反應(yīng)堆熱工第二章-1

1、2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1反應(yīng)堆熱工水力學(xué)第二章 王建軍wang-0451825696552021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2主要內(nèi)容 2.1 核裂變產(chǎn)生的能量及其分布核裂變產(chǎn)生的能量及其分布 2.2 堆芯功率分布及其影響因素堆芯功率分布及其影響因素 2.3 控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中熱量的產(chǎn)控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中熱量的產(chǎn)生及其分布生及其分布 2.4 反應(yīng)堆停堆后的功率釋放反應(yīng)堆停堆后的功率釋放2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3主要知識(shí)點(diǎn)（1） 掌握掌握計(jì)算堆芯熱功率的方法計(jì)算堆芯熱功率的方法 掌握掌握堆芯內(nèi)釋熱率的分布情況（典型）堆芯內(nèi)釋熱率的分布情況（典型） 掌握掌握

2、影響堆芯內(nèi)功率分布因素影響堆芯內(nèi)功率分布因素 理解理解堆芯內(nèi)其他釋熱產(chǎn)生和分布原理堆芯內(nèi)其他釋熱產(chǎn)生和分布原理 了解了解其他釋熱計(jì)算方法其他釋熱計(jì)算方法2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院4主要知識(shí)點(diǎn)（2） 掌握掌握反應(yīng)堆停堆后功率變化規(guī)律反應(yīng)堆停堆后功率變化規(guī)律 掌握掌握反應(yīng)堆停堆后功率組成及特點(diǎn)反應(yīng)堆停堆后功率組成及特點(diǎn) 了解了解反應(yīng)堆停堆后功率計(jì)算方法反應(yīng)堆停堆后功率計(jì)算方法2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5反應(yīng)堆的熱源及其分布 一、一、 核裂變產(chǎn)生的能量及其在堆芯內(nèi)的分布核裂變產(chǎn)生的能量及其在堆芯內(nèi)的分布熱源熱源來(lái)自于可裂變核素的來(lái)自于可裂變核素的裂變能量裂變能量每次裂變放出的總能

3、量每次裂變放出的總能量平均平均約為約為200MeV包括包括緩發(fā)中子緩發(fā)中子的能量，未計(jì)及中微子及反中微子的能量的能量，未計(jì)及中微子及反中微子的能量所產(chǎn)生所產(chǎn)生熱源熱源的分布與的分布與堆型堆型、燃料型式燃料型式及及運(yùn)行時(shí)間運(yùn)行時(shí)間等因素有關(guān)等因素有關(guān)2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院6裂變能的近似分配l裂變能絕大部裂變能絕大部分在燃料元件內(nèi)分在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闊崮躭熱堆份額熱堆份額90%l壓水動(dòng)力反應(yīng)壓水動(dòng)力反應(yīng)堆堆97.4%l沸水反應(yīng)堆沸水反應(yīng)堆96%2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院7不同核素釋放裂變能值（重水堆）2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院8二、二、 堆芯功率分布及其

4、影響因素堆芯功率分布及其影響因素裂變率：裂變率：2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院9體積釋熱率：體積釋熱率： 體積釋熱率是體積釋熱率是單位時(shí)間單位時(shí)間、單位體積單位體積內(nèi)釋放內(nèi)釋放的的熱能熱能的度量，也稱為的度量，也稱為功率密度功率密度。要注意的。要注意的是，體積釋熱率指的是是，體積釋熱率指的是已經(jīng)轉(zhuǎn)化為熱能的能已經(jīng)轉(zhuǎn)化為熱能的能量量，并不是在該體積單元內(nèi)釋放出的全部能，并不是在該體積單元內(nèi)釋放出的全部能量，因?yàn)橛行┠芰繒?huì)在別的地方轉(zhuǎn)化為熱能，量，因?yàn)橛行┠芰繒?huì)在別的地方轉(zhuǎn)化為熱能，甚至有的能量根本就無(wú)法轉(zhuǎn)化為熱能加以利甚至有的能量根本就無(wú)法轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。用。3(/)vaffqF E

5、NMev cm s 2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院10堆芯內(nèi)釋熱率的分布 均勻裸堆釋熱率分布：均勻裸堆釋熱率分布：2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院112021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院12影響堆芯功率分布的因素-12021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院13影響堆芯功率分布的因素-22021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院142021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院15影響堆芯功率分布的因素-3 結(jié)構(gòu)材料的吸收效應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的吸收效應(yīng) 水隙和空泡效應(yīng)水隙和空泡效應(yīng)2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院16影響堆芯功率分布的因素-42021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院172021-10-29核科學(xué)與

6、技術(shù)學(xué)院17三、控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中熱量的產(chǎn)生和分布 控制棒中的熱源及其分布；控制棒中的熱源及其分布； 慢化劑的熱源及其分布；慢化劑的熱源及其分布； 結(jié)構(gòu)材料中的熱源及分布；結(jié)構(gòu)材料中的熱源及分布；2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院182021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院18控制棒中的熱源及其分布 材料：材料：硼硼、鎘、鉿等，壓水堆一般采用銀、鎘、鉿等，壓水堆一般采用銀- -銦銦- -鎘合金或碳化硼鎘合金或碳化硼 控制棒熱源：控制棒熱源： 1 1）吸收堆芯的）吸收堆芯的輻射的熱量；輻射的熱量； 2 2）吸收本身中子因（）吸收本身中子因（n,n,）或（）或（n, n, ）反應(yīng)所產(chǎn)）反應(yīng)所

7、產(chǎn)生的全部或部分熱量；生的全部或部分熱量；2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院192021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院19 計(jì)算方法：計(jì)算方法：1 1、吸收、吸收射線而釋熱的熱源：與堆芯的結(jié)構(gòu)、控制棒本身射線而釋熱的熱源：與堆芯的結(jié)構(gòu)、控制棒本身的結(jié)構(gòu)、控制棒材料的性質(zhì)以及控制棒在堆芯所處的位置有的結(jié)構(gòu)、控制棒材料的性質(zhì)以及控制棒在堆芯所處的位置有關(guān)，可用關(guān)，可用屏蔽設(shè)計(jì)的方法屏蔽設(shè)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。來(lái)進(jìn)行計(jì)算。2 2、因（、因（n,n,）或（）或（n, n, ）反應(yīng)而釋熱的熱源：）反應(yīng)而釋熱的熱源：1 1）算出控制棒在單位時(shí)間內(nèi)俘獲的中子數(shù)）算出控制棒在單位時(shí)間內(nèi)俘獲的中子數(shù)n n（中子（

8、中子/s/s）etkN 1310121. 3n) s/(中子釋放出1KJ能量的裂變數(shù) 控制棒對(duì)中子的吸收系數(shù)，即每次裂變被控制棒吸收的中子數(shù)（中子/裂變）2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院202021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院202）首先根據(jù)控制棒所使用的材料判斷控制棒俘獲中）首先根據(jù)控制棒所使用的材料判斷控制棒俘獲中子所產(chǎn)生的反應(yīng)是子所產(chǎn)生的反應(yīng)是 還是還是 反應(yīng)：由于反應(yīng)：由于 粒子的射程短，其能量主要為粒子的射程短，其能量主要為控制棒本身所吸收。控制棒本身所吸收。 功率：功率：),(n),(n),(n136.242 100.01teteNnENkNk)kW() s /eV(M假設(shè)放出

9、的 粒子的能量為MeVE22021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院212021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院21 反應(yīng)，反應(yīng)， 射線能譜具有一個(gè)范圍，取能譜平均值為射線能譜具有一個(gè)范圍，取能譜平均值為 ，產(chǎn)生的產(chǎn)生的 量子數(shù)為量子數(shù)為 ，自吸收系數(shù)，自吸收系數(shù)a（由于（由于 的穿透能力強(qiáng)，的穿透能力強(qiáng)，控制棒本身只能吸收控制棒本身只能吸收 射線的一部分能量），射線的一部分能量），這一部分功率：這一部分功率：),(nE)(Ev1333.121 10()5.0 10()teteNNk E v EaNk E v EaMeV/skW2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院222021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

10、22 對(duì)于由對(duì)于由m種不同的吸收材料組成的控制棒，且每種材種不同的吸收材料組成的控制棒，且每種材料吸收中子所產(chǎn)生的反應(yīng)類型和放出的能量不同，則控制料吸收中子所產(chǎn)生的反應(yīng)類型和放出的能量不同，則控制棒因吸收中子所產(chǎn)生的總釋熱量：棒因吸收中子所產(chǎn)生的總釋熱量：131313.121 105.0 10mcateiiiimteiiiiNNkE aNkE a) s /eV(M)kW(第i中材料所吸收的中子數(shù)占控制棒吸收中子總數(shù)的份額 第第i中材料每吸收一個(gè)中子所產(chǎn)生的能量中材料每吸收一個(gè)中子所產(chǎn)生的能量)(MeV 為第i種材料的自吸收系數(shù)，視吸收中子后所產(chǎn)生的反應(yīng)而定，若為 反應(yīng)，則 可取為1 ),(ni

11、a2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院232021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院23慢化劑中的熱源及其分布 熱量組成熱量組成 ：裂變中子的慢化、吸收裂變產(chǎn)物放出的粒子：裂變中子的慢化、吸收裂變產(chǎn)物放出的粒子的一部分能量、吸收各種射線的能量。的一部分能量、吸收各種射線的能量。 裂變中子的大部分動(dòng)能都在初始幾次的碰撞中失去，因此裂變中子的大部分動(dòng)能都在初始幾次的碰撞中失去，因此由它產(chǎn)生的熱源的分布將取決于快中子的平均自由程。由它產(chǎn)生的熱源的分布將取決于快中子的平均自由程。 1）當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)快中子的平均自由程很短時(shí)（例如以）當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)快中子的平均自由程很短時(shí)（例如以輕水作為慢化劑的反應(yīng)堆），慢化劑中熱源

12、的分布大致與輕水作為慢化劑的反應(yīng)堆），慢化劑中熱源的分布大致與中子通量的分布相同；中子通量的分布相同； 2）如果平均自由程長(zhǎng)，則其熱源的分布就接近于均）如果平均自由程長(zhǎng)，則其熱源的分布就接近于均勻分布。勻分布。2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院242021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院24 慢化劑中的體積釋熱率近似表示：慢化劑中的體積釋熱率近似表示：13,0.10(1.602 10)()mv mvfSqqE均勻化處理后堆芯某一位置上的體積釋熱率 vq慢化劑的平均密度， 堆芯材料的平均密度 mS快中子宏觀彈性散射面積 1()cm3(/)W cm3( /)g cmf快中子通量 2/()cms中子E

13、每次碰撞的平均熱量損失 (eV)M2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院252021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院25fantEEEfaE快中子的能量 (eV)Mn：快中子慢化成熱中子所需的平均碰撞次數(shù)， fatln(/)EEn：平均對(duì)數(shù)能量縮減 2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院26 如果冷卻劑和慢化劑是同一種材料（例如水如果冷卻劑和慢化劑是同一種材料（例如水-水水堆）則慢化劑的冷卻問(wèn)題就可以合并在元件的堆）則慢化劑的冷卻問(wèn)題就可以合并在元件的冷卻問(wèn)題中一起考慮；冷卻問(wèn)題中一起考慮； 如果冷卻劑是液體而慢化劑是固體（例如水如果冷卻劑是液體而慢化劑是固體（例如水-石石墨堆）則慢化劑的冷卻必須專門(mén)

14、考慮墨堆）則慢化劑的冷卻必須專門(mén)考慮 2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院27結(jié)構(gòu)材料中的熱源及其分布 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料 ：包殼、元件盒、定位架、控制棒導(dǎo)向管等：包殼、元件盒、定位架、控制棒導(dǎo)向管等 熱量來(lái)源：幾乎完全由于吸收來(lái)自堆芯的各種熱量來(lái)源：幾乎完全由于吸收來(lái)自堆芯的各種 輻射輻射 計(jì)算：如果認(rèn)為計(jì)算：如果認(rèn)為 對(duì)射線的吸收正比于材料的質(zhì)量。則對(duì)射線的吸收正比于材料的質(zhì)量。則可近似地用下式估算體積釋熱率可近似地用下式估算體積釋熱率 ：,0.10vvqq堆芯某一位置上的單位體積結(jié)構(gòu)材料吸收 射線所釋放的熱量 3(/)W cm在均勻化處理后堆芯某一位置上的體積釋熱率 結(jié)構(gòu)材料的密度 堆芯材

15、料的平均密度 結(jié)構(gòu)材料中的熱源還與結(jié)構(gòu)材料本身的具體形狀和所處的部位有密切關(guān)系。2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院28四、四、 反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中的簡(jiǎn)單瞬態(tài)熱工分析反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中的簡(jiǎn)單瞬態(tài)熱工分析反應(yīng)堆停堆后的釋熱特點(diǎn)反應(yīng)堆停堆后的釋熱特點(diǎn)核特性的影響核特性的影響組成組成剩余裂變產(chǎn)生的功率剩余裂變產(chǎn)生的功率裂變碎片的衰變功率裂變碎片的衰變功率中子俘獲產(chǎn)物的衰變功率中子俘獲產(chǎn)物的衰變功率2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院292021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院30 對(duì)于某對(duì)于某900MW電功率的反應(yīng)堆，其額定熱功電功率的反應(yīng)堆，其額定熱功率為率為2895MW。其停堆后一段時(shí)間內(nèi)反應(yīng)堆。其停堆

16、后一段時(shí)間內(nèi)反應(yīng)堆的剩余功率如下：的剩余功率如下： 緊急停堆后緊急停堆后 2分鐘：分鐘： 約約 120MW 1小時(shí)：小時(shí)： 約約 40MW 1天：天： 約約 16MW 1月：月： 約約 4MW 1年：年： 約約 0.8MW2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院31 停堆后反應(yīng)堆釋熱功率表達(dá)式停堆后反應(yīng)堆釋熱功率表達(dá)式)0()()0()()0()0(1)0()(NNnnNNNNss2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院32 剩余裂變功率的特點(diǎn)及計(jì)算方法剩余裂變功率的特點(diǎn)及計(jì)算方法 0112266expexpexp.exp000.15exp0.10ppiinAAAAnlnnlAnn 單群點(diǎn)堆模型求解得：其中：和分別表示停堆前和停堆后 時(shí)刻得中子密度； 為瞬發(fā)中子平均壽命；為第i組緩發(fā)中子先驅(qū)核衰變常數(shù)； 為待定常數(shù)。以恒定功率長(zhǎng)期運(yùn)行的輕水堆，引入反應(yīng)性的絕對(duì)值不大于4時(shí)，估算：2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院33 裂變產(chǎn)物衰變功率裂變產(chǎn)物衰變功率 21110010120,0200,1,02000,200ssaasNMNNMMNNNAA 運(yùn)行了無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間： 運(yùn)行了有限長(zhǎng)時(shí)間： 解析式：2021-10-29核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院34 中子俘獲反應(yīng)衰變功率特點(diǎn)中子俘獲反應(yīng)衰變功率特點(diǎn)中子俘獲產(chǎn)物主要指中子俘獲產(chǎn)物主要指U-238俘獲中子生成俘獲中子生成U-