核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)-第六章

核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)教師：劉曉輝成都理工大學(xué)

核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院第1節(jié)

概述1.熱工設(shè)計(jì)涉及面廣：堆物理設(shè)計(jì)元件設(shè)計(jì)（燃料元件）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)二回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)第六章

反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)2.反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)所要解決的具體問(wèn)題——就是在堆型和為進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)所必需的條件已經(jīng)確定的前提下，通過(guò)一系列的熱工水力計(jì)算和一二回路熱工參數(shù)的最優(yōu)選擇，確定在額定功率下為滿足反應(yīng)堆安全要求所必需的堆芯燃料元件的總傳熱面積、燃料元件的幾何尺寸以及冷卻劑的流速、溫度和壓力等，使堆芯在熱工方面具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。具體包括：根據(jù)所設(shè)計(jì)的堆用途和特殊要求選定堆型，確定所用的核燃料、慢化劑、冷卻劑和結(jié)構(gòu)材料等的種類；反應(yīng)堆的熱功率、堆芯功率分布不均勻系數(shù)和水鈾比允許的變化范圍；燃料元件的形狀、它在堆芯內(nèi)的布置方式以及柵距允許變化的范圍；二回路對(duì)一回路冷卻劑熱工參數(shù)的要求；冷卻劑流過(guò)堆芯的流程以及堆芯進(jìn)口處冷卻劑流量的分配情況。熱工設(shè)計(jì)的過(guò)程：方案設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)3.熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的概念在設(shè)計(jì)反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)時(shí)，為了保證反應(yīng)堆運(yùn)行安全可靠，針對(duì)不同的堆型，預(yù)先規(guī)定了熱工設(shè)計(jì)必須遵守的要求，這些要求通常就稱為堆的熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。壓水堆主要熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：（1）燃料元件芯塊內(nèi)最高溫度應(yīng)低于相應(yīng)燃耗下的熔化溫度；（2）燃料元件外表面不允許發(fā)生沸騰臨界；（3）必須保證正常運(yùn)行工況下燃料元件和堆內(nèi)構(gòu)件能得到充分冷卻；在事故工況下能提供足夠冷卻劑以排出堆芯余熱；（4）在穩(wěn)態(tài)和可頂計(jì)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，不允許發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性。偏離泡核沸騰比（DNBR）最小偏離泡核沸騰比（MDNBR）——整個(gè)堆芯中DNBR的最小值。第2節(jié)熱通道因子和熱點(diǎn)因子1.定義熱通道（熱管）：堆芯內(nèi)積分功率輸出或焓升最大的冷卻劑通道（也就是發(fā)出功率最大的燃料元件所對(duì)應(yīng)的通道）。熱點(diǎn)：燃料元件表面熱流密度最大或燃料元件線功率密度最大的點(diǎn)。平均管：一個(gè)具有設(shè)計(jì)的名義尺寸、平均的冷卻劑流量和平均釋熱率的假想通道，反映整個(gè)堆芯的平均特性。當(dāng)不考慮在堆芯進(jìn)口處冷卻劑流量分配的不均勻，以及不考慮燃料元件的尺寸、性能等在加工、安裝、運(yùn)行中的工程因素造成的偏差，單純從核方面考慮——核熱通道、核熱點(diǎn)。

在知道堆的功率、傳熱面積以及流量等條件以后，確定堆芯內(nèi)熱工參數(shù)的平均值是比較容易的。但是堆芯功率的輸出不受熱工參數(shù)平均值的限制，而是受堆芯最惡劣的局部熱工參數(shù)值的限制。而要得到局部的熱工參數(shù)卻不是一件容易的事。

為了衡量各有關(guān)的熱工參數(shù)的最大值偏離平均值的程度，引進(jìn)了一個(gè)修正因子，這個(gè)修正因子就稱為熱管因子或熱點(diǎn)因子。它們是用各有關(guān)的熱工（或物理）參數(shù)的最大值與平均值的比值來(lái)表示的。

通常把熱管因子、熱點(diǎn)因子分為兩大類:

一類是核熱管因子、熱點(diǎn)因子 一類是工程熱管因子、熱點(diǎn)因子為了定量地表征熱管和熱點(diǎn)的工作條件，如果不考慮堆芯中控制棒、水隙、空泡和堆芯周圍反射層的影響，堆芯功率分布的不均勻程度常用熱流密度核熱點(diǎn)因子FNq來(lái)表示。反應(yīng)堆早期，人為地把熱點(diǎn)位于熱管內(nèi)，故提出焓升核熱管因子（熱通道因子）FNΔH。即

堆芯的幾何形狀核熱點(diǎn)因子（功率峰因子）球形3.29直角長(zhǎng)方形3.87圓柱形3.64圓柱形(裸,徑向通量展平)2.4~2.6圓柱形(有反射層)2.4游泳池式堆(水做反射層)2.6各種堆的核熱管因子（未考慮局部峰）為了定量分析由工程因素引起的熱工參數(shù)偏離名義值的程度，引入工程熱管因子FEΔH和工程熱點(diǎn)因子FEq。綜合考慮核和工程兩方面的因素后，熱流密度熱點(diǎn)因子Fq和焓升熱管因子（熱通道因子）FΔH為

2.工程熱點(diǎn)因子和熱管因子的計(jì)算乘積法在反應(yīng)堆發(fā)展的早期，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，為了確保堆的安全，通常就把所有工程偏差看成是非隨機(jī)性質(zhì)的，因而在綜合計(jì)算影響熱流量的各工程偏差時(shí)，保守地采用了將各個(gè)工程偏差值相乘的方法，即所說(shuō)的乘積法。混合法在這種方法中，是把燃料元件和冷卻劑通道的加工、安裝及運(yùn)行中產(chǎn)生的誤差分成兩大類，一類是非隨機(jī)誤差或系統(tǒng)誤差（乘積法）；另一類是隨機(jī)誤差或偶然誤差（按誤差分布規(guī)律用相應(yīng)公式計(jì)算）。3.降低熱點(diǎn)因子和熱管因子的方法熱管因子及熱點(diǎn)因子的值是影響堆熱工設(shè)計(jì)安全性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素，因此必須設(shè)法降低總的熱管（點(diǎn)）因子的值。熱管（點(diǎn)）因子是由核和工程兩方面不利因素造成的，因而要減小它們的數(shù)值必須從這兩方面著手。降低核熱管因子和熱點(diǎn)因子：沿堆芯徑向裝載不同濃縮度的核燃料；在堆芯周圍設(shè)置反射層；固體可燃毒物的適當(dāng)布置以及控制棒分組及棒位的合理確定；采用化學(xué)補(bǔ)充。

降低工程熱管因子和熱點(diǎn)因子：合理控制有關(guān)部件的加工及安裝誤差；精細(xì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和堆本體水力模擬實(shí)驗(yàn)；改善下腔室冷卻劑流量分配不均勻性；加強(qiáng)相鄰燃料元件冷卻劑通道間的流體橫向交混。

第3節(jié)臨界熱流密度與最小DNBR1.臨界熱流密度在壓水堆的熱工設(shè)計(jì)中，不但允許堆芯冷卻劑發(fā)生過(guò)冷沸騰，而且還允許在少量冷卻劑通道中發(fā)生飽和沸騰，其目的在于在一定的系統(tǒng)壓力下，提高堆芯出口處的冷卻劑溫度，從而改善整個(gè)核電站的熱效率。但是，燃料元件表面與冷卻劑間的放熱強(qiáng)度并不隨汽泡的增加而單調(diào)上升，有時(shí)可能發(fā)生燃料元件表面的沸騰臨界，此時(shí)燃料元件表面與冷卻劑間的傳熱急劇惡化，導(dǎo)致燃料元件包殼燒毀。因此對(duì)于水堆中的沸騰工況進(jìn)行研究極為重要。出現(xiàn)沸騰危機(jī)時(shí)的臨界熱流密度對(duì)水冷堆的設(shè)計(jì)十分重要。若干年來(lái)，國(guó)內(nèi)外作了許多實(shí)驗(yàn)研究和理論分析工作，但目前還沒(méi)能提出一個(gè)完整的理論計(jì)算公式，因而，進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)時(shí)還不得不應(yīng)用由實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式。其中比較典型的是根據(jù)軸向熱流量均勻分布的單通道試驗(yàn)所得的計(jì)算臨界熱流密度的W－3公式：

該公式也可以用于軸向熱流量非均勻分布的棒束元件冷卻劑通道的臨界熱流量計(jì)算，只是要采用冷卻劑通道的局部參數(shù)，而不是整個(gè)棒束組件內(nèi)的平均參數(shù)，軸向熱流的不均勻分布還要采用不均勻因子來(lái)修正。如果存在非加熱的壁面，則還要用一個(gè)冷壁因子來(lái)修正。對(duì)于堆芯內(nèi)的定位件及混流片，由于加強(qiáng)交混強(qiáng)化了傳熱，可用定位格架修正因子進(jìn)行修正。在沸騰中發(fā)生“燒毀”，主要原因是受熱壁上蓋有一層汽膜，液體不能補(bǔ)充到受熱面上去，由于汽膜的熱阻大，故壁溫迅速上升而燒毀。 因此，所有影響汽泡生成速度、汽泡體積的大小和密度情況以及汽泡層厚度的各種因素，如流速、沿通道的熱通量分布、棒束的幾何結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的壓力等，都會(huì)對(duì)臨界熱通量有重要的影響。

qDNB是水堆設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因此分析影響qDNB的各種因素，從而找到提高qDNB的各種途徑，是一個(gè)十分重要的課題。（1）冷卻劑質(zhì)量流速

對(duì)過(guò)冷沸騰和低含汽量的飽和沸騰，當(dāng)冷卻劑的質(zhì)量流速增大時(shí)，流體的擾動(dòng)增加，汽泡容易脫離加熱面，從而qDNB增大。

流速增大到一定數(shù)值后，在繼續(xù)增加流速對(duì)提高qDNB的貢獻(xiàn)就小了。在高含汽量飽和沸騰的情況下，如果冷卻劑的流型是環(huán)狀流，增加冷卻劑流速反而會(huì)使加熱面上的液膜變薄，從而加速燒干。（1）冷卻劑質(zhì)量流速

對(duì)過(guò)冷沸騰和低含汽量的飽和沸騰，當(dāng)冷卻劑的質(zhì)量流速增大時(shí)，流體的擾動(dòng)增加，汽泡容易脫離加熱面，從而qDNB增大。

流速增大到一定數(shù)值后，在繼續(xù)增加流速對(duì)提高qDNB的貢獻(xiàn)就小了。在高含汽量飽和沸騰的情況下，如果冷卻劑的流型是環(huán)狀流，增加冷卻劑流速反而會(huì)使加熱面上的液膜變薄，從而加速燒干。（2）進(jìn)口處冷卻劑過(guò)冷度

進(jìn)口處的冷卻劑過(guò)冷度越大，則加熱面上形成穩(wěn)定的汽膜所需的熱量越多，qDNB增大。

但是當(dāng)過(guò)冷度增大到某一數(shù)值時(shí)，會(huì)發(fā)生兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性，導(dǎo)致熱管內(nèi)冷卻劑流量減小，從而qDNB下降。 過(guò)冷度小到某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)發(fā)生兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性。究竟如何確定進(jìn)口冷卻劑的過(guò)冷度，要根據(jù)系統(tǒng)具體的熱工和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。（3）工作壓力

對(duì)于加熱的流動(dòng)沸騰系統(tǒng)，壓力對(duì)qDNB的影響，不同研究人員的觀點(diǎn)還不太一致。有些研究人員認(rèn)為，壓力升高，qDNB會(huì)稍有下降。

單從W-3公式來(lái)看，當(dāng)系統(tǒng)的加熱量一定時(shí)，壓力增加，冷卻劑的含汽量也在變化，因而qDNB有可能增大。

對(duì)于池式沸騰，當(dāng)壓力小于6.68MPa時(shí)，qDNB隨壓力的增加而增大，壓力大于6.68MPa時(shí)，壓力增大，qDNB反而減小。（4）

冷卻劑焓

沸騰臨界發(fā)生處的冷卻劑焓值的大小，主要反映在含汽量的大小上，冷卻劑焓值越高，含汽量越大，從而臨界熱流量也就越小。（5）通道進(jìn)口段長(zhǎng)度

進(jìn)口段長(zhǎng)度的影響通常用L/d的值來(lái)表示，L/d的值越小，受進(jìn)口局部擾動(dòng)的影響越大，因而qDNB增大。L/d的值小于50時(shí)，L/d的值的改變對(duì)qDNB影響較大。此外，隨著進(jìn)口過(guò)冷度和質(zhì)量流量的增加，L/d的值對(duì)qDNB影響相對(duì)減小。

（6）加熱表面粗糙度

加熱表面粗糙度的影響，只是對(duì)新堆才比較明顯。表面粗糙度一方面可以增加汽化核心的數(shù)目，另一方面又可以增強(qiáng)流體的湍流擾動(dòng)，在過(guò)冷沸騰和低含汽量飽和沸騰的情況下，會(huì)使qDNB增大。但是在高含汽量的飽和沸騰的環(huán)狀流情況下，粗糙的表面會(huì)加強(qiáng)流體的湍流擾動(dòng)，使加熱面上的一薄層液膜變得更薄，從而加速沸騰臨界的到來(lái)。運(yùn)行一段時(shí)間后，加熱面的粗糙度因受流體沖刷而變小了，對(duì)qDNB的影響也就小了。2.最小DNBR

對(duì)于穩(wěn)態(tài)工況和預(yù)計(jì)的事故工況，都要分別定出MDNBR的值，其具體值和所選用的計(jì)算公式有關(guān)，例如選W-3公式，壓水堆穩(wěn)態(tài)額定工況時(shí)一般可取MDNBR=1.8～2.2，而對(duì)預(yù)計(jì)的常見(jiàn)事故工況，則要求MDNBR>1.3。對(duì)于堆運(yùn)行的不同壽期，會(huì)有不同的MDNBR，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這一點(diǎn)，保證在堆的整個(gè)運(yùn)行壽期內(nèi)，在穩(wěn)態(tài)額定工況下的MDNBR仍然在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定的范圍內(nèi)。第4節(jié)單通道模型1.臨界熱流密度單通道模型 只要保證熱管的安全，而無(wú)需再繁瑣地計(jì)算堆內(nèi)其余元件和冷卻劑通道的熱工參數(shù)，就能保證堆芯其余燃料元件的安全了，在反應(yīng)堆發(fā)展的早期，堆熱工設(shè)計(jì)采用熱管和熱點(diǎn)分析模型。子通道分析模型（可以確定出真正的熱管和熱點(diǎn)） 近年來(lái)隨著堆的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累、計(jì)算模型的發(fā)展、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高和測(cè)量?jī)x表的改進(jìn)，提高計(jì)算可以得到真正的熱管所在的位置及其熱工參數(shù)；也可以得到燃料元件最高中心溫度和最高表面溫度的數(shù)值及其所在的位置。1.單通道模型在設(shè)計(jì)開(kāi)始前應(yīng)已知的有關(guān)數(shù)據(jù)是：主參數(shù)：核電廠電功率、電廠效率、系統(tǒng)壓力、流量、溫度(入口溫度、出口溫度或平均溫度者中之一)等。結(jié)構(gòu)參數(shù)：燃料元件的直徑、元件排列形式、柵距等。物性參數(shù)：燃料、包殼材料、冷卻劑、慢化劑、堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的密度、熱導(dǎo)率、比熱容等。核參數(shù)：徑向功率分布、方位角及局部峰因子、軸向功率分布、核參數(shù)不確定因子等。其他參數(shù)：某些需由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)，例如旁流系數(shù)，形阻壓降系數(shù)等。2.子通道模型子通道模型考慮到相鄰?fù)ǖ览鋮s劑之間在流動(dòng)過(guò)程中存在著橫向的質(zhì)量、熱量和動(dòng)量的交換(通常統(tǒng)稱為橫向交混)，因此各通道內(nèi)的冷卻劑質(zhì)量流速將沿軸向不斷發(fā)生變化，使熱通道內(nèi)冷卻劑焓和溫度比沒(méi)有考慮橫向交混時(shí)要低，燃料元件表面相中心溫度也隨之略有降低。對(duì)大型壓水堆，在熱工參數(shù)一定的情況下，把用子通道模型計(jì)算的結(jié)果與用單通道模型計(jì)算的結(jié)果相比較，燃料元件表面的MDNBR值約增加5%～10％?？梢?jiàn)，用于通道模型計(jì)算既提高了熱工設(shè)計(jì)的精確度，也提高了反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性。子通道模型四個(gè)基本守恒方程：（1）質(zhì)量守恒方程（2）能量守恒方程（3）軸向動(dòng)量守恒方程（4）橫向動(dòng)量守恒方程3.熱工水力實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)初期許多參數(shù)都是暫定的。隨著設(shè)計(jì)的深入，某些參數(shù)應(yīng)作適當(dāng)修正，對(duì)某些重要的參數(shù)應(yīng)根據(jù)本設(shè)計(jì)具體情況通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能最后確定。需要進(jìn)行的熱工水力方面的實(shí)驗(yàn)大致有下列幾方面：(1)臨界熱流密度實(shí)驗(yàn)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的燃料元件和冷卻刑具體參數(shù)驗(yàn)證臨界熱流密度的計(jì)算結(jié)果；

(2)測(cè)定本設(shè)計(jì)所采用的燃料芯塊和包殼的熱物性，以及芯塊和包殼間的間隙傳熱系數(shù)；

(3)堆本體水力模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)定壓力容器內(nèi)各部分的冷卻劑流動(dòng)壓降，下腔室冷卻劑流量分配不均勻系數(shù)以及堆內(nèi)各部分的旁通流量；

(4)燃料組件水力模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)定單相和兩相流動(dòng)情況廠燃料組件內(nèi)的壓降，測(cè)定相鄰冷卻劑通道間的流體交混系數(shù)；

(5)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰情況下的流動(dòng)穩(wěn)定性研究。第5節(jié)蒸汽再熱循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)1.再熱循環(huán)蒸汽中間再熱：將蒸汽從汽輪機(jī)某級(jí)引出來(lái)再加熱，溫度提高后再送回汽輪機(jī)后續(xù)的級(jí)繼續(xù)做功。日前大型火力發(fā)電廠大都采用蒸汽中間再熱系統(tǒng)，其主要目的是在蒸汽終濕度滿足要求限值條件下提高蒸汽初參數(shù)，從而提高大容量機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。在壓水堆核電廠，采用新蒸汽加熱高壓缸排汽。從熱力學(xué)的角度講，用新蒸汽再熱只會(huì)降低熱效率。這里，再熱的主要目的在于提高蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹終點(diǎn)的干度。二回路系統(tǒng)下圖為飽和蒸汽核汽輪機(jī)的h-s圖。若不采取任何措施，當(dāng)蒸汽膨脹至5kPa時(shí)，其蒸汽濕度將接近30%。為了保障汽輪機(jī)組低壓缸的安全運(yùn)行，設(shè)置了中間汽水分離器及低壓缸級(jí)間去濕結(jié)構(gòu)，則末級(jí)葉片的濕度仍接近20％(膨脹線A)；在此基礎(chǔ)上再增加蒸汽中間再熱，蒸汽被加熱至過(guò)熱，則末級(jí)葉片的濕度約為11％(膨脹線B)。圖中膨脹線C表示大型火力發(fā)電機(jī)組的膨脹過(guò)程，其排汽濕度約為10％?？梢?jiàn)，核汽輪機(jī)在采取蒸汽再熱措施后，末級(jí)濕度