反应堆热工

第一章核能发电原理及反应堆概述第1节核电厂工作基本原理1.核反应堆2. 热交换器3. 蒸气涡轮机4. 发电机5. 冷凝器第2节反应堆的分类（1）按用途分：实验堆：用于实验研究；生产堆：专门用来生产易裂变物质或聚变物质；动力堆：用作动力源（2）按引起堆内大部分裂变的中子能量分。

热中子堆：En< 1eV；中能中子堆：1eV <En< 1keV；快中子堆：En> 1keV。

（3）按核燃料状态分。

固体燃料堆；液体燃料堆（4）按慢化剂和冷却剂种类分.轻水堆（H2O）（压水堆、沸水堆）；重水堆（D2O ）；石墨气冷堆；钠冷快中子堆。

动力核反应堆组成及功能（1）堆芯——实现链式裂变反应堆区域。

包括：核燃料元件、慢化剂、冷却剂、控制元件、中子源等。

（2）反应堆控制系统——保证反应堆能安全地实现启动、停堆、功率调节。

包括：控制棒及其驱动系统等。

（3）回路冷却系统——提供足够的冷却剂流量以带走堆芯的裂变释热，并传递热动力产生系统。

包括压力容器、主泵等。

（4屏蔽——吸收、减弱来自堆芯的辐射，保护周围人员和部件。

（5）动力产生系统——将一回路的热能转变为动力。

如汽轮机。

（6）辅助系统——保证冷却剂系统及动力系统的正常运行。

包括：余热导出系统、冷却剂净化系统、放射性废液处理系统、废气净化系统等。

（7）安全设施——保证事故情况下提供必要的冷却、密闭放射性物质，避免环境污染如安全壳。

）第3节压水堆系统压力：15～16 Mpa冷却剂入口温度：300℃，出口温度：330℃冷却剂流量：62000 t/h燃料装量：90 t （电功率1000MWe）最大燃料温度：1780 ℃UO2燃料富集度：2.0～4.0%转化比：0.5第4节沸水堆系统压力：7 Mpa冷却剂入口温度：260～270℃，出口温度：280℃冷却剂流量：47000 t/h燃料装量：140 t （电功率1000MWe）最大燃料温度：1830 ℃UO2燃料富集度：2.0～3.0%转化比：0.5沸水堆核电厂的特点（与压水堆相比）：比功率密度较低，燃料装载量较大，总投资略大；压力容器厚度减少、尺寸变大，制造成本相当；采用直接循环，系统比较简单，回路设备少，易于加工制造；采用喷射泵循环系统，功率调节方便，且使压力容器开孔直径减小，降低了失水事故可能性及严重性；放射性物质直接接触汽轮机、冷凝器等设备，对发电机组要求高，污染范围较大，设计、运行和维修不便。

第5节重水堆系统压力：10 Mpa冷却剂入口温度：260℃，出口温度：300℃冷却剂流量：24000 t/h燃料装量：80 t（电功率500MWe）最大燃料温度：1500 ℃UO2燃料富集度：0.7%（天然铀）转化比：0.8重水堆核电厂的特点（与压水堆相比）：可利用天然铀作核燃料，不需要建造投资巨大的铀同位素分离工厂；燃料经济性好，转换比较高，可充分利用天然铀；堆体积大，且需要大量重水，投资较高，发电成本比轻水堆电站高；为减少重水泄漏损失，反应堆及重水回路的设备密封要求高，制造较复杂；卸料燃耗较浅，卸料量是同功率压水堆的3倍，结构材料消耗量和后处理工作量大；可实现不停堆换料，容量因子较高；由于燃料富集度低，出现严重事故的后果比其它堆型轻。

第6节石墨气冷堆系统压力：4～5 Mpa冷却剂入口温度：330℃，出口温度：750℃冷却剂流量：5000 t/h燃料装量：39 t （电功率1000MWe）最大燃料温度：1400 ℃UO2燃料富集度：10～90%转化比：0.7～0.8高温气冷堆核电厂的特点（与压水堆相比）：石墨既作慢化剂，又作燃料元件的结构材料，堆芯金属结构材料少，中子俘获少，转换比较高；使用氦气作冷却剂，不会产生次生辐射；冷却剂出口温度高，电站热效率高；使用球形燃料，可实现不停堆换料，容量因子较高；对一限制快中子堆发展的问题：核燃料必须有较高的富集度（当量富集度达15％～35％），而且初装量也很大。

在快中子反应堆大规模商业推广前，必须建造一定数量的先进转换堆或热中子堆以便为快堆积累工业钚。

堆芯内没有慢化剂，体积小，功率密度高。

因此要求采用传热性能好而慢化性能差的冷却剂，气冷却在技术上较复杂，还需进行大量研究试验。

燃料元件加工及乏燃料后处理要求高。

由于快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍，因此对材料的要求也较苛刻。

快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短，所以快中子堆的控制比较困难。

回路材料耐热性要求高，技术比较复杂。

第二章热工学基础知识第1节核反应堆热工概述1、反应堆热工在核工程领域的地位：反应堆热工学是研究如何将反应堆内核燃料释热安全地输出堆外的学科。

反应堆热工水力学是研究在反应堆及其回路系统中冷却剂的流动特性和热量传输特性、燃料元件传热特性的学科。

研究对象：燃料元件传热特性、冷却剂流动特性、热量传输特性应用领域：反应堆设计、反应堆运行2. 反应堆热工设计的特点（与常规热工相比）要考虑放射性对冷却剂、固体材料的导热、结构性能的影响。

材料设计要考虑中子吸收、慢化性能和辐照效应。

反应堆功率密度很高，某一构件内部温差大、热应力大，燃料元件的表面热负荷很大，要考虑临界热负荷的安全裕度。

3. 反应堆热工设计的作用热工设计在整个反应堆设计过程中，常常起主导作用和桥梁作用。

必须设计出一个良好的堆芯输热系统。

燃料元件的释热率最终要受到冷却条件和材料性能的限制。

一个完善的堆型方案能否实现，反应堆的安全性、经济性究竟如何协调，也都要在反应堆热工设计中体现出来。

热工设计要对控制系统、安全保护系统的设计提出要求，要为安全保护系统提供安全整定值等等。

4. 反应堆热工水力分析（1）反应堆热工水力分析的任务保证反应堆冷却剂系统在正常运行期间能把燃料元件内产生的裂变能传送到核电厂的热力系统，进行能量转换；在停堆以后也能把衰变热传送出来，保证反应堆安全；在事故工况下，缓解事故的后果；对核物理设计、机械设计、测量仪表和控制系统等的设计提出相关设计要求。

（2）反应堆热工水力分析的内容对堆芯及整个热传输系统进行的热工计算分析——选择电站总体参数稳态分析——对额定功率下反应堆稳定运行的分析——可以在初步设计阶段对各种方案进行比较，协调各种矛盾，并且确定反应堆的结构参数和运行参数瞬态分析——研究启动、功率调节、停堆和各种事故工况下的瞬态过程——可以确定反应堆在各种事故工况下的安全性，提出所需要的各种安全保护系统和工程安全设施及其动作的整定值和动作时间，制定合理的运行规程，并对反应堆的稳态设计提出修正方案（3）反应堆热工水力分析的过程现象分析；模化分析；定量分析；实验验证；程序评价第2节热工基础的研究对象、内容和方法1. 研究对象热能和机械能之间的转换有什么共同规律？如何实现热能和机械能之间的转换？如何提高热机的热效率？2. 热工基础内容热力学——热能间接利用所涉及的热能和机械能之间的转换。

热力学第一、第二定律传热学——热能直接利用中涉及的研究热量传递规律的学科。

3种传热方式及其基本规律3. 研究方法热力学——宏观、唯象的研究方法；可引用微观的气体分子论和统计热力学传热学——解析法——建立物理模型、数学模型→数学分析求解数值计算法——计算机近似求解（非线性方程）试验研究法——实验测定→建立实验方程→分析求解第3节热力学基础知识1、热力系、热力状态及状态参数（1）热力系统：热力现象中一定范围的研究对象工质：实现能量相互转换的媒介物质。

热力状态：热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。

（2）基本状态参数——可直接或容易用仪器测定比体积（v）单位：m3/kg压力（p）单位：Pa温度（T）单位：K ，℃（3）其它状态参数热力学能（内能）（U）单位：J工质微观粒子所具有的能量。

在分子尺度上它包括分子运动所具有的内动能和分子间由于相互作用力所具有的内位能。

U=U（T,V）焓（H） H=U+pV 单位：J开口系中，焓是流入（或流出）系统的工质所携带的取决于热力学状态的总能量。

闭口系中，焓是复合的状态参数。

熵（S）单位：J/K表示任何一种能量在空间中分布的混乱（均匀）程度，能量分布得越混乱（均匀），熵就越大。

3. 热力过程（1）热力过程：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。

（2）可逆过程：如果系统完成某一热力工程后，再沿原来路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化，这一过程称为可逆过程；否则，称为不可逆过程。

（3）系统对外做功时取正值，外界对系统做功时取负值；系统吸热时热量取正值，放热时取负值。

4. 热力学第一定律（1）定律表述：热可以转变为功，功也可以转变为热；一定量的热消失时，必然伴随产生相应量的功；消耗一定的功时，必然出现与之对应量的热。

热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，它们的传递和转换过程中，总量保持不变。

（2）热力学第一定律表达式（3）闭口系能量方程（4）稳定流动系统的能量方程5. 热力学第二定律（1）定律表述克劳修斯——不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。

开尔文——不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其它变化。

综合——热力过程具有方向性，一个非自发过程的进行必须付出某种代价作为补偿。

（2）熵增原理孤立系的熵只能增加，不能减少，极限的情况（可逆过程）可保持不变。

（3）能量的品质电能、机械能品质较高；热能品质较低；热能的温度愈高其品质愈高。

（4）能量贬值原理在孤立系统的能量传递与转化过程中，能量的数量保持不变，但能量的品质却只能下降，不能升高，极限条件下可保持不变。

6. 热力循环（1）理想循环：指忽略工作循环中的所有不可逆因素后仍能近似地反映该类循环的基本特征的理想可逆循环。

（2）卡诺循环卡诺循环是由两个定温过程及两个绝热过程组成的理想循环。

工质在同温度的T1下，自高温热泥吸入热量Q1，在可逆绝热膨胀过程中，工质温度自T1降低到T2。

然后，工质在温度T2下向同温度的低温热源放出热量Q2。

最后，经可逆的绝热压缩过程，工质温度由T2 升高到T1，完成一个可逆循环。

卡诺循环的热效率公式：121C t T T T η-=从卡诺循环的分析可以得到3条重要结论：卡诺循环确定了实际热力循环的热效率可以接近的极限数值，从而可以度量实际热力循环的热力学完善程度。

卡诺循环对如何提高热力循环的热效率指出了方向：尽可能提高工质吸热时的温度以及使工质膨胀至尽可能低的温度，在接近自然环境温度下对外放热。

对于任意复杂循环，提出了广义(等价)卡诺循环的概念，即以平均吸热温度T1及平均放热温度T2来代替T1及T2的概念，两者具有相同的热效率。

3）朗肯循环迄今为止，在工程上还没有造成完全按卡诺循环工作的热力发动机。

用饱和蒸汽作为工质时，原理上是可能实现卡诺循环的。