請教下,能耗計算中,對於使用核電供出的熱力和電力要怎麼定義

時間 2021-06-05 01:40:57

1樓:汪鍵是個大胖子

數學過程不複雜,就是需要一些基礎知識。

首先,核電站的熱功率電功率是兩個不同的引數,但是二者是有聯絡的:

其中 是發電廠的總熱效率

可以近似表示為:

其中:表示裝置的熱效率,對於壓水堆核電站通常取0.98-0.99;

為管道熱效率,一般為0.98-0.99;

是理論熱力迴圈效率,一般為0.4-0.45;

為汽機相對內效率,通常為0.85-0.87;

是汽機組機械效率,一般為0.95-0.99;

是發電機效率,一般0.98-0.99;

對於現在的核電站來說,主要的總熱效率普遍在30%-40%之間。

幾種主流反應堆的引數

核燃料發生裂變的時候,會釋放能量。不同核素的裂變能有所不同:

但是通常在計算單個U235,U233和Pu239原子核的裂變能時,通常使用200MeV的能量作為標準值。裂變能主要可以分為三類能量釋放出來:

第一類:(瞬發),發生核裂變的瞬間釋放出來,主要包括裂變碎片動能(約168MeV,釋放在燃料元件內),裂變中子動能(約5MeV,大部分釋放在慢化劑內)和瞬發γ射線(7MeV,釋放在堆內各處)。

第二類:(緩發),裂變後發生的各種過程中釋放的能量,主要是裂變產物的β衰變(7MeV,大部分釋放在燃料元件內)和γ衰變(6MeV,釋放在堆內各處)產生的;

第三類:(緩發),過剩中子引起的非裂變反應加上(n,γ)產物的β衰變和γ產生的衰變能(7MeV,釋放在堆內各處)。

裂變能的絕大部分在燃料元件內轉換為熱能,少量在慢化劑內釋放,通常可以取97.4%在燃料元件內轉化為熱能。

裂變率是指單位時間(1s)內單位體積(1cm3)燃料內發生的裂變次數,用符號R表示:

R的單位為 ; 代表巨集觀截面,單位為1/cm; 是微觀截面,單位是cm2; 是U235的核子密度,單位是1/cm3; 是熱中子注量率,單位為 ;下角標f表示裂變。

微觀裂變截面 表示平均乙個入射中子與乙個可裂變核素的原子核發生相互作用的機率大小的一種度量,是具有面積的量綱,通常也用b(靶恩)作為單位, 。通常在工程手冊裡,直接給出的是中子能量在0.0253eV時的截面引數:

對於其他能量的熱中子的平均裂變截面,可以有公式進行換算:

f(t)為修正函式,t的單位是℃。

核素的核子密度指的是單位體積內該核素的原子核數目,例如二氧化鈾 中U-235的核子密度 為:

其中,常數 為常數 , 是 的摩爾質量, 是該核素的豐度(同位素原子數之比),對於U-235,有:

但是我們通常都是聽說的工程上給的一般都是U-235的富集度,富集度指的是U-235在軸中的質量數之比而不是核子數之比,所以需要進行換算,豐度和富集度之間的換算通過下式進行:

其中, 是U-235的摩爾質量, 是U-238的摩爾質量, 是U-235的豐度, 是U-235的富集度。

現在也解決了 核子密度,接下來就可以計算單位時間,單位體積內燃料釋放的熱量,也就是核燃料的體積釋熱率 。但是要注意的是,體積釋熱率指的是在該單位體積內轉化成熱能的能量,並不是該單位體積內釋放的全部能量,因為有些能量(射程較遠的β和γ射線的能量)會在別的地方轉化為熱能,有的能量(例如中微子的能量)甚至無法轉化成熱能加以利用的。

燃料芯塊的體積釋熱率

的單位是 , 是每次裂變釋放的能量,單位MeV。

是芯塊釋熱佔全部釋熱的份額,上面說過了,工程計算中通常取97.4%。這樣我們根據體積釋熱率的表示式,可以得到堆芯燃料內的總釋熱功率:

上式中的 是堆芯燃料內的總釋熱功率,單位是kW; 是整個反應堆堆芯內燃料的總體積,單位是 , 是平均熱中子注量率,單位是 。

同時,反應堆內除了堆芯燃料釋放熱量之外,遮蔽層,各種結構件和冷卻劑內所釋放的熱量也是反應堆總功率的一部分,因此反應堆的總熱功率為:

到這裡,反應堆的熱功率計算只差乙個平均熱中子注量率 了,在理論計算中,通常會使用均勻介質的簡化過程來進行理論分析,雖然在工程實際中,反應堆由於堆芯內有冷卻劑和結構材料的存在。堆芯內介質不可能均勻分布,但是採用簡化的均勻堆模型對理論分析是非常有用的。因為均勻堆模型可以得到理論解,通過對均勻堆的分析,總體上把握反應堆的特性。

首先直接給出各種不同幾何形狀下的均勻堆熱中子注量率的理論解。

在目前執行的動力堆裡,大部分都採用圓柱形的堆芯,其堆芯的中子注量率分布可以見下圖:

中子注量率在高度方向是乙個余弦分布,半徑方向為零階的貝塞爾函式分布:

其中 為外推半徑, 為外推高度:

為中子的輸送平均自由程,單位是m。

至此, 公式中的所有引數,都已經可以確定了,反應堆的總熱功率 可以計算了。

然後運用 也就是

希望可以為答主解決一些疑惑。

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