第6章 核反应堆热工水力设计 核工程概论课件
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出口温度值的选取应考虑的因素有： a.燃料包壳材料要受抗高温腐蚀性能的限 制； b.元件壁面与冷却剂间要有足够大的膜温 压； c.堆芯冷却剂出口温度还受到堆芯径向功 率分 布不均匀性的限制。
③反应堆进口冷却剂温度
反应堆出口冷却剂温度一经确定之后，由载热方 程可知：对于已知的反应堆热功率Nt来说，冷却剂的 进口温度与流量之间有单值关系。入口温度取值愈高， 堆内温升愈低，平均温度就愈高，从而得到的循环效 率及电站效率也较高。而另一方面，降低温升意味着 在输出同样功率的条件下需要提高冷却剂的流量，这 就增加了主循环泵的唧送功率。
对压水堆，如果将冷却剂的工作压力提高， 饱和温度却只提高很小。且大幅度的提高压力， 对反应堆及其辅助系统有关设备的设计与制造都 将带来许多困难和经济损失，而电站效率方面的 收益却并不太大。
②反应堆出口冷却剂温度
电站的热效率与冷却剂的平均温度密切相 关。只有反应堆出口冷却剂的温度高，才能得 到较高的冷却剂平均温度，从而使电站的热效 率提高。
6.1.7 反应堆热工设计准则 （1）概述
①什么是反应堆热工设计准则？ ②设计准则的目的：
（2）一般准则内容
①在正常工况和允许的超功率工况下，燃料 元件外表面不允许产生沸腾临界；
②燃料元件芯块内最高温度应低于相应燃耗 下燃料的熔化温度；
③在稳态运行和预期的动态运行过程中，堆 芯内不允许发生流动不稳定性；
第6章 核反应堆热工水力设计
6.1 概述 6.1.1 热工水力设计基本内容
（1）核反应堆设计要达到的目标： 安全、可靠、经济地产生核裂变
热能有效地输出。
（2）反应堆设计涉及的范围包括： （3）反应堆热工水力设计的主要任务：
得到足够的冷却——保证反应堆安全； 确定堆芯燃料元件的参数。
6.1.2反应堆设计的两个重要指标
（1）提出反应堆的总热功率；根据什么？ 1.swf
（2）确定主要热工参数；要考虑什么？ （3）确定堆芯水铀比、堆芯结构、燃料元件
尺寸和栅格布置等；要考虑什么？ （4）确定冷却剂流程和流量分配方案。根据
什么？
6.1.4 对反应堆设计的限制
（1）不同用途——具体要求——各参数的选取原则 船用堆——要求质量小、体积小； 电站堆——对经济性要求较高
温度梯度对包壳造成过高的应力。 这些条件限制： ①燃料元件的表面热流密度 ②线功率密度 ③体积释热率
6.1.5 各专业对参数限制的矛盾
（1）从热工的角度出发——对燃料元件棒的 粗细要求？为什么？
（2）为了提高经济性——对燃料元件的形状 要求？
（3）为了保证冷却剂在堆内有足够的流速— —对燃料棒的间距要求？为什么？
（2）反应堆的安全性和经济性有时会产生矛盾 燃料表面的热流密度低、堆芯的出口温度低
一些——产生较大的安全裕量——热效率下降、 经济性降低。 （3）反应堆设计的总目标
对堆芯功率密度、燃料比功率、冷却剂出口 温度，有怎样的要求？为什么？
6.1.4 对反应堆设计的限制
（4）具体限制 对堆芯热工性能主要的限制包括： ①避免发生明显的燃料中心熔化； ②使热流密度低于允许的最大值； ③限制由于裂变气体释放、燃料肿胀和
④保证在正常运行工况下，燃料元件和堆内 构件能得到充分冷却；并保证在允许的事故工况 下，有足够的冷却剂冷却堆芯。
（3）压水堆的热工设计准则： ①气冷堆的热工设计准则 燃料元件表面最高温度、中心最高温
度，以及燃料元件和结构部件的最大热应 力不超过允许值。
②水冷生产堆的热工设计准则 把燃料元件包壳与水发生加速腐蚀时 的包壳表面温度作为其设计限值之一。
在堆热工水力设计中，一般把某一热工参数的最 大值偏离平均值的程度称为热管因子或热点因子。 如果这个因子已知，就可得到某一热工参数的最 大值。
2.1 热管和热点的概念
在反应堆内，即使燃料元件的形状、尺寸，及燃料的 密度和裂变物质浓缩度都相同，堆芯内中子通量的分 布也还是不均匀的；再加上堆芯内存在控制棒、水隙、 空泡以及堆芯周围存在反射层，就更加重了堆芯内中 子通量整体分布和局部分布的不均匀性。
6.1.6 热工水力实验的内容
反应堆热工水力设计的一些关键参数还是要 以实验为依据。反应堆热工水力设计中需要进行 的热工水力实验的大致内容有： （1）临界热流密度实验；实验目的？ （2）测定设计所采用的燃料芯块和包壳的热物性， 及芯块和包壳的间隙传热系数； （3）堆本体水力模拟实验；实验目的？ （4）燃料组件水力模拟实验。实验目的？
（1）安全性：
所确定的参数大多数是一些很重要的 限量，如燃料表面热流密度、反应堆冷却 剂流量和燃料温度等。准确地计算这些量， 就会保证设计出的反应堆运行安全。
（2）经济性：
经济性的指标要通过反应堆各方面的 设计共同来完成，其中反应堆热工设计起 到很重要的作用。
6.1.3 相关专业共同商定的内容
由于反应堆热工水力设计与其他几个专 业关系密切，共同商定以下内容：
为什么？
6.1.8 堆芯热工水力设计参数的选择
（1）堆芯热工设计的重要内容？
（2）压水堆的哪些参数直接影响到堆的安全 性和核电站的经济性？
①冷却剂的运行压力
根据水的热力学性质得知，欲提高压水堆出 口的冷却剂工作温度，从而获得满意的电站效率， 必须提高冷却剂的运行压力。然而，这方面的潜 力是有限的。
冷却剂最佳流量的选择，应使得主循环泵的唧送 功率较小，净电功率输出较大，并使反应堆及其主回 路系统与设备具有适中的尺寸和容量。在反应堆热工 水力设计中，对于已给定的反应堆功率，目前有两种 匹配方案。
6.2 热管和热点的概念
在反应堆设计时，一般首先知道的参数是反应堆 的热功率、燃料表面的总传热面积和冷却剂的流 量等。根据这些参数比较容易确定堆芯的平均热 工参数。但是反应堆内最大总功率的输出不是受 这些平均热工参数的限制，而是受某局部的最高 热工参数限制。
热工计算时，可根据已确定的冷却剂总流量，再 由载热方程算出入口温度。其中总流通面积A视冷却 剂的总流量Mt和流速W的大小而定。
④堆芯冷却剂流量
堆芯冷却剂流量的确定对于核电站的经济性和安 全性影响较大。冷却剂的流量越大，主泵的唧送功率 也会相应的增加。反之，在其他条件相同的情况下， 如果减小流量，则进口温度降低，堆内温升加大，平 均温度下降，从而导致电站效率降低。
在早期的反应堆设计中，把堆芯内各冷却剂通道看成 是独立的。当不考虑在堆芯进口处冷却剂流量分配不 均匀性，以及不考虑燃料元件的尺寸、性能等，单从 核方面来看，在堆芯内各并行的通道中就存在着某一 积分功率输出最大的冷却剂通道（热管）；同时，堆 芯内还存在着某一燃料元件表面热流密度最大的点 （热点）。
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③反应堆进口冷却剂温度
反应堆出口冷却剂温度一经确定之后，由载热方 程可知：对于已知的反应堆热功率Nt来说，冷却剂的 进口温度与流量之间有单值关系。入口温度取值愈高， 堆内温升愈低，平均温度就愈高，从而得到的循环效 率及电站效率也较高。而另一方面，降低温升意味着 在输出同样功率的条件下需要提高冷却剂的流量，这 就增加了主循环泵的唧送功率。
对压水堆，如果将冷却剂的工作压力提高， 饱和温度却只提高很小。且大幅度的提高压力， 对反应堆及其辅助系统有关设备的设计与制造都 将带来许多困难和经济损失，而电站效率方面的 收益却并不太大。
②反应堆出口冷却剂温度
电站的热效率与冷却剂的平均温度密切相 关。只有反应堆出口冷却剂的温度高，才能得 到较高的冷却剂平均温度，从而使电站的热效 率提高。
6.1.7 反应堆热工设计准则 （1）概述
①什么是反应堆热工设计准则？ ②设计准则的目的：
（2）一般准则内容
①在正常工况和允许的超功率工况下，燃料 元件外表面不允许产生沸腾临界；
②燃料元件芯块内最高温度应低于相应燃耗 下燃料的熔化温度；
③在稳态运行和预期的动态运行过程中，堆 芯内不允许发生流动不稳定性；
第6章 核反应堆热工水力设计
6.1 概述 6.1.1 热工水力设计基本内容
（1）核反应堆设计要达到的目标： 安全、可靠、经济地产生核裂变
热能有效地输出。
（2）反应堆设计涉及的范围包括： （3）反应堆热工水力设计的主要任务：
得到足够的冷却——保证反应堆安全； 确定堆芯燃料元件的参数。
6.1.2反应堆设计的两个重要指标
（1）提出反应堆的总热功率；根据什么？ 1.swf
（2）确定主要热工参数；要考虑什么？ （3）确定堆芯水铀比、堆芯结构、燃料元件
尺寸和栅格布置等；要考虑什么？ （4）确定冷却剂流程和流量分配方案。根据
什么？
6.1.4 对反应堆设计的限制
（1）不同用途——具体要求——各参数的选取原则 船用堆——要求质量小、体积小； 电站堆——对经济性要求较高
温度梯度对包壳造成过高的应力。 这些条件限制： ①燃料元件的表面热流密度 ②线功率密度 ③体积释热率
6.1.5 各专业对参数限制的矛盾
（1）从热工的角度出发——对燃料元件棒的 粗细要求？为什么？
（2）为了提高经济性——对燃料元件的形状 要求？
（3）为了保证冷却剂在堆内有足够的流速— —对燃料棒的间距要求？为什么？
（2）反应堆的安全性和经济性有时会产生矛盾 燃料表面的热流密度低、堆芯的出口温度低
一些——产生较大的安全裕量——热效率下降、 经济性降低。 （3）反应堆设计的总目标
对堆芯功率密度、燃料比功率、冷却剂出口 温度，有怎样的要求？为什么？
6.1.4 对反应堆设计的限制
（4）具体限制 对堆芯热工性能主要的限制包括： ①避免发生明显的燃料中心熔化； ②使热流密度低于允许的最大值； ③限制由于裂变气体释放、燃料肿胀和
④保证在正常运行工况下，燃料元件和堆内 构件能得到充分冷却；并保证在允许的事故工况 下，有足够的冷却剂冷却堆芯。
（3）压水堆的热工设计准则： ①气冷堆的热工设计准则 燃料元件表面最高温度、中心最高温
度，以及燃料元件和结构部件的最大热应 力不超过允许值。
②水冷生产堆的热工设计准则 把燃料元件包壳与水发生加速腐蚀时 的包壳表面温度作为其设计限值之一。
在堆热工水力设计中，一般把某一热工参数的最 大值偏离平均值的程度称为热管因子或热点因子。 如果这个因子已知，就可得到某一热工参数的最 大值。
2.1 热管和热点的概念
在反应堆内，即使燃料元件的形状、尺寸，及燃料的 密度和裂变物质浓缩度都相同，堆芯内中子通量的分 布也还是不均匀的；再加上堆芯内存在控制棒、水隙、 空泡以及堆芯周围存在反射层，就更加重了堆芯内中 子通量整体分布和局部分布的不均匀性。
6.1.6 热工水力实验的内容
反应堆热工水力设计的一些关键参数还是要 以实验为依据。反应堆热工水力设计中需要进行 的热工水力实验的大致内容有： （1）临界热流密度实验；实验目的？ （2）测定设计所采用的燃料芯块和包壳的热物性， 及芯块和包壳的间隙传热系数； （3）堆本体水力模拟实验；实验目的？ （4）燃料组件水力模拟实验。实验目的？
（1）安全性：
所确定的参数大多数是一些很重要的 限量，如燃料表面热流密度、反应堆冷却 剂流量和燃料温度等。准确地计算这些量， 就会保证设计出的反应堆运行安全。
（2）经济性：
经济性的指标要通过反应堆各方面的 设计共同来完成，其中反应堆热工设计起 到很重要的作用。
6.1.3 相关专业共同商定的内容
由于反应堆热工水力设计与其他几个专 业关系密切，共同商定以下内容：
为什么？
6.1.8 堆芯热工水力设计参数的选择
（1）堆芯热工设计的重要内容？
（2）压水堆的哪些参数直接影响到堆的安全 性和核电站的经济性？
①冷却剂的运行压力
根据水的热力学性质得知，欲提高压水堆出 口的冷却剂工作温度，从而获得满意的电站效率， 必须提高冷却剂的运行压力。然而，这方面的潜 力是有限的。
冷却剂最佳流量的选择，应使得主循环泵的唧送 功率较小，净电功率输出较大，并使反应堆及其主回 路系统与设备具有适中的尺寸和容量。在反应堆热工 水力设计中，对于已给定的反应堆功率，目前有两种 匹配方案。
6.2 热管和热点的概念
在反应堆设计时，一般首先知道的参数是反应堆 的热功率、燃料表面的总传热面积和冷却剂的流 量等。根据这些参数比较容易确定堆芯的平均热 工参数。但是反应堆内最大总功率的输出不是受 这些平均热工参数的限制，而是受某局部的最高 热工参数限制。
热工计算时，可根据已确定的冷却剂总流量，再 由载热方程算出入口温度。其中总流通面积A视冷却 剂的总流量Mt和流速W的大小而定。
④堆芯冷却剂流量
堆芯冷却剂流量的确定对于核电站的经济性和安 全性影响较大。冷却剂的流量越大，主泵的唧送功率 也会相应的增加。反之，在其他条件相同的情况下， 如果减小流量，则进口温度降低，堆内温升加大，平 均温度下降，从而导致电站效率降低。
在早期的反应堆设计中，把堆芯内各冷却剂通道看成 是独立的。当不考虑在堆芯进口处冷却剂流量分配不 均匀性，以及不考虑燃料元件的尺寸、性能等，单从 核方面来看，在堆芯内各并行的通道中就存在着某一 积分功率输出最大的冷却剂通道（热管）；同时，堆 芯内还存在着某一燃料元件表面热流密度最大的点 （热点）。
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