堆芯稳态热工水力设计.ppt
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第五章堆芯稳态热工水力设计第五章堆芯稳态热工水力设计核科学与工程系核科学与工程系稳态热工设计概述稳态热工设计概述热工设计的范围和任务热工设计的范围和任务堆芯热工设计的主要任务堆芯热工设计的主要任务:
1.1.提出反应堆总热功率提出反应堆总热功率2.2.确定主要热工流体力学参量确定主要热工流体力学参量(工作压力,温度,流量工作压力,温度,流量)3.3.确定堆芯慢化剂,燃料比例,堆芯结构,燃料元件,和格栅布局确定堆芯慢化剂,燃料比例,堆芯结构,燃料元件,和格栅布局4.4.进行稳态热工流体力学计算,算出堆芯内部件的压降,确定旁通流进行稳态热工流体力学计算,算出堆芯内部件的压降,确定旁通流量,提出是否需要节流装置量,提出是否需要节流装置5.5.对瞬态或事故工况进行分析计算,确定应急保护系统设计及动作整对瞬态或事故工况进行分析计算,确定应急保护系统设计及动作整定值定值核科学与工程系核科学与工程系稳态热工设计概述稳态热工设计概述堆芯热工设计步骤堆芯热工设计步骤1.1.根据业主或部门提出要求,如堆型,电输出率,以确定设计指导思根据业主或部门提出要求,如堆型,电输出率,以确定设计指导思想想2.2.确定热工设计准则确定热工设计准则3.3.提出对一回路冷却剂的温度要求提出对一回路冷却剂的温度要求4.4.确定反应堆输出的热功率确定反应堆输出的热功率5.5.确定燃料组件的相关参数,如燃料种类,元件型式,燃料富集度,确定燃料组件的相关参数,如燃料种类,元件型式,燃料富集度,包壳材料等包壳材料等6.6.选择压力,流量,进出口温度等热工参量选择压力,流量,进出口温度等热工参量7.7.计算热通道因子和冷却剂旁通流量计算热通道因子和冷却剂旁通流量8.8.进行热工稳态计算进行热工稳态计算9.9.进行热工瞬态性能分析进行热工瞬态性能分析核科学与工程系核科学与工程系稳态热工设计概述稳态热工设计概述堆芯热工设计和物理设堆芯热工设计和物理设计的关系计的关系需要物理设计提供需要物理设计提供:
给出合适的慢化剂与燃料比,燃料棒尺寸给出合适的慢化剂与燃料比,燃料棒尺寸堆芯稳态瞬态功率分布,以确定核热通道因子堆芯稳态瞬态功率分布,以确定核热通道因子需要热工设计提供需要热工设计提供:
沸腾产生的空泡分布沸腾产生的空泡分布燃料平均温度燃料平均温度冷却剂平均温度冷却剂平均温度核科学与工程系核科学与工程系稳态热工设计概述稳态热工设计概述堆芯热工设计和回路设堆芯热工设计和回路设计的关系计的关系合理选取二回路蒸汽压力和热交换器二次测的进口温度合理选取二回路蒸汽压力和热交换器二次测的进口温度确定反应堆的总功率和反应堆冷却剂的出口温度确定反应堆的总功率和反应堆冷却剂的出口温度尽量尽量提高一回路平均温度提高一回路平均温度提高热效率,减少热交换器换热面积提高热效率,减少热交换器换热面积核科学与工程系核科学与工程系稳态热工设计概述稳态热工设计概述堆芯热工设计和堆内结堆芯热工设计和堆内结构设计的关系构设计的关系热工水力学设计提出控制棒和其它堆内部件所需要的冷却流量热工水力学设计提出控制棒和其它堆内部件所需要的冷却流量要求入口腔室冷却剂流量的合理分配要求入口腔室冷却剂流量的合理分配结构配合处允许冷却剂泄漏结构配合处允许冷却剂泄漏提供堆内部件的温度分布以进行应力分析提供堆内部件的温度分布以进行应力分析确定总阻力系数,局部阻力系数等确定总阻力系数,局部阻力系数等核科学与工程系核科学与工程系稳态热工设计概述稳态热工设计概述堆芯热工设计和燃料元堆芯热工设计和燃料元件设计的关系件设计的关系二氧化铀,二氧化钚作为燃料二氧化铀,二氧化钚作为燃料棒状或板装元件棒状或板装元件棒状原件棒状原件运行稳定,制造容易运行稳定,制造容易燃料元件几何尺寸燃料元件几何尺寸考虑传热特性和加工制造两个方面因素考虑传热特性和加工制造两个方面因素流道形状和通流面积流道形状和通流面积-燃料棒排列方式和棒间距大小,直接影响冷燃料棒排列方式和棒间距大小,直接影响冷却剂的流速分布,以及传热特性,临界热流密度却剂的流速分布,以及传热特性,临界热流密度定位件的设计影响传热性能和临界热流密度定位件的设计影响传热性能和临界热流密度核科学与工程系核科学与工程系稳态热工设计概述稳态热工设计概述热工设计准则热工设计准则在设计反应堆堆芯和冷却剂系统时,需预先设定在设计反应堆堆芯和冷却剂系统时,需预先设定热工设计准则热工设计准则该准则因堆型而异,包括该准则因堆型而异,包括:
1.1.芯块最高温度低于熔化温度芯块最高温度低于熔化温度2.2.燃料元件外表面不发生临界沸腾,即热流密度低于临界热流密度。
燃料元件外表面不发生临界沸腾,即热流密度低于临界热流密度。
考虑最小临界热流密度比考虑最小临界热流密度比MCHFR=qMCHFR=qCC/q/qRR,其中其中qqCC,qqRR分别为临界热流密度分别为临界热流密度和实际热流密度。
和实际热流密度。
MCHFRMCHFR需被设计为需被设计为1.31.3不允许发生流动不稳定性不允许发生流动不稳定性核科学与工程系核科学与工程系堆芯热工设计参量的分析堆芯热工设计参量的分析冷却剂工作压力冷却剂工作压力-提高冷却剂的出口温度提高冷却剂的出口温度,从而,从而提高电站效率提高电站效率,因,因此需要提高运行压力此需要提高运行压力冷却剂的出口温度冷却剂的出口温度出口温度越高,电站效率越高出口温度越高,电站效率越高。
同时需要考虑。
同时需要考虑:
1.1.锆合金工作温度不超过锆合金工作温度不超过350350摄氏度摄氏度2.2.冷却机温度与燃料棒表面保证冷却机温度与燃料棒表面保证1010-1515摄氏度温差,以保证传热能力摄氏度温差,以保证传热能力3.3.冷却剂出口温度应低于饱和温度冷却剂出口温度应低于饱和温度2020摄氏度左右摄氏度左右冷却剂的进口温度冷却剂的进口温度进口温度越高,对于特定热功率条件和出口温度,平均温度越高,电进口温度越高,对于特定热功率条件和出口温度,平均温度越高,电站效率越高,但需要的流量增大,因而增大了主循环泵功耗。
站效率越高,但需要的流量增大,因而增大了主循环泵功耗。
流速增大,传热系数增大,临界热流密度增大,但同时增大腐蚀和侵流速增大,传热系数增大,临界热流密度增大,但同时增大腐蚀和侵蚀蚀核科学与工程系核科学与工程系堆芯热工设计参量的分析堆芯热工设计参量的分析冷却剂流量冷却剂流量流量越高,主循环泵功率增大,管道和设备尺寸增大流量越高,主循环泵功率增大,管道和设备尺寸增大流量减小,冷却剂温升增大,传热系数减小,临界热流密度减小,平流量减小,冷却剂温升增大,传热系数减小,临界热流密度减小,平均温度下降,效率降低均温度下降,效率降低核科学与工程系核科学与工程系堆内功率分布不均匀性问题堆内功率分布不均匀性问题影响因素影响因素:
核方面核方面-燃料分区装载,控制棒,结构材料,水隙和空泡燃料分区装载,控制棒,结构材料,水隙和空泡工程方面工程方面-燃料元件和堆内构造的加工制造的机械偏差,冷却剂流燃料元件和堆内构造的加工制造的机械偏差,冷却剂流量与设计值的偏差量与设计值的偏差热通道和热点因子热通道和热点因子核热通道核热通道积分输出功率最大的通道积分输出功率最大的通道核热点核热点表面热流密度最大的点表面热流密度最大的点仅从核方面考虑仅从核方面考虑,热通道可包含热点,只要保证热通道安全,则全堆热通道可包含热点,只要保证热通道安全,则全堆安全均可保证安全均可保证核热通道因子核热通道因子FFqqNN=F=FRRNNFFzzNNFFLLNNFFNNFFUUNNFFRRNNFFzzNNFFLLNNFFNNFFUUNN分别为径向,轴向,局部峰核热通道因子,以及分别为径向,轴向,局部峰核热通道因子,以及方位角修正因子,核计算误差修正因子方位角修正因子,核计算误差修正因子核科学与工程系核科学与工程系堆内功率分布不均匀堆内功率分布不均匀核科学与工程系核科学与工程系堆内功率分布不均匀堆内功率分布不均匀影响工程热通道因子的主要因素影响工程热通道因子的主要因素对于热流密度工程热点因子对于热流密度工程热点因子FqEFqE芯块直径,密度,裂变物质富集芯块直径,密度,裂变物质富集度,包壳外径等的加工误差度,包壳外径等的加工误差焓升工程热通道因子焓升工程热通道因子FFhhEE1.1.加工误差加工误差2.2.冷却剂通道尺寸误差冷却剂通道尺寸误差3.3.下腔室冷却剂流量分配不均下腔室冷却剂流量分配不均4.4.并联热通道内冷却剂流量再分配并联热通道内冷却剂流量再分配5.5.相邻通道冷却剂搅浑相邻通道冷却剂搅浑核科学与工程系核科学与工程系堆内功率分布不均匀堆内功率分布不均匀热点因子对堆芯热工性能的影响及降低因子的方法热点因子对堆芯热工性能的影响及降低因子的方法1.1.当堆芯实际最大热流密度为定值时,热流密度热点因子(当堆芯实际最大热流密度为定值时,热流密度热点因子(FFqq)越小,)越小,平均热流密度就越大。
总传热面积一定的情况下,降低平均热流密度就越大。
总传热面积一定的情况下,降低FFqq可以提高堆可以提高堆的输出热功率。
的输出热功率。
2.F2.Fqq越小,功率分布均匀,堆芯较安全越小,功率分布均匀,堆芯较安全降低降低FFqq的方法的方法:
1.1.展平功率分布展平功率分布采用中子反射层,设置控制棒,可燃毒物,分采用中子反射层,设置控制棒,可燃毒物,分区装载区装载2.2.改善堆内冷却条件改善堆内冷却条件使冷却剂流量与功率大小相匹配使冷却剂流量与功率大小相匹配核科学与工程系核科学与工程系单通道模型的稳态热工设计单通道模型的稳态热工设计步骤和方法步骤和方法用于热工初步方案的计算用于热工初步方案的计算主要步骤主要步骤:
1.1.计算输出热功率计算输出热功率2.2.确定燃料元件的形状,尺寸,栅距,排列方式等参数,并进一步确确定燃料元件的形状,尺寸,栅距,排列方式等参数,并进一步确定总传热面积和元件总数目定总传热面积和元件总数目3.3.计算堆芯平均通道热工参量计算堆芯平均通道热工参量4.4.计算堆芯热通道热工参量,确定最小热流密度比,燃料中心最高温计算堆芯热通道热工参量,确定最小热流密度比,燃料中心最高温度,及包壳外表面最高温度等,确保符合热工设计准则度,及包壳外表面最高温度等,确保符合热工设计准则核科学与工程系核科学与工程系单通道模型的稳态热工设计单通道模型的稳态热工设计平均通道内的平均通道内的热工参量计算热工参量计算平均通道内的冷却剂质量流密度平均通道内的冷却剂质量流密度,其中,其中为旁流系数,等于旁通流量为旁流系数,等于旁通流量与总流量的比值与总流量的比值平均通道内冷却剂的轴向温度分布平均通道内冷却剂的轴向温度分布平均通道的压降平均通道的压降核科学与工程系核科学与工程系单通道模型的稳态热工设计单通道模型的稳态热工设计热通道内的热热通道内的热工参量计算工参量计算热通道内冷却剂的轴向温度分布热通道内冷却剂的轴向温度分布热通道的热通道的CHFRCHFR沿轴向的分布沿轴向的分布,如图所示,如图所示,MCHFRMCHFR(或(或DNBRDNBR)点出现)点出现在最大热流密度点和通道出口之间在最大热流密度点和通道出口之间核科学与工程系核科学与工程系单通道模型的稳态热工设计单通道模型的稳态热工设计热通道内的热热通道内的热工参量计算工参量计算热通道内燃料元件温度沿轴向的分布热通道内燃料元件温度沿轴向的分布分单相对流传热,欠热泡核沸腾传热,饱和泡核沸腾传热三种工况分单相对流传热,欠热泡核沸腾传热,饱和泡核沸腾传热三种工况T,cH(z)=Tf,H(z)+T,cH(z)=Tf,H(z)+Tf,H(z),Tf,H(z),其中其中T,cH(z)T,cH(z),Tf,H(z)Tf,H(z),Tf,H(z)Tf,H(z)分别为燃料元件包壳外表面温度,热通道冷却剂温度和分别为燃料元件包壳外表面温度,热通道冷却剂温度和包壳外表面与冷却剂之间的膜温差包壳外表面与冷却剂之间的膜温差对
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- 稳态 水力 设计
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