20171107 热工水力 复习整理

第一章（20171107）

核燃料

铀-235、铀-233和钚-239这三种核素可以在各种不同能量的中子作用下产生裂变反应，通常把它们称为易裂变核素。自然界中存在的易裂变核素只有铀-235一种。含有易裂变核素，能够在反应堆里实现自持裂变链式反应、释放核能的材料称为核燃料。钍-232和铀-238，这两种核素在能量低于其裂变阈能的中子作用下不能产生裂变反应，但在俘获中子后能转变为易裂变核素铀-233和钚-239，故被称为可转换核素（也叫可裂变核素）。目前在核反应堆中使用的易裂变核素主要是铀-235。可转换核素本身虽不易裂变，但在俘获中子后能转变为易裂变核素，从而补充易裂变核素的消耗。在反应堆内它们或者与裂变燃料混合使用，或者在包裹层中单独使用。因而称它们为广义的核燃料。*重点：三种易裂变核素：铀-235、铀-233和钚-239。

两种可裂变核素：钍-232和铀-238。

核燃料：含有易裂变核素，能够在反应堆里实现自持裂变链式反应、释放核能的材料称为核燃料。

1.2.1.1 目前压水堆使用的燃料主要有以下两类：

1.UO2陶瓷燃料

2.含UO2弥散体的燃料

*重点：两类核燃料：UO2陶瓷燃料和含UO2弥散体的燃料。

1.2.1.2 二氧化铀燃料的主要热物性

1.密度：二氧化铀的理论密度是10.98×103 kg/m3

2.熔点：氧铀原子比为2的二氧化铀的熔点最高。随氧铀原子比值的

减小或增加，二氧化铀的熔点会下降。当O/U=2时，Christensen测定:2800℃。

3.热导率：二氧化铀的热导率强烈地依赖于它的温度。

图1.2-1未经辐照的二氧化铀的热导率随温度的变化图1.2-1示出了一些研究者所提供的未经辐照的二氧化铀的热导率。从各条曲线的变化趋势来看，可以粗略的认为，温度低于1600℃以下，二氧化铀的热导率随温度的升高而减小；超过1600℃，二氧化铀的热导率则随温度的升高而又有某种程度的增大。

*重点：二氧化铀的理论密度10.98×103kg/m3、熔点2800℃、热导率:温度低于1600℃以下，二氧化铀的热导率随温度的升高而减小；超过1600℃，二氧化铀的热导率则随温度的升高而又有某种程度的增大。

1.2.2.1 主要包壳材料

适合作水冷反应堆燃料包壳材料的主要是锆合金，即Zr-2和Zr-4合金。西方国家的核电站压水堆多采用Zr-4合金作为燃料包壳，沸

水堆和部分压水堆也使用Zr-2合金作为燃料包壳，前苏联轻水堆则用锆-铌合金作为包壳材料。

锆合金长期和高温水接触，到了一定天数之后，腐蚀的速率会突然增加，称为腐蚀的转折点。例如，水温为310℃，锆-2合金的腐蚀转折点为500天；水温为360℃，锆-2合金的腐蚀转折点下降到100天；在400℃的水蒸汽中，其转折点只有30天。故目前在压水堆稳态热工设计中，包壳外表面的最高限制温度一般不超过350℃。2．惰性气体的热导率

惰性气体通常指氦、氖、氩、氪和氙等气体。新的燃料元件的芯块与包壳之间的间隙内充有氦气。在裂变过程中，裂变气体释放到间隙中。这些混合惰性气体的热导率很低，它们随温度的增加而加大。*重点：压水堆常使用的包壳材料是锆合金，目前在压水堆稳态热工设计中，包壳外表面的最高限制温度一般不超过350℃。

1.2.3 冷却剂及其主要热物性

轻水具有良好的导热性能，比热和汽化潜热都比较大，价格很便宜，所需的唧送泵功率较小，是性能比较好的冷却剂。缺点是中子吸收截面较大，沸点低，在高温下运行保持液相需要较高的压力。重水具有和轻水类似的性质，但它有比轻水中子吸收截面较小的优点，其缺点是价格昂贵。

1.2.3.1 饱和水和饱和水蒸气（在饱和线上）的热物性

由于饱和温度是饱和压力的函数（饱和温度随压力的增加而增加），所以这些热物性都只是饱和温度Ts或者饱和压力Ps的函数，

如附录Ⅱ所示。

1.2.3.2 欠热水和过热水蒸气的热物性

由于在欠热水和过热水蒸气的状态下，温度和压力是独立变量，所以，欠热水和过热水蒸汽的热物性都是温度和压力的函数，如附录Ⅱ所示。但主要取决于温度。重水的热物性与轻水相接近。

*重点：

（1）轻水具有良好的热物性，如导热性能好，比热容和汽化潜热都比较大，价格便宜，使用方便，所需的唧送泵功率较小，是性能比较好的冷却剂。

（2）饱和状态下的水或水蒸汽的热物性是温度或者压力的函数。（3）欠热水和过热水蒸气的热物性是温度和压力的函数。

（4）饱和温度随饱和压力的增高而升高。

（5）饱和水的比焓h随饱和压力的增加而增大；饱和水蒸汽的比焓h随饱和压力的增加是先增大，在大约3 MPa之后，又随压力的增加

而降小。

1.3辐照（或燃耗）对热物性的影响

*重点：随辐照或燃耗的加深，二氧化铀的熔点和二氧化铀的热导率会下降。

复习题

一. 填空题

1．三种易裂变核素是铀-235 、铀-233 和钚-239 。

2．压水堆常使用的两类核燃料是UO2陶瓷燃料和含UO2弥散体燃料。

3．压水堆常使用的包壳材料是锆合金，在稳态热工设计中，它的外表面最高限制温度是350 ℃。

二选择括号内正确者填空（可选填序号 A 或B 或C…）

1．燃料包壳的表面温度在正常运行时不允许超过350℃，最主要的理由是防止 B 。

（A.热应力增大 B.包壳腐蚀加速 C.包壳熔化 D.偏离泡核沸腾）2．UO2燃料芯块的热导率 C 。

（A.不随温度变化 B. 随温度变化，呈线性变化

C.随温度变化，但不是线性变化

D. 以上说法都不对）

3．下列状态参数中能确定饱和状态下的水或水蒸汽的比焓是

C 。

（A．只压力B．只温度C．温度或压力D．温度和压力）