第4章-核反应堆热工学-核工程原理ppt课件

第第4章章核反应堆热工学核反应堆热工学第4章核反应堆热工学1第第4章章 核反应堆热工学核反应堆热工学 4.1 核反应堆的释热核反应堆的释热 4.1.1 燃料的释热燃料的释热 4.1.2 堆内释热率分布堆内释热率分布 4.1.3 结构部件和慢化剂的释热结构部件和慢化剂的释热 4.1.4 反应堆停堆后的释热反应堆停堆后的释热4.2 核反应堆部件的热传导核反应堆部件的热传导第4章 核反应堆热工学 4.1 核反应堆的释热24.1 核反应堆的释热核反应堆的释热 在在反反应应堆堆活活性性区区内内，如如果果有有足足够够的的燃燃料料料料和和足足够够高高的的燃燃料料富富集集度度，反反应应堆堆所所能能达达到到的的中中子子通通量量是是非非常常高高的的，堆堆内内能能够够产产生生的的核核裂裂变变数数也也是是非非常常大大的的，即即堆堆芯芯内内产产生生的的裂裂变变功功率率可可以以非非常常大大反反应应堆堆内内裂裂变变产生的热量必须及时排出。产生的热量必须及时排出。反反应应堆堆的的重重大大事事故故都都与与堆堆内内传传热热和和冷冷却却问题有关问题有关。4.1 核反应堆的释热 在反应堆活性区内3第4章-核反应堆热工学-核工程原理ppt课件4第4章-核反应堆热工学-核工程原理ppt课件54.1.1 燃料的释热燃料的释热 核裂变产生的能量可分为以下三类：核裂变产生的能量可分为以下三类：裂裂变变瞬瞬时时产产生生的的能能量量(裂裂变变碎碎片片的的动动能能、新新生生裂裂变变中中子子的的动动能能、裂裂变变时时瞬瞬发发的的射线能射线能)；(86%)裂裂变变后后缓缓发发的的能能量量(裂裂变变产产物物的的衰衰变变能能和和衰衰变变能能，以以及及缓缓发发中中子子和和中中微微子子的的能量能量)；(10.5%)过过剩剩中中子子引引起起的的(n，)反反应应，反反应应后后产产生生的的瞬瞬发发和和缓缓发发的的衰衰变变能能和和衰衰变变能能。(3.5%)4.1.1 燃料的释热 核裂变产生的能量可分为以下三类6（2）裂变能的空间分布）裂变能的空间分布 在在反反应应堆堆内内，裂裂变变能能的的分分布布与与时时间间和和空空间间有有关关。裂裂变变能能在在空空间间上上的的分分布布与与裂裂变变产生的位置和裂变后产物的射程产生的位置和裂变后产物的射程有关。有关。裂裂变变能能在在堆堆内内材材料料的的分分布布，取取决决于于裂裂变变产产物物的的特特性性，并并与与堆堆型型及及堆堆内内材材料料的的性性质也有一定的关系。质也有一定的关系。（2）裂变能的空间分布 在反应堆内，裂7（2）裂变能的空间分布）裂变能的空间分布 裂变碎片在燃料中的射程只有裂变碎片在燃料中的射程只有1010-3-3厘米厘米的数量级，可以认为，它们的能量都在燃的数量级，可以认为，它们的能量都在燃料内转换为热能。料内转换为热能。在热堆中，裂变中子变为热中子的慢在热堆中，裂变中子变为热中子的慢化长度，一般在几厘米到几十厘米之间。化长度，一般在几厘米到几十厘米之间。因此，裂变中子的能量绝大部分都交给了因此，裂变中子的能量绝大部分都交给了慢化剂，只有一小部分因非弹性散射而交慢化剂，只有一小部分因非弹性散射而交给堆内其它结构材料。给堆内其它结构材料。（2）裂变能的空间分布 裂变碎片在燃料中的射程只有8（2）裂变能的空间分布）裂变能的空间分布 裂变产物等衰变发射的裂变产物等衰变发射的射线，大多射线，大多数在堆内射程约数在堆内射程约1 1厘米，属于短射程粒子。厘米，属于短射程粒子。其能量基本上也在燃料中转化为热能。其能量基本上也在燃料中转化为热能。（2）裂变能的空间分布 裂变产物等衰变发射的射线9（2）裂变能的空间分布）裂变能的空间分布 射线穿透力很强，属长射程粒子。但射线穿透力很强，属长射程粒子。但是，大型压水堆内燃料密度大、数量多，是，大型压水堆内燃料密度大、数量多，对对射线有显著的屏蔽作用。因而，大部射线有显著的屏蔽作用。因而，大部分分射线为燃料所吸收，也有部分射线为燃料所吸收，也有部分射线射线为反应堆结构材料和慢化剂所吸收，射程为反应堆结构材料和慢化剂所吸收，射程更长的那部分更长的那部分射线，直接穿透压力壳，射线，直接穿透压力壳，并且基本上在一次屏蔽中被吸收。并且基本上在一次屏蔽中被吸收。（2）裂变能的空间分布 射线穿透力很强，属长射程粒104.1.2 堆内释热率分布堆内释热率分布（1）体积释热率体积释热率 在在单单位位时时间间内内，堆堆芯芯某某点点邻邻域域的的单单位位体体积积所所释释放放的的能能量量，称称为为该该点点的的体体积积释释热热率率，单位（瓦单位（瓦/厘米厘米3 3或兆瓦或兆瓦/米米3 3）。）。在在非非均均匀匀堆堆中中，通通常常需需要要分分别别计计算算不不同同材材料料的的体体积积释释热热率率。堆堆芯芯燃燃料料内内任任意意点点的的体体积积释释热热率率，与与该该点点邻邻域域的的易易裂裂变变核核的的密密度度及及中子通量成正比。中子通量成正比。4.1.2 堆内释热率分布（1）体积释热率 在114.1.2 堆内释热率分布堆内释热率分布（1）体积释热率体积释热率 如如果果引引起起裂裂变变反反应应的的中中子子是是单单能能的的，则则燃燃料料的体积释热率可以写为：的体积释热率可以写为：各参变量的含义各参变量的含义：lRf是裂变反应率，是裂变反应率，RffF,裂变数裂变数/(厘米厘米3秒秒);lEd是燃料中平均每次裂变所释放的能量，是燃料中平均每次裂变所释放的能量，MeV；l是中子通量，中子是中子通量，中子/(厘米厘米2秒秒)；lfF是燃料的宏观裂变截面，是燃料的宏观裂变截面，1/厘米。厘米。4.1.2 堆内释热率分布（1）体积释热率 12 实实际际上上，引引起起堆堆内内裂裂变变反反应应的的中中子子并并不不是是单单能能的的，通通常常都都有有一一定定的的能能量量分分布布，而而且且裂裂变变截截面面和和中中子子通通量量都都是是中中子子能能量量的的函函数数。堆堆内内某某点点r r处燃料的体积释热率，可写成积分的形式：处燃料的体积释热率，可写成积分的形式：各参变量的含义各参变量的含义：lfF(E,r)函数是随中子能量函数是随中子能量E和空间位置和空间位置r而变的燃而变的燃料宏观裂变截面，料宏观裂变截面，1/厘米；厘米；l(E,r)是随中子能量是随中子能量E和空间位置和空间位置r而变的、单位能而变的、单位能量间隔内的中子通量，中子量间隔内的中子通量，中子/(厘米厘米2秒秒兆电子伏兆电子伏)。实际上，引起堆内裂变反应的中子并不是单能的，通常都有一13 对对热热堆堆，为为简简化化计计算算，可可以以认认为为裂裂变变都都是是由由热热中中子子引引起起的的，这这时时堆堆内内微微观观裂裂变变截截面面可可用用平平均均微微观观裂裂变变截截面面计计算算。这这样样，堆堆芯芯内内某某一一点点燃燃料料的的体体积积释释热热率率与与可可裂裂变变核核的的密密度度N N和和中中子子通通量量成正比。成正比。对对于于均均匀匀堆堆，可可裂裂变变核核的的密密度度在在堆堆芯芯内内是是常常数数，不不随随堆堆芯芯的的位位置置变变化化，这这时时堆堆芯芯内内的的功功率率分布只取决于中子通量分布。分布只取决于中子通量分布。对热堆，为简化计算，可以认为裂变都14 （2）堆芯功率分布不均匀性）堆芯功率分布不均匀性 由由于于堆堆芯芯内内的的中中子子通通量量不不是是均均匀匀分分布布的的，因因此，堆芯内的体积释热率也不是均匀分布。此，堆芯内的体积释热率也不是均匀分布。堆堆内内某某点点的的功功率率与与该该点点的的中中子子通通量量和和燃燃料料核核密密度度的的乘乘积积（NN）成成正正比比，因因而而，堆堆内内宏宏观观功功率率分布取决于中子通量及核燃料的分布。分布取决于中子通量及核燃料的分布。对对于于均均匀匀裸裸堆堆来来说说，功功率率分分布布只只取取决决于于中中子子通量分布。通量分布。（2）堆芯功率分布不均匀性15 影响堆芯功率分布的主要因素影响堆芯功率分布的主要因素 燃料装载的影响燃料装载的影响 在在早早期期的的压压水水堆堆中中，大大多多采采用用燃燃料料富富集集度度均均一一的的燃燃料料装装载载方方式式。这这种种装装料料的的优优点点是是装装卸卸料料比比较较方方便便，但但对对于于大大型型核核反反应应堆堆，这这种种方方法法有有一一个个很很大大的的缺缺点点：堆堆芯芯中中央央区区会会出出现现很很高高的的功功率率峰峰值值，使使堆堆芯芯内内释释热热率率不不均均匀匀性性很很大大，限限制制了了反反应应堆堆功功率率输输出。出。为为克克服服这这一一缺缺点点，目目前前大大型型反反应应堆堆中中通常采用通常采用堆芯燃料分区装载堆芯燃料分区装载的方法。的方法。影响堆芯功率分布的主要因素16 反射层的影响反射层的影响 在在反反应应堆堆堆堆芯芯周周围围一一般般都都设设有有反反射射层层。使使用用反反射射层层可可以以改改善善堆堆芯芯径径向向的的中中子子通通量量分分布布不不均均匀匀性性，从从而而改改善善堆堆芯芯径径向向的的功功率率分分布布，同同时时减减轻轻了了中中子子对对反反应应堆堆压压力力容容器的辐照损伤器的辐照损伤。反射层的影响17 控制棒的影响控制棒的影响 在在反反应应堆堆中中，为为了了控控制制反反应应性性的的变变化化，实现停堆，必须布置控制棒。实现停堆，必须布置控制棒。而而从从轴轴向向功功率率分分布布的的角角度度来来看看，控控制制棒的插入对功率分布会带来不利影响。棒的插入对功率分布会带来不利影响。控制棒的影响18 控制棒的影响控制棒的影响 在在反反应应堆堆中中，为为了了控控制制反反应应性性的的变变化化，实实现现停停堆堆，必必须须布布置置控控制制棒棒。而而从从轴轴向向功功率率分分布布的的角角度度来来看看，控控制制棒棒的的插插入入对对功功率率分分布会带来不利影响。布会带来不利影响。控制棒的影响19 结构材料、水隙和空泡的影响结构材料、水隙和空泡的影响 反反应应堆堆的的附附加加材材料料会会吸吸收收中中子子，它它们们会引起中子通量局部降低。会引起中子通量局部降低。在在热热堆堆内内，水水是是慢慢化化剂剂，因因此此在在有有水水隙隙的的地地方方相相应应的的中中子子通通量量比比其其他他地地方方高高。这些水隙会引起这些水隙会引起局部热中子峰值局部热中子峰值。在在反反应应堆堆堆堆芯芯内内最最热热通通道道或或出出口口产产生生气气泡泡会会使使中中子子通通量量产产生生畸畸变变。这这是是由由于于气气泡泡慢慢化化中中子子的的能能力力比比水水差差得得多多，因因此此，有有气气泡泡的的地地方方热热中中子子通通量量就就要要降降低低，气气泡泡多多时，这一影响比较显著。时，这一影响比较显著。结构材料、水隙和空泡的影响20 燃料元件自屏蔽效应的影响燃料元件自屏蔽效应的影响 均均匀匀反反应应堆堆只只是是一一种种理理论论假假设设，由由于于反反应应堆堆热热工工、水水力力、机机械械、物物理理等等方方面面的的原原因因，目前动力堆几乎都是非均匀的。目前动力堆几乎都是非均匀的。燃料元件自屏蔽效应的影响214.1.3 结构部件和慢化剂的释热结构部件和慢化剂的释热 反反应应堆堆的的结结构构材材料料总总体体上上可可由由两两部部分分组成：组成：一部分是堆芯内的结构材料，一部分是堆芯内的结构材料，另一部分是堆芯外围的厚壁构件另一部分是堆芯外围的厚壁构件。4.1.3 结构部件和慢化剂的释热 反应堆的结构材224.1.3 结构部件和慢化剂的释热结构部件和慢化剂的释热 （1 1）结构部件的释热）结构部件的释热 堆堆芯芯结结构构部部件件的的释释热热，基基本本上上都都是是由由于于吸吸收收堆堆内内的的射射线线引引起起的的。根根据据裂裂变变能能的的分分布布比比率率，每每次次裂裂变变时时的的总总射射线线能能约约占占可可回回收收能能量量的的10.5%10.5%，如如忽忽略略射射线线在在堆堆芯芯内内的的衰衰减减，并并认认为为结结构构材材料料对对射射线线的的吸吸收收正正比比于于材材料料的的密密度度，则则堆堆芯芯内内结结构构材材料料某处某处射线的体积释热率为：射线的体积释热率为：4.1.3 结构部件和慢化剂的释热（1）结构部件的释热 234.1.3 结构部件和慢化剂的释热结构部件和慢化剂的释热 （1 1）结构部件的释热）结构部件的释热 lqv,是在堆芯特定区域内，某结构材料因吸是在堆芯特定区域内，某结构材料因吸收收射线引起的体积释热率射线引起的体积释热率(瓦瓦/厘米厘米3)；lqv,t是该区域内总的体积释热率是该区域内总的体积释热率(瓦瓦/厘米厘米3)；l是某结构材料的密度是某结构材料的密度(克克/厘米厘米3)；la是堆芯结构材料的平均密度是堆芯结构材料的平均密度(克克/厘米厘米3)。4.1.3 结构部件和慢化剂的释热（1）结构部件的释热24 在在堆堆芯芯外外的的热热屏屏蔽蔽和和压压力力容容器器的的一一侧侧，如如果果存存在在一一个个源源强强为为Si的的射射线线源源，具具有有给给定定能能级级的的射射线线未未经经碰碰撞撞而而贯贯穿穿时时，第第i群群的的能能量量密密度度变变化化规规律为：律为：射射线线在在x处处dx距距离离上上的的衰衰减减部部分分全全部部转转化化为为热热量量，因此，因此，在在x处材料吸收处材料吸收射线产生的体积释热率为：射线产生的体积释热率为：在堆芯外的热屏蔽和压力容器的一侧，如果存在一个源强25 如如果果反反应应堆堆中中的的源源发发射射几几种种不不同同能能级级的的射射线线，那那么么未未经经碰碰撞撞的的射射线线所所形形成成的的总总释释热热率率是是各各个个能能级级的的射射线线所所形形成成的的释释热热率率之之和，则：和，则：如果反应堆中的源发射几种不同能级的射线，那么未26 材材料料的的康康普普顿顿散散射射会会发发出出二二次次射射线线，因因此此实实际际的的释释热热率率比比上上述述方方程程计计算算的的要要大大，大大的的部部分分释释热热率率用用积积累累因因子子B来来考考虑虑。在在反反应应堆堆内内，为为了了减减少少射射线线对对压压力力容容器器的的辐辐照照损损伤伤，在在压压力力容容器器和和堆堆芯芯之之间间设设有有热热屏屏蔽。则存在热屏蔽的情况下，释热率为：蔽。则存在热屏蔽的情况下，释热率为：材料的康普顿散射会发出二次射线，因此实际的27 （2）控制棒内的释热）控制棒内的释热 在在反反应应堆堆运运行行过过程程中中控控制制棒棒会会释释热热，其其热热源源是是控控制制棒棒吸吸收收射射线线和和吸吸收收中中子子后后的的(n,)和和(n,)反应反应。因因此此，控控制制棒棒的的释释热热计计算算一一般般分分成成吸吸收收射射线线产生的释热和吸收中子产生的释热产生的释热和吸收中子产生的释热。(n,)反应引起的释热：反应引起的释热：(n,)反应引起的释热：反应引起的释热：（2）控制棒内的释热(n,)反应引起的释热：(n,28（3）慢化剂的释热）慢化剂的释热 在在热热堆堆内内，慢慢化化剂剂的的主主要要作作用用是是慢慢化化中中子子，中中子子在在慢慢化化过过程程中中将将其其动动能能传传递递给给慢慢化化剂剂。因因此此，慢慢化化剂剂会会产产生生热热量量，慢慢化化剂剂释释热热的的另另一一个个热热源源是是吸吸收收射射线线的的能能量量，则：则：其中其中（3）慢化剂的释热其中294.1.4 反应堆停堆后的释热反应堆停堆后的释热 反反应应堆堆运运行行一一段段时时间间停停堆堆以以后后，其其功功率率并并不不会会立立刻刻降降到到零零，而而是是在在开开始始时时以以很很快快的的速速度度下下降降，在在达达到到一一定定数数值值后后，就就以以较慢的速度下降较慢的速度下降。反反应应堆堆在在停停堆堆以以后后继继续续产产生生的的功功率率虽虽然然只只有有稳稳态态功功率率的的百百分分之之几几，但但是是其其绝绝对对值值却仍然是一个不小的数字。却仍然是一个不小的数字。4.1.4 反应堆停堆后的释热 反应堆304.1.4 反应堆停堆后的释热反应堆停堆后的释热 所所以以，在在反反应应堆堆停停堆堆以以后后，还还必必须须继继续对堆芯进行冷却，以便带走这些热量续对堆芯进行冷却，以便带走这些热量。一一般般来来说说，反反应应堆堆都都设设有有专专门门的的余余热热排排出出系系统统，以以便便对对停停堆堆后后的的堆堆芯芯进进行行冷冷却却。反反应应堆堆停停堆堆后后释释出出功功率率的的大大小小对对事事故故工工况况下反应堆的安全影响极大。下反应堆的安全影响极大。4.1.4 反应堆停堆后的释热 所以，31（1）反应堆停堆后的功率主要组成）反应堆停堆后的功率主要组成 剩余裂变功率剩余裂变功率 在在反反应应堆堆刚刚停停堆堆时时，堆堆内内的的缓缓发发中中子子在在短短时时间间内内还还会会引引起起裂裂变变。裂裂变变时时瞬瞬间间放放出的功率大小与堆芯内的中子密度成正比。出的功率大小与堆芯内的中子密度成正比。裂变产物的衰变功率裂变产物的衰变功率 中子俘获产物的衰变功率中子俘获产物的衰变功率 在在用用天天然然铀铀或或低低浓浓铀铀做做燃燃料料的的反反应应堆堆中中，对对中中子子俘俘获获产产物物衰衰变变功功率率贡贡献献最最大大的的是是238U吸吸收收中中子子后后产产生生的的239U和和由由它它衰衰变变成成的的239Np的的，辐射辐射。（1）反应堆停堆后的功率主要组成32（2）停堆后保证堆芯安全的措施）停堆后保证堆芯安全的措施 反反应应堆堆停停堆堆后后，仍仍然然存存在在比比较较大大的的衰衰变变功功率率，特特别别是是刚刚一一停停堆堆的的短短时时间间内内，堆堆内仍然具有很大的释热能力。内仍然具有很大的释热能力。为为此此，在在失失去去主主泵泵动动力力的的情情况况下下，动动力力反反应应堆堆一一般般都都有有多多重重的的冷冷却却措措施施，以以保保证证堆芯的安全。堆芯的安全。（2）停堆后保证堆芯安全的措施 反应堆33（2）停堆后保证堆芯安全的措施）停堆后保证堆芯安全的措施 这些措施有：这些措施有：利利用用堆堆芯芯余余热热排排出出系系统统或或堆堆芯芯应应急急冷却系统；冷却系统；增加主循环泵的转动惯量；增加主循环泵的转动惯量；利利用用自自然然循循环环冷冷却却堆堆芯芯，现现代代压压水水堆堆设设计计都都在在努努力力提提高高反反应应堆堆的的自自然然循循环环能能力力，以以便便在在失失去去主主循循环环泵泵动动力力时时排排出出堆堆内内热量。热量。（2）停堆后保证堆芯安全的措施 这些措施有：34总结总结l核反应堆的释热核反应堆的释热 燃燃料料的的释释热热、堆堆内内释释热热率率分分布布、结结构构部部件件和慢化剂的释热、反应堆停堆后的释热和慢化剂的释热、反应堆停堆后的释热l核反应堆部件的热传导核反应堆部件的热传导 棒棒状状元元件件的的热热传传导导、板板状状元元件件的的传传热热、球球形形元元件件的的传传热热、热热屏屏蔽蔽的的传传热热、积积分分热热导导率率总结核反应堆的释热35