核反应堆热工水力课程设计解析.docx

1、核反应堆热工水力课程设计解析一、设计要求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.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。5.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

2、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。二、设计任务某压水反应堆的冷却剂和慢化剂都是水，用二氧化铀作燃料，Zr-4作燃料包壳材料。燃料组件无盒壁，燃料元件为棒状，正方形排列，已知下列参数：系统压力P 15.8MPa堆芯输出热功率Nt 1820MW冷却剂总流量W 32500t/h反应堆进口温度tfin 287堆芯高度L 3.60m燃料组件数m 121燃料组件形式n0n0 1717每个组件燃料棒数n 265燃料包壳外径dcs 9.5mm燃料包壳内径dci 8.6mm燃料包壳厚度c 0.57mm燃料芯块直径du 8.19m

3、m燃料棒间距（栅距）s 12.6mm两个组件间的水隙 0.8mmUO2芯块密度UO2 95%理论密度旁流系数 5%燃料元件发热占总发热份额Fa 97.4%径向核热管因子 1.33轴向核热管因子 1.520热流量核热点因子= 2.022热流量工程热点因子 1.03焓升工程热点因子(未计入交混因子) 1.142交混因子 0.95焓升核热管因子= 1.085堆芯进口局部阻力系数Kin 0.75堆芯出口局部阻力系数Kout 1.0堆芯定位格架阻力系数Kgr 1.05 若将堆芯自下而上分为3个控制体，其轴向归一化功率分布见下表： 表 堆芯归一化功率分布（轴向等分3个控制体）自下而上控制体号123456归

4、一化功率分布0.481.021.501.560.960.48通过计算，得出：1. 堆芯流体出口温度；2. 燃料棒表面平均热流密度以及最大热流密度，平均线功率，最大线功率；3. 热管内的流体温度（或焓）、包壳表面温度、芯块中心温度随轴向的分布；4. 包壳表面最高温度，芯块中心最高温度；5. DNBR 在轴向上的变化；6. 计算堆芯压降三、设计正文（详细的计算过程、计算结果及分析）1.计算过程1.1堆芯流体出口温度（平均管）按流体平均温度 以及压力由表中查得。假设，查表得经过输入所查程序不断迭代得误差小于0.5。如需更精确的值，可以继续进行迭代计算。1.2燃料表面平均热流密度 式中为堆芯燃料棒的总

5、传热面积 代入数据得燃料棒表面最大热流密度qmax代入数据得燃料棒平均线功率 代入数据得燃料棒最大线功率代入数据得1.3平均管的情况 平均管的流速V式中堆芯内总流通面积为燃料组件内正方形排列时的每一排（列）的燃料元件数由压力以及流体的平均温度查表得到: 由1.1知，查表得1.4为简化计算起见，假定热管内的流体流速Vh和平均管的V相同。同样，热管四根燃料元件组成的单元通道内的流量代入数据得1.5热管中的计算（按一个单元通道计算）（1）热管中的流体温度其中取平均温度对应的参数值，需要进行迭代计算，下面给出第一控制体出口处温度的算法假设,查表得,带入上式与假设误差较大，进行迭代，查表知误差，可以不再

6、进行迭代，就取同理由程序迭代可求得第二控制体出口处流体温度第三控制体出口处流体温度第四控制体出口处流体温度第五控制体出口处流体温度第六控制体出口处流体温度(2)第一个控制体出口处的包壳外壁温度式中：h(z)为单相水强迫对流换热系数，可以利用以下公式来求所以 式中流体的、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：其中为气体的饱和温度，p的单位为MPa，当时，用前面的式子当时，用替换掉代入数据得第一控制体出口处，查表可得 故 其余同理由程序计算得出结果如下第二控制体出口处，查表可得 故 第三控制体出口处，查表可得 故 第四控制体出口处，查表可得

7、故 第五控制体出口处，查表可得 故 第六控制体出口处，查表可得 故 （3）包壳内壁温度式中Zr-4的代入数据得：由于与平均温度有关，由程序迭代计算结果如下第一控制体出口处 第二控制体出口处 第三控制体出口处 第四控制体出口处 第五控制体出口处 第六控制体出口处 (4)燃料芯块外表面温度式中是包壳与芯块间的气隙等效传热系数，这里取代入数据得第一个控制体出口处第二个控制体出口处第三个控制体出口处第四个控制体出口处第五个控制体出口处第六个控制体出口处(5)燃料芯块中心温度用积分热导求解的方法，即其中 代入数据得令 由于函数递增，可以通过二分法求解f(x)的根得出二氧化铀中心温度通过编程可求得结果如下

8、第一控制体出口处 第二控制体出口处 第三控制体出口处 第四控制体出口处 第五控制体出口处 第六控制体出口处 1.6热管中的用w-3公式计算，同样对3个控制体都算式中：p为冷却剂工作压力（Pa），G为冷却剂质量流密度,为冷却剂通道的当量直径（m）,为冷却剂的饱和比焓（J/kg）,为控制体进口处冷却剂的比焓（J/kg）,为计算点z处的平衡含气量，为其绝对值。平衡含气量的计算式为其中为汽化潜热（J/kg）。 通过程序计算得出结果如下第一控制体出口处第二控制体出口处第三控制体出口处第四控制体出口处第五控制体出口处第六控制体出口处1.7DNBR的计算第一控制体出口处同理可求其余段DNBR，结果如下：第二

9、控制体出口处第三控制体出口处第四控制体出口处第五控制体出口处第六控制体出口处1.8计算热管中的压降单相流体的摩擦压降 式中： 使用公式编程分别计算六段控制体的摩擦压降单相流体加速压降：同样使用公式编程分别计算六段控制体的加速压降单相流体提升压降同上局部压降，出口：代入数据得局部压降，进口： 代入数据得局部压降，定位格架出口压降代入数据得以上所使用的比热容和动力粘度都通过软件查询后输入代码中进行计算。通过程序计算结果如下分段压降变化控制体123456提升压降/pa4.3974.3164.1733.9843.8133.708摩擦压降/pa1.0030.9350.4500.4450.4390.435

10、加速压降/pa0.1170.2690.4530.5650.4120.228总压降为2.计算总结温度汇总表控制段控制体外流体出口温度/包壳外表面温度包壳内表面温度 芯块表面温度 芯块中心温度 1291.69303.51313.13384.03568.792301.3326.15346.26492.83974.833314.86348.41377.54593.091383.574327.70348.43378.72602.891430.385334.89348.19366.89504.84958.776338.22347.90357.27426.25619.90临界热流密度和烧毁比汇总控制体123

11、456临界热流密度5.2444.7313.8973.1092.6242.388烧毁比15.0776.403.5852.7503.7226.864单从表内数据看，DNBR都大于1，芯块中心温度小于二氧化铀的熔点2878，所以理论上能够保证安全性。四、课程设计感想通过这次反应堆热工分析的课程设计，我加深了对反应堆内部传热的了解，同时我发发现了自己的很多不足之处。拿到课程设计题目后，我首先根据题目中的问题去复习热工分析的知识，去了解每个问题该怎么算。然后将计算思路和公式写出来，为下一步的编程做准备。由于大部分的求解都是非线性的方程，所以采用了迭代和二分法求解方程。当把整个问题的求解思路理清和确定计算

12、过程中使用算法后，整个问题就在水和水蒸气热物性如何导入上了。在最开始，我使用通过一定的数据去拟合用到的热物性在定压下与温度的关系。但在拟合之后，通过得出的结果与接用水和水蒸气热物性查询软件得出的结果有一点差距，所以就放弃了。然后，我想将网上通过水和蒸汽热力性质公式IAPWS_IF97计算的源码做成接口，在计算过程中直接用它计算热物性。后来，发现太难，源码有很多地方看不懂，不知道如何接入。于是最终也放弃了。后来就采用了最原始的方法，就是在计算的过程中，通过水和水蒸气热物性查询软件查出结果，一步一步输进去。最后使用程序计算时，在输入参数时耗时太久，我深深的感受到书到用处方恨少，如果原来，把编程多学

13、一点，将整个数据导入直接通过动态链接库完成，就省事太多。这次课设让我把原来学的编程与实际问题结合起来，给我很大感触，原来敲着书上的例子，感觉漫无目的。通过这次自己去思考如何解决一个问题，让我理解了拿到一个问题后，该如何处理。同时通过这次课设，我意识到反应堆热工分析是个复杂而连续的过程，每个参数都受到大量的常数参数的影响也具有很多的修正因子。我们不应该根据自己的常识来判断数据的变化情况，相反地我们应该随时坚持以数据计算为引导，以实验作为验证。仔细客观认真地分析堆内数据的变化，并且对堆内数据进行全程监控，防止堆内数据随时变化，对反应堆的危害性。附录（设计流程图、程序）1、程序说明共7个程序由c语言编写，分别为计算流体出口温度，控制体出口流体温度，燃料包壳外壁温度，燃料包壳内壁温度，二氧化铀中心温度，qDNB,压降。使用了迭代和二分法求解部分非线性方程。（1）堆芯出口温度计算：此段根据任务书给出的基本参数和热量与流量之间关系，运用迭代的算法，求出堆芯的出口温度。（2）第一至第六控制体的各量计算：因