反应堆传热过程

第三章堆的传热过程第一页，共33页。核科学与工程系3.1导热

第二页，共33页。核科学与工程系3.1导热有内热源的圆柱形芯块温度场,忽略轴向导热情况

无内热源的圆筒形包壳温度场,忽略轴向导热情况

第三页，共33页。核科学与工程系3.2单相对流传热包壳外外表与冷却剂的热交换过程，基于牛顿冷却定律Q=hFΔθt,其中Δθt为膜温差，h为对流换热系数，F为传热外表积，Q为传递的热功率

分为自然对流换热和强迫对流换热两种情况考虑

对于非圆形通道，可使用当量直径作为公式3-15,16中的特征尺寸对于棒束通道，使用Weissman关系式，分为正方形栅格和三角形栅格两种情况对待第四页，共33页。核科学与工程系3.2单相对流传热–自然对流换热由密度梯度即温度梯度引起其中β为流体的体积膨胀系数，ν=μ/ρ为运动黏度，x为位差引入特征量格拉晓夫数Gr=(gβΔTx3)/ν2普遍关系式为Nu=f(GrPr)=C(GrPr)mn,式中m指物性参数取平均温度点的值，即tm=(tf+tw)/2针对竖壁与横管霍夫曼和米海耶夫分别提出经历关系式(3-19至3-24)第五页，共33页。核科学与工程系3.3沸腾传热包括池式沸腾和流动沸腾两种情况池式沸腾–拥有自由外表的大容积液体，在受热面处发生的沸腾。自然对流占主导流动沸腾–流体流经加热通道时发生，沸水堆的正常工况，压水堆中也会发生尤其是事故状况下第六页，共33页。核科学与工程系.1

沸腾曲线–池式沸腾壁面过热度与热流密度的关系曲线右下方为大容积沸腾，左上方为管内流动沸腾B点前为不沸腾自然对流区，B点开场产生气泡，B点称为沸腾起始点ONB。气泡产生，对流换热系数高，热流密度迅速上升C点到达热流密度最大值，称为临界热流密度BC段为核态沸腾区第七页，共33页。核科学与工程系.1

沸腾曲线–池式沸腾CD段为过度沸腾区，由于汽膜形成导致热阻上升，热流密度降低DE段为稳定膜态沸腾区此两区内稳定的汽膜形成D点后辐射传热增强，热流密度再次进步C，E点热流密度一样，故当从C点进一步进步热流密度时，膜温差可能跃升，造成壁面烧毁。因此C点又称为烧毁点。H点为偏离核态沸腾规律点DNB第八页，共33页。核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素-系统压力

第九页，共33页。核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素-主流液体温度(或欠热度)对传热强度无影响对于qc影响显著随欠热度ΔTSUB增大，汽液置换时易冷凝近壁气泡，那么qc升高第十页，共33页。核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素-加热外表粗糙度外表越粗糙，泡化空穴越大，因此需要的过热度越小使ABC段左移泡核沸腾传热增强对qc及膜态沸腾的影响很小–气膜将粗糙度掩盖第十一页，共33页。核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素-其他因素液壁接触角增加或不凝气体掺入降低ΔTw使沸腾曲线ABC段左移，强化传热第十二页，共33页。核科学与工程系流动沸腾传热强迫或自然对流有宏观运动的系统内的沸腾气泡生长受流体流动的影响汽液两相运动–比池式沸腾复杂第十三页，共33页。核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型A段–单相液体对流壁面温度与流体平均温度均升高壁面附近形成热边界层因过热度缺乏不能生成气泡第十四页，共33页。核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型B段–欠热泡核沸腾气泡形成传热增强，传热系数增大液体边界层温度高于饱和温度初始阶段，气泡较少，附着在壁面，管中心仍为潜热液体，气泡不能长大后段，气泡长大并脱离壁面，泡核沸腾逐渐增强第十五页，共33页。核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型

第十六页，共33页。核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型E+F段–通过液膜强迫对流蒸发传热含汽率增加液膜变薄，内部导热及对流变强，过热度降低当过热度低于ΔTw,ONB后，液膜内气泡停顿产生，那么液膜内完全通过导热和对流实现换热液膜逐渐变薄，直至蒸干第十七页，共33页。核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型G段–缺液区传热液膜蒸干后，壁面被蒸汽覆盖传热才能急剧下降壁温上升液相以液滴形式存在第十八页，共33页。核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型H段–单相蒸汽对流传热液滴全部蒸完蒸汽逐渐被过热第十九页，共33页。核科学与工程系.2核态沸腾传热ONB判断：对于工业光滑管，Bergles和Rohsenow提出qONB-3p1.156[1.8(tw-ts)]使用Jens-Lottes沸腾传热方程与单相强迫对流方程联立tf,ONB=ts+ΔθJ-q/h其中tw-ts=25(q/105)exp(-p/6.2)以上公式中ΔθJ为壁面过热度第二十页，共33页。核科学与工程系.3沸腾临界指传热机理发生变化时，传热系数发生的突然下降包括偏离泡核沸腾〔DNB〕和蒸干两种工况棒束通道的临界热流密度，受功率轴向径向分布，定位件，棒间距等因素影响，同时也受压力，质量流密度，含汽率的分布等因素影响在均与加热的情况下，可由西屋公司提出的实验数据拟合公式获得，当通道内存在冷壁时，该式中De应被交换为热等效直径Dh=4x通道截面积/加热周长第二十一页，共33页。核科学与工程系.4过渡沸腾传热是一种中间传热方式，是不稳定膜态沸腾与不稳定核态沸腾的结合壁面温度高到不能维持稳定的核态沸腾，但又低的缺乏以维持稳定的膜态沸腾固有不稳定性导致研究困难出现条件：LOCA后ECCS注水，导致堆芯发生再吞没Reflood包括三种形式：1.包含沸腾和对流成分的关系式3-33；2.现象表达式3-34；3.经历关系式3-32第二十二页，共33页。核科学与工程系.5膜态沸腾传热DE段形成稳定蒸汽膜层后出现加热外表通过辐射和强迫对流向蒸汽传热，也通过液珠与壁面之间的互相z作用实现传热分为反环状流〔空泡份额<30%〕和弥散流〔空泡份额>80,之间为块状流过渡区〕两种换热系数远小于核态沸腾，包壳温度过高，故在反响堆正常运行时不允许出现计算关系式3-35,3-36：第二十三页，共33页。核科学与工程系3.4燃料元件的型式构造及设计要求燃料元件的型式：棒状，管状，板状，球状，如图3-16冷却方式：单面，双面冷却注入方式：端部注入(主要使用)，中间注入，回流式三种，如图3-17燃料元件的热工设计要求：保证包壳完好性；合理水铀比；整个寿期内无不良物理化学作用；易于加工工艺性好；经济性好，消费本钱低。第二十四页，共33页。核科学与工程系3.5燃料元件材料的热物性易裂变核素：主要包括U-233〔Th-232转化〕，U-235〔天然存在〕，Pu-239〔U-238转化〕可转换核素：Th-232，U-238等核燃料：固体/液体〔水溶液，熔盐或液态金属〕，金属型/陶瓷型/弥散型对于固体燃料要求：良好的辐照稳定性良好的热物性与包壳材料相容与冷却剂接触无强烈化学腐蚀工艺性好，易加工，本钱低陶瓷燃料，弥散性燃料高温稳定性优于金属燃料第二十五页，共33页。核科学与工程系3.5燃料元件材料的热物性–金属燃料优点：密度高，热导率，大工艺性好；缺点：高温下稳定性不好，高燃耗下尺寸变化大，腐蚀率高。第二十六页，共33页。核科学与工程系3.5燃料元件材料的热物性–陶瓷燃料包括氧化物，氮化物，碳化物燃料优点：熔点高，高温高辐照下几何形状稳定性好，与水及液态钠接触有较好的耐腐蚀性能，与不锈钢及锆合金包壳材料的相容性好；缺点：导热率低，热梯度下的脆性。碳化物，氮化物燃料较氧化物燃料拥有更高的热导率和熔点及辐照稳定性，但与水易发生剧烈化学反响，故较多用于气冷钠冷先进堆对于氧化物燃料UO2：熔点2800摄氏度密度热导率低〔如图3-18〕，比液态钠低接近两个数量级。使用Maxwell-Eucken方程描绘孔隙率的影响κp=〔1-ε〕/〔1+βε〕κ100，其中为理论密度，β〔ε≦〕，β=0.5其他情况。比热容较高〔大约是水的1/10〕，可通过公式3-40，41计算得到。第二十七页，共33页。核科学与工程系3.5燃料元件材料的热物性–弥散燃料对于弥散体燃料〔如欧盟EFIT-ADS工程中提出的CERCER，CERMET燃料〕-机械方法将燃料粉末弥散到热导率高，热稳定性及辐照稳定性好的基体材料中。优点：耐辐照，耐腐蚀，导热性能好，机械性能好；缺点：基体材料的存在稀释了裂变材料，因此需要高裂变材料富集度。弥散颗粒和集体的热导率均会影响弥散燃料的热导率，如公式3-42。基体的影响较大。第二十八页，共33页。核科学与工程系3.5燃料元件材料的热物性–包壳材料需考虑因素：良好核性能–低中子吸收截面，弱感生放射性与核材料相容较好的导热性能良好的力学及机械特性较强的抗腐蚀才能良好的辐照稳定性本钱低，易加工，便于后处理铝，镁，锆，不锈钢，石墨等第二十九页，共33页。核科学与工程系3.5燃料元件材料的热物性–锆合金高温下抗水腐蚀锆-4合金〔压水堆〕，锆-2及锆-4合金〔沸水堆〕锆-2，4的热导率计算参见公式3-46，约六倍于氧化物燃料。比热容计算参见3-47，48，49，接近UO2但考虑到其在燃料棒中所占比重较轻，一般不考虑其热迟滞。第三十页，共33页。核科学与工程系3.5燃料元件材料的热物性–不锈钢及镍基合金不锈钢–良好的抗腐蚀和抗辐照性能，但中子吸收截面大，高温水腐蚀快堆中使用较多–满足快堆要求：熔点高；低辐照损伤及肿胀；良好的抗腐蚀性能，尤其是液态钠。第三十一页，共33页。核科学与工程系3.5燃料元件材料的热物性–辐照的影响对UO2的影响熔点–每10000MWd/ton燃耗下降32摄氏度，燃料全寿期内约100摄氏度热导率–随燃耗增加而减小，参照图3-19。低温下〔<500摄氏度〕影响较显著。温度高于1600摄氏度时，影响不明显力学特性–低于1000摄氏度时，UO2表现脆性，芯块较低热应力下便会发生龟裂。高温下表现出热蠕变性，辐照状况下会得到加强。UO2的密实化–高温下的静压力造成孔隙消失，芯块体积减小