堆內導熱是指反應堆內以導熱形式傳遞熱量的方式。導熱是在物質沒有安觀位移條件下僅靠分子或電子的相互作用來實現熱量傳遞的。反應堆設計中必須處理堆內各種部件在穩態和瞬態工況下的熱傳導問題，即通過求解熱傳導方程，確定各部件內的溫度分布，使之滿足相應的安全要求。
基本介紹
- 中文名：堆內導熱
- 外文名：In pile of thermal conductivity
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 範圍：反應堆
- 釋義：反應堆內以導熱形式傳遞熱量
簡介,積分熱導率,間隙熱傳導,等效傳熱係數,燃料元件溫度場,圓柱形元件溫度場,固體慢化劑溫度場,受輻照部件溫度場,
簡介
堆內導熱是指反應堆內以導熱形式傳遞熱量的方式。導熱是在物質沒有安觀位移條件下僅靠分子或電子的相互作用來實現熱量傳遞的。
反應堆設計中必須處理堆內各種部件在穩態和瞬態工況下的熱傳導問題，即通過求解熱傳導方程，確定各部件內的溫度分布，使之滿足相應的安全要求。
堆內導熱的主要特點是：
①熱源的特殊性，如堆芯體積釋熱率高及其空間分布不均勻；
②堆材料熱物性(如熱導率)在核輻射條件下的可變性；
③堆部件幾何形狀及其邊界條件的複雜性。
因此，在解決堆內缽熱問題時，往往需根據具體情況和工程經驗進行合理的簡化，並引入一些特定的處理方法和分析模型。
反應堆設計中最常用的是瞬態通用熱傳導方程和穩態熱傳件泊松方程，當燃料元件溫度對堆芯反應性有明顯影響時，往往可將體積釋熱率近似表示為溫度的線性函式，這時須用亥姆霍茲方程描述燃料元件的穩態熱傳導特性。
求解熱傳導方程的方法有解析法、近似解析法和數值法等。對熱傳導方程，一般僅在某些特定條件下才能得到其嚴格的解析解，在多數情況下，特別是在瞬態工況下，其嚴格解不是太繁瑣，就是根本不存在。因此，通常採用數值解法處理這類熱傳導問題。計算工具和分析技術都達到了相當先進的水平，數值法已成為解決複雜的堆內導熱問題的主要手段。
積分熱導率
材料熱導率對溫度的積分值，可通過實驗測得。堆內部件材料的熱導率一般都隨材料的溫度而變化，並且這種變化往往是非線性的。如UO2燃料芯塊的熱導率不僅小，而且其值隨燃料溫度變化較大。對子這種情況，若採用平均溫度下的熱導率計算燃料，芯塊溫度，將產生較大的誤差；但若直接用熱導率的溫度函式進行求解很複雜，因而引入積分熱導率的概念，這樣，在處理溫度的熱傳導問題時，只須取積分熱導率在溫度區間的平均值作為材料的平均熱導率，就可在導熱量的計算中，照樣採用熱導率為常數的公式。
間隙熱傳導
燃料芯塊和包殼間的熱量傳遞口在水堆常用的燃料元件中，燃料芯塊和包殼之間均會有很窄的環形間隙，並且其間充有氦氣。在反應堆運行一段時間後，由於燃料芯塊的腫脹和破碎以及裂變氣體的釋放，使燃料芯塊與包殼交界面的傳熱問題複雜化了，即由基本是通過單一氣體氣隙的熱傳導問題演變為通過芯塊一包殼接觸表面的熱傳導和通過複合氣體氣隙的熱傳導兩種方式的組合傳熱問題。在間隙熱傳導問題中，主要研究燃料元件芯塊與包殼界面間的熱傳導特性及其分析模型。
間隙傳熱是反應堆燃料元件設計和安全評價中所必須考慮的問題之一。雖然已發展了各種分析模型來處理這類傳熱問題，但其分析結果不很可靠，因此在熱工設計時多採用以實驗數據為依據的半經驗計算模型。
等效傳熱係數
在處理燃料元件芯塊與包殼界面間隙熱傳導時所採用的經驗傳熱係數。它是藉助實驗，在儘可能模擬反應堆實際工況條件下直接測定的。在大型輕水堆核電廠的燃料元件設計中，可近似地取輻照後的UO2芯塊與錯合金包殼界面的等效傳熱係數的數值為6000W/ (m2·℃)，來估算界面處的溫度降落或燃料芯塊的表面溫度。
燃料元件溫度場
正確分析燃料元件在各種工況下的溫度分布對堆芯核設計和安全分析是至關重要的。然料元件溫度場與其體積釋熱率分布、幾何形狀和邊界條件等情況有關。燃料元件中瞬態溫度分布須結合複雜的瞬態工況分析才能得到，而對於其穩態工況，只須作些合理的簡化，即可由熱傳導泊松方程求解出元件橫截面內的溫度場。
圓柱形元件溫度場
在輕水堆核電廠中，都採用圓柱形細棒束燃料組件。對這種圓柱形細棒束燃料組件的計算，可忽略燃料元件軸向傳熱的影響，可將燃料元件導熱計算問題簡化成一維熱傳導同題。當燃料元件橫截面內中子通量密度的變化和材料熱物性在所處溫度範圍內的變化均不大時，可假定元件橫截面上的體積釋熱率和熱導率為常數。
固體慢化劑溫度場
當用石墨作為堆芯的慢化劑時，石墨結構因溫度梯度造成的熱應力是這種堆設計中必須注意的一個問題。石墨內溫度場與堆功率分布，冷卻劑通道布置和冷卻條件等情況有關。忽略軸向熱傳導的固體慢化劑溫度場可通過求解二維熱傳導方程得到。
受輻照部件溫度場
反應堆堆芯是一個很強的輻射源。這種強輻射源的輻照使堆內構件、熱禁止和受力容器等反應堆部件都成為釋熱的部件。這裡以熱禁止為例計算其溫度場，其他部件(如反應堆壓力容器等)可按類似方法處理。
