反應堆熱工分析課程設計

1、核反應堆熱工分析課程設計學生：楊偉學號：20094271指導教師：陳德奇專業(yè)：核工程與核技術完成時間:2012年7月5日重慶大學動力工程學院二O 一二年六月1 設計目的通過本課程設計，達到以下目的：(1) 深入理解壓水堆熱工設計準則；(2) 深入理解單通道模型的基本概念、基本原理。包括了解平均通道(平均 管)、熱通道(熱管)、熱點等在反應堆熱工設計中的應用；(3) 掌握堆芯焓場的計算并求出體現(xiàn)反應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to及其最高溫度to,max 包殼表面溫度tcs及其最咼溫度tcs,max等；(4) 求出體現(xiàn)反應堆先進性的主要參數(shù)：堆

2、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) 通過本課程設計，掌握壓水堆熱工校核的具體工具；(6) 掌握壓降的計算；(7) 掌握單相及沸騰時的傳熱計算。2設計題目某壓水堆的冷卻劑和慢化劑都是水，用 UO2作燃料，用Zr-4作燃料包殼材料。燃料組件無盒壁，燃料元件為棒狀，采用正方形排列。已知參數(shù)如表1所示:序 號反應堆主要參數(shù)No.31系統(tǒng)壓力P15.5MPa2堆芯輸出熱功率Nt3016 MW3:冷卻劑總流量 W68500t/h4反應堆進口溫度tfin292.4 C5堆芯高度L3.66m6燃料組件數(shù)m1577燃料組件形式

3、nO >no17 X178每個組件燃料棒數(shù)n2649r燃料包殼外徑des9.5mm10燃料包殼內(nèi)徑dei8.36mm11燃料包殼厚度 S e0.57mm12燃料芯塊直徑 du8.19mm13:燃料棒間距（柵距）s12.6mm14兩個組件間的水隙 S0.8mm152UO芯塊密度 p UO295%理論密度16旁流系數(shù)Z5%17燃料元件發(fā)熱占總發(fā)熱的份額Fa97.40%18徑向核熱管因子 FRN1.3519軸向核熱管因子 FZN1.520熱流量核熱點因子FqN-FRN*FZN2.02521熱流量工程熱點因子 FqE1.0322含升工程熱管因子 FA HE （未計入交混因子）1.14223交混因

4、子 FA HmE0.9524焓升核熱管因子 FA HN-FRN1.3525:堆芯進口局部阻力系數(shù)Kin0.7526:堆芯出口局部阻力系數(shù)Kout127堆芯定位隔架局部阻力系數(shù)Kgr1.05將堆芯自下而上分為 6個控制體，其軸向歸一化功率分布如表2所示:表2 :堆芯歸一化功率分布自下而上控制休號123456Phi.10.480.981.611.541.010.383計算過程及結果分析3.1流體堆芯出口溫度(平均管)f .outt f .inFa* NtW* Cp *(1)S按15.5MPa下流體平均溫度。=(tf,out + tf,in)/2查表得假設出口溫度為 320弋，則S = (292.4

5、+320%)/2=306.2t，差得 =5.836KJ/Kgt f .outt f .in0. 9743016000* 3.6320.24668500 * 5. 836 * (10. 05)由于|320 -320.246|<0.5 滿足條件3.2燃料棒表面平均熱流密度H=轟廣七詡 W/式中：為堆芯內(nèi)燃料棒的總傳熱面積F=mrw兀叫屛燃料棒表面最大熱流密度怙n a FN -2%1泊=Q 4 打W/"燃料棒平均線功率幣q n - d Lq,fa * 7i' d 仁 L=岀W/m燃料棒最大線功率比血K_IpN e£%、kJ廠質忤W/m根據(jù)以上已知的公式查表可計算得：

6、Fm=mf 叫J 丄=157 X 264 XTTX 0.0095 X 3.66 = 4527.493 mZ亓"M/F總二 °加斗 x片52工仞3 =648832.385 W/口川 rJ?J t= 648832.385 X 2.205 X 1.03 = 135330215 W/nT( n * d - L%=L應 5 ' d=648832.3B5XHX0.0095 = 19364.4706| W/m n f饑 耐F/ Fq=i93&4 4706 x 2.205 X 1.03 = 40389,4446| W/m3.3平均管的情況平均管的流速Wef(1 -0式中，堆

7、芯內(nèi)總流通面積19 / 185+ 4 *(noxS) X-叫】為燃料組件內(nèi)正方形排列時的每一排（列）的燃料元件數(shù)。i耳由壓力以及流體的平均溫度&查表得到:兀步j + 4 (n0 x S) X -根據(jù)以上公式，查表有:'=1 (=15717*17*(0.0126*0.0126-3.14159*0.0095*0.0095/4)+(4*17*0.0126*0.00057/2)=4.0256 mV= =713.0373895Wef_W- (1-0AfPf68500 0.95.4.0256 - 713.037 * 3.6 = 6 2975 ms3.4為了簡化計算，假定熱管內(nèi)的流體流速 &

8、quot;h和平均管的v相同。（實際上，應按照壓降相等來求。熱管內(nèi)流體流速要低一些）。則二"同樣，熱管四根燃料元件間組成的單元通道內(nèi)的流量(i-<)1 =廣2兀j 24=：>.01262所以，根據(jù)查表一及以上算出的數(shù)據(jù)可以得出:巴山0095 = 87878 x 104w- (i-<)w. X. 血 A=68500 -0,95=1丨x 8.7678 x 10=1.42056 t/h3.5熱管中的計算(1)熱管中的流體溫度:刁吩?；癄?叫f咕=£ +斤£J肆也自下而上控制休號123456Phi.1屮0.480.981.611.541.030.38ir

9、 I申血上述公式中，對于每一控制體，只有兩個變量比熱容 和，一般采用迭代法，可求的對于每一個控制體的出口為溫度 匕卜谿T.而但對于每一個控制 體的高度Z=i*L/6，通道長度為丄；=L/6。第一控制體出口溫度Uh=310°C 時，平均溫度 V =301.2 °C,在壓力 P=15.5MPa下，查核反應堆熱工分析附錄川-5，用插值法可求的'卩值，按上述公式算出口溫度 如下：292.4648832.38SW/m X 1.35 X 1.03 X tt X 0.00951.42056 m/s 5.53143874KJ/Kgx 0,48 x 3,66ni/62962C再將得出

10、的溫度值帶回公式計算，迭代幾次，滿足hh|vo.at為止?？傻?W 0ut =296.5096583954 C, » =294.4548291977 C，平均 溫度下 J =5.123 KJ/(Kg. C)同理可求得：第二控制體，W 列=304.342805319118C,第三控制體：V, out=315.958089043401C第四控制體： W 碩=325.980709114068C第五控制體：W 刨=332.1 C第六控制體：W 刨=334.334002118654C 出口處包殼外壁溫度：也f+叫h11h*必式中：h(z)可以用Nu= *=0023，rJ Pr來求。0.023

11、Re°8 * Pr° 4所以，h(z)=砂5叭冬式中：Re=二石萬4 坷嗆 24)D “ =：流體的k(z)、和Pr數(shù)根據(jù)流體的壓力和溫度由表查得。如果流體已經(jīng)達到過冷沸騰，用 Jen s-Lottes公式：1°作為判別式。兩函匚W L tf=(如L t j +-對)心F：卩F Jfe)=25 r* c+-上仙)I 10當劇fhV叫h2時，用前面的式子當叫h®叫h2時，用|叫2代替叫h冋根據(jù)以上公式，由壓力15.5MPa和第一控制體流體出口溫度卜人期=296.5096583954 C下，查核反應堆熱工分析附錄川 -4，用插值法可求u = 82.77811

12、 "曠中氐J查附錄川-6用插值法可求K(L/6)=：,查附錄川-1，用插值法可求 Pr=0.916390731539由上述公式可求得= 6877875625佔D = 0,0117778611433935 the=絲=匕上所以Re卩九M=L42056t/h 0.0117778611433935m/ (87.877875625 mmx 0.0117778611433935m638895.431832063h-必由Nu二左 =0.023來求得:0.023 ' Re0H Pr04h(z)=(0/J16390731539)0.40.5333784 W/(m*4C)麗 117778611

13、43393Tm=44347.8869710167De = 0.023 - (638895431832063 )第一控制體出口處包殼外壁溫度:】汁工=.+61S832.x 1.35 x 1.03 x 0.48 x 3,66m/ (6 x 44347.8869710167W/】t/C)=306.274648709703 C同理可求得：第二控制體，気 1】心)=324.798495876569C,第三控制體：咯】&）= 3475C第四控制體：咯£"= 347.8C第五控制體：11= 346.796531681631C第六控制體：気 l】G)= 341.5670226385

14、38C出口處包殼內(nèi)壁溫度：Gh弋h+叫人q廣用串昭唧dcs2叫*in（）式中:Zr-4 的k(z) = 0.00547 - (1.8 - tc(z) + 32)+ 13,8 W/ m2 - °C_ 1=尹山）+ 口）先假設出口處包殼內(nèi)壁溫度為400C,求出平均溫度值=尹療+ 5) =353137324354851 °C,依據(jù)公式；k(z) = QQ0547 * (1.E * tjz) + 32)f 13.8 , 求出包殼導熱系數(shù) !'心. .i代入公式Jh叫山+傀hq廣陽吩“dcs2叫* lfl()193644706 -x 135 x 1,03 x 0.48 mT

15、+2n x 17,4520300955979 W/ m2 - °C=318.298245150761將得出的內(nèi)壁溫度再次代入公式，如此迭代幾次，一直到滿足f叫h-Q h |<0.5弋算出出口處包殼內(nèi)壁溫度得出第一控制體也=318.298245150761 T，包殼導熱系數(shù)=17.06436 w/(m. C )。同理可求得：第二控制體，咕於 = 355.78551929507C第三控制體：Eh 二 397. C第四控制體：如對=394.879379355877C第五控制體：石,h（z）= 378.332915275762C第六控制體：気 hQ）= 353.533052753641

16、C出口處UO的外表面溫度'：采用接觸導熱型傳熱模型，取等效傳熱系數(shù)輛=57啟/巾汽采用公式:. w FqFq Fq '卩Uh=t如+d +dcl uUO的外表面溫度:將已知數(shù)據(jù)代入上式可以求的第一控制體出口處 N FFq，P(7.)心=也+ d +dfi u也19364.4706 W/m x 1.35 x 1.03 x 0.480.00819m + 0.00836m= 318.29824515O761C7T XX 5768W/m2*°C.=404.465729188671 C同理可求得:第二控制體，t 訕&) = 531.764006043318C第三控制體：

17、1'= 686.2C第四控制體：''=671.417001388839C第五控制體：''=559.69849855712C第六控制體：=421.769608839697C出口處UO的中心溫度5h：用積分熱導率求解的公式:¥ E2ftoiWr)屮片廠咋啓 'J” Mt)dt = J kuct)dt + 一10根據(jù)第一控制體出口處 /匸川卩迸，:云二404.465729188671 C,在核反應堆熱工分析表3-7中，用插值法查取ku(t)dto=26.62140439求出S.hkjt)dt = 36.90649199 W/cm，再反過來查取

18、血= 652.6220489 .°C。所以求的第一控制體出口處 UQ的中心溫度：遷4匯曲農(nóng)齊；C 同理可求得:第二控制體，|： = 1192.928084C第三控制體：|：= 2051.399855C第四控制體：|= 1956.783425C第五控制體：'=1263.452292C第六控制體：|= 615.6024561C3.6 熱管中的 4DNB，H（Z）;采用w-3公式計算，為了簡化計算，不考慮熱流密度非均勻分布影響 已知W-3公式如下：= 3154000*(2,022 - 0,00000006238 * p) 4- (01722 - 0.0000000143 * p)x

19、 EXP(18.177 一 0.0000005987 * p) x Xj x |(04484 - 1.596 x X” -01729 XX |XJ) X 0*2049 x G/1000000 + 1.037) x (1.157 -0.869 X XJ X 0.2664 + 0,8357 * EXP(-124 * DJ X L0.82S8 + 0.000000341 X (hf$ - hfJ曲帕c VR仆 D = 0.0117778611433935 m 木居二宀臉烏八疋、 根據(jù)壓力P=15.5MPa,查核反應堆熱工分析附錄川-2，用插值法可求當z=L/6=0.61m時， 和(回)=296.50

20、,©)=1318.71945982975J/Kg進口 比焓值=1296.80496050637J/Kg.查附錄川-1,飽和水比焓值 S=1629.85030094042J/Kg,汽化潛熱召42285691J/K,叫G =質量流量 州 =0.389974488*3600/87.87781575e-6=15975683.34(Kg/m.h)平衡態(tài)含汽量瓦=人心)時/ %=(i296.80496050637J/Kg-1629.85030094042J/Kg)/仝圧工 丄："=-0.321959490470355將上述數(shù)據(jù)代入W-3公式可得:=3154000x p 2.022 -

21、0.00000006238 * 15.5 x十(0.1722 - 0.0000000143 * 155 X 106) X EXP(18477 - 0.0000005987 * 15.5 x 106) x ( - 0,321959490470355 )x (0.1484-1596 X (-0321959490470355 ) -0.1729 x (-0.321959490470355 ) x | - 0.3219S9490470355 |) x 0.2049X 16165210.3456565/1000000 + 1.037) X (1.157-0.869 X (-0.3219594904703

22、55 ) ) X 0.2664 + 0.8357 x EXP( -124X 0.0117778611433935 ) X 0.8258 + 0.000000341 X (1629.85030094042-1296.80496050637)=294814.28501949 W/m2同理可求得：第二控制體：吧二胖"=5826367.86074238 W/m2第三控制體：比朋F壬二4823186.70632454W/m第四控制體:丸曲F王二3913996.35684406W/m?第五控制體:辻朋忙：沁=3332080.43822718W/m?第六控制體:狂朋W= 3098682.28547

23、186W/mf3.7DNBR的計算DNBR =/根據(jù)已經(jīng)計算得出的數(shù)據(jù)，第一控制體有：& = 648832.385 W/，%站6494814.28501949 W/m?,環(huán)二比心=1 35 , Fq = 1 03。所以又第一控制體的臨界熱流密度比：如飾DNBR =6494814.28501949 Vrri2g圧吟w=618832* 385 W/rn2 X 1.35 x 1,03 冥 0.4814.9976076667741同理可求得：第二控制體，=6.58974052256303第三控制體:皿二=3.327第四控制體：網(wǎng)淚司=2.817第五控制體：師詞=3.65671060873903

24、第六控制體：戸汪闊=9.9653.8計算熱管中的壓降L pV2 L GLvAP/ = f W = rT-F單向流體的摩擦壓降龍P"03164式中單項流體加速壓降單項流體提升壓降AP_Pm + PgrH = p * g L =g 叫局部壓降：出口"曲$叔G存測2 =心 * 進口G VinI-=其中，比容按相應的流體壓力和溫度，由表插得-4，用對于第一控制體，壓力 P=15.5MPa,查核反應堆熱工分析附錄川插值法可求所以 =0.69852。得出：0.0109030154969852 X血弧 05Q09 X 10_6pa 乞®二旳 87495 X 106pas|,查附

25、錄川-3, v=0.2m3/Kg,質量流量 G= 161652103456565 出訂 h)3.666 X 0.01 1777861143393516165210,0 2 X 0.001363155882=7760.38521317303 Pa同理可求得：第二控制體，=7792a第三控制體：=7699.25194407658Pa第四控制體：=8014.Pa第五控制體：=8354.82019321861Pa第六控制體：%=8641.49615763273Pa所以，總的摩擦壓降為：阿二 APf ： + % + APr + APf+ + APf=7760.38521317303Pa+7792a+7699.25194407658Pa+7699.2519440 7658Pa+8354.82019321861Pa+8641.49615763273Pa =48262.1848188906 Pa對于第一控制體，根據(jù)已經(jīng)計算出的溫度和已知的壓力得出的數(shù)據(jù)% = 741.636451890832 Kg/m p創(chuàng)=741.6364S189O83