核反应堆热工分析

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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
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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
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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

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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
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 )
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堆芯功率的分布及其影响因素
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冷却剂的流动和传热特性
B
预测在各种运 行工况下反应 堆的热力参数
分析燃料元件 内的温度分布
A
C
内容
事故工况下压力、温 度、流量等热力参数 随时间的变化过程
E
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
反 应 堆 热 工 水 力 分 析
包 括
稳态 分析 瞬态 分析
稳态分析主要用于反应堆热工设 计，结果是瞬态分析的初始条件
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 空泡的存在将导致堆芯反应性下降

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
瞬态分析主要用于反应堆瞬态过 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
研究对象： 压水堆
第二章 堆的热源及其分布
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核裂变产生的能量及其分布
堆芯功率的分布及其影响因素
控制棒、慢化剂和结构材料中热量的产生和分布
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停堆后的功率分布
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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
核反应堆热工分析
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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： Text
比如一体化堆芯对结构紧凑的要求等
qv Fa E f N f
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堆芯功率的分布及其影响因素
堆芯功率的分布
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简化一：
简化二：
均匀裸堆
富集度相同 的燃料均匀 分布在整个 活性区内 活性区外面 没有反射层
进行理论分析时极其有用
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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：
(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
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
补偿棒
补偿棒是用于抵消寿期初大量的 剩余反应性的
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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
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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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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
控制棒对径向功率分布的影响
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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

堆芯最大体积释热率
qv,max Fa E f N f 0
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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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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

分区装载燃料方案： 目前的核电厂普遍采用的方案 布置特点：沿堆芯径向分区装载不同富集 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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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 功 率 分 布 的 因 素
燃料布置 控制棒 水隙及空泡
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
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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