反應堆熱工綜述

1、第一章 核能發(fā)電原理及反應堆概述第1節(jié) 核電廠工作基本原理1. 核反應堆 2. 熱交換器 3. 蒸氣渦輪機 4. 發(fā)電機  5. 冷凝器第2節(jié) 反應堆的分類（1）按用途分：實驗堆：用于實驗研究；生產(chǎn)堆：專門用來生產(chǎn)易裂變物質(zhì)或聚變物質(zhì)；動力堆：用作動力源（2）按引起堆內(nèi)大部分裂變的中子能量分。熱中子堆：En< 1eV；中能中子堆：1eV <En< 1keV；快中子堆： En> 1keV。（3）按核燃料狀態(tài)分。固體燃料堆；液體燃料堆（4）按慢化劑和冷卻劑種類分. 輕水堆（H2O）（壓水堆、沸水堆）；重水堆（ D2O ） ；石墨氣冷堆；鈉冷快中子堆。動力核反應堆組

2、成及功能（1）堆芯實現(xiàn)鏈式裂變反應堆區(qū)域。包括：核燃料元件、慢化劑、冷卻劑、 控制元件、中子源等。（2）反應堆控制系統(tǒng)保證反應堆能安全地實現(xiàn)啟動、停堆、功率調(diào)節(jié)。包括：控制棒及其驅(qū)動系統(tǒng)等。（3）回路冷卻系統(tǒng)提供足夠的冷卻劑流量以帶走堆芯的裂變釋熱，并傳遞熱動力產(chǎn)生系統(tǒng)。包括壓力容器、主泵等。（4屏蔽吸收、減弱來自堆芯的輻射，保護周圍人員和部件。（5）動力產(chǎn)生系統(tǒng)將一回路的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿?。如汽輪機。（6）輔助系統(tǒng)保證冷卻劑系統(tǒng)及動力系統(tǒng)的正常運行。包括：余熱導出系統(tǒng)、冷卻劑凈化系統(tǒng)、放射性廢液處理系統(tǒng)、廢氣凈化系統(tǒng)等。（7）安全設(shè)施保證事故情況下提供必要的冷卻、密閉放射性物質(zhì)，避免環(huán)境污染如安

3、全殼。） 第3節(jié) 壓水堆 系統(tǒng)壓力：1516 Mpa 冷卻劑入口溫度：300，出口溫度：330冷卻劑流量：62000 t/h燃料裝量：90 t （電功率1000MWe）最大燃料溫度：1780 UO2燃料富集度：2.04.0%轉(zhuǎn)化比：0.5第4節(jié) 沸水堆系統(tǒng)壓力：7 Mpa冷卻劑入口溫度：260270，出口溫度：280冷卻劑流量：47000 t/h燃料裝量：140 t （電功率1000MWe）最大燃料溫度：1830 UO2燃料富集度：2.03.0%轉(zhuǎn)化比：0.5沸水堆核電廠的特點（與壓水堆相比）：比功率密度較低，燃料裝載量較大，總投資略大；壓力容器厚度減少、尺寸變大，制造成本相當；采用直接循環(huán)，

4、系統(tǒng)比較簡單，回路設(shè)備少，易于加工制造；采用噴射泵循環(huán)系統(tǒng)，功率調(diào)節(jié)方便，且使壓力容器開孔直徑減小，降低了失水事故可能性及嚴重性；放射性物質(zhì)直接接觸汽輪機、冷凝器等設(shè)備，對發(fā)電機組要求高，污染范圍較大，設(shè)計、運行和維修不便。第5節(jié) 重水堆系統(tǒng)壓力：10 Mpa冷卻劑入口溫度：260，出口溫度：300冷卻劑流量：24000 t/h燃料裝量：80 t（電功率500MWe）最大燃料溫度：1500 UO2燃料富集度：0.7%（天然鈾）轉(zhuǎn)化比：0.8重水堆核電廠的特點（與壓水堆相比）：可利用天然鈾作核燃料，不需要建造投資巨大的鈾同位素分離工廠；燃料經(jīng)濟性好，轉(zhuǎn)換比較高，可充分利用天然鈾；堆體積大，且需要

5、大量重水，投資較高，發(fā)電成本比輕水堆電站高；為減少重水泄漏損失，反應堆及重水回路的設(shè)備密封要求高，制造較復雜；卸料燃耗較淺，卸料量是同功率壓水堆的3倍，結(jié)構(gòu)材料消耗量和后處理工作量大；可實現(xiàn)不停堆換料，容量因子較高；由于燃料富集度低，出現(xiàn)嚴重事故的后果比其它堆型輕。第6節(jié) 石墨氣冷堆系統(tǒng)壓力：45 Mpa冷卻劑入口溫度：330，出口溫度：750冷卻劑流量：5000 t/h燃料裝量：39 t （電功率1000MWe）最大燃料溫度：1400 UO2燃料富集度：1090%轉(zhuǎn)化比：0.70.8高溫氣冷堆核電廠的特點（與壓水堆相比）：石墨既作慢化劑，又作燃料元件的結(jié)構(gòu)材料，堆芯金屬結(jié)構(gòu)材料少，中子俘獲少

6、，轉(zhuǎn)換比較高；使用氦氣作冷卻劑，不會產(chǎn)生次生輻射；冷卻劑出口溫度高，電站熱效率高；使用球形燃料，可實現(xiàn)不停堆換料，容量因子較高；對一限制快中子堆發(fā)展的問題：核燃料必須有較高的富集度（當量富集度達1535），而且初裝量也很大。在快中子反應堆大規(guī)模商業(yè)推廣前，必須建造一定數(shù)量的先進轉(zhuǎn)換堆或熱中子堆以便為快堆積累工業(yè)钚。堆芯內(nèi)沒有慢化劑，體積小，功率密度高。因此要求采用傳熱性能好而慢化性能差的冷卻劑，氣冷卻在技術(shù)上較復雜，還需進行大量研究試驗。燃料元件加工及乏燃料后處理要求高。由于快中子輻照注量率也比熱中子堆大幾十倍，因此對材料的要求也較苛刻?？熘凶佣褍?nèi)的中子平均壽命比熱中子堆的短，所以快中子堆的控

7、制比較困難?；芈凡牧夏蜔嵝砸蟾?，技術(shù)比較復雜。第二章 熱工學基礎(chǔ)知識第1節(jié) 核反應堆熱工概述1、反應堆熱工在核工程領(lǐng)域的地位：反應堆熱工學是研究如何將反應堆內(nèi)核燃料釋熱安全地輸出堆外的學科。反應堆熱工水力學是研究在反應堆及其回路系統(tǒng)中冷卻劑的流動特性和熱量傳輸特性、燃料元件傳熱特性的學科。研究對象：燃料元件傳熱特性、冷卻劑流動特性、熱量傳輸特性應用領(lǐng)域：反應堆設(shè)計、反應堆運行2. 反應堆熱工設(shè)計的特點（與常規(guī)熱工相比）要考慮放射性對冷卻劑、固體材料的導熱、結(jié)構(gòu)性能的影響。材料設(shè)計要考慮中子吸收、慢化性能和輻照效應。反應堆功率密度很高，某一構(gòu)件內(nèi)部溫差大、熱應力大，燃料元件的表面熱負荷很大，要

8、考慮臨界熱負荷的安全裕度。3. 反應堆熱工設(shè)計的作用熱工設(shè)計在整個反應堆設(shè)計過程中，常常起主導作用和橋梁作用。必須設(shè)計出一個良好的堆芯輸熱系統(tǒng)。燃料元件的釋熱率最終要受到冷卻條件和材料性能的限制。 一個完善的堆型方案能否實現(xiàn)，反應堆的安全性、經(jīng)濟性究竟如何協(xié)調(diào)，也都要在反應堆熱工設(shè)計中體現(xiàn)出來。 熱工設(shè)計要對控制系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)的設(shè)計提出要求，要為安全保護系統(tǒng)提供安全整定值等等。4. 反應堆熱工水力分析（1）反應堆熱工水力分析的任務保證反應堆冷卻劑系統(tǒng)在正常運行期間能把燃料元件內(nèi)產(chǎn)生的裂變能傳送到核電廠的熱力系統(tǒng)，進行能量轉(zhuǎn)換；在停堆以后也能把衰變熱傳送出來， 保證反應堆安全；在事故工況下，

9、緩解事故的后果；對核物理設(shè)計、機械設(shè)計、測量儀表和控制系統(tǒng)等的設(shè)計提出相關(guān)設(shè)計要求。（2）反應堆熱工水力分析的內(nèi)容對堆芯及整個熱傳輸系統(tǒng)進行的熱工計算分析選擇電站總體參數(shù)穩(wěn)態(tài)分析對額定功率下反應堆穩(wěn)定運行的分析可以在初步設(shè)計階段對各種方案進行比較，協(xié)調(diào)各種矛盾，并且確定反應堆的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)瞬態(tài)分析研究啟動、功率調(diào)節(jié)、停堆和各種事故工況下的瞬態(tài)過程可以確定反應堆在各種事故工況下的安全性，提出所需要的各種安全保護系統(tǒng)和工程安全設(shè)施及其動作的整定值和動作時間，制定合理的運行規(guī)程，并對反應堆的穩(wěn)態(tài)設(shè)計提出修正方案（3）反應堆熱工水力分析的過程現(xiàn)象分析；?；治?；定量分析；實驗驗證；程序評價第2節(jié)

10、 熱工基礎(chǔ)的研究對象、內(nèi)容和方法1. 研究對象熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換有什么共同規(guī)律？如何實現(xiàn)熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換？如何提高熱機的熱效率？2. 熱工基礎(chǔ)內(nèi)容熱力學熱能間接利用所涉及的熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換。熱力學第一、第二定律傳熱學熱能直接利用中涉及的研究熱量傳遞規(guī)律的學科。3種傳熱方式及其基本規(guī)律3. 研究方法熱力學宏觀、唯象的研究方法；可引用微觀的氣體分子論和統(tǒng)計熱力學傳熱學解析法建立物理模型、數(shù)學模型數(shù)學分析求解 數(shù)值計算法計算機近似求解（非線性方程） 試驗研究法實驗測定建立實驗方程分析求解第3節(jié) 熱力學基礎(chǔ)知識1、熱力系、熱力狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)（1）熱力系統(tǒng)：熱力現(xiàn)象中一定范圍的研究對象

11、工質(zhì)：實現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。 熱力狀態(tài)：熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。（2）基本狀態(tài)參數(shù)可直接或容易用儀器測定比體積（v） 單位：m3/kg壓力（p） 單位：Pa溫度（T） 單位：K ， （3）其它狀態(tài)參數(shù)熱力學能（內(nèi)能）（U） 單位：J 工質(zhì)微觀粒子所具有的能量。在分子尺度上它包括分子運動所具有的內(nèi)動能和分子間由于相互作用力所具有的內(nèi)位能。U=U（T,V）焓（H） H=U+pV 單位：J 開口系中，焓是流入（或流出）系統(tǒng)的工質(zhì)所攜帶的取決于熱力學狀態(tài)的總能量。閉口系中，焓是復合的狀態(tài)參數(shù)。熵（S）單位：J/K 表示任何一種能量在空間中分布的混亂（均勻）程度，能量分布得越混亂（

12、均勻），熵就越大。3. 熱力過程（1）熱力過程：熱力系從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)變化時所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。（2）可逆過程：如果系統(tǒng)完成某一熱力工程后，再沿原來路徑逆向進行時，能使系統(tǒng)和外界都返回原來狀態(tài)而不留下任何變化，這一過程稱為可逆過程；否則，稱為不可逆過程。（3）系統(tǒng)對外做功時取正值，外界對系統(tǒng)做功時取負值；系統(tǒng)吸熱時熱量取正值，放熱時取負值。4. 熱力學第一定律（1）定律表述：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔灰欢康臒嵯r，必然伴隨產(chǎn)生相應量的功；消耗一定的功時，必然出現(xiàn)與之對應量的熱。熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，機械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，它們的傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，總量保持不變。（2）熱力學第

13、一定律表達式（3）閉口系能量方程（4）穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程5. 熱力學第二定律（1）定律表述克勞修斯不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。開爾文不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。綜合熱力過程具有方向性，一個非自發(fā)過程的進行必須付出某種代價作為補償。（2）熵增原理 孤立系的熵只能增加，不能減少，極限的情況（可逆過程）可保持不變。（3）能量的品質(zhì)電能、機械能品質(zhì)較高；熱能品質(zhì)較低；熱能的溫度愈高其品質(zhì)愈高。（4）能量貶值原理 在孤立系統(tǒng)的能量傳遞與轉(zhuǎn)化過程中，能量的數(shù)量保持不變，但能量的品質(zhì)卻只能下降，不能升高，極限條件下可保持不變。6. 熱力循環(huán)（1）理想循環(huán)：

14、指忽略工作循環(huán)中的所有不可逆因素后仍能近似地反映該類循環(huán)的基本特征的理想可逆循環(huán)。（2）卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)是由兩個定溫過程及兩個絕熱過程組成的理想循環(huán)。工質(zhì)在同溫度的T1下，自高溫熱泥吸入熱量Q1，在可逆絕熱膨脹過程中，工質(zhì)溫度自T1降低到T2。然后，工質(zhì)在溫度T2下向同溫度的低溫熱源放出熱量Q2。最后，經(jīng)可逆的絕熱壓縮過程，工質(zhì)溫度由T2 升高到T1，完成一個可逆循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)的熱效率公式：從卡諾循環(huán)的分析可以得到3條重要結(jié)論：卡諾循環(huán)確定了實際熱力循環(huán)的熱效率可以接近的極限數(shù)值，從而可以度量實際熱力循環(huán)的熱力學完善程度?？ㄖZ循環(huán)對如何提高熱力循環(huán)的熱效率指出了方向：盡可能提高工質(zhì)吸熱時的溫

15、度以及使工質(zhì)膨脹至盡可能低的溫度，在接近自然環(huán)境溫度下對外放熱。對于任意復雜循環(huán)，提出了廣義(等價)卡諾循環(huán)的概念，即以平均吸熱溫度T1及平均放熱溫度T2來代替T1及T2的概念，兩者具有相同的熱效率。3）朗肯循環(huán)迄今為止，在工程上還沒有造成完全按卡諾循環(huán)工作的熱力發(fā)動機。用飽和蒸汽作為工質(zhì)時，原理上是可能實現(xiàn)卡諾循環(huán)的。核電廠大多數(shù)使用飽和蒸汽，但仍不采用卡諾循環(huán)。主要原因之一是在絕熱膨脹末期，蒸汽濕度很高，使汽輪極不能安全運行，同時不可逆損失增大。其次是在低溫放熱終了時，蒸汽水混合物的比體積很大，濕蒸汽壓縮會給泵的設(shè)計與制造帶來難以克服的困難。鑒于上述原因，采用飽和蒸汽的蒸汽動力裝置不能實現(xiàn)

16、卡諾循環(huán)。實際蒸汽動力裝置的熱功轉(zhuǎn)換過程，是在朗肯循環(huán)加以改進的基礎(chǔ)上完成的。理想朗肯循環(huán)是研究各種復雜的蒸汽動力裝置的基本循環(huán)。飽和蒸汽的朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的主要不同之處在于排放的蒸汽是完全凝結(jié)成水。水的升壓要比汽水混合物容易得多，因而簡化了設(shè)備。朗肯循環(huán)的熱效率低于理論上卡諾循環(huán)的熱效率。第4節(jié) 傳熱學基礎(chǔ)知識1、熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導（導熱）: 物體內(nèi)部存在溫度差或兩個不同溫度的物體接觸時，在物體各部分之間不發(fā)生相對位移的情況下，依靠物質(zhì)微粒（分子、原子或自由電子）的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。（2）熱對流：流體中，溫度不同的各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞現(xiàn)象。對流換熱

17、：流體流過固體壁面時發(fā)生的對流和導熱聯(lián)合作用的熱量熱量傳遞過程。（3）熱輻射：物體通過電磁波來傳遞熱能的方式。熱射線：波長=0.1100m的電磁波，包括可見光、部分紫外線和紅外線。 2. 導熱的基本定律（1）溫度場和溫度梯度溫度場：在某一瞬時，物體內(nèi)各點的溫度分布。等溫面（等溫線）：在同一瞬時，物體內(nèi)溫度相同的各點所連成的面（或線）。溫度梯度：沿等溫面法線方向上的溫度增量與法向距離比值的極限。（2）傅立葉定律導熱基本定律單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量（即熱流密度q）正比于該處的溫度梯度。（3）熱導率（導熱系數(shù)）與物質(zhì)的種類、溫度、密度和濕度等因素有關(guān)。（4）導熱微分方程 導入微元體的總熱流量+微

18、元體內(nèi)熱源的生成熱-導出微元體的總熱流量=微元體熱力學能的增量3. 對流換熱（1）流動邊界層和熱邊界層流動邊界層：粘性流體流過固體壁面時，流體速度隨與壁面接近而減小，最終被滯止。流速劇烈變化的薄層成為流動邊界層f。熱邊界層：流體與固體壁面進行對流換熱時，流體溫度隨與壁面接近而升高（壁面向流體傳熱），最終與壁面溫度相同。流體中溫劇烈變化的薄層稱為熱邊界層t。（2）對流換熱微分方程（3）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h（4）有相變時的對流換熱凝結(jié)換熱：膜狀凝結(jié)、珠狀凝結(jié)沸騰換熱：按加熱環(huán)境分：大容器沸騰、管內(nèi)強制對流沸騰；按流體溫度分：過冷沸騰（欠熱沸騰）、飽和沸騰；按傳熱面上的傳熱機理分:泡核沸騰（核態(tài)沸騰）、過

19、渡沸騰、膜態(tài)沸騰5. 流體無量綱物性特征參數(shù)（1）普朗特數(shù)（Pr）表明流動邊界層和熱邊界層的關(guān)系（f/ t ），反映流體物理性質(zhì)對對流傳熱過程的影響。；式中：流體運動粘度，單位：m2·s-1； a流體熱擴散系數(shù)（率），單位：m2·s-1；流體密度，單位：kg·m-3；c流體比熱容，單位：J·kg-1·K-1； 流體熱導率（導熱系數(shù)），單位：W·m-1·K-1； 流體動力粘度，單位：Pa·s。（2）努塞爾數(shù)（Nu）表示對流換熱強烈程度；表示流體層流底層的導熱阻力與對流傳熱阻力的比。式中：h對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位：

20、 W·m-2·K-1 ；l換熱面的幾何特征長度，單位：m； 流體熱導率（導熱系數(shù)），單位：W·m-1·K-1。(3）雷諾數(shù)（Re）反映流體強制流動時，慣性力和粘性力的相對大??；Re大，表明慣性力相對較大，粘性力對流動的約束不顯著，流動趨于紊亂；Re小，表明粘性力對流動約束顯著，流動比較平穩(wěn)。式中： 流體密度，單位：kg·m-3；vf流體特征速度，單位：m·s-1； l換熱面的幾何特征長度（如圓管直徑），單位：m；流體運動粘度，單位：m2·s-1； 流體動力粘度，單位：Pa·s。4）格拉曉夫數(shù)（Gr）表征自然對流狀態(tài)

21、下浮升力與粘性力的比值；當格拉曉夫數(shù)相當大，約 Gr>109 時，自然對流邊界層就會失去穩(wěn)定而從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。式中： g重力加速度，單位：m·s-2；流體的容積膨脹系數(shù)，單位：K-1；l換熱面的幾何特征長度（如圓管直徑），單位：m；流體運動粘度，單位：m2·s-1；t 流體與壁面溫差，單位：K。第三章 反應堆熱源及其分布第1節(jié) 裂變能的分配和轉(zhuǎn)化1、堆芯內(nèi)熱源的空間分布（1）裂變能放出形式2）堆芯內(nèi)熱源總體分布： 式中：qv堆芯內(nèi)單位體積的釋熱率，W ·m-3， J ·m-3 ·s-1;Ef單次裂變釋放的有效裂變能，一

22、般取200MeV；N235堆芯單位體積內(nèi)235U原子核數(shù)量， m-3 ；f235U的微觀裂變截面， m2 ；堆芯內(nèi)中子通量密度，m-2 ·s-1;Ft能量單位換算系數(shù)，1MeV=1.602 × 10-13 J ;式中：qv，max堆芯中心點單位體積的釋熱率，W ·m-3;R圓柱堆半徑；H圓柱堆高度。2. 燃料芯塊的釋熱式中：FU芯塊釋熱占堆芯全部釋熱的份額，一般取97.4%;芯塊內(nèi)中子通量密度，m-2 ·s-1。3. 結(jié)構(gòu)部件和慢化劑的釋熱（1）堆芯結(jié)構(gòu)材料內(nèi)的釋熱釋熱原因：吸收燃料放出的射線釋熱位置：燃料包殼、定位格架、控制棒導向管式中：qV均勻化處理

23、后堆芯r處的體積釋熱率；目標結(jié)構(gòu)材料的密度； 堆芯內(nèi)所有材料（包括冷卻劑、慢化劑）的平均密度。（2）控制棒內(nèi)的釋熱釋熱原因：吸收燃料放出的射線；控制棒材料和中子發(fā)生吸收反應。吸收射線的釋熱：；式中：qV均勻化處理后堆芯r處的體積釋熱率；控制棒的密度； 堆芯內(nèi)所有材料（包括冷卻劑、慢化劑）的平均密度。發(fā)生（n,）反應的釋熱：；式中：N控制棒材料的原子核密度， m-3 ；E（n,）反應釋放的能量，MeV；發(fā)生（n, ）反應的釋；式中：a(r,E)r處控制棒材料對能量為E的 光子的能量吸收系數(shù)， m-1 ； (r,E)控制棒內(nèi)r處，能量為E的 光子的注量率， m-2 ·s-1； E 光子的

24、能量，MeV。（3）慢化劑內(nèi)的釋熱釋熱原因：吸收燃料放出的射線；對裂變中子的慢化。；式中：m慢化劑的密度； f快中子通量密度；E 中子每次散射時的平均能量損失。（4）堆芯外結(jié)構(gòu)部件的釋熱釋熱原因：吸收燃料放出的射線；與泄漏的中子發(fā)生核反應第2節(jié) 停堆后的釋熱停堆后的釋熱主要包括兩部分：剩余裂變功率緩發(fā)中子引起的裂變產(chǎn)生衰變功率裂變產(chǎn)物和中子俘獲產(chǎn)物的放射性衰變產(chǎn)生停堆后釋熱功率大小與停堆前功率值和停堆前運行時間有關(guān)，它還是時間的函數(shù)。1.剩余裂變功率（1）停堆引入的負反應性?。皇街校?t)停堆后t時刻中子通量密度；緩發(fā)中子總份額； 單群緩發(fā)中子的衰變常數(shù)，約為0.08s-1； 每代中子時間，數(shù)

25、量級為10-3s； 引入的反應性，<；（2）停堆引入的負反應性較大；式中：A0、 A1、 A6為待定常數(shù)； i第i群緩發(fā)中子的衰變常數(shù)；（3）剩余裂變功率對于以恒定功率長期持續(xù)運行的輕水反應堆，以235U作燃料，當引入的負反應性大于4%時，剩余裂變功率為式中：P(t)停堆后t時刻的功率；P(0)停堆時的功率（穩(wěn)定運行功率）。對重水堆有：2.衰變功率（1）裂變產(chǎn)物衰變功率如果使用235U作燃料的反應堆在停堆前以功率P(0)連續(xù)運行了t0秒，則停堆后t時刻的衰變功率為：；式中：A、a值與停堆后時間有關(guān)。（2）中子俘獲產(chǎn)物的衰變功率 在天然鈾或低濃縮鈾作為燃料的反應堆內(nèi)， 238U吸收中子后產(chǎn)

26、生的239U和由它衰變成的239Np所放出的、輻射是中子俘獲產(chǎn)物衰變功率的主要來源，這些貢獻可分別按下式計算：如果使用235U作燃料的為式中：P239U(t0,t)反應堆在停堆前以功率P(0)連續(xù)運行了t0秒，則停堆后t時刻239U的衰變功率；P239Np(t0,t)239Np的衰變功率；c轉(zhuǎn)換比，壓水堆c0.50.6；a,235U235U的有效微觀裂變截面；f,235U235U的有效微觀裂變截面；a,235U/ f,235U 1.2。第3節(jié) 反應堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料堆芯內(nèi)結(jié)構(gòu)材料應能在保證反應堆安全的同時滿足反應堆經(jīng)濟性的要求。從安全角度出發(fā)，由于材料的使用條件極其苛刻，就要求材料具有較高的抗動載荷

27、能力（例如熱應力、強振動、高輻射等）。在實際工程中，選擇堆芯材料要考慮的因素很多，諸如強度、塑性、工藝性、熱應力、交變應力作用下的抗疲勞性、輻照穩(wěn)定性、腐蝕穩(wěn)定性、導熱性、各種材料之間的相容性以及對中子的吸收截面等。堆芯內(nèi)結(jié)構(gòu)材料包括：（1）燃料元件用材料（可以分為燃料芯塊材料、燃料包殼材料、燃料組件和部件材料、導向管材料等）（2）慢化劑（3）冷卻劑（4）反射層（5）控制材料（包括熱中子吸收材料及控制棒材料、控制棒包殼材料、控制棒構(gòu)件、液體控制材料等）（6）屏蔽材料（7）反應堆容器材料1. 核燃料（1）可用作核燃料的易裂變核素：233U、 235U、 239Pu、 241Pu。適合作小型核武器

28、和氫彈引爆材料的裂變核素：242Am、 245Cm、 247Cm、 249Cf、 251Cf。（2）選擇核燃料時首先要考慮的是對中子的裂變截面，裂變截面越大越好；其次要考慮的是燃料密度，通常希望燃料密度要大一些；此外、還應考慮，組成燃料元件的物質(zhì)是否容易獲得，加工制造和后處理是否困難，以及耐腐蝕、耐高溫、耐輻照的性能如何等等。綜合考慮這些因素，目前的商用核電廠大多數(shù)采用化合物形式的陶瓷體燃料，用得最廣的是UO2。2. 包殼材料（1）包殼的作用防止燃料芯塊受到冷卻劑的化學腐蝕，防止燃料芯塊的機械沖刷，減少裂變氣體向外釋放，保留裂變碎片。 （2）包殼材料的選擇中子吸收截面要小，熱導率要大，抗腐蝕性

29、能、抗輻照性能、加工性能和機械性能好。目前，在壓水堆中廣泛應用的是鋯合金包殼，快堆用不銹鋼和鎳基合金，高溫氣冷準則采用石墨作為包殼材料。3. 冷卻劑和慢化劑（1）冷卻劑的選擇: 必須是流體；載熱性能好；中子吸收截面??；與結(jié)構(gòu)材料的相容性好；輻照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好；成本低。（2）慢化劑的選擇:中子慢化能力好；中子吸收截面盡可能小；和其它材料相容性好，輻照穩(wěn)定性，成本低，易于獲得。第四章 反應堆堆芯的傳熱過程 堆內(nèi)的熱源來自核燃料的裂變，要把堆芯裂變產(chǎn)生的熱量輸出到堆外，需依次經(jīng)過燃料元件內(nèi)的導熱、元件壁面與冷卻劑之間的對流放熱和冷卻劑將熱量輸送到堆外的輸熱等三個過程。第1節(jié) 燃料元件的徑向?qū)崛?/p>

30、料元件的徑向?qū)徇^程：燃料芯塊內(nèi)產(chǎn)生的熱傳導至芯塊表面芯塊表面與包殼內(nèi)壁間氣體層（間隙）導熱包殼壁中的導熱。第五章 反應堆流體動力學核反應堆內(nèi)，熱量輸出的速率以及作用在堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件上的作用力與系統(tǒng)的流動特性有很大關(guān)系。因此，在反應堆熱工設(shè)計中，不僅要了解堆內(nèi)熱量的產(chǎn)生和傳輸，而且還必須研究堆內(nèi)冷卻劑流動的流體動力學問題。 流體動力學計算必須考慮穩(wěn)態(tài)和動態(tài)運行特性。包括堆內(nèi)各冷卻劑通道流動壓降的計算，以便確定各通道的流量和主循環(huán)泵所需的功率。盡量使堆芯內(nèi)冷卻劑的流量分布與釋熱分布相匹配，提高堆的輸熱能力；合理地確定一回路管道和設(shè)備部件的尺寸，提高核電廠的經(jīng)濟性。此外，還必須配合傳熱計算，確定反

31、應堆的自然循環(huán)能力。在兩相流動情況廠還需研究流動的穩(wěn)定性，尋求改善和消除流動不穩(wěn)定性的方法。第1節(jié) 單相流的壓降設(shè)在通道截面z1處冷卻劑的壓力為p1 ，平均流速為v1 ，密度為1 ；在通道截面z2處冷卻劑的壓力為p2 ，平均流速為v2 ，密度為2 。通道的橫截面積為A，則在微分流體段dz上的作用力有：下端面壓力p，上端面的壓力為p+dp，重力pgmg和由流動阻力引起的,相當于作用在面積A上的摩擦壓降d pF 。若流經(jīng)dz所需的時間為dt，則該微分流體段的運動方程為：，上式整理并積分得：；此式為不可壓縮流體在穩(wěn)定流動時的動量守恒方程。設(shè)，它表示處在不同高度處的流體，由于位能不同而引起的靜壓變化，

32、稱為提升壓降。流體位能增加，則提升壓降是正值；流體位能減少，則提升壓降為負值。設(shè) ，它表示由于流通截面發(fā)生變化或流體密度發(fā)生變化時引起流速變化，從而使靜壓也隨之變化。流速增大，靜壓減小。這種由于流體動能增加而引起的靜壓降稱為加速壓降。 ，它表示流體流經(jīng)等截面直通道時，由于粘性使流體與通道壁之間以及有相對運動的流體之間發(fā)生摩擦，這種由于沿程摩擦阻力的作用所造成的壓力損失稱為摩擦壓降。如果再考慮流體流經(jīng)有急劇變化的固體邊界時通道中的局部阻力，例如當流體通過截面大小，形狀突然發(fā)生變化或彎管、接管、閥門以及燃料組件的定位格架時，由于渦流而產(chǎn)生的壓力損失，通常稱之為形阻壓降，并用pS表示。前式可改寫成：

33、； 其中提升壓降pE和加速壓降pA是由于靜壓能、動能、位能相互變換而產(chǎn)生的，是可逆過程。而摩擦壓降pF和形阻壓降pS都是流體的機械能變成熱能的一種不可逆過程。等溫壓降：流體與通道壁之間沒有熱交換情況下的壓降。非等溫壓降：流體被加熱或被冷卻時的壓降。第2節(jié) 兩相流的壓降在沸水堆正常運行時，堆芯內(nèi)的冷卻劑是含汽的。壓水堆雖然在正常運行時堆的出口是不含汽的，但堆芯內(nèi)最熱通道卻允許飽和沸騰，其含汽量可達8。尤其在事故情況下，堆芯內(nèi)冷卻劑不僅可能含汽，而且可能變?yōu)檫^熱蒸汽。因此，需要研究在各種不同含汽量下的兩相流壓降問題。計算兩相流壓降目前廣泛應用的有兩種物理模型：均勻流模型和分離流模型。均勻流模型把兩

34、相流看作是汽相和液相均勻混合的，并具有從每一相物性導出其平均物性的假想單相流，這時汽相和液相的流速相等(滑速比身1)。這種模型較適用于泡狀流和霧狀流，特別是對流速大，壓力高的情況空為準確。分離流模型假定汽相、液相完全分開，每相均以各自的平均流速沿通道的不同部分流動，這種模型較適用于環(huán)狀第3節(jié) 流量計算流1.封閉回路中的流動壓降 反應堆冷卻劑系統(tǒng)是一個封閉回路，由若干個設(shè)備和連接它們的管道組合而成。當冷卻劑流經(jīng)每個設(shè)備或每段管道時都會產(chǎn)生壓降。在穩(wěn)態(tài)情況下封閉回路中各區(qū)段加速壓降之和為零，因此，整個回路總壓降為2.強制循環(huán)流量 為了使流體在回路中穩(wěn)定地流動，必須有克服摩擦壓降和形阻壓降的推動力。

35、如果這種推動力由泵或鼓風機提供，這樣的流動稱為強制循環(huán)流動冷卻劑流速選擇 （綜合技術(shù)經(jīng)濟考慮）流速大：利：載熱量大、傳熱系數(shù)高，降低燃料元件表面和中心溫度差，提高臨界熱流密度。弊：流動阻力大，泵的揚程要求高，泵功消耗大，從而廠用電增加；引起燃料元件振動，對燃料元件的沖蝕。 對于輕水堆，在堆芯中流速一般為45m/s；在回路的局部處最大流速不大于12m/s。3.自然循環(huán)流量自然循環(huán)是指在一個閉合回路內(nèi)，在沒有外部驅(qū)動力的作用下，依靠回路冷、熱段的密度差，和冷、熱源中心的高度差產(chǎn)生的循環(huán)。 自然循環(huán)時的流量稱為自然循環(huán)流量。 自然循環(huán)流量所傳輸?shù)臒峁β收级训念~定熱功率的百分率稱為自然循環(huán)能力。主冷卻

36、劑系統(tǒng)的自然循環(huán)能力是評價反應堆安全性的一項指標。自然循環(huán)流量通常應用差分法或圖解法求得。如果用差分法，則首先將回路中流體的上升段和下降段都分成若干段，例如分成N段，設(shè)每段高度為z，第i段的流體平均密度為i則4.流量分配（1）概述 在一個流動系統(tǒng)中，若各支通道具有共同的出入口，這樣的構(gòu)成稱為并聯(lián)通道。輕水堆堆芯是由大量平行的冷卻劑通道組成的并聯(lián)通道，反應堆內(nèi)的上、下腔室就是這些平行通道的共同出入口。若各通道間的流體沒有質(zhì)量、動量和熱量的遷移，則此類通道稱為閉式通道。反之則稱為開式通冷卻劑流入堆芯時各通道的流量分配可能是不均勻的。其原因隨反應堆類型、流道結(jié)構(gòu)而不同。對壓水堆來說主要有以下三方面原因：各通