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t0及其最高温度t0,max，包壳表面温度tcs及其最高温度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：表1：序号反应堆主要参数No.31系统压力 P 15.5MPa2堆芯输出热功率 Nt 3016 MW3冷却剂总流量 W 68500t/h4反应堆进口温度 tfin 292.45堆芯高度 L 3.66m6燃料组件数 m 15

3、77燃料组件形式n0n017178每个组件燃料棒数 n 2649燃料包壳外径dcs9.5mm 10燃料包壳内径dci8.36mm 11燃料包壳厚度 c 0.57mm12燃料芯块直径 du8.19mm13燃料棒间距（栅距）s 12.6mm 14两个组件间的水隙 0.8mm 152UO芯块密度 UO2 95%理论密度16旁流系数 5%17燃料元件发热占总发热的份额 Fa 97.40%18径向核热管因子 FRN 1.3519轴向核热管因子 FZN 1.520热流量核热点因子 FqN=FRN*FZN 2.02521热流量工程热点因子FqE1.0322焓升工程热管因子 FHE（未计入交混因子）1.142

4、23交混因子 FHmE0.9524焓升核热管因子 FHN=FRN1.3525堆芯进口局部阻力系数 Kin 0.7526堆芯出口局部阻力系数 Kout 127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) Cp按15.5MPa下流体平均温度tf =(tf,out + tf,in)/2查表得。假设出口温度为320，则tf=（292.4+320）/2=306.2，差得Cp=5.836

5、KJ/Kg。 由于 |320 -320.246|0.5 满足条件3.2燃料棒表面平均热流密度q q=FaNt/F总 W/m2式中F总为堆芯内燃料棒的总传热面积 F总= mndcsL m2燃料棒表面最大热流密度qmax qmax= qFqNFqE W/m2燃料棒平均线功率 ql ql=qdcsLL=qdcs W/m燃料棒最大线功率ql，max ql，max=qlFqNFqE W/m根据以上已知的公式查表可计算得：F总= mndcsL= 1572640.00953.66=4527.493 m2q=FaNt/F总= 0.9743016000000/4527.493=648832.385 W/m2qm

6、ax= qFqNFqE= 648832.3852.2051.03=1353302.15 W/m2ql=qdcsLL=qdcs= 648832.385 0.0095=19364.4706 W/m ql，max=qlFqNFqE=19364.47062.2051.03=40389.4446 W/m3.3平均管的情况 平均管的流速 V=WefAff=W（1- ）Aff式中，堆芯内总流通面积Af= m(n0n0) S2-4dcs2+4(n0S)2n0为燃料组件内正方形排列时的每一排（列）的燃料元件数。f由压力以及流体的平均温度tf查表得到：f=1v根据以上公式，查表有：Af= m(n0n0) S2-4

7、dcs2+4(n0S)2= 15717*17*(0.0126*0.0126-3.14159*0.0095*0.0095/4)+(4*17*0.0126*0.00057/2) =4.0256 m2f=1v=713.0373895 Kg/m3V=WefAff=W（1- ）Aff=685000.954.0256713.0373.6=6.2975 m/s3.4为了简化计算，假定热管内的流体流速Vh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Vh=V同样，热管四根燃料元件间组成的单元通道内的流量 Wh=W（1- ）AfAb Ab=S2-4dcs2所以，根据查表一及以上算出

8、的数据可以得出： Ab=S2-4dcs2=0.01262-40.00952=8.787810-5 m2 Wh=W（1- ）AfAb=685000.954.02568.787810-5=1.42056 t/h3.5热管中的计算（1） 热管中的流体温度：tf.hz=tf.in+qFRN（FHEF HmE)dcsWhCp0z（z）dz自下而上控制休号123456Phi.1(z)0.480.981.611.541.030.38上述公式中，对于每一控制体，只有两个变量比热容Cp和0z(z)dz，一般采用迭代法，可求的对于每一个控制体的出口为温度 tf,h(z).而但对于每一个控制体的高度Z=i*L/6，

9、通道长度为Li=L/6。第一控制体出口温度tf，h（L/6）=310时，平均温度tf=301.2, 在压力P=15.5MPa下 ，查核反应堆热工分析附录-5，用插值法可求的Cp值，按上述公式算出口温度如下：tf.hz=tf.in+qFRN（FHEF HmE)dcsWhCp0z（z）dz=292.4+648832.385W/m21.351.030.00951.42056 m/s5.53143874KJ/Kg0.483.66m/6=296.204553216481再将得出的温度值带回公式计算，迭代几次，满足|tf，h* -tf，h|0.5为止。可得tf，out=296.5096583954，tf=

10、294.4548291977，平均温度下Cp=5.12077915900873 KJ/(Kg. )同理可求得：第二控制体，tf，out=304.342805319118，第三控制体：tf，out=315.958089043401第四控制体：tf，out=325.980709114068第五控制体: tf，out=332.107290336826第六控制体: tf，out=334.334002118654出口处包壳外壁温度： tcs.hz=tf.hz+f.hz1 =tf.hz+qFqN FqEh(z) =tf.hz+qFRN (z)FqEh(z)式中：h(z)可以用Nu=h(z)Dek(z)=

11、0.023Re0.8Pr0.4来求。所以，h(z)= 0.023Re0.8Pr0.4k(z)De式中：Re=GDe=WhAbDe De=4AbU=4(S2-4dcs2)dcs流体的k(z)、（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Jens-Lottes公式： tw-ts=25(qFRN(z)FqE106)e-(p6.2)作为判别式。 f,h(z)2=twz-tf.hz=(twz-ts)+(ts-tf.hz) =25qFRNzFqE106e-p6.2+(ts-tf.hz)当 f,h(z)1 f,h(z)2时，用 f,h(z)2代替 f,h(z)1 根据以上公式，由

12、压力15.5MPa和第一控制体流体出口温度tf，out= 296.5096583954下，查核反应堆热工分析附录-4，用插值法可求= 82.7781110-6Pa.s,查附录-6用插值法可求K(L/6)= 0.5333784 W/(m),查附录-1，用插值法可求Pr=0.916390731539由上述公式可求得 Ab=87.877875625 mm2 De=0.0117778611433935 m 所以 Re=GDe=WhAbDe = 1.42056 t/h0.0117778611433935 m/（87.877875625 mm2 0.0117778611433935 m =638895.4

13、31832063由Nu=h(z)Dek(z)= 0.023Re0.8Pr0.4来求得：h(z)= 0.023Re0.8Pr0.4k(z)De= 0.023638895.4318320630.8（0.916390731539）0.40.5333784 W/(m)0.0117778611433935 m=44347.8869710167 W/m2第一控制体出口处包壳外壁温度：tcs.hz=tf.inz+f.hz1=292.4+648832.385W/m21.351.030.483.66m/（644347.8869710167 W/m2）=306.274648709703同理可求得：第二控制体，tc

14、s.h(z)= 324.798495876569，第三控制体：tcs.h(z)= 347.044421870365第四控制体：tcs.h(z)= 347.019524456658第五控制体: tcs.h(z)= 346.796531681631第六控制体: tcs.h(z)= 341.567022638538出口处包壳内壁温度:tci.hz=tcs.hz+c.h(z) =tcs.hz+ql*FRN*FqE*(z)2kc(z)*ln(dcsdci)式中：Zr-4的 kz=0.005471.8tcz+32+13.8 W/m2 tcz=12(tcs(z)+tci(z)先假设出口处包壳内壁温度为400

15、，求出平均温度值tcz=12(tcs(z)+tci(z)=353.137324354851，依据公式；kz=0.00547*1.8*tcz+32+13.8，求出包壳导热系数kz=17.4520300955979 W/m2。代入公式tci.hz=tcs.hz+c.h(z) =tcs.hz+ql*FRN*FqE*(z)2kc(z)*ln(dcsdci) =306.274648709703+19364.4706 Wm1.351.030.48217.4520300955979 W/m2 =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|tci，h* -tci，h

16、|0.5算出出口处包壳内壁温度得出第一控制体 tci.hz =318.298245150761，包壳导热系数kc(z)=17.06436 w/(m. )。同理可求得：第二控制体，tci.hz = 355.78551929507第三控制体：tci.hz= 397.04932317554第四控制体：tci.hz= 394.879379355877第五控制体: tci.hz= 378.332915275762第六控制体: tci.hz= 353.533052753641 出口处UO2的外表面温度tu.hz： 采用接触导热型传热模型，取等效传热系数hg=5768W/m2.采用公式： tu,hz=tci

17、,hz+qlFRNFqEzdci+du2hg将已知数据代入上式可以求的第一控制体出口处UO2的外表面温度：tu,hz=tci,hz+qlFRNFqEzdci+du2hg =318.298245150761+ 19364.4706 W/m 1.351.030.480.00819m+0.00836m25768W/m2. =404.465729188671同理可求得：第二控制体，tu,hz = 531.764006043318第三控制体：tu,hz= 686.156837119092第四控制体：tu,hz= 671.417001388839第五控制体: tu,hz= 559.69849855712第

18、六控制体:tu,hz= 421.769608839697出口处UO2的中心温度t0.hz：用积分热导率求解的公式：0t0.hzku(t)dt=0tu.hzku(t)dt+ql*FRN*FqE*(z)4*10-2根据第一控制体出口处UO2燃料芯块表面的温度tu,hz= 404.465729188671，在核反应堆热工分析表3-7中，用插值法查取0tu.hzku(t)dt =26.62140439 W/cm，根据ql*FRN*FqE*(z)410-2=10.2850876W/cm求出0t0.hzku(t)dt=36.90649199W/cm ，再反过来查取t0.hz=652.6220489。所以求

19、的第一控制体出口处UO2的中心温度：t0.hz=652.6220489。同理可求得：第二控制体，t0.hz = 1192.928084第三控制体：t0.hz= 2051.399855第四控制体：t0.hz= 1956.783425第五控制体: t0.hz= 1263.452292第六控制体: t0.hz= 615.60245613.6热管中的qDNB,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：qDNB,Hz=3154000*2.022-0.00000006238*p+0.1722-0.0000000143*pEXP18.177- 0.0000

20、005987*pXe(0.1484-1.596Xe-0.1729Xe|Xe|)0.2049G/1000000+1.037)(1.157-0.869Xe)0.2664+0.8357*EXP(-124*De)0.8258+0.000000341(hfs-hf,in) 根据压力P=15.5MPa, De=0.0117778611433935 m, 查核反应堆热工分析附录-2，用插值法可求当z=L/6=0.61m时，tf.h(0.61)= 296.509658395485，hf(z)= 1318.71945982975J/Kg,进口比焓值hf.in=1296.80496050637J/Kg. 查附录-

21、1,饱和水比焓值hfs=1629.85030094042J/Kg, 汽化潜热 hfg=966.36642285691J/Kg.质量流量G=WhAb =0.389974488*3600/87.87781575e-6=15975683.34(Kg/m2.h)平衡态含汽量Xe=(hf(z)-hfs)/hfg=(1296.80496050637J/Kg -1629.85030094042J/Kg)/ 966.36642285691J/Kg =-0.321959490470355将上述数据代入W-3公式可得: qDNB,Hz=31540002.022-0.00000006238*15.5106+0.17

22、22-0.0000000143*15.5106EXP18.177- 0.0000005987*15.5106-0.321959490470355(0.1484-1.596（-0.321959490470355）-0.1729（-0.321959490470355）|-0.321959490470355|)0.204916165210.3456565/1000000+1.037)(1.157-0.869（-0.321959490470355）)0.2664+0.8357EXP(-1240.0117778611433935 )0.8258 +0.000000341(1629.85030094042

23、-1296.80496050637)=6494814.28501949 W/m2同理可求得：第二控制体: qDNB,H(z) = 5826367.86074238 W/m2第三控制体：qDNB,H(z)= 4823186.70632454W/m2第四控制体：qDNB,H(z)= 3913996.35684406W/m2第五控制体: qDNB,H(z)= 3332080.43822718W/m2第六控制体: qDNB,H(z)= 3098682.28547186W/m23.7DNBR的计算 DNBR=qDNB,h(z)q(z)=qDNB,h(z)qFRNFqEz根据已经计算得出的数据，第一控制体

24、有：q= 648832.385 W/m2， qDNB,H(z) = 6494814.28501949 W/m2， z=0.48, FRN=1.35， FqE=1.03。所以又第一控制体的临界热流密度比：DNBR=qDNB,h(z)qFRNFqEz= 6494814.28501949 W/m2648832.385 W/m21.351.030.48= 14.9976076667741同理可求得：第二控制体，DNBR = 6.58974052256303第三控制体：DNBR = 3.32050918862467第四控制体：DNBR = 2.81706056922105第五控制体: DNBR = 3.

25、65671060873903第六控制体: DNBR = 9.038366366649653.8计算热管中的压降单向流体的摩擦压降 Pf=fLDeV22=fLDeG2v2式中 f=fisowfn=(0.3164Re0.25)wf0.6单项流体加速压降 Pa=GVOUT-VIN=G2(vout-vin)0单项流体提升压降 Pel=gL=in+out2gL 局部压降： 出口 Pout=KoutoutVout22=KoutG2vout2 进口 Pin=KininVin22=KinG2vin2 定位格架出口 Pgr=KgrgrV22=KgrG212(vout+vin)2其中，比容v按相应的流体压力和温度

26、，由表插得。对于第一控制体，压力P=15.5MPa, 查核反应堆热工分析附录-4，用插值法可求w= 86.0500910-6pas, f= 89.8749510-6pas, 查附录-3,v=0.001363155882m3/Kg, 质量流量G= 16165210.3456565 (Kg/m2h)所以f=0.0109030154969852。得出： Pf1=f*LDe*V22=f*LDe*G22 =0.01090301549698523.6660.011777861143393516165210.34565652 0.0013631558822 =7760.38521317303 Pa同理可求得

27、：第二控制体，Pf2= 7792a第三控制体：Pf3 = 7699.25194407658Pa第四控制体：Pf4 = 8014.08723182286Pa第五控制体: Pf5= 8354.82019321861Pa第六控制体: Pf6 = 8641.49615763273Pa所以，总的摩擦压降为：Pf=Pf1+Pf2+Pf3+Pf4+Pf5+Pf6=7760.38521317303Pa+7792a+7699.25194407658Pa+7699.25194407658Pa+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in=741.636451890832 Kg/m3, out=741.636451890832 Kg/m3，得出第一控制体提升压降为： Pel1=gL=in+o