核電廠熱工水力學(xué)3

1、中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆1.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)的分布反應(yīng)堆所能允許產(chǎn)生的功率大小，主要取決于反應(yīng)反應(yīng)堆所能允許產(chǎn)生的功率大小，主要取決于反應(yīng)堆傳輸熱量的能力。堆傳輸熱量的能力。要使反應(yīng)堆在某一功率下安全運(yùn)行，就必須采用適要使反應(yīng)堆在某一功率下安全運(yùn)行，就必須采用適當(dāng)?shù)妮敓嵯到y(tǒng)把堆內(nèi)釋熱傳輸出來(lái)，以便保證反應(yīng)當(dāng)?shù)妮敓嵯到y(tǒng)把堆內(nèi)釋熱傳輸出來(lái)，以便保證反應(yīng)堆內(nèi)各處的溫度都不超過(guò)限定值。堆內(nèi)各處的溫度都不超過(guò)限定值。 為了計(jì)算反應(yīng)堆釋出的熱功率和堆內(nèi)溫度分布，首為了計(jì)算反應(yīng)堆釋出的熱功率和堆內(nèi)溫度分布，首先必須了解堆內(nèi)熱源的由來(lái)及其分布。先必須了解

2、堆內(nèi)熱源的由來(lái)及其分布。堆內(nèi)熱源的分布取決于堆的具體設(shè)計(jì)，即堆的類型、堆內(nèi)熱源的分布取決于堆的具體設(shè)計(jì)，即堆的類型、堆芯的形狀以及堆內(nèi)燃料、控制棒、慢化劑、冷卻堆芯的形狀以及堆內(nèi)燃料、控制棒、慢化劑、冷卻劑、反射層等的布置。劑、反射層等的布置。 中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆1.1反應(yīng)堆的熱源反應(yīng)堆的熱源中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆從以上分析可以看出，裂變能的絕大部分是在從以上分析可以看出，裂變能的絕大部分是在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱能的。燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱能的。 在缺乏精確數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)于熱堆可以假定在缺乏精確數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)于熱堆可以假定90以上的總裂變能是在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱以上的

3、總裂變能是在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱能的，大約能的，大約5的總裂變能是在慢化劑中轉(zhuǎn)化的總裂變能是在慢化劑中轉(zhuǎn)化成熱能的，而余下的不足成熱能的，而余下的不足5的總裂變能則在的總裂變能則在反射層、熱屏蔽和堆內(nèi)部件中轉(zhuǎn)化成熱能。反射層、熱屏蔽和堆內(nèi)部件中轉(zhuǎn)化成熱能。近年來(lái)在大型壓水堆設(shè)計(jì)中，往往取燃料元件近年來(lái)在大型壓水堆設(shè)計(jì)中，往往取燃料元件的釋熱量占堆總釋熱量的的釋熱量占堆總釋熱量的97.4。 中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆1.2堆芯體積釋熱率堆芯體積釋熱率中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆1.3堆芯和燃料元件的功率強(qiáng)度表示法堆芯和燃料元件的功率強(qiáng)度表示法 中中

4、國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆1.4堆芯內(nèi)釋熱率的分布堆芯內(nèi)釋熱率的分布有限圓柱體均勻裸堆中子注量率分布有限圓柱體均勻裸堆中子注量率分布中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆1.4.1影響堆芯功率分布的因素影響堆芯功率分布的因素1 燃料裝載對(duì)功率分布的影響燃料裝載對(duì)功率分布的影響 早期大多數(shù)壓水堆采用均勻裝載燃料，其缺點(diǎn)是堆早期大多數(shù)壓水堆采用均勻裝載燃料，其缺點(diǎn)是堆芯中央?yún)^(qū)會(huì)出現(xiàn)高的功率峰值。芯中央?yún)^(qū)會(huì)出現(xiàn)高的功率峰值。 此外，即

5、使在壽期此外，即使在壽期末期，最外圍的燃料元件也只有中等程度的燃耗，所末期，最外圍的燃料元件也只有中等程度的燃耗，所以平均燃耗比較低?？朔@些缺點(diǎn)的一種途經(jīng)是采用以平均燃耗比較低?？朔@些缺點(diǎn)的一種途經(jīng)是采用分區(qū)裝載燃料，即堆芯裝載三種或多種不同富集度的分區(qū)裝載燃料，即堆芯裝載三種或多種不同富集度的燃料元件。富集度最高的燃料元件裝在堆芯最外區(qū)，燃料元件。富集度最高的燃料元件裝在堆芯最外區(qū)，富集度最低的燃料元件裝在堆芯中央?yún)^(qū)。既然功率密富集度最低的燃料元件裝在堆芯中央?yún)^(qū)。既然功率密度近似地正比于熱中子注量率與可裂變?nèi)剂细患戎冉频卣扔跓嶂凶幼⒘柯逝c可裂變?nèi)剂细患戎e，那么這種裝料方案就會(huì)

6、降低堆芯內(nèi)區(qū)的功率水平積，那么這種裝料方案就會(huì)降低堆芯內(nèi)區(qū)的功率水平和提高外區(qū)的功率水平。和提高外區(qū)的功率水平。中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆 對(duì)于采用三區(qū)分批裝料的反應(yīng)堆，圖2.13示出了換料后平衡堆芯內(nèi)的典型徑向功率分布。圖中給出的功率分布是給定點(diǎn)的功率與該點(diǎn)軸向位置處的堆芯平均功率之比。這種裝料方案，隨著燃耗的加深，峰值功率要降低，而低功率區(qū)內(nèi)的功率卻升高。中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆2 控制棒對(duì)功率分布的影響控制棒對(duì)功率分布的影響 在某些反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，全部剩余反應(yīng)性是通在某些反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，全部剩余反應(yīng)性是通過(guò)插入控制過(guò)插入控制 棒抵消的。強(qiáng)吸收材料的存在，在軸棒抵消的。強(qiáng)吸收

7、材料的存在，在軸向和徑向都會(huì)擾動(dòng)中子注量率。例如在壽期初期，向和徑向都會(huì)擾動(dòng)中子注量率。例如在壽期初期，堆芯中央?yún)^(qū)的某幾根控制棒或全部控制棒部分插堆芯中央?yún)^(qū)的某幾根控制棒或全部控制棒部分插入堆芯，可以降低徑向中子注量率及功率峰值入堆芯，可以降低徑向中子注量率及功率峰值（徑向功率分布得到展平）。（徑向功率分布得到展平）。中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆2 控制棒對(duì)功率分布的影響控制棒對(duì)功率分布的影響控制棒由頂部插入。在壽期初期，局部插入的控控制棒由頂部插入。在壽期初期，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。在壽期末期，由于控制棒提出，堆芯

8、頂部燃耗較低壽期末期，由于控制棒提出，堆芯頂部燃耗較低的燃料使中子注量率及功率峰值移向堆芯頂部。的燃料使中子注量率及功率峰值移向堆芯頂部。同時(shí)，如圖同時(shí)，如圖25中所看到的，功率的峰值與平均中所看到的，功率的峰值與平均值之比會(huì)比未受擾動(dòng)時(shí)的要高。值之比會(huì)比未受擾動(dòng)時(shí)的要高。中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆3 水隙和空泡對(duì)功率分布的影響水隙和空泡對(duì)功率分布的影響水隙指控制棒提出后留下的空間，水隙中的水起慢化作水隙指控制棒提出后留下的空間，水隙中的水起慢化作用，從而提高了局部熱中子注量率和功率?，F(xiàn)在采用擠用，從而提高了局部熱中子注量率和功率?，F(xiàn)在采用擠水棒和控制棒采用長(zhǎng)而細(xì)的方式避免峰值。水棒和

9、控制棒采用長(zhǎng)而細(xì)的方式避免峰值。壓水堆堆芯最熱區(qū)可能產(chǎn)生蒸汽，蒸汽泡的存在會(huì)使反壓水堆堆芯最熱區(qū)可能產(chǎn)生蒸汽，蒸汽泡的存在會(huì)使反應(yīng)性下降，從而使空泡區(qū)域的中子注量率及其功率相應(yīng)應(yīng)性下降，從而使空泡區(qū)域的中子注量率及其功率相應(yīng)降低。在反應(yīng)堆瞬態(tài)工況和事故工況下，冷卻劑的比焓降低。在反應(yīng)堆瞬態(tài)工況和事故工況下，冷卻劑的比焓大大高于其正常值，這種空泡效應(yīng)更加顯著。由于產(chǎn)生大大高于其正常值，這種空泡效應(yīng)更加顯著。由于產(chǎn)生蒸汽空泡會(huì)使功率降低，所以可減輕某些事故的嚴(yán)重性。蒸汽空泡會(huì)使功率降低，所以可減輕某些事故的嚴(yán)重性。中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆4 結(jié)構(gòu)材料對(duì)功率的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)材料對(duì)功率的擾動(dòng) 燃料

10、棒包殼、組件定位格架以及支撐結(jié)構(gòu)等都是燃料棒包殼、組件定位格架以及支撐結(jié)構(gòu)等都是中子吸收體，它們會(huì)引起中子注量率局部降低。中子吸收體，它們會(huì)引起中子注量率局部降低。如果材料的中子吸收截面低，這種影響較??；如如果材料的中子吸收截面低，這種影響較??；如果材料的中子吸收截面高，這種影響就相當(dāng)可觀。果材料的中子吸收截面高，這種影響就相當(dāng)可觀。 中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆1.5核熱通道（熱管）因子核熱通道（熱管）因子熱通道因子：熱通道因子： 為了衡量各有關(guān)熱工參量的最大值偏離其平均為了衡量各有關(guān)熱工參量的最大值偏離其平均值（或名義值）的程度，引進(jìn)了一種修正因子，這值（或名義值）的程度，引進(jìn)了一種

11、修正因子，這種修正因子稱之為熱通道因子（也稱熱管因子）。種修正因子稱之為熱通道因子（也稱熱管因子）。熱通道因子是用各有關(guān)熱工（或物理）參量的最大熱通道因子是用各有關(guān)熱工（或物理）參量的最大值與其平均值的比值來(lái)表示的。值與其平均值的比值來(lái)表示的。熱通道因子的分類：熱通道因子的分類： 一般把熱通道因子分為兩大類：一類是核熱通一般把熱通道因子分為兩大類：一類是核熱通道因子；一類是工程熱通道因子。道因子；一類是工程熱通道因子。 中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆徑向核熱通道因子：徑向核熱通道因子：NRF熱通道的平均熱流密度堆芯平均通道的平均熱流密度軸向核熱通道因子：軸向核熱通道因子：NZF熱通道的最大

12、熱流密度熱通道的平均熱流密度熱流密度核熱通道因子熱流密度核熱通道因子NNNqRZFFF熱通道的最大熱流密度堆芯平均通道的平均熱流密度中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆1.6停堆后的釋熱及其冷卻停堆后的釋熱及其冷卻 在反應(yīng)堆停堆后，由于剩余中子在一段很短時(shí)間在反應(yīng)堆停堆后，由于剩余中子在一段很短時(shí)間內(nèi)還會(huì)引起裂變，堆內(nèi)裂變產(chǎn)物和中子俘獲產(chǎn)物內(nèi)還會(huì)引起裂變，堆內(nèi)裂變產(chǎn)物和中子俘獲產(chǎn)物還會(huì)在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)衰變，因而堆芯仍有一定的還會(huì)在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)衰變，因而堆芯仍有一定的釋熱率。這種現(xiàn)象稱為停堆后的釋熱，與此相應(yīng)釋熱率。這種現(xiàn)象稱為停堆后的釋熱，與此相應(yīng)的功率稱為停堆后的功率的功率稱為停堆后的功率 。快

13、速停堆后堆芯相對(duì)快速停堆后堆芯相對(duì)功率和相對(duì)熱流密度功率和相對(duì)熱流密度隨時(shí)間的變化（虛線隨時(shí)間的變化（虛線表示有效快速停堆時(shí)表示有效快速停堆時(shí)刻）刻） 中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆剩余中子引起的裂變功率剩余中子引起的裂變功率 在停堆后，剩余中子引起的裂在停堆后，剩余中子引起的裂變功率可分為如下兩種情況：在變功率可分為如下兩種情況：在停堆后極短的時(shí)間（秒）內(nèi)，剩停堆后極短的時(shí)間（秒）內(nèi)，剩余中子功率主要是瞬發(fā)中子引起余中子功率主要是瞬發(fā)中子引起的裂變功率；在停堆后較長(zhǎng)時(shí)間的裂變功率；在停堆后較長(zhǎng)時(shí)間（130秒）內(nèi)，剩余中子功率秒）內(nèi)，剩余中子功率主要是緩發(fā)中子引起的裂變功率。主要是緩發(fā)中子

14、引起的裂變功率。 （2）裂變產(chǎn)物衰變功率 裂變產(chǎn)物放射性（和射線）衰變熱在停堆后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是停堆后功率的主要部分。一般說(shuō)來(lái)，裂變產(chǎn)物衰變功率與停堆前裂變產(chǎn)物的總產(chǎn)額以及這些產(chǎn)物在停堆后衰變程度有關(guān)。前者主要取決于堆的初始功率并與此功率下運(yùn)行的時(shí)間有關(guān)。（3）中子俘獲產(chǎn)物衰變功率 中子俘獲產(chǎn)物衰變功率是指燃料內(nèi)俘獲中子后的產(chǎn)物和的放射性衰變熱。中中 國(guó)國(guó) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 快快 堆堆停堆后繼續(xù)釋放的功率雖然只有穩(wěn)態(tài)滿功停堆后繼續(xù)釋放的功率雖然只有穩(wěn)態(tài)滿功率的百分之幾，但其絕對(duì)值卻仍然是一個(gè)率的百分之幾，但其絕對(duì)值卻仍然是一個(gè)不小的數(shù)字。不小的數(shù)字。 這么大而且持久的釋熱功率，如果不能及這么大而且持久的釋熱功率，如果不能及時(shí)輸出到堆芯外，就有可能使堆芯熔化。時(shí)輸出到堆芯外，就有可能使堆芯熔化。 所以在反應(yīng)堆停堆以后，必須繼續(xù)對(duì)堆芯所以在反應(yīng)堆停堆以后，必須繼續(xù)對(duì)堆芯冷卻，以便帶走這些熱量。冷卻，以便帶走這些熱量。