核反应堆热工分析
核反应堆热工分析整理
二.简答题1.影响功率分布的因素有哪些，分别有什么影响？答：A.燃料布置：均匀装载：中心区域会出现较高的功率峰值，限制堆的总功率输出量，且平均燃耗也较低分区装载：中心功率水平降低，外区功率水平上升，整体功率分布得到展平，平均燃耗也提高了B.控制棒：用控制棒时堆芯功率峰值对平均功率之比可能高于未受扰动的堆芯的该比值。
径向：堆寿命初期，中央控制棒插入可使径向功率分布得到展平，即中央部分中子通量及功率水平下降了，外区中子通量及功率水平提高了轴向：插入控制棒给轴向功率分布带来不利影响（如压水堆中，寿期初堆顶部插入控制棒，中子通量向堆底部歪斜；寿期末抽出控制棒，中子通量向堆顶部歪斜）C.水隙及空泡：水隙：引起附加慢化作用，使该处中子通量上升，导致周围元件功率升高，从而增大功率分布不均匀度；空泡：使周围的堆芯反应性下降2.控制棒、慢化剂和结构材料中热量产生的来源？答：A.控制棒的热源：吸收堆芯的γ辐射以及控制棒本身吸收中子的(n, α)或(n, γ)反应B.慢化剂的热源：裂变中子的慢化、吸收裂变产物放出的β粒子的一部分能量、吸收各种γ射线的能量C.结构材料的热源：几乎完全是由于吸收来自堆芯的各种γ射线3.两种沸腾的定义及特点是什么？答：大容积沸腾：定义：指由浸没在具有自由表面原来静止的大容积液体内的受热面所产生的沸腾特点：液体流速很低，自然对流换热起主导作用流动沸腾：定义：指流体流经加热通道是发生的沸腾，亦称为对流沸腾特点：常发生在强迫对流工况下4.沸腾临界包括哪两类，它们的物理特点及发生的区域分别是什么？答：5.答：A.（选取合适的燃料材料和包壳材料，并限制元件芯块中心温度低于燃料的熔点，包壳表面热流密度低于临界热流密度以）保证燃料元件包壳在寿命期内完整性B.棒径选择除满足物理设计中的水铀比要求外，还须满足热工传热的要求C.（限制包壳外表面的最大温度和限制芯块----包壳交界面处的最大温度来）保证在整个寿命期不产生不良的物理化学作用D.满足结构方面要求并易于加工，工艺性能好E.经济性好，价廉6.UO 2陶瓷燃料的优缺点？答：优点：熔点高、高温和高辐照下几何形状比较稳定；高温水和液态钠中具有良好的耐腐蚀性能；与包壳材料锆合金、不锈钢的相容性好缺点：导热性能差；热梯度下的脆性7.单相流体的流动压降包括哪些，定义分别是什么？答：提升压降：指流体自截面1至截面2时由流体位能改变而引起的压力变化加速压降：指因流体速度发生改变而引起的压力变化摩擦压降：指流体沿等截面直通道流动时由沿程摩擦阻力的作用而引起的压力损失 形阻压降：指流体流经有急剧变化的固体边界时所出现的集中压力损失8.垂直加热通道中流型有哪些，分别有什么特点？答：泡状流：液相是连续相，汽相以汽泡的形式弥散在液相中，两相同时沿通道流动。
核反应堆热工水力分析课程设计
六．计算结果分析：计算结果误差分析：由于采用的是W-3公式，且该设计中的给出参数与该公式的适用范围有些偏差，但是其算出的结果还是能客观反映出热管中各量的变化趋势的。
热管的焓、包壳表面温度、芯块中心温度随轴向的分布如下：控制体为6个：表1 各温度的汇总表各种温度控制体流体出口温度单位(℃)流体出口比焓（kJ/kg）出口处的包壳外壁温度单位℃出口处的包壳内壁温度单位℃出口处的uo2芯块外表面温度单位℃燃料芯块的中心最高温度单位℃堆芯高度L/m第一控制体291.54 1292.1 303.25 303.95 372.25 550 0.61 第二控制体301.29 1343.9 325.71 327.21 472.35 953 1.22 第三控制体315.38 1424.5 348.32 350.42 563.86 1411 1.83 第四控制体330.13 1517.2 348.34 350.44 572.41 1469 2.44 第五控制体339.21 1582.1 348.11 349.41 486.01 939 3.05 第六控制体343.75 1618.8 347.83 348.43 416.73 605 3.66表2 临界热流与烧毁比的汇总表DNBR 控制体DNBR临界热流密度qDNB10＾6 单位W/m2第一控制体15.6 5.3 第二控制体 6.5 4.7 第三控制体 3.7 3.9 第四控制体 2.7 3 第五控制体 3.5 2.4 第六控制体 6 22602803003203403600.611.221.832.443.053.66堆芯高度L(m)流体出口温度（℃）图1 流体出口温度（单位℃）分析：由图可知，流体出口温度随着堆芯高度由下到上逐渐上升，到最后一个控制体的末尾，也就是堆芯出口处，达到最大值。
200400600800100012001400160018000.611.221.832.443.053.66堆芯高度L/m流体出口比焓（k J /k g ）图2 流体出口比焓（kJ/kg ）分析：由图可知，流体出口比焓和流体出口温度一样随着堆芯高度由下到上逐渐上升，到最后一个控制体的末尾，也就是堆芯出口处，达到最大值。
核反应堆热工分析
运用扩散理论，燃料元件内热中子通量分布的表达式：
AI0 ( K0r )
若燃料棒表面处的热中子通量为
s ，则：
，则在
s
处， r
R0
I0 ( K0r ) s I 0 ( K 0 R0 )
2
堆芯功率的分布及其影响因素
补偿棒
补偿棒是用于抵消寿期初大量的 剩余反应性的
2
堆芯功率的分布及其影响因素
轻水作慢化剂的堆芯中，水隙的存在引起附加慢化 作用，使该处的中子通量上升，提高水隙周围元件的 功率，增大了功率分布的不均匀程度
影 响 功 率 分 布 的 因 素
燃料布置 控制棒 水隙及空泡
克服办法：采用棒束型控制棒组件
2
1
核裂变产生能量及其分布
不同核素所释放出来的裂变能量是有差异的，一般认为 取 E f 200MeV
堆内热源及其分布还与时间有关，新装料、平衡运行和停堆后都不 相同 输出燃料元件内产生的热量的热工水力问题就成为反应堆设计的关 键
2
堆芯功率的分布及其影响因素
释热率
堆内热源的分 布函数和中子 单位体积的 通量的分布函 数相同 释热率
堆芯最大体积释热率
qv,max Fa E f N f 0
2
堆芯功率的分布及其影响因素
均匀裸堆中的中子通量分布
2
堆芯功率的分布及其影响因素
均匀装载燃料方案： 早期的压水堆采用此方案 优点：装卸料方便 缺点：功率分布过于不平均，平均燃耗低
燃料布置 控制棒 水隙及空泡
影 响 功 率 分 布 的 因 素
(r , z ) 0 J 0 (2.405
外推半径：R e
核反应堆热工分析课设
核反应堆热⼯分析课设⽬录⼀、设计任务 (1)⼆、课程设计要求 (2)三、计算过程 (2)四、程序设计框图 (8)五、代码说明书 (9)六、热⼯设计准则和出错矫正 (10)七、重要的核⼼程序代码 (11)⼋、计算结果及分析 (17)⼀、设计任务某压⽔反应堆的冷却剂及慢化剂都是⽔，⽤⼆氧化铀作燃料，⽤Zr-4作包壳材料。
燃料组件⽆盒壁，燃料元件为棒状，正⽅形排列。
已知下列参数：系统压⼒ 15.8MPa堆芯输出功率 1820MW冷却剂总流量 32100t/h反应堆进⼝温度287℃堆芯⾼度 3.66m燃料组件数 121燃料组件形式17×17每个组件燃料棒数 265燃料包壳直径 9.5mm燃料包壳内径 8.36mm燃料包壳厚度 0.57mm燃料芯块直径 8.19mm燃料棒间距（栅距） 12.6mm芯块密度 95%理论密度旁流系数 5%燃料元件发热占总发热的份额 97.4%径向核热管因⼦ 1.35轴向核热管因⼦ 1.528局部峰核热管因⼦ 1.11交混因⼦ 0.95热流量⼯程热点因⼦ 1.03堆芯出⼝局部阻⼒系数 1.0堆芯定位隔架局部阻⼒系数 1.05若将堆芯⾃上⽽下划分为5个控制体，则其轴向归⼀化功率分布如下表：堆芯轴向归⼀化功率分布（轴向等分5个控制体）通过计算，得出1. 堆芯出⼝温度；2. 燃料棒表⾯平均热流及最⼤热流密度，平均线功率，最⼤线功率；3. 热管的焓，包壳表⾯温度，芯块中⼼温度随轴向的分布；4. 包壳表⾯最⾼温度，芯块中⼼最⾼温度；5. DNBR在轴向上的变化；6. 计算堆芯压降；⼆、课程设计要求1．设计时间为两周；2．独⽴编制程序计算；3．迭代误差为0.1%；4．计算机绘图；5．设计报告写作认真，条理清楚，页⾯整洁；6．设计报告中要附源程序。
三、计算过程⽬前，压⽔核反应堆的稳态热⼯设计准则有：（1）燃料元件芯块内最⾼温度应低于其相应燃耗下的熔化温度。
⽬前，压⽔堆⼤多采⽤UO2作为燃料。
核反应堆热工分析
核反应堆热工分析核反应堆热工分析是指对核反应堆的热力学和动力学性质进行评估和分析。
在核反应堆的设计和操作过程中，热工分析是至关重要的一步。
核反应堆是利用核反应的原理来产生大量能量的一种设备。
核反应堆通常用于发电、生产同位素、研究等领域。
核反应堆的基本工作原理是将一些放射性物质放入到反应堆中，在核反应的过程中释放出大量的热能，以此来驱动涡轮机发电。
核反应堆的热工分析主要关注的是反应堆内的热力学和动力学特性。
在核反应堆中，核燃料的裂变会产生大量的热，这些热需要通过反应堆内的冷却剂来传递到发电设备。
因此，热工分析的主要任务是评估反应堆中热量的产生和传递，以便在设计和操作过程中避免过热或过冷的问题。
核反应堆的热工分析可以通过多种方法进行，其中最常见的方法是数值模拟。
数值模拟是指使用计算机模拟反应堆内复杂的热力学和动力学过程，以便更好地理解反应堆内的热传递和热力学行为。
在数值模拟中，需要考虑的因素包括反应堆内燃料的构成和排布、冷却剂的流动和热传递、反应堆的几何形状等。
另外，通过实验来验证和修正数值模拟模型也是非常重要的一项工作。
实验可以获得反应堆内的温度、压力、流速等关键参数，以进一步改进数值模拟模型。
同时，在实际操作中对反应堆进行连续监测和评估也是必不可少的。
核反应堆热工分析的结果可以帮助反应堆设计师和操作员更好地了解反应堆内的热力学行为，并且可以预测反应堆在不同工作条件下的热传递行为。
这些分析结果可以用于优化反应堆的设计，提高反应堆的效率和安全性。
总之，核反应堆热工分析是核反应堆设计和操作中不可或缺的一步。
通过热工分析可以更好地了解反应堆内的热力学和动力学行为，预测反应堆在不同工作条件下的性能，提高反应堆的效率和安全性。
除了数值模拟和实验外，还有一些重要的因素需要考虑，这些因素包括：1. 燃料特性燃料的特性直接影响反应堆内的核反应过程，从而影响热传递效率。
例如，燃料的粒度和密度会影响其热传递特性，而燃料的化学成分和裂变产物的特性也会影响其热放射。
核反应堆热工分析02剖析
因 水隙及空泡 素
度的燃料，高富集度的装在最外区，低富 集度的在中心。
优点：堆芯功率分布得到展平，提高平均
燃耗
8
2 堆芯功率的分布及其影响因素
➢ 三区分批装料时的归一化功率分布图：
影
响
燃料布置
功
率
分
控制棒
布
的
因 水隙及空泡
素
通常I区的燃料富集度是最低的，III区的燃料富集度最高
9
2 堆芯功率的分布及其影响因素
➢ 非均匀堆栅阵
用具有等效截面的圆来代替原来的正方形栅元 假设热中子仅在整个慢化剂内均匀产生
运用扩散理论，燃料元件内热中子通量分布的表达式：
AI0 (K0r)
➢ 若燃料棒表面处的热中子通量为
s，则：
s
I0 (K0r) I0 (K0 R0 )
，则s在
r处，R0
16
2 堆芯功率的分布及其影响因素
11
2 堆芯功率的分布及其影响因素
影
响
燃料布置
功
率
分
分
控制棒
布
类
的
因 水隙及空泡
素
停堆棒通常在堆芯的外面，只有
停堆棒 在需要停堆的时候才迅速插入堆 芯
调节棒
调节棒是用于反应堆正常运行时 功率的调节
补偿棒
补偿棒是用于抵消寿期初大量的 剩余反应性的
12
2 堆芯功率的分布及其影响因素
➢轻水作慢化剂的堆芯中，水隙的存在引起附加慢 化作用，使该处的中子通量上升，提高水隙周围元 件的功率，增大了功率分布的不均匀程度
(r,
z)
0
J0
(2.405
r Re
)
cos
核反应堆热工分析要点
《核反应堆热工分析》期末复习要点第二章堆的热源及其分布1、裂变能的近似分配（16页）2、了解堆芯功率的分布及其影响因素（17页4个公式中的参数物理意义及变化影响）3、影响功率分布的因素（19页——21页的黑体标题，内容了解）4、停堆后的功率（25页）5、剩余裂变功率的衰减（25页——26页）6、衰变功率的衰减（27页）第三章堆的传热过程1、导热的概念（30页）2、记忆热传导微分方程（30页公式3-1）3、公式3-3和公式3-12的推导（31页、33页）4、Dittus-Boelter公式；沸腾曲线（34页；37页）5、产生沸腾的下限公式（39页公式3-26）6、沸腾临界的定义以及快速烧毁和慢速烧毁（40页——41页）7、过渡沸腾传热的定义（41页）8、选择包壳材料要考虑的因素（48页，共7点）9、热静效应（51页）10、燃料芯块的肿胀含义（52页）11、积分热导率的定义，以及定义积分热导率的意义（58页）第四章堆内流体的流动过程及水力分析1、单相流体的流动压降组成（87页——92页的黑体标题，共4点）2、Darcy-Weisbach公式及各项参数意义（87页公式4-4）3、Blausius关系式及使用范围（88页）4、截面突然扩大或缩小时的局部压降计算公式（92页——93页，公式4-21和公式4-26）5、多相流的定义（99页）5、什么叫流型以及四种主要流型（99页——100页）6、静态含汽量、流动含汽量、平衡含汽量、空泡份额、滑速比定义式（101页——102页）7、公式4-49的推导（103页）8、自然循环的概念，影响自然循环的因素及解决办法（120页——123页）9、临界流的定义（123页）10、单相流体的临界流（124页）11、引起流动不稳定性的原因（133页）12、两相流不稳定性的分类和定义（133页——134页）13、流量漂移的特点（134页）14、水动力稳定性准则（136页公式4-176）第五章 堆芯稳态热工分析1、热工设计准则（144页——145页）2、热管和热点的定义（154页）3、热流密度核热点因子Nq F 的计算式（155页公式5-26）4、焓升热管因子NH F ∆的计算式（155页）5、降低热管因子和热点因子的途径（157页）6、只有流动交混因子EH F ∆的值小于1，其他都大于1（158页）7、W —3公式中的平衡含汽量e x 的范围以及3种修正（168页——170页）8、核反应堆热工参数的选择（174页——175页）9、蒸汽发生器中温差的最小值的取定及其范围（176页）10、图5-12的,e R N 的选择及其原因（179页）11、燃料元件的表面热流密度核DNBR 沿轴向变化示意图（179页）第六章 堆芯瞬态热工分析1、棒状元件的导热微分方程（202页公式6-2）2、四类电厂工况考虑反应堆的安全性（218页——219页）3、专设安全系统（220页，共3个）。
核反应堆热工分析09..
堆芯稳态热工分析
反应堆热工设计的任务:
就是要设计一个既安全可靠而又经济的堆芯输热系统。 在进行反应堆热工设计之前，由各专业讨论并初步确定的前提为：
根据所设 计堆的用 途和特殊 要求选定 堆型，确 定所用的 核燃料、 慢化剂、 冷却剂和 结构材料 的种类
反应堆的 热功率、 堆芯功率 分布不均 匀系数和 水铀比允 许的变化 范围
9
9.2.4 热管因子和热点因子的应用
乘积法：就是指把所有最不利的工程偏差都同时集中作用 在热管或热点上。 混和法：把工程误差分为非随机误差和随机误差两大类，先 分别计算各类误差，最后再把它们综合起来。
下面就根据前述工程热管因子及热点因子的计算方法，先分别计算 各分因子的值而后再综合成总的工程热管因子及工程热点因子
F
N H
hmax 热管最大焓升 ＝ 堆芯平均管焓升 h
6
9.2.2 工程热管因子和工程热点因子
由于工程上不可避免的误差，会使堆芯内燃料元件的热流密度、 冷却剂流量、冷却剂焓升以及燃料元件的温度等偏离名义值。 定量分析由工程因素引起的热工参数偏离名义值的程度， 热流密度工程热点因子 FqE 和焓升工程热管因子 FE H
热管和热点对确定堆芯功率的输出量起着决定性的作用。
5
堆芯功率分布的不均匀程度常用热流密度核热点因FqN 来 表示，有时也称热流密度核热管因子。
堆芯最大热流密度 qmax N N F ＝ FR FZ 堆芯平均热流密度 q
N q
热管和平均管中冷却剂焓升的比值，称为焓升核热管因子。 用 FN H 表示。
10
热流密度工程热点因子 FqE
FqE
qh,max qn,max
qn,max q qn,max
核反应堆热工分析(热工部分)
影 响 功 率 分 布 的 因 素
燃料布置 控制棒 水隙及空泡
通常I区的燃料富集度是最低的，III区的燃料富集度最高
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二
2.堆芯功率的分布及其影响因素
控制棒一般均匀布置在高中子通量的区域，既提高 控制棒的效率，又有利于径向中子通量的展平
影 响 功 率 分 布 的 因 素
燃料布置 控制棒 水隙及空泡
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四
停堆后的功率
在反应堆停堆后，由于中子在很短一段时间内还会引起裂变，裂变产物的 衰变以及中子俘获产物的衰变还会持续很长时间，因而堆芯仍有一定的释 热率。这种现象称为停堆后的释热，与此相应的功率称为停堆后的剩余功 率。
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四
停堆后的功率
剩余中子引起的裂变 燃料棒内储存的显热
(r , z ) 0 J 0 (2.405
外推半径：R e
r z ) cos Re LRe
R R R 0.71tr 外推高度： LRe LR 2LR LR 1.42tr
堆芯的释热率分布
r z qv (r , z ) qv ,max J 0 (2.405 ) cos Re LRe
二
1.核裂变4% 裂变能的绝大部 分在燃料元件内 转换为热能，少 量在慢化剂内释 放 ， 通 常 取 97.4% 在 燃 料 元 件内转换为热能
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二
1.核裂变产生能量及其分布
不同核素所释放出来的裂变能量是有差异的，一般认为取 E f 200 MeV
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反应堆热工水力学
堆内释热
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1 一
1.核反应堆热工分析的任务
安全：
稳定运行，能 适应瞬态稳态 变化，且保证 在一般事故工 况下堆芯不会 破坏，最严重 事故工况下也 要保证堆芯放 射性不泄漏
第七章-核反应堆热工
1.4、慢化剂（1）
对固体慢化剂的要求：
具有一定的结构强度 良好的导热性能 良好的热稳定性和辐照稳定性 与冷却剂相容 原子密度高 便于加工，成本低廉
可用的固体慢化剂：
可用的固体慢化剂有石墨、铍、氧化铍和氧化锆
1.4、慢化剂（2）
二、反应堆热工分析的内容
1、堆芯材料和热物性 2、反应堆的热源 3、稳态热工分析 4、瞬态热工分析
1、堆芯材料和热物性
1.1、核燃料 1.2、包壳材料 1.3、冷却剂 1.4、慢化剂
1.1、核燃料（1）
核燃料： 裂变燃料：铀－235（自然界存在的唯一一种核燃料） 铀－233 钚－239 转换燃料：钍－232 铀－238 核燃料的形态： 固态：实际应用的核燃料 液态：未达到工业应用的程度
1.1、核燃料（2）
对固体核燃料的要求：
具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在经受深度燃 耗后，尺寸和形状的变化能保持在允许的范围之内 具有良好的热物性（熔点高，热导率大，热膨胀系数 小），使反应堆能达到高的功率密度 在高温下与包壳材料的相容性好 与冷却剂接触不产生强烈的化学腐蚀 工艺性能好，制造成本低，便于后处理
: 冷却剂的密度； A f : 冷却剂的流通截面积
H f ( z ) : 冷却剂从堆芯进口到位 置z处的焓升 t f ( z ) : 冷却剂从堆芯进口到位 置z处的温升
3.1.2、燃料元件的传热计算
3.1.2.1、燃料元件的形式及其冷却方式 3.1.2.2、棒状燃料元件的传热计算 3.1.2.3、积分热导率的概念 3.1.2.4、板状燃料元件的传热计算
核反应堆热工分析01
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课程介绍
38
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课程介绍
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课程介绍
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沸水堆
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课程介绍
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沸水堆
13介绍
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沸水堆
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课程介绍
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快中子堆
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课程介绍
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课程介绍
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课程介绍
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重水堆
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课程介绍
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重水堆
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课程介绍
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课程介绍
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高温气冷堆
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课程介绍
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课程介绍
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课程介绍
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课程介绍
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课程介绍
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课程介绍
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压水堆燃料组件
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课程介绍
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压水堆燃料组件
圆柱形二氧化铀陶瓷芯块 燃料芯块装在锆合金管内 燃料棒用多个定位格架定位 17x17排列正方形燃料组件 组件有空心管
用来插控制棒或测量引线。 起着骨架的作用。
组件外围不加方形组件盒 长约4m，边长约20cm
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上 部 堆 内 构 件
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课程介绍
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冷却剂的循环
➢ 压水堆堆内冷却剂流程：
压力容器进口接管沿压力 容器和堆芯吊兰间环腔向下压 力容器下封头处的下腔室堆芯 支承板，流量分配孔板和堆芯下 栅格板堆芯上栅格板压力容 器出口接管。
《核反应堆热工分析》复习资料大全
第一章绪论（简答）1. 核反应堆分类：按中子能谱分快中子堆、热中子堆按冷却剂分轻水堆(压水堆,沸水堆)、重水堆、气冷堆、钠冷堆按用途分研究试验堆:研究中子特性、生产堆: 生产易裂变材料、动力堆:发电舰船推进动力2.各种反应堆的基本特征:3.压水堆优缺点：4.沸水堆与压水堆相比有两个优点：第一是省掉了一个回路，因而不再需要昂贵的蒸汽发生器。
第二是工作压力可以降低。
为了获得与压水堆同样的蒸汽温度，沸水堆只需加压到约72个大气压，比压水堆低了一倍。
5.沸水堆的优缺点：6.重水堆优缺点：优点：●中子利用率高（主要由于D吸收中子截面远低于H）●废料中含235U极低，废料易处理●可将238U 转换成易裂变材料238U + n →239Pu239Pu + n →A+B+n+Q(占能量一半)缺点：●重水初装量大，价格昂贵●燃耗线（8000～10000兆瓦日／T（铀）为压水堆1/3）●为减少一回路泄漏（因补D2O昂贵）对一回路设备要求高7.高温气冷堆的优缺点：优点：●高温，高效率（750～850℃，热效率40％）●高转换比，高热耗值（由于堆芯中没有金属结构材料只有核燃料和石墨，而石墨吸收中子截面小。
转换比0.85，燃耗10万兆瓦日/T（铀））●安全性高（反应堆负温度系数大，堆芯热容量大，温度上升缓慢，采取安全措施裕量大）●环境污染小（采用氦气作冷却剂，一回路放射性剂量较低，由于热孝率高排出废热少）●有综合利用的广阔前景（如果进一步提高氦气温度～900℃时可直接推动气轮机；～1000℃时可直接推动气轮机热热效率大于50％；～1000－1200℃时可直接用于炼铁、化工及煤的气化）●高温氦气技术可为将来发展气冷堆和聚变堆创造条件8.钠冷快堆的优缺点：优点：●充分利用铀资源239Pu + n →A+B＋2.6个n238U + 1.6个n →1.6个239Pu （消耗一个中子使1.6个238U 转换成239Pu ）●堆芯无慢化材料、结构材料，冷却剂用量少●液态金属钠沸点为895℃堆出口温度可高于560 ℃缺点：●快中子裂变截面小，需用高浓铀（达～33％）●对冷却剂要求苛刻，既要传热好又不能慢化中子，Na是首选材料，Na是活泼金属，遇水会发生剧烈化学反应，因此需要加隔水回路9.各种堆型的特点、典型运行参数第二章堆芯材料选择和热物性（简答）1.固体核燃料的5点性能要求：教材14页2.常见的核燃料：金属铀和铀合金、陶瓷燃料、弥散体燃料3.选择包壳材料，必须综合考虑的7个因素：包壳材料选择•中子吸收截面要小•热导率要大•材料相容性要好•抗腐蚀性能 •材料加工性能 •材料机械性能 •材料抗辐照性能只有很少材料适合制作燃料包壳，铝、镁、锆、不锈钢、镍基合金、石墨。
“核反应堆热工分析”课程教学大纲
“核反应堆热工分析”课程教学大纲“核反应堆热工分析”课程教学大纲英文名称：Nuclear Reactors Thermal-Hydraulics课程编号：NUCL0008学时：68（含课内实验4学时）学分：4适用对象：核工程与核技术四年级先修课程：传热学，流体力学，工程热力学使用教材及参考书：教材：1、于平安等，核反应堆热工分析，上海交通大学出版社，2002.2，ISBN7-313-02868-7参考书：1、连培生，原子能工业，原子能出版社，2002.5，ISBN7-5022-2453-X2、[美]汤良孙，J.韦斯曼，压水反应堆热工分析，原子能出版社，1983.3一、课程性质、目的和任务性质：《核反应堆热工分析》是核工程与核技术专业本科生和核能科学与工程学科硕士生和博士生的专业基础课。
目的：通过本课程的学习，学生应能获得有关核反应堆热工分析的基础知识，并为以后进行科学研究和工程实践打下一定的理论基础。
任务：重点讲述核反应堆热工水力分析的基本理论和一些分析、计算方法。
在内容的选择和安排上，力求体系完整、由浅入深、循序渐进。
二、教学基本要求1.了解各种核反应堆的发展的基本概况及其结构；2.掌握各种核反应堆的所有材料的基本热物理性质；3.掌握核反应堆热工分析中用到的堆芯释热、传热、流体力学等方面的基本知识和计算原理；4.掌握核反应堆稳态热工设计原理，清楚单通道模型和子通道模型热工设计的大致步骤和计算方法；5.了解核反应堆瞬态热工水力分析中的基本模型和方程，了解核反应堆瞬态热工水力分析的基本方法和典型的核反应堆系统的事故及其分析。
三、教学内容及要求第一章：绪论1.核反应堆发展概况2.核反应堆堆型简介3.核反应堆热工分析的任务第二章：堆的热源及其分布1.核裂变产生的能量及其分布2.堆芯功率的分布及其影响因素3.控制棒、慢化剂和结构材料中热量的产生和分布4.停堆后的功率第三章：堆的传热过程1．导热2．单相对流换热3．流动沸腾传热4．燃料元件的型式、结构及设计要求5．燃料元件材料的热物性6．燃料元件的温度分布7．包壳与芯块间的间隙传热及其随燃耗的变化8．燃料元件温度场的数值解法9．固体慢化剂和结构部件的冷却第四章：堆内流体的流动过程及水力分析1．单相流体的流动压降2．两相流体的流动压降3．自然循环4．冷却剂的喷放5．流动不稳定性第五章：堆芯稳态热工分析1．热工设计准则2．堆芯冷却剂流量分配3．热管因子和热点因子4．典型的临界热流密度关系式5．单通道模型的堆芯稳态热工分析6．子通道模型的堆芯稳态热工分析第六章：堆芯瞬态热工分析1．燃料元件瞬态过程温度场分析2．守恒方程3．反应堆的安全问题4．负荷丧失瞬态5．失流事故6．压水堆冷却剂丧失事故四、实践环节1．通道内单相水流动换热系数测定，2学时2.通道内单相水摩擦系数测定，2学时五、学时分配章内容参考学时1绪论4 2堆的热源及其分布8 3堆的传热过程12 4堆内流体的流动过程及水力分析165堆芯稳态热工分析12 6堆芯瞬态热工分析12实践环节4大纲制定者：秋穗正（执笔）大纲校对者：苏光辉大纲审定者：×××大纲批准者：×××。
核反应堆设计中的热工水力学研究
核反应堆设计中的热工水力学研究在当今能源需求不断增长和环境保护日益重要的背景下，核反应堆作为一种高效、清洁的能源来源，受到了广泛的关注和研究。
而在核反应堆的设计中，热工水力学是一个至关重要的领域，它对于确保反应堆的安全、稳定和高效运行起着关键作用。
热工水力学主要研究核反应堆内的热量传递、流体流动以及与之相关的物理现象和过程。
简单来说，就是要弄清楚反应堆内部的热能如何产生、如何传递，以及冷却剂（通常是水）如何流动来带走这些热量。
在核反应堆中，燃料芯块会通过核裂变反应产生大量的热能。
如果这些热能不能及时有效地被带走，就会导致燃料温度过高，甚至可能引发堆芯熔毁等严重事故。
因此，设计合理的冷却系统，保证热量的快速、均匀传递，是核反应堆设计的首要任务之一。
冷却剂的流动特性是热工水力学研究的一个重要方面。
冷却剂在反应堆内的流动速度、压力分布、流动阻力等都会影响热量传递的效率。
为了优化冷却剂的流动，研究人员需要通过理论分析、实验研究和数值模拟等手段，深入了解流动规律，并据此设计合适的流道结构和管道布局。
传热过程也是热工水力学的核心研究内容之一。
在核反应堆中，热量主要通过热传导、热对流和热辐射三种方式传递。
其中，热传导是指热量在燃料芯块内部的传递；热对流则是指冷却剂通过流动带走燃料表面的热量；热辐射在高温下也会有一定的作用，但相对较小。
研究人员需要准确地计算和预测各种传热方式的贡献，以评估反应堆的热性能。
在核反应堆的设计中，热工水力学的研究还需要考虑许多复杂的因素。
例如，燃料元件的几何形状和排列方式会影响热量的产生和传递；反应堆的功率水平不同，热工水力学特性也会有所差异；运行工况的变化，如功率的升降、冷却剂流量的改变等，也会对反应堆的热工性能产生影响。
为了研究这些问题，科学家们采用了多种方法。
实验研究是其中的重要手段之一。
通过在实验装置中模拟核反应堆的运行条件，可以直接测量各种参数，获取真实的数据。
然而，实验研究往往受到成本高、周期长、条件受限等因素的制约。
核反应堆热工分析 重点
英文名称： Nuclear Reactor Thermal hydraulic Analysis学时： 72 学分：适用对象：核工程专业先修课程：流体力学、传热学、工程热力学和反应堆物理一、课程性质、目的及任务核反应堆热工分析是一门工程性较强的课程，它着重讲述了反应堆热工的基础理论和一些分析、计算方法。
本课程是核能科学与工程专业方向的一门专业主干课程。
开设该课程的目的在于培养学生能够掌握反应堆领域热工水力学的基本分析方法，运用先修课程流体力学、传热学、工程热力学和反应堆物理中学到的基本概念、基本公式和基本结论，以压水堆堆芯为主要分析对象，达到既了解反应堆稳态工况下的工作情况以及在瞬态工况下的变化特点，又能训练和培养独立分析问题的技能和能力。
通过该课程的学习为学生在毕业后从事核反应堆安全分析和设计运行等工作打下坚实的理论基础并提供有益的工程借鉴。
二、教学基本要求1．掌握反应堆内能量相互转换的基本规律，以解决工程实际中有关反应堆内能量传递的分析计算；2．掌握堆芯传热中的流动沸腾传热过程、现象和机理；3．掌握堆内流体的流动过程中的流型、流动压降及流动不稳定性；4．掌握堆芯稳态热工分析中的设计准则和单通道模型的分析方法；5．掌握堆芯瞬态热工分析中的瞬态分析数学模型和反应堆典型事故分析如失流事故和冷却剂丧失事故等；三、教学内容及要求第一章绪论1. 内容:简单介绍国内外反应堆发展情况及几种常见堆型的简介；本学科研究对象，主要内容和方法。
2. 要求：使学生掌握本学科的研究概况；了解国内外核能利用的概况，核能开发与我国能源可持续利用、经济可持续发展的关系；正确认识、理解本课程与专业的关系。
第二章堆的热源及其分布第一节核裂变产生的能力及其分布1. 内容：堆内热源的产生；2. 要求：堆芯内热源：（裂变碎片动能，裂变中子的动能），包括：燃料元件内释热，反应堆结构部件（燃料包壳，定位格架，控制棒导管）的释热，控制棒内的释热，慢化剂内的释热；第二节堆芯功率分布及其影响1. 内容：堆芯功率分布及影响因素；2. 要求：堆芯功率分布，燃料布置、控制棒、水隙及空泡对功率分布的影响，燃料元件内的功率分布；第三节控制棒、慢化剂和结构材料中热量的产生和分布1. 内容：其他热源及其分布2. 要求：控制棒、慢化剂及结构材料的热源及其分布第四节停堆后的功率1. 内容：停堆后的功率2. 要求：剩余裂变功率，衰变功率，裂变产物的衰变，中子俘获产物的衰变第三章堆的传热过程第一节导热1. 内容：燃料元件及冷却剂通道的轴向温度分布2. 要求：热传导微分方程，芯块和包壳的温度场第二节单相对流1. 内容：单相对流传热2. 要求：强迫对流传热系数，自然对流传热系数第三节流动沸腾传热1. 内容：流动沸腾传热2. 要求：沸腾曲线、核态沸腾的传热系数，沸腾临界，过渡沸腾的传热系数，膜态沸腾的传热系数第四节燃料元件的型式、结构及设计要求1. 内容：燃料元件的型式、结构及设计要求2. 要求：燃料元件的型式及其冷却方式、热工设计要求第五节燃料元件材料的热物性1. 内容：燃料元件的热物性2. 要求：核燃料、包壳材料热物性，辐照对燃料元件的影响第六节燃料元件的温度分布1. 内容：燃料元件的温度分布2. 要求：棒状燃料元件轴向冷却剂、包壳内外表面、燃料芯块外表面及燃料芯块中心温度计算，积分热导率。
核反应堆热工分析
影 响 功 率 分 布 的 因 素
燃料布置 控制棒 水隙及空泡
控制棒对轴向功率分布的影响
2
堆芯功率的分布及其影响因素
停堆棒通常在堆芯的外面，只有 在需要停堆的时候才迅速插入堆 芯
停堆棒
影 响 功 率 分 布 的 因 素 燃料布置 控制棒 水隙及空泡
分 类
调节棒
调节棒是用于反应堆正常运行时 功率的调节
2
堆芯功率的分布及其影响因素
燃料元件数很多的非均匀圆柱形堆芯的通量分布总趋势与均匀堆 的是一样的 非均匀堆中的燃料元件自屏效应，使得元件内的中子通量和它周 围慢化剂内的中子通量分布会有较大差异
2
堆芯功率的分布及其影响因素
非均匀堆栅阵
用具有等效截面的圆来代替原来的正方形栅元 假设热中子仅在整个慢化剂内均匀产生
2.19 103 c(1 ) exp(3.14 106 )
若是低富集度铀作为燃料的压水堆，可取c=0.6,a=0.2 上式忽略了其他俘获产物对衰变功率的贡献，通常间计算结果再乘以 系数1.1
第三章
研究目的：
堆的传热过程
在保证反应堆安全的前提下，尽可能地提高堆芯单位 体积的热功率、冷却剂的温度等，以提高核动力的经 济性
裂变率
热功率
热功率
计入位于堆 芯之外的反 射层、热屏 蔽等的释热 量
单位时间， 单位体积燃 料内，发生 的裂变次数
整个堆芯的 热功率
R f N f
正比
Nc 1.60211010 Fa E f N f Vc
Nt N c / Fa (qvVc )106 / Fa 106 E f N f Vc
与冷却剂之间直接接触时的热交换 换热过程所传递的热量可用牛顿冷却 定律来求得，即： Q hF f
第4章 核反应堆热工学
对于均匀裸堆来说，功率分布只取决于中子 通量分布。
影响堆芯功率分布的主要因素
①燃料装载的影响
在早期的压水堆中，大多采用燃料富集度均 一的燃料装载方式。这种装料的优点是装卸料比 较方便，但对于大型核反应堆，这种方法有一个 很大的缺点：堆芯中央区会出现很高的功率峰值， 使堆芯内释热率不均匀性很大，限制了反应堆功 率输出。
⑤燃料元件自屏蔽效应的影响
均匀反应堆只是一种理论假设，由于反应堆 热工、水力、机械、物理等方面的原因，目前动 力堆几乎都是非均匀的。
4.1.3 结构部件和慢化剂的释热
反应堆的结构材料总体上可由两部分组成： 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。
（1）结构部件的释热
①堆芯结构部件的释热，基本上都是由于吸收堆内的
④结构材料、水隙和空泡的影响
反应堆的附加材料会吸收中子，它们会引起 中子通量局部降低。
在热中子堆内，水是慢化剂，因此在有水隙 的地方相应的中子通量比其他地方高。这些水隙 会引起局部热中子峰值。
在反应堆堆芯内最热通道或出口产生气泡会 使中子通量产生畸变。这是由于气泡慢化中子的 能力比水差得多，因此，有气泡的地方热中子通 量就要降低，气泡多时，这一影响比较显著。
所以，在反应堆停堆以后，还必须继续对堆 芯进行冷却，以便带走这些热量。一般来说，反 应堆都设有专门的余热排出系统，以便对停堆后 的堆芯进行冷却。反应堆停堆后释出功率的大小 对事故工况下反应堆的安全影响极大。
（1）反应堆停堆后的功率主要组成
①剩余裂变功率
在反应堆刚停堆时，堆内的缓发中子在短时 间内还会引起裂变。裂变时瞬间放出的功率大小 与堆芯内的中子密度成正比。
各参变量的含义 ：
②实际上，引起堆内裂变反应的中子并不是单能的，通 常都有一定的能量分布，而且裂变截面和中子通量都是中子 能量的函数。在这种情况下，堆内某点r处燃料的体积释热率， 可写成下列积分的形式：
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
轻水作慢化剂的堆芯中，水隙的存在引起附加慢化作 用，使该处的中子通量上升，提高水隙周围元件的功 率，增大了功率分布的不均匀程度
影
响
燃料布置
功
率
分
控制棒
布
的
因 水隙及空泡
素
克服办法：采用棒束型控制棒组件
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
轻水作慢化剂的堆芯中，水隙的存在引起附加慢化作 用，使该处的中子通量上升，提高水隙周围元件的功 率，增大了功率分布的不均匀程度
整个堆芯的 热功率
计入位于堆 芯之外的反 射层、热屏 蔽等的释热 量
R f N f 正比 Nc 1.60211010 Fa Ef N f Vc
qv Fa E f N f
Nt Nc / Fa (qvVc )106 / Fa
106 E f N f Vc
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
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1 核裂变产生能量及其分布
裂变碎片的动能 约占总能量的 84%
裂变能的绝大部 分在燃料元件内 转换为热能，少 量在慢化剂内释 放，通常取 97.4% 在 燃 料 元 件内转换为热能
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1 核裂变产生能量及其分布
不同核素所释放出来的裂变能量是有差异的，一般认为取
Ef 200MeV
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
非均匀堆栅阵
用具有等效截面的圆来代替原来的正方形栅元 假设热中子仅在整个慢化剂内均匀产生
运用扩散理论，燃料元件内热中子通量分布的表达式：
AI0 (K0r)
若燃料棒表面处的热中子通量为 ，则在 s s，则：
sLeabharlann I0 (K0r) I0 (K0 R0 )
堆内热源及其分布还与时间有关，新装料、平衡运行和停堆后都不相同
输出燃料元件内产生的热量的热工水力问题就成为反应堆设计的关键
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
裂变率
释热率
热功率
热功率
单位时间， 单位体积燃 料内，发生 的裂变次数
堆内热源的分
布函数和中子
通量单的位分体布积函的 数释相热同率
布
的
因 水隙及空泡
素
控制棒对轴向功率分布的影响
核科学与技术学院
2 堆芯功率的分布及其影响因素
影
响
燃料布置
功
率
分
分
控制棒
布
类
的
因 水隙及空泡
素
停堆棒通常在堆芯的外面，只有
停堆棒 在需要停堆的时候才迅速插入堆 芯
调节棒
调节棒是用于反应堆正常运行时 功率的调节
补偿棒
补偿棒是用于抵消寿期初大量的 剩余反应性的
处， r R0
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
燃料元件的自屏因子F为：
F s e
影
响
燃料布置
功
克服办法：采用棒束型控制棒组件
率
分 布
控制棒
空泡的存在将导致堆芯反应性下降
的
因 水隙及空泡 素
沸水堆控制棒由堆底部向上插入堆芯的原因
能减轻某些事故的严重性的原因
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
燃料元件数很多的非均匀圆柱形堆芯的通量分布总趋势与均匀堆的 是一样的
非均匀堆中的燃料元件自屏效应，使得元件内的中子通量和它周围 慢化剂内的中子通量分布会有较大差异
堆芯功率的分布
简化一：
富集度相同 的燃料均匀 分布在整个 活性区内
均匀裸堆
进行理论分析时极其有用
简化二：
活性区外面 没有反射层
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
目前绝大部分的堆都采用圆柱形堆芯，圆柱形堆芯的均匀裸堆，热中子 通量分布在高度方向上为余弦分布，半径方向上为零阶贝塞尔函数分布：
括
力
分
析
稳态 稳态分析主要用于反应堆热工设 分析 计，结果是瞬态分析的初始条件
瞬态 瞬态分析主要用于反应堆瞬态过 分析 程和事故分析以及安全审查
分析方法：反应堆热工水力计算分析与实验的密切配合
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研究对象： 压水堆
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第二章 堆的热源及其分布
1 核裂变产生的能量及其分布 2 堆芯功率的分布及其影响因素 3 控制棒、慢化剂和结构材料中热量的产生和分布 4 停堆后的功率分布
(r,
z)
0
J0
(2.405
r Re
)
cos
z
LRe
外推半径：Re R R R 0.71tr 外推高度： LRe LR 2LR LR 1.42tr
堆芯的释热率分布
qv
(r,
z)
qv,max
J0
(2.405
r Re
)
cos
z
LRe
堆芯最大体积释热率
qv,max Fa E f N f 0
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
均匀裸堆中的中子通量分布
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
均匀装载燃料方案：
早期的压水堆采用此方案
优点：装卸料方便
缺点：功率分布过于不平均，平均燃耗低
影
响
燃料布置
功
分区装载燃料方案：
率
分
控制棒
布
目前的核电厂普遍采用的方案
的
布置特点：沿堆芯径向分区装载不同富集
因 水隙及空泡 素
度的燃料，高富集度的装在最外区，低富 集度的在中心。
优点：堆芯功率分布得到展平，提高平均
燃耗
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
三区分批装料时的归一化功率分布图：
影
响
燃料布置
功
率
分
控制棒
布
的
因 水隙及空泡
素
通常I区的燃料富集度是最低的，III区的燃料富集度最高
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
控制棒一般均匀布置在高中子通量的区域，既提高 控制棒的效率，又有利于径向中子通量的展平
影
响
燃料布置
功
率
分
控制棒
布
的
因 水隙及空泡
素
控制棒对径向功率分布的影响
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2 堆芯功率的分布及其影响因素
控制棒对反应堆的轴向功率分布也有很大的影响
影
响
燃料布置
功
率
分
控制棒
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核反应堆热工分析
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1 第一章：核反应堆热工分析的任务
安全：
稳定运行，能 适应瞬态稳态 变化，且保证 在一般事故工 况下堆芯不会 破坏，最严重 事故工况下也 要保证堆芯放 射性不泄漏
要求
经济：
降低造价， 减少燃料装 载量，提高 冷却剂温度 以及电厂热 力循环效率
可靠性： 其他特殊要求T：ext
比如一体化堆芯对结构紧凑的要求等
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1
冷却剂的流动和传热特性
B
分析燃料元件 内的温度分布
A
内容
预测在各种运
C 行工况下反应
堆的热力参数
E
事故工况下压力、温 度、流量等热力参数 随时间的变化过程
D
各种瞬态工况下压力、 温度、流量等热力参数 随时间的变化过程
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反
应
堆
热包
工 水