反应堆热工分析课程设计

1、核反应堆热工分析课程设计学生：杨伟学号：20094271指导教师：陈德奇专业：核工程与核技术完成时间:2012年7月5日重庆大学动力工程学院二O 一二年六月1 设计目的通过本课程设计，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。包括了解平均通道(平均 管)、热通道(热管)、热点等在反应堆热工设计中的应用；(3) 掌握堆芯焓场的计算并求出体现反应堆安全性的主要参数；烧毁比 DNBR ,最小烧毁比MDNBR ,燃料元件中心温度to及其最高温度to,max 包壳表面温度tcs及其最咼温度tcs,max等；(4) 求出体现反应堆先进性的主要参数：堆

2、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) 通过本课程设计，掌握压水堆热工校核的具体工具；(6) 掌握压降的计算；(7) 掌握单相及沸腾时的传热计算。2设计题目某压水堆的冷却剂和慢化剂都是水，用 UO2作燃料，用Zr-4作燃料包壳材料。燃料组件无盒壁，燃料元件为棒状，采用正方形排列。已知参数如表1所示:序 号反应堆主要参数No.31系统压力P15.5MPa2堆芯输出热功率Nt3016 MW3:冷却剂总流量 W68500t/h4反应堆进口温度tfin292.4 C5堆芯高度L3.66m6燃料组件数m1577燃料组件形式

3、nO >no17 X178每个组件燃料棒数n2649r燃料包壳外径des9.5mm10燃料包壳内径dei8.36mm11燃料包壳厚度 S e0.57mm12燃料芯块直径 du8.19mm13:燃料棒间距（栅距）s12.6mm14两个组件间的水隙 S0.8mm152UO芯块密度 p UO295%理论密度16旁流系数Z5%17燃料元件发热占总发热的份额Fa97.40%18径向核热管因子 FRN1.3519轴向核热管因子 FZN1.520热流量核热点因子FqN-FRN*FZN2.02521热流量工程热点因子 FqE1.0322含升工程热管因子 FA HE （未计入交混因子）1.14223交混因

4、子 FA HmE0.9524焓升核热管因子 FA HN-FRN1.3525:堆芯进口局部阻力系数Kin0.7526:堆芯出口局部阻力系数Kout127堆芯定位隔架局部阻力系数Kgr1.05将堆芯自下而上分为 6个控制体，其轴向归一化功率分布如表2所示:表2 :堆芯归一化功率分布自下而上控制休号123456Phi.10.480.981.611.541.010.383计算过程及结果分析3.1流体堆芯出口温度(平均管)f .outt f .inFa* NtW* Cp *(1)S按15.5MPa下流体平均温度。=(tf,out + tf,in)/2查表得假设出口温度为 320弋，则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 满足条件3.2燃料棒表面平均热流密度H=轰广七詡 W/式中：为堆芯内燃料棒的总传热面积F=mrw兀叫屛燃料棒表面最大热流密度怙n a FN -2%1泊=Q 4 打W/"燃料棒平均线功率币q n - d Lq,fa * 7i' d 仁 L=岀W/m燃料棒最大线功率比血K_IpN e£%、kJ厂质忤W/m根据以上已知的公式查表可计算得：

6、Fm=mf 叫J 丄=157 X 264 XTTX 0.0095 X 3.66 = 4527.493 mZ亓"M/F总二 °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应 5 ' d=648832.3B5XHX0.0095 = 19364.4706| W/m n f饥 耐F/ Fq=i93&4 4706 x 2.205 X 1.03 = 40389,4446| W/m3.3平均管的情况平均管的流速Wef(1 -0式中，堆

7、芯内总流通面积19 / 185+ 4 *(noxS) X-叫】为燃料组件内正方形排列时的每一排（列）的燃料元件数。i耳由压力以及流体的平均温度&查表得到:兀步j + 4 (n0 x S) X -根据以上公式，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为了简化计算，假定热管内的流体流速 &

8、quot;h和平均管的v相同。（实际上，应按照压降相等来求。热管内流体流速要低一些）。则二"同样，热管四根燃料元件间组成的单元通道内的流量(i-<)1 =广2兀j 24=：>.01262所以，根据查表一及以上算出的数据可以得出: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热管中的计算(1)热管中的流体温度:刁吩眩化爲)叫f咕=£ +斤£J肆也自下而上控制休号123456Phi.1屮0.480.981.611.541.030.38ir

9、 I申血上述公式中，对于每一控制体，只有两个变量比热容 和，一般采用迭代法，可求的对于每一个控制体的出口为温度 匕卜谿T.而但对于每一个控制 体的高度Z=i*L/6，通道长度为丄；=L/6。第一控制体出口温度Uh=310°C 时，平均温度 V =301.2 °C,在压力 P=15.5MPa下，查核反应堆热工分析附录川-5，用插值法可求的'卩值，按上述公式算出口温度 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再将得出

10、的温度值带回公式计算，迭代几次，满足hh|vo.at为止。可得 W 0ut =296.5096583954 C, » =294.4548291977 C，平均 温度下 J =5.123 KJ/(Kg. C)同理可求得：第二控制体，W 列=304.342805319118C,第三控制体：V, out=315.958089043401C第四控制体： W 硕=325.980709114068C第五控制体：W 刨=332.1 C第六控制体：W 刨=334.334002118654C 出口处包壳外壁温度：也f+叫h11h*必式中：h(z)可以用Nu= *=0023，rJ Pr来求。0.023

11、Re°8 * Pr° 4所以，h(z)=砂5叭冬式中：Re=二石万4 坷呛 24)D “ =：流体的k(z)、和Pr数根据流体的压力和温度由表查得。如果流体已经达到过冷沸腾，用 Jen s-Lottes公式：1°作为判别式。两函匚W L tf=(如L t j +-对)心F：卩F Jfe)=25 r* c+-上仙)I 10当剧fhV叫h2时，用前面的式子当叫h®叫h2时，用|叫2代替叫h冋根据以上公式，由压力15.5MPa和第一控制体流体出口温度卜人期=296.5096583954 C下，查核反应堆热工分析附录川 -4，用插值法可求u = 82.77811

12、 "旷中氐J查附录川-6用插值法可求K(L/6)=：,查附录川-1，用插值法可求 Pr=0.916390731539由上述公式可求得= 6877875625佔D = 0,0117778611433935 the=丝=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来求得:0.023 ' Re0H Pr04h(z)=(0/J16390731539)0.40.5333784 W/(m*4C)丽 117778611

13、43393Tm=44347.8869710167De = 0.023 - (638895431832063 )第一控制体出口处包壳外壁温度:】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：第二控制体，気 1】心)=324.798495876569C,第三控制体：咯】&）= 3475C第四控制体：咯£"= 347.8C第五控制体：11= 346.796531681631C第六控制体：気 l】G)= 341.5670226385

14、38C出口处包壳内壁温度：Gh弋h+叫人q广用串昭唧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）先假设出口处包壳内壁温度为400C,求出平均温度值=尹疗+ 5) =353137324354851 °C,依据公式；k(z) = QQ0547 * (1.E * tjz) + 32)f 13.8 , 求出包壳导热系数 !'心. .i代入公式Jh叫山+傀hq广阳吩“dcs2叫* lfl()193644706 -x 135 x 1,03 x 0.48 mT

15、+2n x 17,4520300955979 W/ m2 - °C=318.298245150761将得出的内壁温度再次代入公式，如此迭代几次，一直到满足f叫h-Q h |<0.5弋算出出口处包壳内壁温度得出第一控制体也=318.298245150761 T，包壳导热系数=17.06436 w/(m. C )。同理可求得：第二控制体，咕於 = 355.78551929507C第三控制体：Eh 二 397. C第四控制体：如对=394.879379355877C第五控制体：石,h（z）= 378.332915275762C第六控制体：気 hQ）= 353.533052753641

16、C出口处UO的外表面温度'：采用接触导热型传热模型，取等效传热系数輛=57啟/巾汽采用公式:. w FqFq Fq '卩Uh=t如+d +dcl uUO的外表面温度:将已知数据代入上式可以求的第一控制体出口处 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:第二控制体，t 讪&) = 531.764006043318C第三控制体：

17、1'= 686.2C第四控制体：''=671.417001388839C第五控制体：''=559.69849855712C第六控制体：=421.769608839697C出口处UO的中心温度5h：用积分热导率求解的公式:¥ E2ftoiWr)屮片厂咋啓 'J” Mt)dt = J kuct)dt + 一10根据第一控制体出口处 /匸川卩迸，:云二404.465729188671 C,在核反应堆热工分析表3-7中，用插值法查取ku(t)dto=26.62140439求出S.hkjt)dt = 36.90649199 W/cm，再反过来查取

18、血= 652.6220489 .°C。所以求的第一控制体出口处 UQ的中心温度：迁4汇曲农齐；C 同理可求得:第二控制体，|： = 1192.928084C第三控制体：|：= 2051.399855C第四控制体：|= 1956.783425C第五控制体：'=1263.452292C第六控制体：|= 615.6024561C3.6 热管中的 4DNB，H（Z）;采用w-3公式计算，为了简化计算，不考虑热流密度非均匀分布影响 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 木居二宀脸乌八疋、 根据压力P=15.5MPa,查核反应堆热工分析附录川-2，用插值法可求当z=L/6=0.61m时， 和(回)=296.50

20、,©)=1318.71945982975J/Kg进口 比焓值=1296.80496050637J/Kg.查附录川-1,饱和水比焓值 S=1629.85030094042J/Kg,汽化潜热召42285691J/K,叫G =质量流量 州 =0.389974488*3600/87.87781575e-6=15975683.34(Kg/m.h)平衡态含汽量瓦=人心)时/ %=(i296.80496050637J/Kg-1629.85030094042J/Kg)/仝圧工 丄："=-0.321959490470355将上述数据代入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：第二控制体：吧二胖"=5826367.86074238 W/m2第三控制体：比朋F壬二4823186.70632454W/m第四控制体:丸曲F王二3913996.35684406W/m?第五控制体:辻朋忙：沁=3332080.43822718W/m?第六控制体:狂朋W= 3098682.28547

23、186W/mf3.7DNBR的计算DNBR =/根据已经计算得出的数据，第一控制体有：& = 648832.385 W/，%站6494814.28501949 W/m?,环二比心=1 35 , Fq = 1 03。所以又第一控制体的临界热流密度比：如饰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：第二控制体，=6.58974052256303第三控制体:皿二=3.327第四控制体：网泪司=2.817第五控制体：师词=3.65671060873903

24、第六控制体：戸汪阔=9.9653.8计算热管中的压降L pV2 L GLvAP/ = f W = rT-F单向流体的摩擦压降龙P"03164式中单项流体加速压降单项流体提升压降AP_Pm + PgrH = p * g L =g 叫局部压降：出口"曲$叔G存测2 =心 * 进口G VinI-=其中，比容按相应的流体压力和温度，由表插得-4，用对于第一控制体，压力 P=15.5MPa,查核反应堆热工分析附录川插值法可求所以 =0.69852。得出：0.0109030154969852 X血弧 05Q09 X 10_6pa 乞®二旳 87495 X 106pas|,查附

25、录川-3, v=0.2m3/Kg,质量流量 G= 161652103456565 出訂 h)3.666 X 0.01 1777861143393516165210,0 2 X 0.001363155882=7760.38521317303 Pa同理可求得：第二控制体，=7792a第三控制体：=7699.25194407658Pa第四控制体：=8014.Pa第五控制体：=8354.82019321861Pa第六控制体：%=8641.49615763273Pa所以，总的摩擦压降为：阿二 APf ： + % + APr + APf+ + APf=7760.38521317303Pa+7792a+7699.25194407658Pa+7699.2519440 7658Pa+8354.82019321861Pa+8641.49615763273Pa =48262.1848188906 Pa对于第一控制体，根据已经计算出的温度和已知的压力得出的数据% = 741.636451890832 Kg/m p创=741.6364S189O83