热工水力课程设计

热工水力课程设计报告

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专业：核工程与核技术

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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δ

c

0.57mm

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 0.8mm

UO

2芯块密度2

UO

95%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N

L 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

E

q 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*E

H m F ∆ 0.95 焓升核热管因子N N

H 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 ϕ

0.80

1.50

0.70

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