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  3月11日,日本东北部发生大地震和大海啸之后,引发了震惊世界的核危机,并有可能转变成史上最严重的核泄漏和核灾难事故。+U]?M
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  ZOB4xb
此次核灾难说到底就是来自一个几乎不是问题的问题,即维持冷却系统的正常运转。而这次正是在这个简单的冷却技术上发生了大纰漏。p.d`!:
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  @$V,
问题源于现有核电站的温控和冷却系统均为有源系统,即必须依赖电力或其他能源提供动力来维持冷却系统的正常工作,一旦失去能源供应,系统便完全处于瘫痪状态。#(a]
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  5JGnT+
此次日本大地震不仅严重破坏了外来电力供应,而且同时破坏或严重损伤了电厂自备的电力或动力设备,从而使冷却体系陷于几近虚设的地步。=*,b!d
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  <!2:~'
这就向传热界提出了一个具有重要意义的挑战,将核电站的无源散热系统的研发不容置疑地推到了传热界人士的面前。,&
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  KY28G
如果我们有一整套无源高密度传热系统能替代或辅助现有的核电站冷却系统,那么我们就可能将核电站建立在可以抵御更加严重的自然灾害的基础上。VWRR.U
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  @aywK
针对核岛的大密度,大热量,高辐射传热条件我们有什么更好的无源传热模式呢?v\Etos





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发贴时间2011/03/16 07:58am IP: 已设置保密[本文共857字节]  
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  压水堆传热体系与非相变传热机制q
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  Ne~
压水堆的基本的传热工作原理是通过15.5Mpa左右的压力控制和防止300摄氏度左右的冷却剂在流经核燃料棒时发生沸腾现象,从而保证核燃料棒产生的高热迅速带走,并传输到蒸汽发生装置。| flnS
这里需要:1,保持和控制系统压力;2,高强冷却剂驱动系统。Z++
压力有效抑制冷却剂的沸腾;驱动系统将热量迅速传输出核岛。o&0
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  `HV0
这与非相变传热机制十分相似。微妙的是非相变传热机制可以通过自身的传热机制自动形成沸腾抑制。并以系统内自然形成的与热作用相适应的驱动力迅速地将热传递到冷凝端。从而形成了一个无源的类似压水堆一回路工作机制的传热系统。P
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  PzQRQQ
可以这么说,压水堆依托的是一个以外力控制下形成的非相变单相流传热体系。而非相变传热则是依托了一个自身热作用形成的非相变多机制传热体系。#
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  HU
是否如此?wc
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  V2f
也许非相变传热机制会给核电安全提供一个新的思路?kXODl(





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发贴时间2011/03/17 08:52am IP: 已设置保密[本文共761字节]  
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  压水堆冷却剂在核岛中的流量和流速都是惊人的。万吨/小时与4-5米/秒也只算是小数目。2'jBn
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  x<W
非相变传热机制仅靠核岛的热作用能产生这么大的流量和流速吗?如果不能,又如何将这么大量的热传递到蒸汽发生器呢?^ZF
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  4zrMq
呵呵,是啊!/kH#n
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  [3}L}
压水堆是要依靠几千KW的强力泵才能达到这样的流量和流速的啊,“无源”的非相变传热机制能行么?x(\Ta
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  n'`0
也许,这就是加压强制对流传热和非相变传热在传热机制上的差异吧。dbX
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  a_m+\
加压强制对流传热,虽然抑制了沸腾,却也抑制了冷却剂的高流动能力。&nq
加压强制对流传热,虽然加强了流量,却也湮灭了冷却剂的高传热能力。Jj
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  rE`
于是一切都随着教科书顺理成章。M<
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  )w?ljW
非相变传热呢?']iC]
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  v
难道,其能够在抑制沸腾的同时增强冷却剂流动的驱动力,而且诸如几千KW电泵那么强大的动力?^\.=
难道,其能够在以热驱动冷却剂流动的同时还能增强冷却剂单相流传热能力,而且形成诸如数百MW热量的传输能力?o=:e-a
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  WYrsN:
真可谓天方夜谭啊?!`?26Jc
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  )r|r`p
哈哈,原来这是在睡梦中贴上来的帖子。凌晨2点30分。啊~~~  哈欠!zAI1sb





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发贴时间2011/03/19 02:31am IP: 已设置保密[本文共863字节]  
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  为什么压水堆能在核电中后来居上战胜沸水堆拔得头筹,并占领了世界核电的半壁江山。UVg:|"
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  V4
精灵想,无非是压水堆的密度更大,体积更小,安全性更高吧。p
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  nAdG
沸腾传热机制利用相变潜热可以获得更高的热传输效果,因此,其也成为目前工业热利用中被普遍认同和大量使用的传热机制。热管,就是这一传热机制的最优异成果之一。+nvG
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  6
核电站为何弃具有“热超导”盛誉的热管不用,而去追求普通沸腾传热机制,甚至最后选择加压强制对流传热呢?G
呵呵,费解!BHx1
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  S
或者原因在于传热密度吧。核岛发热密度很高。而且很容易使沸水堆或压水堆的冷却剂在高温下大量释氢。所以,要求在相对低的传热温度下获得更大的传热密度和传热量。D#u%/
这就使所谓“热超导”器件--热管首先遭遇了尴尬。[
传热能力相对比较低的普通沸腾传热机制由于可以控制沸腾程度和工质流量取而代之。(这次造成世界级核事故的福岛核电站用的就是此传热机制)以精灵之浅见,最少体积大,沸腾程度控制难度大,释氢严重是其软肋。因为沸腾传热的传热密度相对低,传热温度相对较高(指燃料棒与冷却剂间的传热密度)。而且沸腾传热工质流量无法有效控制。当然,沸水堆传热机制也不得不悻悻而隐。QGpW
不幸的是,取代的是被认为传热能力更低的强制对流机制。只不过多了一个加压衔头。这就是压水堆。呵呵,这多少有点讽刺意味!:+>1
然而,压水堆确实以其通过抑制沸腾和加大流量的最原始的技术获得了核电方案的青睐。压水堆通过抑制沸腾,加大了燃料棒与冷却剂之间的传热密度,降低了燃料棒的表明温度,有效抑制了氢的发生。同时,通过大流量强制对流增强迅速控制沸腾程度和正确传热能力。DZm~)
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呵呵,蛮有意思。*~
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  +-
传热能力有意义,还是传热效率有意义?z
沸腾传热效果好,还是抑制沸腾效果好?Yp\!#^
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  U=Y(+
通过抑制沸腾达到更高的传热能力是否值得思考?..





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发贴时间2011/03/21 11:55am IP: 已设置保密[本文共1497字节]  
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  [这个贴子最后由精灵U在 2011/03/22 11:27am 第 1 次编辑]Obx$m
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说说压水堆在抑制沸腾的同时也抑制了冷却剂的流动机制。_Y^
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  O#k!
前面说过,压水堆为了提高燃料棒和冷却剂之间的换热能力,采用了抑制沸腾的机制。抑制沸腾也就是抑制了燃料棒表面因沸腾所形成的气膜,从而降低燃料棒与冷却剂之间的传热热阻,因此也就提高了二者之间的传热能力。,DKE
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  [0Lw
当然,在一个密封体系中,要抑制沸腾只有:1,降低加热温度;2,带走更多的热;3,增高系统压力三种途径可以选择。在压水堆中,降低加热温度当然也可以通过调节控制棒进行调节,但那就失去了加大堆功率的意义。带走更多的热却受限于沸腾产生的气膜形成的极限,也无法实现。于是就采用了增高系统压力的方法。tHm
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然而,单纯地依靠核岛的沸腾蒸汽压力增长并不能抑制沸腾,必须使系统内压力超过相应的沸点温度,核岛冷却剂沸腾的抑制才有可能实现。这就是说,依靠核岛本身形成沸腾的蒸汽压力,只会水涨船高地提高沸腾温度,并不可能抑制沸腾。/mL]
于是,压水堆设计了一个稳压器装置,利用电加热方法以电能产生更高的沸腾温度,以此获得更高的蒸汽压力,来增加压水堆冷却系统的压力,从而抑制核岛处冷却剂的沸腾现象。稳压器始终保持产生一个高于核岛冷却剂沸点的压力值。即始终保持先与核岛沸点温度增长的压力增长。,
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  }Uwg
这样,抑制沸腾,增强传热能力的目的是实现了。|(L
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  i-
然而,这样的抑制机制却也同时破坏了或者抑制了沸腾传热在系统热传输上的优势。KE
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在沸水堆中,系统蒸发端(核岛)与冷凝端(蒸汽发生器)因为工作中二者存在温差,并造成冷却剂蒸汽的发生与冷凝从而形成了两端的压力差,从而形成了冷却剂的运动和热的传输。这样的热传输是在冷却剂在蒸发端和冷凝端相对一致的运动中形成的。`gL
压水堆由于为了抑制沸腾,沸水堆在核岛和蒸汽发生器之外,增加了一个稳压装置。这个稳压装置在提供一个抑制沸腾的压力的同时也严重干扰核岛和蒸发器之间热运动的同步性。即原来核岛与蒸汽发生器之间的因热作用产生的压力差,在很大程度上被稳压器所产生的压力抑制或抵消了。_
于是,压水堆原本存在的热作用下的冷却剂运动和热传输机制也被为提高燃料棒与冷却剂间的热交换能力的抑制沸腾机制所抑制了。V
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真可谓,拆东墙,补西墙,顾此失彼啊。9
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  '%\3
于是就只好加个泵或加大对流泵吧,这也照样解决问题啊。反正沸水堆也要有个回流泵不是吗?24lw
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哈哈,也是啊,教科书就只提供这样的思路不是吗。s





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  ©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  T:v,
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配个图玩玩Yx,OR





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  呵呵,多谢椴师傅了。i{4
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明天再帮着整个压水堆的。这沸水堆现在也就日本人还当宝贝了。nS





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  [这个贴子最后由精灵U在 2011/03/23 11:14am 第 1 次编辑]s
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为什么说压水堆的加压强制对流抑制了沸腾也湮灭冷却剂的高传热能力。*w{TX
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  L]/
或者有人说,这还不容易么,都从沸腾传热机制退回到对流(单相流)传热机制了,传热能力还高得了吗,呵呵。uU6
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确实,但,如果有人反问,为什么压水堆却占了世界现有核电站的60%以上呢?/`/P
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  Fiw;_c
确实,呵呵,问题并不那么简单。03jD
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也许,我们要从单元传热能力与总体传热能力,以及传热功耗等方面来看。?@/Y
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  yT\no
沸水堆,用的是沸腾传热机制,而且是处在一个相对密闭的环路中。虽然,其没有完全像热管那样形成静态时的真空状态,但由于其工作在300摄氏度左右高温,而且长期保持这样的工况,环路内部一直对外保持相对正压状态,所以,其工作实际上保持了类似热管那样的高传热机制。相变潜热在沸水堆中是被充分利用的。DP,J~2
可以这么说,沸水堆回路,实际上就是一个加了工质回流泵和外界控制接口的大型环路热管。一个可控环路热管。<Q56
不同的是热管中不存在如此大的系统温差和压差,而沸水堆(见椴师傅贴图)需要系统温差,从而形成强压差下的强蒸汽流,以推动汽轮机。Xvj#:
所以,沸水堆在核岛处要求的是高换热效率,系统上是要求高热输送能力,冷凝端要求的是高压差和强气流。&I
其换热方面的优势是沸腾机制,其软肋也是沸腾机制。或者也因这一软肋被淘汰出局。tD'
当然沸水堆被压水堆取代,还有其他方面原因,尤其是核安全方面的考虑。这里就不讨论了。E
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  qBk6JG
压水堆传热系统也是一个回路,由核岛和蒸汽发生器构成,然后加上一个像盲肠一样的稳压器装置。当然也要有一点强力的冷却剂循环系统和其他辅助系统。W_cMf
压水堆基本是针对沸水堆存在的问题设计的。这里主要讨论换热和热输送课题。/
压水堆利用抑制沸腾的方法,消除了沸水堆的沸腾极限软肋,从而释放了核岛中核燃料棒的发热密度束缚。然而,大量的热传递到冷却剂后,冷却剂却无法像沸水堆那样以饱和蒸汽形态迅速将热向冷凝端传输。而只能在燃料棒周围的冷却剂中对流换热和传导。而且,由于稳压器的存在,致使原本系统中因蒸发端和冷凝端冷却剂存在的密度差形成的压力差被干扰或被平衡,冷却剂的系统压差对流也无法实现。[D_P
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  R|
核岛的高传热密度和系统的低传热能力,这就是抑制沸腾带来的新的矛盾。lqJt!W
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  7d{Djj
当然,活人总不会被尿憋死。于是强制对流,高压高温单相流强制对流系统被加了进来。强大的对流系统掩盖了所有的弱点,也熄灭了传热机制优劣的争论。T';=^S
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  `
以总体传热能力更强的优势,压水堆在传热机制上以传热能力较低的对流传热取代了传热能力较高的沸腾传热。以高能耗换取高功率和更安全。Ec3W_
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  ~6Q2YV
哈哈,难道就没有既能像压水堆那样高密度换热,又能像沸水堆那样高强度传热的方案吗?D
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  rD4
鱼和熊掌不可兼得?b+
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  chuF,
如果允许合上书本。或许——Y1]3K,





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  非相变传热机制有可能替代压水堆一回路传热机制吗?\bz
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  S[lc
也许,现在才真正进入梦境吧,哈哈!VYDHh"
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  .CT1)Q
压水堆首先解决的是抑制沸腾。其以外加能量经稳压装置抑制核岛的冷却剂的沸腾。}t\U
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  4
非相变传热提高传热能力的要素也是抑制沸腾。其通过热作用本身控制或抑制沸腾。Dj TDm
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  pC
这里抑制沸腾是相同的,不同的是抑制沸腾的机制。WWH
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  T+1@9
压水堆利用了外加能量。也就是在原封闭系统的PVT关系上,人为地以外力调控P以控制V。这样的思路比较简单,也很容易实现。只要通过监测系统中温度和压力状况,便能通过外力实现有效控制。J&)X-
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  _qC
也就是说,当核岛温度升高的时候,稳压器就必须根据温度的提高程度使压力也相应提高。这样,冷却剂温度虽然高了,但沸腾并不会发生。原来燃料棒和冷却剂之间的传热热阻就不会发生改变。只要相应同步调整冷却剂的对流量,就能保持核岛的热平衡。VWc]
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  d;a3&"
非相变传热抑制沸腾的机制是通过系统本身的PVT关系自动调节而实现平衡的。即通过适当的预设机制,使热作用下的压力增长曲线始终高于沸点增长曲线。从而实现在无外力作用下的沸腾抑制机制。这样的机制一旦设定,便能在设定工况内完全依靠系统自身工作状况调节控制沸腾或抑制沸腾。无需任何外来能量的辅助。W;MQ
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  KRu
这样的机制不仅省却了原压水堆稳压器装置,降低了能耗,还消除了稳压机制带来的此前谈到的传热副作用。]^po#f
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也就是说,首先,压水堆的抑制沸腾机制能被非相变传热系统实现或代替。O
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  H
呵呵,书本上怎么找不到这样的沸腾抑制机制呢?6
©ie586 怀旧论坛 -- ie586 全球华人论坛  r5EjO
梦呓?!>A@Y
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让梦延续下去吧。,n[<H





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也许有人说,抑制沸腾还不容易,在密封的管子里灌满水,怎么烧都不沸腾不是吗?[Z67
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呵呵,确实!但,抑制沸腾只是加强传热效果的第一步。y !efP
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当燃料棒的热传给了冷却剂,冷却剂还要能将热传给蒸汽发生器才行啊。否则抑制沸腾何用。U
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压水堆,为了解决这个问题,使用了强力泵。通过冷却剂的强制对流将从燃料棒获得的热迅速传递给蒸汽发生器,然后输出蒸汽,推动涡轮。0X7tQ
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如果说从压水堆一回路中拿掉稳压器,还有点可以想象的话。拿掉几千KW的循环泵简直就是梦,甚至是癫狂了。W
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呵呵,开弓没有回头箭,梦都做了一半了,就做下去吧。+w
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为什么需要那么大的循环泵?9)<
1,蒸汽自然对流动势强,阻力小,速度快。液态单相流没得比啊。2,相变有潜热,单相流没有,同样的流量传热量小4、5倍啊。L
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所以,要拿掉强力泵,要么就要具有强大的对流量,要么就要有更高的传热能力。而根据教科书,只靠核岛产生的热无论如何无法使冷却剂形成如此大的对流量和如此高的对流速度。不但如此,同样根据教科书,液态单相流也无法形成像沸腾传热那样高的传热能力。{H
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真的如此吗?d_H?_6
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沸水堆中,蒸汽的高速对流,是冷却剂的体积在核岛急剧膨胀和在冷凝器处迅速收缩所形成的。由于这样的膨胀与收缩几乎是同时发生的,也就是说几乎是同步的,所以系统“静态”压力几乎没有变化。JGu&v.
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压水堆中,冷却剂是否也能利用液态物质的膨胀和收缩形成如同沸水堆中蒸汽那样的运动状态呢?;
答案应该是肯定的,思路是如何使冷却剂形成适当的弹性结构。同时让核岛和蒸汽发生器二者之间的热作用同步,并产生180度相位差。这在原理上与蒸汽的运动没有什么不同。差异只是速度,运动物质的密度和所产生的相应动力等。而且,这样的机制一旦形成,冷却剂的运动速度和运动量就完全与核岛和蒸汽产生器之间的加热和冷却程度同步。也就是说,其流速和流量完全由加热和冷却决定。5A<<u
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呵呵,天哪!太具想象力了。NqP;3{
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呵,客官,暂且诧异。后面也许更不可置信。哈哈![
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既然,加热端和冷凝端的同步运动,能使冷却剂流动,并且是与热作用相对应的流动。为什么不能让这样的同步对流运动上升到热作用的同步传递呢?确实,核岛燃料棒传递给冷却剂的热可以形成封闭体系中的各种物理量。其中就有热、声、压力、波动等等、等等。如果,我们有意识地将某一种与两端热作用相适应的物理量加入到流动的冷却剂中,那么,“相变潜热”的效果不就产生了吗?热不就能迅速地不是以物质流而是以能量流(或波动形态)在核岛和蒸汽发生器之间传递吗?}~{,[
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这没有什么不可能,声波在气流中传递,地震波在海流中传递,都与气流和海流的速度无关。冷却剂在压水堆一回路中的流动速度和流动量与热形成的相应物理量的传递速度无关。[!Qo?
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呵呵,(
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神奇还是神话?^
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梦与现实有多远?u-yIH1
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哈哈!7!OYQq





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一直无法从网上下载和拷贝压水堆原理图示,只好将网页贴在这里,麻烦各位自己去看了。!J#





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