压水堆核电站基础：第三章 热工水力学基础知识

系统与设备（3）
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235U每次裂变释放的能量(单位：MeV）
能量来源 裂变碎片动能 裂变中子动能 瞬发γ射线
能量 射程 168（84） 极短 5（2.5） 中 7（3.5） 长
裂变产物的β射线 7（3.5） 短
裂变产物的γ射线
6（3） 长
非裂变反应（n，γ） 7（3.5） 放出的β、γ射线
总计 系统与设备（3）
包壳间隙处放热系数。
为了获得最大的允许线功率密度和最小的堆芯尺寸，
系统与设备（必3） 须使λf 、 λc 、α和αG达到最大值。
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热辐射
一个表面积S的物体在单位时间内辐射的热量是：
E = εσ 0ST 4
S为物体的辐射表面积，m2；σ0 为黑体辐射常 数，ε 为物体的黑度，T为表面的绝对温度，K
为了提高整个电厂的循环效率，需要提高二回路蒸 汽的温度和压力，从而必须提高一回路冷却剂的温 度，因而必须提高一回路压力。大亚湾核电站的一 回路冷却剂压力为15.5MPa。波动范围为0.2MPa。
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燃料元件内的传热与冷却
燃料元件内部的热量传给包壳外边的冷却剂 流体是一个复杂的传热过程，包括：
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从包壳表面到冷却剂的放热过程
从燃料元件包壳表面到冷却剂的放热过程可以用 牛顿冷却定律描述 q = α (Ts − Tf )(千焦 / 米2 ⋅小时)
q表示单位时间单位传热表面积上的传热量 （千焦/米2 •小时），称为热负荷；
Ts为包壳壁面温度，Tf为冷却剂主体温度； α为对流传热系数。 对流传热系数与流体性质、平均速度、流动状态 和是否沸腾等因素有关，一般由实验确定。
200
有长 有短
释放能量的位置 几乎全在燃料内 大部分在慢化剂中 堆芯、反射层、热
屏蔽层 燃料、慢化剂和冷
却剂 堆芯、反射层、热
屏蔽层 堆内各处
4
热源的特点
裂变能的绝大部分（90％）是在燃料元件内转换 成热能的。约5％的总裂变能是在慢化剂中转换成 热能的。余下不到5％的总裂变能是在反射层、热 屏蔽等部件中转换成热能的。在大型反应堆中，一 般取燃料元件的释热量占堆总释放量的97.4%。
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Dittus-Boelter关系式
对流传热系数由实验确定，在反应堆分析中最常用的 公式是Dittus-Boelter关系式：
Nu = 0.023 Pr0.4 Re0.8
Nu为努谢尔数，Re雷诺数，Pr普朗特数。 Nu＝αd/λ，d流道当量直径， λ 为流体导热系
数；d＝4S/Z，S为流动面积，Z为流动的湿周 Re＝vd/µ， µ为流体的动粘系数，v是平均流速 Pr＝ µC/ λ ，C为流体的比热
从核燃料芯块内产生的热量传到芯块表 面，这是有热源下的固体导热过程；
芯块与包壳之间的气隙的接触传热，将热 量传到包壳内表面；
通过导热将热量从包壳内表面传到包壳外 表面；
通过对流放热，热量由包壳外表面传给冷 却剂。
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燃料元件内的导热过程
热量从物体中温度较高部分向较低部分传递的过程为热 传导。热传导不发生物质宏观位移，只有分子的相互作 用。
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燃料元件的总温降
从燃料中心线到冷却剂的总温度降可以表示为：
T中心 − Tf
=
q′ 2 π rF
rF 2λ
f
+1 αG
+ tc λc
+
α
(
rF rF +
tc
)
q′为线功率密度，r为燃料元件芯块的半径，
λf为燃料元件的导热系数，λc为包壳的导热系 数，
tc为包壳厚度， α为包壳表面与冷却剂的放热系数，αG为燃料与
压水堆核电站基础
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第三章 热工水力学基础知识
核反应堆热工的主要特点
必须考虑放射性辐照对冷却剂、固体材料的 导热性能和结构性能的影响
在堆芯材料选择上，除了考虑材料的机械强 度外，还必须考虑对中子的吸收和慢化性 能，以及辐照对材料性能的影响
反应堆单位体积发出的功率比常规动力设备 单位体积发出的功率高得多，并且功率增长 的速率快。
堆内热源及其分布不仅与空间有关，且和时间有关。
停堆后，仍然有热源，约有6％的功率水平，然后 逐渐衰减。此时堆内的释热率与运行时的热源分布 是不同的。停堆1小时后，燃料元件内的释热率只 有运行时的1％，而反射层和热屏蔽的释热率却是 此处运行时的10％。
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热源的空间分布
对于单种裂变材料均匀装载的有限圆柱形热中子反应
堆，体积热源可以粗略写为（原点取在堆芯中心）：
q
'''
=
q0
J
0
(2.405
r R
)cos π z H
R为堆芯有效半径，H为有效高度。
最大功率密度与平均功率密度之比称为功率峰值因子。 对于圆柱裸堆，此值为3.64。
燃料非均匀装载对功率分布的影响。为了展平径向功率 分布，压水堆一般分三区配置不同富集度燃料，高富集 度的新燃料在最外区。
假设燃料内发热沿径向和轴向是均匀分布的，并只考虑 径向导热。由傅里叶导热定律：
q = −λ dt (千焦耳 / 米2 ⋅小时) dr
q表示单位时间单位传热表面积上的传热量（千焦/ 米2 •小时），称为热负荷；
dt/dr称为温度梯度，λ为导热系数（千瓦/米•℃）
物理意义是：单位时间通过传热面积导出的热量与传热 表面积的大小及温度梯度成正比，比例系数为λ，称为 导热系数。
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热阻
由傅里叶导热定律：
Q = −λF dt dx
Q表示单位时间通过该层的导热量；
λ为导热系数，单位：瓦/（米•℃） T1 Q
在λ不随温度变化，则可以积分
Q = λF ∆t
T2 δ
δ
δ为平板厚度，∆t为平板两边的温度
差，
Q=
∆t δ
ห้องสมุดไป่ตู้
λF δ
在形式上类似欧姆定律I＝U/R， λF 称为热阻。
控制棒对功率分布的影响。
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压水堆传热特点
传热有三种基本形式，即对流换热、导热和辐射传 热。压水堆堆芯的换热主要依靠前两种方式。
UO2芯块裂变后产生的热量主要是通过热传导传给 芯块表面及燃料包壳。一回路的冷却剂通过主泵进 行强制循环进入堆芯，将燃料元件表面热量通过对 流换热带走。冷却剂带出热量后流入蒸汽发生器， 也是通过对流换热把热量传给二次侧的给水。