核反应堆初步设计课_程_设_计_说_明_书

核反应堆初步设计核反应堆初步设计 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 核科学与技术学院核科学与技术学院 2 目目 录录 目 录 2 第 1 章 绪 论 1 1 1 课程设计目的和要求 1 1 2 课程设计内容 1 第 2 章 反应堆稳态热工计算 2 2 1 引言 2 2 2 应用单通道模型进行反应堆热工设计 3 1 反应堆总热功率计算 3 2 燃料元件的总传热面积的计算 3 3 燃料元件根数及堆芯尺寸的确定 5 4 反应堆有效流量W有效计算 6 5 平均管冷却剂的质量流速的确定 6 6 平均管冷却剂的焓场 Hf m z 计算 7 7 堆芯平均管的各类压降计算 7 8 热管的有效驱动压头计算 9 9 热管冷却剂的焓场计算 9 2 3 燃料元件的传热校核计算 10 2 3 1 功率分布函数 z 表达式 10 2 3 2 热管的温度场表达式 11 2 3 3 包壳表面温度分布函数 12 2 3 4 燃料中心温度的分布函数 13 第 3 章 反应堆稳态工况水力计算 15 3 1 引言 15 3 2 一回路内的流动压降和水泵功率 15 3 3 反应堆自然循环能力分析 17 第 4 章 反应堆压力容器设计与部件图绘制 17 4 2 薄壁容器的应力分析和强度设计 18 4 3 管道的强度分析 19 第 5 章 计算程序与计算结果 20 5 1 Matlab 程序如下 20 5 2 程序计算结果 28 参考文献 33 附录 1 反应堆稳态热工计算表 34 附录 2 燃料温度校核计算表 38 附录 3 反应堆稳态工况水力计算表 41 附录 4 反应堆压力容器强度计算表 41 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1 11 1 课程设计目的和要求 课程设计目的和要求 1 运用 反应堆热工 课程中所学的知识 并加以巩固 充实和提高 2 掌握反应堆热工水力设计计算的方法与步骤 3 具有初步综合考虑反应堆结构设计的能力 4 培养学生查阅资料 合理选择和分析数据的能力 提高学生的运算 绘 图等基本技能 5 培养学生对工程技术问题的严肃认真和负责态度 1 21 2 课程设计内容 课程设计内容 本课程设计中主要内容有 1 完成反应堆的方案设计与论证 2 完成反应堆的稳态热工计算与传热校核 3 完成反应堆稳态水力计算 4 完成压力容器设计 5 完成压力容器制图 0 号图纸 燃料元件制图与栅元图 共用 2 号图 编写完整的设计说明书 2 第第 2 2 章章 反应堆稳态热工计算反应堆稳态热工计算 2 12 1 引言引言 反应堆热工设计的任务就是要设计一个既安全可靠而又经济的堆芯输热系 统 反应堆热工设计所要解决的具体问题 就是在堆型和为进行热工设计所必 要的条件已定的前提下 通过一系列的热工水力计算和一 二回路热工参数最 优选择 确定在额定功率下为满足反应堆安全要求所必要的堆芯燃料元件的总 传热面积 燃料元件的几何尺寸 以及冷却剂的流速 或流量 温度和压力等 使堆芯在热工方面具有较高的技术经济指标 在设计反应堆冷却系统时 为了保证反应堆运行安全可靠 预先规定了热 工设计必须遵守的要求 这些要求通常就称为反应堆热工设计准则 反应堆在 整个运行寿期内 不论是处于稳态工况 还是处于预期的事故工况 它的热工 参数都必须满足这个设计准则 反应堆的热工设计准则 不但是热工设计的依 据 而且也是安全保护系统设计的原始条件 除此之外 它还是制定运行规程 的出发点 堆热工设计准则的内容 不但随堆型而不同 而且是随着科学技术 的发展 堆设计与运行经验的积累以及堆用材料性能和加工工艺的改进而变化 的 例如早期设计的压水动力堆 是不允许冷却剂发生过冷沸腾的 而近期设 计的压水动力堆 则不但允许冷却剂发生过冷沸腾 而且还允许在堆芯最热通 道出口处发生饱和沸腾 但堆芯出口处混合后的水温仍低于饱和温度 因为这 样做可以提高堆芯出口处冷却剂的温度 从而可提高核电站的热效率 目前压 水动力堆设计中所规定的稳态热工设计准则 一般有下列几点 1 燃料元件外表面不允许发生沸腾临界 通常用 DNBR 来定量地表示这个限 制条件 所谓 DNBR 是指利用专门的公式根据堆内某处燃料元件周围的冷却剂状 态所预计的临界热流量与该处燃料元件表面的实际热流量之比 在整个堆芯内 的这个 DNBR 的最小值称为最小 DNBR 为了使燃料元件不易烧毁 在计算的最 大热功率下 最小 DNBR 不应低于某一规定值 如果用来预计临界热流量的公式 没有误差 则最小 DNBR 为 1 时 即表示燃料元件表面要发生沸腾临界 如果计 算公式存在误差 那么最小 DNBR 就要定得比 1 大些 2 燃料元件芯块最高温度应低于熔化温度 目前压水动力堆大多采用二氧 化铀作为燃料 二氧化铀的熔点约为 2800 但经过辐照后 其熔点有所降低 在通常所达到的燃耗深度下 熔点将降低于 2650 左右 在稳态热工设计中 现有的公开文献表明 燃料元件中心最高温度的限制值大多介于 2200 2450 之间 包壳温度不超过 350 3 在稳态额定工况时 要求在计算的最大热力功率情况下 不发生流动不 稳定性 对于压水堆 实际上只要堆芯最热通道出口附近冷却剂中的含汽量小 于某一数值 即不会发生流动不稳定性 在早期的堆热工设计中 普遍采用的分析模型是单通道模型 即把所要计 算的热管看作是孤立的 封闭的 它在整个堆芯高度上与相邻通道之间没有冷 却剂的动量 质量和热量的交换 这种分析模型最适合于计算闭式通道 对于 开式通道 由于相邻通道间的流体发生横向的质量 动量和热量的交换 应用 这种模型进行分析就显得粗糙了 不过 为了简化计算 也有用此模型进行计 3 算的 只要再用一个流体横向交混工程热管因子来修正焓升就可以了 近年来 在堆热工设计中发展了比较精细的分析模型即子通道模型 所谓子通道模型 即认为相邻通道是互相关联的 沿着整个堆芯高度 相邻通道的冷却剂间发生 着质量 动量和热量的交换 因此 在子通道内 沿着堆芯高度 不但流体焓 在变化 而且流体的质量流速也在变化 任何反应堆的设计 其共同的要求是 确保反应堆安全可靠地运行 但由 于设计任务和已知条件各不相同 对于经济性要求和特殊要求的侧重面就不相 同 反应堆热工设计的步骤也并非是一成不变的 例如对舰船用核动力装置 往往把尺寸和重量的限制放在第一位 而对陆用核电站 尺寸和重量的限制是 第二位的 经济性要求往往放在第一位 下面对本课程设计中设计的核电站的 反应堆热工设计进行详细的说明 2 22 2 应用单通道模型进行反应堆热工设计应用单通道模型进行反应堆热工设计 1 反应堆总热功率计算 根据任务书提出的电站总功率要求 堆热工设计方面应与一 二回路系统 设计方面初步商定有关的热工参数 属于二回路系统的热工参数主要有动力循 环蒸汽初参数及给水温度 而属于一回路系统的热工参数则是堆内冷却剂的工 作压力 温度和流量 一般给出核电站电功率和电站总效率 反应堆热功率为 2 1 t e t N N 式中Nt 反应堆热功率 W Ne 电站电功率 W 电站总效率 t 2 燃料元件的总传热面积的计算 根据堆芯输出的总热功率和燃料元件表面平均热流密度可求得所需的燃q 料元件总传热面积At m2 2 2 t tu N A F q 式中Fu 燃料释热占堆芯总释热的份额 一般取Fu 0 974 燃料元件表面热流密度的计算如下 首先应用 W 3 公式计算均匀加热时q 的临界热流密度qDNB EU W m2 4 2 3 68 8 7 6 6 3 154 102 022 6 238 10 0 1722 1 427 10 exp 18 177 5 987 10 1 157 0 869 0 1484 1 5960 1729 0 2048 1 037 10 0 2664 0 8357exp 124 0 8258 0 341 10 DNB EU e satin qpp pxx G xx x D HH s F 式中 P 冷却剂压力 Pa 质量含汽率 15 之间 本设计中取 0 x G 冷却剂质量流速 kg m2 h 这里先假定一个冷却剂质量流速做试 计算 后由计算出来的平均管冷却剂的质量流速迭代出合理的结果 Hsat 饱和水焓 J Kg 需查表 De 当量直径 m 2 4 2 2 4 4 s e s d p D d 正方形栅元的栅距 m p Fs 为定位格架修正因子 正方形栅元的栅距与水铀比有如下关系 2 5 2 22 44 2 2 H O 2 scgs UO N P dd N 式中 包壳厚度 m c 燃料与包壳之间的气隙 m g 水铀比 按 2 3 5 之间数值取值 本设计中选 2 2 H O UO N N 取 2 1 定位格架修正因子Fs是考虑定位格架搅混因素对临界热流密度影响的 修正系数 对于目前通常使用的蜂窝状定位格架 该修正因子用下式计算 2 6 0 35 6 1 00 03 4 882 100 019 S Ga F 式中 定位格架混流扩散系数 温度在 260 至 340 时 取值在aa 0 019 0 060 本设计中选取 0 040 对于非均匀加热时的临界热流密度 2 7 DNB EU DNB n c q q F 5 式中 热流密度不均匀修正因子 在这里取 1 05 c F c F 最大允许热流密度 maxDNB n qqMDNBR 2 8 式中MDNBR 最小烧毁比 在这里MDNBR取 1 3 1 8 本设计 中选取 1 4 平均热流密度 2 9 max q q F 式中F 总热流密度热点因子 2 10 NE FFF 式中 核热点因子 N F 工程热点因子 取值 1 16 E F 核热点因子 2 11 NNN RZ FFF g 式中 径向核热点因子 取值 1 50 N R F 轴向核热点因子 取值 1 48 N Z F 由以上各式可确定平均热流密度 进而可确定燃料元件总传热面积At q 3 燃料元件根数及堆芯尺寸的确定 根据堆芯总传热面积可以确定燃料组件和堆芯的尺寸 1 燃料元件总根数 2 12 tt u ss AN N F d Ld Lq 式中 L 堆芯高度 活性段高度 m 由于加工制造等原因 要求在 3 0 3 8 米之间 燃料元件 包壳 外径 s d 2 燃料直径与组件数和堆芯高度的关系 正方形组件元件数与组件尺寸之间的关系为 2 13 22 4 ef N lD n 式中 n 每个组件内的元件数 17 17 燃料组件内为 264 根 6 组件的边长 采用 17 17 燃料组件 17 mll P Def 堆芯等效直径 要求不超过 3 5m N n 燃料组件数量 由式 2 12 和式 2 13 可得 2 14 2 2 4 t efu s l N DF n d Lq 上式有两个未知量 即堆芯等效直径和堆芯高度 高径比 L Def一般在 0 9 1 5 之间 可先定出 L Def的值后 代入下式 2 32 4 t efu s ef l N DF L ndq D 即可求得 Def和 L 值 进而燃料元件的总根数也就可以确定 燃料的组件数 也随之确定 在这里应注意的是应对燃料元件总数取燃料组件内的燃料元件数 的整数 4 反应堆有效流量计算W有效 堆芯热功率给定的情况下 反应堆有效流量与反应堆进出口温差相关联 进出口温差大 则流量小 则主泵功率小 但堆芯安全性降低 进出口温差小 则流量大 安全性提高 但主泵耗费功率大 因而需要考虑两方面参数的优化 选择 本设计取温差为 30 进口温度及压力已知从而进口比焓Hin已知 堆芯出口比焓值Hout与出口温 度及压力有关 2 15 t outin N W HH 有效 5 平均管冷却剂的质量流速的确定 根据热工设计准则中规定的内容进行有关的计算 例如在水堆热工稳态设 计中 要计算热管中的最小 DNBR 燃料元件包壳外表面最高温度以及燃料芯块 中心最高温度 而要计算以上各个值 首先必须预先知道热管内冷却剂的轴向 焓场分布 可是 计算冷却剂焓场分布必须先要知道热管内冷却剂的质量流速 计算冷却剂质量流速又必须知道流体物性参数 而流体物性又与流体焓场有关 因此 在燃料的有效冷却剂流量确定后 整个冷却剂质量流速场与焓场的计算 过程 实质上是冷却剂的热量守恒方程和动量守恒方程间的迭代过程 为了计 算热管冷却剂的焓和质量流速 还得事先求出平均管的相应参数 平均管的冷却剂质量流速Gm 等于冷却堆芯燃料元件的有效冷却剂流量除 7 以冷却剂的有效流通截面积 所谓冷却燃料的有效冷却剂流量 是指进入堆压 力壳的冷却剂总流量中用来冷却燃料元件的那一大部份流量 还有一小部份流 量不参与燃料元件的冷却 它们是 从压力壳进口直接漏到出口接管的流量 从堆芯下腔室向上流经堆芯外面围板与吊篮之间的环形空间 而后进入堆芯上 腔室 再流至压力壳出口接管的流量 流入控制棒套管内 用以冷却控制棒 而后流出套管与堆芯上腔室的流体混合 随后再流出压力壳的流量 流经控制 棒套管外围不参与冷却燃料元件的一部份流量 从压力壳进口处直接流到压力 壳上封头内 供冷却上封头之用的一部分流量 以上这些不流经燃料元件周围 不参与冷却燃料元件的冷却剂流量 称为非有效流量 旁通流量 或漏流 并 用旁流系数来定量描述 即 a 2 16 a t W W 式中 Wt 冷却剂的总流量 kg h W 冷却剂的旁通流量 kg h 总流量计算公式如下 2 17 1 t a W W 有效 不同结构的反应堆 其旁流系数是不同的 通常先由堆热工设计方面提出 一个合理的数值 而后由结构设计和结构试验予以实现 本设计中取 0 04 当已知旁通流量后 即可求得平均管的冷却剂质量流速 kg m2 h m G 2 18 1 at m b W G NA 式中 Ab 相应于一根燃料元件栅元的冷却剂流通截面 m2 2 19 2 2 4 s b d Ap 此时求出的冷却剂质量流速Gm与 W 3 公式中使用的不同 需要进行多次迭 代计算 使求得的值相对误差小于 0 5 6 平均管冷却剂的焓场Hf m z 计算 其计算公式为 2 20 0 z L f mf in mb qA HzHz dz G A 式中 AL 一根燃料元件单位长度上的外表面积 m2 m 为坐标处的轴向功率归一化系数 为简化计算 其值为 1 z z 7 堆芯平均管的各类压降计算 8 1 提升压降 2 21 21 el pg zzgL 2 加速压降 2 22 2 21 21 11 amm pG VVG 式中 Gm 质量流速 kg m2 s V1 V2 截面 1 与 2 的冷却剂流速 截面 1 与 2 的密度 进出口端面 1 2 3 摩擦压降采用达西公式计算 2 23 2 2 f e LV pf D 式中 摩擦系数f 当量直径 e D 达西公式计算摩擦压降的关键在于摩擦系数的计算 根据燃料组件特性 f 其湍流等温流动状态棒束的摩擦阻力系数可由下式计算 b f 2 24 4 3 1 0 580 42 B ba ffA pde 式中 等温流动圆形通道摩擦系数 a f Re为雷诺数 为平均温度下流体粘度 0 25 0 3164 a e f R e e DV R 燃料元件正方形排列的系数 取值 0 1166 A 燃料元件正方形排列的系数 由下式计算B 2 25 3 6 3 2 4 9 2 740 3 10 1 273 1 1 122 1 ss s pdpd B pd 实际情况属于加热非等温流动 轴向温度的定性值采用以下的进出口平均 温度 2 26 2 inout f tt t 在确定流体参数如动力黏度时可采用以上的平均温度 非等温流动时的阻力系 数可由下式给出 2 27 n bsf ff 式中 按壁面温度和平均温度取的流体的粘度 壁面温度取 330 s f 9 帕 秒 指数值 取 0 6n 4 局部压降 2 26 2 2 c V PK 式中 K 局部阻力系数 在平均管中可视为 0 5 定位格架型阻压降 2 27 22 2 22 bb gddegde VV pKKK K 式中 定位格架形阻压降 Pa pgd 一组燃料组件轴向定位格架数 这里取 8 个 e K 定位架正面的投影面积与棒束中的自由流通截面积之比 这 里为 0 3 Vb 棒束中的平均流速 m s kgd 定位架形阻系数 Kgd 经验系数 Kd取 1 23 Kd 2 8 热管的有效驱动压头计算 由于堆芯的下腔室流量分配不均匀 热管的驱动压头不同于平均通道 但 可以根据平均管的各类压降 求得热管的有效驱动压头 2 28 1 h ef hf ma ha min mex mg me m pkpkppppp 式中 kf h 热管摩擦压降的下腔室修正因子 ka h 热管各形阻压降及加速压降的下腔室修正因子 2 1 m f h K 1 m a h K 下腔室流量系数 取 0 05 指数系数 取 0 2m 9 热管冷却剂的焓场计算 热管冷却剂焓场的计算公式为 z bh L E H N H infhf dzz AG AFFq HzH 0 2 29 式中 Hf h z 热管轴向 z 处的冷却剂焓 焦 千克 10 焓升核热管因子 取 1 12 N H F 焓升工程热管因子 取 1 02F H E Gh 热管冷却剂的质量流速 Kg m2 s Gh 1 05Gm 2 32 3 燃料元件的传热校核计算燃料元件的传热校核计算 主要是计算燃料元件中心最高温度和包壳表面最高温度 校核它们是否超 过堆热工设计准则的限值 准则在 2 1 节引言部分已给出 计算燃料元件包壳 温度和燃料芯块中心温度 是从燃料元件外面的冷却剂温度算起 一直往里逐 层计算 堆芯内燃料元件及其冷却剂的轴向温度分布取决于元件内功率分布 或中 子通量 对于一个实际反应堆 由于存在核的和工程方面的影响 堆芯和元件 内功率分布是极为复杂的 但是本次课程设计校核计算时仅考虑简单的情况 作如下假设 1 认为堆芯轴向功率分布为余弦分布 但需考虑外推长度的影响 2 将燃料元件的导热问题简化为仅沿径向的一维导热问题 不考虑燃 料元件的轴向导热 3 在计算时认为燃料 包壳和冷却剂的热物性以及对流换热系数为常 数 已知参数 堆芯活性区高度L 前面计算中得出 燃料元件棒结构参数 燃料元件外 径 包壳厚度 气隙厚度 燃料芯块 0 0095m s d 0 00057m c 0 00017m c 高度h 0 00135mm 芯块直径 0 00802m u d 燃料棒材料及导热系数 芯块 导热系数 2 UO 2 u 2 32 W mK 包壳 Zr 4 合金 导热系数 2 c 14 3 W mK 气隙 导热系数 2 g 0 29 W mK 安全准则 燃料中心最高点温度需小于 2450 包壳表面温度不得超过 350 计算步骤 2 3 1 功率分布函数表达式 z 假设燃料元件高为 L 即活性段高度 堆芯外推高度为 设堆芯中点 e L z 0 处 功率分布为 则有 c 2 30 cos c e z L 则轴向平均功率为 11 2 31 2 2 2 2 1 cosdz sin2sin 2 L L cece c L eee L LLzzL LLLLLL 在稳态计算时有 2 32 uw VqA 其中 燃料功率密度 3 W m 燃料芯块体积 u V 3 m 燃料棒表面热流密度 q2 W m 燃料棒表面释热面积 w A 2 m 在燃料几何尺寸已经确定的情况下 和已知 因此 u V w A 2 33 1 48 N cc Z q F q 则有 2 34 11 2sin 21 48 e ce LL LL 可以解得 1 0664 e LL 平均功率和平均热流密度之间的关系为 q 2 35 uw VqA 将 2 35 两边同除以燃料棒高度 L 则有 2 36 2 2 4 4 us s u dd q dq d 又由于 则代入 2 30 可得到堆芯轴向功率的表达式 2 5 92 1 48 s c u d q d 2 37 2 5 92 cos 1 0664 s u dz zq dL 设上式系数为 则 2 37 可写为 2 5 92 s u d Aq d 1 0664 B L coszAB z 2 38 2 3 2 热管的温度场表达式 12 热管温度场的表达式为 h f tz 2 39 2 dz NE z HH h fh finu L bhp FF tztz A A G c 其中 为燃料棒芯块截面积 u A 2 4 u u d A 为燃料栅元流通面积 b A 将 2 38 带入 2 39 并积分得 2 40 sinsin 2 NE uHH h fh fin bhp A A FFB L tztB z B A G c 设 则上式可写为 NE uHH tf bhp A A FF A B A G c 2 41 sinsin 2 h fh fintf B L tztAB z 2 3 3 包壳表面温度分布函数 根据下式求出冷却剂和燃料表面的换热系数 0 80 4 RePr e hC d 其中 为反应堆运行时冷却剂的导热系数 由查表得 0 0420 024 s P C d 到 根据牛顿换热公式有 2 42 cf qh tt 则有 2 43 u h ch fh f s Aq z tztzztz hh d 将 2 38 和 2 41 代入 2 43 可得 2 44 cossinsin 2 u h ch fintf s B L A tzAB ztAB z h d 设 sin 2 tch fintf B L AtA tctf BA u tc s A CA h d 则 2 44 可以整理为 2 45 sincos h ctctctc tzABB zCB z 13 包壳表面最高温度及位置可用求得 0 h c dtz dz 2 46 1 cossin0 tan 1 tan h c tctc tctc ctctc dtz B BB zC BB z dz B zBC ZBC B 包壳表面最高温度 h cm t 2 47 sincos h cmtctcctcc tABB ZCB Z 2 3 4 燃料中心温度的分布函数 首先求出燃料表面温度分布函数 h us tz 2 48 h ush c cg tztz Q z RR 式中 为换热量 W Q z wu Q zq z AVz 燃料包壳热阻 c R ln 2 2dz ssc c c dd R 气隙热阻 由于气隙厚度很薄 近似地看做平板导热 g R dz g g ug R d 则有 ln 2 2 sscg h uscgh cuh c cug dd tzQ zRRtzAztz d 2 49 设 并将 2 38 2 45 代入 2 49 得 ln 2 2 sscg usu cug dd AA d 2 50 sincos h ustctcustc tzABB zA ACB z 再求燃料中心温度分布函数 h uc tz 14 2 1 16 u h uch us u z d tztz 2 51 将 2 38 2 50 代入 2 51 得 2 52 2 1 sincos 16 u h uctctcustc u A d tzABB zA ACB z 设 2 1 16 u tuustc u A d CA AC 则 2 52 可写为 2 53 sincos h uctctctu tzABB zCB z 燃料中心最高温度及位置可用求得 0 h uc dtz dz 2 54 1 cossin0 tan 1 tan h uc tctu tctu utctu dtz B BB zC BB z dz B zBC ZBC B 燃料中心最高温度 2 55 sincos h umtctcutuu tABB ZCB Z 15 第第 3 3 章章 反应堆稳态工况水力计算反应堆稳态工况水力计算 3 13 1 引言引言 水力计算通常分为稳态工况水力计算和瞬态工况水力计算 在稳态工况下 堆内冷却剂各点的流速是不随时间变化的 它们仅仅是空间位置的函数 而在 瞬态工况下 堆内冷却剂各点的流速不仅是空间位置的函数 还是时间的函数 本课程设计只讨论反应堆稳态工况下的水力计算 主要包括以下几个方面 1 计算冷却剂的流动压降 以便确定 1 堆芯各冷却剂通道内的流量 它是计算堆芯各冷却剂通道内冷却剂的焓 升 燃料元件的温度和临界热流密度的必不可少的参量 它直接影响堆的输热 能力 在反应堆设计中 总是尽量设法使堆芯冷却剂的流量分布与发热分布相 匹配 这样就可以最大限度地输出堆内释出的热量 从而可以提高反应堆的允 许运行功率 2 合理的堆芯冷却剂流量和合理的一回路管道 部件的尺寸以及冷却剂循 环泵所需要的功率 在压水堆系统中 冷却剂是靠泵强迫循环的 为了克服冷 却剂所流经的包括反应堆堆芯 管道 蒸汽发生器等通道在内的一回路的压力 损失 必须给循环的冷却剂提供相应的驱动压头 为此就需要消耗唧送功率 唧送功率的大小与一回路冷却剂的流量和压力损失有关 为了降低冷却剂的唧 送功率 提高反应堆的经济性 就必须相应地降低冷却剂的流量和增大一回路 管道和部件的尺寸 然而这些措施又与强化堆芯传热 降低一回路部件的制造 成本相矛盾 因此 合理的确定堆芯冷却剂的流量和一回路管道的尺寸 往往 是要在反应堆的经济性和堆芯传热特性二者之间取其折衷 2 对于采用自然循环冷却的反应堆 或利用自然循环输出停堆后的衰变热 需要通过水力计算确定在一定的反应堆功率下的自然循环水流量 配合传热计 算 定出堆的自然循环能力 3 23 2 一回路内的流动压降和水泵功率一回路内的流动压降和水泵功率 在反应堆的热工水力分析中 除了需要计算系统中各点的冷却剂的压力数 值之外 往往还需要知道冷却剂在反应堆一回路系统内循环流动时的总压降 如计算冷却剂循环泵所水消耗的功率 以及确定堆的自然循环能力时都需要总 压降的数值 计算反应堆回路的总压降采取的步骤是 首先根据流体在回路中的受热情 况 加热 冷却 等温 把回路划分成若干段 算出每一段内的各种压降之和 然后再把各段的压降相加 即得到整个回路的总压降 假设把回路划分成 i 段 则总压降的数学表达式可以写成 3 1 ppppp telafci i 或者 16 3 2 ppppp tel i i a i i f i i c i i 式 3 2 左边的表示回路中的总压降 右边的各项依次表示回路中的提 pt 升压降 加速压降 摩擦压降 局部压降的总和 对于闭合回路来说 系统中 所产生的加速压降之和为零 即 0 这样式 3 2 就变成 pa i i 3 3 pppp tel i i f i i c i i 一回路压降包括反应堆压降 一回路管道压降 主泵压降 蒸汽发生器一 次侧压降和流过的阀门压降 反应堆压降共分五个区 1 入口管嘴 2 反应堆入口段 从入口管 嘴到燃料组件入口 3 堆芯 燃料组件 4 反应堆出口段 从燃料组 件出口到出口管嘴 5 反应堆出口管嘴 为方便计算 各压降数值见表 3 1 表 3 1 反应堆一回路压降 区段数值 MPa 反应堆入口管嘴 1in p 0 0275 反应堆入口段 2in p 0 201 堆芯平均管压降 R p 已求 在第二章计算中得出 反应度出口段 1ex p 0 037 反应堆出口管嘴 2ex p 0 0275 反应堆总压降 1 p 1 p 1in p 2in p R p 1ex p 2ex p 一回路管道 主泵及蒸汽发生器一次侧 阀门压降 2 p 0 175 一回路总压降 t p 12 t ppp 由一回路回路内的总压降 就可求出主泵的有效功率Npe pt KW 3 4 cold 10001000 uttt pe looploop WpWp N ss 式中 u 冷却剂的总体积流量 m3 s t 冷却剂的总质量流量 Kg s 环路数 设计中取三个环路 loop s 进口给水的密度 cold 由于主泵本身有损失 如主泵的总效率为 则主泵的轴功率 Pz为 17 3 5 cold 1000 pe tt pz N Wp N 式中主泵总效率 取 0 75 3 33 3 反应堆自然循环能力分析反应堆自然循环能力分析 自然循环是指在闭合回路内依靠热段 上行段 和冷段 下行段 中的流 体密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环 对于反应堆系统来说 如果堆 芯结构和管道系统设计得合理 就能够利用这种驱动压头推动冷却剂在一回路 中循环 并带出堆内产生的热量 自然循环能力通俗地讲 是指在主泵停转条 件下 反应堆自然循环所能带走的功率占正常强迫运行条件下的百分比 自然循环回路中 由流体的提升压降所提供的驱动压头 完全用来克服回 路中的流动阻力 如果驱动压头比给定流量下的系统压力损失大 流量就自动 降低 直至建立新的平衡工况 为简化计算 可将反应堆看成加热点源 蒸汽发生器看成冷却点源 热源 和冷源之间的高度为L 本设计中取为 12m 热段 反应堆出口至蒸汽发生器进 口 冷却剂的密度为 冷段 蒸汽发生器出口至反应堆进口 冷却剂的密度 H 为 则驱动压头为 L 3 6 dLH pgL 假定自然循环条件下反应堆进出口温度与强迫循环条件下相同 则可求得 自然循环的驱动压头 回路中的流动阻力中堆芯管压降部分按照第 2 章相关公式计算 表 3 1 中 的其他压降按照表中额定流量下的压降值反推出各处的阻力系数K 并根据各 阻力系数K计算各处压降 具体如下式 3 7 2 1 2 iit KpV 其中Vt为各管段流速 一回路管道及蒸发器处流速去进出口管路平均速度 再根据Ki计算不同流速下的压降 再按照表 3 1 计算总压降 需注意由于自然 循环流量较低 应考虑层流 紊流阻力系数计算公式的不同 由于主泵不再提 供驱动压头 而是成为系统的阻力件 因此取其阻力系数为 20 然后 通过程 序循环计算得自然循环水流量和自然循环能力 占总功率百分比 第第 4 4 章章 反应堆压力容器设计与部件图绘制反应堆压力容器设计与部件图绘制 反应堆压力容器是反应堆的一个重要部件 用于容纳堆内构件 堆芯燃料 组件 控制棒组件及其它相关组件 它是一回路冷却剂的重要压力边界和防止 裂变产物逸出的第二道屏障 由于压力容器不可更换 所以压力容器的寿命决 定了核电站的寿命 各国都对其采取老化管理措施 以期延长其寿命 反应堆压力容器是一个带有底封头的圆筒形立式容器 它与反应堆顶盖和 主密封部件一起形成一个密实的容器内部空间 主要由 1 个法兰 2 个接管壳 段 1 个支承壳段 2 个圆筒壳段和 1 个椭圆形底封头所组成 通过焊接形成一 18 个整体容器 为了防止腐蚀 在整个内层堆焊至少 5mm 厚的不锈钢 4 1 压力容器强度理论 压力容器中受到的应力一般可分为一次应力 二次应力和峰值应力 一次应力由重量 内压 外压以及其他外载荷直接引起的 按照沿容器壁 厚方向分布的均匀程度 一次应力可分为一次薄膜应力 一次弯曲应力和局部 薄膜应力 沿容器壁厚方向均匀分布的一次应力称为一次薄膜应力 其对容器 强度的危害性最大 另两种应力对容器强度的危害小于一次薄膜应力 在设计 中有较高的许用应力值 二次应力是由于相邻部件的约束或构件自身的约束所引起的 分布区域较 小也有较高的许用应力值 如圆筒与封头连接处的不连续应力以及热应力都属 于这一类 峰值应力是在载荷 结构形状突然改变的局部地区发生 是扣除一次应力 和二次应力后 沿壁厚方向成线性部分的那部分应力 其分布区域很小 约与 壁厚为同一数量级 不会引起整个结构明显变形 只在疲劳设计时考虑 4 24 2 薄壁容器的应力分析和强度设计薄壁容器的应力分析和强度设计 压力容器的设计 一般都是根据工作压力 温度 操作条件等工艺要求 有时还需考虑防腐及耐辐照等其他要求 先选定结构的形式和初步尺寸 然后 按照强度要求确定容器的壁厚 以及顶盖 封头和其他零部件的最终尺寸 压力容器失效有强度问题 刚度问题和稳定问题三种形式 但主要是强度 问题 研究强度问题就是研究结构在载荷作用下内部所产生的应力与材料许用 应力之间的关系 强度设计过程一般是先进行壁厚设计 然后再分别计算各种 不同载荷所引起的应力 包括热应力 最后对容器强度做全面校核 通常根据外径DO与内径Di的比值将压力容器分为薄壁与后壁两种 DO Di 1 1 1 2 为薄壁容器 超过这个范围的为厚壁容器 工程实际中多为 薄壁容器 对于圆柱壳 球壳和a b 2 的椭球壳 可以从一次薄膜应力推导出最小壁 厚公式 分别如下 圆柱壳 4 min 2 di c md p D t Sp 1 球壳 4 min 42 di s md p D t Sp 2 对a b 2 椭球壳 4 min 2 di e md p D t Sp 3 式中 最小壁厚 min t 19 设计压力 d p 圆柱壳内径 i D 材料许用应力 表 4 1 列出了某些压力容器材料的SM值 m S 表 4 1 某些压力容器材料的SM值 不超过一下温度时的 Sm 值 MPa 材 料 名义成分规格类型 或等 级 最小屈 服强度 MPa 最小抗拉 强度 MPa 40 150 250 325 350 375 C SiSA 5165520737912612211310110099 碳 钢 C SiSA 5166022141413812211310110099 Mn 1 2MoSA 302A310517172172172172172172 3 4Ni 1 2Mo Cr V SA 508345552184184184184184184 低 合 金 钢 Mn 1 2Mo 1 2Ni SA 533B345552184184184184184184 18Cr 8NiSA 240304207517138138122112112110 16Cr 12Ni 2Mo SA 240316207517138138126117115112 不 锈 钢 18Cr 10Ni bSA 2403347207517138138138132130128 所以在本设计中选择3 4Ni 1 2Mo Cr V 低合金钢 其 SM为 184Mpa 设计压力通常取工作压力的 1 1 1 25 倍 使得裕度更大 在这里取 1 11 考虑到焊缝对强度的削弱及腐蚀影响 4 1 4 3 分别改写为 4 min 2 di c md p D tc Sp 4 4 min 42 di s md p D tc Sp 5 4 min 2 di e md p D tc Sp 6 式中 焊缝系数 压力容器为双面焊的对接焊缝且 100 探伤 在此 取 1 壁厚附加量 包括加工误差和腐蚀裕量 在此取 10mm c 除此之外 还应考虑圆柱壳与封头连接时的边界效应 厚壁圆通中的热应 力 辐照影响以及开孔补强等因素 由于此类问题的设计较复杂 在此不做讨 论 20 压力容器的内径与以下因素有关 由内至外 堆芯直径 围板和辐板壁 厚 吊篮壁厚 热屏蔽厚度 压力容器与吊蓝间隙 压力容器内径 其中堆芯 直径由第二章求出 吊篮壁厚给定为 51mm 围板和辐板壁厚给定为 25mm 和 30mm 热屏厚度 70mm 热屏位于吊篮与压力容器之间 与压力容器和吊蓝间隙 有重叠 计算时需注意 压力容器与吊篮之间是环形空间 其间隙需满足最大 总流量与流速限制的要求 为防止流体冲刷腐蚀 流速最大为 8m s 本设计中 流速在 7 m s 左右 4 34 3 管道的强度分析管道的强度分析 对于管道 通常以外径DO作为公称直径 4 7 2 oi DDt 4 8 di md tmin d md P D c 2S P t 2P 1 2S P 根据计算得到的结果 绘制燃料元件栅元图 燃料元件图和压力容器图图 纸 图纸已附出 第第 5 5 章章 计算程序与计算结果计算程序与计算结果 5 15 1 MatlabMatlab 程序如下程序如下 clc clear clc clear all Ne 10 9 电站电功率 nt 0 3333 效率 Fu 0 974 燃料释热占堆芯总释热的份额 P 1 55 10 7 冷却剂压力 x 0 质量含汽率 Hsat 1629850 饱和水焓 Hin 1289420 进口冷却剂比焓 Hout 1459050 出口冷却剂比焓 a 0 040 格架混流扩散系数 Fc 1 05 热流密度不均匀修正因子 21 MDNBR 1 34 最小烧毁比 F 2 5752 总热流密度热点因子 ds 0 0095 燃料元件外径 HEU 2 1 水铀比 Oc 0 00057 包壳厚度 Og 0 00017 燃料与包壳间隙 n 264 组件内的元件数 LED 1 15 高径比 Ea 0 04 旁流系数 G 100 假设冷却剂质量流速 Gm 200 冷却剂质量流速 Nt Ne nt 反应堆热功率 nn 1 反应堆稳态热工计算 p1 sqrt pi 4 HEU ds 2 Oc 2 Og 2 pi ds 2 4 正方形栅元栅距 De 4 p1 2 pi ds 2 4 pi ds 当量直径 while abs G Gm Gm 0 005 if abs G Gm Gm 0 005 end nn nn 1 Fs 1 0 0 03 G a 0 019 0 35 4 882 10 6 定位格架搅混修正 qDNBREU 3 154 10 6 2 022 6 238 10 8 P 0 1722 1 427 10 8 P exp 18 177 5 987 10 7 P x 1 157 0 869 x 0 1484 1 596 x 0 1729 x abs x G 10 6 0 2048 1 037 0 2664 0 8357 exp 124 De 0 8258 0 341 10 6 Hsat Hin Fs 临界热流密度 qDNBn qDNBREU Fc 非均匀加热时的临界热流密度 qmax qDNBn MDNBR 最大允许热流密度 q0 qmax F 平均热流密度 At Nt Fu q0 燃料元件总传热面积 l 17 p1 组件的边长 Def 4 l 2 Nt Fu n pi 2 ds q0 LED 1 3 堆芯等效直径 L Def LED 活性段高度 N1 Nt Fu pi ds q0 L 燃料元件总根数 N n round N1 n 取整后的燃料元件根 数 Weff Nt Hout Hin 反应堆有效流量 Wt 3600 Weff 1000 1 Ea 总流量 Ab p1 2 pi ds 2 4 一根燃料元件栅元的冷却 剂通流截面 Gm 3600 Weff N Ab 冷却剂质量流速 AL pi ds 一根燃料元件单位长度上 22 的外表面积 End z sym z 使得 z 成为一个自变量 Hfmz Hin vpa 3600 q0 AL G Ab 8 z 平均管冷却剂的焓场 pp0 713 75 平均密度 pp2 677 54 出口密度 pp1 744 31 进口密度 uf 8 616 10 5 平均温度下的流体粘度 us 7 615 10 5 壁面温度下的流体的粘度 g 9 8 重力加速度 A 0 1166 燃料元件正方形排列的系数 Ke 8 一组燃料组件轴向定位格架 数 Kgd 0 1107 定位架形阻系数 oo 0 05 下腔室流量系数 m 0 2 指数系数 Pel pp0 g L 提升压降 Pa Gm 3600 2 1 pp2 1 pp1 加速压降 V1 Gm 3600 pp1 截面 1 冷却剂流速 V2 Gm 3600 pp2 截面 2 冷却剂流速 V Gm 3600 pp0 冷却剂平均流速 Re De V pp0 uf 雷诺数 fa 0 3164 Re 0 25 等温流动圆形通道摩擦系数 B 740 3 10 6 p1 ds 3 1 273 p1 ds 2 1 3 4 1 122 p1 ds 1 9 2 燃料元件正方形排列的系数 fb fa 1 A p1 ds 4 3 0 58 0 42 exp B 湍流等温流动状态棒束的摩 擦阻力系数 f fb us uf 0 6 飞等温流动是的阻力系数 Pf f L pp0 V 2 2 De 摩擦压降 Pgd Kgd Ke pp0 V 2 2 定位格架型阻压降 Kfh 1 oo 2 m 热管摩擦压降的下腔室修正 因子 Kah 1 oo m 热管各型阻压降及加速压降的下腔 室修正因子 Phe Kfh Pf Kah Pa Pgd Pel 热管有效驱动压头 tin 291 冷却剂进口温度 23 FHN 1 12 焓升核热点因子 FHE 1 02 焓升工程热管因子 Cp 5618 9 按平均温度计算冷却剂比热 J kgs Gh 1 05 Gm 热管冷却剂的质量流速 du ds 2 Oc Og 燃料芯块直径 Prf 0 87884 按平均温度计算冷却剂的普 朗特常数 Wf 0 5484 按平均温度计算的冷却剂的 导热系数 Wu 2 32 燃料芯块导热系数 Wc 14 3 包壳导热系数 Wg 0 29 气隙导热系数 Hfhz Hin vpa 3600 q0 FHN FHE AL Gh Ab 8 z 热管冷却剂焓场 Au pi du 2 4 燃料芯块面积 Le 1 0664 L 堆芯外推高度 XS Le 2 sin pi L 2 Le pi L 轴向平均功率计算的系数 Ar 5 92 ds q0 du 2 轴向功率表达式系数 Br pi Le 热管轴向功率表达式系数 Firz vpa Ar 8 cos vpa Br 8 z 轴向功率分布表达式 Atf 3600 Ar Au FHN FHE Br Ab Gh Cp 热管冷却剂温度表达式系数 thz vpa Atf 6 sin vpa Br 5 z vpa tin Atf sin Br L 2 7 热管冷却剂温度表达式 thfhL tin Atf sin Br L 2 sin Br L 2 热管出口温度 C0 0 042 p1 ds 0 024 冷却剂对流换热系数的系数 h C0 Wf Re 0 8 Prf 0 4 De 冷却剂对流换热系数 Atc tin Atf sin Br L 2 燃料包壳温度表达式系数 Btc Atf 燃料包壳温度表达式系数 Ctc Au Ar pi h ds 燃料包壳温度表达式系数 thcz vpa Atc 7 vpa Btc 5 sin vpa Br 4 z vpa Ctc 5 cos vpa Br 4 z 包壳表面温度分布函数 Zc atan Btc Ctc Br 燃料包壳最高温度位置 相对于堆 芯中分面 thcm Atc Btc sin Br Zc Ctc cos Br Zc 燃料包壳最高温度 Aus Au log ds ds 2 Oc 2 pi Wc Og pi du Wg 系数 Ctu Aus Ar Ctc Ar du 2 16 Wu 燃料中心温度表达式系数 thucz vpa Atc 7 vpa Btc 7 sin vpa Br 4 z vpa Ctu 7 cos vpa Br 4 z 燃料中心温度的分布函数 Zu atan Btc Ctu Br 燃料中心最高温度位置 相对于堆 芯中分面 thum Atc Btc sin Br Zu Ctu cos Br Zu 燃料中心最高温度 24 反应堆稳态工况水力计算 Sloop 3 环路数 neff 0 75 主泵的总效率 Pin1 0 0275 10