堆內換熱是指反應堆內的釋熱部件與冷卻劑之間的熱交換。燃料元件是堆內主要釋熱部件，它的發熱量占反應堆總發熱量的90%以下。由於反應堆內進行裂變鏈式反應，反應堆燃料元件內產生大量的熱。對於這些熱量，一方面可以合理地開發利用，使人類獲取動力；另一方面，只有將這些熱量及時地載出反應堆，才能保證反應堆安全地工作。將堆內熱量載出反應堆，是通過冷卻劑流經堆芯、冷卻燃料元件，並使冷卻劑流出堆芯而實現的。研究堆內換熱的目的，主要在於如何能安全可靠而又有效地將堆內部件發出的熱量轉入冷卻劑中。
基本介紹
- 中文名：堆內換熱
- 外文名：In pile heat
- 學科：冶金工程
- 領域：能源
- 範圍：冶煉
- 釋義：釋熱部件與冷卻劑之間的熱交換
簡介,溝道流動換熱,沸騰換熱,球床流動換熱,噴放及再淹沒過程中的換熱,
簡介
堆內換熱是指反應堆內的釋熱部件與冷卻劑之間的熱交換。燃料元件是堆內主要釋熱部件，它的發熱量占反應堆總發熱量的90%以下。
由於反應堆內進行裂變鏈式反應，反應堆燃料元件內產生大量的熱。對於這些熱量，一方面可以合理地開發利用，使人類獲取動力；另一方面，只有將這些熱量及時地載出反應堆，才能保證反應堆安全地工作。將堆內熱量載出反應堆，是通過冷卻劑流經堆芯、冷卻燃料元件，並使冷卻劑流出堆芯而實現的。研究堆內換熱的目的，主要在於如何能安全可靠而又有效地將堆內部件發出的熱量轉入冷卻劑中。
堆芯內換熱的方式基本上是對流換熱，一般情況下不單獨考慮熱輻射的影響。
處換熱係數的意義是：在單位時間內，從單位表面積上壁面與流體間每度溫差所能傳出的熱量，研究換熱過程的主要任務在於確定換熱係數。
對於不同形狀的燃料元件與不同類型的冷卻劑，換熱過程有很大的差異，常用的燃料元件有棒狀、板狀、多層套管狀及球狀等。對廠棒狀、板狀、多層套管狀元件，其冷卻劑流道形狀及尺寸沿流向基本上保持不變，它們都屬於定尺寸流道，其流動和換熱規律都相近，可歸入溝道流動類。球形燃料元件構成的堆積球床，流道形狀沿流向不斷改變，每個燃料元件球表面各處的換熱與流動情況也齊不相同，可歸進球床流動類。
溝道流動換熱
對於不同幾何形狀的溝道，可以近似地用當量直徑來表征其流向上的截面大小，即，把棒束流道、矩形流道(板狀元件形成的流道)、環形流道(多層套管形成的流道)等不同形狀的流道看作具有某一當量直徑的圓管流道，從而對不同幾何形狀的定尺寸流道中的換熱間題，都可以採用同樣的圓管換熱計算公式。
在溝道中冷卻劑流動情況下，溝道內的換熱強烈地取決於冷卻劑的種類和工況(沸騰還是單相)。
沸騰換熱
冷卻劑有相變由液相變氣(汽)相情況下的換熱。在沸水堆中，沸騰被用來降低(在同一溫度下的)作壓力和增強換熱，在壓水堆和其他液態冷卻劑的反應堆內，事故情況下也可能出現沸騰，所以沸騰換熱對堆內換熱有著重要的意義。
沸騰和膜態沸騰：在加熱面上發生的沸騰可分為泡核沸騰和膜態沸騰。在發生沸騰時，蒸汽泡在加熱面上的所謂汽化核心處生成，並隨著吸收熱量的過程而逐漸長大，到一定尺寸後，在浮升力和流體衝擊力的作用下，脫離加熱面進入冷卻劑主流。若主流流體溫度低於飽和溫度。則汽泡在兩相流中將因冷凝而縮小乃至消失。這種情況稱作過冷沸騰。若主流流體溫度已達飽和溫度，則汽泡將與主流體及其中的其他汽泡匯合、撞擊，同時，在熱質交換過程中破裂或長大，並與液相流共同形成兩相流動。這種沸騰稱作飽和沸騰。不淪是過冷沸騰還是飽和沸騰，這種由分散獨立的汽化核心和汽泡組成的沸騰系統稱為泡核沸騰。
當加熱面上汽泡生成的密度很大，以致匯集成片，形成汽膜。這種汽膜將液相冷卻劑與加熱面成片地隔離開時，這種沸騰稱作膜態沸騰。不論是過冷沸騰還是飽和沸騰，都可能出現泡核沸騰或膜態沸騰。
由於泡核沸騰過程伴隨著汽泡的運動、長大或縮小、破裂或凝結，這就給液流，尤其給邊界層內的液流帶來強烈的擾動，使得傳熱大為增強。
球床流動換熱
在球床高溫氣冷堆中，採用球形燃料元件，整個堆芯由球形燃料元件堆積而成。球床流動換熱研究的目的在於確定氣體冷卻劑流經球床時的球形元件表面與流體之間的溫度差，以及球表而上的溫度分布，以便為確定球內各處的溫度狀況、安全性及熱應力分析提供數據。
球床換熱的特點之一是換熱的不均勻性，即燃料元件球表面各處的換熱強度是各不相同的。面對氣流處受到氣流正面沖刷，換熱最強，與相鄰球的接觸點處未受到氣流沖刷，換熱最弱，是換熱的死點。
通常，反映球床換熱強度的平均換熱係數及反映溫度分布不均勻性的不均勻係數都是雷諾數及壓力的函式，即是冷卻劑平均流速(或空床流速)、熱物理性質及球直徑、球床空隙率等參數的函式。
常用的換熱關係式多表示成由相似準則組成的半經驗公式。
噴放及再淹沒過程中的換熱
在壓水反應堆發生冷卻劑流失事故時，會出現幾種特殊的過程：噴放過程、乾涸過程及再淹沒過程。
1.噴放過程
在冷卻劑管路破斷時，大量冷卻劑自破口噴出，反應堆壓力及冷卻劑液位迅速降低，直到液位降至堆芯頂部為止。這段過程稱作噴放過程。在此過程中由於壓力降低、冷卻劑大量汽化，所以臨界熱流密度降低，以致可能出現燃料元件過熱，以及冷卻劑液位下降到危險液位(使堆芯開始裸露的液位)。在噴放過程研究中，噴放過程所需時間是涉及反應堆安全的主要問題。
在此期間的換熱及臨界熱流密度計算方法均與沸騰換熱相同，只是應在計算公式中代入各時刻各地點的真實參數(壓力、含汽量等)。
2.乾涸過程
當液位下降到堆芯頂部以下時，堆芯的一部分或全部裸露出來，即，堆芯由液體淹沒狀態轉變為乾涸狀態，此過程稱為乾涸過程。
此過程在開始時，只有部分堆芯裸露，裸露部分將受到來自堆芯下部的冷卻劑汽流的冷卻，這部分的換熱可按單相氣流換熱來處理。到堆芯全部裸露後，冷卻汽流斷了來源。此時，換熱進一步惡化，釋熱元件溫度升高，元件包殼鑽合金可能與流道內的水汽發生鋯水反應，所釋出的熱量可能加劇釋熱元件的升溫，換熱計算中應考慮這部分熱量。
再淹沒過程由於反應堆應急堆芯冷卻系統的投入，堆芯通常自下而上地逐漸再度被冷卻劑水淹沒，這就是再淹沒過程。
3.再淹沒過程
初期，由於釋熱元件表面溫度超過濺射溫度，冷卻劑液流不能直接地觸到元件表面，但蒸汽及飛濺水珠使元件表面逐漸降溫後，冷卻劑液流就能直接接觸釋熱元件表面進行冷卻。隨著堆芯液位升高，僅能依靠蒸汽流來冷卻的部分愈來愈少，最終全部回到水冷狀態口在換熱分析中，可近似地按冷卻劑波前將流道分為兩段，上段按單相氣流冷卻處理，下段則按水冷卻來處理。
此過程更嚴謹的分析方法尚在發展中，實驗研究也正在廣泛地進行。
