核电厂热工水力学3

1、中中 国国 实实 验验 快快 堆堆1.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反应堆所能允许产生的功率大小，主要取决于反应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。堆传输热量的能力。要使反应堆在某一功率下安全运行，就必须采用适要使反应堆在某一功率下安全运行，就必须采用适当的输热系统把堆内释热传输出来，以便保证反应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。堆内各处的温度都不超过限定值。 为了计算反应堆释出的热功率和堆内温度分布，首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。先必须了解

2、堆内热源的由来及其分布。堆内热源的分布取决于堆的具体设计，即堆的类型、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、慢化剂、冷却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。剂、反射层等的布置。 中中 国国 实实 验验 快快 堆堆1.1反应堆的热源反应堆的热源中中 国国 实实 验验 快快 堆堆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。 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热以上的

3、总裂变能是在燃料元件内转化成热能的，大约能的，大约5的总裂变能是在慢化剂中转化的总裂变能是在慢化剂中转化成热能的，而余下的不足成热能的，而余下的不足5的总裂变能则在的总裂变能则在反射层、热屏蔽和堆内部件中转化成热能。反射层、热屏蔽和堆内部件中转化成热能。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。 中中 国国 实实 验验 快快 堆堆1.2堆芯体积释热率堆芯体积释热率中中 国国 实实 验验 快快 堆堆中中 国国 实实 验验 快快 堆堆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 中中

4、国国 实实 验验 快快 堆堆中中 国国 实实 验验 快快 堆堆中中 国国 实实 验验 快快 堆堆中中 国国 实实 验验 快快 堆堆1.4堆芯内释热率的分布堆芯内释热率的分布有限圆柱体均匀裸堆中子注量率分布有限圆柱体均匀裸堆中子注量率分布中中 国国 实实 验验 快快 堆堆中中 国国 实实 验验 快快 堆堆中中 国国 实实 验验 快快 堆堆1.4.1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。芯中央区会出现高的功率峰值。 此外，即

5、使在寿期此外，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经是采用以平均燃耗比较低。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的分区装载燃料，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，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比于热中子注量率与可裂变燃料富集度之度近似地正比于热中子注量率与可裂变燃料富集度之积，那么这种装料方案就会

6、降低堆芯内区的功率水平积，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。和提高外区的功率水平。中中 国国 实实 验验 快快 堆堆 对于采用三区分批装料的反应堆，图2.13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，而低功率区内的功率却升高。中中 国国 实实 验验 快快 堆堆2 控制棒对功率分布的影响控制棒对功率分布的影响 在某些反应堆设计中，全部剩余反应性是通在某些反应堆设计中，全部剩余反应性是通过插入控制过插入控制 棒抵消的。强吸收材料的存在，在轴棒抵消的。强吸收

7、材料的存在，在轴向和径向都会扰动中子注量率。例如在寿期初期，向和径向都会扰动中子注量率。例如在寿期初期，堆芯中央区的某几根控制棒或全部控制棒部分插堆芯中央区的某几根控制棒或全部控制棒部分插入堆芯，可以降低径向中子注量率及功率峰值入堆芯，可以降低径向中子注量率及功率峰值（径向功率分布得到展平）。（径向功率分布得到展平）。中中 国国 实实 验验 快快 堆堆2 控制棒对功率分布的影响控制棒对功率分布的影响控制棒由顶部插入。在寿期初期，局部插入的控控制棒由顶部插入。在寿期初期，局部插入的控制棒使中子注量率及功率峰值移向堆芯底部。在制棒使中子注量率及功率峰值移向堆芯底部。在寿期末期，由于控制棒提出，堆芯

8、顶部燃耗较低寿期末期，由于控制棒提出，堆芯顶部燃耗较低的燃料使中子注量率及功率峰值移向堆芯顶部。的燃料使中子注量率及功率峰值移向堆芯顶部。同时，如图同时，如图25中所看到的，功率的峰值与平均中所看到的，功率的峰值与平均值之比会比未受扰动时的要高。值之比会比未受扰动时的要高。中中 国国 实实 验验 快快 堆堆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水隙指控制棒提出后留下的空间，水隙中的水起慢化作水隙指控制棒提出后留下的空间，水隙中的水起慢化作用，从而提高了局部热中子注量率和功率。现在采用挤用，从而提高了局部热中子注量率和功率。现在采用挤水棒和控制棒采用长而细的方式避免峰值。水棒和

9、控制棒采用长而细的方式避免峰值。压水堆堆芯最热区可能产生蒸汽，蒸汽泡的存在会使反压水堆堆芯最热区可能产生蒸汽，蒸汽泡的存在会使反应性下降，从而使空泡区域的中子注量率及其功率相应应性下降，从而使空泡区域的中子注量率及其功率相应降低。在反应堆瞬态工况和事故工况下，冷却剂的比焓降低。在反应堆瞬态工况和事故工况下，冷却剂的比焓大大高于其正常值，这种空泡效应更加显著。由于产生大大高于其正常值，这种空泡效应更加显著。由于产生蒸汽空泡会使功率降低，所以可减轻某些事故的严重性。蒸汽空泡会使功率降低，所以可减轻某些事故的严重性。中中 国国 实实 验验 快快 堆堆4 结构材料对功率的扰动结构材料对功率的扰动 燃料

10、棒包壳、组件定位格架以及支撑结构等都是燃料棒包壳、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。中子吸收体，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。果材料的中子吸收截面高，这种影响就相当可观。 中中 国国 实实 验验 快快 堆堆1.5核热通道（热管）因子核热通道（热管）因子热通道因子：热通道因子： 为了衡量各有关热工参量的最大值偏离其平均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，引进了一种修正因子，这值（或名义值）的程度，引进了一种

11、修正因子，这种修正因子称之为热通道因子（也称热管因子）。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热工（或物理）参量的最大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比值来表示的。值与其平均值的比值来表示的。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：一类是核热通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。道因子；一类是工程热通道因子。 中中 国国 实实 验验 快快 堆堆径向核热通道因子：径向核热通道因子：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：轴向核热通道因子：NZF热通道的最大

12、热流密度热通道的平均热流密度热流密度核热通道因子热流密度核热通道因子NNNqRZFFF热通道的最大热流密度堆芯平均通道的平均热流密度中中 国国 实实 验验 快快 堆堆1.6停堆后的释热及其冷却停堆后的释热及其冷却 在反应堆停堆后，由于剩余中子在一段很短时间在反应堆停堆后，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内还会引起裂变，堆内裂变产物和中子俘获产物还会在很长的时间内衰变，因而堆芯仍有一定的还会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，与此相应释热率。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的功率称为停堆后的功率 。快

13、速停堆后堆芯相对快速停堆后堆芯相对功率和相对热流密度功率和相对热流密度随时间的变化（虚线随时间的变化（虚线表示有效快速停堆时表示有效快速停堆时刻）刻） 中中 国国 实实 验验 快快 堆堆剩余中子引起的裂变功率剩余中子引起的裂变功率 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：在变功率可分为如下两种情况：在停堆后极短的时间（秒）内，剩停堆后极短的时间（秒）内，剩余中子功率主要是瞬发中子引起余中子功率主要是瞬发中子引起的裂变功率；在停堆后较长时间的裂变功率；在停堆后较长时间（130秒）内，剩余中子功率秒）内，剩余中子功率主要是缓发中子引起的裂变功率。主要是缓发中子

14、引起的裂变功率。 （2）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是指燃料内俘获中子后的产物和的放射性衰变热。中中 国国 实实 验验 快快 堆堆停堆后继续释放的功率虽然只有稳态满功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率的百分之几，但其绝对值却仍然是一个不小的数字。不小的数字。 这么大而且持久的释热功率，如果不能及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。时输出到堆芯外，就有可能使堆芯熔化。 所以在反应堆停堆以后，必须继续对堆芯所以在反应堆停堆以后，必须继续对堆芯冷却，以便带走这些热量。冷却，以便带走这些热量。