反应堆热工水力学作业解答

1、反应堆热工水力学作业参考答案湖北张坤第一章绪论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C。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10.98，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：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&

2、#176;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。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。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°Ct1226°C的情况下，在1226°Ct2800&#

3、176;C的情况下，在上面两式中，的单位是，的单位是。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：水的沸点低，为了使高温水保持液态，一回

4、路设备，包括反应堆本体，须在高的压力下运行。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。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

5、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）（AB段）：单相自然对流；依靠温度梯度进行热量传递（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。（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

6、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。（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

7、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

8、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，公式为包壳内壁至包壳包壁：无内热源的导热问题，公式为包壳外壁至冷却剂：无内热源的对流换热，公式为2-12、写出堆芯的输热公式。答： 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：当时，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

9、燃料元件棒的线功率密度？答：燃料芯块的线功率，燃料芯块的表面热流密度，燃料芯块的体积释热率，三者之间的关系为：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3-1、核反应堆稳态工况的水力计算的任务是什么？答：稳态工况水力计算的内容概括起来主要包括以下几个方面：1、 计算冷却剂的流动压降，以便

10、确定：堆芯各冷却剂通道内的流量；合理的堆芯冷却剂流量和合理的一回路管道、部件的尺寸以及冷却剂循环泵所需要的功率。2、 对于采用自然循环冷却的反应堆（如沸水堆），或利用自然循环输出停堆后的衰变热，需要通过水力计算确定在一定的反应堆功率下的自然循环水流量，配合传热计算，定出堆的自然循环能力。3、 对于存在汽水两相流动的装置，像沸水堆或蒸汽发生器，要分析其系统内的流动稳定性。在可能发生流量漂移或流量振荡的情况下，还应在分析系统水动力特性的基础上，寻求改善或消除流动不稳定性的方法。3-2、流体流动的总压降由哪几部分组成？ 答： 总压降由四部分组成：提升压降、加速压降、摩擦压降、形阻压降（也称局部压降）

11、。3-3、单相流体的摩擦压降的计算公式如何？摩擦阻力系数主要与哪些因素有关？答：计算单相流的摩擦压降，普遍采用达西公式，即式中f称为达西韦斯巴赫摩擦系数，它与流体的流动性质（层流与湍流）、流动状态（定型流动即充分展开的流动与未定型流动）、受热情况（等温与非等温）、通道的几何形状、表面粗糙度等因素有关。3-6、什么是汽液两相流动？答：多种物相在同一个系统内一起流动称为多相流。汽液两种物相在同一个系统内一起流动称为汽液两相流动。3-7、什么是质量含汽率x、体积含汽率、空泡份额和滑速比S？写出空泡份额的理论计算公式。答：(a含汽量（即质量含汽率）在汽夜两相混合物中定义了三种：1 静态含汽量。对于不流

12、动的系统，即在汽相和液相都没有运动的系统内，静态含汽量定义为 2 真实含汽量。对于流动通道，任何一个横截面上的真实含汽量定义为3 平衡态含汽量。其汽液两相处于热力平衡状态。(b将称为体积含汽率。(c在静止的汽液混合物中，空泡份额被定义为蒸汽的体积与汽液混合物总体积的比值；在流动系统中，在所考虑的区段内的空泡份额是该区段蒸汽的体积与汽液混合物总体积之比。(d在两相流中，蒸汽的平均速度与液体的平均速度之比称为滑速比S。(e空泡份额的理论计算公式：3-10、写出水泵的功率计算表达式。答：有效功率千瓦，轴功率千瓦3-11、什么是水泵的汽蚀？答：泵在运行时，其内部液流的压力会发生变化。当泵内局部区域的压

13、力降低到液体汽化压力以下时液体就要汽化，这时在液体中要生成大量汽泡，发生空泡现象，在汽泡中充满着水蒸汽和原来溶解于液体的气体。当含有大量汽泡的液体向前流经叶轮内的高压区时，由于这里的压力已达到或大于汽化压力，则水蒸汽立即凝结成液态。这时汽泡周围压力较高的液流以很高的速度冲向汽泡，促使汽泡的体积迅速缩小，最后汽泡破裂消失。在此瞬间产生很强烈的水击作用。以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几千个大气压。金属受疲劳破坏，表面剥落，形成伤痕，严重时会将壁厚击穿。这种现象叫剥蚀。另外在汽泡中还含有一些活泼气体，当汽泡凝结时散发出的热量促使气体对金属加速化学腐蚀作用从而加速金属的破坏。这种机械剥蚀和

14、化学腐蚀现象总称做汽蚀破坏。3-12、汽蚀有什么危害？答：汽蚀的危害主要有：使泵的扬程和效率明显下降，甚至供水断流；产生振动和噪音；当汽蚀汽泡溃裂时，在固体表面上产生很高的局部冲击应力，导致材料表面破损。3-13、什么原因引起一回路主泵汽蚀，汽蚀后会出现什么征兆？答：当液体中带有大量汽泡时就会发生汽蚀。所以当反应堆一回路出现破口，冷却剂流失，水位降到反应堆压力容器出口管嘴标高以下时或一回路内冷却剂温度达到相应压力下的饱和温度时，将在冷却剂内存在或产生大量汽泡，就要发生汽蚀现象，引起流量和扬程减小，产生振动和噪音，导致水泵叶片破损。3-14、什么是自然循环？答：自然循环是指在闭合回路内依靠热段（

15、向上流）和冷段（向下流）中的流体密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环。3-17、自然循环对核电厂安全运行的重要意义是什么？答：在堆芯结构和管道系统设计合理的情况下，就可以利用一回路的自然循环带出停堆后产生的热量，确保反应堆安全停堆。3-18、一些什么原因会使反应堆一回路的自然循环中断？答：自然循环的建立是依靠驱动压头克服了回路内上升段和下降段的压降而产生的，如果驱动压头不足以克服上述压降，自然循环就要停止。可能原因：上升段和下降段的摩擦压降和局部压降太大。上升段和下降段之间流体的密度差不够大。可能由于蒸汽发生器二次侧冷却能力过强。如果二次侧冷却能力过强（流量很大、温度低），很快地把一次侧的水

16、温在在倒U形管上升段内降下来，与下降段的水温相差甚少时，驱动压头就降低很多，使自然循环能力减小，甚至中断。自然循环必须是在一个流体连续流动的回路（或容器）中进行，如果中间隔断了，就不能形成自然循环。例如堆芯中产生了汽体，并积存在压力壳的上腔室，使热段出水管口裸露出水面，形不成一个流通回路，自然循环就中断。还有如果在蒸汽发生器的倒U管顶部积存了较多的汽体，驱动压头又不能使倒U形管上升段中的水（或水汽混合物）冲过去赶走积存的汽体，自然循环也要停止下来。3-19、什么是临界流（或临界流动），临界流量，临界流速？答：当流体自系统中流出的速率不再受下游压力下降的影响时，这种流动就称为临界流，此时的流量称

17、为临界流量，此时的流速称为临界流速。3-20、临界流量的大小取决于上游工况还是下游工况，为什么？ 答：临界流量的大小取决于上游工况。如果上游容器的压力保持不变，并且假设容器中的流体温度和比容也都是定值，当外问题压力即背压下降到低于容器中的流体压力时，流体便从通道内向外流出，并在通道内自至通道出口压力之间建立起一个压力梯度，这时的等于。当进一步降低时，也随之下降，并且其值等于变化后的，出口流速也相应增大；这个关系一直保持到某一个值，在该值下通道出口处流体的速度等于该处温度和压力下的声速为止。此后，进一步降低，出口截面处流速不会再加大，也不会再降低。事实上由公式也可以说明，临界流量为，其中为上游滞

18、止压力，为滞止温度、滞止压力下的比容。所以临界流量取决于上游工况。4-1、压水动力堆设计中规定的稳态热工设计准则是什么？答：目前压水动力堆设计中所规定的稳态热工准则，一般有以下几点：燃料元件外表面不允许发生沸腾临界。燃料元件芯块最高温度应低于熔化温度。在稳态额定工况时，要求在计算的最大热力功率情况下，不发生流动不稳定性。正常工况下，燃料元件和堆内构件能得到充分冷却，事故工况下，能够提供足够的冷却剂以排出堆芯余热。4-2、什么是平均管，什么是热管？答：平均管是以名义尺寸设计的具有平均热流密度的假想通道。热管是堆芯内具有最大焓升的燃料冷却剂通道。4-3、什么是热管因子，什么是热点因子？他们分别又由哪些部分组成？答：热管因子是堆芯热管最大焓升与堆芯名义最大焓升的比值；热点因子是堆芯热点最大热流量与堆芯名义最大热