第4章 核反应堆热工学 核工程概论课件
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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。
反应堆的重大事故都与堆内传热和冷 却问题有关。
反应堆热工学主要研究内容：
（2）裂变能的空间分布
在反应堆内，裂变能的分布与时间和空间有 关。裂变能在空间上的分布与裂变产生的位置和 裂变后产物的射程有关。
裂变产生的碎片、β射线的能量基本都在燃料 中转成热能；
裂变中子的能量大部分被慢化剂吸收； 而γ射线的穿透能力强，只有一部分被燃料吸 收。
i(x)Siexp(ix)
γ射线在x处dx距离上的衰减部分全部转化为热量， 因此，在x处材料吸收γ射线产生的体积释热率为
q v,i(x)d d x i(x)iS iex p (ix)
③如果反应堆中的γ源发射几种不同能级的γ射线， 那么未经碰撞的γ射线所形成的总释热率是各个能 级的γ射线所形成的释热率之和，则
qv,(x)qv,(0)B ex
（2）控制棒内的释热
在反应堆运行过程中控制棒会释热，其热源 是控制棒吸收γ射线和吸收中子后的(n，α)和(n， γ)反应。
因此，控制棒的释热计算一般分成吸收γ射线 产生的释热和吸收中子产生的释热。
(n，α)反应引起的释热：
q V ,( n , ) ( r ) 1 .6 0 2 1 0 1 3N n , ( E ) ( r ,E ) E d E
γ射线引起的。根据裂变能的分布比率，每次裂变时
的总γ射线能约占可回收能量的10.5%，如忽略γ射
线在堆芯内的衰减，并认为结构材料对γ射线的吸收
正比于材料的密度，则堆芯内结构材料某处γ射线的
体积释热率为
qv, 0Leabharlann Baidu105qv,t a
②在堆芯外的热屏蔽和压力容器的一侧，如果存 在一个源强为Sγi的γ射线源，具有给定能级的γ射 线未经碰撞而贯穿时，第i群的γ能量密度变化规 律为
4.1.2 堆内释热率分布 （1）体积释热率
在单位时间内，堆芯某点邻域的单位体积所释放的能量， 称为该点的体积释热率，单位（瓦/厘米3或兆瓦/米3）。
在非均匀堆中，通常需要分别计算不同材料的体积释热 率。堆芯燃料内任意点的体积释热率，与该点邻域的易裂变 核的密度及中子通量成正比。
①如果引起裂变反应的中子是单能的，则燃料的体积释 热率可以写为：
④对于均匀堆，可裂变核的密度在堆芯内是常数， 不随堆芯的位置变化，这时堆芯内的功率分布只取决于 中子通量分布。
（2）堆芯功率分布不均匀性
由于堆芯内的中子通量不是均匀分布的，因 此，堆芯内的体积释热率也不是均匀分布。
堆内某点的功率与该点的中子通量和燃料核 密度的乘积（ФN）成正比，因而，堆内宏观功率 分布取决于中子通量及核燃料的分布。
(n，γ)反应引起的释热：
q V ,( n ,) ( r ) 1 .6 0 2 1 0 1 3E a ( r ,E ) ( r ,E ) d E
（3）慢化剂的释热
在热中子反应堆内，慢化剂的主要功能是慢 化中子，中子在慢化过程中将其动能传递给慢化 剂，因此，慢化剂会产生热量，慢化剂释热的另 一个热源是吸收γ射线的能量，则
t(x)S 1ex p (1x )S 2ex p (2x )... q v,t(x)1S 1ex p (1x)2S 2ex p (2x)...
材料的康普顿散射会发出二次γ射线，因此实际的释 热率比上面的方程大，大的部分释热率用积累因子B来 考虑。在反应堆内，为了减少γ射线对压力容器的辐照损 伤，在压力容器和堆芯之间设有热屏蔽。则存在热屏蔽 的情况下，释热率为
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。
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
第4章 核反应堆热工学
第4章 核反应堆热工学
4.1 核反应堆的释热
4.1.1 燃料的释热 4.1.2 堆内释热率分布 4.1.3 结构部件和慢化剂的释热 4.1.4 反应堆停堆后的释热
4.2 核反应堆部件的热传导
4.1 核反应堆的释热
在反应堆活性区内，如果有足够的燃 料料和足够高的燃料富集度，反应堆所能 达到的中子通量是非常高的，堆内能够产 生的核裂变数也是非常大的，即堆芯内产 生 的 裂 变 功 率 可 以 非 常 大 —— 反 应 堆 内 裂 变产生的热量必须及时排出。
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：
各参变量的含义 ：
③在热中子反应堆内，为简化计算，可以认为裂变 都是由热中子引起的，这时堆内微观裂变截面可用平均 微观裂变截面计算。这样，堆芯内某一点燃料的体积释 热率与可裂变核的密度N和中子通量Φ成正比。
为克服这一缺点，目前大型反应堆中通常采 用堆芯燃料分区装载的方法。
②反射层的影响
在反应堆堆芯 周围一般都设有反 射层。使用反射层 可以改善堆芯径向 的中子通量分布不 均匀性，从而改善 堆芯径向的功率分 布，同时减轻了中 子对反应堆压力容 器的辐照损伤。
③控制棒的影响
在反应堆中，为了控制反应性的变化，实现 停堆，必须布置控制棒。而从轴向功率分布的角 度来看，控制棒的插入对功率分布会带来不利影 响。
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。
反应堆的重大事故都与堆内传热和冷 却问题有关。
反应堆热工学主要研究内容：
（2）裂变能的空间分布
在反应堆内，裂变能的分布与时间和空间有 关。裂变能在空间上的分布与裂变产生的位置和 裂变后产物的射程有关。
裂变产生的碎片、β射线的能量基本都在燃料 中转成热能；
裂变中子的能量大部分被慢化剂吸收； 而γ射线的穿透能力强，只有一部分被燃料吸 收。
i(x)Siexp(ix)
γ射线在x处dx距离上的衰减部分全部转化为热量， 因此，在x处材料吸收γ射线产生的体积释热率为
q v,i(x)d d x i(x)iS iex p (ix)
③如果反应堆中的γ源发射几种不同能级的γ射线， 那么未经碰撞的γ射线所形成的总释热率是各个能 级的γ射线所形成的释热率之和，则
qv,(x)qv,(0)B ex
（2）控制棒内的释热
在反应堆运行过程中控制棒会释热，其热源 是控制棒吸收γ射线和吸收中子后的(n，α)和(n， γ)反应。
因此，控制棒的释热计算一般分成吸收γ射线 产生的释热和吸收中子产生的释热。
(n，α)反应引起的释热：
q V ,( n , ) ( r ) 1 .6 0 2 1 0 1 3N n , ( E ) ( r ,E ) E d E
γ射线引起的。根据裂变能的分布比率，每次裂变时
的总γ射线能约占可回收能量的10.5%，如忽略γ射
线在堆芯内的衰减，并认为结构材料对γ射线的吸收
正比于材料的密度，则堆芯内结构材料某处γ射线的
体积释热率为
qv, 0Leabharlann Baidu105qv,t a
②在堆芯外的热屏蔽和压力容器的一侧，如果存 在一个源强为Sγi的γ射线源，具有给定能级的γ射 线未经碰撞而贯穿时，第i群的γ能量密度变化规 律为
4.1.2 堆内释热率分布 （1）体积释热率
在单位时间内，堆芯某点邻域的单位体积所释放的能量， 称为该点的体积释热率，单位（瓦/厘米3或兆瓦/米3）。
在非均匀堆中，通常需要分别计算不同材料的体积释热 率。堆芯燃料内任意点的体积释热率，与该点邻域的易裂变 核的密度及中子通量成正比。
①如果引起裂变反应的中子是单能的，则燃料的体积释 热率可以写为：
④对于均匀堆，可裂变核的密度在堆芯内是常数， 不随堆芯的位置变化，这时堆芯内的功率分布只取决于 中子通量分布。
（2）堆芯功率分布不均匀性
由于堆芯内的中子通量不是均匀分布的，因 此，堆芯内的体积释热率也不是均匀分布。
堆内某点的功率与该点的中子通量和燃料核 密度的乘积（ФN）成正比，因而，堆内宏观功率 分布取决于中子通量及核燃料的分布。
(n，γ)反应引起的释热：
q V ,( n ,) ( r ) 1 .6 0 2 1 0 1 3E a ( r ,E ) ( r ,E ) d E
（3）慢化剂的释热
在热中子反应堆内，慢化剂的主要功能是慢 化中子，中子在慢化过程中将其动能传递给慢化 剂，因此，慢化剂会产生热量，慢化剂释热的另 一个热源是吸收γ射线的能量，则
t(x)S 1ex p (1x )S 2ex p (2x )... q v,t(x)1S 1ex p (1x)2S 2ex p (2x)...
材料的康普顿散射会发出二次γ射线，因此实际的释 热率比上面的方程大，大的部分释热率用积累因子B来 考虑。在反应堆内，为了减少γ射线对压力容器的辐照损 伤，在压力容器和堆芯之间设有热屏蔽。则存在热屏蔽 的情况下，释热率为
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。
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
第4章 核反应堆热工学
第4章 核反应堆热工学
4.1 核反应堆的释热
4.1.1 燃料的释热 4.1.2 堆内释热率分布 4.1.3 结构部件和慢化剂的释热 4.1.4 反应堆停堆后的释热
4.2 核反应堆部件的热传导
4.1 核反应堆的释热
在反应堆活性区内，如果有足够的燃 料料和足够高的燃料富集度，反应堆所能 达到的中子通量是非常高的，堆内能够产 生的核裂变数也是非常大的，即堆芯内产 生 的 裂 变 功 率 可 以 非 常 大 —— 反 应 堆 内 裂 变产生的热量必须及时排出。
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：
各参变量的含义 ：
③在热中子反应堆内，为简化计算，可以认为裂变 都是由热中子引起的，这时堆内微观裂变截面可用平均 微观裂变截面计算。这样，堆芯内某一点燃料的体积释 热率与可裂变核的密度N和中子通量Φ成正比。
为克服这一缺点，目前大型反应堆中通常采 用堆芯燃料分区装载的方法。
②反射层的影响
在反应堆堆芯 周围一般都设有反 射层。使用反射层 可以改善堆芯径向 的中子通量分布不 均匀性，从而改善 堆芯径向的功率分 布，同时减轻了中 子对反应堆压力容 器的辐照损伤。
③控制棒的影响
在反应堆中，为了控制反应性的变化，实现 停堆，必须布置控制棒。而从轴向功率分布的角 度来看，控制棒的插入对功率分布会带来不利影 响。