核反应堆热工分析课程设计讲解

1、课程设计报告 名 称：核反应堆热工分析课程设计 题 目：利用单通道模型进行反应堆稳态热工设计 院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成 绩： 日期： 2014 年 6 月 25日 热工课程设计报告 、课程设计的目的与要求 反应堆热工设计的任务就是要设计一个既安全可靠又经济的堆芯输热系统。对于反应堆热工设计，尤 其是对动力堆，最基本的要求是安全。要求在整个寿期内能够长期稳定运行，并能适应启动、功率调节和 停堆等功率变化，要保证在一般事故工况下堆芯不会遭到破坏，甚至在最严重的工况下，也要保证堆芯的 放射性物质不扩散到周围环境中去。 在进行反应堆热工设计之前，首先要了解并

2、确定的前提为： （1）根据所设计堆的用途和特殊要求（如尺寸、重量等的限制）选定堆型，确定所用的核燃料、冷 却剂、慢化剂和结构材料等的种类； （ 2）反应堆的热功率、堆芯功率分布不均匀系数和水铀比允许的变化范围； （3）燃料元件的形状、它在堆芯内的分布方式以及栅距允许变化的范围； （4）二回路对一回路冷却剂热工参数的要求； （5）冷却剂流过堆芯的流程以及堆芯进口处冷却剂流量的分配情况。 在设计反应堆冷却系统时，为了保证反应堆运行安全可靠，针对不同的堆型，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堆的热工设计准则。目前压水动力堆设计中所规定的稳态热工设计准 则，一般有以下几点： （1）

3、燃料元件芯块内最高应低于其他相应燃耗下的熔化温度； （ 2 ）燃料元件外表面不允许发生沸腾临界； （3）必须保证正常运行工况下燃料元件和堆内构件得到充分冷却；在事故工况下能提供足够的冷却 剂以排除堆芯余热； （4）在稳态额定工况和可预计的瞬态运行工况中，不发生流动不稳定性。 在热工设计中，通常是通过平均通道（平均管）可以估算堆芯的总功率，而热通道（热管）则是堆芯 中轴向功率最高的通道，通过它确定堆芯功率的上限，热点是堆芯中温度最高的点，代表堆芯热量密度最 大的点，通过这个点来确定 DNBR 。 热工课程设计主要是为了培养学生综合运用反应堆热工分析课程和其它先修课程的理论和实际知识， 树立正确的

4、设计思想，培养分析和解决实际问题的能力。通过本课程设计，达到以下目的： 1、深入理解压水堆热工设计准则； 2、深入理解单通道模型的基本概念、基本原理。包括了平均通道（平均管）、热通道（热管） 、热点 等在反应堆设计中的应用； 3、掌握堆芯焓场的计算并求出体现在反应堆安全性的主要参数：烧毁比DNBR，最小烧毁比 MDNB，R 燃料元件中心温度及其最高温度，包壳表面温度及其最高温度等； 4、求出体现反应堆先进性的主要参数：堆芯流量功率比， 堆芯功率密度， 燃料元件平均热流密度 （热 通量），最大热流密度，冷却剂平均流速，冷却剂出口温度等； 5、掌握压降的计算； 6、掌握单相及沸腾时的传热计算。 热

5、工课程设计报告 7、理解单通道模型的编程方法。 课程设计的考核方式： 1、 报告一份； 2、计算程序及说明一份； 3、答辩。 二、设计任务(设计题目) 已知压水反应堆的热功率 Nt 1933Mw ；燃料元件包壳外径 dcs 9.5mm，包壳内径 dci 8.36mm ，芯块直径 du 8.19mm；燃料组件采用 17x17 正方形排列，共 145 组燃料组件；每 个组件内有 24个控制棒套管和一个中子通量测量管； 燃料棒中心间栅距 P13mm,组件间水隙 w 1mm 。 系统工作压力 p15.51MPa，冷却剂平均温度 tR 300.3 C ，堆芯冷却剂平均温升 t 24.3 C；冷 却剂旁流

6、系数6% ；冷却剂设计总流量 9194Kg/s ， Fq 2.6，F NH 1.65；DNBR=1.23;又设燃料 元件内释热份额占总释热量的 97.4%；堆芯高度取 L 3.6576 m ；并近似认为燃料元件表面最大热流密度、 元件表面最高温度和元件中心最高温度都发生在元件半高度处；已知元件包壳的热导率 kc 0.00547(1.8tcs 32) 13.8W /( mg C ) 。试用单通道模型求燃料元件中心温度。 三、设计正文(详细的计算过程、计算结果及分析) 1.基本参数的确定： 根据冷却剂的平均温度 tR 300.3 C ，堆芯冷却剂平均温升 t 24.3 C知： tR = tf ,i

7、ntf ,ex =300.3 1) t =tf,in+ tf,ex =24.3 求得出口温度为 tf , ex =312.45 ，入口温度为 tf ,in =288.15。 系统工作压力 p 15.51MPa ，入口比焓为 hf ,in =1274.49kJ/kg,冷却剂平均温度 tR 300.3 C条件下， 3 3 6 2 比容 vs =0.0013776m 3 /kg,密度 s =1/ vs =725.90kg/m 3,动力粘度0.1218 * 10 m /s，普朗克数 pr 0.8598 ,热导率 561.9127 * 10-3 w /(m? C) 2.计算最大热流密度 堆芯燃料棒数目：

8、 N=145*(17*17-20-1)=38280 NtFu q t u 平均热流密度为dcsLN 1933 106 97.4% 9.5 10 3 3.6576 38280 2 0.45W /m2 2) 3) 热工课程设计报告 qmax qFq 0.45 2.6 1.17MW /m2 2 qDNB qmax DNBR 1.17 1.23 1.44MW /m2 般取临界热流密度上限为 2.80MW /m2 ,显然满足要求。 3.求堆芯等效直径 Def 145 T 2 Def =/4 (5) 式中： T 为正方形组件每边长 m。 设燃料组件无盒壁，考虑到装卸料的要求，组件间的水隙取为 1.0mm，

9、即相邻组件的燃料棒中心距为 13+1=14mm, 故得 33 T2=( 17x13x10 +2x0.5x10 ) 2 =0.05 m2 将 T2代入式中得 Def Def =3.016m 4.求热管半高处水的焓值 h 1274.49 查表并计算得 h f ,in 1274.49 kJ/kg ，则得到半高度处的焓值为 hf ,in max 1274.49 NtFEHF NH 2Wef 1274.49 103 1473.78kJ kg 1933 106 1.65 1.08 2 9194 (1 6%) (6) 由工作压力的焓温转换关系得 tf(L2) =323.36 5.热管半高度处的冷却剂流速 热

10、管内冷却剂流速（或质量流速）的精确计算可按教科书中介绍的方法求解，也可按热管与平均管压 降相等的原则进行迭代求解。作为例子，为简化计算，取热管半高处冷却剂流速近似等于平均管半高处的 流速，则 Wef V f ?At (7) 2 m ， f 为冷却剂平均温度下的密度， 热工课程设计报告 式中： At 为堆芯燃料元件周围的冷却剂总有效流通面积，单位为 单位为 kg m 。 At 应由两部分组成：一部分是组件内燃料元件棒之间冷却剂的流通面积；另一部 分是组件间水隙的横截面积，因为流过这个水隙的冷却剂是冷却燃料组件最外面 一排燃料元件的，所以它也属于有效冷却剂的流通面积。因此有 At 22 NP2 4

11、 dc2s n4 17P 式中组件的水隙宽度 0.001m。 At 145 264 (13 10 3)2 (0.0095)2 +145 3 4 17 13 10 0.001错误 !未指定书签。 =3.884m2 (8) Wef9194 (1 f ?At = 3.884 6%) 3.06m s 726.11 6.计算热管半高处燃料元件表面与冷却剂间的对流放热系数 Re(2) VDe 其中 De 为当量直径 De 22 4P2dc2s 4 cs dcs 4( 13 10 3)2(9.5 10 3)2 4 3 9.5 10 3 13.15mm (9) 系统工作压力 p 15.51MPa， tf(L2

12、)=323.36，动力粘度 0.1178 62 10 m / s ，普朗克数 pr 0.9728 -3 热导率 513.6847 10-3w /(m? C)。 所以 Nu 在所给的条件下，水的热导 LVDe Re(2L) VDe 0.023Re0.8Pr0.4 3.06 13.15 10 3 0.1178 10 6 5 3.416 105 0.023 (3.146 105)0.8 0.97280.4 607.77 0.547W m? C ，则 (10) (11) 热工课程设计报告 Nu De 607.77 513.6847 10 13.15 23.74 103W (m2?C) (12) 7.计

13、算燃料元件表面的最高温度 cs,max L f(L2) L tcs,max =tf（ 2错误!未指定书签。）+ （13）错误 !未指定书签。 (L2) h(L2) 6 0.45 106 2.6 23.74 103 49.2839 C (14) f,J(L) ts 2(5 qma6x )0.25 exp( P) tf (L) 2 106 6.2 2 15) 344.84 25 (1.17 610 )0.25exp( 15.51) 323.36 23.6108 C ， 1066.2 由此知得 故 f,j(2) 8.求燃料元件包壳内表面最大温度 cs,max tci ,max =323.36+23.

14、6108=346.97 C t t cs,max ci,max c(L2) 16) NE q1Fq Fq (dcs dci ) c ( ) 17) dd cs ci c 式中 c 包壳厚度 （ m） ,2 9.5 8.36 2 0.57 10 3m c为包壳材料热导率，c =0.00547( 1.8 tcs +32)+13.8W/(m ) 18) 式中tc tcs tci ，因 tci 尚未求出，股暂取 tc 为375，则可得 热工课程设计报告 c =0.00547 ( 1.8 tcs+32)+13.8=0.00547(1.8 错误!未指定书签。 375+32)+13.8=17.66W/(m

15、) 因而 q1FqN FqE 13.43 103 0.57 10 3 2.6 (dcs dci ) (2) 17.66 9.5 8.36 ) 2 1000 40.17 C 所以燃料包壳内表面的最高温度为 9.燃料芯块表面最高温度 tu,max tu,max tci,max g(2) 式中是包壳与芯块间的气隙等效传热系数，取 NE q1FqNFqE hg (dcs hg N q1FqNF (dcs du 19) du) 2 hg 5678W /(m2 C) 3 13.43 103 2.6 5678 (8.36 8.19) ( 2 1000 ) 236.61 C 故得 tci,max 346.97

16、 40.17 387.14 C tcs,maxtci,max 346.97 387.14 367.05 C c2 2 tc tc 5C 误差 比较大，需要继续迭代，多次迭代后，结果为 tc 367.13 C ， kc 17.5899W /(m C) c 40.3330 C ， tci ,max 387.3030 C tci ,max387.3030 C 。 。 tu,max 378.3030 236.61 623.91 C 10.计算燃料芯块的中心最高温度 由于在芯块中温度变化较大，热导率变化较大，需采用积分热导率方法进行求解，即 t0,max 0 udt t 0,max 0 udt q1 F

17、qN FqE 热工课程设计报告 20) =错误 ! 未指定书签。 故查表 3-7得 35.88+27.79=63.7W/cm 错误 ! 未指定书签。 四、课程设计总结或结论 根据单通道模型计算堆芯最高温度为 1621 C ，远低于熔点，且按 W-3 公式计算结果不发生沸腾临界。 此时鉴于参数的裕度很大，可以考虑提高堆芯功率。按照上述两个准则，计算表明堆芯功率可以提高。 本次设计最大的收获除了对反应堆热工的具体任务有了根深一步的了解，还有就是对第一次用公式 编辑器编辑这么多公式啊，终于知道教科书上的那些东西是怎么搞出来的了，也终于知道了编书人们的辛 苦了。掌握了这项技能后，以后的学习中就更加得心

18、应手了。还有就是利用 matlab 程序进行编程求解大 大缩短了求解的时间。 附录（设计流程图、程序、表格、数据等） 序号 参数名称 结果 1 系统压力 P 15.51MPa 2 堆芯输出功率 Nt 1933Mw 3 冷却剂总流量 W 9194kg/s 4 堆芯高度 L 3.6576m 5 燃料组件数 145 6 燃料组件形式 17*17 7 每个组件燃料棒数 268 8 燃料包壳外径 dcs 9.5mm 9 燃料包壳内径 dci 8.36mm 10 燃料芯块直径 du 8.19mm 11 燃料棒栅距 p 13mm 12 两个组件间的水隙 1mm 7 热工课程设计报告 13 旁系流量 6.5%

19、 14 燃料元件发热占总发热的份额 97.4% 15 堆芯入口温度 288.15 16 堆芯出口温度 312.45 17 燃料元件表面的最高温度 346.97 18 燃料元件包壳内表面最大温度 387.3030 19 燃料芯块表面最高温度 623.91 20 燃料芯块的中心最高温度 1621 五、参考文献 1. 核反应堆热工分析（第三版），于平安 朱 瑞安，上海交通大学出版社， 2002 附录 本程序包含了本次课程设计的所有题型的求解，包括：已知平均热流密度，未知燃料组件数；已知燃 料组件数；未知燃料组件数以及平均热流密度的求解。程序内所有的题中未知的量，如果说明中给出了应 该怎么取值，则按照

20、说明取值，若说明未给出取值，则取0，不可输入空集，否则会出现计算错误。 本程序基于 matlab 编写，程序中需要调用水蒸气计算插件，所以在运行程序之前请先安装水蒸气计算 程序，并且按照提示接入 matlab ，然后再运行该程序。 该程序由主程序和 13 个子程序组成，注意理解每个程序所计算的对象。 主函数： %本程序中，除了温度以外的所有计算量，其单位均取国际标准单位，温度单位取摄氏度。 %输入部分，若数据是未知的，则输入为0 ，不可以输入为空！ clear disp（ 请输入相关参数： ）; P=input（ 系统压力： ）; Nt=input（ 堆芯功率 Nt:）; W=input（ 质

21、量流量： ）; % 如果没有给出质量流量，则用反应堆功率 *4.72*10（-6） 计算出再输入，这里 的单位是 t/h ； L=input（ 堆芯高度 :）; % 未知则取 2.9 m=input（ 燃料组件数： ）; 热工课程设计报告 if m=0 q=input（ 请输入平均热流密度： ）; else q=0; end n0=input（ 燃料组件形式 n0*n0,n0=）; n=input（ 每个组件的燃料棒数： ）; Dcs=input（ 燃料包壳外径： ）; Dci=input（ 燃料包壳内径： ）; Du=input（ 芯块直径： ）; 0.8mm s=input（ 燃料棒间距（

22、栅距）： ）; delta=input（ 两个组件间水隙： ）; % 未知则取 casi=input（ 旁流系数： ）; deltaB=input（ 请输入下腔室不均匀系数： ）; Fa=input（ 请输入 Fa ：）; DNBR=input（ 请输入 DNBR:）; % 未知，则取 2 0 )： ); Fq=input（ 请输入热流密度热点因子 Fq:）; Fh=input（ 请输入焓升热管因子 Fh:）; qMAX=2.8*1000000;%快速烧毁的上限热流密度 Tin=input（ 请输入入口冷却剂温度（若未知则输入 if Tin=0 Tp=input（ 请输入冷却剂平均温度： ）;

23、 Tdelta=input（ 请输入冷却剂平均温升： ）; End if Tin=0 Tin,Tout=T1(Tp,Tdelta); else Tout=input( 请输入出口冷却剂温度： ); %Tout=T2(Tin,P,Fa,Nt,W,casi); end 热工课程设计报告 Tp=(Tin+Tout)/2; if m=0 if q=0 q,qmax,ql,qlmax,m=T32(qMAX,DNBR,Fq,Dcs,L,Fa,Nt,n); else m,q,qmax,ql,qlmax=T31(q,Fq,Dcs,Fa,L,n,Nt); end else q,qmax,ql,qlmax=T3(

24、m,n,Dcs,L,Fa,Nt,Fq); End if qmax*DNBRqMAX disp( 警报： qmax 过高，可能会发生快速烧毁 ) End Def=T5(s,n0,delta,m); 为半高度处的冷却剂流速 Tf2=T6(W,casi,Tin,P,Nt,Fh,deltaB); Vf2=T41(P,Tp,W,casi,m,n,s,Dcs,delta,n0,deltaB);%Vf2 h2l=T7(s,Dcs,P,Tp,Vf2); tcsmax=T8(P,qmax,h2l,Tf2); tcimax=T9(tcsmax); tumax=T10(qlmax,Dci,Du,tcimax); t

25、omax=T11(qlmax,tumax); if tomax2200 disp( 堆芯温度过高，最高温度为 ); disp(tomax); else disp( 堆芯最高温度为： ); disp(tomax); 10 热工课程设计报告 End 函数 T1 ： function Tin,Tout=T1(Tp,delta) Tin=Tp-delta/2; Tout=Tp+delta/2; %已知平均温度和温度上升值，求入口出口值 函数 T2 ： function Tout=T2(Tin,P,Fa,Nt,W,casi) Tout(10)=0; Tf(10)=0; Tout(1)=Tin+45; f

26、or i=1:10 Tf(i)=0.5*(Tout(i)+Tin); Cp= WASPCHS(pt2Cp,P,Tf(i)*1000; Tout(i+1)=Tin+(Fa*Nt*1000000)/(W/3.6)*(1-casi)*Cp); e=abs(Tout(i+1)-Tout(i)/Tout(i); if e0.001 continue else Tout=Tout(i+1); break end end %已知入口温度，出口温度求解 函数 T3 11热工课程设计报告 function q,qmax,ql,qlmax=T3(m,n,Dcs,L,Fa,Nt,Fq) F=m*n*pi*Dcs*L

27、; q=Fa*Nt*1000000/F; qmax=q*Fq; ql=q*pi*Dcs; qlmax=ql*Fq; %两个系数，求热流密度 函数 T31 function m,q,qmax,ql,qlmax=T31(q,Fq,Dcs,Fa,L,n,Nt) q=q*1000000; ql=q*pi*Dcs; qlmax=ql*Fq; qmax=q*Fq; N=Nt*1000000*Fa/(pi*Dcs*L*q); m=ceil(N/n); m=ceil(m-1)/4)*4+1; m,qlmax,qmax, 等 %在不知道燃料组数 m，却知道平均热流密度时候，求解 函数 T32 function

28、q,qmax,ql,qlmax,m=T32(qMAX,DNBR,Fq,Dcs,L,Fa,Nt,n) qmax=qMAX/DNBR; q=qmax/Fq; ql=q*pi*Dcs; qlmax=ql*Fq; N=Nt*1000000*Fa/(pi*Dcs*L*q); m=ceil(N/n); m=ceil(m-1)/4)*4+1; %不知道燃料组件数不知道热流密度情况下求解m,qlmax,qmax; 12 热工课程设计报告 函数 T42 function Vf2=T41(P,Tp,W,casi,m,n,s,Dcs,delta,n0,deltaB) rou= 1/WASPCHS(pt2V,P,Tp

29、); Cp=WASPCHS(pt2Cp,P,Tp)*1000; At=m*n*(s*s-(pi/4)*(Dcs*Dcs)+m*4*n0*s*delta/2; Vf2=(W/3.6)*(1-casi)*(1-deltaB)/(At*rou); %求热管半高度处冷却剂流速 函数 T5 function Def=T5(s,n0,delta,m) T=(n0*s+delta)2; Def=sqrt(m*T/(pi/4); %求等效直径 函数 T6 function Tf2=T6(W,casi,Tin,P,Nt,Fh,deltaB) V= WASPCHS(pt2V,P,Tin); H= WASPCHS(

30、pt2H,P,Tin); Wef=(1-casi)*(1-deltaB)*W/(3.6*V); H2=H+(Nt*1000000*Fh)/(2*Wef); 1.67 为因子 Tf2=WASPCHS(pH2T,P,H2); %求取热管半高处水的焓值，求出半高处温度。 函数 T7 function h2l=T7(s,Dcs,P,Tp,Vf2) 13 热工课程设计报告 De=4*(s*s-pi*Dcs*Dcs/4)/(pi*Dcs); U= WASPCHS(pt2U,15,305); RAMD= WASPCHS(pt2RAMD,15,305); PRN= WASPCHS(pt2PRN,15,305); rou=1/WASPCHS(pt2v,15,305); Re=Vf2*De/U; Nu=0.023*(Re0.8)*(PRN0.4); h2l=Nu*RAMD/De; %求半高度处的比焓 函数 T8 function tcsmax=T8(P,qmax,h2l,Tf2) deltaf