2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的熱能傳遞特性研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的主要功能及其對(duì)熱能傳遞特性的基本要求。二、解釋導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種基本熱能傳遞方式的機(jī)理，并說明在核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中，哪種方式是主要的，哪種是次要的，簡(jiǎn)要說明理由。三、核反應(yīng)堆冷卻劑（以水為例）在從堆芯流經(jīng)管道時(shí)，其熱物理性質(zhì)（如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度）通常會(huì)發(fā)生哪些變化？這些變化對(duì)傳熱特性有何影響？四、什么是流動(dòng)沸騰？簡(jiǎn)述流動(dòng)沸騰與核沸騰的主要區(qū)別。流動(dòng)沸騰過程中，傳熱系數(shù)通常如何變化？為什么？五、什么是傳熱惡化？試述導(dǎo)致傳熱惡化的主要物理機(jī)制。在核反應(yīng)堆安全分析中，為何需要特別關(guān)注傳熱惡化現(xiàn)象？六、簡(jiǎn)述影響核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)流體自然對(duì)流換熱的因素。在核反應(yīng)堆運(yùn)行中，自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流各處于什么狀態(tài)？它們對(duì)堆芯冷卻有何不同作用？七、在核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器中，冷、熱側(cè)分別發(fā)生什么類型的換熱過程？簡(jiǎn)述影響冷、熱側(cè)傳熱系數(shù)的主要因素。八、對(duì)于核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件（如管道、堆芯結(jié)構(gòu)），簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)中需要考慮的傳熱與力學(xué)耦合問題。九、試分析在核反應(yīng)堆的小破口事故工況下，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性可能發(fā)生哪些顯著變化？這些變化對(duì)反應(yīng)堆安全有何意義？十、提高核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)傳熱效率的技術(shù)手段有哪些？簡(jiǎn)述其中一種技術(shù)的原理及其在工程中的應(yīng)用。試卷答案一、核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的主要功能是將核反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱能（由核裂變釋放）有效地傳遞出去，并排出堆芯，以保證反應(yīng)堆在安全、穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行。其對(duì)熱能傳遞特性的基本要求包括：具有足夠高的傳熱能力，以安全地將最大功率熱負(fù)荷導(dǎo)出；傳熱性能應(yīng)具有足夠的安全裕度，特別是在事故工況下，要防止發(fā)生傳熱惡化；具有穩(wěn)定的流動(dòng)特性，保證堆芯內(nèi)冷卻劑的充分循環(huán)和換位。二、導(dǎo)熱是熱量在物質(zhì)內(nèi)部，由于分子、原子、自由電子等微觀粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的傳遞。對(duì)流是熱量依靠流體各部分發(fā)生宏觀相對(duì)位移而傳遞的現(xiàn)象。輻射是熱量以電磁波形式向空間傳遞的現(xiàn)象。在核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中，導(dǎo)熱主要發(fā)生在固體結(jié)構(gòu)部件（如管道、堆芯板）內(nèi)部以及流體與固體壁面之間的接觸界面；對(duì)流是冷卻劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)傳遞熱量的主要方式；輻射在反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部由于溫度很高（可達(dá)3000K以上）且透明度較好，也是重要的傳熱方式，但在管道等固體部件周圍，對(duì)流通常占主導(dǎo)。主要原因是冷卻劑的對(duì)流換熱量遠(yuǎn)大于其自身的導(dǎo)熱和輻射換熱量，且固體部件間的輻射面積相對(duì)較小。三、核反應(yīng)堆冷卻劑（以水為例）在從堆芯流經(jīng)管道時(shí)，其熱物理性質(zhì)通常會(huì)發(fā)生變化：溫度升高導(dǎo)致密度減小、粘度降低、導(dǎo)熱系數(shù)略有增加、比熱容略有降低。這些變化對(duì)傳熱特性的影響是復(fù)雜的：粘度降低通常有利于流動(dòng)，但也可能影響對(duì)流換熱的邊界層發(fā)展；密度減小可能影響自然對(duì)流；導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的變化直接影響對(duì)流和導(dǎo)熱過程的效率?？傮w而言，溫度升高往往導(dǎo)致與壁面之間的溫差增大，可能增強(qiáng)對(duì)流換熱，但流體物性的變化會(huì)具體影響換熱的強(qiáng)度和形式。四、流動(dòng)沸騰是指流體在流經(jīng)加熱表面時(shí)，不僅發(fā)生單相流動(dòng)，其部分或大部分流體發(fā)生相變（從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)）的沸騰現(xiàn)象。流動(dòng)沸騰與核沸騰的主要區(qū)別在于：核沸騰發(fā)生在液體與加熱表面直接接觸并發(fā)生劇烈汽化（形成氣泡或蒸汽泡）的局部區(qū)域；而流動(dòng)沸騰是整個(gè)流道或其大部分區(qū)域發(fā)生相變，流體作為攜帶氣泡的混合物整體流動(dòng)。流動(dòng)沸騰過程中，傳熱系數(shù)通常遠(yuǎn)高于單相對(duì)流換熱，尤其是在核態(tài)沸騰區(qū)域，因?yàn)闅馀莸漠a(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)極大地強(qiáng)化了傳熱。這是因?yàn)闅馀菝撾x壁面時(shí)能帶走大量汽化潛熱，并擾動(dòng)邊界層。五、傳熱惡化是指在一定條件下，流體的換熱系數(shù)急劇下降的現(xiàn)象。其主要物理機(jī)制通常包括：流動(dòng)不穩(wěn)定性（如流動(dòng)阻塞、脈動(dòng)流動(dòng)）導(dǎo)致流體與壁面的接觸減少或混合惡化；氣泡在壁面處的大量積聚形成汽膜，嚴(yán)重阻隔了流體與壁面的直接接觸，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)驟降。在核反應(yīng)堆安全分析中，需要特別關(guān)注傳熱惡化現(xiàn)象，因?yàn)橐坏┌l(fā)生傳熱惡化，即使反應(yīng)堆功率仍在正常水平，堆芯出口溫度也可能急劇上升，導(dǎo)致燃料元件損壞甚至熔化，引發(fā)堆芯熔毀等嚴(yán)重事故，危及核電站安全。六、影響核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)流體自然對(duì)流換熱的因素主要有：流體性質(zhì)（密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容）、溫差（加熱面與冷卻面之間的溫度差）、幾何形狀（加熱面和冷卻面的形狀、尺寸、布置）、重力加速度。在核反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，冷卻劑主要依靠一回路系統(tǒng)的泵強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)，此時(shí)自然對(duì)流處于次要地位，其作用通常在泵失效或某些特定設(shè)計(jì)中。自然對(duì)流對(duì)堆芯冷卻的作用是在強(qiáng)制對(duì)流失效或輔助冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)初期，提供一定的冷卻能力，但其效率遠(yuǎn)低于強(qiáng)制對(duì)流。七、在核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器中，冷側(cè)（一級(jí)側(cè)，與堆芯相連）發(fā)生的是強(qiáng)迫對(duì)流換熱，冷卻劑（水）在壓力下流經(jīng)管道并被堆芯產(chǎn)生的熱量加熱；熱側(cè)（二級(jí)側(cè)，與汽輪機(jī)相連）發(fā)生的是對(duì)流沸騰換熱，水在接近飽和溫度下流經(jīng)傳熱管外表面，被管內(nèi)冷卻劑加熱而沸騰產(chǎn)生蒸汽。影響冷側(cè)傳熱系數(shù)的主要因素包括：冷卻劑流速、壓力、管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）、管壁粗糙度、管材熱導(dǎo)率等。影響熱側(cè)傳熱系數(shù)的主要因素包括：飽和溫度（壓強(qiáng)）、流動(dòng)狀態(tài)（單相沸騰或泡態(tài)沸騰）、管內(nèi)傳熱管布置方式、加熱功率密度等。八、對(duì)于核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件（如管道、堆芯結(jié)構(gòu)），設(shè)計(jì)中需要考慮的傳熱與力學(xué)耦合問題主要包括：材料在高溫、高壓、可能還有腐蝕性流體環(huán)境下的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力疊加問題，以及這些應(yīng)力對(duì)材料性能（如蠕變、持久強(qiáng)度）的影響；部件在承受熱負(fù)荷時(shí)可能發(fā)生的變形及其對(duì)整體結(jié)構(gòu)和相鄰部件（如燃料棒、其他管道）的相互影響；在瞬態(tài)工況下（如事故工況），部件可能經(jīng)歷的劇烈溫度變化和應(yīng)力波動(dòng)，以及由此產(chǎn)生的疲勞損傷問題；對(duì)于堆芯結(jié)構(gòu)，還需考慮其在輻照下的性能變化（如腫脹、脆化）對(duì)傳熱性能和力學(xué)性能的耦合影響。九、在核反應(yīng)堆的小破口事故工況下，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性可能發(fā)生以下顯著變化：破口處壓差可能導(dǎo)致流體加速流出，形成射流或兩相流噴涌；破口附近的局部流速和壓力急劇下降；破口區(qū)域及其下游的傳熱可能顯著增強(qiáng)（由于流動(dòng)加速和混合），但同時(shí)也可能因?yàn)榱鲃?dòng)的紊亂和相態(tài)變化進(jìn)入不穩(wěn)定的過渡流或泡態(tài)流動(dòng)區(qū)域，導(dǎo)致傳熱系數(shù)波動(dòng)；破口上游的流動(dòng)和傳熱可能因流體損失而減弱；整個(gè)系統(tǒng)的流量和壓降可能發(fā)生顯著變化。這些變化對(duì)反應(yīng)堆安全的意義在于，需要準(zhǔn)確評(píng)估破口后的熱力狀態(tài)，防止因傳熱急劇變化導(dǎo)致的堆芯超溫或壓力異常升高。十、提高核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)傳熱效率的技術(shù)手段有多種，例如：采用強(qiáng)化傳熱管束（如壓水堆的傳熱管采用褶皺管、擾流柱等）；優(yōu)化冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)和管道布置，增強(qiáng)流動(dòng)混合；采用多流道、變截面管道設(shè)計(jì)以改善流動(dòng)和傳熱分布；在特定設(shè)計(jì)中考慮利用自然對(duì)流輔助傳熱；采用新型冷卻劑或工質(zhì)（如熔鹽堆）；在事故冷卻系統(tǒng)中采用高效換熱器等。簡(jiǎn)述其中一種技