《核反应堆热工分析》复习资料

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。

目前在压水堆中广泛应用是锆合金包壳。

4.常见的包壳材料：锆合金、不锈钢和镍基合金5.选择冷却剂要考虑的7个要求：冷却剂应有良好的导热性能和小的中子吸收截面，它与结构材料应有良好的相容性。

冷却剂的化学稳定性要好，能在较高的温度下工作，以获得较高的热效率，价格应该便宜，使用安全。

有时冷却剂和慢化剂用同一种物质。

冷却剂将堆芯热量带出堆外以供利用，本身被冷却返回堆内重新循环6.常见的冷却剂：水和重水、钠、氦气7.选择慢化剂要考虑的要求及常见的慢化剂：教材24-25页第三章 反应堆稳态工况下的传热计算（简答+计算）1.计算: 传热计算（热传导的计算：傅里叶定律） 注：掌握无内热源情况 傅立叶定律： dT q = – k —— dxk 为导热系数，W/m·℃。

它反映了该种物质导热能力的强弱。

k 金属 > k 液 > k 气例题1 一块厚度δ＝50 mm 的平板，两侧表面分别维持在tw1=300℃，tw2=100 ℃ ，试求下列条件下通过单位截面积的导热量：（1）材料为铜，导热系数k ＝374 W ／(m.K)；(2)材料为钢，导热系数k ＝ 36.3W ／(m·K)。

解答：根据傅立叶定律()2101212w w t t w w w w dt q k q dx k dtdx q k t t t t q kδδδ=-⇒=-⇒=--⇒=⎰⎰()62300100 1.49610/0.05Kq W m m -==⨯（1）材料为铜， k ＝374 W ／(m.K)代入得：（2）材料为钢， k ＝36.3 W ／(m.K)代入得：牛顿冷却公式： q = α ( tw －tf ) （α为对流换热系数，W/m2·℃）例题2： 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热试验中，得到下列数据：管壁平均温度tw ＝69℃，空气温度tf ＝20℃，管子外径d=14mm ，加热段长80mm ，输入加热段的功率为8.5W 。

如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热 系数为多大?解答：根据牛顿冷却公式：例题3 对一台氟里昂冷凝器的传热过程作初步测算得到以下数据：管内水的对流换热表面传热系数α1=8700 W ／(m2·K)，管外氟里昂蒸气凝结换热表面传热系数α2=1800 W ／(m2·K)，换热管子壁厚δ=1.5mm ，管子材料为导热系数k ＝383W／(m·K)的钢。

试计算：三个环节的热阻及冷凝器的总传热系数；欲增强传热应从哪个环节入手?分析时可把圆管当成平壁处理。

解答： 水侧换热热阻管壁导热热阻蒸气凝结热阻2.教材58页：当量直径的计算3.影响堆芯功率分布的因素有哪些及分别怎样影响的？ （教材31页）答：燃料布置、控制棒、水隙及空泡对功率分布的影响 4.什么是热管因子？ (教材35页) 5.教材42页ql 、q 、qv 的物理意义6.导热、放热、输热分别指什么？各遵循什么定律？ （教材42-49页）7.积分热导率的概念 （教材58页）第四章 反应堆稳态工况下的水力计算()52300100 1.45610/0.0536.3/K q W m mW m K-==⨯⋅()()()228.53.140.0140.08692049.3/w f w fQ F t t Q Wm K F t t W m K αα=-⇒==⨯⨯-⋅-=⋅1.稳态工况下水力计算的3个任务 （教材83页）2.稳态水力计算基本方程：质量守恒方程式—连续性方程、动量守恒方程（教材84页）-- 质量守恒方程式—连续性方程 – 也就是 ρVA ＝常数 =W ，我们把W 称为质量流量，单位kg/s 。

– 在流动计算中，通常在某一段流道中，流通截面Ａ是不变的（例如在直径不变的一段圆管内流动），则 ρV=常数 我们称ρＶ＝Ｇ，Ｇ为质量流速，单位为kg/m2·s ，所以在等截面的流道中，得 G=常数– 动量守恒方程式– 根据作用于微元体上的力应该等于其动量变化的原理，可得– 展开上式，并略去微分相乘量，可得--- 如果流通截面Ａ不变，则上式可写为： – 上式就是单相流体一维流动的动量守恒方程式，式中Uh 为微元体的周界长度，τ为壁面剪切应力。

– 能量守恒方程式– 同样对上式微元体考虑能量平衡，可得– 令内能的变化dU 可以写成dU=dq+dF-pdv ，式中，dF 为不可逆的摩擦损失。

当微元体对外不作功，即dW=0，则能量平衡式可写为：– 或– 上式即单相流体一维流动的能量守恒方程式，即单相流体流动中，动量守恒方程式和能量守恒方程式是相同的，同时可得，必须 -- 动量守恒方程和能量守恒方程还可表示成：,称为摩擦压降梯度；，称为提升（或重位）压降梯度； ，称为加速压降梯度。

• 所以，流体在流道中流动，且流道内无局部阻力件时，总的流动压降由摩擦压降、提升压降和加速压降组成。

3.两相流：两个物相在同一个系统内一起流动称为两相流。

4.含汽量和空泡份额 （掌握教材105页 4-51、4-52 式）5.一回路内的流动压降 （教材118页 分段计算）d VA ()ρ=0[()()]()sin ()[()]()()()()PA P dP A dA U hdZ AdZ g VA V dV v -++-⋅-⋅=+-τρθρ压力壁面上的力重力的分力动量改变的力---=d AP U dZ Ag dZ VAdVh ()sin τρθρ-=⋅++dP dZ U Ag G dV dZhτρθsin d pv dU d V d Zg dq dW()()(sin )()()()()()()+++=-122θ压力能内能动能位能加入热量对外作功vdP VdV g dZ dF +++=sin θ0-=++dP dZ dF dZ g V dV dZ ρρθρsin =++ρρθdF dZ g G dV dZsin U A dFdZh τρ=-=---dP dZ dP dZ dP dZ dP dZ f el a-==dP dZ U A dFdZf h τρdP dZg el=ρθsin -=dP dZ G dV dZa6.堆芯冷却剂流量分配不均匀的4个原因 （教材118页）7.自然循环的基本概念： 若回路中流体的循环流动是依靠回路中流体本身的密度差所产生的驱动压头作为推动力，这样的流动称为自然循环流动。

（研究教材121页图4-20，图4-21）8Re ac to r Th e rm alH yd rau lic s三、自然循环流量•显然，在自然循环情况下，Δp p = Δp t =0，于是有：•若用Δp d 表示驱动压头，，用Δp up 和Δp do 分别表示上升段内和下降段内的压降损失之和，则•通常把克服了上升段压力损失之后的剩余驱动压头称为有效压头Δp e ，这样就有Δp e = Δp d -Δp up •这样就得自然循环基本方程式Δp e = Δp do,,,el i f ic iiiip pp -∆=∆+∆∑∑∑,d el i ip p ∆=-∆∑d up dop p p ∆=∆+∆9Re ac to r Th e rm al H ydraulic s假定释热功率不变，则流量增大，导致出口温度下降，出口冷却剂的密度上升，驱动压头下降，而阻力压降随着流量上升而增大。

确定自然循环流量的方法是：驱动压头等于阻力压头8.课后习题：4-1: 某一传热试验装置，包括一根由1.2m 长内径是13mm 的垂直圆管组成的试验段。

水从试验段顶部流出，经过一个90度弯头后进入1.5m 长的套管式热交换器，假设热交换器安装在水平管道的中间部分，水在管内流动，冷却水在管外逆向流动。

热交换器的内管以及把试验段、热交换器、泵连接起来的管道均为内径为25mm 的不锈钢管。

回路高3m ，总长18m ，共有四个弯头。

在试验段的进出口都假设有突然的面积变化。

回路的运行压力是160巴，当260℃的水以5m/s 的速度等温流过试验段时，求回路的摩擦压降。