核安全填空背书-030105-堆内的释热与传热

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1、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（200）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（裂变碎片动能）、（裂变中子动能）和（瞬发γ射线）。从表中数据可以看到，绝大部分的能量集中在（裂变碎片动能）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（裂变产物的衰变）产生

2、的；第三类是活性区内的（燃料）、（结构材料）和（冷却剂）吸收中子（n，γ）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（燃料元件）进行了长期的冷却，对（乏燃料）发热也要引起足够的重视。表1-4裂变能分布类型来源能量MeV射程释热地点极短，裂变碎片动能168在（燃料元件）内<0.025mm裂变瞬发裂变中子动能5中大部分在（慢化剂）内瞬发γ射线能量7长堆内各处大部分（燃料元件）内，裂变产物衰变β射线7短，<10mm裂变缓发小部分（慢化剂）内裂变产物衰变γ射线6长堆内各处过剩中子引起过剩中子引起的非裂变反

3、应加上（n，约7有短有长堆内各处（n，γ）反应γ）反应产物的β衰变和γ衰变总计约200裂变碎片的射程最短，小于（0.025）mm，因此可以认为裂变碎片动能基本上都是在（燃料芯块）内以（热能）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（燃料芯块）内释放出来的。因此，裂变能的绝大部分（工程上通常取（97.4）%）在（燃料元件）内转换为热能，少量在（慢化剂）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（圆柱形）堆芯。正如本章第一节中所

4、揭示的，圆柱形均匀堆的（热中子注量率）分布在高度方向上为（余弦）分布，半径方向上为（零阶贝塞尔函数）分布，即：-43-⎛⎞2.405rz⎛π⎞ϕϕ(,)rz=J⎜⎟cos⎜⎟00RL⎝⎠ee⎝⎠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：⎛⎞2.405rz⎛π⎞qrz(,)=ϕJ⎜⎟cos⎜⎟vvmax0RL⎝⎠ee⎝⎠注意，这样得到的是把全堆芯均匀化之后的结果。如考虑（元件棒）和（慢化剂）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

5、部分在（燃料元件）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：ϕ=FENσϕvumaxf5f0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（燃料元件分区布置）对堆内功率分布的影响很大；（控制棒的布置）对功率分布影响也很大。因为反应堆的功率输出是由（传热能力）来决

6、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）。功率展平的主要措施有（燃料元件）分区布置、合理设计和布置（控制棒）（例如采用束棒及部分长度控制棒），堆芯内（可燃毒物）的合理布置、采用（化学补偿溶液）以及堆芯周围设置（反射层）。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（温度场）。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（燃料元件）熔化，就必须知道燃料元件内的（温度分布）；第二，由于温度梯度会造成（热应力），因此在（燃料芯块

7、）和（结构材料）设计的时候要考虑温度的（空间分布），而且材料在高温下的（蠕变）和（脆裂）等现象都与温度有密切关系；第三，包壳（表面）和（冷却剂）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，（燃料）和（慢化剂）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，（燃料元件温度场）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（释热率），也就是通常说的（发热功率），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（流动状态）以及（温

8、度）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