课程名称：反应堆热工水力学.doc

1、课程名称：反应堆热工水力学 （讲义）主讲教师：俞冀阳 开课单位：工程物理系课程基本情况：限选课，高年级本科生，课内32学时，2学分要求先修课程：反应堆物理，传热学，工程热力学，流体力学参考教材：核反应堆热工分析，于平安等著参考书：1. L.S. Tong, J. Weisman著，袁乃驹等译，压水反应堆热工分析，原子 能出版社，1983. 2. M.M. El-Wakil, Nuclear Heat Transport, International Textbook Company, 1972.教学日历(地点:新水300)日期(星期)时间授课内容作业99/09/13(周一)15:0016:35

2、1.12.12-1,2-299/09/16(周四)7:409:152.22.399/09/20(周一)15:0016:353.13.2.23-1,3-2,3-3,3-43-5,3-6,3-799/09/23(周四)7:409:153.2.33.4.199/09/27(周一)15:0016:353.4.23.53-8,3-9,3-103-11,3-1299/09/30(周四)7:409:153.699/10/04(周一)15:0016:354.14.1.44-14-2,4-3,4-499/10/07(周四)7:409:154.1.54.2.199/10/11(周一)15:0016:354.2.2

3、4.2.64-5,4-64-799/10/14(周四)7:409:154.34.599/10/18(周一)15:0016:355.15.25-1,5-25-3,5-499/10/21(周四)7:409:155.299/10/25(周一)15:0016:355.35-5,5-65-799/10/28(周四)7:409:155.45.699/11/01(周一)15:0016:356.16.399/11/04(周四)7:409:156.46.6教学大纲教学目的和要求反应堆热工水力学在核反应堆工程中起着十分重要的作用，它是研究核反应堆及其回路系统中的冷却剂流动特性、热量传输特性和燃料元件传热的一门工程

4、性较强的课程。本课程包括反应堆稳态工况下的传热计算和水力计算，反应堆稳态设计原理和反应堆热工瞬态设计简介。本课程是反应堆工程专业方向的一门专业主干课程。开设该课程的目的在于着重掌握反应堆工程领域热工水力学的基本分析方法，运用先修课程流体力学、传热学、工程热力学和反应堆物理中学到的基本概念、基本公式和基本结论，以核反应堆堆芯为主要分析对象，达到既了解反应堆稳态工况下的工作情况以及在瞬态工况下的变化特点，又能训练和培养独立分析问题的技能和能力。根据本门课程的特点和具体情况，拟从轻水堆单通道设计模型出发，引导学生各抒己见，选择释热元件在高、中、低不同热流密度情况下，堆元件的温度场做出计算机程序分析，

5、并组织好交流，以培养学生的创新意识和互相合作，协同作战的能力。课程内容、进度和学时分配第一章 绪论（1学时）第二章 堆芯材料选择和热物性（3学时）第三章 堆热源及稳态传热计算（8学时）第四章 稳态工况下的水力计算（8学时）第五章 反应堆稳态热工设计原理（8学时）第六章 反应堆瞬态热工分析简介（4学时）教学和考核方法以课堂教学和课上交流为主要的教学方式，课外要求学生用MathCAD独立编程计算，完成元件温度场的分析计算。课程结束后，递交独立编制的程序和分析报告，章总成绩的30%，平时作业成绩占10%，期末笔试成绩占60%。课程名称：反应堆热工水力学 （讲义） 主讲教师：俞冀阳1教学大纲2教学目的

6、和要求2课程内容、进度和学时分配2教学和考核方法2第一章 绪论61.1 引言61.1.1课程内容和特点61.1.2学习方法61.1.3分析对象61.1.4反应堆热工水力设计的目的和任务61.1.5作业要求71.2 基本概念，公式和结论复习71.2.1宏观截面和微观截面71.2.2傅里叶导热基本定律81.2.3对流换热牛顿冷却公式81.2.4相似准则81.2.5流体力学基本方程组9第二章 堆芯材料选择和热物性102.1 核燃料-UO2102.1.1核燃料：可裂变材料与可转换材料102.1.2固体燃料与液体燃料102.1.3 核燃料UO2102.2 包壳材料-锆合金132.2.1包壳的作用132.

7、2.2包壳材料的选择132.2.3 Zr-4合金和Zr-2合金132.3 冷却剂和慢化剂-H2O142.3.1水的物性152.3.2水物性查表计算152.3.3水物性补充说明16第三章 堆热源及稳态传热计算173.1 堆热源及其分布173.1.1 压水堆裂变能分布173.1.2 反应堆热功率183.1.3 均匀堆释热率分布203.1.4 功率展平223.2 导热过程233.2.1 定常热导率的棒状燃料元件导热计算23请同学们从傅里叶导热定律出发， 推导上式。243.2.2 积分热导率243.2.3 变热导率的棒状元件导热计算简介243.3 间隙导热和包壳导热253.3.1 间隙导热253.3.

8、2 包壳导热263.4 对流传热263.4.1 自然对流传热273.4.2 强迫对流传热283.4.3 沸腾传热303.5 堆内输热过程333.6 燃料元件传热计算333.6.1 冷却剂温度分布343.6.2 包壳外表面温度343.6.3 包壳内表面温度353.6.4 燃料芯块表面温度353.6.5 燃料芯块中心温度35第四章 稳态工况下的水力计算364.1 单相冷却剂的流动压降364.1.1流体力学基本知识364.1.2流动压降计算的目的和任务364.1.3提升压降374.1.4摩擦压降374.1.5加速压降394.1.6局部压降404.2 汽水两相流动及其压降414.2.1沸腾段长度和流型

9、414.2.2含汽量424.2.3空泡份额434.2.4滑速比464.2.5压降计算464.2.6一回路的流动压降494.3 自然循环计算504.4 通道断裂时的临界流504.5 流动不稳定性52第五章 反应堆稳态热工设计原理545.1 反应堆热工设计准则545.2 热管因子及热点因子545.3 临界热流量和最小DNBR59W-3公式解剖62压力的影响62平衡态含汽量的影响62水力直径的影响63质量流量的影响635.4 单通道分析模型66单通道模型的步骤和方法66需要通过科研实验解决的问题68例题剖析695.5 子通道分析模型695.6 反应堆热工参数的选择70参数选择与电能成本之间的关系70

10、蒸汽发生器的工作条件71一、二回路之间热工参数的关系71第六章 反应堆瞬态热工分析简介726.1 瞬态过程中反应堆功率计算726.2 瞬态工况燃料元件温度场计算736.3 基本方程组736.4 反应堆的安全问题746.5 反应堆失流事故766.6 冷却剂丧失事故76第一章 绪论1.1 引言1.1.1课程内容和特点综合性强反应堆物理、传热学、工程热力学和流体力学等课程的综合运用工程性强是一门密切结合工程实际的学科，许多热工常数或者经验关系式的选取，都需要以工程实际为基础。教材只作参考，以课堂讲授内容为主一方面是因为教材是针对64学时的课程编写的，另一方面是因为教材编写较早，有的新内容没有得到反映

11、。1.1.2学习方法要重视对基本概念的掌握和理解要有较强的自学能力要有较强的查阅文献和阅读文献的能力要培养严谨、勤奋、求实、创新的科学作风1.1.3分析对象核反应堆与原子弹的区别。如何实现可控？压水堆、沸水堆、重水堆、研究堆、动力堆、生产堆运行参数（秦山电厂）压力：15.2 MPa一回路进口温度：288.8 oC一回路出口温度：315.2 oC1.1.4反应堆热工水力设计的目的和任务反应堆热工水力分析通常分为稳态分析和瞬态分析，稳态分析主要用于反应堆热工设计，瞬态分析主要用于反应堆瞬态过程和事故分析以及安全审查。稳态分析的结果也是瞬态分析的初始条件。反应堆热工水力分析的基本任务是保证在正常运行

12、期间把裂变能传到热力系统进行能量转换，在停堆后把衰变热传出来。反应堆热工水力分析的另一个任务是确定电厂的设计准则，并对核物理设计、机械设计、测量仪表和控制系统等的设计提出设计要求。主要限制反应堆功率输出的是冷却剂的输热能力，因此各方面的设计出现矛盾是要通过热工设计来协调。反应堆内的热工水力过程是极其复杂的，为了分析这些过程，往往需要对它的物理过程建立一系列的计算分析模型，编制计算机程序进行分析求解。1.1.5作业要求可以用MathCAD来完成作业, 通过网络取和交作业，yujiy独立完成作业。考试之前务必完成所有的作业。鼓励对计算结果进行各种分析。1.2 基本概念，公式和结论复习1.2.1宏观

13、截面和微观截面假定有一单向均匀平行中子束,其强度为I （n/m2），垂直打在一薄靶上，靶片内核子密度为N，靶后的中子束强度为I，则DI=I-I就是与靶核发生作用的中子数，实验证明：DI=-DNIDx，这样定义的s =-DI /NI Dx 235U的微观截面计算就是微观截面，是平均一个中子与一个靶核发生作用的几率大小的一种度量，通常用靶（b）作为单位，1b=10-28m2定义S=Ns 为宏观截面，是单位体积内所有靶核的微观截面的总和，是一个中子与一立方米内的原子核发生核反应的平均几率大小的一种度量手册通常给出的是能量为0.0253ev的中子的截面数据，对于其它能量的热中子，有：若考虑非1/v修正因子，则：对于235U，s（0.0235）=583.5 b1.2.2傅里叶导热基本定律k称为导热系数，或热导率，有时也称导温系数。导热系数是物质的热物性参数，不同的物质其值的变化范围很大。k的单位是 W/moC傅里叶导热定律指出：在单位时间内通过单位面积的热量，正比于温度的梯度，其方向与温度梯度相反。1.2.3对流换热牛顿冷却公式其中：q热流密度W/m2，h换热系数W/m2oK，Dt为温差K。流体流过固体壁面的换热热流量与壁面与主流之间的温差成正比，热流方向由高温指向低温。上式并不能真正解决对流换热问题，这是因为换热系数不是