什么是燃料棒的热传导-定义

燃料棒中的热传导。燃料颗粒或燃料棒的热和机械行为构成了三个关键核心设计学科之一。优德app热工程学

燃料棒的热传导

燃料棒的热传导

核燃料 - 温度大多数的压水器使用铀燃料,这是一种形式二氧化铀。二氧化铀是黑色半导体固体,导热率非常低。另一方面,二氧化铀具有非常高的熔点并且具有众所周知的行为。UO.2被压缩成圆柱形颗粒,然后将这些颗粒烧结成固体。

这些圆柱形颗粒然后装载并封装在燃料棒(或燃料销)内,其由于其非常低的吸收而由锆合金制成横截面(不像不锈钢)。覆盖小球的管的表面被称为燃料包壳

参见:二氧化铀的热传导

热的机械的的行为燃料芯块燃料棒构成三大核心设计学科之一。核燃料在非常恶劣的环境下工作(热辐射,机械),必须承受比正常条件更多的工作。例如,燃料芯块中心的温度超过1000°C(1832°F)伴有裂变气瓶。因此,在单个燃料杆内的温度分布的详细知识对于核燃料的安全操作至关重要。在本节中,我们将学习热传导方程圆柱坐标采用给定表面温度的Dirichlet边界条件(即采用Dirichlet边界条件)。燃料棒温度分布的综合分析将在单独的章节中进行研究。

燃料颗粒中心线的温度

考虑燃料颗粒的半径rU= 0.40厘米,其中单位体积产生的热量均匀而恒定,V[W /米3.]。而不是体积散热QV[W /米3.,工程师经常使用线性热速率,ql(W / m),这代表了一米的燃料棒的热速率。的线性热率可以通过体积的热速率计算:

线性热速率与体积热速率

中心线被视为R坐标的起源。由于z方向和方位角方向对称性,我们可以分离变量并简化此问题一维问题。因此,我们将解出温度作为半径的函数,t(r), 只要。对于常数导热系数, k,对应的形式圆柱热方程是:

热方程-圆柱- 2

这个方程的通解是:

热方程 - 圆柱形 - 通用解决方案

其中C.1和c2是一体化的常数。

热传导-燃料颗粒计算温度分布T(r),在该燃料球团中,如果:

  • 燃料球团表面的温度为TU= 420°C
  • 燃料球团半径rU= 4毫米
  • 平均材料的电导率是k = 2.8 w / m.k(对应于1000°C的二氧化铀)
  • 线性热速率是l= 300瓦/厘米因此,体积热速率是QV= 597 x 106W / m3.

在这种情况下,表面保持在给定温度tU。这对应于狄利克雷边界条件。此外,这个问题是热对称的,因此我们可以用also热对称边界条件。可以使用替代在一般解决方案中来评估常数,并且是形式:

热方程-圆柱-边界条件

在这些特定的边界条件下,圆柱形燃料球团的结果温度分布和中心线(r = 0)温度(最大值)将是:

热方程 - 圆柱 - 解决方案

径向热通量在任意半径处,qr[W.m-1],在缸内,当然可以通过使用温度分布和与傅立叶定律。注意,通过发热,热通量不再独立于r。

下图显示了不同功率下燃料球团内的温度分布。

温度分布 - 核燃料

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操作电抗器中的温度因系统内的点而异。结果,总有一根燃料棒一个本地卷那是较热比其他所有人都多。为了限制这些炎热的地方峰值电源限制必须介绍。峰值电源限制与a相关联沸腾危机并且随着可能导致燃料颗粒熔化的条件。但是,冶金考虑因素上限关于燃料包壳和燃料球团的温度。以上这些温度燃料有被损坏的危险。核反应堆设计的主要目标之一是提供在所需功率水平产生的热量的去除,同时确保最高燃料温度和最高包层温度总是低于这些预定值。

引用:
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参见:

热方程式

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