应，在WW3 3公式中需要引入冷壁修正因公式中需要引入冷壁修正因子子F Fc c。可由下面的经验公式计算得到，即。可由下面的经验公式计算得

47、到，即0.05350.140.10763113.76 1.372exp(1.78)5.15()0.01796()12.61010cuehGpFRxD 注意：为了安全，上述理论计算值需乘以修正系数才接近注意：为了安全，上述理论计算值需乘以修正系数才接近实测值。实测值。5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式W-3W-3公式计算值与实验值偏差，公式计算值与实验值偏差，95%95%以上的数据在以上的数据在23%23%造成误差的原因：造成误差的原因： 流体的湍流特性及表面粗糙度的随机特性，流体的湍流特性及表面粗糙度的随机特性，3%3% 实验段的制造公差，实验段的制造公差， 5%

48、5% 由于由于q qDNBDNB的某些修正因子计算公式不完善性引起的误差，的某些修正因子计算公式不完善性引起的误差， 5%5% 随机和非随机的测量仪表以及由各种不同实验回路的随机和非随机的测量仪表以及由各种不同实验回路的系统特性而产生的误差，系统特性而产生的误差， 10%10%误差误差合计合计23%23%。W-3W-3公示计算值与由实验测得的下限值公示计算值与由实验测得的下限值之比为之比为1/(1-0.231/(1-0.23）=1.3=1.35.3 5.3 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式2 2、W-2W-2公式公

49、式0ex 时如下：时如下：,60.3080.0048( )2216.51()0.825 2.3exp( 670) exp() 0.41exp() 1.120.548419010fsf ingsBOff ineefshhGzhh zhDDW-2W-2公式的使用范围：公式的使用范围：工作压力工作压力 p p5.4885.48818.914MPa18.914MPa；流体质量流流体质量流密度密度当量直径当量直径通道长度通道长度 L L0.2280.2281.93m1.93m出口含气量出口含气量进口比焓进口比焓 饱和饱和水比焓；水比焓；局部热流密度局部热流密度62(2 12.5) 10/();Gkgm

50、h0.00254 0.0137 ;eDm0 0.9;exx,930/f inhkJ kg62(0.315 5.670) 10/qWm5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式3 3、B&WB&W公式公式 它是美国它是美国Babcock&WilcoxBabcock&Wilcox公司发表的计算临界热流密度的公公司发表的计算临界热流密度的公式，其适用的范围与现在的压水动力堆参数相近，公式为式，其适用的范围与现在的压水动力堆参数相近，公式为336860.83 0.685(145.05 /10 2),0.712 0.2073(145.05 /10 2

51、)63.154 10(1.155 16.02 ) 0.37 10 (0.1218 10)0.01346/ 12.71(0.6297 /10)pDNBeueDNB fgpqDGGxhG,DNB euDNB NsqqF,0,1.025( )exp()1 exp()DNBlDNBDNB eusDNB NlocalDNBCq zC lz dzqFqqDl7.820.45760.206180.249(1)/()10DNBGCx5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式4 4、WRB-1WRB-1公式影响临界热流密度的因素公式影响临界热流密度的因素 ,134663.154()()10

52、10DNB eueGGqPFABBx相比相比W-3W-3更符合棒束试验数据更符合棒束试验数据说明：说明： 以上的关系式是从以上的关系式是从稳态工况稳态工况下的下的实验总结实验总结得来的。得来的。 试验表明试验表明：稳态时的临界热流密度：稳态时的临界热流密度小于小于瞬态时的数瞬态时的数值。值。5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式影响临界热流密度的因素影响临界热流密度的因素 1 1、质量流速、质量流速的影响的影响 对过冷沸腾和低含汽量的饱和沸腾，当水的质量流速增加时，对过冷沸腾和低含汽量的饱和沸腾，当水的质量流速增加时，流体的扰动增加，汽泡容易脱离加热面，从而使流体的扰

53、动增加，汽泡容易脱离加热面，从而使q qDNBDNB数值增数值增加。但流速增加一定数值后，再继续增加流速对提高加。但流速增加一定数值后，再继续增加流速对提高q qDNBDNB的的贡献就小了贡献就小了。2 2、进口、进口处水的过冷度的影响处水的过冷度的影响 进口处水的过冷度越大，则加热面上形成稳定的汽膜所需的进口处水的过冷度越大，则加热面上形成稳定的汽膜所需的热量越多，即热量越多，即q qDNBDNB越高。但当过冷度增大到某一数值时，热越高。但当过冷度增大到某一数值时，热管中的冷却剂就会发生汽水两相流动的不稳定性，导致热管管中的冷却剂就会发生汽水两相流动的不稳定性，导致热管内冷却剂流量减少，从而

54、使内冷却剂流量减少，从而使q qDNBDNB下降。同样，过冷度小到某下降。同样，过冷度小到某个数值，也会使汽水两相流动出现不稳定性个数值，也会使汽水两相流动出现不稳定性。5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式影响临界热流密度的因素影响临界热流密度的因素 3 3、工作压力的影响、工作压力的影响 压力的影响比较复杂，随着压力的升高，液体的表面张力减压力的影响比较复杂，随着压力的升高，液体的表面张力减小，汽化核心数增多，但与此同时，汽水密度差减小，汽泡小，汽化核心数增多，但与此同时，汽水密度差减小，汽泡不易脱离加热面，延长了受热长大过程，从而使汽泡脱离加不易脱离加热面，延长

55、了受热长大过程，从而使汽泡脱离加热面时直径扩展较大。热面时直径扩展较大。 池式沸腾中，开始时池式沸腾中，开始时q qDNBDNB随压力的增加而增大，当压力增至随压力的增加而增大，当压力增至6.86MPa6.86MPa左右时，左右时，q qDNBDNB达到最大值；此后压力继续增加，达到最大值；此后压力继续增加，q qDNBDNB减小。减小。4 4、冷却剂焓的影响、冷却剂焓的影响 沸腾临界发生处的冷却剂焓值的沸腾临界发生处的冷却剂焓值的大小（汽水两相组成），大小（汽水两相组成），主主要反映在含汽量的大小上，冷却剂焓值越高，含汽量要反映在含汽量的大小上，冷却剂焓值越高，含汽量x xe e值也越值也越

56、大，从而临界热流量大，从而临界热流量q qDNBDNB也越小。也越小。5.4 5.4 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式影响临界热流密度的因素影响临界热流密度的因素 5 5、水力当量直径、水力当量直径 以以单相湍流换热为例，直径减小，换热系数增加。单相湍流换热为例，直径减小，换热系数增加。6 6、通道、通道进口段长度的进口段长度的影响影响 通道通道进口进口长度长度L L与与通道直经通道直经D D的比值表示。一般说来的比值表示。一般说来，L/DL/D比比值越小，受进口局部扰动的影响越大，因而值越小，受进口局部扰动的影响越大，因而q qDNBDNB值增加值增加。7 7、加热表面粗糙度

57、的影响、加热表面粗糙度的影响 加热表面粗糙度的影响，只是对新堆才比较明显。表面粗糙加热表面粗糙度的影响，只是对新堆才比较明显。表面粗糙度一方面可以增加汽化核心的数目，另一方面又可增强流体度一方面可以增加汽化核心的数目，另一方面又可增强流体的湍流扰动，在过冷沸腾和低含汽量饱和沸腾的情况下，这的湍流扰动，在过冷沸腾和低含汽量饱和沸腾的情况下，这会使会使q qDNBDNB增加。增加。q qDNBDNB值受到好多因素的综合影响，要想分别确定所有这些值受到好多因素的综合影响，要想分别确定所有这些参量参量的的影响是很困难的。这个问题还有待今后进一步研究。影响是很困难的。这个问题还有待今后进一步研究。 问题

58、问题?课堂小结课堂小结5-5单通道模型的堆芯稳态热工分析5.5 5.5 单通道模型的堆芯稳态热工分析单通道模型的堆芯稳态热工分析堆芯初步堆芯初步热工设计中热工设计中，普遍采用普遍采用单通道模单通道模型。型。即把所要计算的热管看作是即把所要计算的热管看作是孤立、封闭孤立、封闭，无横无横向流动交混的向流动交混的单通道。单通道。适合于闭式通道。适合于闭式通道。对于对于开式通道开式通道，为了简化计算也可以用此模型，为了简化计算也可以用此模型，然后再修正。然后再修正。.1 核反应堆热工参数的选择核反应堆热工参数的选择核电厂热工设计核电厂热工设计的要求：的要求：安全安全经济。经济。保证保证

59、安全前安全前提下，发电提下，发电成本越低越成本越低越好好.1 核反应堆热工参数的选择核反应堆热工参数的选择核电厂电能成本与堆热工参数、结构参数关系核电厂电能成本与堆热工参数、结构参数关系 核电厂发电成本组成核电厂发电成本组成 燃料费、设备折旧费以及运行管理费燃料费、设备折旧费以及运行管理费主要影响因素主要影响因素：热效率、燃料费和设备折旧费热效率、燃料费和设备折旧费teneneneN fCSCNNNnetRSGtirMeptNNN 单位电能成本单位电能成本有效有效电功率电功率自耗功率自耗功率 R-热量利用率；热量利用率；SG-SG热利用率；热利用率；t-汽轮机理想循环热汽轮机理

60、想循环热效率；效率；Ir-汽轮机内效率；汽轮机内效率；m-汽轮机机械效率；汽轮机机械效率；e-发电机效率发电机效率.1 核反应堆热工参数的选择核反应堆热工参数的选择1 1、降低、降低电能电能成本，主要成本，主要有以下几有以下几条：条： 从从提高动力循环热效率提高动力循环热效率 来降低电能成本来降低电能成本 （1 1）提高冷却剂的）提高冷却剂的工作压力工作压力 （2 2）提高冷却剂的流量）提高冷却剂的流量 （3 3）适当选定堆冷却剂的）适当选定堆冷却剂的工作温度工作温度 从从提高堆芯的提高堆芯的功率密度（单堆功率）来功率密度（单堆功率）来降低电能成本降低电能成本 从从增加核燃料的燃耗深度来降低电能成本增加核燃