热工水力课程设计

热工水力课程设计报告姓名：学号：专业：核工程与核技术指导老师：一、热工水力设计概述反应堆热工设计的任务就是要设计一个既安全可靠又经济的堆芯输热系统。

对于反应堆热工设计，尤其是对动力堆，最基本的要求是安全。

要求在整个寿期内能够长期稳定运行，并能适应启动、功率调节和停堆等功率变化，要保证在一般事故工况下堆芯不会遭到破坏，甚至在最严重的工况下，也要保证堆芯的放射性物质不扩散到周围环境中去。

要使反应堆安全，对于堆芯设计的要求有：1堆芯功率分布应尽量均匀，以便使堆芯铀最大的功率输出2尽量减少堆内不必要的中子吸收材料，以提高中子经济性3有最佳的冷却剂流量分配和最小的流动阻力。

反应堆热工设计的涉及面很广，它不但与反应堆本体的其他方面诸如堆物理、堆结构、堆材料和堆控制等的设计有关，而且还和一、二回路系统的设计有着密切的联系。

反应堆热工设计所要解决的具体问题，就是要在堆型和进行热工所必须的条件已定的前提下，通过一系列的热工水力计算和一、二回路热工参数最优选择，确定在额定功率下为满足反应堆安全要求所必须的堆芯燃料元件的总传热面积、燃料元件的几何尺寸以及冷却剂的流速（流量）、温度和压力等，使堆芯在热工方面具有较高的技术经济指标。

在进行反应堆热工设计之前，首先要了解并确定的前提为：（1）根据所设计堆的用途和特殊要求（如尺寸、重量等的限制）选定堆型，确定所用的核燃料、冷却剂、慢化剂和结构材料等的种类；（2）反应堆的热功率、堆芯功率分布不均匀系数和水铀比允许的变化范围；（3）燃料元件的形状、它在堆芯内的分布方式以及栅距允许变化的范围；（4）二回路对一回路冷却剂热工参数的要求；（5）冷却剂流过堆芯的流程以及堆芯进口处冷却剂流量的分配情况。

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，反应堆在整个运行寿期内，不论是处于稳态工况，还是处于预期的事故工况，它的热工参数都必须满足这个热工设计准则。

堆的热工设计准则，不但是堆的热工设计依据，而且也是安全保护系统设计的原始条件；除此之外，它还是制定安全运行规程的出发点。

热工设计准则的内容，不但随堆型而不同，而且随着科学技术的发展、堆设计与运行经验的积累以及堆用材料性能和加工工艺的改进而变化。

以压水动力堆为例，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。

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、深入理解単通道模型的基本概念、基本原理。

包括了平均通道（平均管）、热通道（热管）、热点等在反应堆设计中的应用；3、掌握堆芯焓场的计算并求出体现在反应堆安全性的主要参数：烧毁比DNBR，最小烧毁比MDNBR，燃料元件中心温度及其最高温度，包壳表面温度及其最高温度等；4、求出体现反应堆先进性的主要参数：堆芯流量功率比，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。

三、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，已知以下参数：系统压力P 15.8MPa堆芯输出个功率Nt 1820MW冷却剂总流量W 32100t/h反应堆进口温度f in287℃堆芯高度L 3.66m燃料组件数m 121燃料组件形式n0 x n0 17 x 17每个组件燃料棒数n 265燃料包壳外径d cs9.5mm燃料包壳内径d ci 8.60mm燃料包壳厚度δc0.57mm燃料芯块直径d u 8.19mm燃料棒间距（栅距）s 12.6mm两个组件间的水隙δ 0.8mmUO2芯块密度2UO95%理论密度旁流系数ς 5%燃料元件发热占总发热的份额F a 97.4%径向热管因子N R F 1.35 轴向热管因子N Z F 1.528 局部峰核热管因子NL F 1.11热流量核热点因子N N N N q R Z L F F F F = 2.29流量工程热点因子Eq F 1.03焓升工程热管因子E H F ∆（未计入交混因子） 1.085 交混因子*EH m F ∆ 0.95 焓升核热管因子N NH R F F ∆= 1.35堆芯入口局部阻力系数K in 0.75堆芯出口局部阻力系数K out 1.0堆芯定位隔架局部阻力系数K gr 1.05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：表一 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 1 2 3 归一化功率分布()z ϕ0.801.500.70通过计算，得出：1、堆芯流体出口温度；2、燃料棒表面平均热量密度以及最大热量密度，平均线功率，最大线功率；3、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、计算芯块压降。

四、热工设计的作用热工设计在整个反应堆设计过程中，起主导作用和桥梁作用 五、热工设计的方法单通道模型：是热工水力设计中所采用的一种比较简单的模型。

用单通道模型编制的计算机程序在设计时通常采用二根通道：一根为名义通道，它的所有参数均为名义值，另一根为热通道，将所有不利因子均加在热通道上，它是堆芯的极限通道。

通道之间不考虑质量、能量和动量交换，最多只能考虑热通道中因阻力增大而使其流量再分配和因交混效应而使热通道中冷却剂焓值下降两种机理。

六、计算过程、计算结果及分析 （一）计算过程1、堆芯流体出口温度（平均管）,,..(1).f out f inFa Nt t t W Cpς=+- ℃Cp 按流体平均温度,,1()2f f in f out t t t =+以及压力由表中查得。

2、燃料表面平均热流密度q./q Fa Nt F =总 W/m 2式中F 总为堆芯燃料棒的总传热面积=....cs F m n d L π总 m 2燃料棒表面最大热流密度q maxm a x q q ..N Eq q F F = w/m 2燃料棒平均线功率l q.....cs l csq d L q q d L ππ== W/m燃料棒最大线功率,maxl q,m a x ..N El l q qq q F F = w/m3、平均管的情况平均管的流速V(1)..f feff f W W V A A ςρρ-==m/s式中，堆芯内总流通面积22000.(.)4(.)42f cs A m n n p d m n s πδ=⎡⎤⎡⎤-+⨯⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ n 0为燃料组件内正方形排列时的每一排（列）的燃料元件数fρ由压力以及流体的平均温度f t查表得到：1f fV ρ=4、为简化计算起见，假定热管内的流体流速V h 和平均管的V 相同。

（实际上，应该按照压降相等来求。

热管内的流体流速要小一些）。

则V h =V同样，热管四根燃料元件组成的单元通道内的流量(1)h hfW W A A ς-=224b csA S d π=-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.,(),..(.)()N E EzR H H m cs f h zf in zh q F F F d t t z dW Cpπϕ∆∆=+⎰（2）第一个控制体出口处的包壳外壁温度1,(),(),()c sh z f h z f h z t t θ=+∆,()..()N Eq q f h z q F F t h z =+,()..().()N E R q f h z q F z F t h z ϕ=+式中：h(z)可以用0.80.4()0.023Re Pr ()eh z D Nu k z ==来求。

所以，0.80.4()()0.023Re Pr .e k z h z D =式中：.R e .eh eb G D W D A μμ==224()44cs be csS d A D Ud ππ-==流体的k(z)、μ（z ）和Pr 数根据流体的压力好温度由表查得。

（k=λ 传热系数） 如果流体已经达到过冷沸腾，用Jens-Lottes 公式：0.256.26..().25.10p NE Rqw s q F z Ft t eϕ⎛⎫- ⎪⎝⎭⎛⎫-= ⎪ ⎪⎝⎭()()()()()2,(),(),f h z w f h z w s s f h ztz tt z t t t θ∆=-=-+-()()()0.256.2,6..25.10p N ER q s f h z q F Z F et t ϕ⎛⎫- ⎪⎝⎭⎛⎫=+- ⎪ ⎪⎝⎭当()()22,,f h z f h z θθ∆∆ 时，用前面的式子当()()22,,f h z f h z θθ∆∆ 时，用()()21,,f h z f h z θθ∆∆代替（3）第一个控制体出口处的包壳内壁温度()()(),,,t c i h z c s h zc h ztθ=+∆()()(),...ln 2N E R q cs cs h z C ci q F F z d t k z d ϕπ⎛⎫=+⎪⎝⎭式中：Zr-4的()0.00547 1.83213.8c c k t =⨯⨯++ W/m.℃()()()()12c c sc i zt z t z t=+(4)第一个控制体出口处的UO 2芯块外表面温度()()(),,..2N E R q u h z ci h z ci u gq F F Z t t d d h ϕπ=++（5）第一个控制体出口处的UO 2芯块中心温度用积分热导求解的方法，即()()()()()0,,0..4h z u h z N E t t R q u u q F F Z k t dt k t dt ϕπ=+⎰⎰其他2个控制体的计算方法相同，重复上述过程即可。

6、热管中的(),DNB h z q用w-3公式计算，同样对3个控制体都算 7、DNBR 的计算()()()(),,...DNB h z DNB h z N E R q q q DNBR q z q F F z ϕ==8、计算热管中的压降 9、单相流体的摩擦压降22..2..2f e e L V p f D L G v f D ρ∆==式中：0.640.250.316..Re nww iso f f f f μμμμ⎛⎫⎛⎫⎛⎫==⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭单相流体加速压降：单相流体提升压降： (2)in outel p g L g Lρρρ+∆==局部压降，出口：2222out out outout outoutV G v p k k ρ∆==进口：2222in in inin ininV G v p k k ρ∆==定位格架出口压降：()221222out in gr gr gr grG v v V p k k ρ+∆==其中，比容v 按相应的流体压力和温度，由表查得。