压水堆堆芯稳态热工设计说明书

1、压水堆堆芯稳态热工 设计说明书一 课程设计的目的通过课程设计， 初步掌握压水堆堆芯稳态热工设计的原理、 方法， 并能综合运用已学的知识对结果加以分析 。二课程设计的任务以 100、60 万、30 万千瓦压水堆为设计对象，要求在热工设计准则的约束下，利用单通道模型进行下列工作：1确定出核电厂有关热工参数（热功率、堆冷却剂的工作压力、温度和流量等）2确定出燃料元件参数 （栅格排列方式、 栅距、 芯块直径、 包壳直径、 元件数、 堆芯直径、堆芯高度等）3根据热工设计准则中规定的容进行有关的计算1）计算平均通道冷却剂的质量流密度2）计算平均通道冷却剂的焓场3）计算平均通道的各类压降4）计算热管的有效驱

2、动压头和冷却剂的质量流密度5）计算热管的冷却剂焓场（实际上就是计算确定热点因子和焓升热通道因子） 6）计算最小 DNBR7）计算燃料元件的温度三. 热工设计的作用热工设计在整个反应堆设计过程中，起主导作用和桥梁作用四. 热工设计的方法单通道模型：是热工水力设计中所采用的一种比较简单的模型。用单通道模型编制的计算机程序在设计时通常采用二根通道：一根为名义通道，它的所有参数均为名义值， 另一根为热通道，将所有不利因子均加在热通道上，它是堆芯的极限通道。通道之间不考虑质量、 能量和动量交换，最多只能考虑热通道中因阻力增大而使其流量再分配和因交混效应而使热 通道中冷却剂焓值下降两种机理。五. 原始数据

3、的选择、计算过程、计算结果及分析1、商定有关热工参数反应堆输出的热功率Nt已知：核电厂电功率 ：900MW电厂效率：压水堆核电厂毛效率（发电效率）0.3550.385压水堆核电厂净效率（供电效率）（扣除厂用电）0.3150.345取核电厂总效率0.333 （取自反应堆热工设计手册编写：周全福）NtNe2700mw2、确定燃料元件参数燃料元件的传热面积 SNtFu是燃料释热量占堆芯总发热量的份额(在大型压水堆设计常取F,97.4%应根据实验或参照同类型相近功率的反应堆初步确定燃料元件表面平均热流密度根据大亚湾900MW堆，燃料元件表面平均热流密度取624.0KW/ (核动力装置热力分析敏俊，附录

4、12)NtFu 2700mw* 0.974,一，220.624mw/m3、计算平均通道的质量流速Gm(1)WtN(P2W，旁通系数_d2)W44214.4m根据以下数据,热工水力参数的名义值和设计中的取值参数名恰希玛核电站大亚湾核电站名义值偏差取值名义值偏差取值冷却剂流量(m3/h)33600/3220071370/68520堆芯功率份额()13%1.0312%1.02冷却剂平均温度(C)30233053102.2312.2系统压力(MPa)15.30.19615.115.50.2115.29旁通流量()3/54.36.5核焓升因子()1.6875 */1.68751.55 */1.55工程焓

5、升因子()1/1.041/1.033*此为技术规格书中的限值旁通系数取6.5%,(核动力装置热力分析敏俊，附录12)，根据大亚湾的规格取较大冷4、平均通道冷却剂的焓场(z)si n z2 LHf,m(z) Hf,m,in口(Z)dz2 2 0Gm(Pdw)4等效于 hf,m z hf,in -qA : z d zGm Ab堆芯有效高度L=3.66m,=4214.4/(157*3.66)=7.334 /m入口焓值由冷却剂入口温度查表得到，冷却剂入口温度根据大亚湾堆型取292.4 C,压力为却剂流量52650h,根据热工水力设计手册2 2(周全副) P dw =0.02606，N=157。4Gm(

6、1)W2 2N(P -dw )4(10.065)*52650157*0.0260612032t/m2h3342.2kg/m2s15.5 M。查饱和水蒸气表并且线性插值得到入口焓值H f,m,in 1303.22kJ / kgH f ,m ( z)H f ,m,in1303.22 kJ/kg1303.22 kJ/kgq dw1303.22 kJ / kg2Gm(P4dW)(z)dz2 20.624mw/m * 7.334m z z x , (z)dz 3342.2kg/m2s* 0.02606m2 02 20.624MW / m * 7.334m / m z n n sinzdz3342.2kg

7、/m2s* 0.02606m2 0 23.6698.78cosn3.66z0kJ/kg算得出口焓值H f,m,out 1500.8kJ / kg，反查温度为325.98 C冷却剂平均焓值为1402kJ/kg，反查温度为309.9 C。根据 309.9 C, 15.5MPa 查得密度 p =704.9856kg/ ; u =8.461*pa*s平均通道冷却剂焓场分布图如下:焓值kJ/kg堆芯高度Z(m)5、平均通道的压降PmZ2提升压降，PE,mz gdzz1V2加速压降，pA,mvdv G(v, v2)摩擦压降，pFL v2Dev形阻压降。v2Pc1）提升压降由平均管冷却剂的焓值和系统的压力查

8、得 平均密度P =704.9856kg/ ;平均动力粘度u =8.461*kg/m*sZ2pEmgdzgL 704.9856*9.8*3.66 25544 pa，Z|2）加速压降平均通道冷却剂入口温度292.4 C, 15.5MPa,查得 1 =741.6425kg/u =9.148*kg/m*s平均通道冷却剂出口温度325.98 C, 15.5MPa,查得 2 =663.6856 kg/kg/m*spA,mv2vvdv2 1Gm (v2 v1 )Gm (213342.22*(1663.6856741.6425)1769.14 pa3）摩擦压降栅距12.6mm,燃料棒直径9.5mm,堆芯中部D

9、e12.620.25冗 *9.524* (-4*(12.69.5)9.5冗8.34mm，但是考虑边缘栅格，当量直径会变大，估算得10.5mm,但是不会大于12.6mm,保守估计取一个较大的当量直径 11.9mm。ReinDeVDeGm0.0119*3342.254.34*109.148* 10A (-5)Re avgDeVDeGm0.0119* 3342.254.70* 108.461* 10A (-5)ReinDeVDeGm0.0119* 3342.25.10*1057.795 *10A (-5)当Re 是湍流区。故判定冷却剂在通道中处于湍流区0.011910.31640.316402(4.

10、98*105)025PfDe 20.01191*3.660.0126G2m0.01191*3.660.01263342.2212704.958627410pa4）形阻压降由于是等截面直通道故形阻压降为0平均通道的压降:pmpe,mPa,mpF 025544pa 1769.14pa 27410pa 54723.14pa6、计算热管的有效驱动压头Pd,hkf,hPf,mka,h(pa,mPin ,mpex,mPg,m)pe,mkf,h为热管摩擦压降的下腔室修正因子 ka,h为热管各形阻压降及加速压降的下腔室修正因子(2 N)2pd,h(1)pF,m (1) pA,mpS,mpE,mPA,m ,PF

11、,m均已经由第六步求出，由于是等截面直通道Ps,m0为由于下腔室流量分配不均匀而使热通道流量减少的百分数,WWU,31;N= 0.21.03计算:Pd,h(1(111.03)(2)(2N)0.2)PF,m (1)2*27410(1 1pA,mPs,mpE,m1769.1402554453201.33 pa7、计算热管冷却剂的焓场W %in,3W1丄可以得到1.03Wh,min,311.03W是平均通道冷却剂流量，因为热管和平均管流通面积相同，所以=Gm/1.03=3342.2/1.03=3244.9kg/s查得同类型反应堆的F NH =1.55 , F E =1.033=1.03 。Hf,h(

12、z) Hf,.N E . qF h F h AlGh Ahz0(z)dz1303.22kJ/kg0.624mw/m2 * 7.334m2 *1.55* 1.033z0(z)dz1303.22kJ/kg3244.9kg/m2s* 0.02606m22 20.624MW/m * 7.334m /m* 1.55* 1.033 zn . n sin zdz0 23.661303.22kJ/kgn158.57cos2 23244.9kg / m s* 0.02606mzZ kJ/kg3.660Hf,h,a 1461.79kJ /kg焓场分布图如下Note new toolbar butt ons: do

13、Lg Ibr uhuy fit I in Led pilotsPlayX8 最小临界热流密度比 MDNBR计算方法：有了热通道的冷却剂质量流速及焓场Hf,h(z)，就可计算热通道的临界热流密度qDNB,c(z)，并根据实际热流密度qh(z) F；FqEq (z)，根据公式DNBR(z)狀“气 ，计算热通道轴向燃料元件表面的临界热流密度比DNBR及最小qFq Fh (z)临界热流密度比MDNBR从而确定是否满足反应堆热工设计准则的要求。计算过程：经验证，符合V 3公式的适用围。qDNB,c 3.154 106 迪2 6238 10 8 P0J722 谕 E Pexp 18.177 5.987 1

14、0 p Xe0.1484 1.596xe 0.1729Xe Xe0.2049G1061.0371.157-0.869xe0.2664 0.8357exp 124de0.8258 0.341 106 hfs hf 山q DNB, ev轴向均匀加热通道的临界热流密度，W/m2p冷却剂工作压力， Pa; P=15.5MpaXe计算点Z处的热力学平衡含汽率;n z 1303.22kJ/kg 158.57cos Z kJ/kg 1629.88kJ/kg 3.660966.2387kJ/kgkg/(m2h) ; =3244.9kg/sde冷却剂通道的当量直径，m； de=.0.0119mhfs冷却剂的饱和

15、焓，J/kg ; hfs=1629.88kJ/kghf,in 堆芯入口处冷却剂的焓，J/kg。hf,in=1303.22KJ/kghf (z) hlXehlgG冷却剂质量流速,6 2.022 6.238 10 8*15.5*1060.1722 1.43 10 8*15.5*106qDNB,c 3.154 1076exp 18.177 5.987 10 7 *15.5*106 xe彳 uca c”cc I 0.2049* 3244.9* 3600.“coad0.1484 1.596xe 0.1729xe xe 1.0371.157- 0.869xe6330.2664 0.8357exp 124*

16、0.01190.8258 0.341 10- 1629.88*101303.22* 10由MATLAB乍出qDNB, c在通道的分布图如下2.5-塔芯窪 flll100N E22qh(z) F h Fq q (z) 1.55*1.03*0.624 (z)Mw/m996216 (z)w/m(z) si n z2 LDNBR(z)q DNB,c (z)qFqEF (z)qDNB,c (z)996216 (z)w/m2用MATLAB乍图得DNBF分布图如下:z=2.292.34m 时，得到最小 DNBR MDNBR=2.204符合设计准则的要求。9、热通道燃料元件温度场典型的温度分布示意图在热通道燃

17、料元件温度场的确定中，将燃料元件高度方向的原点设置在元件中心，即Z的围是(-1.83,1.83)m冷却剂的温升：tf (z)t f inQ(z)WcpQ zQ znI z 1.83hf zhf ,in ,hf z hf,in158.57cos(Z)kJ / kgWW3.660冷却剂入口温度是 292.4 C, Cp 8.95kJ/（kgC）沿燃料元件轴向分布的冷却剂温度场:tf zWcptf,inn158.57cosZ3.668.95kJ /(kgC)z 1.83 kJ / kg0292.4Cn17.72* cos3.66Zz1.83292.4C0冷却剂-包壳：tcs(z) tf(z)h(z)

18、Fl5。Reavg4.70*10 , cp 8.95kJ /(kg.C)，定性温度=309.2 C,动力粘度 U =8.49*kg/ (m*s), K=0.5444w/ ( mC),算出普朗特数Pr - acp8.95*8.49*10 51.40Cp0.5444水纵向流过平行棒束，P=12.6mm,d=9.5mm_0 8 13Nu C Re . Pr 1 ，对于正方形栅格：C = 0.042 P/d - 0.024=0.032NuCRe0.8Pr130.032* 4700000.8 * 1.41/31223.26定性尺寸 L=0.0119mM hLNu，h=1223.26*0.5444/0.0

19、119=56481.8w/2f(0) tcs(0) tf(0)17.69Cql (0)dcshq dcs q999117.6w/mdcsh h 56481.8w/ (m2C)tcs(z) tf(Z)17.72* coszf (0) cos3.66z 1.83z292.4 C 17.69cos3.66包壳:tci以qirln-csrci查表得 dcs=9.5mm,壁厚 0.57mm,dci 8.36mm, kc 15.2w/m“C（保守取在温度范围内最小的热导率）（水冷动力堆燃料包壳材料：锆合金周汇东编原子能）ql(0)q* n dcs 999117.6* n* 9.5*10 329818.79

20、w/mc(0)ql(0)lncd csdci29879 ln2 *15.28.369539.91Ctcitcs (z)c(0)n17.72* cos3.66LRe1.83z292.4 C17.69cos03.661.83zo57.60cos-292.4 C03.66z cos一Zzz39.91cos3.66包壳与燃料芯块之间的间隙传热：采用接触导热模型tu tci丄4dci hg -u目前接触导热模型往往引入一个经验间隙等效传热系数h g来处理间隙传热问题，一般都采用经验值 5678w/ （m2C） , du=8.19mmg(0)q(0)dci hgIndcidu29818.79n* 8.36

21、* 10 3 * 5678In8.368.194.11Cqi (z)dciztu(z) tci(z)Incitci(z)g(0)cos2 hgduLRenz1.83zz17.72* cosZ57.60 cos292.4 C4.11cos3.6603.663.66nz1.83z17.72* cosZ61.71cos292.4 C3.6603.662.16w/mC (1699C)燃料芯块：to tu qi燃料芯块中心最高温度1471 C，出现在Z=0.02m处，即中心偏上的地方。在稳态热工ql (0)29818.79u(0)to 0tu01098.57 C4 u4*n* 2.164 / 、 x / x ql()zto(Z) tu(z)cos4 uLReztu(z)u (0) cosLRenz 1