《核反應堆熱工水力學》第5部分 燃料元件和堆內(nèi)部件的傳熱及溫度分布 4

第4章燃料元件和堆內(nèi)部件的傳熱及溫度分布

壓水堆操縱員基礎理論培訓——《核反應堆熱工水力學》授課人：6)5)1)2)3)4)主要內(nèi)容要點2023/10/64.1板狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.3傳熱系數(shù)h對燃料元件釋熱的影響4.4積分熱導率4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布4.5熱屏蔽的傳熱4.2棒狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布以及包殼外表面向冷卻劑傳熱分析假設只分析計算穩(wěn)態(tài)工況。在燃料元件的任一橫截面上，中子注量率或體積釋熱率都認為是常數(shù)。當分析計算一段比燃料元件全長短得多的微元段時，可以忽略中子注量率或體積釋熱率在微元段內(nèi)的軸向微小變化。燃料元件包殼內(nèi)和冷卻劑內(nèi)不釋熱2023/10/6導熱微分方程4.1板狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.1.1燃料內(nèi)的導熱及其溫度徑向分布對平板型燃料：兩次積分并代入邊界條件得：2023/10/6對于平板元件：在相同導熱路徑和總溫差下，有均勻內(nèi)熱源的釋熱系統(tǒng)中，單位面積導出的熱功率是無內(nèi)熱源的2倍2023/10/64.1板狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.1.2包殼內(nèi)的導熱及橫截面溫度分布2023/10/6對平板形包殼4.1板狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.1.3包殼外表面對流換熱過程2023/10/6牛頓加熱或冷卻公式沿燃料元件徑向方向對板狀燃料元件4.2棒狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱燃料芯塊內(nèi)的導熱和其截面上溫度分布的計算棒狀元件導熱微分方程：2023/10/6兩種求解方法，注意邊界條件燃料元件內(nèi)溫度分布燃料芯塊內(nèi)外表面溫差4.2棒狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱燃料芯塊能量守恒關系2023/10/64.2棒狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.2.2燃料芯塊與包殼內(nèi)表面之間間隙傳熱間隙傳熱系數(shù)計算相當復雜（1）隨著裂變氣體的增多，氣隙導熱系數(shù)會降低；（2）氣隙尺寸會隨運行工況變化；（3）運行過程中，芯塊可能與包殼發(fā)生接觸。計算間隙熱導的方法：（1）氣隙導熱模型（2）氣隙導熱和接觸導熱混合模型（3）經(jīng)驗數(shù)值2023/10/64.2棒狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.2.3燃料芯塊與包殼內(nèi)表面之間間隙內(nèi)的溫度分布導熱微分方程：兩次積分，代入邊界條件：根據(jù)傅里葉定律：2023/10/64.2棒狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.2.4包殼內(nèi)的導熱和溫度分布對圓筒壁包殼4.2棒狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.2.5燃料棒包殼外表面對冷卻劑的傳熱冷卻劑傳熱的線功率：各壁面溫差用線功率表示為：2023/10/64.2棒狀燃料元件的導熱和其橫截面上溫度分布

以及包殼外表面向冷卻劑傳熱4.3傳熱系數(shù)h對燃料元件釋熱的影響當時2023/10/6提高h的物理影響給定體積釋熱率條件下可提高冷卻劑溫度同時可限制燃料中心溫度提高h的收益提高效率增加堆芯功率輸出提高安全性提高h的限制對于單相對流，必須提高冷卻劑速度，這樣會增加泵的消耗功率，并引起燃料組件的振動和表面沖刷等問題。對于沸騰兩相流動，傳熱系數(shù)還受沸騰危機的限制。2023/10/64.3傳熱系數(shù)h對燃料元件釋熱的影響4.4積分熱導率燃料熱導率：

燃料芯塊的導熱率與溫度有關，卻又不是線性關系，直接計算比較麻煩，因而把熱導率對溫度的積分看做一個整體，這就是所謂的積分熱導率。積分熱導率避免了熱導率對溫度的積分，其數(shù)值可以通過實驗測得。為了便于計算，積分熱導率的具體數(shù)值通常以表格形式給出。

2023/10/6棒狀元件積分熱導率板狀元件積分熱導率積分熱導率計算方法：其中：和都可以通過查表得到。2023/10/64.4積分熱導率4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布有限無干擾圓柱反應堆堆芯功率分布特點2023/10/62023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(1)基本假定大型壓水反應堆功率分布適應性多棒連續(xù)性假定細棒一維化假定定物性假定4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(2)計算目的有限圓柱形反應堆溫度軸向分布有限圓柱形反應堆溫度徑向分布有限圓柱形反應堆內(nèi)各處最高溫度4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(3)計算思想基于反應堆內(nèi)功率分布特性利用輸熱方程計算某通道內(nèi)冷卻劑軸向分布結合徑向溫度分布特性確定溫度分布規(guī)律4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布242023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(4)4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(5)冷卻劑軸向溫度分布冷卻劑輸熱方程已知入口溫度已知功率分布其中，燃料元件所釋放熱量為4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(6)于是，冷卻劑出口溫度為討論正弦分布4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(7)包殼外壁面軸向溫度分布冷卻劑軸向溫度分布包殼外表面對流換熱方程定對流換熱系數(shù)徑向+冷卻劑軸向溫度分布=包殼軸向溫度分布4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(8)冷卻劑軸向溫度分布包殼外表面對流換熱方程包殼外表面溫度分布4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(9)包殼外表面溫度分布包殼外表面對流換熱溫壓最大溫壓4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(10)包殼外表面溫度分布包殼內(nèi)表面溫度>包殼外表面溫度包殼熔點壓水環(huán)境工作溫度Tcs,max?4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(11)包殼外表面溫度分布利用連續(xù)函數(shù)求極值方法，對z求導4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(12)包殼外表面最高溫度考慮到忽略外推長度影響4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(13)包殼內(nèi)壁面軸向溫度分布包殼外壁面軸向溫度分布+包殼導熱徑向溫度分布+忽略包殼內(nèi)部的釋熱量4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(14)包殼外表面溫度分布包殼導熱徑向溫度分布最大導熱溫差4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(15)包殼內(nèi)表面溫度分布若考慮包殼導熱系數(shù)隨溫度變化4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(16)燃料外壁面軸向溫度分布包殼內(nèi)壁面軸向溫度分布+氣隙或接觸導熱徑向溫度分布兩種導熱模型原理4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6包殼內(nèi)壁面軸向溫度分布有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(17)氣隙導熱徑向溫度分布（條件）單一組分氣體及多組分氣體導熱模型4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6包殼內(nèi)壁面軸向溫度分布有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(18)接觸導熱徑向溫度分布接觸導熱的保守性4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(19)燃料外壁面軸向溫度分布4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(20)燃料中心軸向溫度分布燃料外壁面軸向溫度分布+燃料導熱徑向溫度分布4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10/6有限圓柱形反應堆內(nèi)各處溫度分布計算(21)燃料外壁面軸向溫度分布+燃料導熱徑向溫度分布4.5棒狀燃料元件和其冷卻劑的軸向溫度分布2023/10