《核反应堆热工分析》复习资料大全.doc

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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→239Pu

239Pu+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n

238U+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：

包壳材料的选择

·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

·材料的加工性能

·材料的机械性能

·材料的抗辐照性能

只有很少的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的是锆合金包壳。

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——

dx

k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＝50mm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＝374W／（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

（1）材料为铜，k＝374W／（m.K）代入得：

（2）材料为钢，k＝36.3W／（m.K）代入得：

牛顿冷却公式：

q=a（tw－tf）（a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=8700W／（m2·K），管外氟里昂蒸气凝结换热表面传热系数α2=1800W／（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

冷凝器的总传热系数：

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

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）

6.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）

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。

若试验段均匀加热，使试验段的出口温度变为300℃，回路的压降又是多少？

假定这时热交换器内管的平均温度比管内水的平均温度低40℃。

4-2:

某沸水反应堆冷却剂通道，高1.8m，运行压力为48巴，进入通道的水的过冷度为13℃，离开通道时的含汽量为0.06，如果通道的加热方式是：

1）均匀的和2）正弦的（坐标原点取在通道的进口处），试计算它的不饱和沸腾段高度和饱和沸腾段高度（忽略过冷沸腾段和外推长度）。

4-3:

设有一个以正弦方式加热的沸腾通道（坐标原点取在通道的进口处），长3.6m运行压力83巴，不饱和沸腾段高度为1.2m，进口水的过冷度为15℃，试求该通道的出口含汽量和空泡份额（忽略过冷沸腾段）。

4-4:

试计算由直径为20mm突然扩大至50mm的水平管中汽水两相流的静压力变化和压力损失。

假设系统的运行压力是10巴，含汽量是0.04，质量流速是0.8kg/s。

4-5:

试导出汽水两相流的空泡份额、真实含汽量x和滑速比S间的关系式。

4-6:

某一模拟试验回路的垂直加热通道，在某高度处发生饱和沸腾，已知加热通道的内径d=2cm，冷却水的质量流量为1.2吨/时，系统的运行压力是100巴，加热通道进口水焓为1214kJ/kg，沿通道轴向均匀加热，热流量，通道长2m。

试用平衡态模型计算加热通道内流体的饱和沸腾起始点的高度和通道出口处的含汽量。

4-7:

已知压水堆某通道出口、入口水温为320℃和280℃，压力为15.5MPa，元件外径为10.72mm，活性段高度3.89mm，栅距14.3mm，包壳平均壁温320℃，当入口质量流速为时，求沿程摩擦压降，加速压降，并加以比较。

9.临界流模型及临界流的特点：

10.对于单相流，确定发生临界流的两个等价条件是：

1）流速等于截面压力和温度下的声速，2）截面上游流动不受下游压力的影响。

11.流动不稳定性的概念及原因：

在被加热液体发生相变的两相流动中，不均匀的体积变化可能导致流动不稳定性。

流动不稳定这个名称的含义是指在一个热力—流体动力学耦合的两相系统中，流体受到某一微小扰动后会引起质量流量、压降和空泡份额以某一频率的常振幅或变振幅的振荡。

这种现象与机械系统中的振动很相似。

12.流动不稳定性的主要类型：

1）、水动力不稳定性;2）、并联通道的管间脉动;3）、流型不稳定性;4）、动力学不稳定性;5）、热振荡

第五章反应堆稳态热工设计原理

1.反应堆热工设计准则（教材140页3点针对压水堆）

2.当不考虑在堆芯进口处冷却剂流量分配的不均匀，以及不考虑燃料元件的尺寸、性能等在加工、安装、运行中的工程因素造成的偏差，单纯从核方面考虑，堆芯内存在着某一积分功率输出最大的燃料元件冷却剂通道，即热管。

同时堆芯内还存在着某一燃料元件表面热流量最大的点，即热点。

热管：

积分功率输出最大的冷却剂通道；热点：

燃料元件表面热流量最大的点；认为：

热点位于热管内；平均管是一个具有设计的名义尺寸、平均的冷却剂流量和平均释热率的假想通道，反映整个堆芯的平均特性。

（教材141页）

3.为了衡量各有关的热工参数的最大值偏离平均值的程度，引进了一个修正因子，这个修正因子就称为热管因子或热点因子。

它们是用各有关的热工（或物理）参数的最大值与平均值的比值来表示的。

4.烧毁比和最少烧毁比的概念（教材167页5-36、5-45、5-54）

5.降低热管因子和热点因子的途径：

þ核热管因子和热点因子：

þ沿堆芯径向装载不同浓缩度的核燃料

þ在堆芯周围设置反射层

þ固体可燃毒物的适当布置以及控制棒分组及棒位的合理确定。

þ加硼水

þ程热管因子和热点因子：

þ合理控制有关部件的加工及安装误差

þ精细进行结构设计和堆本体水力模拟实验

þ改善下腔室冷却剂流量分配

þ加强相邻燃料元件冷却剂通道间的流体横向交混

6.大容积沸腾曲线（教材159页）

7.影响临界热流量的6个因素：

（教材166页）

8.单一通道模型的概念：

（教材168页）

9堆热工设计目的（188）？

核电站设计由哪几个部分组成？

提高核电站经济效益有哪几个途径（189）？

10.掌握教材194页图5-18

11.失流事故概念