第9(2)讲-单通道模型反应堆热工设计

1、Reactor Thermal Hydraulics 5.1 引言 5.2 反应堆热工设计准则 5.3 热管因子和热点因子 5.4 临界热流密度与最小DNBR5.5 单通道模型反应堆热工设计的一般步骤概述5.6 子通道模型的反应堆热工设计概述第五章 反应堆稳态热工设计Reactor Thermal Hydraulics 2单通道模型思想z认为热点位于热管中z计算时只分析热管中的热工状态z并把热管看作是孤立的、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Reactor Thermal Hydraulics 3z计算步骤z 根据任务书提出的电站总功率要求，堆热工设计方

2、面应与一、二回路系统设计方面初步商定有关的。z 确定燃料元件的形状、尺寸、栅距、排列方式及每个燃料组件内的燃料元件数；计算燃料元件总传热面积，并确定堆芯的布置。z 根据热工设计准则中规定的内容进行有关的计算。Reactor Thermal Hydraulics 4z设计准则中的规定内容：z计算平均管冷却剂的质量流速z计算平均管冷却剂的焓场z计算平均管的各类压降z计算热管的有效驱动压头z计算热管冷却剂的焓场z计算最小DNBRz计算燃料元件的温度z堆稳态热工设计的技术经济评价Reactor Thermal Hydraulics 5热工设计参数z主参数：核电厂电功率、电厂效率、系统压 力、流量、温度

3、等z结构参数：燃料元件尺寸、排列方式和栅距等z物性参数：密度、热导率、比热和粘度等z核参数：径向功率分布、轴向功率分布、局部峰因子等z其他参数：旁流系数、局部形阻系数等Reactor Thermal Hydraulics 6单通道模型热工设计的第一步z第一步：估算反应堆输出的热功率Nt。zNe为核电站的电功率。zt为核电站的总效率NNtetReactor Thermal Hydraulics 7z 第二步：计算燃料元件总传热面积、并确定堆芯的尺寸。z 计算所需的燃料元件传热面积F，即 其中Fu为燃料内释热量占堆芯总发热量的份额； 为燃料元件表面平均热流密度FNqFtu单通道模型热工设计的第二步

4、qReactor Thermal Hydraulics 8z求堆芯燃料元件总根数N，则有z确定堆芯尺寸,若元件按正方形排列，则堆芯等效直径与燃料元件数N之间有如下关系n-每个燃料组件内的元件棒数；T-组件每边的长度；Def-堆芯等效直径堆物理设计方面希望L/Def保持在0.91.5范围内。 单通道模型热工设计的第二步cscsFNdd L,L 分别为燃料元件棒外径和堆芯高度NnTDef224422DnTd LNqFefcstuReactor Thermal Hydraulics 9单通道模型热工设计的第三步第三步、根据热工设计准则中规定的内容进行有关计算Reactor Thermal Hydra

5、ulics 101）计算平均管冷却剂的质量流速z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以冷却剂的有效流通截面积。所谓有效冷却剂流量，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部分流量。那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，并用旁流系数来描述atWWt/WW冷却剂的旁通流量，千克 时冷却剂的总流量， 千克 时Reactor Thermal Hydraulics 11z 平均管的冷却剂质量流速Gm GWNAmatb(),/ ()12千克米时Ab-相应于一根燃料元件栅元的冷却剂流通截面；Wt-冷却剂总流量；

6、N -燃料元件总根数。 Reactor Thermal Hydraulics 12Reactor Thermal Hydraulics 132）计算平均管冷却剂的焓场AL一根燃料元件单位长度上的外表面积，米2/米。 HzHqAG Az dzf mf inLmbz,( )( )0Reactor Thermal Hydraulics 143）计算平均管的各类压降 z即求 及 的值。其计算方法已在第三章中作了详细的介绍，在此不再赘述。需要说明的是，应该应用平均管冷却剂的焓值和系统的压力去求冷却剂的密度和粘度等物性参数，再应用这些物性去计算平均管的各类压降。 pppppf ma min mex mg

7、m,、,el mpReactor Thermal Hydraulics 154）计算热管的有效驱动压头 z热管的有效驱动压头。z式中kf,h为热管摩擦压降的下腔室修正因子；zka,h为热管各形阻压降及加速压降的下腔室修正因子。z按该式，通过迭代，可以求得热管内的冷却剂的质量流速Gh。 ,()h ef hf ma ha min mex mg mel mpkpkppppp,hh eh epppReactor Thermal Hydraulics 165）计算热管冷却剂的焓场 ,0( )( )NEzHHLf hf inhhqFFAHzHz dzG Af,h(z)z/NHEHHFF2h热管轴向 处的冷

8、却剂焓，焦耳 千克焓升核热管因子焓升工程热管因子G -热管冷却剂的质量流速，千克/(米 .时)Reactor Thermal Hydraulics 176）计算最小DNBR z有了热管内冷却剂的质量流速和焓场分布，就可计算热管中临界热流密度、燃料元件表面DNBR和MDNBR，要使MDNBR值满足堆热工设计准则规定的要求。稳态工况下，一般要求 MDNBR1.2。,( )( )( )DNB NgeNERqqzDNBR zF FqFz F由DNBR(z)的一阶导数等于零可求出MDNBRReactor Thermal Hydraulics 187）计算燃料元件的温度 z计算燃料元件中心最高温度和表面最

9、高温度，校核它们是否超过堆热工设计准则的限值。z要计算燃料元件包壳温度和中心温度，就得从元件外面的冷却剂温度算起，一直往里逐层计算。z进行热工计算时把燃料元件沿轴向分段进行计算，并把每一小段中的释热量看作是常量，分段的多少按工程上要求的精度而定。Reactor Thermal Hydraulics 19开始计算t0,max与MDNBR打印输出读输入参数计算平均管冷却剂的质量流速计算平均管冷却剂的焓场分布计算平均管的压降计算热管有效驱动压头ph,e假设热管冷却剂的质量流速计算热管冷却剂焓场计算热管压降ph,hh eh eppp计算有关堆参数重新假设热管冷却剂的质量流量停机单通道模型热工设计的程序

10、框图Reactor Thermal Hydraulics 204.6 子通道模型的反应堆热工设计概述Reactor Thermal Hydraulics 21子通道模型思想z认为相邻通道冷却剂间在流动过程中存在着横向的动量、质量和热量的交换。（横向交混）z通过计算大量的子通道中的热工参数，确定出实际的热管和热点。Reactor Thermal Hydraulics 22z更接近压水堆堆芯开式冷却剂通道的实际情况z提高了热工设计的精确度，提高了反应堆的经济性。z不能简单地只选取热管和热点进行计算，而必须对大量的子通道同时进行计算，因而计算工作量较大，所需要的计算费用也较多。 子通道模型的优缺点R

11、eactor Thermal Hydraulics 23子通道模型热工设计步骤z第一步：划分子通道z第二步：求解每个子通道的质量、轴向与横向动量和能量守恒方程，计算出各子通道冷却剂的热工参数，确定出最热通道z第三步：然后计算燃料元件的温场，求t0,max和MDNBR（这和单通道模型的计算方法相同）。Reactor Thermal Hydraulics 24划分子通道的方法 z（1）利用整个堆芯形状对称、功率分布对称的特点，只要计算1/2，1/4，1/8堆芯就可以；z（2）也可采用两步计算方法，即第一步按燃料组件为子通道，计算出堆芯中的最热燃料组件，第二步对最热燃料组件内部再划分子通道。z（3）类似于方法（2），不同的是第一步根据需要划分横截面大小不同的子通道。Reactor Thermal Hydraulics 25子通道模型和计算程序z目前提出的许多不同的子通道模型和计算程序，它们之间的不同点是：z横向交流的处理模型不同z经验公式与数据不同，z数学上的处理方法不同。Reactor Thermal Hydraulics 26小 结z反应堆热工设计需要与其它专业配合。z热工设计本身必须以热工水力实验结果为依据，验证各种数据、公式以及所采用的计算模型的正确性，据此修正设计结果。z要充分利用新材料、新工艺和新技术，使堆芯热工设计性能尽可能先