壓水反應(yīng)堆的熱功率

1、 課程設(shè)計報告( 2013 - 2014 年度第 二 學(xué)期)名 稱： 核反應(yīng)堆熱工分析課程設(shè)計 題 目：利用單通道模型進行反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計院 系： 核學(xué)院 班 級： 核電1101班 學(xué) 號： 1111440113 學(xué)生姓名： 漆圣培 指導(dǎo)教師： 李向斌 設(shè)計周數(shù)： 一周 成 績： 日期： 2014 年 06 月 29 日一、課程設(shè)計的目的與要求反應(yīng)堆熱工設(shè)計的任務(wù)就是要設(shè)計一個既安全可靠又經(jīng)濟的堆芯輸熱系統(tǒng)。對于反應(yīng)堆熱工設(shè)計，尤其是對動力堆，最基本的要求是安全。要求在整個壽期內(nèi)能夠長期穩(wěn)定運行，并能適應(yīng)啟動、功率調(diào)節(jié)和停堆等功率變化，要保證在一般事故工況下堆芯不會遭到破壞，甚至在最嚴(yán)重的工

2、況下，也要保證堆芯的放射性物質(zhì)不擴散到周圍環(huán)境中去。在進行反應(yīng)堆熱工設(shè)計之前，首先要了解并確定的前提為：（1）根據(jù)所設(shè)計堆的用途和特殊要求（如尺寸、重量等的限制）選定堆型，確定所用的核燃料、冷卻劑、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料等的種類；（2）反應(yīng)堆的熱功率、堆芯功率分布不均勻系數(shù)和水鈾比允許的變化范圍；（3）燃料元件的形狀、它在堆芯內(nèi)的分布方式以及柵距允許變化的范圍；（4）二回路對一回路冷卻劑熱工參數(shù)的要求；（5）冷卻劑流過堆芯的流程以及堆芯進口處冷卻劑流量的分配情況。在設(shè)計反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)時，為了保證反應(yīng)堆運行安全可靠，針對不同的堆型，預(yù)先規(guī)定了熱工設(shè)計必須遵守的要求，這些要求通常就稱為堆的熱工設(shè)計準(zhǔn)則。

3、目前壓水動力堆設(shè)計中所規(guī)定的穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計準(zhǔn)則，一般有以下幾點：（1）燃料元件芯塊內(nèi)最高應(yīng)低于其他相應(yīng)燃耗下的熔化溫度；（2）燃料元件外表面不允許發(fā)生沸騰臨界；（3）必須保證正常運行工況下燃料元件和堆內(nèi)構(gòu)件得到充分冷卻；在事故工況下能提供足夠的冷卻劑以排除堆芯余熱；（4）在穩(wěn)態(tài)額定工況和可預(yù)計的瞬態(tài)運行工況中，不發(fā)生流動不穩(wěn)定性。在熱工設(shè)計中，通常是通過平均通道（平均管）可以估算堆芯的總功率，而熱通道（熱管）則是堆芯中軸向功率最高的通道，通過它確定堆芯功率的上限，熱點是堆芯中溫度最高的點，代表堆芯熱量密度最大的點，通過這個點來確定DNBR。熱工課程設(shè)計主要是為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運用反應(yīng)堆熱工分析課程

4、和其它先修課程的理論和實際知識，樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)分析和解決實際問題的能力。通過本課程設(shè)計，達到以下目的：1、深入理解壓水堆熱工設(shè)計準(zhǔn)則；2、深入理解單通道模型的基本概念、基本原理。包括了平均通道（平均管）、熱通道（熱管）、熱點等在反應(yīng)堆設(shè)計中的應(yīng)用；3、掌握堆芯焓場的計算并求出體現(xiàn)在反應(yīng)堆安全性的主要參數(shù)：燒毀比DNBR，最小燒毀比MDNBR，燃料元件中心溫度及其最高溫度，包殼表面溫度及其最高溫度等；4、求出體現(xiàn)反應(yīng)堆先進性的主要參數(shù)：堆芯流量功率比，堆芯功率密度，燃料元件平均熱流密度（熱通量），最大熱流密度，冷卻劑平均流速，冷卻劑出口溫度等；5、掌握壓降的計算；6、掌握單相及沸騰時的

5、傳熱計算。7、理解單通道模型的編程方法。課程設(shè)計的考核方式：1、 報告一份；2、計算程序及說明一份；3、答辯。2、 設(shè)計任務(wù)（設(shè)計題目）2.2 已知壓水反應(yīng)堆的熱功率；燃料元件包殼外徑，包殼內(nèi)徑，芯塊直徑；燃料組件采用17x17正方形排列，共157組燃料組件；每個組件內(nèi)有24個控制棒套管和一個中子通量測量管；燃料棒中心間柵距P13mm,組件間水隙。系統(tǒng)工作壓力p15.51MPa，冷卻劑平均溫度，堆芯冷卻劑平均溫升；冷卻劑旁流系數(shù)；冷卻劑設(shè)計總流量14314Kg/s，；DNBR=1.3；又設(shè)燃料元件內(nèi)釋熱份額占總釋熱量的97.4%；堆芯高度取L4.2672 m；并近似認(rèn)為燃料元件表面最大熱流密度

6、、元件表面最高溫度和元件中心最高溫度都發(fā)生在元件半高度處；已知元件包殼的熱導(dǎo)率。試用單通道模型求燃料元件中心溫度。三設(shè)計正文冷卻劑有效流量Wef=Wt1-=143141-6%=13455kg/s焓升工程熱管因子FHE取1.085（未計入交混因子）1）確定燃料元件的實際最大熱流密度因為壓水堆的安全限值首先是燃料元件表面的最小DNBR，其次才是燃料元件的中心溫度，故實際的值由熱點處的值除以DNBR而得。堆芯燃料棒數(shù)目 平均熱流密度 2）確定燃料元件表面平均熱流密度qq=0.646MW/m2q1=qdcs=0.6463.140.0095=0.0193MW/mq1,max=q1Fq=0.01932.5

7、5=0.0491MW/m3）堆芯等效直徑DefDef=121T2/4式中T為正方形組件每邊邊長（m）。因為組件無盒壁，組件間水隙w=1mm，相鄰組件的燃料元件棒中心距為13+1=14mm，故得T2=(171310-3+20.510-3)2=0.049m2將T2帶入到Def中，得Def=2.75m4)熱管版高度處水的比焓hL2hL2=hf,in+hmax2堆芯平均管焓升h=NtWef=350010613455=260kJ/kg堆芯熱管最大焓升hh,max=hFHNFHE=2601031.651.085=465.5kJ/kg假設(shè)冷卻劑溫度變化是線性的，則tf,in=286.7借助水和蒸汽計算程序，

8、查得當(dāng)tf,in=286.7，p=15.51MPa時，hf,in=1266.96 kJ/kg故hL2=hf,in+hmax2=1266.96+465.52=1499.71kJ/kg借助水和蒸汽計算程序，在工作壓力下tL2=327.39 5)熱管半高處冷卻劑流速熱管內(nèi)冷卻劑流速（或質(zhì)量流速）的精確計算可按教科書中介紹的方法求解，也可按熱管與平均管壓降相等的原則進行迭代求解。作為例子，為簡化計算，取熱管半高處冷卻劑流速近似等于平均管半高處的流速，則V=WefvfAt式中：At為堆芯燃料元件周圍的冷卻劑總有效流通截面積（m2）；vf為冷卻劑平均溫度下的比容（m3/kg）；借助水和蒸汽計算程序，可得t

9、R=305，p=15.51MPa時，比容vf=1.396710-3 m3/kg。At應(yīng)由兩部分組成：一部分是組件內(nèi)燃料元件棒之間冷卻劑的流通面積；另一部分是組件間水隙的橫截面積，因為流過這個水隙的冷卻劑是冷卻燃料組件最外面一排燃料元件的，所以它也屬于有效冷卻劑的流通面積。因此有At=NP2-4dcs2+n4(17P)式中為組件間的水隙寬度為0.001mm。At=1572641310-32-40.00952+1574171310-3110-3=4.20m2于是V=WefvfAt=134551.396710-34.20=4.4744m/s6）計算熱管半高度處燃料元件表面與冷卻劑間的對流換熱系數(shù)hR

10、eL2=VDev式中De為一個燃料元件柵元中冷卻劑通道的當(dāng)量直徑（m），De=4AbAL=4P2-4dcs2dcs=41310-32-40.009520.0095=0.0132m熱工參數(shù)p=15.51MPa， tfL2=327.39 在給定的熱工參數(shù)下，運動粘度=0.120910-6m2/s，Pr=0.8751 ReL2=VDe=4.47440.01320.120910-6=4.88105而NuL2=0.023Re0.8Pr0.4=0.0234.881050.80.87510.4=774.97在給定的熱工參數(shù)下，水的熱導(dǎo)率=552.810-3W/(m)故hL2=NuDe=0.5528774.9

11、70.0132=32.45103W/m27）計算燃料元件表面最高溫度tcs,maxtcs,max=tfL2+fL2fL2=fL2 當(dāng)fL2f,JL2f,JL2 當(dāng)f,JL2fL2fL2=qFqhL2=0.6461062.5532.45103=50.76f,JL2=ts+25qmax1060.25exp-p6.2-tfL2式中：ts為冷卻劑的飽和溫度（），p=15.51MPa時，對應(yīng)飽和溫度為344.84f,JL2=344.84+251.651061060.25exp-15.516.2-327.39=19.77由于f,JL2fL2，故tcs,max=tfL2+f,JL2=327.39+19.77

12、=347.168）燃料元件包殼內(nèi)表面最高溫度tci,maxtci,max=tcs,max+cL2cL2=q1Fqccdcs+dci2式中：c為包殼厚度（m），c=dcs-dci2=9.5-8.62=0.4510-3mc為包殼材料導(dǎo)熱率W/m，近似認(rèn)為燃料元件表面最高溫度和內(nèi)表面最高溫度都發(fā)生在元件半高度處c=0.005471.8tcs,max+32+13.8=0.005471.8347.16+32+13.8=17.39W/m因而c=0.01931062.550.4510-317.393.149.5+8.6210-3=44.81故得tci,max=347.16+44.81=391.979）燃料芯

13、塊表面最高溫度tu,maxtu,max=tci,max+gL2gL2=q1Fqhgdci+du2式中hg是包殼與芯塊間的氣隙等效傳熱系數(shù)，這里取hg=5678W/m2，則g=19.31032.5556783.148.6+8.19210-3=328.8于是tu,max=391.97+328.8=720.7710）計算燃料芯塊的中心最高溫度to,max0to,maxudt=0tu,maxudt+q1Fq4=0916.43udt+19.31032.5543.1410-2查課本表3-7得0673.38udt=45.140to,maxudt=38.65+39.18=77.83查課本表3-7可得to,ma

14、x=21552200四、課程設(shè)計總結(jié)或結(jié)論堆芯內(nèi)部的燃料元件的溫度設(shè)計終于完成了，經(jīng)歷了很多，也學(xué)到了很多。首先，經(jīng)過此次的課程設(shè)計，掌握了核反應(yīng)堆堆工設(shè)計的基本設(shè)計步驟，并在設(shè)計中對上課時所學(xué)的積分熱導(dǎo)率，反應(yīng)堆和工程熱管熱點因子等知識從了解到熟練運用；其次學(xué)會了office軟件中公式編輯器的使用，可以對較難的公式進行編輯，快捷美觀；另外，溫習(xí)了以前學(xué)習(xí)的MALAB的編程知識，在編程的過程和編程的能力有一定的提升。尤其在matlab編程過程中，反復(fù)修改程序內(nèi)容，再次體會細心的重要性，感嘆編程的不容易。理論與實踐的結(jié)合是實踐環(huán)節(jié)的核心，熱工作為一名核電學(xué)子不但要學(xué)，更是要學(xué)好的專業(yè)課，所以在本

15、次的課程設(shè)計，不僅學(xué)會了課程的知識，而且也學(xué)會了使用自己學(xué)過的學(xué)習(xí)工具應(yīng)用與本門課程，希望在學(xué)習(xí)過程中各門課也多把學(xué)科之間的學(xué)習(xí)工具應(yīng)用于其中，更快更好地學(xué)習(xí)好相關(guān)的課程！附錄（設(shè)計流程圖、程序、表格、數(shù)據(jù)等）Nt=input(請輸入堆芯功率MW：);d1=input(請輸入燃料元件包殼外徑mm：);d2=input(請輸入燃料元件包殼內(nèi)徑mm：);du=input(請輸入燃料元件芯塊直徑mm：);n1=input(請輸入燃料組件邊長排列數(shù)：);n2=input(請輸入燃料組件數(shù)目：);x1=input(請輸入水隙寬度mm：);x2=input(請輸入燃料元件柵距mm：);p0=input(請

16、輸入壓強MPa：);t0=input(請輸入冷卻劑平均溫度：);dt=input(請輸入堆芯冷卻劑溫升：);w0=input(請輸入冷卻劑旁流系數(shù)（%）:);w1=input(請輸入堆芯體積流量kg/s：);fq=input(請輸入熱流密度熱點因子：);fh=input(請輸入焓升熱管因子：);fu=input(燃料元件內(nèi)的釋熱量占堆總熱功率的份額(%)：);DNBR=input(請輸入最小熱流密度(DNBR)：);L=input(請輸入燃料原件高度m：);dcs=d1/1000;dci=d2/1000;xw=x1/1000;xp=x2/1000;%確定燃料元件的實際最大熱流密度N=157*(17*17-25)q= Nt*fu/(3.14*dcs*L*N)qmax=q*fq%確定燃料元件表面平均熱流密度q1=q*pi*dcs;q1max=q1*fq;%堆芯等效直徑T=n1*xp+xw;Def=sqrt(121*(T2)/(pi/4);%熱管版高度處水的比焓hf=1266.97e3+0.5*(Nt*1e6*fh*1.085)/(w1*(1-w0/100);tl=323.21;at=n2*264*(xp2-pi/4*(dcs)2)+n2*4*n1*xp*xw;v=(w1*(1-w0