核安全填空背书-030105-堆内的释热与传热

第五节 堆内的释热与传热

一、堆热源及其分布

核燃料裂变时会释放出巨大的能量。虽然不同核燃料元素的裂变能有所不同，但一般认为每一个铀-235、铀-233或钚-239的原子核，裂变时大约要释放出（）MeV的能量。这里主要介绍裂变能的强度及其在堆内空间分布的情况。

1、裂变能分配

堆内裂变时释放出的通量可以粗分为三类，见表1-4。第一类是在裂变的瞬间释放出来的，包括（）、（）和（）。从表中数据可以看到，绝大部分的能量集中在（）一项；第二类是指裂变后发生的各种过程释放出的能量，主要是（）产生的；第三类是活性区内的（）、（）和（）吸收中子（）反应而放出的能量。其中第二类能量在停堆后很长一段时间内仍继续释放，因此必须考虑停堆后对（）进行了长期的冷却，对（）发热也要引起足够的重视。

表1-4 裂变能分布 类型 来源

裂变碎片动能

裂变瞬发 裂变中子动能

瞬发γ射线能量

裂变产物衰变β射线

裂变产物衰变γ射线

过剩中子引起

（n，γ）反应

总计 过剩中子引起的非裂变反应加上（n，γ）反应产物的β衰变和γ衰变 能量MeV168 5 7 7 6 约7 约200 射程 极短，<0.025mm中 长 短，<10mm长 有短有长 释热地点 在（）内 大部分在（）内堆内各处 大部分（）内，小部分（）内堆内各处 堆内各处 裂变缓发

裂变碎片的射程最短，小于（）mm，因此可以认为裂变碎片动能基本上都是在（）内以（）的形式释放出来的。裂变产物的β射线的射程也很短，在铀芯块内也就几毫米，它的能量大部分也是在（）内释放出来的。因此，裂变能的绝大部分（工程上通常取（）%）在（）内转换为热能，少量在（）内释放。

2、堆内释热率分布

核反应堆中子物理学揭示了均匀堆热中子注量率的理论分布规律。目前绝大部分的动力堆都采用（）堆芯。正如本章第一节中所揭示的，圆柱形均匀堆的（）分布在高度方向上为（）分布，半径方向上为（）分布，即：

(r,z)= 0J0 2.405r πz cos

Re Le

其中Re为外堆半径，Le为外堆高度，单位是m。 有了均匀堆的热中子注量率分布后，我们就可以得到均匀堆的稀释率分布了，即有：

2.405r πz qv(r,z)= vmaxJ0 cos RLe e

注意，这样得到的是把全堆芯均匀化之后的结果。如考虑（）和（）的不均匀分布，导致裂变能在不同地方被不同材料吸收而转化为热能，且裂变能的绝大部分在（）内转换为热能，少量在慢化剂和其他结构材料内释放，则元件棒内的最大体积释热率为：

vmax=FuEfN5σf 0

其中，Fu是燃料芯块内释热占全堆芯释热的份额，在计算中可以取Fu=97.4%。Ef是每次裂变释热释放的能量。

均匀堆的体积释热率分布能够给我们一个宏观的功率分布图像，在实际的反应堆里面，由于存在许多非均匀因素，使得计算实际的功率分布非常复杂，往往需要要大型物理计算程序才能得到。其中，不同富集度的（）对堆内功率分布的影响很大；（）对功率分布影响也很大。

因为反应堆的功率输出是由（）来决定的，因此局部的功率峰值会限制整个反应堆的输出功率。为了尽可能提高反应堆的总输出功率，就需要进行（）。功率展平的主要措施有（）分区布置、合理设计和布置（）（例如采用束棒及部分长度控制棒），堆芯内（）的合理布置、采用（）以及堆芯周围设置（）。

二、燃料元件传热分析

这里重点讨论如何分析燃料元件内温度的空间分布即（）。分析燃料元件的温度场主要有以下几个原因：首先，在要保证在任何情况下不会发生（）熔化，就必须知道燃料元件内的（）；第二，由于温度梯度会造成（），因此在（）和（）设计的时候要考虑温度的（），而且材料在高温下的（）和（）等现象都与温度有密切关系；第三，包壳（）和（）的化学反应也温度密切相关；最后，从反应堆物理的角度考虑，（）和（）的温度变化会引入反应性的变化，影响到反应堆的控制。因此，（）的分析在反应堆热工分析中有着重要的地位。

影响燃料元件内的温度场的因素是很多的。燃料的（），也就是通常说的（），是决定元件内温度场的首要因素。在同样的释热率情况下，不同的元件和包壳材料也会导致不同的温度场。另外，冷却剂的（）以及（）也会影响到从燃料元件表面带走热的速度，当然也就直接影响了燃料元件内的温度。由于燃料元件以及冷却剂温度的变化会引起反应性的变化，从而导致释热率的变化，因此，释热率与温度场是互相耦合的，需要通过热工和物理的计算结果进行耦合计算。

燃料元件导热过程

我们知道，傅里叶导热定律可以描述为：

q= k T= kΔT n

其中，q是热流密度单位是W/m2；k为热导率，是物质的热物性参数，不同的物质其值的变化范围很大，其单位是W/（m·℃）。

傅里叶导热定律指出，在单位时间内通过单位面积的热量，正比于（），其方向与温度梯度相反，因此傅里叶导热定律定义的热流密度是一个有方向的矢量。

有了傅里叶导热定律，根据能量守恒定律，我们就可以进行固体内的热传导计算了。

（1）燃料元件内的导热

最常见的圆柱形燃料元件横断面如图1-28所示。该种元件就是通常所用的棒状燃料元件，是目前动力堆普遍采用的燃料元件。对于组件内的一是燃料棒，由于燃料棒很细，因此（）方向为热流的主要方向。

分析可知，在柱状燃料芯块内，是具有（）的导热问题，芯块的释热逐渐传导至燃料芯块的表面。由于包壳为中子吸收率很低的锆合金结构材料，所以包壳内可认为是（）的导热问题，通过（）

，将包壳内表面的热量导向包壳外表面。

图1-28 棒状燃料元件传热分析 图1-29 典型轻水堆在不同功率下燃料棒内的温度分布

（2）气隙导热

考虑到包壳和燃料芯块之间存在一层很薄的充满（）的气间隙（称为气隙），这样，在燃料和冷却剂之间的总热阻应该由（）部分组成，即（）的导热热阻、在（）的气隙热阻、（）的导热热阻和对（）的传热热阻。

图1-29是典型的轻水堆在不同功率下燃料帮内的温度分布，可以看到燃料棒内（）的热阻最大，其次是（）。气隙厚度大约为（）mm，气隙温降从图1-29可以看出大约为（）到（）度。

三、对流传热分析

研究对流传热的目的有两个：一是为了得到冷却剂通道内的（），从而保证冷却剂的温度低于（）；另一个目的是找到决定通道壁面（）的关键因素，以便于选择材料和流动参数使得传热系数尽可能（）。

对流是指液体各部分之间发生（），冷热液体发生相互掺混所引起的（）方式，而对流传热是指流体流过固体表面时（）和（）联合起来的热量传递过程。就引起流动的原因进行分类，对流传热可以分为（）传热和（）传热，其中强迫对流传热又可以分为（）强迫对流传热和（）强迫对流传热。主流中没

有（）的（）强迫传热也称为沸腾传热。这里先研究单向流中的对流传热问题。

描述单相冷却剂的对流传热，通常用对流传热的牛顿冷却公式，即：

q=h（Tw-Tb)

其中，Tw是固体的壁面温度；Tb是流体的主流温度；h是传热系数，单位为W/（m2·K）。要确定单向流对流传热强度q ，关键是确定（）h。在理论上和实验研究的基础上，区分层流和湍流、垂直通道和水平通道、加热通道和等温通道等不同结 …… 此处隐藏：4272字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……