【正文】 可控方式產(chǎn)生自持鏈式裂變反應的裝置。對于熱中子反應堆，裂變放出的快中子經(jīng)過慢化成為熱中子，通過新的裂變反應產(chǎn)生第二代中子。但是，因為核反應堆是由核燃料、慢化劑、冷卻劑以及結(jié)構(gòu)材料等所組成的裝置 ，不可避免地有一部分中子要被非裂變材料吸收，同時還有一部分中子要從反應堆中泄漏出去。一個反應堆能否實現(xiàn)自持的鏈式裂變反應，就取決于上述裂變、非裂變吸收和泄漏等過程內(nèi)中子的產(chǎn)生率和消失率之間的平衡關系。 裂變中子從產(chǎn)生到消失的過程稱為中子壽命循環(huán)。 下面我們分析裂變產(chǎn)生的中子在慢化過程中經(jīng)歷的遭遇。由于 238U 核每次裂變時平均放出 個中子， 所以使得快中子數(shù)目增加了，這一現(xiàn)象稱為 238U 的快中子倍增效應。 快中子慢化成熱中子后，在反應堆內(nèi)被吸收的情況可分為二種： （ 1） 被慢化劑以及結(jié)構(gòu)材料等物質(zhì)所輻射俘獲，它將使中子的數(shù)目減少； （ 2） 被燃料 —— 鈾（包括 235U 和 238U）吸收，其中一部分將引起裂變而產(chǎn)生新一代快中子。 從以上討論可以知道，反應堆內(nèi)中子數(shù)目的 改變?nèi)Q于下列幾個因素： (1) 快中子增殖系數(shù) ε ：從初始裂變中子數(shù)增加到 238U 裂變閾能以下中子數(shù)的倍率。 (3) 逃脫共振俘獲幾率 P：中子在慢化過程中，逃脫 238U 共振吸收的幾率。 (5) 熱中子利用系數(shù) f：被燃料吸收的熱中子數(shù)占被堆芯所有物質(zhì)（包括燃料在內(nèi)）吸收的熱中子總數(shù)的份額。 因此，增殖系 數(shù) K 可表示為： tftf LLKLLPfK ??? ?? 式中 ??PfK ?? 稱為無窮大介質(zhì)中的增殖系數(shù)，該式叫作四因子公式。反應性定義為上一代與下一代中子數(shù)的相對變化，即： 212N NN ??? 將它表示成與增殖系數(shù) K 的關系： KKKNNN1 11212??????? 實際上，總是 K≈ 1，所以 ?≈ K–1。 由于 K 接近 1， ?的值很小，所以反應性偏離零的變化一般以 pcm 作為單位來表示， 1 pcm＝ 105。若反應性偏離零，即意味著堆內(nèi)中子數(shù)量有改變，堆功率相應發(fā)生變化。隨著運行時間的增加，處于臨界狀態(tài)反應堆的反應性 會不斷發(fā)生變化，可能變?yōu)榇闻R界，其原因為： —— 可裂變物質(zhì) U23592 因核反應而不斷減少，即燃耗增加，使 下降； —— 裂變產(chǎn)物不斷積累，其中有些易吸收中子，使 下降； —— 堆芯內(nèi)溫度變化引起反應性變化，即溫度效應。壓水反應堆中通常使用控制棒和硼酸作為控制反應性的手段。使用控制棒帶來的問題是插入控制棒后，中子密度的分布發(fā)生畸變，局部中子密度過高，出現(xiàn)熱點，嚴重時會使燃料棒燒毀，因此對控制棒的插入深度要作嚴格控制。硼酸溶液在堆芯中的分布是均勻的，不會引起中子通量畸變。 下面我們討論影響反應性的幾個重要因素。慢化劑溫度變化 1℃所引起的反應性變化的大小稱為慢化劑溫度系數(shù)，用 ?t 表示。水溫升高后單位體積內(nèi)水的分子數(shù)減少了，使中子的慢化能力變差，逃脫共振吸收的機率減小，中子泄漏的幾率增大，從而使反應性減小，這時溫度系數(shù)是負值；然而，因為慢化劑中含有毒物（溶解硼），當慢化劑被加熱膨脹時，單位體積內(nèi)溶解硼的分子數(shù)也會相應減少，因而中子被硼吸收的幾率也減少，這個效應使溫度系數(shù)變 為正效應。慢化劑溫度系數(shù)是正值還是負值，要看這兩方面的效應哪個更顯著。技術規(guī)范要求壓水堆電站運行時慢化劑溫度系數(shù)必須為負值，所以硼濃度不能太高，通常不超過 1400 g/g。當燃料溫度上升時， 238U 共振吸收 俘獲截面峰值復蓋的能譜加寬，這就導致有較多的中子損失在燃料共振區(qū)，從而使反應性下降；反之，當燃料溫度下降時，則反應性增加。多普勒系數(shù)的大小除隨燃料溫度變化外，還隨堆芯運行壽期（即運行時間）而變化。因為反應堆的熱量主要是在燃料中產(chǎn)生。燃料溫度系數(shù)是瞬發(fā)的，對功率的變化響應很快，它對反應堆的控制和安全起著十分重要的作用。功率系數(shù)在堆芯壽期內(nèi)總是負的，但在壽期終點時數(shù)值最低，這主要是由慢化劑系數(shù)引起的。顯然，功率增加時功率虧損是負值，即引入堆芯的反應性是負的，因此必須給堆芯加上等量的正反應性，才能保持反應堆臨界。 4．氙效應 在裂變產(chǎn)物中，存在一些熱中子吸收截面較大的核素，稱為毒物，它們對反應性的作用稱毒效應。 135Xe 主要由裂變產(chǎn)物中的 135I 衰變形成，它的熱中子俘獲截面 ?c＝ 108b 。當反應堆啟動后達到穩(wěn)定功率運行時，堆芯 135Xe 濃度開始逐漸增加，直到產(chǎn)生的與消失的 135Xe 達到平衡。 當反應堆停堆時，堆芯中子通量瞬時降到零，因此 135Xe 俘獲中子消失的途徑立即中止，只由放射性衰變繼續(xù)消失。對應于 135Xe 濃度從增長到下降的過程，反應性形成一個低谷。 在反應堆功率變化過程中，由于 135Xe 俘獲中子消失的速度受到影響，在不同程度上也會出現(xiàn)上述的現(xiàn)象。根據(jù)粗略估計，一個電功率為 1000MW 的核電站每天大約要消耗 3kg 左右的鈾 235（或钚 239）。核電站常用單位質(zhì)量的鈾發(fā)出的能量作為燃耗深度的度量，可用下式表示： tU dMW??? 式中， 為燃耗深度， ＭＷ 為反應堆熱功率（ MW）， d 為運行時間（日）， ＭＷ 燃耗 的單位為 MWd/tU 。 傳熱學基礎知識 傳熱的基本方式 熱量總是從高溫物體傳到低溫物體，傳熱學的任務就是研究熱傳遞的規(guī)律。 常用以下兩個物理量來表征熱傳遞的強弱： 熱流量 Q—— 單位時間內(nèi)通過某一傳熱面的熱量， W/s ； 熱流密度 q––––單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量， W/(m2?s) 。 從微觀角度來看，氣體、液體、固體的導熱機理是有所不同的。傳熱學研究的范圍只是以宏觀方法去研究導熱過程，通常只使用宏觀量把導熱過程與物體的溫度分布聯(lián) 系起來?？疾烊鐖D 所示的平板，假設兩個表面均維持均勻溫度，對于 x 方向上任意位置一個厚度為 dx 的微元層，根據(jù)傅里葉定律，單位時間通過該層的導熱熱量與其溫度變化率及平板面積 F 成正比，即： dxdtFQ ??? 式中， 為比例系數(shù)，稱為導熱系數(shù)（也稱熱導率），單位 W/（ m?℃）。 圖 通過平板的導熱 假設 不隨溫度變化，將上式積分，可得： ?? tFQ ??? 式中 —— 平板厚度， m ； t—— 平板兩邊的溫度差，℃ 。于是F??對應于電阻 R，它表示了熱量傳遞路徑的阻力，稱為熱阻，記為 Rt 。 導 熱系數(shù) 是表征導熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，不同材料的導熱系數(shù)值不同，即使是同一材料，導熱系數(shù)值亦隨溫度而變。一般而言， 金屬 ＞ 液 ＞ 氣 。穩(wěn)態(tài)工況下導熱微分方程的一般形式為： 0???????? qT? 式中 ??q 為釋熱率， W/m3。導熱微分方程是 2． 對流和對流換熱 對流是指流體各部分之間發(fā)生相對位移，從而把熱量從一處帶到另一處的熱傳遞現(xiàn)象。工程上常遇到的不是單純的對流方式，而是流體流過另一固體表面時對流和導熱聯(lián)合起作用的熱量傳遞，稱為對流換熱。 流體流過固體表面，當流體和固體溫度不同時，它們之 間必然會發(fā)生熱量傳遞。 對流換熱的基本計算式為牛頓冷卻公式： Q = F（ tw?tf） 式中 F—— 與流體接觸的壁面面積， m2； ?—— 對流換熱系數(shù)， W/（ m2?℃）； tw—— 壁面溫度，℃； tf—— 流體平均溫度，℃。 對流換熱有多種類型，見表 。 影響對流換熱的因素有五個方面： (1) 流體流動的原因 流動分為強迫流動和自然流動兩類。強迫流動和自然流動具有不同的換熱規(guī)律，計算對流換熱的方法也有所不同。由于兩種流態(tài)的機理不同，熱傳遞的規(guī)律也隨之而異。 (3) 流體有無相變發(fā)生 在某些換熱過程中，參與換熱的液體因受熱（或放熱）而發(fā)生沸騰（ 或凝結(jié)）。在相變過程中，流體溫度基本保持相應壓力下的飽和溫度而不變，這時液體與壁面間的換熱量等于流體吸收或放出的潛熱，同時汽液兩相的流動情況也不同于單相流動，所以有相變時與無相變時的換熱條件大不一樣。 (4) 流體的物理性質(zhì) 不同流體如空氣、水和油等，它們的物理性質(zhì)不同，例如在溫度和速度完全相同的水和空氣中，物體被加熱或冷卻的快慢速度相差甚大。此外，流體的動力粘度和密度 通過 Re 數(shù)而反映出流體的流動情況是層流還是紊流，進而影響換熱系數(shù) ? 。 (5) 換熱面的幾何因素 它包括換熱面的形狀、大小以及換熱面在流體中的相對位置。例如，流體橫向繞流圓柱體，尾部產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象，流動情況與管內(nèi)流動就完全不同，這些因素都會影響對流換熱規(guī)律。物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。 自然界中各個物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。當物體與周圍環(huán)境處于熱平衡時，輻射換熱量等于零，但這是動態(tài)平衡，輻射與吸收過程仍在不停地進行。當兩 個物體被真空隔開時，例如地球與太陽之間，導熱與對流都不會發(fā)生，只能進行輻射換熱，這是熱輻射的一個特點。 實驗表明，物體的輻射能力與溫度有關，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領也大不一樣。 黑體在單位時間內(nèi)向所有方向輻射出的熱量稱為輻射力 E，它由斯蒂芬 — 玻爾茲曼定律計算： E= 0 FT4 式中 F—— 物體的輻射表面積， m2； 0—— 黑體輻射常數(shù)，也稱斯蒂芬 — 玻爾茲曼常數(shù)，其值為 8W/（ m2?k4）； T—— 表面的絕對溫度， K 。 在壓水堆穩(wěn)態(tài)工況下，堆內(nèi)的溫度不是很高，輻射換熱量相對于導熱和對流小得多，一般可以忽略不計。 4．傳熱過程 在換熱設備中，需要交換熱量的冷、熱流體一般分別處于固體壁面的兩側(cè)，熱量由壁面一側(cè)的流體穿過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)的流體中，這個過程稱為傳熱過程。第一個環(huán)節(jié)是高溫流體傳熱給壁面，屬對流換熱；第二個環(huán)節(jié)是熱量從固體的一側(cè)傳到另一側(cè)，屬導熱；第三個環(huán)節(jié)是另一壁面?zhèn)鳠峤o低溫流體，屬對流換熱。 流體的溫度比較容易測量，因此求解上式的關鍵在于計算 k 。 圖 平板傳熱過程 [方法一 ] 由各環(huán)節(jié)的傳熱方程式推導。 傳熱過程的三個環(huán)節(jié)相當于三個串聯(lián)的熱阻： 1/?1 ??? 1/?2 根據(jù)歐姆定律，總熱阻為： 2111 ???? ???tR 又從式（ 11）可知： kRt 1? 所以 2111 1 ???? ???k 單相流體的對流換熱 在核電站的許多系統(tǒng)，如反應堆堆芯的燃料棒束通道中 以及蒸汽發(fā)生器或凝汽器的傳熱管內(nèi)，水與壁面之間的傳熱都是單相流體的強迫對流換熱。s) Pr—— 普朗特數(shù)，?? pC?Pr Cp—— 流體的定壓比熱， J/(kg c1 和 c2 為常數(shù)。 在反應堆堆芯中，燃料棒成柵格排列，每四根燃料棒構(gòu)成一個棒束柵元，冷卻劑在其中流動，形成一個水力流道（如圖 ）。 大亞灣核電站燃料棒外徑 d＝ ，棒中心距為 l＝ ，因此一個棒束柵元的當量直徑為 442222?? ???????? ??????????? ??? ????ddlU AD e 沸騰傳熱 沸騰是一種重要的傳熱機理，它存在于蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器的電加熱器表面等傳熱設備之中。在反應堆冷卻劑系統(tǒng)出 現(xiàn)破口而突然卸壓 沸騰可以分為池式沸騰和流動沸騰。在堆芯和蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)出 圖 表示豎直放置的均勻加熱通道中流體的流動結(jié)構(gòu)和相關的傳熱工況，其中圖 (a)是熱流密度較小的情況，圖 (b) 圖 流動沸騰的傳熱區(qū)域 1．熱流密度較低時的沸騰工況 此時，流道內(nèi)相繼會出現(xiàn)下 (1) (2) 泡核沸騰。汽泡脫離壁面后進入主流區(qū)，與欠熱水相遇后冷凝，所以汽泡主要存在于壁面附近。 在泡核沸騰工況下，壁面上的汽泡不斷產(chǎn)生又不斷脫離，對邊界層產(chǎn)生很大的擾動，對傳熱有明顯的改善作用。這時兩相流中的含汽率已經(jīng)相當大，兩相流呈環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)，即液體薄層沿壁面流動，形成一個環(huán)狀液膜，中間是汽芯。 (4) 缺液區(qū)的傳熱。由于此時液膜已經(jīng)燒干，加熱表面與蒸汽相接觸，與液膜燒干前相比，傳熱系數(shù)大幅度降低，壁溫突然升高。液膜燒干時的工況，即強迫對流蒸發(fā)到缺液區(qū)傳熱的轉(zhuǎn)折點，稱為“干涸”。傳熱系數(shù)降低，壁溫將進一步升高 。當熱流密度增加到一定程度時，產(chǎn)生的汽泡在離開壁之前就連成一片，形成一個汽膜。傳熱表面被汽膜覆蓋時的沸騰工況稱為膜態(tài)沸騰，由泡核沸騰轉(zhuǎn)變成膜態(tài)沸騰現(xiàn)象稱為偏離泡核沸騰，記作 DNB。 3．沸騰危機 由于沸騰機理的變化引起傳熱系數(shù)陡降，導致傳熱壁面溫度驟然升高的現(xiàn)象稱 為沸騰危機，發(fā)生沸騰危機時的熱流密度稱為臨界熱流密度。在堆芯中傳熱惡化的危險主要來自偏離泡核沸騰，但在一回路大破口失水事故中的堆芯裸露階段，也有可能出現(xiàn)干涸。而干涸的出現(xiàn)主要決定于流量和含汽率，通常熱流密度并不很高。而干涸發(fā)生后，蒸汽的流速通常很高，而且其中還夾帶著液滴，所以發(fā)生干涸時傳熱系數(shù)降低的幅度較小。發(fā)生偏離泡核沸騰時的臨界熱流密度記作 qDNB 。流速大，流體的擾動強，加熱面上難以形成穩(wěn)定的汽膜，因而使 qDNB增大； (2) 通道進口