核反應堆熱工水力基礎實驗 周源 9787030746139 【台灣高等教育出版社】

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書名：核反應堆熱工水力基礎實驗
ISBN：9787030746139
出版社：科學
著編譯者：周源
頁數：157
所在地：中國大陸 *此為代購商品
書號：1510321
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內容簡介
《核反應堆熱工水力基礎實驗》根據四川大學核工程與核技術專業多年熱工水力實驗教學經驗編寫。《核反應堆熱工水力基礎實驗》首先介紹了熱工分析的意義及主要內容、相似理論和模化實驗、常用熱工測量參數及儀錶、誤差與數據等與實驗相關的基礎背景知識；然後選編了11個典型的實驗項目，每個實驗項目又大致分為實驗目的、實驗內容、實驗原理、實驗段及測量、工況安排、實驗步驟和實驗數據處理幾個部分，並提供相關思考題；最後，在《核反應堆熱工水力基礎實驗》附錄中簡要介紹了用於反應堆熱工實驗的實驗裝置。

精彩書評
核反應堆熱工水力基礎實驗參考書

目錄

目錄
前言
第一章 緒論 1
一、熱工分析的意義及主要內容 1
二、壓水堆 1
第二章 相似理論和模化實驗 8
第一節 相似理論的產生 8
第二節 相似的基本概念 10
一、幾何相似 10
二、物理量相似 10
三、現象相似 10
第三節 量綱分析和π定理 12
一、量綱的概念 12
二、量綱分析法 13
三、π定理 16
第四節 相似理論及其應用 17
一、相似基本定理 17
二、相似理論的應用 18
三、定性溫度和特性尺度 20
第五節 自然循環相似準則 21
一、自然循環系統模化 21
二、基本方程簡化 23
三、方程無量綱化 25
四、相似準則 26
五、自然循環相似準則應用舉例 28
第三章 常用熱工測量參數及儀錶 30
第一節 溫度測量及儀錶 30
一、溫度測量基本知識 30
二、熱電偶 32
第二節 壓力測量及儀錶 44
一、壓力測量基本知識 44
二、液柱式壓力計 46
三、彈性式壓力計 50
四、壓力表的安裝 56
第三節 流量測量及儀錶 56
一、流量測量基本知識 56
二、差壓式流量計 60
三、質量流量計 70
四、渦輪流量計 76
第四章 誤差與數據 82
第一節 測量誤差的基本概念 82
一、真值與誤差 82
二、測量誤差的分類 83
三、測量的精密度、準確度和精確度 87
第二節 實驗誤差分析 88
一、直接測量誤差的分析和處理 88
二、間接測量的誤差分析和處理 89
第三節 實驗數據處理和整理 90
一、數據處理 90
二、數據整理 90
第五章 反應堆熱工水力實驗 97
第一節 單相強迫流動壓降實驗 97
一、實驗目的 97
二、實驗內容 97
三、實驗原理 97
四、實驗段及測量 100
五、工況安排 102
六、實驗步驟 102
七、實驗數據處理 103
八、思考題 106
第二節 單相強迫對流換熱實驗 106
一、實驗目的 106
二、實驗內容 106
三、實驗原理 106
四、實驗段及測量 109
五、工況安排 110
六、實驗步驟 110
七、實驗數據處理 111
八、思考題 112
第三節 兩相強迫流動壓降實驗 113
一、實驗目的 113
二、實驗內容 113
三、實驗原理 113
四、實驗段及測量 114
五、工況安排 115
六、實驗步驟 116
七、實驗數據處理 116
八、思考題 117
第四節 兩相強迫流動換熱實驗 117
一、實驗目的 117
二、實驗內容 117
三、實驗原理 117
四、實驗段及測量 118
五、工況安排 118
六、實驗步驟 119
七、實驗數據處理 120
八、思考題 122
第五節 兩相流型實驗 122
一、實驗目的 122
二、實驗內容 122
三、實驗原理 122
四、實驗段及測量 123
五、實驗步驟 124
六、實驗數據處理 124
七、思考題 125
第六節 臨界熱流密度實驗 125
一、實驗目的 125
二、實驗內容 125
三、實驗原理 126
四、實驗段及測量 127
五、工況安排 128
六、實驗步驟 128
七、實驗數據處理 129
八、思考題 129
第七節 流動不穩定性實驗 129
一、實驗目的 129
二、實驗內容 130
三、實驗原理 130
四、實驗裝置及測量 132
五、實驗步驟 134
六、實驗數據處理 135
七、思考題 136
第八節 臨界流實驗 137
一、實驗目的 137
二、實驗內容 137
三、實驗原理 137
四、實驗裝置及測量 138
五、工況安排 139
六、實驗步驟 140
七、實驗數據處理 140
八、思考題 141
第九節 自然循環實驗 141
一、實驗目的 141
二、實驗內容 141
三、實驗原理 141
四、實驗裝置及測量 142
五、實驗步驟 144
六、實驗數據處理 145
七、思考題 146
第十節 管流局部阻力實驗 146
一、實驗目的 146
二、實驗內容 147
三、實驗原理 147
四、實驗裝置及測量 148
五、實驗步驟 150
六、實驗數據處理 150
七、思考題 151
第十一節 池式沸騰實驗 151
一、實驗目的 151
二、實驗內容 151
三、實驗原理 151
四、實驗段及測量 153
五、工況安排 153
六、實驗步驟 153
七、實驗數據處理 154
八、思考題 155
附錄 熱工實驗裝置 156

精彩書摘
第一章 緒論
一、熱工分析的意義及主要內容
核反應堆是利用原子核可控鏈式裂變產生能量的裝置，是核能應用的重要實現途徑 從 1942年世界上第一座核反應堆建成，到現在全球已有 30多個國家利用核能發電 核能應用的過程中昀重要的是安全性，要求核反應堆在整個壽期內能長期穩定運行，並能適應啟動、停堆等功率變化，此外在確保核反應堆安全的基礎上，要儘可能提高核反應堆的經濟性，如減少燃料轉載量、提高熱電轉換效率等
核反應堆的安全性是靠核反應堆物理、熱工、結構、材料、化學、控制等多種學科的合理設計來共同保證的，其中熱工水力起著主導和橋樑作用 核反應堆熱工分析的內容主要包括分析燃料元件內的溫度分佈、冷卻劑的流動和傳熱特性，預測在各種運行工況下核反應堆的熱力參數，以及在各種瞬態和事故工況下壓力、溫度、流量等參數隨時間的變化過程等 該過程往往十分複雜，單靠理論分析無法弄清楚，需要開展必要的熱工水力實驗，為核反應堆工程設計和驗證提供支撐
二、壓水堆
(一)壓水堆概況
壓水堆是我國利用核能的主要方式，以輕水作為冷卻劑和慢化劑，一迴路工作壓力一般在 15 5MPa左右，冷卻劑在流過堆芯時一般不出現飽和核態沸騰，堆出口冷卻劑有 15～20℃的欠熱度 堆芯置於一個圓筒形壓力容器內 燃料元件呈棒狀，直徑約 10mm，長 3～4m，用鋯合金管做包殼，內裝二氧化鈾芯塊，若干根燃料棒排列成正方形的柵格，組成一個燃料組件，如圖 1-1-1所示 早期每個組件中棒柵排列數目多為 14×14，後來新設計的壓水堆多改用 15×15或 17×17的排列，同時棒徑稍變細，以降低燃料棒的中心溫度 燃料組件靠上、下管座和中間的數個定位格架使燃料棒定位，定位格架沿高度每 0 4～0 5m一個，定位格架上裝有混流片，以增強冷卻劑的橫向交混，改善傳熱 在燃料組件中，有些元件的位置用空心管(通常 25根)來代替，它們與上、下管座和定位格架固定連接，形成組件的骨架，而燃料棒則插在定位格架中，靠彈簧片壓緊，靠兩端的管座定位 有些組件的空心管用作控制棒的導向管、堆內中子通量探測管，或用來安放可燃毒物及中子源等 控制棒組件採用棒束型結構，用銀-銦-鎘合金作為控制棒的吸收體，外包不鏽鋼包殼 每個組件中的控制棒通過上部的指狀連接頭組成一束，在控制棒驅動機構的作用下同時作上下移動
圖 1-1-1燃料組件示意圖
燃料組件按照一定的布置排列在一起，並用上、下柵格板固定起來，組成一個堆芯，堆芯的橫截面近似於圓形，整個堆芯安放在一個圓筒形的吊籃內，吊籃懸挂在壓力容器筒體和上封頭連接的法蘭接合面處，吊籃下端的側面通過徑向的支承結構與壓力殼的筒體相連，以防堆芯橫向振動 在堆芯與壓力容器之間的環形空間中安裝熱屏，用以減弱來自堆芯的中子流和 γ射線，降低壓力容器筒體的中子輻照積分通量，防止材料脆化，從而延長其使用壽命
壓水堆以水作為冷卻劑和慢化劑，通過兩個循環迴路將堆芯產生的熱量輸出，其循環示意圖如圖 1-1-2所示 反應堆壓力容器上的冷卻劑進、出口接管都布置在堆芯頂部標高以上，其目的是保證當管道破裂引起冷卻劑流失時，壓力容器內仍能保留一部分冷卻劑來冷卻堆芯 冷卻劑從進口接管經堆芯周圍的環形通道流到堆芯下腔室，然後轉而向上流過堆芯，帶走堆芯內產生的熱量 冷卻劑從出口接管流向蒸汽發生器，將熱量傳遞給其二次側的流體 從蒸汽發生器出來的冷卻劑通過冷卻劑泵(簡稱主泵)升壓後送回反應堆，同時二次側的流體被加熱至蒸汽，經過乾燥等處理后，進入汽輪機，推動葉片做功，實現反應堆能量輸出 一座反應堆的冷卻劑循環迴路(簡稱環路)有二到四個，分別與壓力容器相連
圖 1-1-2壓水堆循環示意圖
為了提高整個電站的循環熱效率，需要提高二迴路蒸汽的溫度和壓力，從而必須儘可能提供一迴路(即冷卻劑循環迴路)冷卻劑的溫度 壓水堆是靠提高壓力的辦法來提高冷卻劑可達到的溫度上限，通常要求堆芯出口冷卻劑溫度要保持在 15～20℃的欠熱度 壓水堆的運行壓力通常都設計為 15 5MPa左右 壓力再提高，對提高冷卻劑溫度的收益不大，而迴路系統的造價卻要大大提高
反應堆冷卻劑的壓力是靠穩壓器來建立和維持的 穩壓器如圖 1-1-3所示，是一個立式圓筒形高壓容器，上部為蒸汽空間，下部為水空間，通過其下部的一根波動管連接在一條冷卻劑循環迴路的熱管道上，即堆芯的出口管道上 當冷卻劑發生膨脹或收縮時，冷卻劑可以通過波動管自由地從循環迴路流入穩壓器，或從穩壓器返流回循環迴路 在蒸汽空間的頂部和水空間的底部分別安裝有噴霧器和電加熱器，用於改變水的飽和溫度和飽和壓力，起到維持和調節 壓力的作用 穩壓器的蒸汽空間可以維持對壓力波動起緩衝作用，穩壓器內存儲的水可以補償迴路系統內冷卻劑因溫度變化而引起的體積變化
整個反應堆和一迴路系統安置在一個大的混凝土安全殼內，萬一冷卻劑從一迴路系統泄漏，它可以把放射性物質包容在安全殼以內，不會對周圍環境造成污染 壓水堆安全殼的形狀多為具有拱形頂蓋的圓筒形建築，如圖 1-1-4所示
圖 1-1-3穩壓器示意圖圖 1-1-4壓力容器示意圖
(二)壓水堆中基本熱工問題
1 反應堆熱量傳遞
自然界中，熱量傳遞的基本方式有熱傳導、熱對流、熱輻射三種，在壓水堆中，反應堆裂變產生的大部分能量，以熱量的形式沉積在燃料棒內，要將該能量導出，主要用到熱傳導和熱對流兩種方式
熱傳導主要發生在固體和不流動的氣體中，如熱量從燃料棒傳遞到包殼表面、從蒸汽發生器管壁一側傳到另一側等 熱對流主要發生在流固表面，如冷卻劑流過燃料棒表面、冷卻劑流過蒸汽發生器表面等，當對流發生在由風機、水泵等外加驅動力驅動時，稱之為強迫對流換熱
2 單相流動傳熱
對單相流動傳熱進行分析，是設計者判斷反應堆能否正常運行的重要途徑 單相流動傳熱分析研究的主要內容在於流體的壓降和傳熱性能，前者直接決定泵的循環功率，後者決定反應堆中的熱量能否被有效帶出
正常工況下，冷卻劑主要以單相對流換熱的方式帶走堆芯熱量 為提高蒸汽發生器傳熱效率，希望一迴路溫度儘可能高，但要防止冷卻劑全部沸騰引起傳熱惡化，故一迴路工作在高壓環境下 在冷卻劑循環過程中，摩擦壓降、局部壓降等因素會引起壓力損失，要保證反應堆穩定有序地運行，就需要驅動泵對冷卻劑做功，對壓力進行補充，驅動泵對冷卻劑的壓力補充等於冷卻劑在迴路中的壓降損失，保證反應堆穩定地運行
同時，在反應堆運行中，要避免燃料包殼、芯塊等材料溫度高於熔點，但這些部位的溫度難以測量，所以進行反應堆設計時，就需要通過對冷卻劑的換熱性能進行分析，使用傅里葉導熱公式、牛頓冷卻公式等反推燃料包殼、芯塊溫度，並判斷其是否合理
3 兩相流動傳熱
在一些特殊情況(如泡核沸騰)或事故工況下，壓水堆中就會產生兩相流 一方面，兩相流產生過程中相變吸熱與流動擾動有利於強化反應堆傳熱；另一方面，氣相的傳熱性能遠不及液相，高含汽情況會發生傳熱惡化 兩種效應的綜合作用會明顯改變冷卻劑的傳熱性能和流動特性，伴隨相變所生成的氣泡還會減弱冷卻劑(兼作慢化劑)的慢化能力 因此，研究兩相流對水冷反應堆系統的設計和運行，以及弄清反應堆的穩態和瞬態特性是非常重要的

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