反应堆热工水力学作业解答

反应堆热工水力学作业参考答案

第一章 绪论

1-2、二氧化铀的熔点、密度、热导率、比热的特性如何？

答：未经辐射的二氧化铀熔点的比较精确的测定值为︒±152805C 。辐射以后，随着固相裂变产物的积累，二氧化铀的熔点会有所下降，燃耗越深，下降得越多。熔点随燃耗增加而下降的数值约为：燃耗每增加10000兆瓦·日/吨铀，熔点下降32°C 。

二氧化铀的理论密度为10.983

/cm g ，但实际制造出来的二氧化铀，由于存在孔隙，还达不到这个数值。加工方法不同，所得到的二氧化铀制品的密度也就不一样。

热导率：①未经辐照的二氧化铀，可以粗略的认为，温度在1600°C 以下，热导率随着温度的升高而减小，超过1600°C ，二氧化铀的热导率则随着温度的升高而又有某种程度的增大。②辐照对二氧化铀热导率的影响总的趋势是：热导率随着燃耗的增加而减小。应该指出二氧化铀热导率的影响与辐照时的温度有着密切的关系，大体来说，温度低于500°C 时，辐照对热导率的影响比较显著，热导率随着燃耗的增加而有较明显的下降，大于500°C 时，特别是在1600°C 以上，辐照的影响就变得不明显了。③氧铀比对氧化铀的热导率也有一定的影响，随着氧铀比的增加，氧化铀的热导率将显著减小。

二氧化铀的比热可以表示成温度的函数：

在25°C ＜t ＜1226°C 的情况下， 262)15.273/(1061051.238.304+⨯-⨯+=-t t c p

在1226°C ＜t ＜2800°C 的情况下，

41036231059.11012.11071.2789.225.712t t t t c p ---⨯-⨯+⨯-+-=

在上面两式中，p c 的单位是)·/(C kg J ︒，t 的单位是C ︒。

1-3、反应堆对冷却剂的要求是什么？

答：在选择合适的冷却剂时希望具有以下特性：

① 中子吸收截面小，感生放射性弱

② 具有良好的热物性（比热大，热导率大，熔点低，沸点高，饱和蒸汽压力低等），以便

从较小的传热面带走较多的热量。

③ 粘度低，密度高，使循环泵消耗的功率小

④ 与燃料和结构材料的相容性好

⑤ 良好的辐射稳定性和热稳定性

⑥ 慢化能力与反应堆类型相匹配

⑦ 成本低，使用方便，尽量避免使用价格昂贵的材料。

1-4、水作为冷却剂，有什么优缺点？

答：水具有良好的热物性，价格便宜，使用方便，所需输送功率小。缺点主要有：①水的沸点低，为了使高温水保持液态，一回路设备，包括反应堆本体，须在高的压力下运行。②存在沸腾临界问题，使得提高堆内释热功率的可能性受到限制。③水在高温下的腐蚀作用相当

强，因此同高温水相接触的设备和部件须有耐腐蚀的高强度材料制造。

第二章反应堆热源及稳态工况下的传热计算

2-1、反应堆的热源来自于什么？

答：来自于裂变过程中释放出来的巨大能量。

2-2、每次核裂变放出的裂变能是多少？约有多少百分比作为大型压水堆堆芯燃料元件释放热量进行传热计算？

答：每次裂变释放的裂变能约为200MeV，取97.4%进行传热计算。

2-3、堆芯的热功率及其分布与什么因素有关？

答：与燃料的布置、控制棒的分布、水隙及空泡，以及燃料元件的自屏蔽有关。

2-4、圆柱形均匀裸堆的热功率分布是怎样的？

答：径向为贝塞尔函数，轴向为余弦函数。

2-6、什么是强迫对流，什么是自然对流？

答：强迫对流是流体在机械作用下引起的强迫流动，自然对流是在流体内部密度梯度引起的流体运动过程。

2-7、试标出下图给出的沸腾曲线各部分的传热类型，并说明各部分的特征。

答：（图在教材48页或者28页）

Ⅰ（AB段）：单相自然对流；依靠温度梯度进行热量传递

Ⅱ（BC段）：泡核沸腾；在加热面上产生汽泡，在低热流密度下，开始时只在一些点上产生。当热流密度增加后，由于汽泡聚合，到达高热流密度时，在接近加热面附近形成蒸汽或蒸汽柱。

Ⅲ（DE段）：过渡沸腾；在加热面上存在一层不稳定的蒸汽膜，该蒸汽膜以多少有点不规则的间隔释放出一些大的蒸汽片。这时的加热面是间断润湿的。只有在壁面温度可以受控制的条件下，才能对这个区进行研究。

Ⅳ（EF段）：膜态沸腾区；整个受热面为稳定的汽膜所覆盖，从传热强度在E点达到最低值。此后随着壁温的进一步升高，传热强度因辐射传热的增强而又有所提高。

2-8、什么是沸腾危机？有哪两种？分别说明其特点。

答：称大容器饱和中的临界热流为沸腾危机（元件包壳可能被烧毁的那个沸腾状态）。第一类沸腾危机：由于换热偏离核态沸腾而造成的传热恶化；第二类沸腾危机，由于液膜蒸干而引起的传热恶化。

沸腾临界一般和发生沸腾临界时流型有着密切的关系，根据流动工况的不同，通常把沸腾临界分为两类，即过冷或低含汽量下的沸腾临界和高含汽量下的沸腾临界。低含汽量下，大的温度阶跃足以导致加热面迅速“烧毁”，叫“快速烧毁”；高含汽量下一般不会使金属材料马上烧损，称为“慢速烧毁”。

2-9、什么是临界热流密度？

答：沸腾临界的特点是由于沸腾机理的变化引起放热系数的陡降，导致受热面的温度骤升。刚刚达到沸腾临界时的热流密度称为临界热流密度。

2-10、如果热流密度不高，不会达到偏离泡核沸腾工况，试问随着含汽量的升高，相继会出现什么传热工况？

答：单向自然对流、泡核沸腾。

2-11、说明热量从燃料棒芯块中心到芯块表面、间隙、包壳内外壁以及冷却剂的传热过程，并写出这些过程中的各个传热公式。

答：从燃料棒芯块中心到芯块表面：具有内热源的导热问题，公式为

∑∆++∆+=)]0([cos sin ·)0(2)(Re

Re Re 1,0θπππL z L z C W L q t t z t p f

in f 芯块表面到包壳内壁：可认为是无内热源的环形气隙的导热问题，公式为

Re

1cos )0()(ln 2)()()(L z z t d d k z q z t z t g ci u ci g ci u πθπ∆+=+= 包壳内壁至包壳包壁：无内热源的导热问题，公式为

Re cos

)0()()(L z z t z t c cs ci πθ∆+=

包壳外壁至冷却剂：无内热源的对流换热，公式为 Re Re Re 1,cos )0(sin ·)0(2)(L z L z C W L q t t z t f p f in f cs πθππ∆++∆+

= 2-12、写出堆芯的输热公式。 答：010106021.1V N E N f f t φσ-⨯= 千瓦

2-14、什么是层流，什么是湍流？区分层流和湍流的判据是什么？

答：层流：流体流动时，各质点作分层运动，流体质点在流层之间不发生混杂，呈规则的层状运动。湍流：流体流动时，质点呈紊乱流动形态，流体质点不保持在一个固定层内运动，而有互相交混和碰撞，产生动量交换。区分层流和湍流的判据是雷诺数：

，湍流，层流

上下13800Re Re 2300Re Re =>=<

当上下Re Re Re <<时，可能是层流，也可能是湍流，属于过渡区段。

2-16、已知燃料元件棒的体积释率，如何换算成燃料元件棒表面的热流密度和燃料元件棒的线功率密度？

答：燃料芯块的线功率l q ，燃料芯块的表面热流密度q ，燃料芯块的体积释热率v q ，三者

之间的关系为：v u u l q r q r q 22ππ==

2-17、反应堆停堆后的热源有哪几种？刚停堆时堆的剩余功率约占总热功率的百分之几？ 答、反应堆停堆后的热源有剩余裂变功率、裂变产物衰变功率、中子俘获产物的衰变功率。约占总功率的6%

2-18、停堆之后，燃料元件表面热流密度下降的速度是否与燃料元件的剩余发热下降速度相同，为什么？

答：不相同，主要是因为影响两者的因素不完全一样。

第三章 核反应堆稳态工况的水力计算