《核反应堆热工分析》复习资料x

1、核反应堆热工分析复习资料核反应堆热工分析复习资料第一章绪论（简答）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：发电舰船推进动力各种反应堆的基本特征：压水堆优缺点：沸水堆与压水堆相比有两个优点：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。沸水堆的优缺点：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

2、238U转换成易裂变材料238U + n 239Pu239Pu + n -A+B+n+Q （占能量一半设备二重沸酬咏球中充修加化（整），.群仲气财：-g瓠，蛟建平求高:具有5. 建造同I腿d年），造价便宜表1-1各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压水堆热中子H2OH2Ouo23%左右沸水堆热中子H2OH2Ouo23%左右重水堆热中子D2。D2Ouo2天然铀或高温气冷堆热中子石墨嬴气UC.T11O27 20%钠冷快堆快中子无液态钠UO2/P11O215 20%）南华大学班级：核工程与核技术064班学号：（20064530421）姓名：李军核反应堆热工分析复习资料缺点：重水

3、初装量大，价格昂贵燃耗线（800010000兆瓦日/T （铀）为压水堆1/3）为减少一回路泄漏（因补D20昂贵）对一回路设备要求高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（如果进一步提高斐气温度900C时可直接推动气轮机；1000C时可直接推动气轮机热热效率大于5

4、0%； 1000 120CTC时可直接用于炼铁、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钠冷快堆的优缺点：优点：充分利用铀资源239Pu + n A+B + 2. 6 个 n238U + 1.6个11 -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各种堆型的特点、典型运行参数第二章堆芯材料选择

5、和热物性（简答）固体核燃料的5点性能要求：教材14页常见的核燃料：金属铀和铀合金、陶瓷燃料、弥散体燃料选择包壳材料，必须综合考虑的7个因素：包壳材料的选择中子吸收截面要小热导率要大材料相容性要好南华大学 班级：核工程与核技术064班 学号：（20064530421）姓名：李军核反应堆热工分析复习资料抗腐蚀性能材料的加工性能材料的机械性能材料的抗辐照性能只有很少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 堆中广泛应用的是错合金 包壳。常见的包壳材料：错合金、不锈钢和镣基合金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

6、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，木身被冷却返回堆内重新循环常见的冷却剂：水和重水、钠、氮气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)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8 =50 mm的平板，两侧表面分别维持在twl=300C, tw2=100 C ,试求下列条

7、件下通过单位 截面积的导热量：(1)材料为铜，导热系数k=374 W / (m. K)； (2)材料为钢，导热系数1= 36. 3W / (m - K) tdt解答：q k q dx k dtOtdx根据傅立叶定律k twl tw2 w2wlq twl tw2 kq 300 100 K0.05m 1.496 10W/m62南华大学班级：核工程与核技术064班W374/m K)姓名：李军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：300 100 K52 1.456 10W/m (2)材料为钢，k=36. 3 W / (m.K)代入得：q 0.05m36. 3W/m

8、 K牛顿冷却公式：q =( tw-tf )(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 F tw tf QF tw tf2 8. 5W3. 14 0.014 0.08 69 20 m K2 49. 3W/m K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

9、W / (m2 - K),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8 =1. 5mm，管子材料为导 热系数=l.l5xlO-4/n2 AT/VV% 87OOVV /m Kk = 383W/ (m-K)的钢。试计算：工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。解答：水侧换热热阻管壁导热热阻蒸气凝结热阻51.5x10? m=A 3831V / AM K=3.92x 10f K/W=； 5.56xl0T 】2 K/W 。、I800IV lm - K1 14 h = - = 1480W hn K1511.

10、15 x 10 + 3.92 x 10-6 + 5.56 x 10-4+- F - a k a.教材58页：当量直径的计算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什么是热管因子？（教材35页）教材42页ql、q、qv的物理意义导热、放热、输热分别指什么？各遵循什么定律？（教材42-49页）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南华大学班级：核工程与核技术064班学号：（20064530421）姓名：李军核反应堆热工分析复习资料稳态工况下水力计算的3个任务（教材83页）稳态水力计算基本方程：质量守恒方程式

11、一连续性方程、动量守恒方程（教材84页）一质量守恒方程式一连续性方程d （ V A）0-也就是PVA=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），则PV=常数我们称P V = G, G为质量流速，单位为kg/m2 - s,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dP） （A dA） U PA （P（压力）hdZ （ AdZ）gsin （ VA）（V dV） v（重力的分力）（动量改变的力）（壁面上的力）-展开上式，并略去微分相乘量，可得d（

12、AP） UhdZ Agsin dZ VAdVh 如果流通截面A不变，则上式可写为：gsin GdZAdZ-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。dPUdV-能量守恒方程式-同样对上式微元体考虑能量平衡，可得d（pv） dU d（12V2）d （Zgsin ） dq dW（位能）（加入热量）（对外作功）（压力能）（内能）（动能）-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=O,则能量平衡式可写为：-或vdP VdV gsin dZ dF OdPdZdFdZgsin VdVdZdFdZ

13、gsin GdVdZ-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，动量守恒方程式和能量守恒方程式是相同的，同时可得，必须一动量守恒方程和能量守恒方程还可表示成：dPfdZUhdFdZdPdZdFdZdPfdZdPeldZdPadZA，称为摩擦压降梯度；dPelgsindZdPadZGdVdZ称为提升（或重位）压降梯度；，称为加速压降梯度。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。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）5.一回路内的流动压降（教材118页 分

14、段计算）南华大学班级：核工程与核技术064班学号：（20064530421）姓名：李军核反应堆热工分析复习资料堆芯冷却剂流量分配不均匀的4个原因（教材118页）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,自然循环流显然，在自然彳盾环情况下，于是有:i1i若:用 Pd表示驱动J R头，/二，用八Pup和 分别友示上升段内和下降段内的压降损失之和，则-通常把克服r lji-段斥:力损失之后的剩余驱动床头效压头 Pc，这样就有 4 Vc = PdA Pup-这样就得自然循环基本方程式

15、Pc = pdo图 4-21)确定自然循环的方法基：驱动压头符于阳压降，出动压头阻力压降/叩W流最假W粹热以支，则 派勺3大，导致出 应下降，出却阳的 击承升，驱动JBE 降，而阻N增大。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

16、。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300笆，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40C南华大学班级：核工程与核技术064班学号：（20064530421）姓名：李军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

17、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. 8k/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

18、100巴，加热通道进口水焙为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280C,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320C，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。临界流模型及临界流的特点：临界流模型如果上游压力P。保持不变.并假定流体的温度和比容都是定值。“I外部背压Pb 卜降到低容器流体氏力时（曲线1）.流体便 从通道内流出，井 在通道内自PO至

19、通道出口压 力Pcx之间建立-个压力梯度，这时Pcx等于 Pb。“IPb进-步降低时，Pcx也随之 卜降，井 等变化后的Pb,出口流速进-步增大（曲线2）；这个美系I保持到某个值，在该Pbtfl K通道出 I1处流速等于该处温度和压力下的声速时为止 （曲线3）；此后.Pb进 步降低.出口截面处流 速不会町 增大，Pcx不会再降低（曲线4.5），这时的流动叫临界流动。对于单相流，确定发生临界流的两个等价条件是：I）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。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

20、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。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）、热振荡南华大学班级：核工程与核技术064班学号：（20064530421）姓名：李军核反应堆热工分 析复习资料第五章反应堆稳态热工设计原理反应堆热工设计准则（教材140页3点针对压水堆）当不考虑在堆芯进口处冷却剂流量分配的不均匀，以及不考虑燃料元件的尺寸、性能等在 加工、安装、运行中的工程因素造成的偏差，单纯从核方面考虑，堆芯内存在着某一积分功率 输出最大的燃料