大学精品课件：热工水力-终极版.doc

1、1 目前国际上主要核反应堆有哪些类型？压水核反应堆基本组成部分有那些？目前国际上主要核反应堆有哪些类型？压水核反应堆基本组成部分有那些？ 压水堆、沸水堆、那类快堆、气冷堆、重水堆 压水堆动力装置有一回路、 二回路系统及其他一些辅助系统所组成和主循环泵等设备及他们 之间的关系所组成。二回路系统由蒸汽发生器（二次侧） 、汽轮机、冷凝水泵、给水预热器 和给水泵等设备及他们之间的管系所组成。 2 压水反应堆本体有哪些部分组成？压水反应堆堆芯由哪些部分组成？压水反应堆本体有哪些部分组成？压水反应堆堆芯由哪些部分组成？ 反应堆的本体结构由堆芯、堆内构件、反应堆压力容器以及控制棒驱动机构等几部分组成。 压水

2、堆堆芯由燃料组件、控制棒组件、可燃毒物组件、中子源组件和阻力塞件等组成。 3 堆芯上下支撑结构分别又哪些部分组成？堆芯上下支撑结构分别又哪些部分组成？ 堆芯下支撑结构包括：堆芯吊篮、堆芯围板、下栅格板、支撑住、分配孔板、下支撑板、热 屏蔽、堆芯支撑柱等。 堆芯上支撑结构：上栅格板、控制棒导向管、支承筒、上支承板和压紧弹簧。 4 核燃料有哪些基本形式，各有何优缺点？核燃料有哪些基本形式，各有何优缺点？ 金属性燃料：优点优点，密度较大，硬度不高，容易加工。缺点缺点， （1）铀的化学性质活泼；在较 高温度下， 他会与氧、 氮等发生强烈的化学反应； （2） 金属铀的导热性能较差， 热导率比铁、 铜都低

3、。 （3）金属铀在一定温度下会发生相变。 陶瓷燃料：优点优点（1）熔点高（2）热稳定祥和辐照稳定性好，有利于加深燃耗（3）有良好 的化学稳定性，与包壳和冷却剂材料的相容性也很好 缺点缺点，热导率较低 弥散型燃料：优点优点，熔点高，与金属的相容性好抗腐蚀和抗辐照；辐射损伤只限于弥散相附 近，而起结构材料作用的基体相基本上不受辐照的影响。当燃耗逐渐加深时，燃料元件不会 发生明显的肿胀，提高了燃料元件的寿命。由于基体相通常为金属材料，热导率有所提高。 基体有韧性，燃料的机加工性能高，可用它轧制成具有高效率密度的板状原件。弥散型燃料 可以多样化。缺点缺点，金属或合金基体所占的份额高，为了提高堆芯功率密

4、度，需采用高浓铀 5.何为燃料元件包壳及其工作环境，设计要求及功用？常用包壳材料？何为燃料元件包壳及其工作环境，设计要求及功用？常用包壳材料？ 作用： 保护核燃料不受化学腐蚀与机械侵蚀，包容裂变气体及其其他裂变产物，保 持核燃料形状。 工作条件;受中子强辐照受高温高速冷却剂的腐蚀和侵蚀裂变产物的腐蚀承受热、 机械应力 设计要求：具有良好的核性能，除了具有低中子吸收截面外，感生放射性弱， 与核材料相容性要好，能耐较高温度 具有较好的导热性能 具有良好的力学性能， 即能够提供合适的力学强度和韧性， 使的在燃耗较深的条件下仍能 保持燃料原件的结构完整。 应有良好的抗腐蚀能力，包壳对冷却剂应是惰性的

5、具有良好的辐照稳定性 容易加工成型，成本低廉，便于后处理 燃料外面通常都有一些把燃料与冷却剂隔离开的金属保护层， 称它为燃料包壳。 包壳有如下 功能： （1）防止冷却剂对燃料的侵蚀以及二者间的有害作用； （2）避免燃料中裂变产物的外 泄； （3）保持燃料元件的几何形状并使之有足够的机械强度与刚性。 常用的包壳材料：铝，镁，镐，不锈钢，镍基合金，石墨。 6.6.棒状燃料原件由哪那些部分组成？棒状燃料原件由哪那些部分组成？ 棒状燃料原件由燃料芯块、燃料包壳管、压紧弹簧、隔热片（在有些堆中采用） 、端塞等及 部分组成。 7.7.堆内热源的由来和分布？堆内热源的由来和分布？ 堆的热源来自裂变过程中释放

6、出来的能量，每次裂变释放出来的总能量约为 200Mev。其中， 裂变碎片的动能约占总能量的 84%，它在铀中的射程很短，所以可以认为这部分能量是在发 生裂变处就地释放出来的，只有一少部分裂变碎片会穿入包壳内，但不会穿透包壳。裂变中 子在和慢化剂的头几次碰撞中就是去了大部分的能量。 由裂变中子产生的热量的分布取决于 它的平均自由程。 裂变过程中产生的射线， 其穿透能力很强， 因此它的能量将分别在堆芯、 反射层、热屏蔽和生物屏蔽层中转化成热能，也有极少部分射线传出穿出堆外。高能粒 子的能量可认为大部分是在燃料元件内转换成热能的。 只有少部分的高能粒子穿出燃料元 件进入慢化剂，但它们不会穿到堆芯外面

7、去。 8.8.体积释热率基本概念和计算方法？体积释热率基本概念和计算方法？ 体积释热率是单位时间、单位体积内释放的热能的度量，也称为功率密度。 。要注意的是， 体积释热率指的是已经转化为热能的能量， 并不是在该体积单元内释放出的全部能量， 因为 有些能量（例如射线能）会在别的地方转化为热能，甚至有的能量根本就无法转化为热能 加以利用。Qv=Fs*EfNfMev/(cm 3s) （P17） 9.有限圆柱形反应堆、无干扰、均匀裸有限圆柱形反应堆、无干扰、均匀裸堆条件下的功率分布规律？堆条件下的功率分布规律？ 若把坐标原点取在堆芯的中心，则数学表达式为： Re 0max, cos)405. 2(),

8、( L z R r Jqzrq e v ， 式中 Re 为堆芯半径，Re=R+R; RR LLL2 Re ；R 为堆芯实际半径； R L为堆芯实际高 度； 0 J零介第一类贝赛尔函数；),(zrq为堆芯内任意位置（r,z）处得体积释热率， max, v q为 堆芯最大体积释热率， max, v q= 0 ffa NEF。 10.影响堆芯功率分布的因素主要有哪些？影响堆芯功率分布的因素主要有哪些？ 1 燃料布置对功率分布的影响 2 控制棒对功率分布的影响 3 水隙及空泡对功率分布的影响 11.反应堆停堆后的功率由哪几部分组成？有何特点。反应堆停堆后的功率由哪几部分组成？有何特点。 一部分来自燃料

9、棒内的显热， 以及剩余中子引起的裂变和裂变产物的衰变及中子俘获产物的 衰变。 上述三点随时间变化的特性各不相同， 铀棒内的显热和剩余中子裂变热大约在半分钟之内传 出，其后的冷却要求完全取决于衰变热。 12.以铀以铀-235 作为燃料的压水堆中，每次裂变释放出来的热量约为多少？在大型压水堆的设作为燃料的压水堆中，每次裂变释放出来的热量约为多少？在大型压水堆的设 计中，往往取燃料元件的释热量占堆总释热量的百分之几？计中，往往取燃料元件的释热量占堆总释热量的百分之几？ 200Mev 97.4%. 13 与早期压水堆中采用的均匀装载方案相比，现代大型压水堆采用分区装载方案的优点是与早期压水堆中采用的均

10、匀装载方案相比，现代大型压水堆采用分区装载方案的优点是 什么？什么？ 1 功率的分布得到展平 2 燃料的平均燃耗提高 十九页下部 14 什么是沸腾危机，沸腾危机可以分为哪两种？什么是沸腾危机，沸腾危机可以分为哪两种？ 所谓沸腾传热恶化是指在一定的工况参数下管壁同沸腾工质间的换热系数突然下降、 加热壁 面同沸腾工质间的换热量大大减少(对于恒壁温系统)或壁面温度大大升高(对恒热流系统)的 现象。 沸腾危机分为两种， 由于换热偏离核态沸腾而造成的传热恶化称为第一类沸腾危机。 由于液 膜蒸干而引起的传热恶化称为第二类沸腾危机。 15 在垂直加热蒸发管中，一般认为的两相流流型主要有哪几种？水平加热管道中

11、的典型流在垂直加热蒸发管中，一般认为的两相流流型主要有哪几种？水平加热管道中的典型流 型有哪些？型有哪些？ 垂直加热蒸发管：单相液体，泡状流，弹状流，环状流，滴状流，单相气体 水平加热管道：单相液体，泡状流，塞状流，波状流，环状流 16 在压水堆燃料元件的传热算中， 包壳外表面的最高温度主要受哪些因素的限制在压水堆燃料元件的传热算中， 包壳外表面的最高温度主要受哪些因素的限制?用锆合金用锆合金 做的包壳的外表面工作温度一般不得超过多少度？做的包壳的外表面工作温度一般不得超过多少度？ （自己找） 锆合金包壳表面的最高工作温度一般应限定在 350以下 17.17.气隙传热有哪两种基本模型？各适用于

12、何种条件？气隙传热有哪两种基本模型？各适用于何种条件？ 答：气隙传热有“气隙导热模型” “接触导热模型”两种基本模型。对于新的燃料元件或燃 耗很浅的燃料元件，可以认为包壳与芯块没有接触，采用气隙导热模型比较合适。当燃耗很 深，包壳与芯块已经发生接触，应该采用接触导热模型。 18.18.积分热导率基本概念和计算方法？积分热导率基本概念和计算方法？ 答：燃料芯块的导热率u一般都与温度有关，而且u随温度的变化往往不是线性关系，要 直接用它计算仍然比较麻烦，因而往往把u对温度 t 的积分作为一个整体看待，而不直接 做积分运算，这样既可以简化设计计算，又可以减小计算结果误差。我们把dttu)( 称为积分

13、导热率。 对任何形状的燃料元件都可以建立积分导热率与输出功率之间的关系，对于均匀释热情况， v u uqC t t dtt)( 0 u u t t Cqdtt 0 1)( 式中C、C取决于燃料元件的几何形状。 （这个计算方法在 59 页，大家自己看，要会推导圆柱和平板的积分热导率公式。 ） 19.19.压水堆主回路中的总压降由哪几部分组成？对于闭合回路，系统中哪项压降为零。压水堆主回路中的总压降由哪几部分组成？对于闭合回路，系统中哪项压降为零。 答：压水堆主回路总压降由提升压降、摩擦压降、加速压降、局部压降四部分组成。对于闭 合回路，系统中加速压降为零。 20.对于单相流，确定某一截面发生临界

14、流的两个等价条件是什么？对于单相流，确定某一截面发生临界流的两个等价条件是什么？ 答：1）临界截面的流速等于当地声速。2）临界截面的上游流动不受下游压力下降的影响。 21、什么叫均相流模型？其基本假设有哪些？分离流模型的基本假设有哪些？、什么叫均相流模型？其基本假设有哪些？分离流模型的基本假设有哪些？ 均相流模型假设两相均匀混合， 把两相流动看作为某一个有假象物性的单相流动， 该假想物 性与每一个相的流体的物性有关。 汽相和液相的流速相等（S=1）两相间处于热力学平衡使用规定得恰当的经验摩擦系 数分离流模型则假设两相完全分开， 把两相流动看作为各相分开的单独的流动， 并考虑相 间的作用。 汽相

15、和液相的流速不相等两相间处于热力学平衡应用经验关系式或简化的概念建立 建立两相摩擦压降倍数 2 fo 和空泡份额的具体表达式 22、什么叫自然循环？自然循环对核电厂的安全运行有什么意义？影响压水堆核电站自然、什么叫自然循环？自然循环对核电厂的安全运行有什么意义？影响压水堆核电站自然 循环的主要因素有哪些？循环的主要因素有哪些？ 自然循环是指在闭合回路内依靠热段（上行段）和冷段（下行段）中的流体密度差所产生的 驱动压头来实现的流动循环。 对于反应堆系统来说， 如果对心结构和管道系统设计的合理， 就能够利用这种驱动压头推动 冷却剂在一回路中循环，并带出堆内产生的热量（裂变热或衰变热） 。 （影响因

16、素自己找） 23、什么是质量含气率、空泡份额及容积含气率？、什么是质量含气率、空泡份额及容积含气率？ 静态含气率xs： 汽液混合物的总质量 量汽相混合物内蒸汽的质 s x，适用于不流动的系统或汽液两相平 VV VVV 均速度相同的系统。 流动含气率x： 量汽液混合物的总质量流 蒸汽的质量流量 x ， 平衡态含气率 fg fs h hh x )( e ，h汽液两相混合物的比焓; fs h饱和液体的比焓; fg h汽化潜热 空泡份额： 蒸汽的体积与汽液混合物总体积的比值 gf g UU U f U汽液混合物中液相的体 积； g U汽液混合物中汽相的体积 容积含气率：单位时间内流过某一截面的两相总容

17、积中，气相所占的比例份额。 式中，V,V分别表示气相和液相介质的容积流量 2424、什么是热点因子、热管因子？降低热管因子和热点因子的主要途径有哪些？、什么是热点因子、热管因子？降低热管因子和热点因子的主要途径有哪些？ 热管：单纯从核的因素看，积分输出最大的冷却剂通道称为热管或热通道； 热点：堆芯内某一燃料元件表面温度最大的点，称为热点。 降低核热点因子、核热管因子的方法：1 利用不同的浓度的核燃料分区装料 2 设置反射层 3 安装控制棒和 可燃毒物棒。 降低工程热点因子、工程热管因子的方法：1 合理确定有关部件的加工和安装精度 2 精心进行结构设计和 水利模拟实验 3 加强相邻燃料通道间的冷

18、却剂的交混。 25.热工设计准则概念，压水堆设计中规定的稳态热工设计准则有哪些主要内容？热工设计准则概念，压水堆设计中规定的稳态热工设计准则有哪些主要内容？ 热工设计准则：在计反应堆冷却系统时，为了保证反应堆运行安全可靠，针对不同的堆型， 预先规定了热工设计必须遵守的要求，这些要求通常称为堆的热工设计准则。 1、燃料元件芯块内最高温度应低于其相应燃耗下的熔化温度。 2、燃料元件外表面不允许发生沸腾临界。 3、 必须保证的正常运行工况下燃料元件和堆内构件能得到充分冷却； 在事故工况下能提 供足够的冷却剂以排出堆芯余热。 4、在稳态额定工况和可预计的瞬态运行工况中，不发生流动不稳定性。 26.临界

19、热负荷的影响因素有哪些？如何影响？临界热负荷的影响因素有哪些？如何影响？ 1 冷却剂质量流量 2 含气率 3 冷却剂运行压力 4 入口欠热度 5 通道入口长度 27反应堆停堆后燃料元件表面热流密度下降速度与燃料元件剩余功率下降速度是否相反应堆停堆后燃料元件表面热流密度下降速度与燃料元件剩余功率下降速度是否相 同？为什么？同？为什么？ 不相同。影响燃料元件表面热流密度的因素除了燃料元件的剩余功率外，还有燃料元件 的内储存的显热，因此，其下降速度是不相同的。 二、综合题二、综合题 1 绘出大容积沸腾曲线，标明各部分的传热类型并说明各部分特征。绘出大容积沸腾曲线，标明各部分的传热类型并说明各部分特征

20、。 B 点为沸腾起始点，B 点之前为非沸腾区，没有气泡产生，壁面与流体之间通过无相变的自 然对流换热，传热系数小。 B 点开始产生气泡，气泡脱离壁面，产生强烈扰动，是对流换热系数大大增加，因此 B 点 后热流密度迅速上升，但壁温增加不大。到 C 点达到最大。C 点的热流密度称为临界热流 密度，BC 区称为核态沸腾区。 C 点之后，不分加热面连成一片蒸汽膜覆盖，热阻上升，换热系数减小。热流密度下降。到 D 点达到最小值，此时气膜覆盖全部加热面。CD 区为过度沸腾区。 D 点之后的区域为稳定的膜态沸腾区， 壁面通过气膜的导热以及辐射传热与流体进行热量传 递。 在 C 点之前，有一个表现为 q 上升

21、缓慢的核态沸腾转折点，称为 DNB 点。 2、绘出均匀堆芯棒状燃料元件轴向的释热量、绘出均匀堆芯棒状燃料元件轴向的释热量 ql(z)分布和冷却剂温度分布和冷却剂温度 tf(z)、燃料元件包壳外、燃料元件包壳外 表面温度表面温度 tcs(z)及燃料元件中心温度及燃料元件中心温度 to(z)的轴向分布，并对的轴向分布，并对 tcs max及及 to max一般所处的位置作一般所处的位置作 简要说明。简要说明。 )(zql服从余弦分布，在 z=0 处，ql最大为 ql(0) Re cos)0(q)( L z zq ll 均匀反应堆 LRLRe， Re sin 22 )( L z tt tzt ff

22、finf ，tf(z)服从正弦分布 ReRe cos )0(q sin 22 )( L z hdL z tt tzt cs l ff fincs tcs(z)比 tf(z)增加了一个与 ql(z)有关的余弦项， 其最高温度的位置， 应向 z=0 处移动， 故 tcs,max 所处的位置在堆芯半高度处与冷却剂出口之间。 Re 0 cos)0()()( L z ztzt cs ，to(z)比 tcs(z)又增加了一个余弦项，故 t0,max所处的位置应 在 tcs,max位置与 z=0 之间。 3.假定堆芯轴向功率为余弦分布（取堆芯活假定堆芯轴向功率为余弦分布（取堆芯活性区半高处为原点） ，请定性

23、画出沿堆芯轴向变性区半高处为原点） ，请定性画出沿堆芯轴向变 化的堆芯平均热流密度以及临界热负荷的变化曲线，并画出化的堆芯平均热流密度以及临界热负荷的变化曲线，并画出 MDNBR 所在位置。所在位置。 三、计算题三、计算题（参考）（参考） 1、已知某反应堆内有燃料组件、已知某反应堆内有燃料组件 156 个，每个组件有燃料元件个，每个组件有燃料元件 274 根，每根燃料元件有效长根，每根燃料元件有效长 度度 4m，直径，直径 10mm，平均平均表面功率密度表面功率密度 q=5.5 105W/m2。求该反应堆的热功率。若核电厂求该反应堆的热功率。若核电厂 的效率的效率 =33%，试计算核电厂的电功

24、率。，试计算核电厂的电功率。 （假定堆芯内释热全部在燃料元件内，堆芯热功率（假定堆芯内释热全部在燃料元件内，堆芯热功率 为反应堆总热功率为反应堆总热功率 97.4%） 2、一圆柱形均匀堆堆芯等效半径为、一圆柱形均匀堆堆芯等效半径为 R，堆芯高度为，堆芯高度为 H，内有一点，内有一点 A 的径向坐标为的径向坐标为 0.5R， 轴向坐标为轴向坐标为 H/4。已知可裂变核子密度。已知可裂变核子密度 N=7 1022核核/cm3，堆中心的最大中子通量为，堆中心的最大中子通量为 (0,0)=1015中子中子/cm2 S， 0 0.5 (2.405)0.671 Re R J ，U-235 的微观裂变截面为的微观裂变截面为 f =582 10-24cm2，忽略外推长度的影响。试求：，忽略外推长度的影响。试求： 1） A 点的体积释热率点的体积释热率 qv（0.5R，H/4）kW/cm3。 2） 试绘出径向坐标为试绘出径向坐标为 0.5R 的堆芯体积率的轴向分布曲线。的堆芯体积率的轴向分布曲线。