核反应堆热工水力课程设计

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1、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）则是堆芯中轴向功率最高的通道，通过

2、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 8.19mm燃料棒间距（栅距

3、）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FRN 1.33轴向核热管因子FZN 1.520热流量核热点因子FqN=FRN FZN 2.022热流量工程热点因子FqE 1.03焓升工程热点因子FHE(未计入交混因子) 1.142交混因子FHmE 0.95焓升核热管因子FHN=FRN 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

4、等分3个控制体）自下而上控制体号123456归一化功率分布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）tf,out=tf,in+FaNtW(1-)Cp Cp按流体平均温度tf=12(tf,in+tf,out) 以及压力由表中查得。

5、假设tf,out=330，查表得Cp=5.610kJ/(kg)经过输入所查Cp程序不断迭代得tf,out=323.9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qq=FaNt/F总 式中F总为堆芯燃料棒的总传热面积F总=mndcsL 代入数据得F总=1212659.510-33.60=3443.40 m2q=97.4%18201063443.40=5.29105 W/m2燃料棒表面最大热流密度qmax qmax=qFqNFqE 代入数据得 qmax=5.291052.0221.03=1.10106 W/m2燃料棒平均线功率ql ql=qdcsLL=qdcs

6、代入数据得ql=5.291059.510-3=1.57104 W/m燃料棒最大线功率ql,maxql,max=qlFqNFqE 代入数据得ql,max=qlFqNFqE=1.571042.0221.03=3.26104 W/m1.3平均管的情况 平均管的流速VV=W(1-)Atf 式中At堆芯内总流通面积At=mn0n0s2-4dcs2+m4n0s2 n0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=1vf 由1.1知tf=323.9+2872=305.5，查表得vf= 0.001397680614m3/kgf=10.001397680614=

7、715.471 kg/m3At=121171712.610-32-49.510-32+12141712.610-30.810-32=3.11 m2V=32500(1-5%)3.11715.4713.6=3.85 m/s 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Wb=W(1-)AtAb Ab=s2-4dcs2 代入数据得Ab=12.610-32-49.510-32=0.8810-4 m2Wb=32500（1-5%）3.110.8810-4=0.87 t/h1.5热管中的计算（按一个单元通道计算）（1）热管中的流体温度tf(z)=

8、tf,in+qFRNFHEFHmEdcsWbCp0z(z)dztf(z)=287+5.291051.351.1420.959.510-30.8710003600Cp0zzdz=287+9.56104Cp0zzdz其中Cp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tfL6=300,查表得Cp=5.3348 kJ/(kg),带入上式tfL6=287+9.561045.334810000.83.606=291.6 与假设误差较大，进行迭代，查表知Cp=5.222 kJ/(kg)tfL6=287+9.561045.22210000.83.663=291.69 误差

9、291.60-291.690.5，可以不再进行迭代，就取tfL6=291.69 同理由程序迭代可求得第二控制体出口处流体温度tf2L6=301.38 第三控制体出口处流体温度tf3L6=314.86 第四控制体出口处流体温度tf4L6=327.70 第五控制体出口处流体温度tf5L6=334.89第六控制体出口处流体温度tfL=338.22 (2)第一个控制体出口处的包壳外壁温度tcs(z)=tf(z)+f1(z)=tf(z)+qFRNzFqEhz式中：h(z)为单相水强迫对流换热系数W/(m2)，可以利用以下公式来求Nu=hzD=0.023Re0.8Pr0.4所以 hz=0.023Re0.8

10、Pr0.4D式中Re=GD=WbAbDD=4AbU=4(s2-4dcs2)dcs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：f2(z)=ts+25qFRNFqEz1060.25e-p6.2-tf(z)其中ts为气体的饱和温度，p的单位为MPa，p=15.8MPa时，ts=346.38当f2f1时，用前面的式子当f2f1时，用f2替换掉f1代入数据得D=412.610-32-49.510-329.510-3=11.7810-3 mRe=0.863.60.8810-411.7810-3=32.35hz=0.02332.350.8Pr0.41

11、1.7810-3=31.51Pr0.40.8f1z=5.291051.33z1.03hz=2.251040.8zPr0.4f2z=346.38+255.291051.331.10z1060.25e-15.86.2-tfz=346.38+1.83z0.25-tfz第一控制体出口处tfL6=291.69 ，查表可得=0.57799W/(m) L6=0.48 =9.185810-5 kg/(ms) Pr=0.8371f1L3=2.251049.185810-50.80.80.577990.83710.4=11.82f2L3=346.38+1.820.480.25-303.91=56.21 故 tcs