Тепловыделение и отвод тепла в ядерных реакторах

Теплоносите­ли: вода, тяжелая вода, углекислый газ, жидкий натрий и сплав свинца с висмутом. Кипящий теплоноситель – вода.

.

Максимально возможный коэффициент полезного действия любого устройства, преобразующего теплоту в другой вид энергии всегда меньше кпд_max

кпд_max = (T₁ – T₂)/T₁

где T₁ – максимальная температура цикла (определяется максимально достижимой температурой теплоносителя ), T₂ – минимальная температура цикла ( определяется температурой окружающей среды. T₁ @ 550 K ; T₂ @ 300 K, кпд_max = 45%, реальное @ 33%.

Механизмы переноса тепла

В процессах теплообмена рассматриваются среднестатистические параметрами большой совокупности молекул ( температура, давление, скорость и т. д.)

Газ: Е_к » U (U- энергии взаимодействия между частицами)

Жидкость: Е_к ~ U

Твердое тело Е_к « U.

Теплопроводность

Конвекция естественная и вынужденная;

Тепловое излучениеµ T⁴.

Поле температур и поле тепловых потоков.

Вектор dT/dn называется температурным градиентом (grad T) и опреде­ляет наибольшую скорость изменения температуры по нормали к изотерме в данной точке пространства.

Скалярному полю температур соответствует векторное поле температурных градиентов

Плотность теплового по­тока q Вт/м² :

q = - lgrad T , где l — теплопроводность Вт/м×К

Плотность источников тепла q_v, Вт/м³

Ориентировочные значения плотности тепловых потоков, Вт/м²:

Из внутренних слоев Земли 0,063

От тела человека 50

От котельных агрегатов 0,510⁶

От тепловыделяющих элементов ЯЭУ (1-5) 10⁶

Константа солнечного излучения 1326

Задача 1.13 Оценить распределения U и Th в коре Земли, если средний тепловой поток через дневную поверхность q = 610^-2 Вт/м²

R_з = 6.410⁶ м ; r_з = 5.5 г/см³ ; r_коры = 2.8 г/см³

c_Th = 10^-5 г/г _; c_{U =}410^-6 г/г

Периоды полураспада: ²³²Th – 1,410¹⁰ лет, ²³⁸U –4,510⁹ лет,

²³⁵U – 710⁸ лет

Th ⁸U ²³⁵U

7a 8a 7a

E_расп 35 МэВ 40 МэВ 35 МэВ

A^Th = 410^-2Бк/г A^U = 510^-2Бк/г

q_v = A E_расп = (410^-2*35 +510^-2*40)1,610^-13*2,8*10⁶ = 1.510^-6 Вт/м³

Пусть тепло, генерируемое в слое DR: Q_v = 4pR² DRq_v равно полному тепловому потоку Q_s через дневную поверхность = 4pR²q

DRq_v = q DR = 40 км - близко к толщине коры

Задача 1.14 Оценить поверхность солнечных батарей, которые могут обеспечит среднегодовую электрическую мощность 1000 МВт при КПД =10%

Средняя мощность Q солнечного излучения на поверхности Земли в низких широтах (по максиму), с учётом

• коэффициента поглощения атмосферой 0,8,

• среднего угла падения 0,5 .

• продолжительности дня 0,5

Q = 1326*0,8*0,6*0,5 = 300 Вт/м²

Максимальная мощность w , снимаемая с м² 30 Вт

S = 110⁹/30 = 33 км²